一种降低复合材料柱形筒缠绕残余应力的组合模具

技术领域

本发明属于复合材料加工技术领域，具体涉及一种降低复合材料柱形筒缠绕残余应力的组合模具。

背景技术

纤维缠绕工艺是一种成型效率高、纤维强度利用率高以及成型过程可控性好的复合材料成型工艺，在军事和民用产业上广泛使用，如导弹外壳、圆/柱形发射筒、发动机壳体、雷达罩、压力容器、管道和飞轮等。按照缠绕过程中纤维浸渍树脂的不同状态分为：湿法缠绕工艺、干法缠绕工艺和半干法缠绕工艺，其中湿法缠绕工艺和干法缠绕工艺较为常用。相比湿法缠绕，干法缠绕具有更稳定的产品质量、更快的缠绕速度、环境友好和精确控制树脂含量等优点，在复合材料缠绕领域受到越来越多的关注和使用。

缠绕张力是影响缠绕结构性能的关键因素之一，施加缠绕张力会显著影响复合材料缠绕结构服役前内部应力分布，进而影响缠绕层效率的发挥。在复合材料柱形筒的成型过程中，纤维缠绕时，缠绕张力的施加会在缠绕层与缠绕层加累计残余应力，缠绕过程中产生的残余应力会影响复合材料缠绕制品的质量，残余应力没有消除或降低，会使复合材料柱形筒产品在固化后产生诸如凹陷、变形等缺陷，严重降低缠绕柱形筒性能，影响产品使用。

传统的缠绕类复合材料产品的残余应力消除方法主要分为热时效方法和振动时效方法。其中传统的热时效方法对消除碳纤维复合材料中的残余应力并不适用；而振动时效就是在激振力的作用下，通过循环加载使工件发生共振，从而产生交变应力，并与工件内部原有的残余应力相叠加，使得处于峰值应力区内的局部材料发生屈服效应，引起微小的塑形变形，改变了原有的应力场，从而使内部应力分布均匀化，残余应力得到释放。振动时效过程较为繁琐且耗能较大。

如专利号为CN108774667 B。该方法公开了一种利用热时效和振动时效协同消除应力的装置及方法。该热时效和振动时效协同消除应力的装置包括振动系统、加热系统和冷却系统。冷却系统冷却振动系统中的振动台，激振器与传感器固定在振动台的冷却端。工件固定装置将工件固定在振动台上，伸入至加热系统中高温炉的炉腔内，可实现热时效和振动时效协同消除应力。该热时效和振动时效协同消除应力的方法，一方面利用热时效与振动时效均可有效消除残余应力的效应，另一方面利用两者之间的协同影响作用，能显著提高单一热时效或振动时效及复合处理的消除应力效果，可适用于黑色金属、高分子、有色金属、复合材料等的应力消除。该发明提供的应力消除方法包括热时效和振动时效，过程较为繁琐，且装备工具要求较多，不利于节能减排。

因此，就如何解决降低或消除复合材料柱形筒类产品的残余应力问题，提高效率、降低耗能，是当前的一个急需解决和研究的话题。

本发明通过设计一种用于降低复合材料柱形筒缠绕残余应力的组合模具，可以直接降低复合材料柱形筒类产品缠绕过程中的残余应力，解决产品变形凹陷等问题，过程简单、操作便捷。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于降低复合材料柱形筒缠绕残余应力的组合模具。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种降低复合材料柱形筒缠绕残余应力的组合模具，所述的组合模具包括矩形芯轴主体段、夹持段和应力缓释段，所述的矩形芯轴主体段四个平面设有凹槽，所述的夹持段与矩形芯轴主体段一体相连，应力缓释段内嵌于矩形芯轴主体的凹槽中，凹槽的内壁面上有支撑卡槽，应力缓释段端部有卡盘装置，通过卡盘装置和支撑卡槽调整应力缓释段在凹槽中的安装高度。

所述的矩形芯轴主体由主体段、凹槽和支撑卡槽组成，主体段四个平面设有凹槽，每个凹槽的两个边缘设置有带刻度的支撑卡槽。

所述凹槽开设在芯轴主体平面的中轴位置，凹槽的宽度为5～10mm，凹槽的深度在20～40mm，凹槽的长度为芯轴主体段长度一致。

所述支撑卡槽的整体宽度为20～40mm，支撑卡槽为锯齿构造，锯齿的数量为3～6个，每个支撑卡槽的锯齿的刻度间距为1～3mm，锯齿的高度在5～12mm。

所述的应力缓释段由基体段和卡盘装置组成，基体段由壁板和螺钉组成，螺钉焊接在壁板上，卡盘装置为可伸缩卡盘，伸缩卡盘为铰链结构，由铰链、螺纹孔和铰链板组成，卡盘的两个铰链板张开时可以卡在支撑卡槽上。

所述基体段为凸形结构，整体的宽度为4.5～9.5mm，高度为20～40mm，基体段上半段的长度与芯轴主体段凹槽的长度一致，基体段下半段凸出部位的长度为上半段长度的0.85～0.95占比。

所述卡盘装置的高度为4～10.5mm，卡盘装置内置于支撑卡槽的锯齿上时，基体段上半段高于矩形芯轴主体段平面，卡盘装置下移置于支撑卡槽底部时，基体段上半段与矩形主体段平面齐平。

所述应力缓释段的卡盘装置与基体段下半段通过螺栓相连。

所述组合模具的材质选用Q235钢。

所述夹持段与矩形芯轴主体为焊接相连结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、通过模具应力缓释段的上下移动实现对缠绕纤维产生的残余应力进行卸力，能有效解决和改善复合材料柱形筒缠绕过程中，因缠绕张力施加后导致残余应力产生引起复合材料柱形筒变形的问题；

2、可根据残余应力大小，微调应力缓释段高度，用以对冲残余应力，同时，应力缓释段下调后，缠绕纤维层复位，不影响复合材料柱形筒产品内平面的平整度；

3、可组合拆卸的模具设计，通过先行拆解应力缓释段，从而提高复合材料产品脱模的效率和质量；

4、对比振动时效消除残余应力的方法，其过程简单，无耗能；

5、模具的使用操作简单。

基于以上表述，本发明的一种用于降低复合材料柱形筒缠绕残余应力的组合模具可作为降低或消除复合材料柱形筒类产品变形的方案。

附图说明

图1为本发明一种降低复合材料柱形筒缠绕残余应力的组合模具的总体结构图。

图2为应力缓释段的开、合效果图。

图3为基体段结构图。

图4为卡盘装置的开、合效果图。

附图中：100是芯轴主体段，200是应力缓释段，300是夹持段；

101是芯轴主体段的主体段，102是芯轴主体段的凹槽，103是芯轴主体段的支撑卡槽；

201是应力缓释段的基体段，202是应力缓释段的卡盘装置；

2011为基体段的壁板，2012为基体段上的螺钉；

2021是卡盘装置的螺纹孔，2022是卡盘装置的铰链板，2023为铰链。

具体实施方式

本发明公开了一种降低复合材料柱形筒缠绕残余应力的组合模具，所述的组合模具包括矩形芯轴主体段、夹持段和应力缓释段，所述的矩形芯轴主体段四个平面设有凹槽，所述的夹持段与矩形芯轴主体段一体相连，应力缓释段内嵌于矩形芯轴主体的凹槽中，凹槽的内壁面上有支撑卡槽，应力缓释段端部有卡盘装置，通过卡盘装置和支撑卡槽调整应力缓释段在凹槽中的安装高度。

所述的矩形芯轴主体由主体段、凹槽和支撑卡槽组成，主体段四个平面设有凹槽，每个凹槽的两个边缘设置有带刻度的支撑卡槽。

所述凹槽开设在芯轴主体平面的中轴位置，凹槽的宽度为5～10mm，凹槽的深度在20～40mm，凹槽的长度为芯轴主体段长度一致。

所述支撑卡槽的整体宽度为20～40mm，支撑卡槽为锯齿构造，锯齿的数量为3～6个，每个支撑卡槽的锯齿的刻度间距为1～3mm，锯齿的高度在5～12mm。

所述的应力缓释段由基体段和卡盘装置组成，基体段由壁板和螺钉组成，螺钉焊接在壁板上，卡盘装置为可伸缩卡盘，伸缩卡盘为铰链结构，由铰链、螺纹孔和铰链板组成，卡盘的两个铰链板张开时可以卡在支撑卡槽上。

所述基体段为凸形结构，整体的宽度为4.5～9.5mm，高度为20～40mm，基体段上半段的长度与芯轴主体段凹槽的长度一致，基体段下半段凸出部位的长度为上半段长度的0.85～0.95占比。

所述卡盘装置的高度为4～10.5mm，卡盘装置内置于支撑卡槽的锯齿上时，基体段上半段高于矩形芯轴主体段平面，卡盘装置下移置于支撑卡槽底部时，基体段上半段与矩形主体段平面齐平。

所述应力缓释段的卡盘装置与基体段下半段通过螺栓相连。

所述组合模具的材质选用Q235钢。

所述夹持段与矩形芯轴主体为焊接相连结构。

当进行纤维或预浸料缠绕前，调整卡盘装置，使其内置于支撑卡槽，使组合模具的应力缓释段略高于矩形芯轴主体段平面，实现对缠绕纤维的绷紧，当缠绕结束后，调整卡盘装置，使应力缓释段向下移动至支撑卡槽底部，最终应力缓释段的上表面与矩形芯轴主体段平面平行，完成对纤维缠绕层的卸力，同时缠绕纤维层复位与模具贴合，从而达到降低、消除缠绕过程中的残余应力的作用，并且不影响复合材料柱形筒产品内表面平整度；

复合材料柱形筒产品脱模过程中，先抽出应力缓释段，再进行产品脱模。