CN210062081U - 一种复合材料裙的加工模具 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及树脂基纤维增强复合材料预浸料热压罐成型技术领域，具体涉及一种复合材料裙的加工模具，包括模体和盖板；盖板用于与模体的上端面配合，盖板与模体上端面相连时，盖板与模体之间形成成型空间，成型空间中用于铺设复合材料；盖板的热膨胀系数与模体的热膨胀系数相同。本实用新型通过上述的热压罐加工模具，在加工的过程中，通过在设置与模体热膨胀系数相同的盖板，通过盖板与模体对复合材料产生大小相等、方向相反方向的作用力，达到抵消复合材料向两个相反方向产生的形变的作用，从而保证复合材料裙的中心轴线相对于法兰端面的垂直度。

Description

一种复合材料裙的加工模具

技术领域

本实用新型涉及树脂基纤维增强复合材料预浸料热压罐成型技术领域，特别是一种复合材料裙的加工模具。

背景技术

火箭/导弹发动机壳体要实现级间连接或与其它部件的连接，必须依靠壳体级间复合材料裙来实现，以有效实现级间推力的传递。复合材料裙承受轴向拉伸、轴向压缩、环向拉伸、弯曲、剪切等多种载荷，载荷工况复杂；早期的火箭/导弹发动机的级间复合材料裙均采用金属材料。随着材料科学的发展，复合材料以其较高的比强度、比模量等优异性能在固体火箭发动机壳体上得到了广泛应用，复合材料裙也逐步取代了金属复合材料裙，实现了复合材料壳体及复合材料裙的一体化制造技术，实现固体火箭发动机的有效减重。

在火箭/导弹发动机复合材料级间复合材料裙的成型时，通常是将复合材料铺叠到模具上，然后将复合材料和模具整体移动到热压罐中，在一定的压力和温度作用下，使复合材料固化成型，最终形成复合材料裙。复合材料裙包括法兰端面和柱面。法兰端面需要与其他部件进行连接，因此，法兰端面相对于柱面中轴线之间的垂直度要求较高。在热压罐加工的过程中，在通过热压罐固化成型得到的复合材料裙中，容易发生复合材料裙的中心线与法兰端面不垂直的现象。

实用新型内容

本实用新型的实用新型目的在于：针对现有技术存在的复合材料裙的中心线与法兰端面不垂直的问题，提供一种复合材料裙的加工模具。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种复合材料裙的加工模具，包括模体和盖板；盖板用于与模体的上端面配合，盖板与模体上端面相连时，盖板与模体之间形成成型空间，成型空间中用于铺设复合材料；模体的热膨胀系数大于复合材料的热膨胀系数，盖板的热膨胀系数大于复合材料的热膨胀系数。

对于现有技术中出现的复合材料裙中心线与法兰端面不垂直的问题，申请人经过研究实践发现，复合材料裙的中心线与法兰端面不垂直的原因是，现有技术中，模具只有模体部分，而没有盖板部分。在加工的过程中，模体也会经历温度的变化，从而产生热胀冷缩的现象。在模体的热胀冷缩过程中，其与复合材料层之间会产生相互作用力，使得法兰端面处的复合材料单侧受力，从而发生弯板的现象，使法兰端面与复合材料裙轴心线不垂直。

因此，本实用新型中，设置了盖板，且使盖板的热膨胀系数大于复合材料，模体的热膨胀系数也大于复合材料，则在热压罐固化成型时，法兰端面处的复合材料两端受到方向相反的作用力，盖板产生的作用力能够在一定程度上抵消模具产生的作用力，从而缓解法兰端面处的弯板情况，有利于提高法兰端面相对于复合材料裙中心线的垂直度。

作为本实用新型的优选方案，盖板的热膨胀系数与模体的热膨胀系数相同。通过上述方案，使盖板对法兰端面的作用力与模体对法兰端面的作用力大小相等、方向相反，两作用力互相抵消，避免了法兰端面处的弯板现象发生，有利于保证法兰端面相对于复合材料裙中心线的垂直度。

作为本实用新型的优选方案，盖板与模体采用同种材料制成。

作为本实用新型的优选方案，模体上设有第一台阶部，第一台阶部用于支撑复合材料裙的下端面处的复合材料。本实用新型通过上述的热压罐加工模具，在加工的过程中，由于设置了第一台阶部，因此，加工形成的复合材料裙下端无需再次进行机加工，从而简化了加工流程，有利于提高生产效率。

作为本实用新型的优选方案，第一台阶部的宽度用于小于复合材料裙下端的厚度。由于在模具上设置了第一台阶部，在加工的过程中，复合材料上的树脂有可能会在压力和温度的作用下溢出，从而导致复合材料裙下段的树脂堆积。采用上述的结构，使第一台阶部的宽度小于复合材料裙下段的设计厚度，如果有树脂溢出，则树脂不会堆积在复合材料裙的下端，有利于保证复合材料裙的成型质量。

作为本实用新型的优选方案，在模体上还设有第二台阶部，模体与盖板相连时，在第二台阶部处形成成型空间，第二台阶部的高度用于小于加工过程中，在成型空间中铺设的复合材料厚度。由于形成了第二台阶部，在成型后，法兰端面的内侧也无需再次进行机加工，有利于进一步简化加工流程。另外，通过上述的结构，在加工的过程中，由于复合材料层间的树脂会溢出，溢出后的复合材料层厚度降低，厚度降低后的复合材料层厚度能够与成型空间的高度匹配，从而使得成型后，成型空间中剩余的复合材料体积能够满足使用要求，避免出现材料体积偏小的情况。

作为本实用新型的优选方案模体包括框架和成型面，框架包括中心柱和加强板，成型面与中心柱通过加强板相连。采用上述的结构，模体的重量较轻，而加强板又能够保证模体具有足够的强度。

作为本实用新型的优选方案加强板上设有减重孔。采用上述结构，能够进一步降低模体的重量。

作为本实用新型的优选方案模体上设有凹槽。模体上设置凹槽，在加工的过程中，凹槽中填充复合材料，在加工后，凹槽中的复合材料形成复合材料裙内侧的加强筋，从而起到对复合材料裙的局部加强作用。

作为本实用新型的优选方案模体上设有定位刻线。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

本实用新型通过上述的热压罐加工模具，在加工的过程中，通过在设置与模体热膨胀系数相同的盖板，通过盖板与模体对复合材料产生大小相等、方向相反方向的作用力，达到抵消复合材料向两个相反方向产生的形变的作用，从而保证复合材料裙的中心轴线相对于法兰端面的垂直度。

附图说明

图1是本实用新型具体实施方式中用于加工的复合材料裙的结构示意图。

图2是本实用新型具体实施方式中提供的加工模具的剖视图。

图3是本实用新型实施例1提供的模具与复合材料裙的剖面示意图。

图4是图3中A部的局部放大图。

图5是图3中E部的局部放大图。

图6是本实用新型实施例1提供的加工方法中的复合材料铺层的示意图。

图7是图6中B部动局部放大图。

图8为本实用新型提供的加工方法中预压实步骤的示意图。

图9为图8中C部的局部放大图。

图10为本实用新型提供的加工方法中的组装封袋时的示意图。

图11为图10中D部的局部放大图。

图12为本实用新型实施例2提供的模具的剖面示意图。

图13为本实用新型实施例2提供的加工方法中，在加工主体结构时示意图。

图标：1-复合材料裙；11-柱面区；14-机加工余量区；13-加强筋；12-法兰端面；21-模体；22-盖板；4-有孔隔离膜；5-透气毡；6-真空袋膜；7-无孔隔离膜；3-复合材料层；2-加工模具；211-成型面；216-框架；212-凹槽；213-成型空间；214-中心柱；215-加强板；2152-减重孔；2111-第一台阶部；2112-第二台阶部；2113-第三台阶部。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

请参阅图1-图11。本实施例提供了一种发动机级间复合材料裙1的加工模具2。这种加工模具2包括模体21和盖板22。

模体21包括框架216和成型面211。

框架216包括中心柱214和加强板215。加强板215的数量为至少两个。加强板215上设有减重孔2152。

成型面211呈柱状结构，成型面211内表面与中心柱214通过加强板215相连，中心柱214位于成型面211的中轴线上。成型面211外表面上用于铺设复合材料。

成型面211上还设有凹槽212。

成型面211上设有第一台阶部2111、第二台阶部2112和第三台阶部2113。

第一台阶部2111设于模体21的下部，第一台阶部2111用于支撑复合材料裙1下端处的复合材料。第一台阶部2111的宽度小于复合材料裙1下端处的复合材料厚度。

第二台阶部2112位于模体21的上端面，第二台阶部2112用于与盖板22配合。将盖板22置于第二台阶部2112上时，盖板22与模体21之间形成一个用于容纳复合材料的成型空间213。该成型空间213用于复合材料裙1的法兰端面12成型，使得法兰端面12成型后，法兰端面12的内径表面能够满足设计尺寸要求，从而无需再对法兰端面12的内径表面进行机加工。在加工的过程中，在成型空间213处铺设的复合材料厚度高于第二台阶部2112的高度。

第三台阶部2113位于模体21的上端面。第三台阶部2113用于与盖板22的内径端面配合，从而实现对盖板22的定位。

在常温下，模体21的外径小于复合材料裙1的设计内径。且，常温下模体21的外径与复合材料裙1的设计内径之间的差值这样设置：使得在热压罐的温度载荷作用下，模体21发生膨胀，模体21膨胀后的外径值在复合材料裙1设计内径公差的正公差范围内。即：使常温下，模体21的外径与复合材料裙1的设计内径之间的差值，等于模体21在热压罐内受热后的膨胀量。

盖板22呈环状结构。盖板22用于与成型面211的上表面相接触。本实施例中所述的，成型面211的上表面，是指加工模具2和复合材料一起在热压罐中进行热压成型时，成型面211所摆放方位的上表面。

本实施例中，盖板22与模体21采用热膨胀系数相同的材料制成。进一步的，盖板22与模体21采用同种材料制成。

这种加工模具2的有益效果在于：

1.本实用新型通过上述的热压罐加工模具2，在加工的过程中，由于设置了第一台阶部2111，因此，加工形成的复合材料裙1下端无需再次进行机加工，从而简化了加工流程，有利于提高生产效率；

2.由于第一台阶部2111的宽度小于复合材料裙1下端的设计厚度，如果有树脂溢出，则树脂不会堆积在复合材料裙1的下端，有利于保证复合材料裙1的成型质量。

3.盖板22的热膨胀系数与模体21的热膨胀系数相同，能够使得到的复合材料裙1的法兰端面12与轴心线之间的垂直度符合设计要求。

4.第二台阶部2112用于供复合材料裙1上端的法兰端面12内径端面净尺寸成型，在成型后，无需对法兰端面12的内径进行进一步加工。

5.通过对模体21的尺寸进行合理的设置，使模体21在受热膨胀后，其尺寸能够落入到复合材料裙1设计内径公差的正公差范围内，从而保证了复合材料裙1的加工精度。

上述的加工模具2能够用于下述复合材料裙1的加工：

这种复合材料裙1采用复合材料制成。该复合材料裙1包括呈柱面形状的柱面区11、呈环状的法兰端面12，法兰端面12的外侧与柱面区11一端相连。柱面一端的厚度小于另一端的厚度。法兰端面12与柱面交界的区域上，内侧形成圆角，外侧形成尖角。法兰端面12与柱面交界的区域内侧还设有加强筋13。

加工方法其包括以下步骤：

设计铺层方案；

准备加工模具2；

按铺层方案铺设复合材料；

组装封袋；

将加工模具2与复合材料整体转移到热压罐内进行固化；

脱模；

机加工。

请参阅图6及图7。在设计铺层方案中，复合材料裙1柱面区11与法兰端面12交界处的区域被分为圆角区和尖角区，在尖角区中，设置复合材料条状小铺层进行填充。进一步的，圆角区的铺层与法兰端面12的铺层之间连续设置，使得圆角区的铺层与法兰端面12区的铺层之间具有良好的过渡。而尖角区中，采用条状复合材料，沿柱面区11的周向铺设复合材料，进行填充至需要的尖角形状。

在设计铺层方案中，对于柱面区11的铺层设计，柱面区11的复合材料片的延伸方向用于与柱面区11的轴线方向一致。复合材料裙1在使用时，载荷沿柱面区11的轴线方向传播，因此，使柱面区11的复合材料片的延伸方向与柱面区11的轴线方向一致，有利于使载荷沿复合材料片的延伸方向传递，从而提高复合材料裙1的承载能力。需要说明的是，本实施例中所述的“柱面区11的复合材料片的延伸方向用于与柱面区11的轴线方向一致”是指，以一个与柱面区11的轴线方向平行的虚拟截面剖开复合材料裙1，在截断面上，柱面区11的复合材料片的长度方向与柱面区11的轴线方向一致。另外，此处的一致，既包括完全一致的情形，也包括基本一致的情形，即柱面区11的复合材料片的延伸方向也可以与柱面区11的轴线方向之间具有一定的夹角，或在柱面区11的轴线方向附近具有一定的角度变化。

在设计铺层方案中，对于柱面区11内的复合材料片，沿柱面区11的轴线方向上，复合材料片连续。即在柱面区11的轴线方向上，复合材料片的长度与柱面区11的长度相符。亦即：若以一个与柱面区11的轴线方向平行的虚拟截面剖开复合材料裙1，在截断面上，柱面区11的复合材料片呈现出一条完整的线段，而没有断开。

在设计铺层方案中，以所述柱面区11在径向方向上厚度的中间面为对称面，所述柱面区11的复合材料片以所述对称面为中心对称设置。需要说明的是，此处所谓的对称设置是指，对于柱面区11内的复合材料层3，在对称面的两侧，复合材料的层数相等；在对称面的两侧，与对称面距离相等的两个复合材料层3的面积相等或相当。

在设计铺层方案中，圆角区的复合材料片与法兰端面12处的复合材料片连续。进一步的，复合材料裙1的法兰端面12区域的厚度往往大于柱面区11的厚度，因此，在设置铺层方案时，使柱面区11的铺层与圆角区的铺层连续，圆角区的铺层与法兰端面12处的连续，即对于柱面区11内的每一层复合材料层3，其均与圆角区和法兰端面12处的材料连续。

为了在法兰断面处形成更厚的结构，且使法兰端面12与柱面区11能够具有良好的过渡，在上述的连续铺层中，夹设局部铺层，局部铺层覆盖圆角区和法兰端面12，从而使得法兰端面12处能够具有足够的厚度，且使得圆角区的厚度能够满足载荷要求。

在设计铺层方案中，在柱面结构的外侧设置机加工余量区14。即，使铺层的厚度大于复合材料裙1成品所需要的厚度，便于在脱模后进行进一步的加工。在机加工余量区14内，以机加工余量区14在径向方向上的厚度的中心面为对称面。局加工余量区内，复合材料铺层沿对称面对称设置。机加工余量区14的复合材料片的延伸方向与柱面区11的轴线方向一致。

在复合材料裙1的厚度具有变化的部分，例如，在锥段处，复合材料铺层的长度逐渐变化，使得复合材料裙1的厚度逐渐变化。

请参阅图8及图9。在按铺层方案铺设复合材料时，还可以对铺层进行预压实操作。预压实操作包括：

在铺叠过程中，在加工模具2的模体21上铺叠铺层，首次铺层结束后，采用抽真空方式进行预压实。后续每隔三层铺层，进行一次预压实操作。铺层时，如果复合材料片的长度存在误差，使得复合材料片不能刚好与第一台阶部2111或第二台阶部2112抵接，此时，可以通过树脂填充复合材料片与第一台阶部2111或第二台阶部2112之间的间隙。

进一步的，在预压实操作中，在加工模具2表面粘接密封胶条，此时的密封胶条与复合材料坯料错开设置，用有孔隔离膜4覆盖该复合材料裙1，在有孔隔离膜4上放置透气毡5，然后用真空袋膜6覆盖复合材料裙1并与密封胶条粘接，在复合材料裙1以外区域安装真空快换接头，组装封袋后形成良好的真空系统；对真空系统进行抽真空，直至系统内的真空度大于-0.90bar，通过抽真空形成的压力对复合材料裙1复合材料坯料的各铺层进行压实将复合材料铺贴在模具2上，以对复合材料进行压实。

请参阅图10及图11。在组装封袋时，包括以下操作：将盖板22放置于复合材料裙1复合材料坯料上方，并与模体21连接，在加工模具2的表面粘接耐高温密封胶条，耐高温密封胶条与复合材料坯料错开设置，用无孔隔离膜7覆盖盖板22及复合材料坯料侧面，在无孔隔离膜7上放置透气毡5，最后用耐高温的真空袋膜6覆盖复合材料裙1并与密封胶条粘接，在复合材料裙1以外的区域安装真空快换结头，组装封袋后，形成密闭良好的真空系统。

固化时，将加工模具2及复合材料裙1转移至热压罐内，按照固化参数施加真空、压力及温度，即可对复合材料裙1进行固化。

脱模时，去除真空袋膜6、透气毡5、无孔隔离膜7、密封胶条，取下盖板22，然后将复合材料裙1从模体21上取下。

本实用新型提供的加工方式采用的加工模具2包括模体21和盖板22。

模体21上设有凹槽212。使用时，将复合材料片铺叠在模体21上。进一步的，模体21上设有凹槽212，凹槽212中用于容纳复合材料片。

在本实施例中，凹槽212的数量为四个。四个凹槽212在复合材料裙1的圆周方向上间隔均匀分布。

经过成型后，凹槽212中的复合材料片形成复合材料裙1上的加强筋13。加强筋13位于柱面区11的内侧，且加强筋13既与法兰端面12相接触，又与柱面区11相接触。

盖板22用于覆盖在模体21上。进一步的，盖板22用于覆盖在模体21上是指：当加工模具2被放置于热压罐中时，盖板22位于模体21的上部。

实施例2

请参阅图12。本实施例提供了一种发动机级间复合材料裙1的加工模具2。这种加工模具2包括模体21和盖板22。

模体21包括框架216和成型面211。

框架216包括中心柱214和加强板215。加强板215的数量为至少两个。加强板215上设有减重孔2152。

成型面211呈柱状结构，成型面211内表面与中心柱214通过加强板215相连，中心柱214位于成型面211的中轴线上。成型面211外表面上用于铺设复合材料。

成型面211上还设有第一台阶部2111、第二台阶部2112和定位刻线。

第一台阶部2111设于模体21的下部，第一台阶部2111用于支撑复合材料裙1下端处的复合材料。第一台阶部2111的宽度小于复合材料裙1下端处的复合材料厚度。

第二台阶部2112位于模体21的上端面，第二台阶部2112用于与盖板22配合。将盖板22置于第二台阶部2112上时，盖板22与模体21之间形成一个用于容纳复合材料的成型空间213。该成型空间213用于复合材料裙1的法兰端面12成型。在加工的过程中，在成型空间213处铺设的复合材料厚度高于第二台阶部2112的高度。

盖板22呈环状结构。盖板22用于与成型面211的上表面相连。本实施例中所述的，成型面211的上表面，是指加工模具2和复合材料一起在热压罐中进行热压成型时，成型面211所摆放方位的上表面。

本实施例中，盖板22与模体21采用热膨胀系数相同的材料制成。进一步的，盖板22与模体21采用同种材料制成。

本实施例提供的加工模具2的有益效果与实施例1提供的加工模具2的有益效果类似，再次不予赘述。

采用本实施例提供的加工模具2加工复合材料裙1时，加工方法与实施例1中提供的加工方法基本相同。其区别在于：本实施例中，加强筋13的成型方式与实施例1中的不同。

请参阅图12及图13。在本实施例中，加工模具2包括主体结构模具和加强筋13模具(图中未示出)。主体结构模具用于加工出复合材料裙1的主体结构，加强筋13模具用于加工出加强筋13。在加工过程中，对主体结构部分，进行以下步骤：

设计铺层方案；准备加工模具2；按铺层方案铺设复合材料；封袋；将加工模具2与复合材料整体转移到热压罐内进行固化；脱模；机加工。

对加强筋13部分进行以下步骤：

设计铺层方案；准备加工模具2；按铺层方案铺设复合材料；封袋；将加工模具2与复合材料整体转移到热压罐内进行固化；脱模。

在主体结构和加强筋13分别进行成型后，进行以下步骤：

打磨第一粘接面和第二粘接面；

粘接第一粘接面和第二粘接面。

进一步的，本实施例提供的加工方法采用的主体结构模具上，设有定位刻线，在主体结构成型后，主体结构上产生与定位刻线对应的痕迹，该痕迹用于在粘接的过程中定位第二粘接面。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合材料裙的加工模具，其特征在于，包括模体和盖板；

所述盖板用于与所述模体的上端面配合，所述盖板与所述模体上端面相连时，所述盖板与所述模体之间形成成型空间，所述成型空间中用于铺设复合材料；

所述模体的热膨胀系数大于所述复合材料的热膨胀系数，所述盖板的热膨胀系数大于所述复合材料的热膨胀系数。

2.根据权利要求1所述的加工模具，其特征在于，所述盖板的热膨胀系数与所述模体的热膨胀系数相同。

3.根据权利要求1所述的加工模具，其特征在于，所述盖板与所述模体采用同种材料制成。

4.根据权利要求1所述的加工模具，其特征在于，所述模体上设有第一台阶部，所述第一台阶部用于支撑所述复合材料裙的下端面处的复合材料。

5.根据权利要求4所述的加工模具，其特征在于，所述第一台阶部的宽度用于小于所述复合材料裙下端的厚度。

6.根据权利要求5所述的加工模具，其特征在于，在所述模体上还设有第二台阶部，所述模体与所述盖板相连时，在所述第二台阶部处形成成型空间，所述第二台阶部的高度用于小于加工过程中，在所述成型空间中铺设的复合材料厚度。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的加工模具，其特征在于，所述模体包括框架和成型面，所述框架包括中心柱和加强板，所述成型面与中心柱通过所述加强板相连。

8.根据权利要求7所述的加工模具，其特征在于，所述加强板上设有减重孔。

9.根据权利要求1所述的加工模具，其特征在于，所述模体上设有凹槽。

10.根据权利要求1所述的加工模具，其特征在于，所述模体上设有定位刻线。

Images