具有渐变截面特征的复合材料构件的成型模具及成型方法

技术领域

本发明涉及一种具有渐变截面特征的复合材料构件的成型模具及成型方法，属于复合材料构件制造技术领域。

背景技术

碳纤维增强双马树脂基复合材料具有耐高温、力学性能优良等特点，主要应用于一系列耐温承载结构组件，常用制备工艺为模压成型工艺。本发明要成型的构件正是使用碳纤维增强双马树脂基复合材料制成。该构件的结构如图1A-1C所示，其中图1A为底面视图，图1B为顶面视图，图1C为半侧横截面图，该构件00为整体为圆环形，包含位于中间的圆环形的凹槽结构01，凹槽结构01的外侧为圆环形面的蒙皮02，蒙皮02上设有加强筋03，该加强筋03具体包含最外侧的环形筋03a和连接凹槽结构01和环形筋03a的四条条形筋03b。该凹槽结构01的截面为渐变区域截面(见图1C)，其内侧为凹槽01a，凹槽01a下方为底侧台阶01b，外侧为斜面01c，斜面01c与蒙皮02光滑过渡连接，用于隔热圈安装密封。另外，环形筋03a上加工了多个安装孔04，用于总装对接舱段安装等。

目前，在利用传统模具制造该构件的过程中，由于双马树脂固化温度为200℃以上，模具钢材受热膨胀，构件易受模具挤压容易产生裂纹、弯曲失准等物理缺陷，同时由于凹槽结构高度渐变落差较大，合模过程容易产生挤料，造成局部树脂富集，构件工艺实现性较差。此外，树脂在模具型腔中的粘度指标大小受传热效率、均匀性影响，其中传热快慢主要落实在模具设计上。若粘度较低，则树脂在加压阶段大量流失，构件内部质量存在分层、疏松，宏观上反映构件外观粗糙，大范围麻点孔洞，重量较理论重量偏轻；若粘度较高，树脂层大幅度交联，表面胶层厚度大，则在加压阶段存在一定合模间隙，构件蒙皮、加强筋等特征较理论厚度偏大，实际重量较理论重量偏重，起不到复材部件关切的减重需求等。因此，亟需研究出一种新的成型模具和成型方法来成型出理想的构件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成型模具及成型方法，能够成型出符合要求的具有渐变截面特征的复合材料构件，具有便于构件成型及脱模操作，减轻模具钢材热膨胀因素导致的降温收缩对构件挤压，避免渐变区域合模挤料波动导致的树脂富集，提高传热效率、构件成型质量以及原材料利用率等优点。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种具有渐变截面特征的复合材料构件的成型模具，包括：

上模(10)，底面包含一环形上成型面(13)；

底模(20)，顶面包含同心的且由内到外的一环形槽、一环形腔(22)、一环形下成型面(23)、一环形活动区(24)和一环形边缘(25)，该环形腔(22)的外缘包含一斜成型面(22a)，该环形下成型面(23)包含位于外缘的一环形筋成型槽(23a)和四个径向条形筋成型槽(23b)；

芯块(30)，包含一个中心芯块(31)和若干个占位芯块(32)；占位芯块(32)中一个为反向斜度芯块(32b)，其余为正向斜度芯块(32a)；全部占位芯块(32)围绕中心芯块(31)拼装一起构成圆盘状，全部占位芯块(32)的侧面包含一凸台(32c)；模具组装时，该中心芯块(31)下端部放置于底模(20)的环形槽内，该占位芯块(32)放置于底模(20)的环形腔(22)内；

中框边条(40)，包含四个独立的边条，边条拼装时构成圆环形，模具组装时放置于底模(20)的环形活动区(24)内，每个边条上至少设有流胶槽(41)。

进一步地，所述上模(10)还包含位于中心的一圆形定位孔(11)，用于限位中心芯块(31)上端部。

进一步地，所述上模(10)的底面还包含一环形定位槽(12)，用于限位占位芯块(32)。

进一步地，所述中心芯块(31)上、下端部的直径小于中间部位，中间部位的侧面为斜面，斜面上端向外倾斜。

进一步地，所述中心芯块(31)的中心设有螺孔(31a)，使用螺钉通过该螺孔(31a)固定于底模(20)上。

进一步地，所述占位芯块(32)的外侧面包含一斜面，该斜面为上边缘到凸台(32c)之间的面，上边缘向内倾斜。

进一步地，所述中框边条(40)的每个边条包含位于顶面的两个流胶槽(41)。

进一步地，所述中框边条(40)的每个边条包含位于底面的一个限位槽(42)。

进一步地，所述底模(20)的环形活动区(24)包含四个径向的限位块(24a)，用于与所述限位槽(42)配合对所述中框边条(40)进行周向限位。

进一步地，所述中框边条(40)的每个边条的侧面包含顶丝凹槽(43)。

进一步地，所述底模(20)的边缘上周向均匀设有若干个顶丝孔，并螺接顶丝(25a)，顶丝(25a)的端部与所述顶丝凹槽(43)配合。

一种具有渐变截面特征的复合材料构件的成型方法，基于上述成型模具成型构件，包括以下步骤：

在底模(20)的整个成型区域铺贴一层碳布预浸料进行打底层铺覆，该整个成型区域包括斜成型面(22a)、环形下成型面(23)、环形筋成型槽(23a)和条形筋成型槽(23b)所在区域；

在斜成型面(22a)位置进行凹槽底侧台阶的预浸料铺层；

在底模(20)的环形腔(22)内按序依次安放占位芯块(32)的正向斜度芯块(32a)，最后安装反向斜度芯块(32b)，进行型腔占位；占位芯块(32)安放完成后再安放中心芯块(31)；

在斜成型面(22a)位置进行构件渐变区域的预浸料铺层；

在环形筋成型槽(23a)和条形筋成型槽(23b)中进行预浸料铺层；

在环形下成型面(23)处进行蒙皮铺层；

进行构件顶面层的一整层碳布预浸料铺层；

全部铺层完成后合模按预定程序进行固化成型，得到具有渐变截面特征的复合材料构件。

进一步地，进行构件渐变区域的碳布预浸料铺层的过程中和完成后进行两次预压实工序操作，包括：

将第一预压工装(51)和第三预压工装(53)加热；

斜成型面(22a)铺层完成一半时进行第一次预压操作：铺覆隔离膜，使用第一预压工装(51)的拐角结构(51a)与斜成型面(22a)配合，第二预压工装(52)压在第一预压工装(51)上进行配合压实；

去掉第一预压工装(51)、第二预压工装(52)和隔离膜，继续铺覆剩余的铺层，完成后进行第二次预压实操作：铺覆隔离膜并放置第一占位工装(54)、第二占位工装(55)，第一占位工装(54)放置于占位芯块(32)外侧，并与占位芯块(32)配合并固定；第二占位工装(55)放置于底模(20)的环形下成型面(23)区域，外侧与中框边条(40)相配合；最后将第三预压工装(53)放置在第一占位工装(54)、第二占位工装(55)之间，进行预压实。

本发明的有益效果是：

1.解决热膨胀导致的缺陷：模具结构经过优化，有助于解决钢材热膨胀引起的降温收缩对构件挤压造成的裂纹缺陷。通过合理的模具尺寸设计和传热效率提高，有助于调整和优化构件的成型工艺，从而提高构件质量。

2.减轻薄厚特征结构区域挤压程度：增加预压和占位工装，有效减轻了薄厚特征结构区域的预浸料挤压程度，降低了富树脂风险，有助于提高构件质量。

3.优化预浸料利用率：针对圆环形构件和大厚度区凹槽结构的渐变特点，采用分段铺层的方式，交替错开断口，以节省材料用量，并提高预浸料主材的利用率。

4.便于操作和减轻脱模难度：模具的分块设计使得操作更加便捷，同时减轻了构件脱模的难度，简化了生产步骤。

本发明通过模具结构的优化和成型工艺的调整，有效解决了构件生产过程中可能出现的挤压分层缺陷，提高了构件的质量，降低了生产成本，并提高了预浸料的利用率。

附图说明

图1A-1C为构件的底面视图、顶面视图和横截面图。

图2为实施例中的成型模具整体构造图。

图3A-3B为上模顶面视图和底面视图。

图4为底模的顶面视图。

图5A-5D为芯块的立体图、侧视图、顶视图和分解图。

图6为芯块组装在底模上的结构图。

图7A-7B为中框边条的组装图和分解图。

图8A-8B为单个边条的顶面视图和底面视图。

图9A-9B为第一预压工装的结构图。

图10为第二预压工装的结构图。

图11A-11B为第三预压工装与两占位工装的位置关系图。

图12A-12B为两次预压实示意图。

图13为实施例中的构件成型流程示意图。

图14为成型构件铺层用的预浸料示意图。

附图标记说明：

00：构件；

01：凹槽结构；

01a：凹槽；

01b：底侧台阶；

01c：斜面；

02：蒙皮；

03：加强筋；

03a：环形筋；

03b：条形筋；

04：安装孔；

10：上模；

11：圆形定位孔；

12：环形定位槽；

13：环形上成型面；

14：上模边缘；

20：底模；

21：圆形槽；

22：环形腔；

22a：斜成型面；

23：环形下成型面；

23a：环形筋成型槽；

23b：条形筋成型槽；

24：环形活动区；

24a：限位块；

25：环形边缘；

25a：顶丝；

25b：测温孔；

30：芯块；

31：中心芯块；

31a：螺孔；

32：占位芯块；

32a：正向斜度芯块；

32b：反向斜度芯块

32c：凸台；

40：中框边条；

41：流胶槽；

42：限位槽；

43：顶丝凹槽；

51：第一预压工装；

51a：拐角结构；

52：第二预压工装；

53：第三预压工装；

54：第一占位工装；

55：第二占位工装；

55a：厚环面；

55b：薄环面。

具体实施方式

为使本发明的上述技术方案中各项技术特征和各项优点或技术效果能更明显易懂，下文列举实施例并配合附图进行详细说明。

一、成型模具

本实施例具体公开一种具有渐变截面特征的复合材料构件的成型模具，采用上下模的结构形式，模具分离面在构件的外表面上，其组成结构主要包括上模10、底模20、芯块30和中框边条40，其中芯块30和中框边条40在合模时位于上模10与底模20内，合模时各结构共同组成构件外轮廓型腔，用于构件成型。

上模10结构见图3A-3B，其中图3A为顶面视图，图3B为底面视图。该上模10为圆形，中心设有一圆形定位孔11，用于合模时定位中心芯块31。在上模10的底面上设有环绕该圆形定位孔11的环形定位槽12，用于定位占位芯块32。在环形定位槽12的外侧包围一环形上成型面13，用于成型构件的蒙皮顶面。在该环形上成型面13的外侧为上模边缘14。从环形定位槽12到环形上成型面13，再到边缘，深度依次变浅。

底模20结构见图4，底模20的顶面的中心处为圆形槽21，用于放置中心芯块31。圆形槽21的周围为一环形腔22，用于放置占位芯块32；环形腔22的周缘为斜成型面22a，用于成型构件的凹槽结构的斜面。环形腔22的周围为一环形下成型面23，用于成型构件的蒙皮底面。圆形槽21、环形腔22和环形下成型面23的高度依次升高。环形下成型面23上设有环绕边缘的环形筋成型槽23a和朝向圆心的4个条形筋成型槽23b。在环形下成型面23的外侧为环绕一周的环形活动区24，用于放置中框边条40，环形活动区24宽度足够大，增加了中框边条40的行程量，可以满足中框边条40在需要时沿宽度方向即径向移动，保证中框边条40在分为4段后能被有效控制在内外轴线上移动。环形活动区24内设有4个条形的限位块24a，用于配合中框边条40上的限位槽42，限制中框边条40无法绕环形活动区24转动，但不限位径向移动。环形活动区24的外侧即底模20的边缘为一向上凸出的环形边缘25，在该环形边缘25上周向均匀设有8个顶丝孔，顶丝孔螺接有顶丝25a，顶丝25a配合中框边条40侧面的顶丝凹槽43，用于物料合模。环形边缘25的侧面还设置了测温孔25b，该测温孔25b延伸到底模20的圆形槽21处，能准确测量构件的固化温度。该底模20整体厚度相对于传统模具的底模20厚度更低，能够在保证强度下有效提高传热效率。

芯块30的结构见图5A-5D，其中图5A为立体图，图5B为侧视图，图5C为顶视图，图5D为分解图。芯块30包括1个中心芯块31和环绕该中心芯块31的7个占位芯块32，中心芯块31为圆形，7个占位芯块32组装后为环绕在中心芯块31周围的圆环形。占位芯块32的外侧面为稍微倾斜的斜面，倾斜方向为斜面顶部稍微内收，连接凸台32c的位置稍微外扩，见图5B。中心芯块31的上端部和下端部的直径相对于中间部位的直径较小，下端部用于限位于底模20的圆形槽21内，上端部在合模时用于限位于上模10的圆形定位孔11内，中间部位的轮廓面含有一定的斜度，见图5B中的虚线，能够保证在固定好中心芯块31后，利用斜度的干涉将占位芯块32固定在底模20上，这就不需要对占位芯块32进行螺钉固定，便于人员脱模操作。7个占位芯块32均为弧形，大小不尽相同，具体包括6个正向斜度芯块32a，外边缘长度大于内边缘长度，以及1个反向斜度芯块32b，外边缘长度小于内边缘长度，见图5C和5D。每个占位芯块32的侧面设有一条凸台32c，组装后凸台32c组成环形，用于成型构件的凹槽。具体在使用时，7个占位芯块32与中心芯块31组装一起，整体呈圆盘型，放置于底模20的中心的圆形槽21与环形腔22构成的圆形区域内，如图6所示，进行型腔占位来成型构件的凹槽结构特征。其中中心芯块31的底部限位于圆形槽21内，安放芯块时纵向垂直位置安装到位，占位芯块32位于环形腔22内，通过紧固螺钉与顶部螺孔31a来将中心芯块31与底模20紧固到位，以保证构件铺层过程。具体在安放芯块时，先安放占位芯块32后安放中心芯块31；占位芯块32在安放时，先在底模20的环形腔22内依次安放正向斜度芯块32a，安放完正向斜度芯块32a后再在空缺部位安放反向斜度芯块32b，具体地由中间的空域(因中心芯块31尚未安放所形成的空域)由内向外插入反向斜度芯块32b；全部占位芯块32安放完后再从上而下安放中心芯块31，利用中心芯块31的侧面斜度抵触按压周围的占位芯块32。

中框边条40的结构见图7A-7B，为由四个独立的边条组成的圆环形结构，可进行紧固与释放移动，具有可移动行程量。每个边条的结构见图8A-8B，其顶面设有两条流胶槽41，以确保在成型时多余的树脂能顺利流出。底面设有一条限位槽42，用于与底模20上的限位块24a进行配合来限位线条周向移动，但不妨碍边条径向移动。边条的侧面设有两个顶丝凹槽43，由底模20上的顶丝25a的端部抵接该顶丝凹槽43，控制中框边条40的紧固程度，用于物料填充后的中间侧边条合模。

二、预压实工装

构件在成型时，为了提升成型结果，会在成型过程中用到预压实工装。本发明主要针对构件的凹槽结构的渐变区域的斜面进行预压实工装设计，具体设计了三种预压工装和两种辅助占位工装，结构为圆环或类圆环形式，用于实现对大厚度渐变侧边区的预压排气，保证预浸料密实程度，降低富树脂的形成风险。

具体地，三种预压工装具体包括第一预压工装51、第二预压工装52和第三预压工装53。其中第一预压工装51的结构见图9A-9B，为类圆环结构，下端面设有拐角结构51a，与构件渐变截面的斜面相适应。第二预压工装52的结构见图10，第三预压工装53的结构见图11A-11B，均为圆环结构。

两种辅助占位工装具体包括第一占位工装54和第二占位工装55，结构见图11A-11B，其中第一占位工装54为圆环遮罩型结构；第二占位工装55为类圆环结构，包含靠内侧的厚环面55a和靠外侧的薄环面55b。

利用上述5种工装在构件凹槽结构斜面铺层过程中共进行两次预压实工序：

第一次预压实见图12A，第一预压工装51和第二预压工装52配合使用进行预压，椭圆虚线框区域为预压区域。第一预压工装51的拐角结构51a与构件渐变区域即斜成型面22a配合并相适应，第二预压工装52与第一预压工装51配合起到弥补高度差距和传递压机压力的作用。

第二次预压实见图12B，第一占位工装54、第二占位工装55及第三预压工装53配合使用进行预压，椭圆虚线框区域为预压区域。第一占位工装54与成型模具的占位芯块32配合并固定，安放在占位芯块32外侧，起到对占位芯块32的外侧斜面与构件凹槽结构的渐变区域的斜面之间进行占位的作用。第二占位工装55的外侧与中框边条40相配合，起到对渐变区域斜面与蒙皮交界处的型腔占位。最后使用第三预压工装53进行压力传递，对物料进行预压排气，增加预浸料密实性。

三、成型方法

本实施例基于上述成型模具，公开一种具有渐变截面特征的复合材料构件的成型方法，图13显示了构件成型的大致流程，图中黑线为表示铺覆的预浸料。铺覆时使用的裁剪的预浸料形状如图14所示，具体包括以下步骤：

S1：在底模20的整个成型区域铺贴一层碳布预浸料进行打底层铺覆，该铺覆的成型区域包括斜成型面22a、环形下成型面23、环形筋成型槽23a和条形筋成型槽23b等所在区域。

S2：在斜成型面22a位置进行凹槽底侧台阶的预浸料铺层。

S3：按序依次安放占位芯块32到底模20上的环形腔22内，包括首先按序安放正向斜度芯块32a，最后将反向斜度芯块32b由内向外安放到空缺位置，进行型腔占位，最后安放中心芯块31。

S4：在斜成型面22a位置进行构件渐变区域的预浸料铺层。

S5：渐变区域铺层过程中和完成后进行上文所述的两次预压实工序，用于排出铺层过程预浸料间累积空气，保证预浸料密实性，提高构件成型质量。

具体地，将第一预压工装51和第三预压工装53放置于压机模板上加热至50±10℃，以利于所接触的预浸料软化。斜成型面22a铺层完成一半时，进行第一次预压，裁剪适当尺寸隔离膜覆盖于底模区，防止工装预压后粘黏物料，放置第一预压工装51，再放置第二预压工装52，拧掉吊环后进行第一次预压实，使用压机进行预压至合严间隙。

完成预压后去掉工装、隔离膜，然后继续完成渐变区剩余铺层，完成后放置隔离膜和第一占位工装54和第二占位工装55，再放置第三预压工装53，完成配合使用进行第二次预压实，拧掉吊环后使用压机进行预压至合严间隙，完成两次预压工序。

S6：在环形筋成型槽23a和条形筋成型槽23b中进行预浸料铺层。

S7：在环形下成型面23处进行蒙皮铺层。

S8：进行构件顶面层的一整层碳布预浸料铺层。全部铺层完成后合模按预定程序进行固化成型，得到具有渐变截面特征的复合材料构件。

其中，铺层过程开始碳布打底层铺覆至凹槽底侧铺完台阶部分后，延边修剪掉余料。

虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的适当修改或者等同替换，均应涵盖于本发明的保护范围内，本发明的保护范围以权利要求所限定者为准。