一种隔段式回转结构复合材料制件的RTM成型模具的制作方法

本发明属于树脂基复合材料成型技术领域，涉及一种隔段式回转结构复合材料制件的rtm成型模具。

背景技术

先进树脂基复合材料具有较高的比强度和比刚度、可设计性强、优异的耐腐蚀、便于大面积整体成型的独特优点，使之成为航空航天飞行器结构中不可或缺的战略材料。复合材料在航空武器装备上的大量应用可有效提高性能、减轻结构重量、降低运营成本、增强市场竞争力。先进复合材料在飞机结构中的应用越来越多。一方面，复合材料用量比例在军民机中不断提高，另一方面，先进复合材料的应用部位已从过去的次承力结构发展到主承力结构；成型方法从高成本的热压罐成型工艺向低成本的树脂传递模塑(resintransfermolding，rtm)整体成型技术转化。

rtm工艺具有闭模成型的工艺特点，制件的内外表面均由模具型面控制，因此制件的外形尺寸精度高，通过合理的铺层优化以及成型模具设计可以实现复杂结构制件的整体化制造，有效提高结构减重效率、降低复合材料制件的制造及装配成本。隔段式回转复合材料结构是航天领域典型的主承力结构，采用环向法兰作为隔段可对回转结构进行加强，提高整体结构的强度和刚度。另外，环向法兰可作为内部设备的搭载平台，需要法兰有较高的平面度以及表面光洁度。基于以上要求，隔段式回转复合材料结构宜采用rtm成型工艺进行整体化制造。

采用rtm成型工艺制备隔段式回转结构复合材料制件，在成型模具设计时，存在一个关键的设计要素，即隔段的内芯模在复合材料制件成型固化后如何脱出。对于半封闭复合材料结构内芯模如何脱出的问题，传统的解决方案包括：1)使用气囊作为内芯模、2)采用膨胀橡胶作为内芯模、3)采用腊模作为内芯模、4)采用不溶性陶瓷作为内芯模。以上解决方案都是基于整体化的内芯模成型方案，但是内芯模刚度较差，在高温、高压下易变形，复合材料制件型面无法得到有效保证，不适用于rtm成型工艺。

技术实现要素：

本发明的目的是针对隔段式回转结构复合材料制件内芯模脱出问题：提供一种隔段式回转结构复合材料制件的rtm成型模具，以满足隔段式回转结构高尺寸精度、整体化制造的工艺要求。

本发明的技术解决方案是：

模具各组元包括上模、下模、中隔段组合式内芯模、上隔段内芯模、外成型模和移动滑块，

(a)上模为阴模设计，上模侧向内型面为斜面；底部型面为平面，在底部平面上设计密封槽和密封槽；在上模的分型面上制作与下模配合的字口定位槽；

(b)下模为阴模设计，下模侧向内型面为斜面；底部型面为平面，并在底部型面的中间位置根据复合材料制件下隔段内腔型面设计凸台，在凸台表面设计有安装中隔段组合式内芯模下端的定位槽，同时在定位槽表面设计密封槽；底部型面上的凸台外侧设计密封槽；在下模的分型面上制作与上模相配合的字口定位台；在下模的分型面上设置密封槽；

(c)中隔段组合式内芯模包括u型芯模和c型成型模，u型芯模内腔具有可拆装螺栓的操作空间；c型成型模外形与复合材料制件中隔段内型面一致，并对c型成型模沿复合材料制件轴向分块；分块后的c型成型模通过螺栓固定在u型芯模的外表面；u型芯模的下端置于下模的底部凸台定位槽中；u型芯模的上端置于上隔段内芯模的定位槽中；

(d)上隔段内芯模的上表面设计为平面，与上模的底部型面配合；上隔段内芯模的侧向及底部型面与复合材料制件的上隔段内型面一致；上隔段内芯模底部型面上设置有安装中隔段组合式内芯模中的u型芯模上端的定位槽，同时在定位槽表面设计密封槽；

(e)外成型模沿复合材料制件轴向作分块设计，外成型模的内型面与复合材料制件的外型面一致，外成型模的外侧型面与下模底部型面垂直，并与对应的移动滑块的内型面配合，外成型模的外侧上型面与上模的底部平面配合，外成型模的外侧下型面与下模底部平面配合；

(f)移动滑块的外侧面上部与上模侧向内型面的角度一致，移动滑块的外侧面下部与下模侧向内型面的角度一致；

合模时，先将中隔段组合式内芯模置于下模的定位槽中，再将上隔段内芯模置于中隔段组合式内芯模上，然后将外成型模放入下模的底面上，再将移动滑块放于外成型模外围，将上模与下模对合，在螺栓紧固作用下，上模与下模合模间隙逐渐减小，同时移动滑块在上、下模侧向内型面的作用下发生面内移动并将外成型模置于理论位置。

所述的模具各组元采用45#钢、p20钢或其组合体进行加工制造。

所述的上模侧向内型面的斜度为15°～20°，字口定位槽的长度为30mm～80mm、宽度为30mm～80mm、深度为10mm～30mm、斜度控制在5°～20°之间。

所述的下模2侧向内型面的斜度为15°～20°，定位槽的深度为5mm～10mm，字口定位台的长度为30mm～80mm、宽度为30mm～80mm、高度为10mm～30mm、斜度控制在5°～20°之间。

所述的中隔段组合式内芯模的u型芯模3-1壁厚为20mm～50mm；c型成型模分成4块～16块。

所述的上隔段内芯模中的定位槽的深度为5mm～10mm。

本发明具有的优点和有益效果，本发明提出采用组合式内芯模的设计思路，将法兰没有覆盖的部位设计成可自由脱出的u型芯模，然后在u型芯模外表面通过螺栓连接经分块设计的c型成型模，采用该种芯模制备的隔段式回转结构复合材料制件在脱模时，可先将u型芯模脱出，然后沿平行于法兰方向(即复合材料制件的轴向)将c型成型模按设计顺序依次取出。同时基于rtm成型工艺要求，提出了一整套适用于隔段式回转结构复合材料制件的rtm成型模具设计思路。

本发明组合式的内芯模设计，成功地解决了复合材料隔段结构内芯模的脱模问题。采用本发明制备的隔段式回转结构复合材料制件尺寸精度高、内外表面质量优良，法兰与外蒙皮一次固化整体成型，有效降低了复合材料的制造成本。

附图说明

图1本发明隔段式回转结构复合材料制件示意图；

图2本发明隔段式回转结构复合材料制件的rtm成型模具示意图；

图3本发明上模结构示意图；

图4本发明下模结构示意图；

图5本发明中隔段组合式内芯模结构示意图；

图6本发明上隔段内芯模结构示意图；

图7本发明外成型模结构示意图；

图8本发明移动滑块结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。以附图1所示典型结构为例，该结构由上下法兰组成的三隔段式回转结构，其中7为上隔段，8为中隔段，9为下隔段。本发明的成型模具包括上模1、下模2、中隔段组合式内芯模3(由3-1和3-2组成)、上隔段内芯模4、外成型模5和移动滑块6，如图2所示。

(a)上模1为阴模设计，如图3所示，上模1侧向内型面为斜面，该斜面与移动滑块6的上半部分配合，提供移动滑块6沿面内滑移的驱动力；1-1是双道密封槽，用来密封上隔段内芯模4的上表面；1-2是双道密封槽，用来密封外成型模5的上表面；在上、下模对合时，字口定位槽1-3可以起到精确定位的作用；

(b)下模2为阴模设计，如图4所示，下模2侧向内型面为斜面，该斜面与移动滑块6的下半部分配合，提供移动滑块6沿面内滑移的驱动力；在下模2底面根据制件下隔段内型面制作凸台2-1，在2-1表面制作了用于定位中隔段组合式内芯模3-1的定位槽2-2，并且制作了两道密封槽2-3；在下模2底部面上制作了密封外成型模5下表面的两道密封槽2-4；在下模2的分型面上设置了两道密封槽，用来密封上下模；在下模2分型面处设置了可与字口定位槽1-1配合的字口定位台2-1；

(c)中隔段组合式内芯模3包括u型芯模3-1和c型成型模3-2，如图5所示，u型芯模3-1内腔具有可拆装螺栓的操作空间，主要用于中隔段组合内芯模的组装以及拆卸；c型成型模3-2需沿垂直于法兰方向分块，分块的目的是在脱模时3-2可以按设计顺序在沿法兰方向外力作用下，逐步从封闭腔体内移出；

(d)上隔段内芯模4的侧向及底部型面与复合材料制件的上隔段内型面一致；上隔段内芯模4底部型面上设置中隔段组合式内芯模3的上端定位槽4-1，同时在定位槽表面设计密封槽4-2，如图6所示；

(e)外成型模5由四块组成，如图7所示，其内型面与复合材料制件的外型面一致，外成型模5的外侧型面与下模2底部型面垂直，并与对应的移动滑块6的内型面配合；

(f)移动滑块6由四块组成，如图8所示，移动滑块6的外侧面上部与上模1侧向内型面的角度一致，移动滑块6的外侧面下部与下模2侧向内型面的角度一致；

隔段式加转结构复合材料制件的制备过程如下：

(1)在下模2凸台2-1按设计铺层铺覆干态预定型织物，完成铺覆后对凸缘预制体进行真空预定型；

(2)通过螺栓将u型芯模3-1和c型成型模3-2连接成中隔段组合式内芯模3，在c型成型模3-2的外置按设计铺层铺覆c型预制体，并对预制体进行真空预定型；

(3)将中隔段组合式内芯模3置于下模2的定位槽2-2中，对下模2与中隔段组合式内芯模3进行真空预定型，使中隔段组合式内芯模3在定位槽内完成精确定位；

(4)按设计铺层在上隔段内芯模4上铺覆c型干态预定型织物，并进行真空预定型，然后将上隔段内芯模4的定位槽4-1与中隔段组合式内芯模3-1的上端面对合，并进行真空预定型；

(5)对上隔段与中隔段对合以及中隔段与下模2凸台2-1对合后形成的三角区进行单向纤维填塞，并真空预定型；

(6)在上隔段内芯模4、中隔段组合式内芯模3以及凸台2-1组合体的外围，按设计铺层进行制件蒙皮的铺覆，并真空预定型；

(7)将外成型模5放入下模2中，并将移动滑块6放放置在外成型模5的外侧，将上模1与下模2对合，在螺栓紧固作用下，上模1与下模2合模间隙逐渐减小，同时移动滑块6在上、下模侧向内型面的作用下发生面内移动并将外成型模5置于理论位置；

(8)采用rtm成型工艺，通过向模具内注入低黏度液体成型树脂，树脂流动并浸浸润干态纤维预定型织物，在热的作用下，完成复合材料的固化；

(9)隔段式回转结构复合材料制件在脱模时，去掉上、下模的连接螺栓，移走上模1并拔出上隔段内芯模4，去掉u型芯模3-1与c型成型模3-2连接的螺栓，取出u型芯模3-1，沿制件法兰方向取出分块的c型成型模3-2，取出移动滑块6以及外成型模5，并将制件从凸台2-1上拔出，即完成了隔段式回转结构复合材料制件的脱模。

具体实施例一

典型结构如图1所示，由上下法兰组成的三隔段式回转结构，外型尺寸：高度为200mm，大端直径400mm，小端直径300mm，采用干态预定型织物制备，然后通过rtm工艺注入低黏度树脂，最后固化成型。我们采用了本发明的解决方案，模具所有组元均采用p20钢制造。

上模1为阴模设计，上模1侧向内型面的斜度为15°；底部型面为平面，在底部平面上设计的密封槽1-1和1-2宽度为4.5mm、深度为5.5mm；字口定位台1-3的长度为40mm、宽度为50mm、高度为10mm、斜度为10°；

下模2为阴模设计，下模2侧向内型面的斜度为15°；底部型面为平面，并在底部型面的中间位置，根据复合材料制件下隔段内腔型面设计凸台2-1，定位槽2-2的深度为10mm；字口定位槽2-6的长度为40mm、宽度为50mm、高度为10mm、斜度为10°；密封槽2-3、2-4、2-5的宽度为4.5mm、深度为5.5mm；

中隔段组合式内芯模3包括u型芯模3-1和c型成型模3-2，u型芯模3-1内腔直径为180mm，壁厚为40mm；c型成型模3-2分成8块；

内芯模4直径为294mm，高度为30mm，定位槽4-1深度为10mm，密封槽宽度为4.5mm、深度为5.5mm；

移动滑块6分别置于外成型模5的外侧；移动滑块6的外侧面上部的斜面角度为15°，移动滑块6的外侧面下部的斜面角度为15°；

合模时，先将中隔段组合式内芯模3置于下模2的定位槽2-2中，再将上隔段内芯模4置于中隔段组合式内芯模3上，然后将外成型模5放入下模2的底面上，再将移动滑块放于外成型模5外围，将上模1与下模2对合，在螺栓紧固作用下，上模1与下模2合模间隙逐渐减小，同时移动滑块6在上、下模侧向内型面的作用下发生面内移动并将外成型模5置于理论位置。