一种全复合材料波纹夹层圆柱壳的组合模具

摘要

一种全复合材料波纹夹层圆柱壳的组合模具，它涉及一种组合模具。本发明目的是为解决现有制备全复合材料波纹夹层圆柱壳时缺少专用的模具，运用本发明避免了其它种类夹层圆柱壳在制备过程中遇到的蒙皮和面板不易连接，无法避免纤维缠绕的缺点，制备工艺复杂难以实现批量化生产的问题。本发明中芯柱为分瓣式空心柱体，两个端盖分别可拆卸连接在芯柱的顶面和底面，多个内侧芯条体和多个外侧芯条体沿芯柱的轴向方向交替排布在芯柱的外圆周上，每个内侧芯条体与其相邻的外侧芯条体间隙设置，合模夹具套装在带有多个内侧芯条体和多个外侧芯条体的芯柱上。本发明可制备出厚度不同的圆柱壳，能实现批量化生产。本发明用于制备全复合材料波纹夹层圆柱壳。

说明书

技术领域

本发明具体涉及一种全复合材料波纹夹层圆柱壳的组合模具。

背景技术

随着航空、航天及各工程领域的发展，结构轻量化设计显得尤为重要，夹芯结构具有 较高的比强度、比模量等优秀的力学性能，目前用于大型航天结构的圆柱壳多是网格加筋 结构，包括无蒙皮网格加筋结构、内蒙皮网格加筋结构、外蒙皮网格加筋结构、内外蒙皮 网格加筋结构，其制备工艺复杂，对于复合材料圆柱壳，不易实现蒙皮和面板的有效连接。

对于复合材料加筋圆柱壳，其较为成熟的工艺主要是碳纤维缠绕工艺及二次成型工 艺。纤维缠绕工艺可以实现构件的批量化与自动化生产，但是纤维缠绕制备出的加筋圆柱 壳具有一些缺点，例如由于纤维丝在模具上是连续铺设缠绕的，则在筋条交叉处必然存在 纤维的重叠，造成非交叉点部分的纤维量与交叉点部分的纤维量有很大的差异，使得非交 叉区加强筋的纤维体积分数不到50％。此外在纤维缠绕和固化时都存在成型体与模具的 直接接触，固化成型脱模时不可避免的会造成产品的损伤。目前，对于所制备的网格加筋 复合材料圆柱壳在螺旋方向的肋条，其模量约为传统单向复合材料的80％，压缩强度降 低到仅为传统单向复合材料的40％。二次固化成型也是在纤维缠绕技术的基础上进行的， 因此此工艺具有无法避免纤维缠绕的缺点。

对于金字塔点阵结构，其制备工艺更加复杂，利用碳纤维缠绕技术无法缠绕芯子的形 状。关于点阵结构的制备人们也有很长时间的探索，包括杆件组装工艺、水切割单杆拼接 工艺、水切割嵌锁组装工艺，穿插编织工艺，RTM模具工艺等等，但都难以实现结构批 量化自动生产，且制备大型构件有很大的难度。也有学者开创出预浸料一体成型工艺及预 浸料二次成型工艺以及嵌锁组装工艺，其中嵌锁组装工艺是建立在格栅基础之上，为实现 金字塔点阵圆柱壳结构的批量化生产，其芯子材料选用高强度铝合金，用线切割批量化生 产铝合金点阵芯子，蒙皮为复合材料，使用半圆形模具热压法成型。面芯之间利用胶接的 连接方式，内外面板连接好后粘贴补强片和加强片来弥补结构的缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种全复合材料波纹夹层圆柱壳的组合模具，以解决现有制备全 复合材料波纹夹层圆柱壳时缺少专用的模具，使用其他模具时存在不易实现蒙皮和面板的 有效连接、无法避免纤维缠绕的缺点、制备工艺复杂难以实现批量化生产的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

方案一：一种全复合材料波纹夹层圆柱壳的组合模具，它包括芯柱、合模夹具、两个 端盖、多个内侧芯条体和多个外侧芯条体，所述芯柱为分瓣式空心柱体，所述两个端盖分 别可拆卸连接在芯柱的顶面和底面，多个内侧芯条体和多个外侧芯条体沿芯柱的轴向方向 交替排布在芯柱的外圆周上，每个内侧芯条体与其相邻的外侧芯条体之间间隙设置，所述 合模夹具为圆筒形，所述合模夹具套装在带有多个内侧芯条体和多个外侧芯条体的芯柱 上，所述合模夹具的内壁与内侧芯条体间隙设置，所述合模夹具的内壁与外侧芯条体相贴 紧。

方案二：一种全复合材料波纹夹层圆柱壳的组合模具，它包括芯柱、合模夹具和两个 端盖，所述芯柱为分瓣式空心柱体，所述芯柱的外表面为沿其径向方向均匀凸凹的曲面， 所述合模夹具内壁的形状与芯柱的外表面的形状对称设置，所述两个端盖分别可拆卸连接 在芯柱的顶面和底面，所述合模夹具套装在芯柱外。

本发明与现有技术相比的有益效果：

1、本发明是用于制备全复合材料波纹夹层圆柱壳的组合模具，本发明包括两个方案， 方案一为纵向组合模具，方案一中两个端盖的设置是为了从芯柱的顶面和底面分别固定芯 柱的基本结构，防止分瓣式的芯柱因缺少稳定的固定构件而发生偏移，保证芯柱结构稳定 不变形；多个内侧芯条体和多个外侧芯条体在芯柱上的排布方式有效实现纵向凸凹起伏的 波纹结构，将预浸料放入内侧芯条体和外侧芯条体之间，从而使预浸料一体成型形成纵向 波纹芯子。合模夹具的设置是为了夹紧并固定芯柱、预浸料、多个内侧芯条体和多个外侧 芯条体。

2、本发明中方案二为环向组合模具，方案二中两个端盖的设置是为了从芯柱的顶面 和底面分别固定芯柱的基本结构，合模夹具是为了给预浸料成型加压并固定所有处于其内 部的组成件。

3、本发明省略传统工艺中使用纤维缠绕制备全复合材料波纹夹层圆柱壳的步骤，有 效避免了凹凸起伏的波纹结构难以实现纤维缠绕的步骤，将用热压法制备完毕的纵向波纹 芯子和面板采用胶接的方式连接在一起即可形成全复合材料纵向波纹夹层圆柱壳，同理， 环向波纹芯子和面板采用胶接的方式连接在一起即可形成全复合材料纵向波纹夹层圆柱 壳。

4、本发明工艺实现简单，操作简单易行且灵活性强，通过在内侧芯条体和外侧芯条 体之间添加脱模纸或硅胶片即可制备出比预留间隙薄的圆柱壳，这样可以通过一套模具制 备出厚度不同的圆柱壳。

5、本发明中制备出的芯子与面板胶接面积可以控制，从而实现芯子和面板的有效连 接，使二者的连接关系稳定牢固。

6、本发明制造成本低廉，可实现批量化生产。

附图说明

图1是方案一的立体结构装配图，

图2是方案一中不带有端盖5的俯视结构示意图，

图3是内侧芯条体2的俯视结构示意图，

图4是图3的左视结构示意图，

图5是外侧芯条体3的俯视结构示意图，

图6是图5的左视结构示意图，

图7是方案一中芯柱1的主视结构示意图，

图8是方案一中芯柱1的俯视结构示意图，

图9是方案一中合模夹具4的俯视结构示意图，

图10是方案二的立体结构装配图，

图11是方案二中芯柱1的主视结构示意图，

图12是方案二中芯柱1的俯视结构示意图，

图13是方案二中合模夹具4的俯视结构示意图，

图14是端盖5的俯视结构示意图，

图15是面板模具的主视结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图 14说明本实施方式，本实施方式中它包括芯柱1、合模夹具4、两个端盖5、多个内侧芯 条体2和多个外侧芯条体3，所述芯柱1为分瓣式空心柱体，所述两个端盖5分别可拆卸 连接在芯柱1的顶面和底面，多个内侧芯条体2和多个外侧芯条体3沿芯柱1的轴向方向 交替排布在芯柱1的外圆周上，每个内侧芯条体2与其相邻的外侧芯条体3之间间隙设置， 所述合模夹具4为圆筒形，所述合模夹具4套装在带有多个内侧芯条体2和多个外侧芯条 体3的芯柱1上，所述合模夹具4的内壁与内侧芯条体2间隙设置，所述合模夹具4的内 壁与外侧芯条体3相贴紧。本实施方式中芯柱1为分瓣式空心柱体，使用时在芯柱1的每 瓣做上标记更加便于顺利组装。

具体实施方式二：结合图2、图7、图8和图14说明本实施方式，本实施方式中所述 芯柱1的顶面和底面分别加工有端盖连接孔1-1；所述芯柱1的外表面上沿其径向方向加 工均匀加工有多排第一芯条连接孔1-2。本实施方式中端盖连接孔1-1是为了实现芯柱1 与端盖5的连接；第一芯条连接孔1-2的设置是为了实现芯柱1与多个内侧芯条体2、多 个外侧芯条体3的连接。本实施方式中端盖5上也加工有与端盖连接孔1-1一一对应设置 的连接孔，利用螺钉将端盖5和芯柱1进行可拆卸连接，从而实现端盖5和芯柱1有效连 接，保证芯柱1的基本构架。其它未提及的组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1、图3和图4说明本实施方式，本实施方式中当内侧芯条 体2竖直放置时，内侧芯条体2在水平方向的横截面为梯形，所述内侧芯条体2上加工有 与芯柱1上的第一芯条连接孔1-2对应设置的第二芯条连接孔2-1，当内侧芯条体2通过 第二芯条连接孔2-1可拆卸连接在芯柱1上时，内侧芯条体2上与芯柱1靠近的一端面宽 度至远离芯柱1的另一端面宽度渐缩。本实施方式中内侧芯条体2上靠近芯柱1一侧的内 侧芯条体2端面宽度至远离芯柱1一侧的内侧芯条体2端面宽度渐缩。内侧芯条体2的两 端分别加工有一个凹台，凹台所在的平面上加工有第二芯条连接孔2-1，每个内侧芯条体 2通过其两端的第二芯条连接孔2-1实现与芯柱1的稳定连接和拆卸工作。其它未提及的 组成及连接关系与具体实施方式一和二相同。

具体实施方式四：结合图1、图5和图6说明本实施方式，本实施方式中外侧芯条体 3的结构与内侧芯条体2的结构对称设置，所述外侧芯条体3上加工有与芯柱1上的第一 芯条连接孔1-2对应设置的第三芯条连接孔3-1，当外侧芯条体3通过第三芯条连接孔3-1 可拆卸连接在芯柱1上时，外侧芯条体3上与芯柱1靠近的一端面宽度至远离芯柱1的另 一端面宽度渐扩。本实施方式中外侧芯条体3上靠近芯柱1一侧的外侧芯条体3端面宽度 至远离芯柱1一侧的外侧芯条体3端面宽度渐扩。外侧芯条体3横截面为梯形，每个外侧 芯条体3的两端还可加工有凸台，凸台的顶面宽度小于外侧芯条体3上与预浸料6贴紧的 一端面的宽度，当将多个内侧芯条体2逐一安装在芯柱1上时，相邻两个内侧芯条体2 之间形成嵌入凹槽，外侧芯条体3可拆卸连接在嵌入凹槽内，同时，内侧芯条体2的凹台 与外侧芯条体3的凸台位于同一圆周面上。其它未提及的组成及连接关系与具体实施方式 三相同。

具体实施方式五：结合图1和图9说明本实施方式，本实施方式中所述合模夹具4 为分体式夹具，所述合模夹具4包括第一半圆弧组成片体4-1和第二半圆弧组成片体4-2， 所述第一半圆弧片4-1和第二半圆弧片4-2之间可拆卸连接，所述合模夹具4还包括四个 辅助加压条体4-3，所述四个辅助加压条体4-3中的两个辅助加压条体4-3同线设置在第 一半圆弧片4-1外，所述四个辅助加压条体4-3中的另两个辅助加压条体4-3同线设置在 第二半圆弧片4-2外。本实施方式中辅助加压条体4-3为钻有螺栓孔的金属条，由于内侧 芯条体2、外侧芯条体3压好后仍有部分材料露出，并且为进一步给模具加压，需要外侧 合模模具。在第一半圆弧片4-1和第二半圆弧片4-2的外部两侧各焊上两条钻有螺栓孔的 金属条，便于合模模具的固定及给整个模型加压。如此设置的合模夹具4便于安装和拆卸， 避免对其内部的多个内侧芯条体2、多个外侧芯条体3、预浸料6和芯柱1造成影响。其 它未提及的组成及连接关系与具体实施方式一和四相同。

具体实施方式六：结合图8说明本实施方式，本实施方式中所述芯柱1的瓣数为4 个。经过多次样品试验证明，当芯柱1的瓣数少于4个时，在制备完毕芯子后，芯柱1 不易取出，当将芯柱1的瓣数设置为4个时，芯柱1可顺利取出，便捷高效。其它未提及 的组成及连接关系与具体实施方式一和二相同。

结合具体实施方式一至六说明方案一的工作过程：

首先，将包括芯柱1、合模夹具4、两个端盖5、多个内侧芯条体2和多个外侧芯条 体3上均匀涂抹脱模剂，将多个内侧芯条体2安装在芯柱1上，再次将裁剪完毕的预浸料 6整体铺设在多个内侧芯条体2外，将每个外侧芯条体3以依次安装在其对应的相邻两个 内侧芯条体2之间，实现对预浸料6的挤压，使预浸料6贴紧在嵌入凹槽中，用合模夹具 4进行合模，放置在热压机中，加温加压后再进行打磨处理，即可整体得到纵向圆柱壳芯 子，最后将制备完毕的面板分别胶接在纵向圆柱壳芯子的内外圆周面上即可得到全复合材 料波纹夹层圆柱壳。

具体实施方式七：结合图10、图11、图12、图13和图14说明本实施方式，本实施 方式中它包括芯柱1、合模夹具4和两个端盖5，所述芯柱1为分瓣式空心柱体，所述芯 柱1的外表面为沿其径向方向均匀凸凹的曲面，所述合模夹具4内壁的形状与芯柱1的外 表面的形状对称设置，所述两个端盖5分别可拆卸连接在芯柱1的顶面和底面，所述合模 夹具4套装在芯柱1外。本实施方式中芯柱1为分瓣式空心柱体，使用时在芯柱1的每瓣 做上标记更加便于顺利组装。

具体实施方式八：结合图11和图12说明本实施方式，本实施方式中所述芯柱1的顶 面和底面分别加工有端盖连接孔1-1。本实施方式中端盖连接孔1-1是为了实现芯柱1与 端盖5的连接；端盖5上也加工有与端盖连接孔1-1一一对应设置的连接孔，利用螺钉将 端盖5和芯柱1进行可拆卸连接，从而实现端盖5和芯柱1有效连接，保证芯柱1的基本 构架。其它未提及的组成及连接关系与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：结合图10、图11和图12说明本实施方式，本实施方式中所述芯 柱1的瓣数为6个。经过多次样品试验证明，当芯柱1的瓣数少于6个时，在制备完毕芯 子后，芯柱1不易取出，当将芯柱1的瓣数设置为6个时，芯柱1可顺利取出，便捷高效。 其它未提及的组成及连接关系与具体实施方式七和八相同。

具体实施方式十：结合图13说明本实施方式，本实施方式中所述合模夹具4为分体 式夹具，所述合模夹具4包括第一半圆弧组成体4-1、第二半圆弧组成片体4-2、第一内 衬片4-4和第二内衬片4-5，所述第一半圆弧片4-1和第二半圆弧片4-2之间可拆卸连接， 第一内衬片4-4固定连接在第一半圆弧组成片体4-1的内壁上，第二内衬片4-5固定连接 在第二半圆弧组成片体4-2的内壁上，第一内衬片4-4和第二内衬片4-5闭合形成的形状 与芯柱1的外表面的形状对称设置。

本实施方式中所述合模夹具4还包括四个辅助加压条体4-3，所述四个辅助加压条体 4-3中的两个辅助加压条体4-3同线设置在第一半圆弧片4-1外，所述四个辅助加压条体 4-3中的另两个辅助加压条体4-3同线设置在第二半圆弧片4-2外。辅助加压条体4-3为 钻有螺栓孔的金属条，所述合模夹具4的内壁与芯柱1的外表面相配合设置，如此设置能 够给预浸料6加压并成型，铺好预浸料后所有材料都是暴露在外面的，需要用合模模具4 包住压制成型。在第一半圆弧片4-1和第二半圆弧片4-2的外部两侧各焊上两条钻有螺栓 孔的金属条，便于合模模具4的固定及给整个模型加压。如此设置的合模夹具4便于安装 和拆卸，避免对其内部的预浸料6和芯柱1造成影响。其它未提及的组成及连接关系与具 体实施方式九相同。

具体实施方式十一：结合图15说明本实施方式，本实施方式中制备方案一和方案二 中所使用的面板也采用专用的模具，其具体结构为：它包括三个半圆弧柱体7和两个固定 块8和两个面板用端盖，三个半圆弧柱体7中相邻两个半圆弧柱体中间留有1mm间隙； 两个固定块8放在面板模具两侧，防止模具摇晃，影响操作。每个半圆弧柱体7的顶面和 底面沿其轴向方向加工有第一螺纹孔，用于安装面板用端盖，面板用端盖上加工有9个第 二螺纹孔，从而实现三个半圆弧柱体7的定位工作。其它未提及的组成及连接关系与具体 实施方式一和七相同。

结合具体实施方式七至十说明方案二的工作过程：

首先，将包括芯柱1、合模夹具4、两个端盖5上均匀涂抹脱模剂，将芯柱1和两个 端盖5进行连接，其次将裁剪完毕的预浸料6整体铺设在芯柱1外，再次用合模夹具4 进行合模，放置在热压机中，加温加压后再进行打磨处理，即可整体得到环向圆柱壳芯子， 最后将制备完毕的面板分别粘贴在环向圆柱壳芯子的内外圆周面上即可得到全复合材料 波纹夹层圆柱壳。