一種熱壓罐用框架式復(fù)合材料成型模具的制作方法

本發(fā)明涉及一種熱壓罐用框架式復(fù)合材料成型模具，屬于模具成型技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

先進(jìn)的復(fù)合材料，由于具有比強(qiáng)度比模量高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、抗疲勞性能好等顯著優(yōu)點(diǎn)，廣泛的應(yīng)用于航空領(lǐng)域。熱壓罐成型工藝是復(fù)合材料制件成型方法主要方法之一，熱壓罐成型工藝是將預(yù)浸料按照材料的鋪層設(shè)計(jì)方式鋪放到工裝型面上，然后依次鋪上吸膠層、透氣氈等材料，裝入真空袋抽真空，最后按照材料的固化工藝曲線歷經(jīng)升溫、加壓，最后降溫、降壓等階段，使預(yù)浸料坯件固化成型為滿足設(shè)計(jì)要求的復(fù)合材料零件。該方法可以作為航空航天領(lǐng)域大型復(fù)雜曲面的主承力件、次承力件的成型方法。

通常來說，通過熱壓罐固化復(fù)合材料是一個(gè)經(jīng)歷升溫、保溫、降溫并伴隨加壓、降壓的過程，在升溫階段，電阻絲持續(xù)對空氣進(jìn)行加熱，以風(fēng)機(jī)為動力，以空氣為傳熱介質(zhì)，持續(xù)對模具和構(gòu)件進(jìn)行加熱，保證構(gòu)件溫度不斷升高，完成固化成型。降溫時(shí)，關(guān)閉加熱裝置，同時(shí)使用水冷，持續(xù)對罐內(nèi)空氣進(jìn)行降溫，風(fēng)機(jī)則使空氣的循環(huán)流動，保證罐內(nèi)各處溫度的降低。

在熱壓罐固化工藝過程中，模具成型板表面的溫度變化取決于模具型面與流體的外掠平板對流換熱以及框架式底座與模具成型板的熱傳導(dǎo)，當(dāng)流體外掠過成型板時(shí)，成型板與流體接觸面會產(chǎn)生邊界層，由于流體的粘性作用損耗了動能，使得邊界層里的速度沿流動方向減小，結(jié)果邊界層的厚度沿流動方向不斷增加。根據(jù)對流換熱理論，邊界層越厚，導(dǎo)熱的熱阻也就越大，傳熱效率也就越低，使得背風(fēng)端出現(xiàn)低溫。另一個(gè)導(dǎo)致背風(fēng)端低溫的原因是，由于迎風(fēng)面框架式底座對背風(fēng)面框架式底座的阻礙作用，射流沖擊換熱的強(qiáng)度隨著流向而降低，使得背風(fēng)端格框溫度較低，相對于迎風(fēng)端，對成型板傳遞的熱量較少。

對某一實(shí)際成型板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，測得在升溫階段結(jié)束時(shí)該成型板表面的溫度分布如圖1所示，成型面的最大溫差達(dá)到50.1度，迎風(fēng)面到背風(fēng)面溫差逐步增大，在距離迎風(fēng)端約80％的地方出現(xiàn)溫度最低的區(qū)域，低溫區(qū)域占模具平面面積約25％，因此，模具的型面的溫度分布相當(dāng)不均勻。溫度場不均勻在很大程度上會影響復(fù)合材料制件的成型質(zhì)量，導(dǎo)致復(fù)合材料構(gòu)件受熱不均勻，固化度不一致，引起結(jié)構(gòu)變形。因此如何減小復(fù)合材料構(gòu)件在流向上的溫度梯度成為亟待解決的問題。

為了提高制件溫度場均勻性，在現(xiàn)有技術(shù)中主要集中在以下兩個(gè)方面：一是改進(jìn)現(xiàn)有的固化工藝；二是提出新工藝、新方法成型復(fù)合材料制件。以上改進(jìn)往往涉及到設(shè)備的改進(jìn)，比較復(fù)雜，且在實(shí)際生產(chǎn)中都存在一定的困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決技術(shù)問題是：克服上述技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種可保證復(fù)合材料構(gòu)件成型時(shí)固化度基本一致且結(jié)構(gòu)變形小的框架式成型模具。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案是：一種熱壓罐用框架式復(fù)合材料成型模具，包括框架式底座及固定在底座上的成型板；所述成型板離熱壓罐的進(jìn)風(fēng)口遠(yuǎn)處的厚度小于或等于離熱壓罐的進(jìn)風(fēng)口近處的厚度，且所述成型板離熱壓罐的進(jìn)風(fēng)口最近處的厚度大于熱壓罐的進(jìn)風(fēng)口最遠(yuǎn)處的厚度。

申請人經(jīng)過長期的研究發(fā)現(xiàn)，在固化時(shí)復(fù)合材料構(gòu)件的溫度場隨著加熱方向呈現(xiàn)梯度變化的現(xiàn)象中，復(fù)合材料構(gòu)件的外部溫度場的影響起到了主導(dǎo)作用。因此，本發(fā)明對較常使用的復(fù)合材料框架式模具進(jìn)行改進(jìn)，將與復(fù)合材料接觸型板進(jìn)行變厚度處理，而根據(jù)熱阻理論，熱阻與傳導(dǎo)路徑長度成正比，即成型板厚度越厚該區(qū)域的熱阻也就越高，升溫也就越加困難。因此，根據(jù)這一性質(zhì)，本發(fā)明增加高溫區(qū)域的成型板厚度，同時(shí)降低低溫區(qū)域的成型板厚度，使得高溫區(qū)域的熱阻變大而低溫區(qū)域的熱阻變小，從而使模具型板表面的溫度分布更加均勻。

基于以上理論，最優(yōu)的技術(shù)手段應(yīng)該是成型板的厚度沿著加熱方向線性遞減，即成型板整體為梯形，但在實(shí)際成型的試驗(yàn)過程中，雖然整體為梯形的成型板對于提高制件溫度場均勻性有一些效果，但申請人發(fā)現(xiàn)提高均勻性的效果并不太好，尤其是遠(yuǎn)離熱壓罐的進(jìn)風(fēng)口處的制件溫度均勻性很差。究其原因，申請人認(rèn)為：成型板表面的溫度變化取決于其型面與流體的外掠平板對流換熱和底部框格與模具成型板的熱傳導(dǎo)，當(dāng)流體外掠過成型板時(shí)，成型板與流體接觸面會產(chǎn)生邊界層，可參考《流體力學(xué)基礎(chǔ)(第3版)》(作者：王惠民，清華大學(xué)出版社，2013年)。這樣，由于流體的粘性作用損耗了動能，使得邊界層里的速度沿流動方向減小，結(jié)果邊界層的厚度沿流動方向不斷增加。這樣，當(dāng)成型板整體為梯形時(shí)，邊界層在靠近迎風(fēng)端(靠近熱壓罐的進(jìn)風(fēng)口處)厚度變化比較劇烈，邊界層充分發(fā)展后厚度變化較小，從而導(dǎo)致遠(yuǎn)離熱壓罐進(jìn)風(fēng)口處的制件溫度均勻性很差。

正是因?yàn)檫吔鐚釉谶h(yuǎn)離熱壓罐進(jìn)風(fēng)口處的厚度變化較小，本發(fā)明為了進(jìn)一步提高制件的溫度均勻性，保持成型板厚度在遠(yuǎn)離熱壓罐進(jìn)風(fēng)口處一段距離處不變化，具體有以下兩種方式：

1)所述成型板呈兩階階梯狀，其中成型板較厚部分的長度是成型板總長度的25％～50％。優(yōu)選的，所述成型板較厚部分(靠近熱壓罐的進(jìn)風(fēng)口處的一段)的厚度是成型板較薄部分的厚度的1.5～3倍。

2)所述成型板靠近熱壓罐的進(jìn)風(fēng)口處的一段呈梯形(即成型板靠近熱壓罐進(jìn)風(fēng)口部分為梯形)，所述成型板靠近熱壓罐的出風(fēng)口處的一段厚度一致。優(yōu)選的，所述成型板呈梯形部分的長度占成型板總長度的50％～70％。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

圖1是一個(gè)現(xiàn)有成型板在升溫階段結(jié)束時(shí)的溫度分布云圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例一的截面示意圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例二的截面示意圖。

圖5是本發(fā)明實(shí)施例一中對比實(shí)驗(yàn)時(shí)的溫度分布云圖。

圖6是本發(fā)明實(shí)施例二中對比實(shí)驗(yàn)時(shí)的溫度分布云圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例一

本實(shí)施例的熱壓罐用框架式復(fù)合材料成型模具，如圖2所示，包括框架式底座2及固定在底座2上的成型板1；所述成型板1離熱壓罐的進(jìn)風(fēng)口遠(yuǎn)處的厚度小于或等于離熱壓罐的進(jìn)風(fēng)口近處的厚度，且所述成型板1離熱壓罐的進(jìn)風(fēng)口最近處的厚度大于離熱壓罐的進(jìn)風(fēng)口最遠(yuǎn)處的厚度，即成型板1從其迎風(fēng)端(靠近熱壓罐的進(jìn)風(fēng)口處)到背風(fēng)端(靠近熱壓罐的出風(fēng)口處)壁厚從厚變薄。

本實(shí)施例中框架式底座2為“雞蛋箱”形狀，當(dāng)然也可以采用其他框架式結(jié)構(gòu)，只要能夠方便通風(fēng)并滿足支撐成型板的強(qiáng)度要求，均可應(yīng)用到本例中。

如圖3所示，本實(shí)施例中成型板1呈兩階階梯狀，并分別試驗(yàn)了四組階梯型非等厚型板，距離迎風(fēng)端的距離分別為400mm、450mm、500mm和600mm，該區(qū)域的成型板1較厚部分的厚度為20mm，其余位置的厚度減小為10mm。

本實(shí)施例中模具尺寸為1500*1500*400mm，材料為q235碳素結(jié)構(gòu)鋼，熱壓罐內(nèi)流動氣體為空氣，模具和空氣的熱性能如表1所示。熱壓罐的直徑為2500mm，長度為7000mm。

表1材料的熱性能參數(shù)

四組階梯型非等厚成型板的型面溫度云圖如圖5所示，400mm和600mm兩組在厚度過渡區(qū)域出現(xiàn)了較大的溫度起伏，而450mm和500mm這兩組的過度區(qū)域的起伏較小，其原因可能與邊界層厚度的變化有關(guān)。申請人在進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)后，確定成型板較厚部分的長度占成型板總長度的30％～35％時(shí)效果最好。

另外，通過實(shí)驗(yàn)表明，成型板1較厚部分的厚度是成型板1較薄部分的厚度的1.5～3倍時(shí)，過渡區(qū)域溫度起伏也較小。

實(shí)施例二

本實(shí)施中模具、熱壓罐的參數(shù)均與實(shí)施例一中相同，本實(shí)施例與實(shí)施例一的不同之處在于：如圖4所示，為了減小階梯型成型板1厚度的突然變化對過渡區(qū)域溫度的影響而采用了梯形非等厚型板，即本實(shí)施例中成型板1靠近熱壓罐的進(jìn)風(fēng)口處的一段呈梯形(即部分為梯形)，所述成型板1靠近熱壓罐的出風(fēng)口處的一段厚度一致，均與梯形板最薄處的厚度相同。

本實(shí)施例中在梯形非等厚成型板低溫區(qū)域的厚度改為10mm，高溫區(qū)域厚度從20mm沿直線遞減(線性遞減)到10mm。本實(shí)施例對六組梯形非等厚型板，距離迎風(fēng)端的距離分別為600mm、700mm、800mm、900mm、1000mm和1100mm。六組梯形非等厚成型板升溫階段結(jié)束時(shí)，成型板表面溫度分布如圖6所示。從圖6可以看出，相比于階梯型成型板，梯形成型板高溫區(qū)域的厚度更小，對導(dǎo)熱阻礙能力變小，使溫度不易均勻，因此增大梯形段的長度使得高溫區(qū)域厚度接近迎風(fēng)端厚度，但是如果距離過大，會導(dǎo)致低溫區(qū)域的厚度增大，會導(dǎo)致低溫區(qū)域溫度更低。

優(yōu)選的，所述成型板呈梯形部分的長度占成型板總長度的50％～70％，這樣既可保證高溫區(qū)域的熱阻不會因?yàn)樘菪魏穸鹊脑蜃冃。部梢员ＷC低溫區(qū)域不會因?yàn)樘菪魏穸鹊脑蜃兇?，很好的?quán)衡了兩邊的厚度分布。

本發(fā)明不局限于上述實(shí)施例所述的具體技術(shù)方案，除上述實(shí)施例外，本發(fā)明還可以有其他實(shí)施方式。凡采用等同替換形成的技術(shù)方案，均為本發(fā)明要求的保護(hù)范圍。