CN208978073U - 一种用于制造复合材料模具的母模 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于制造复合材料模具的母模，所述母模包括：钢架底座，所述钢架底座的底部安装有包括至少三个轮子的轮子组件；堆积在所述钢架底座上的钢条层；铺设在所述钢条层上的木板层；粘结在所述木板层上的泡沫层；铺覆在所述泡沫层上的玻璃钢层；和铺覆在所述玻璃钢层上的代木树脂层。本实用新型的母模耐温等级高，使用温度甚至可以达到180℃左右，因而能够防止在制备复合材料模具的过程中尤其是在真空灌注过程中发生塌陷的问题，并且解决了模具的不同材料的膨胀系数差异造成的内应力引起尺寸发生偏差、表面产生裂纹、模具受损等问题，提高利用其制得的复合材料模具的精度，在用于制造复合材料模具中具有巨大的市场潜力。

Description

一种用于制造复合材料模具的母模

技术领域

本实用新型涉及复合材料模具领域，尤其涉及用于制造复合材料模具的母模。

背景技术

复合材料是人们运用先进的材料制备技术将不同性质的材料组分优化组合而成的新材料。复合材料通常由两种或两种以上化学、物理性质不同的材料组分，以所设计的形式、比例、分布组合而成，具有结构可设计性，可进行复合结构设计，通过各组分性能的互补和关联可以获得单一组成材料所不能达到的综合性能。

现代高科技的发展离不开复合材料，而复合材料对现代科学技术的发展也有着十分重要的作用。复合材料的研究深度和应用广度及其生产发展的速度和规模，已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。进入21世纪以来，全球复合材料市场快速增长，我国市场增长速度尤其突出，年均增速约为15％。

近年来，航空航天、兵器、船舶、高铁等行业迅猛发展，轻量化与低碳高效是时代发展的主题，复合材料替代传统金属材料已经成为军转民及军民融合的一个重要发展方向。

复合材料通常通过成型方法来制备。成型方法可以包括手糊成型、喷射成型、纤维缠绕成型、模压成型、拉挤成型、RTM成型、热压罐成型、隔膜成型、迁移成型、反应注射成型、软膜膨胀成型、冲压成型等，无论采用哪种成型方法，都需要复合材料模具来进行，而复合材料模具的制造则需要母模来进行。然而，大型复杂复合材料构件在研制时存在一些难以逾越的技术鸿沟，研制周期长也是其开疆拓土的刚性障碍，居高不下的模具制造成本等都严重影响了复合材料的广泛应用。

近年来，在风电叶片的浪潮衍生出来的复合材料材质模具(后文有时简称复材模具)技术得到了长足的发展与继承。与传统的金属材质模具(后续简称金属模具)技术相比，复合材料模具技术在研制大尺寸复杂型面制件领域具有压倒性的优势。首先，在成型复合材料制件时，由于模具与制件材质相近，热膨胀系数差几乎为零，因而制件在固化后尺寸精度高；其次，复合材料模具加工难度低，效率高，刀具损耗小，周期短；再者，复合材料模具加工成本相对较低，更适用于批量化生产。

普遍认为，复合材料模具为制造大型平面、曲面及复杂型面结构制件提供了崭新的模具思路，克服了传统金属模具加工成本高、周期长、效率低、尺寸精度低等一系列问题，在航空航天、船舶、轨道交通、电子系统等领域具备巨大的应用潜力。

但是，现有技术制得的复合材料模具还存在如下问题：母模耐温等级不足，容易在真空灌注过程中发生塌陷，行程模具的不同材料的膨胀系数差异造成的内应力引起尺寸发生偏差、表面产生裂纹、模具受损等。

实用新型内容

为了解决现有技术存在的一个或者多个问题，本实用新型在第一方面提供了一种用于制造复合材料模具的母模，所述母模包括：1、一种用于制造复合材料模具的母模，其特征在于，所述母模包括：(1)钢架底座；(2)堆积在所述钢架底座上的钢条层；(3)铺设在所述钢条层上的木板层；(4)粘结在所述木板层上的泡沫层；(5)铺覆在所述泡沫层上的玻璃钢层；和(6)铺覆在所述玻璃钢层上的代木树脂层。

本实用新型的母模耐温等级高，传统母模和复合材料模具使用温度一般在80℃以下，本实用新型的复合材料模具长期使用温度可以达到140℃左右，因而能够防止在制备复合材料模具的过程中尤其是在真空灌注过程中发生塌陷的问题，并且解决了模具的不同材料的膨胀系数差异造成的内应力引起尺寸发生偏差、表面产生裂纹、模具受损等问题，提高利用其制得的复合材料模具的精度。而且，由本实用新型的母模制得的复合材料模具具有大的市场潜力，特别是随着例如轨道交通领域的发展，车体复合材料化的趋势日益明显，对车体复合材料化的需要会推动例如碳纤维复合材料模具的发展。据评估，一种结构形式的车厢会带来200万左右的市场效益。另外，新能源电动车是国家支持的产业，新能源电动车大型制件用模具将会采用复合材料替代传统金属材料；还有，航空航天领域制件采用复合材料的占比日益增加，由于复材可设计、易加工、适合整体成型等优势，制件产品尺寸也在不停地突破上限，而与之产生的金属模具成本不断增加，且具有加工难度大，周期长，可选择的厂家少，重量大不易转移等缺点，限制了自身的应用。在未来的发展中，可以逐步采用质量满足使用要求，成本低、加工难度小、生产周期短、重量轻的复合材料模具替代传统金属模具。

附图说明

图1为本实用新型的母模的一个实施方式的示意图。

图2为本实用新型的母模的另一个实施方式的示意图。

图3为本实用新型的母模的又一个实施方式的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例对本实用新型的技术方案进行更加清楚、完整地描述。但是，所提供的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请所公开的内容，本领域普通技术人员在未付出创造性劳动的前提下就可以想到的技术方案，都属于本实用新型保护的范围。

复合材料模具的母模有时也称代木模具，是用来制作复合材料模具的母体。在本实用新型中，母模可以由钢架底座、钢条层、木板层、泡沫层、玻璃钢层、代木树脂层等部分组成，并且各个组成部分各司其职。

参见图1。图1是显示本实用新型的一个实施方式的母模的示意图。所示母模包括钢架底座1；堆积在所述钢架底座1上的钢条层2；铺设在所述钢条层2上的木板层3；粘结在所述木板层3上的泡沫层4；铺覆在所述泡沫层4上的玻璃钢层5；和铺覆在所述玻璃钢层5上的代木树脂层6。

在本实用新型中，钢架底座1主要是用作支撑结构，主要用于支撑母模的其他各层，并且在用于制造复合材料模具的过程中，用于支撑复合材料模具。

钢条层2主要用于垒出母模原始雏形，可以通过将钢条堆积在钢架底座1上来形成，钢条之间可以进一步焊接在一起，还可选地与钢架底座1焊接在一起。所述钢条层2的表面可以为平面，也可以根据需要堆积成异形面。

如果母模在使用过程中随复合材料模具一起同时升温固化，优选在铺覆木板或泡沫前进行钢架底座1热处理以防止变形。例如，可以对钢架底座1和钢架底座1上堆积的钢条层2进行热处理。优选的是，所述热处理的处理温度为130℃-170℃，处理时间为2小时至5小时。

本实用新型对所述木板层3的厚度没有特别的限制，但是在一些优选的实施方式中，所述木板层3的厚度可以为5mm至40mm，例如为5、10、15、20、25、30、35或40mm。铺覆木板，可以消除钢条层2上各钢条之间的缝隙，也能起到一定的支撑泡沫层的作用。

本实用新型对所述泡沫层4的厚度没有特别的限制，但是在一些优选的实施方式中，所述泡沫层4的厚度可以为5mm至20mm，例如为5、10、15或20mm。如果厚度太小，则可能不容易酌情进行例如粗加工等后处理；如果太厚，可能会降低尺寸精度。在铺覆泡沫层4(例如聚氨酯泡沫层)之后，可以根据需要进行粗加工。在本实用新型中，泡沫层4对型面精度可以控制在±3mm左右。值得注意的是，如果代木母模使用温度等级提高，可以根据需要对泡沫材料进行更换，例如根据温度升高情况逐级变更为PS(聚苯乙烯)泡沫(80～100℃)、PMI(改性聚酰亚胺，例如购自浙江中科恒泰新材料科技有限公司的产品)泡沫(100～180℃)泡沫。于是，在另外一些优选的实施方式中，所述泡沫可以选自由聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫和聚甲基丙烯酰亚胺泡沫组成的组，例如如果使用温度范围为80～100℃，可以采用PS泡沫；如果使用温度为100～180℃，可以使用PMI泡沫。于是，在一些优选的实施方式中，本实用新型的所述母模耐受80℃至180℃的温度。从代木树脂的易得性或可选择范围来看，优选为100～140℃。

在本实用新型中，作为初步保证母模型面的材料，泡沫的加工性能良好，不像金属容易损坏刀具。根据使用温度从低到高划分，母模常用泡沫依次为聚氨酯泡沫、PS泡沫、PMI泡沫。仅从成本角度考虑，前两者成本相对较低，因此在满足耐温性要求的条件下，优选使用聚氨酯泡沫和PS泡沫。

本实用新型不直接在泡沫层4上铺覆(例如喷涂或手糊)代木树脂层6，否则可能在使用过程中泡沫塌陷引起母模形变。因此，可以在泡沫层4表面铺覆一层玻璃钢层5，这恰到好处地解决泡沫塌陷引起的一系列问题。而且，玻璃钢层4的强度能阻止后期复合材料模具预制体真空灌注树脂时大气压对母模的破坏，从而可以用于维持母模形状的稳定，还能提高母模的密封性能。本实用新型对所述玻璃钢层5的厚度没有特别的限制，但是在一些优选的实施方式中，所述玻璃钢层5的厚度可以为0.5mm至10mm，例如为1、2、5或10mm。

在本实用新型中，可以根据需要对玻璃钢层5表面进行打磨(例如打磨至粗糙度达到Ra3.2以上)以提高代木树脂的附着力，同时还能及时去除玻璃钢层5的表面残留的粉尘。

代木树脂层6铺覆在玻璃钢层5上。用于形成所述代木树脂层6的代木树脂可以为例如断裂延伸率大于1％的树脂，例如为聚氨酯和/或环氧树脂。代木树脂层6的型面精度可以为±0.2mm，可以通过在代木树脂固化后通过对代木树脂层6进行精加工来实现。精加工可以使用CNC数控加工设备进行。至此，可以得到最终的母模。

顺便说明的是，本实用新型对母模的尺寸没有特别的限制，但是在一些优选的实施方式中，所述母模的长度为1000mm至8000mm；宽度为1000mm至4000mm。

另外，在一些优选的实施方式中，所述钢架底座1的底部安装有轮子组件(如图2所示)，本实用新型对轮子组件的轮子7的总个数没有特别限制，只要能够便于移动母模移动并且对母模的使用不带来不可接受的不利影响即可，例如轮子7可以是2至8个，例如2、3、4、5、6或8个，从能够使母模充分保持平衡的阶段来看，优选为至少3个，例如为4个，6个或8个(如图2所示)。在一个实施方式中，轮子组件的轮子7的总数量为偶数并且在钢架底座的底部两侧上对称安装。由于母模的体积大、重量重，因此轮子组件存在的情况下便于移动。另外优选的是，所述轮子组件7还包括可操作地锁定轮子以防止轮子转动的锁定机构(图中未示出)，使得在使用母模来制备复合材料模具的过程中可以利用锁定机构将轮子锁定以防止母模移动。

在一些优选的实施方式中，在钢条层2和选自由木板层3、泡沫层4、玻璃钢层5和代木树脂层6组成的组中的至少一层之间设置有用于将所述钢条层2和所述至少一层可操作地固定在一起的固定机构8(如图3所示)。固定机构8的作用在于，在母模在非受热情况下，使固定机构8处在固定状态(或者关闭状态)，由钢架基座和钢条层构成的金属部分与其他材料层(例如木板层3、泡沫层4、玻璃钢层5和代木树脂层6)形成的非金属部分连为一体，用于校正自身型面；在母模受热过程中，使固定机构8处在非固定状态，使得金属部分与非金属部分各自处于自由状态，互不影响，因而解决了线胀系数差导致的型面尺寸偏差及模具损伤等问题。固定机构8可以通过例如螺纹连接的方式将金属部分和非金属部分固定在一起。当然，固定机构8可以将金属部分(即钢架基座1和钢条层2)的任一部分和金属部分(例如木板层3、泡沫层4、玻璃钢层5和代木树脂层6)的任一部分锁定在一起，不过从方便制作的角度来看，优选固定机构8用于将钢架基座1和/或钢条层与木板层可操作地固定在一起。

本实用新型的母模的制造方法没有特别限制，例如可以采用包括如下步骤的方法进行：(a)制作钢架底座；(b)并在钢架底座上堆积钢条以形成钢条层型面；(c)在钢条层型面上铺覆木板层，形成木板层型面；(d)在木板层型面上粘结泡沫层并可选地进行粗加工，形成泡沫型面；(e)在泡沫型面上铺覆玻璃钢层，形成玻璃钢层型面；(f)在玻璃钢型面上铺覆代木树脂层并可选地进行精加工，得到代木树脂层型面，由此得到母模。

实施例

下文将通过以实施例的形式对本实用新型进行进一步的说明。但是本实用新型的保护范围不限于这些实施例。

实施例1

本实施例通过如下方式进行：

(1)焊接尺寸为于6000*2500*10mm的钢架底座(型号为Q235)。

(2)在钢架底座上堆积钢条(45#)形成钢条层型面，然后进行在140℃温度下热处理3小时。

(3)在钢条层型面上铺覆厚度为20mm的木板层，形成木板层型面，从而消除钢架底座之间的缝隙。

(4)在木板层型面上粘结厚度为10mm的聚氨酯泡沫层并粗加工至型面精度为±3mm左右，形成泡沫型面。

(5)在泡沫型面上铺覆厚度为约5mm的玻璃钢层，形成玻璃钢层型面；然后对玻璃钢层进行打磨以进行粗糙化处理，使得表面的粗糙度为Ra3.2以上。

(6)在玻璃钢型面上铺覆厚度为5mm的环氧树脂作为代木树脂(购自广州聚合新材料科技股份有限公司)层，并在常温固化12小时，并将型面精加工至型面精度为±0.2mm左右，得到具有代木树脂型面的母模。

实施例2

采用与实施例1基本相同的方式进行，不同之处在于采用PS(聚苯乙烯泡沫)泡沫替换聚氨酯泡沫。

实施例3

采用与实施例1基本相同的方式进行，不同之处在于采用PMI(购自浙江中科恒泰新材料科技有限公司)泡沫替换聚氨酯泡沫。

实施例4

采用与实施例1基本相同的方式进行，不同之处在于不进行所述热处理。

实施例5

采用与实施例1基本相同的方式进行，不同之处在于不铺覆玻璃钢层。

实施例6

采用与实施例1基本相同的方式进行，不同之处在于，采用断裂延伸率约5％的聚氨酯代替环氧树脂作为代木树脂。

表1各实施例制得的母模的性能。

制备例	耐温性/℃	型面精度/mm	型面光洁度
				1	80℃	±0.2	Ra1.6
2	130℃	±0.2	Ra1.6
				3	170℃	±0.2	Ra1.6
4	80℃	±0.2	Ra1.6
				5	80℃	±2.0	Ra1.6
6	80℃	±0.2	Ra1.6

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种用于制造复合材料模具的母模，其特征在于，所述母模包括：

(1)钢架底座，所述钢架底座的底部安装有包括至少三个轮子的轮子组件；

(2)堆积在所述钢架底座上的钢条层；

(3)铺设在所述钢条层上的木板层；

(4)粘结在所述木板层上的泡沫层；

(5)铺覆在所述泡沫层上的玻璃钢层；和

(6)铺覆在所述玻璃钢层上的代木树脂层；

在所述钢条层和选自由所述木板层、泡沫层、玻璃钢层和代木树脂层组成的组中的至少一层之间设置有用于将所述钢条层和所述至少一层可操作地固定在一起的固定机构。

2.根据权利要求1所述的母模，其特征在于：所述泡沫层的型面精度为±3mm；和/或所述代木树脂层的型面精度为±0.2mm。

3.根据权利要求1所述的母模，其特征在于：所述木板层的厚度为5mm至40mm；所述泡沫层的厚度为5mm至20mm；所述玻璃钢层的厚度为0.5mm至10mm；和/或所述代木树脂层的厚度为0.5mm至10mm。

4.根据权利要求1所述的母模，其特征在于，所述母模的长度为1000mm至8000mm；宽度为1000mm至4000mm。

5.根据权利要求1所述的母模，其特征在于，所述钢条层焊接在所述钢架底座上。

6.根据权利要求1所述的母模，其特征在于，所述钢条层的表面为由钢条堆积形成的异形面。

7.根据权利要求1所述的母模，其特征在于，所述轮子组件的轮子的总数量为偶数并且在钢架底座的底部两侧上对称安装。

8.根据权利要求7所述的母模，其特征在于，所述轮子组件还包括可操作地锁定轮子以防止轮子转动的锁定机构。

9.根据权利要求1所述的母模，其特征在于，所述母模耐受80℃至180℃的温度。