CN106079486B - 一种成型复合材料长桁的柔性模具及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于工艺制造领域，特别涉及一种能确保固化过程外加压力有效传递，有效控制分层及孔隙缺陷，同时确保制件尺寸精度的成型复合材料长桁的模具及其制备方法。该柔性模具包括至少一个成型单元；所述成型单元的截面呈L形或C形，呈L形的所述成型单元包括至少一个柔性模块和两个刚性模块，呈C形的所述成型单元，包括至少两个柔性模块和三个刚性模块。本发明的有益效果是，可有效控制分层及孔隙缺陷，有利于模具定位，确保长桁的轴线度及直线度；可以避免模具的暴力组装，减小劳动强度，提高工作效率；采用分段结构，柔性模具的分块将更加灵活。

Description

一种成型复合材料长桁的柔性模具及其制备方法
技术领域
本发明属于工艺制造领域，特别涉及一种能确保固化过程外加压力有效传递，有效控制分层及孔隙缺陷，同时确保制件尺寸精度的成型复合材料长桁的模具及其制备方法。
背景技术
L形、T形、J形、C形及工形长桁等广泛应用于复合材料加筋壁板，复合材料加筋壁板一般采用共固化或共胶接整体成型。在成型过程中，模具对于有效传递外加压力、控制分层及孔隙缺陷、保证尺寸精度至关重要，尤其是长桁成型模具。目前，复合材料领域广泛采用的是刚性模具或橡胶软模。刚性模具主要是指刚度大的模具，如金属（铝合金、普通钢、Invar钢等）及复合材料等材质的模具。预浸料在固化过程中受到外加压力及树脂流动的影响会导致厚度减小，而长桁在凸缘与腹板两个方向会出现厚度减小，因此刚性模具可能会出现两个方向移动不匹配的情况，从而导致局部架桥，进而外加压力传递不到位，最终出现壁板长桁分层及孔隙缺陷。橡胶软模主要是采用硫化橡胶材质的模具，此模具刚度小，在固化过程中容易变形，从而解决模具在长桁两个方向移动不匹配的问题，确保外加压力有效传递，从而避免分层及孔隙缺陷。但是，由于橡胶软模刚度小，在固化前组装过程及固化过程中难以定位，容易出现长桁轴线度及直线度不满足要求的情况，另外，其制件的表面质量不佳。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种结构简单，确保固化过程外加压力在长桁凸缘及腹板上有效传递，有效控制分层及孔隙缺陷，同时确保制件的尺寸精度的成型复合材料长桁的柔性模具及其制备方法。
本发明的技术方案是：一种成型复合材料长桁的柔性模具，该柔性模具包括至少一个成型单元；所述成型单元的截面呈L形或C形，呈L形的所述成型单元包括至少一个柔性模块和两个刚性模块，两个所述刚性模块之间通过一块所述柔性模块连接，呈L形的所述成型单元两端的端部均为刚性模块；
呈C形的所述成型单元，包括至少两个柔性模块和三个刚性模块，相邻两个所述刚性模块之间通过一块所述柔性模块连接，呈C形的所述成型单元两端的端部均为刚性模块；
其中，所述刚性模块对应复合材料长桁凸缘及腹板等厚区域，所述柔性模块对应复合材料长桁拐角区域及厚度变化过渡区域。
进一步，所述柔性模块的尺寸大于其对应的复合材料长桁拐角区域及凸缘与腹板厚度变化过渡区域，所述刚性模块的尺寸小于其对应的复合材料长桁凸缘及腹板等厚区域。
进一步，所述柔性模块和刚性模块之间采用榫卯结构连接，在整个柔性模具使用寿命周期内，该连接不可拆卸。
进一步，该模具包括用于将若干成型单元相互连接的连接单元，所述连接单元为柔性连接件，所述柔性连接件采用榫卯结构与所述成型单元连接。
本发明的另一目的是提供制备上述的柔性模具的工艺，该工艺具体包括以下步骤：
步骤1.成型刚性模块：根据设计好的刚性模块尺寸选取合适的金属材质或复合材料，金属材质刚性模块的工作面采用数控机床进行精加工；复合材料刚性模块的工作面由其固化阶段成型模具决定，复合材料成型模具采用数控机床精加工。根据成型长桁腹板及凸缘等厚区域尺寸切割刚性模块，并在刚性模块的边缘加工出用于榫卯连接的接口；
步骤2:将步骤1制备得到刚性模块放置并固定在其成型模具相应位置，根据刚性模块的尺寸将未硫化橡胶裁剪成相应合适尺寸后，填充拐角、变厚度区域及刚性模块预加工的接口。填充完毕后，按照复合材料热压罐工艺进行封装，然后在热压罐中对未硫化橡胶进行硫化，其硫化制度为：在真空度低于-0.09MPa，压力为：0.5MPa下，将温度从室温以2℃/min升至180℃，恒温2小时后降至室温，即得到成型复合材料长桁的柔性模具。
本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，本发明具有以下特点：
1）相对于刚性模具，柔性模具的刚性模块能相对独立的移动，相互约束较小，确保固化过程中模具不出现架桥，实现固化过程外加压力在长桁凸缘及腹板上有效传递，有效控制分层及孔隙缺陷；
2）相对于橡胶软模，等厚平板区域由刚性模块覆盖，能确保表面质量，另外刚性模块的使用，能在刚性模块上设计并加工定位装置，有利于实现模具定位，确保长桁的轴线度及直线度；
3）传统模具的工作型面，特别是长桁拐角区域半径是根据固化后复合材料制件尺寸设计。由于复合材料固化前后存在厚度变化，固化前模具与预浸料铺层的尺寸差异导致两者不匹配，组装困难。柔性模具，特别是柔性模块刚度小，固化过程可以通过变形适应预浸料铺层厚度变化，因此，柔性模具的工作型面可以根据固化前预浸料铺层轮廓设计，可以通避免模具的暴力组装，减小劳动强度，提高工作效率；
4）目前，对于较长的长桁成型模具一般采用分段结构，柔性模具的分块将更加灵活，操作更加简便。
附图说明
图1 为L形复合材料长桁成型柔性模具示意图。
图2 为柔性模块与刚性模块采用榫卯结构连接的结构示意图。
图3 固化过程长桁厚度变化过渡区域柔性模具工作原理示意图。（图3a为固化前、图3b为固化后）。
图4 固化过程长桁拐角区域柔性模具工作原理示意图。（图4a为固化前、图4b为固化后）。
图5为C形长桁成型示意图。
图6为T形长桁成型示意图。
图7为工形长桁成型示意图。
图8为J形长桁成型示意图。
图中：
1.柔性模块、2.刚性模块、3.非等厚预浸料铺层、4.固化后非等厚复合材料结构、5.L形预浸料铺层、6.固化后L形复合材料结构。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
如图1-2所示，本发明一种成型复合材料长桁的柔性模具，该柔性模具包括至少一个成型单元；所述成型单元的截面呈L形，呈L形的所述成型单元包括至少一个柔性模块和两个刚性模块，两个所述刚性模块之间通过一块所述柔性模块连接，呈L形的所述成型单元端部均为刚性模块；
其中，所述刚性模块对应复合材料长桁凸缘及腹板等厚区域，所述柔性模块对应复合材料长桁拐角区域及厚度变化过渡区域。
所述柔性模块的尺寸大于其对应的复合材料长桁拐角区域及凸缘与腹板厚度变化过渡区域，所述刚性模块的尺寸小于其对应的复合材料长桁凸缘及腹板等厚区域。
所述柔性模块和刚性模块之间采用榫卯结构连接，在整个柔性模具使用寿命周期内，该连接不可拆卸。
所述柔性模具沿复合材料长桁长度方向可以采用分段形式，分段的数量及长度以工作人员能徒手操作为宜；优选地，分段区域选择在沿长度方向厚度变化过渡区域；特别地，如果沿长度方向某一等厚区域过大，应该在等厚区域进行分段。所述柔性模具包括用于将若干成型单元相互连接的连接单元，所述连接单元为柔性连接件，所述柔性连接件采用榫卯结构与所述成型单元连接。所述柔性连接件可拆卸。
优选地，刚性模块上可以设计并加工定位装置，成型复合材料长桁过程中，配合辅助工装，可以确保长桁的轴线度及直线度。
一种制备柔性模具的工艺，该工艺具体包括以下步骤：
步骤1.成型刚性模块：根据设计好的刚性模块尺寸选取合适的金属材质或复合材料，金属材质刚性模块的工作面采用数控机床进行精加工；复合材料刚性模块的工作面由其固化阶段成型模具决定，复合材料成型模具采用数控机床精加工。根据成型长桁腹板及凸缘等厚区域尺寸切割刚性模块，并在刚性模块的边缘加工出用于榫卯连接的接口；
步骤2:将步骤1制备得到刚性模块放置并固定在其成型模具相应位置，根据刚性模块的尺寸将未硫化橡胶裁剪成相应合适尺寸后，填充拐角、变厚度区域及刚性模块预加工的接口。填充完毕后，按照复合材料热压罐工艺进行封装，然后在热压罐中对未硫化橡胶进行硫化，其硫化制度为：在真空度低于-0.09MPa，压力为：0.5MPa下，将温度从室温以2℃/min升至180℃，恒温2小时后降至室温，即得到成型复合材料长桁的柔性模具。
如图3所示，本发明固化过程长桁厚度变化过渡区域柔性模具工作原理示意图，长桁厚度变化过渡区域柔性模具工作原理：
非等厚预浸料铺层3铺贴结束后，柔性模具放置在非等厚预浸料铺层3上。柔性模具在复合材料长桁等厚区域采用刚性模块2，在复合材料长桁厚度变化过渡区域采用柔性模块1，如图3所示。固化前，非等厚预浸料铺层3的厚度大于固化后非等厚复合材料结构4的厚度。固化过程中，外加压力通过柔性模具传递到非等厚预浸料铺层3上，非等厚预浸料铺层3密实程度增加，厚度逐渐减小。刚性模块2在外加压力的作用下随着非等厚预浸料铺层3的厚度减小分别沿着非等厚预浸料铺层3厚板区域和薄板区域表面法向移动。由于非等厚预浸料铺层3厚板区域和薄板区域的初始厚度不同，固化过程中两个区域预浸料铺层3厚度变化值不同，导致两个区域刚性模块2移动量不相等。由于柔性模块1刚度较小，为匹配厚板区域和薄板区域刚性模块2不同的移动量，在外加压力作用下，柔性模块1发生相应变形，确保紧密贴合非等厚预浸料铺层3，有效传递外加压力，以保证长桁厚度变化过渡区域、薄板区域与及厚板区域受压均匀。在整个过程中，由于柔性模块1的存在，厚板区域与薄板区域对应的刚性模块2可以相对自由的移动以匹配厚板区域与薄板区域不同厚度变化值，彼此约束较小，避免诸如传统刚性模具在长桁厚板区域和薄板区域移动不匹配的问题，进而出现架桥，影响压力传递，导致固化后复合材料结构出现分层及孔隙缺陷等。
如图4所示， 本发明固化过程长桁拐角区域柔性模具工作原理示意图，长桁拐角区域柔性模具工作原理为：
L形预浸料铺层5铺贴结束后，柔性模具放置在L形预浸料铺层5上。柔性模具在复合材料长桁凸缘和腹板等厚区域采用刚性模块2，在复合材料长桁拐角区域采用柔性模块1，如图4所示。固化前，L形预浸料铺层5的厚度大于固化后L形复合材料结构6厚度。固化过程中，外加压力通过柔性模具传递到L形预浸料铺层5上，L形预浸料铺层5密实程度增加，厚度逐渐减小。凸缘和腹板区域的刚性模块2分别在外加压力的作用下随着L形预浸料铺层5的厚度减小分别沿着L形预浸料铺层5凸缘和腹板区域表面法向移动。凸缘和腹板区域的刚性模块2沿两个不同的方向移动，同时长桁拐角区域靠近柔性模块1一侧的半径尺寸变大。由于柔性模块1刚度较小，为匹配凸缘和腹板区域刚性模块2不同方向的移动量及拐角区的尺寸变化，在外加压力作用下，柔性模块1发生相应变形，确保紧密贴合L形预浸料铺层5，有效传递外加压力，以保证长桁腹板区域、凸缘区域及拐角区域受压均匀。在整个过程中，由于柔性模块2的存在，腹板与凸缘区域的刚性模块2可以相对自由的移动，彼此间约束较小，从而实现长桁腹板区域、凸缘区域及拐角区域受压均匀，避免分层及孔隙缺陷等。
在这个示例中，L形长桁预浸料铺层腹板与凸缘区域的厚度相等，该柔性模具同样适用于L形长桁预浸料铺层腹板与凸缘区域厚度不相等的情况。
如图5所示，本发明成型C形长桁示意图，成型C形长桁的柔性模具为一个呈C形的成型单元。
如图6所示，本发明成型T形长桁示意图，成型T形长桁的柔性模具由2个呈L形的成型单元组成。
如图7所示，本发明成型工形长桁示意图，成型工形长桁的柔性模具由2个呈C形的成型单元组成。
如图8所示，本发明成型J形长桁示意图，成型J形长桁的柔性模具由一个呈C形的成型单元和一个呈L形的成型单元组成。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (5)

1.一种成型复合材料长桁的柔性模具，其特征在于，该模具包括柔性模块和刚性模块，通过所述柔性模块和刚性模块确保固化过程外加压力在长桁凸缘及腹板上有效传递，有效控制分层及孔隙缺陷，同时确保复合材料长桁的尺寸精度，该柔性模具包括至少一个成型单元；所述成型单元的截面呈L形或C形；
其中，呈L形的所述成型单元包括至少一个柔性模块和两个刚性模块，两个所述刚性模块之间通过一块所述柔性模块连接，呈L形的所述成型单元端部均为刚性模块；
呈C形的所述成型单元，包括至少两个柔性模块和三个刚性模块，相邻两个所述刚性模块之间通过一块所述柔性模块连接，呈C形的所述成型单元端部均为刚性模块；
所述刚性模块对应复合材料长桁凸缘及腹板等厚区域，所述柔性模块对应复合材料长桁拐角区域及厚度变化过渡区域。
2.根据权利要求1所述的柔性模具，其特征在于，所述柔性模块的尺寸大于其对应的复合材料长桁拐角区域及凸缘与腹板厚度变化过渡区域，所述刚性模块的尺寸小于其对应的复合材料长桁凸缘及腹板等厚区域。
3.根据权利要求1所述的柔性模具，其特征在于，所述柔性模块和刚性模块之间采用榫卯结构连接，在整个柔性模具使用寿命周期内，该连接不可拆卸。
4.根据权利要求1-3任意一项权利要求所述的柔性模具，其特征在于，该模具包括用于将若干成型单元相互连接的连接单元，所述连接单元为柔性连接件，所述柔性连接件采用榫卯结构与所述成型单元连接。
5.一种制备如权利要求1-4任意一项权利要求所述的柔性模具的工艺，该工艺具体包括以下步骤：
步骤1.成型刚性模块：根据设计好的刚性模块尺寸选取合适的金属材质或复合材料，金属材质刚性模块的工作面采用数控机床进行精加工；复合材料刚性模块的工作面由其固化阶段成型模具决定，复合材料成型模具采用数控机床精加工，
根据成型长桁腹板及凸缘等厚区域尺寸切割刚性模块，并在刚性模块的边缘加工出用于榫卯连接的接口；
步骤2:将步骤1制备得到刚性模块放置并固定在其成型模具相应位置，根据刚性模块的尺寸将未硫化橡胶裁剪成相应合适尺寸后，填充拐角、变厚度区域及刚性模块预加工的接口；填充完毕后，按照复合材料热压罐工艺进行封装，然后在热压罐中对未硫化橡胶进行硫化，其硫化制度为：在真空度低于-0.09MPa，压力为：0.5MPa下，将温度从室温以2℃/min升至180℃，恒温2小时后降至室温，即得到成型复合材料长桁的柔性模具。
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