一种复合材料网格筒成型模具、成型装置和成型方法

1.本发明涉及预浸带缠绕成型技术领域，具体是一种复合材料网格筒成型模具、成型装置和成型方法。


背景技术：

2.碳纤维复合材料具有轻质、高强等性能优势，在航空航天承力结构领域有着广泛的应用。为了在保证强度与承载性能的条件下，进一步减轻结构重量，越来越多的无蒙皮复合材料网格筒结构被直接用作主承力结构。
3.现有技术中，一般采用纤维缠绕工艺与金属模具相结合的方式进行制备，这种制备工艺所需模具重量大，加工及装配难度高。对于小型复合材料网格承力筒，现有制备工艺依托于机床主轴，采用纤维缠绕的方式进行制备，硅胶软膜采用整体式设计法，且外侧没有硅胶软膜与之相匹配，网格类型可设计性差。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决现有制备工艺依托于机床主轴，采用纤维缠绕的方式进行制备，硅胶软膜采用整体式设计法，且外侧没有硅胶软膜与之相匹配，网格类型可设计性差的问题，本发明提出一种复合材料网格筒成型模具、成型装置和成型方法。
5.本发明是通过以下方案进行实现的：
6.一种复合材料网格筒成型模具，它包括模具a或模具b；
7.模具a的上部设有沿其长度设置的凹槽，凹槽底部设有沿模具a长度方向间续设置的折线状镂空；凹槽底部的中部设有沿模具a长度方向间续设置的直线状镂空；
8.模具b的内部设有沿其长度方向设置的空腔，空腔的顶部设有对应折线状镂空和直线状镂空设置骨架，模具b上设有多个沿其长度方向水平插装在模具b中部的固定签，固定签与模具b可拆卸连接。
9.进一步地，模具a的一端设有定位端一，模具b的一端设有定位端二，所述定位端一与定位端二对应设置。
10.一种成型装置，所述成型装置包括分瓣式底板、主轴、旋转手柄、两个支撑圆盘、两个支座、多个螺钉、多个由模具a制成的软膜a和多个由模具b制成的软膜b；
11.每个支座的顶部设有半圆环形的支撑位，所述主轴搭在两个支座的支撑位上，主轴的一端与旋转手柄连接，两个支撑圆盘对称设置在主轴上，两个支撑圆盘均设置在两个支座之间，所述圆盘的侧壁为大圆盘和小圆盘构成的阶梯状结构，圆盘侧壁的小圆盘处沿圆周方向分布有多个螺纹孔，分瓣式底板呈圆筒状，分瓣式底板的每端套装在一个圆盘的小圆盘的外部，分瓣式底板的每端均设有多个通孔，每个通孔与一个螺纹孔对应设置，每个螺钉穿过一个通孔后与一个螺纹孔螺纹连接，多个由模具b制成的软膜b分别围合成一个环状，多个围合成环状的软膜b错位套装在分瓣式底板的外部构成软膜，所述软膜上分布的沟壑用于缠绕预浸料，每个由模具a制成的软膜a对应一个软膜b套装在该软膜b的外部。
12.进一步地，所述主轴与支撑圆盘通过键连接。
13.再进一步地，述主轴和旋转手柄通过螺纹连接。
14.进一步地，所述分瓣式底板的外壁上设有防滑纹。
15.再进一步地，所述软膜a和软膜b均由硅胶材料制成。
16.进一步地，所述软膜的侧部沿轴线方向穿过有多个固定杆，软膜b在模具b上拆除后留有固定签形成的定位孔，每个固定杆穿过多个模具的定位孔完成定位。
17.一种成型方法，
18.它包括以下步骤：
19.s、利用模具a制备多个软膜a，利用模具b制备多个软膜b；
20.s、沿分瓣式底板的轴线方向，将多个软膜b逐一贴合设置在分瓣式底板的外部，每个软膜b均绕成环状，多个软膜b组成软膜，将多个紧固杆沿分瓣式底板的轴线方向穿过筒装软膜；
21.s、将预浸带按多个软膜b的沟壑铺设，按铺设时，将预浸带某端先固定在软膜b上，转动旋转手柄使预浸带沿软膜b的凹槽缠绕设置在软膜b上；
22.s、将每个软膜a对应一个软膜b安装在一个软膜b上；
23.s、拆除主轴、旋转手柄和两个支座，将剩余部分放入真空密封袋后，抽真空后，移入热箱进行固化成型或移入热压罐进行热压成型；
24.s、将成型后的装置取出，拆除预浸料制成的复合材料网格筒，最后对复合材料网格筒的边缘及交叉处进行打磨，即可得到完整的复合材料网格筒结构。
25.进一步地，s5过程中，固化过程需对中对温度调整，温度的设置分为一次升温阶段，一次加压阶段，二次升温阶段，二次加压阶段和最后的降温阶段。
26.有益效果：
27.1.本发明所述的复合材料网格筒成型模具可应用于小型复合材料网格筒结构件的成型，成型模具具有制造成本低，脱模损伤小，模具装配便捷，网格可设计性强等特点。
28.2.本发明所述的硅胶软膜适用于不同类型网格的制备，通过设计制备不同的硅胶软膜模具，通过拼接的方式，得到不同类型的硅胶软膜，如三角形，四边形，六边形等。
29.3.本发明所述的分体式硅胶软膜采用高热膨胀系数的硅橡胶，利于构件脱模，成型质量好。底部位置带有开孔，紧固杆通过开孔使不同硅胶软膜的连接更加牢固。硅胶软膜最下方可设计为具有规则凹凸形式的底面，与分瓣式底板相匹配使用。
30.4.本发明所述的硅胶软膜模具9、10与底板模具配套使用，底板模具带有规则的凹凸面，与纵向杆共同使用。纵向杆的作用为制备硅胶软膜底部的开孔结构，与紧固杆结合使用，以提高硅胶软膜结构的牢固性，防止出现相对滑移。如图2所示，在硅胶软膜模具末端具有规则的圆形凸起型卡扣结构，与图2左侧的相匹配的带有凹陷的卡扣结构组合使用，增强硅胶软膜整体结构的牢固性。
31.本发明可以应用于缠绕式复合材料网格筒结构件，且成型质量好，制造效率高，制造成本低，硅胶软膜的使用增加了网格结构的可设计性与可替代性。
附图说明
32.图1为本发明的模具a的示意图一；
33.图2为本发明的模具a的示意图二；
34.图3为图2的局部放大示意图；
35.图4为本发明的模具b的示意图一；
36.图5为本发明的模具b的示意图二；
37.图6为图5的局部放大示意图；
38.图7为本发明的成型装置的示意图：
39.图8为本发明的成型装置的爆炸图；
40.图9为本发明的复合材料网格筒的示意图。
具体实施方式
41.具体实施方式一：一种复合材料网格筒成型模具，它包括模具a9或模具b10；
42.模具a9的上部设有沿其长度设置的凹槽，凹槽底部设有沿模具a9长度方向间续设置的折线状镂空；凹槽底部的中部设有沿模具a9长度方向间续设置的直线状镂空；
43.模具b9的内部设有沿其长度方向设置的空腔，空腔的顶部设有对应折线状镂空和直线状镂空设置骨架，模具b9上设有多个沿其长度方向水平插装在模具b9中部的固定签，固定签与模具b9可拆卸连接。
44.本实施方式中：使用模具a可以制备软膜a，使用模具b可以制备软膜b，进一步地，所述硅胶软膜制备模具中的凹槽与凸起部分的宽度与厚度根据设计需求决定，在凹槽部分交叉与凸起部分交叉处设计更大的厚度，以保障预浸带在交叉处能够顺利铺设及与硅胶软膜更好地贴合。
45.具体实施方式二：一种复合材料网格筒成型模具，模具a9的一端设有定位端一，模具b10的的一端设有定位端二，所述定位端一与定位端二对应设置。
46.本实施方式中：模具a的定位端一和模具b的定位端二用于拔模。
47.其他实施方式与具体实施方式一相同。
48.具体实施方式三：一种使用成型模具的成型装置，所述成型装置包括分瓣式底板3、主轴4、旋转手柄5、两个支撑圆盘2、两个支座6、多个螺钉7、多个由模具a9制成的软膜a和多个由模具b10制成的软膜b；
49.每个支座6的顶部设有半圆环形的支撑位，所述主轴4搭在两个支座6的支撑位上，主轴4的一端与旋转手柄5连接，两个支撑圆盘2对称设置在主轴4上，两个支撑圆盘2均设置在两个支座6之间，所述圆盘2的侧壁为大圆盘和小圆盘构成的阶梯状结构，圆盘2侧壁的小圆盘处沿圆周方向分布有多个螺纹孔，分瓣式底板3呈圆筒状，分瓣式底板3的每端套装在一个圆盘2的小圆盘的外部，分瓣式底板3的每端均设有多个通孔，每个通孔与一个螺纹孔对应设置，每个螺钉7穿过一个通孔后与一个螺纹孔螺纹连接，多个由模具b10制成的软膜b分别围合成一个环状，多个围合成环状的软膜b错位套装在分瓣式底板3的外部构成软膜1，所述软膜1上分布的沟壑用于缠绕预浸料，每个由模具a9制成的软膜a对应一个软膜b套装在该软膜b的外部。
50.本实施方式中：支座用于支撑分瓣式底板、主轴、旋转手柄和两个支撑圆盘组成的结构，筒装软膜贴合设置在分瓣式底板的外部，至此完成整个装置的组装，将预浸带通过筒装软膜的凹槽部分缠绕，螺钉提供预浸带转向依托，预浸带铺设完成后，将硅胶软膜b与硅
胶软膜a相组合。
51.具体实施方式四：一种使用成型模具的成型装置，所述主轴4与支撑圆盘2通过键连接。
52.本实施方式中：上述方式通过键连接，简单稳定。
53.其他实施方式与具体实施方式三相同。
54.具体实施方式五：一种使用成型模具的成型装置，所述主轴4和旋转手柄5通过螺纹连接。
55.本实施方式中：上述方式，简单稳定。
56.其他实施方式与具体实施方式三相同。
57.具体实施方式六：一种使用成型模具的成型装置，所述分瓣式底板3的外壁上设有防滑纹。
58.本实施方式中：分瓣式底板的防滑纹用于防止筒装软膜发生窜动，可选择地，分瓣式底板的防滑纹处可以设计为筒装软膜对应的规则凹凸型结构，有助于筒装软膜与分瓣式底板结构的连接稳定性，防止出现相对滑移。
59.其他实施方式与具体实施方式三相同。
60.具体实施方式七：一种使用成型模具的成型装置，所述软膜a和软膜b均由硅胶材料制成。
61.其他实施方式与具体实施方式三相同。
62.具体实施方式八：一种使用成型模具的成型装置，所述软膜1的侧部沿轴线方向穿过有多个固定杆8，软膜b在模具b9上拆除后留有固定签形成的定位孔，每个固定杆8穿过多个模具的定位孔完成定位。
63.本实施方式中：沿定位孔使用固定杆连接多个软膜b制成软膜，仅需将多个软膜b错位放置，即可快速串联，简单、方便
64.其他实施方式与具体实施方式三相同。
65.具体实施方式九：一种使用成型装置的成型方法，它包括以下步骤：
66.s1、利用模具a9制备多个软膜a，利用模具b10制备多个软膜b；
67.s2、沿分瓣式底板3的轴线方向，将多个软膜b逐一贴合设置在分瓣式底板3的外部，每个软膜b均绕成环状，多个软膜b组成软膜1，将多个紧固杆8沿分瓣式底板3的轴线方向穿过筒装软膜1；
68.s3、将预浸带按多个软膜b的沟壑铺设，按铺设时，将预浸带某端先固定在软膜b上，转动旋转手柄5使预浸带沿软膜b的凹槽缠绕设置在软膜b上；
69.s4、将每个软膜a对应一个软膜b安装在一个软膜b上；
70.s5、拆除主轴4、旋转手柄5和两个支座6，将剩余部分放入真空密封袋后，抽真空后，移入热箱进行固化成型或移入热压罐进行热压成型；
71.s6、将成型后的装置取出，拆除预浸料制成的复合材料网格筒，最后对复合材料网格筒的边缘及交叉处进行打磨，即可得到完整的复合材料网格筒结构。
72.本实施方式中：去除主轴、旋转手柄和支座，剩余部分使用真空袋包裹后，移入热压罐进行热压成型；成型完成后，取下软膜b和软膜a，移除螺钉、支撑圆盘和分瓣式底板，使复合材料网格筒在硅胶软膜a上进行脱模，最后对边缘及交叉处进行打磨，即可得到完整的
复合材料网格筒结构。
73.具体实施方式十：一种使用成型装置的成型方法，
74.s5过程中，固化过程需对中对温度调整，温度的设置分为一次升温阶段，一次加压阶段，二次升温阶段，二次加压阶段和最后的降温阶段。
75.本实施方式中：上述温度的选择根据实际需要确定。
76.其他实施方式与具体实施方式九相同。
77.实施例：
78.所述将剩余部分移入热压罐热压成型包括：预浸带完成铺设后，将包括预浸带、硅胶软膜、分瓣式底板、支撑圆盘、螺钉和主轴一起放入真空袋进行密封，检查真空袋的气密性是否良好。放入热压罐后，热压固化成型的参数跟于所使用的预浸带材料属性决定。以碳纤维环氧树脂基复合材料t300为例，固化过程中温度的设置分为一次升温阶段，一次加压阶段，二次升温阶段，二次加压阶段和最后的降温阶段。其中，一次升温阶段目标温度为80℃，一次加压阶段目标压强为0.1mpa，二次升温阶段目标温度为130℃，二次加压阶段目标压强为0.3mpa，降温阶段目标温度为80℃，升温速率设为2℃/min，一次加压保持时间为30分钟，二次加压保持时间为90分钟。

技术特征：
1.一种复合材料网格筒成型模具，其特征在于：它包括模具a(9)或模具b(10)；模具a(9)的上部设有沿其长度设置的凹槽，凹槽底部设有沿模具a(9)长度方向间续设置的折线状镂空；凹槽底部的中部设有沿模具a(9)长度方向间续设置的直线状镂空；模具b(9)的内部设有沿其长度方向设置的空腔，空腔的顶部设有对应折线状镂空和直线状镂空设置骨架，模具b(9)上设有多个沿其长度方向水平插装在模具b(9)中部的固定签，固定签与模具b(9)可拆卸连接。2.根据权利要求1所述的一种复合材料网格筒成型模具，其特征在于：模具a(9)的一端设有定位端一，模具b(10)的一端设有定位端二，所述定位端一与定位端二对应设置。3.一种使用权利要求1-2中任意一项所述的成型模具的成型装置，其特征在于：所述成型装置包括分瓣式底板(3)、主轴(4)、旋转手柄(5)、两个支撑圆盘(2)、两个支座(6)、多个螺钉(7)、多个由模具a(9)制成的软膜a和多个由模具b(10)制成的软膜b；每个支座(6)的顶部设有半圆环形的支撑位，所述主轴(4)搭在两个支座(6)的支撑位上，主轴(4)的一端与旋转手柄(5)连接，两个支撑圆盘(2)对称设置在主轴(4)上，两个支撑圆盘(2)均设置在两个支座(6)之间，所述圆盘(2)的侧壁为大圆盘和小圆盘构成的阶梯状结构，圆盘(2)侧壁的小圆盘处沿圆周方向分布有多个螺纹孔，分瓣式底板(3)呈圆筒状，分瓣式底板(3)的每端套装在一个圆盘(2)的小圆盘的外部，分瓣式底板(3)的每端均设有多个通孔，每个通孔与一个螺纹孔对应设置，每个螺钉(7)穿过一个通孔后与一个螺纹孔螺纹连接，多个由模具b(10)制成的软膜b分别围合成一个环状，多个围合成环状的软膜b错位套装在分瓣式底板(3)的外部构成软膜(1)，所述软膜(1)上分布的沟壑用于缠绕预浸料，每个由模具a(9)制成的软膜a对应一个软膜b套装在该软膜b的外部。4.根据权利要求3所述的成型装置，其特征在于：所述主轴(4)与支撑圆盘(2)通过键连接。5.根据权利要求3所述的成型装置，其特征在于：所述主轴(4)和旋转手柄(5)通过螺纹连接。6.根据权利要求3所述的成型装置，其特征在于：所述分瓣式底板(3)的外壁上设有防滑纹。7.根据权利要求3所述的成型装置，其特征在于：所述软膜a和软膜b均由硅胶材料制成。8.根据权利要求3所述的成型装置，其特征在于：所述软膜(1)的侧部沿轴线方向穿过有多个固定杆(8)，软膜b在模具b(9)上拆除后留有固定签形成的定位孔，每个固定杆(8)穿过多个模具的定位孔完成定位。9.一种使用权利要求3-8中任意一项所述的成型装置的成型方法，其特征在于：它包括以下步骤：s1、利用模具a(9)制备多个软膜a，利用模具b(10)制备多个软膜b；s2、沿分瓣式底板(3)的轴线方向，将多个软膜b逐一贴合设置在分瓣式底板(3)的外部，每个软膜b均绕成环状，多个软膜b组成软膜(1)，将多个紧固杆(8)沿分瓣式底板(3)的轴线方向穿过筒装软膜(1)；s3、将预浸带按多个软膜b的沟壑铺设，按铺设时，将预浸带某端先固定在软膜b上，转动旋转手柄(5)使预浸带沿软膜b的凹槽缠绕设置在软膜b上；
s4、将每个软膜a对应一个软膜b安装在一个软膜b上；s5、拆除主轴(4)、旋转手柄(5)和两个支座(6)，将剩余部分放入真空密封袋后，抽真空后，移入热箱进行固化成型或移入热压罐进行热压成型；s6、将成型后的装置取出，拆除预浸料制成的复合材料网格筒，最后对复合材料网格筒的边缘及交叉处进行打磨，即可得到完整的复合材料网格筒结构。10.根据权利要求9所述的成型方法，其特征在于：s5过程中，固化过程需对中对温度调整，温度的设置分为一次升温阶段，一次加压阶段，二次升温阶段，二次加压阶段和最后的降温阶段。

技术总结
本发明涉及预浸带缠绕成型技术领域，具体是一种复合材料网格筒成型模具、成型装置和成型方法,为了解决现有制备工艺依托于机床主轴，采用纤维缠绕的方式进行制备，硅胶软膜采用整体式设计法，且外侧没有硅胶软膜与之相匹配，网格类型可设计性差的问题，成型装置中，主轴搭在两个支座的支撑位上，主轴的一端与旋转手柄连接，两个支撑圆盘对称设置在主轴上，圆盘的侧壁为大圆盘和小圆盘构成的阶梯状结构，分瓣式底板的每端套装在一个圆盘的小圆盘的外部，每个螺钉穿过分瓣式底板的每端的一个通孔后与一个螺纹孔螺纹连接，筒装软膜套装在分瓣式底板的外部，每个软膜B对应一个软膜A进行设置，本发明硅胶软膜增加了网格结构的可设计性与可替代性。性与可替代性。性与可替代性。


技术研发人员：熊健 王文煜 韦兴宇 龚程 付强
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.06.05
技术公布日：2023/9/5