CN213412998U - 一种闭合式多单元窗格复合材料结构成型工装 - Google Patents

Abstract

一种闭合式多单元窗格复合材料结构成型工装，包括：闭合外腔模具、单元格模具、橡胶挡条、芯模定位板和导向锥销。单元格模具通过导向定位结构和紧固螺钉固定安装在芯模定位板上；闭合外腔模具上沿长度方向铺设有多层碳纤维预浸无纬布；多个闭合外腔模具通过导向锥销和预紧螺钉固定安装在芯模定位板上；芯模定位板的上端面阵列有多个单元格模具。导向锥销和预紧螺钉配合使用，使闭合外腔模具和单元格模具在碳纤维预浸无纬布随固化过程材料受热受压逐渐密实的过程中，始终紧密贴靠。本实用新型能够在导向锥销中内置弹簧支撑拧紧螺钉，固化前预紧螺钉，升温时将螺钉二次拧紧，之后固化过程中借助弹簧将热压罐压力传递给锥销，将闭合外腔压紧到位。

Description

一种闭合式多单元窗格复合材料结构成型工装

技术领域

本实用新型涉及一种闭合式多单元窗格复合材料结构成型工装，特别适用于闭合式多单元窗格复合材料结构一体固化成型制造。

背景技术

降低航天器结构重量是提高有效载荷的常用手段，随着近年来对航天器结构的减重需求，越来越多的航天器用支撑件由金属材料改为采用复合材料结构，充分利用了复合材料是强度、刚度优异，且质量轻的特点。闭合式多单元窗格复合材料结构作为航天器用支撑结构的一种，其成型制造工艺过程是先制备碳纤维预浸无纬布，按预定的纤维铺层将碳纤维预浸无纬布逐层铺放在单元格芯模上，组装模具后在外侧按预定的纤维铺层铺放外侧闭合层，然后合模、通过加热并施加一定压力使复合材料固化，脱模后通过精加工获得成品。

闭合式多单元窗格复合材料结构根据其产品的使用要求，可采用全金属硬模控制产品形状，在固化过程中易出现不同形面压力不能有效传递等弊端，对保证复合材料胶接质量，消除贫/富胶、疏松和孔隙等缺陷不利。如使用内置热膨胀软模加压法，则会出现压力不能同时到位等弊端，难以控制复材件外形尺寸、单元格壁厚和整体平面度。

实用新型内容

本实用新型的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种闭合式多单元窗格复合材料结构成型工装，结合橡胶软模、金属芯模和导向锥销，能够使复材件产品外形尺寸、单元格壁厚和整体平面度满足要求。

本实用新型的技术方案是：

一种闭合式多单元窗格复合材料结构成型工装，包括：闭合外腔模具、单元格模具、芯模定位板和导向锥销；

单元格模具包括：成形橡胶软模，金属芯模；

金属芯模的侧壁包裹有一圈成形橡胶软模；成形橡胶软模外铺设有多层碳纤维预浸无纬布；

单元格模具通过导向定位结构和紧固螺钉固定安装在芯模定位板上；

闭合外腔模具为长条板结构，闭合外腔模具上沿长度方向铺设有多层碳纤维预浸无纬布；

多个闭合外腔模具通过导向锥销和预紧螺钉固定安装在芯模定位板上；

芯模定位板的上端面阵列有多个单元格模具，多个单元格模具所形成阵列的边缘和闭合外腔模具铺设有多层碳纤维预浸无纬布的端面接触；

导向锥销和预紧螺钉配合使用，使闭合外腔模具和单元格模具在碳纤维预浸无纬布随固化过程材料受热受压逐渐密实的过程中，始终紧密贴靠。

导向锥销外壁为圆锥轴，导向锥销的内壁为通孔；

芯模定位板和外腔模具上设置有与导向锥销外壁配合的锥孔，芯模定位板锥孔的底部开有螺纹孔。

导向锥销锥孔的顶端开有沉孔，所述沉孔用于放置支撑弹簧，支撑弹簧用于在碳纤维预浸无纬布固化过程材料受热受压逐渐密实的过程中，进一步拧紧预紧螺钉。

金属芯模底部设置有凸台结构，所述凸台结构的横截面为开口向上的等腰梯形。

芯模定位板顶部与金属芯模凸台结构配合的导向槽。

导向槽和凸台结构配合使用作为导向定位结构，使两相邻单元格模具的安装位置固定，避免未固化前两邻单元格模具受碳纤维预浸无纬布影响互相挤压。

还包括橡胶挡条；单元格模具侧壁铺设的多层碳纤维预浸无纬布的高度低于单元格模具的总高度，使两相邻单元格模具侧壁未铺设多层碳纤维预浸无纬布的位置留有间隙；所述间隙填充有橡胶挡条。

单元格模具的中心开有螺纹孔，芯模定位板与金属芯模中心螺纹孔配合位置开有光孔，单元格模具中心螺纹孔与芯模定位板的光孔配合，用于在产品固化成形后，进行脱模处理。

本实用新型与现有技术相比的有益效果是：

1)本实用新型单元格模具采用内置金属硬模，外置橡胶软模传递压力的夹芯式模具方案，通过内置金属硬模控制热膨胀软模厚度，精确控制膨胀后软模尺寸和膨胀压力，有效保证固化后单元窗格壁厚和单元格尺寸精度。

2)本实用新型通过在窗格节点位置预置金属件，将预置的金属件延长，在模具对应位置设计定位销孔的孔轴配合，提高窗格节点位置成型后的尺寸精度与强度。

3)本实用新型采用单元格预压后组装整体模具固化的两步式成形工艺，排除单元格坯件空气的同时压实坯件，减小体积，利于装模。

4)本实用新型通过在导向锥销中内置弹簧支撑拧紧螺钉，固化前预紧螺钉，升温至60℃时将螺钉二次拧紧，之后固化过程中借助弹簧将热压罐压力传递给锥销，将闭合外腔压紧到位。

5)本实用新型通过调整固化过程的升、降温速率，保温时机及时间，加压时机及压力大小，最高温度及处于最高温度的时间等特征参数保证复材件成型后强度和整体平面度等性能。

6)本实用新型对于闭合尺寸的多单元格产品，克服了传统方式制造的产品单元格筋条厚度不均匀，单元格大小不稳定的缺陷。

7)本实用新型采用本实用新型制成的闭合式多单元窗格复合材料结构，相比尺寸构型完全一致的铝合金支撑件类产品，重量降低60％。

附图说明

图1为本实用新型多单元窗格结构示意图；

图2为本实用新型工艺流程图；

图3为本实用新型工装装配示意图；

图4为本实用新型单元格模具与芯模定位板装配剖视图；

图5为本实用新型外腔模具与芯模定位板装配剖视图；

图6为封装示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细的描述。

本实用新型一种闭合式多单元窗格复合材料结构成型工装，如图3所示，包括：闭合外腔模具5、单元格模具4、橡胶挡条9、芯模定位板6和导向锥销10。单元格模具4包括：成形橡胶软模8，金属芯模7。

金属芯模7的侧壁包裹有一圈成形橡胶软模8；成形橡胶软模8外铺设有多层碳纤维预浸无纬布；

单元格模具4通过导向定位结构和紧固螺钉固定安装在芯模定位板6上；芯模定位板6上固定连接有多个单元格模具4，单元格模具4的尺寸根据工程需要确定，可以大小不一。

闭合外腔模具5为长条板结构，闭合外腔模具5上沿长度方向铺设有多层碳纤维预浸无纬布；

多个闭合外腔模具5通过导向锥销10和预紧螺钉固定安装在芯模定位板6上；

芯模定位板6的上端面阵列有多个单元格模具4，多个单元格模具4所形成阵列的边缘和闭合外腔模具5铺设有多层碳纤维预浸无纬布的端面接触；

导向锥销10和预紧螺钉配合使用，使闭合外腔模具5和单元格模具4在碳纤维预浸无纬布随固化过程材料受热受压逐渐密实的过程中，始终紧密贴靠。

导向锥销10外壁为圆锥轴，导向锥销10的内壁为通孔；

芯模定位板6和外腔模具5上设置有与导向锥销10外壁配合的锥孔，芯模定位板6锥孔的底部开有螺纹孔。

导向锥销10锥孔的顶端开有沉孔，所述沉孔用于放置支撑弹簧14，支撑弹簧14用于在碳纤维预浸无纬布固化过程材料受热受压逐渐密实的过程中，进一步拧紧预紧螺钉。

金属芯模7底部设置有凸台结构，所述凸台结构的横截面为开口向上的等腰梯形。

芯模定位板6顶部与金属芯模7凸台结构配合的导向槽。

导向槽和凸台结构配合使用作为导向定位结构，使两相邻单元格模具4的安装位置固定，避免未固化前两邻单元格模具4受碳纤维预浸无纬布影响互相挤压。

单元格模具4侧壁铺设的多层碳纤维预浸无纬布的高度低于单元格模具4的总高度，使两相邻单元格模具4侧壁未铺设多层碳纤维预浸无纬布的位置留有间隙；所述间隙填充有橡胶挡条9。

单元格模具4的中心开有螺纹孔，芯模定位板6与金属芯模7中心螺纹孔配合位置开有光孔，单元格模具4中心螺纹孔与芯模定位板6的光孔配合，用于在产品固化成形后，进行脱模处理。

利用本实用新型制造闭合式多单元窗格复合材料结构的工艺方法，包括以下步骤：

1)准备窄带预浸无纬布，根据单元窗格尺寸和闭合外腔尺寸将预浸无纬布裁剪成窄带；

2)在单元格模具4的表面绕铺窄带，形成复合材料层合体，所述单元格模具4为所述金属芯模7和所述橡胶软模8组合而成，并在所述金属芯模7上设计具有导向防旋转功能的导向块；

3)在所示闭合外腔模具5的铺层区域铺叠窄带，形成复合材料层合体，所述闭合外腔模具5由环形金属模具制成，并在金属模具上设计具有导向作用的定位台，和辅助合模的锥形滑槽，如图5所示。

4)对铺设的单元窗格和闭合外腔复合材料层合体分别独立并同时进行预压吸胶：在复合材料层合体外表面铺放吸胶纸和工艺辅料，将复合材料层合体、单元格模具4、工艺辅料的组合体，以及复合材料层合体、外腔模具5、工艺辅料的组合体进行真空密封，再使用热压罐进行预压吸胶；

5)将预压后的复合材料层合体合模：拆除真空系统，拆除预压时的工艺辅料；将预压后的闭合外腔复合材料层合体安装在芯模定位板6装配导向锥销10；将预压后的单元格复合材料层合体安装在芯模定位板6，所述芯模定位板6，拧紧导向锥销10；

6)将合模后的复合材料层合体固化：在单元格模具4两相邻单元格之间的间隙放置橡胶挡条9，在闭合外腔模具5上方安装所述盖板11，然后铺放透气和隔离辅料，封装入真空系统，再放入热压罐中固化；本实施例中选用四片盖板11，盖板11为2mm厚度的金属板，图5中盖板11和橡胶软模8上表面不要求平齐。

在复合材料层合体固化成形达到最高成形温度，并保持该温度时，所述单元格模具膨胀至单元格尺寸，外腔金属模通过热压罐压力达到闭合外腔尺寸；

7)将复合材料层合体与单元格模具4、闭合外腔模具5、芯模定位板6、分离；

8)加工复合材料层合体，获得成品闭合式多单元窗格复合材料结构。

其中，所述步骤4)中，预浸无纬布预吸胶具体为：在85℃～95℃，0.2MPa～0.3MPa下，保温20min～30min，对单元层合件进行预吸胶，控制预吸胶后的含胶量为：最终产品含胶量+4±2％。

其中，所述步骤4)中还包括确定吸胶纸层数N_a，具体为：称量铺设好的层合体重量G_p，按下式根据加工产品最终的含胶量a％数值确定吸胶纸层数N_a：

其中，A为层合体坯件面积；N_b为层合体铺叠层数；G_pf为预浸无纬布单位面积纤维重量；a％为加工产品最终树脂重量含量；G_b为吸胶纸单位面积吸胶量。

其中，固化为在(160±10)℃，0.3MPa～0.6MPa下，保温(125±15)min。

其中，预压吸胶是铺放在外侧的工艺辅料为：依次铺放透气氟布、吸胶纸、带孔隔离膜、透气毡。

实施例

如图1所示，本实用新型获得的一种闭合式多单元窗格复合材料层合件，由三种尺寸单元窗格1、C型环状闭合外腔2、交叉点支撑柱3三部分组成，其中，单元窗格1和C型环状闭合外腔2上下边壁厚1mm，C型环状闭合外腔2竖边壁厚2mm，交叉点支撑柱3直径Φ8mm。工艺流程如图2所示，具体步骤如下：

步骤1：根据产品的单元格尺寸和固化成形温度，设计固化模具。如图3所示，模具包括：闭合外腔模具5、单元格模具4和芯模定位板6，考虑金属的热膨胀系数，当芯模定位板6在固化成形环节达到最高成形温度，芯模定位板6线性膨胀至产品尺寸。如图4所示，单元格模具4包括：成形橡胶软模8，金属芯模7，紧固螺钉。为便于多单元格合模，金属芯模上设计具有导向防旋转功能的导向块，安装时，通过导向块与芯模定位板6的配合将单元格引导到位；脱模时，由金属芯模7中心的脱模口旋入螺钉，逐一顶起芯模，保证复合材料层合体无损伤。如图5所示，外模通过设计导向锥销10，合模时通过导向锥销10的过渡逐步将闭合外腔引导到位。各部分之间通过紧固螺钉连接。

步骤2：通过金属芯模7和软模成型工装，在金属芯模7外侧制备橡胶软模8。

步骤3：制备预浸无纬布，根据单元格芯模的宽度裁切单元格铺层用无纬布窄带，根据C型环状闭合外腔尺寸裁切外腔铺层用无纬布窄带，例如闭合式多单元窗格复合材料结构的单元格为宽度为11.5mm，则窄带宽度按照理论宽度增加10％～20％长度的余量，闭合外腔宽度为115mm，长度为727mm，则窄带宽度为按照理论尺寸增加10％～20％长度的余量。

步骤4：单元格和闭合外腔铺层。对金属芯模7表面喷涂脱模剂，将橡胶软模8和金属芯模7组合，然后用下料后的窄带预浸料依次铺层，铺层方式为(0°/+45°/-45°/0°)s，为保证单个单元格铺层的连续性和整体完整性，要求铺层过程中0度层为搭接关系，同一件产品的0度层搭接位置需要相互避开一定尺寸。

对闭合外腔模具5表面喷涂脱模剂，然后将闭合外腔模具5组装。用裁切的预浸料在外形上铺层，铺层顺序为(0°/+45°/-45°/0°)s，为保证整体外形的整体刚性，对纤维的拼接处按照搭接处理，并将每层的搭接位置相互错开。

步骤5：预压吸胶。对铺设的复合材料层合体进行预压。称量铺叠好的层合体重量G_p，按式1根据产品最终的含胶量a％数值确定吸胶纸层数N_a，然后在纤维表面依次铺放工艺辅料：透气氟布、吸胶纸、带孔隔离膜、透气毡及真空袋膜。将层合体、模具及辅料的组合体放入热压罐系统，用透气毡和真空袋膜封装真空系统，于85℃，0.3MPa下预压20min。

式(1)中，N_a为吸胶纸层数；G_p为层合体坯件重量，g；A为层合体坯件面积，cm²；N_b为层合体铺叠层数；G_pf为预浸无纬布单位面积纤维重量，g/cm²；a％为壳体最终树脂重量含量；G_b为吸胶纸单位面积吸胶量，g/cm²。

步骤6：整体合模。在芯模定位板6表面喷涂脱模剂，通过导向锥销10和弹簧14将闭合外腔模具5安装并预紧。按照由内向外、优先保证长边的要求，将单元格层合体通过金属芯模7的定位锥台安装到位，利用紧固螺钉保证每处组合体与芯模定位板无装配间隙。在单元格之间装配间隙位置安放橡胶挡条9。然后在闭合外腔层合体上侧放置盖板11。

步骤7：将复合材料层合体固化成产品。固化前在复合材料层合体表面由下至上依次铺设一层透气氟布12和带孔隔离膜13，如图6所示，将组合体放入热压罐中，用透气毡和真空袋膜封装真空系统，于(160±10)℃，0.6MPa下，保温120min，使产品固化成形。

步骤8：将复合材料层合件与模具分离。拆除真空系统，依次卸下工艺辅料、橡胶挡条、定位销、紧定螺钉和闭合外腔模具5，利用金属芯模7上的脱模孔，将金属芯模7按照由外而内，先短边后长边的原则进行拆卸，减少脱模时候由于固化应力集中释放造成的应力破坏，然后将橡胶软模8逐一取出。

步骤9：加工复合材料层合件上的安装接口和外形，获得成品。

本实用新型说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种闭合式多单元窗格复合材料结构成型工装，其特征在于，包括：闭合外腔模具(5)、单元格模具(4)、芯模定位板(6)和导向锥销(10)；

单元格模具(4)包括：成形橡胶软模(8)，金属芯模(7)；

金属芯模(7)的侧壁包裹有一圈成形橡胶软模(8)；成形橡胶软模(8)外铺设有多层碳纤维预浸无纬布；

单元格模具(4)通过导向定位结构和紧固螺钉固定安装在芯模定位板(6)上；

闭合外腔模具(5)为长条板结构，闭合外腔模具(5)上沿长度方向铺设有多层碳纤维预浸无纬布；

多个闭合外腔模具(5)通过导向锥销(10)和预紧螺钉固定安装在芯模定位板(6)上；

芯模定位板(6)的上端面阵列有多个单元格模具(4)，多个单元格模具(4)所形成阵列的边缘和闭合外腔模具(5)铺设有多层碳纤维预浸无纬布的端面接触；

导向锥销(10)和预紧螺钉配合使用，使闭合外腔模具(5)和单元格模具(4)在碳纤维预浸无纬布随固化过程材料受热受压逐渐密实的过程中，始终紧密贴靠。

2.根据权利要求1所述的一种闭合式多单元窗格复合材料结构成型工装，其特征在于，导向锥销(10)外壁为圆锥轴，导向锥销(10)的内壁为通孔；

芯模定位板(6)和外腔模具(5)上设置有与导向锥销(10)外壁配合的锥孔，芯模定位板(6)锥孔的底部开有螺纹孔。

3.根据权利要求2所述的一种闭合式多单元窗格复合材料结构成型工装，其特征在于，导向锥销(10)锥孔的顶端开有沉孔，所述沉孔用于放置支撑弹簧(14)，支撑弹簧(14)用于在碳纤维预浸无纬布固化过程材料受热受压逐渐密实的过程中，进一步拧紧预紧螺钉。

4.根据权利要求1～3任意之一所述的一种闭合式多单元窗格复合材料结构成型工装，其特征在于，金属芯模(7)底部设置有凸台结构，所述凸台结构的横截面为开口向上的等腰梯形。

5.根据权利要求4所述的一种闭合式多单元窗格复合材料结构成型工装，其特征在于，芯模定位板(6)顶部与金属芯模(7)凸台结构配合的导向槽。

6.根据权利要求5所述的一种闭合式多单元窗格复合材料结构成型工装，其特征在于，导向槽和凸台结构配合使用作为导向定位结构，使两相邻单元格模具(4)的安装位置固定，避免未固化前两邻单元格模具(4)受碳纤维预浸无纬布影响互相挤压。

7.根据权利要求6所述的一种闭合式多单元窗格复合材料结构成型工装，其特征在于，还包括橡胶挡条(9)；

单元格模具(4)侧壁铺设的多层碳纤维预浸无纬布的高度低于单元格模具(4)的总高度，使两相邻单元格模具(4)侧壁未铺设多层碳纤维预浸无纬布的位置留有间隙；所述间隙填充有橡胶挡条(9)。

8.根据权利要求7所述的一种闭合式多单元窗格复合材料结构成型工装，其特征在于，单元格模具(4)的中心开有螺纹孔，芯模定位板(6)与金属芯模(7)中心螺纹孔配合位置开有光孔，单元格模具(4)中心螺纹孔与芯模定位板(6)的光孔配合，用于在产品固化成形后，进行脱模处理。

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