CN108715040A - 一种基于vimp的j型带筋壁板成型模具及成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于VIMP的J型带筋壁板成型模具及成型方法，涉及复合材料液体模塑成型技术领域；该成型模具及成型方法基于真空导入模塑VIMP工艺中纤维的铺放、脱模、定位及密封，工艺要求及制件脱模成型工艺方便。成型模具由盖板、上芯模、下芯模和底板组成，采用分体式模块化组合模具进行复合材料干态纤维预成型体的注胶、浸润和固化成型，使制造所需的成型模具结构简单。采用线注口、线冒口、点冒口相结合的充模方式，使壁板和筋条的注胶流动前沿一致，实现整体结构的完全浸润，浸润效果良好。采用分体式模块化组合成型模具使得脱模工艺便捷。J型带筋壁板成型模具及成型方法提高了产品质量和制件的成型效率，降低了成本。

Description

一种基于VIMP的J型带筋壁板成型模具及成型方法

技术领域

本发明涉及复合材料液体模塑成型技术领域，具体地说，涉及一种基于真空导入模塑工艺的J型带筋壁板复合材料结构件的分块成型模具及成型方法。

背景技术

树脂基复合材料由于其轻质、高强度、高刚度、高精度、抗腐蚀、耐疲劳以及低膨胀系数的特性在航空航天领域的应用愈加广泛，如何实现机舱罩、翼盒类大尺寸制件的低成本生产已成为亟待解决的难题。真空导入模塑工艺(Vacuum Infusion Molding Process,简称VIMP)是在树脂传递模塑工艺(Resin Transfer molding,简称RTM)基础上兴起的一种先进的液体模塑成型技术(Liquid Composite Molding,简称LCM)，其有别于传统RTM的双面刚性模具的密封设计，是在单面刚性模具上以柔性真空袋包覆并密封纤维增强材料，在真空负压状态下排除纤维增强体中的气体，利用树脂的流动、渗透来实现对纤维及其织物的浸渍，最后在室温或加热条件下进行固化，形成有一定纤维、树脂比例的复合材料成型的工艺方法。VIMP由于采用真空袋膜封装纤维增强材料，其制件的尺寸和形状不再受限、成本大为下降，而且增强材料预成型体在真空负压下受压均匀紧密，孔隙率低，纤维质量分数可达60％左右，力学性能优异。

J型带筋壁板作为典型承力结构件，在飞机的翼面、机身部位得到了广泛应用；如可采用J型加强筋条来提高大型壁板结构的强度和刚度，增加载荷作用下壁板的稳定性，具有重要的工程实际应用价值。

发明专利CN106903905A“一种适用于VARI的C型带筋壁板复合材料的成型模具及方法”提出一种C型带筋壁板的整体成型模具及方法，但由于树脂基材料粘结性能优异，再加上成形后C型带筋壁板制件侧壁与模具的贴合面积大，成型过程中的压力使得工件紧紧贴在模具表面，模具很难与工件相分离，造成整体刚性模具脱模非常困难，不合理的脱模方式很容易对工件造成损伤，影响产品质量。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，克服带筋壁板复杂结构件的成型以及传统整体成型模具脱模难的问题，本发明提出一种基于VIMP的J型带筋壁板成型模具及成型方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种基于VIMP的J型带筋壁板成型模具，其特征在于包括盖板、上芯模、下芯模、底板，所述盖板横截面为Z字型变截面体结构，盖板通过自重和铺放真空袋后抽取真空产生的负压作用使盖板、上芯模、下芯模和底板6紧密贴合；

所述上芯模与下芯模横截面为长方形变截面体结构，上芯模、下芯模一端部有前销孔和前螺孔，下芯模另一端部有后销孔和后螺孔，上芯模、下芯模与底板通过定位销、销孔配合定位，通过螺栓紧固；

所述底板为长方体结构，底板上中间部位开有凹槽，用来铺放蒙皮，底板上表面设有前后销孔和前后螺孔，且该前后销孔和前后螺孔分别与上芯模、下芯模的前后销孔和前后螺孔相对应并处于同一轴线上。

一种采用所述基于VIMP的J型带筋壁板成型模具进行成型的方法，其特征在于包括以下步骤:

步骤1.使用丙酮清洗模具表面并晾干，在模具表面涂覆脱模剂；根据J型带筋壁板的展开尺寸进行纤维裁剪，得到J型带筋壁板和蒙皮的干态纤维料；

步骤2.按铺层顺序，将n层纤维织物铺设在底板上完成蒙皮铺设，并分别在上芯模、下芯模的成型面上包覆n层纤维完成C型铺层，将上芯模、下芯模及C型铺层紧密接合并置于底板上进行R角填充区的纤维束充填，充填时将N根纤维束编织成绳均匀填充R角填充区；在Z型盖板的内表面包覆n层纤维形成Z型铺层，并将盖板与上芯模、下芯模组合安装，形成J型带筋壁板预成型体，纤维织物层数按以下计算公式:

式中，a为制件设计厚度，ρ_r为成型时所需灌注树脂的密度，ρ_f为纤维的密度，W_f为纤维的单位面积质量，V_f为纤维体积分数，V_r为成型时需要灌注树脂的体积分数；

当计算出的纤维层数不为整数时，取大于该数的最小整数，R区填充纤维束数量按以下计算公式:

式中，S为R区的截面积，ρ为复合材料纤维体积分数，r为单根纤维束的半径，R为圆弧半径；

步骤3.将J型带筋壁板预成型体与盖板、上芯模、下芯模、蒙皮、底板配合安装，将圆柱销插入盖板、上芯模、下芯模和底板的销孔进行定位，并通过螺栓紧固；围绕J型带筋壁板预成型体蒙皮外表面依次铺覆脱模布、导流网；采用线注口、线冒口、点冒口相结合的充模方式使壁板和筋条的注胶流动；

步骤4.使用真空袋包覆模具，点冒口处的树脂管在真空袋上钻孔穿出并密封，并对模具进行密封，在线注口和线冒口处分别连接树脂管；使用真空泵对真空袋进行抽真空处理并检查气密性；

步骤5.充模，将5015环氧树脂在常温下解冻30分钟后放置在脱泡器内脱泡20分钟，直至到树脂表面没有气泡溢出；将线注口处的树脂管放入盛有树脂的器皿中，避免出现气泡，打开线注口处的树脂管，待所有冒口均有树脂溢出后夹紧注口，充模结束；

步骤6.在室温下固化22～24小时，将其放入80℃烘箱中烘干固化6小时后，取出J型带筋壁板。

有益效果

本发明提出的一种基于VIMP的J型带筋壁板成型模具及成型方法，涉及复合材料液体模塑成型技术领域；该成型模具及成型方法基于真空导入模塑VIMP工艺中纤维的铺放、脱模、定位及密封，工艺要求及制件脱模成型工艺方便。成型模具由盖板、上芯模、下芯模和底板组成，采用分体式模块组合模具进行复合材料干态纤维预成型体的注胶、浸润和固化成型，使制造所需的成型模具结构简单。采用线注口、线冒口、点冒口相结合的充模方式，使壁板和筋条的注胶流动前沿一致，实现整体结构的完全浸润，浸润效果良好。采用分体式模块组合成型模具使得脱模工艺便捷。从整体上解决了J型带筋壁板复杂结构的制造脱模难题，提高了产品质量和制件的成型效率，降低了成本。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种基于VIMP的J型带筋壁板成型模具及成型方法作进一步详细说明。

图1为J型带筋壁板横截面示意图。

图2为J型带筋壁板纵截面示意图。

图3为整体结构示意图。

图4为R角填充区域示意图。

图5为J型带筋壁板预成型体铺层示意图。

图中:

1.盖板 2.J型带筋壁板 3.上芯模 4.下芯模 5.蒙皮 6.底板 7.后销孔 8.后螺孔 9.线注口 10.线冒口 11.前螺孔 12.前销孔 13.点冒口 14.水平铺层 15.C型铺层16.R角填充区 17.Z型铺层

具体实施方式

本实施例是一种基于VIMP的J型带筋壁板成型模具及成型方法。

参阅图1～图5，本实施例基于VIMP的J型带筋壁板成型模具，由盖板1、上芯模3、下芯模4、底板6组成；其中，盖板1横截面为Z字型变截面体结构，通过盖板自重作用和铺放真空袋后抽真空产生的负压作用使得盖板1、上芯模3、下芯模4和底板6紧密贴合。上芯模3和下芯模4横截面为长方形变截面体结构，上芯模3、下芯模4一端部加工有直径φ12前销孔12和直径φ10前螺孔11。下芯模4另一端部加工有φ12后销孔7和直径φ10后螺孔8。下芯模4另一端部开有后销孔7和后螺孔8。上芯模3、下芯模4与底板6通过定位销实现定位，并通过螺栓进行紧固。板6为长方体结构，底板6上的中间部位开有凹槽，用来铺放蒙皮5。底板6上表面加工有后销孔7、前销孔12和后螺孔8、前螺孔11，并且该后销孔7、前销孔12和后螺孔8、前螺孔11分别与上芯模3、下芯模4的后销孔7、前销孔12和后螺孔8、前螺孔11相对应并处于同一轴线上。J型带筋壁板2的位置精度由后销孔7、前销孔12来确定，后螺孔8、前螺孔11起到紧固作用，垂直度以及圆角由上芯模3、下芯模4来保证，在实际成型时用密封胶将真空袋与模具粘合在一起进行密封。本实施例中，注冒口采用线注口9、点冒口13、线冒口10相结合方式，在蒙皮5边缘的前端和后端分别布置螺旋管作为线注口9和线冒口10，并在J型筋条顶端设置点冒口，其中，点冒口10在Z型盖板1上开出的圆柱孔。

基于VIMP的J型带筋壁板成型模具，本实施例还提出一种进行J型带筋壁板复合材料的成型方法，其特征在于包括以下步骤:

第1步、使用丙酮清洗模具表面并晾干，并在模具表面涂覆脱模剂；根据J型带筋壁板2的展开尺寸进行纤维裁剪，得到J型带筋壁板2和蒙皮5的干态纤维料。

第2步、按铺层顺序，将n层纤维织物铺设在底板6上，完成蒙皮5铺放，分别在上芯模3、下芯模4三个成型面上包覆n层纤维完成C型铺层15，将上芯模3、下芯模4及C型铺层15紧密接合，并置于底板6上进行R角填充区16的纤维束充填，充填时将N根纤维束编织成绳，尽可能均匀填充R角填充区。在Z型盖板1的三个内表面包覆n层纤维形成Z型铺层17，将Z型盖板1与上芯模3、下芯模4进行组装形成J型带筋壁板预成型体；纤维织物层数按以下计算公式:

式中，a为制件设计厚度，ρ_r为成型时需要灌注树脂的密度，ρ_f为纤维的密度，W_f为纤维的单位面积质量，V_f为纤维体积分数，V_r为成型时需要灌注树脂的体积分数；

当计算出的纤维层数不为整数时，取大于此数的最小整数；R区填充纤维束数量按以下计算公式:

式中，S为R区的截面积，ρ为复合材料纤维体积分数，r为单根纤维束的半径，R为圆弧半径。

第3步、将J型带筋壁板预成型体与盖板1、上芯模3、下芯模4、蒙皮5、底板6配合安装，并将圆柱销插入盖板1和上芯模3、下芯模4、底板6的后销孔7、前销孔12中进行定位，通过螺栓与盖板1、上芯模3、下芯模4和底板6的后螺孔8、前螺孔11配合紧固。围绕J型带筋壁板预成型体蒙皮5外表面依次铺上脱模布、导流网，脱模布使脱模过程变得更为容易，导流网加快树脂的流动和对预成型体的浸润，提高充模效率。

第4步、采用真空袋包覆模具，点冒口13处的树脂管在真空袋上钻孔穿出并用密封胶密封，用密封胶条对模具四周进行密封，在线注口9和线冒口10处分别接上树脂管；使用真空泵对真空袋内进行0.09～0.095MPa抽真空处理并检查气密性。

第5步、将5015环氧树脂在常温下解冻30分钟后放入脱泡器内脱泡20分钟以上，直至到树脂表面没有气泡溢出。将线注口9处的树脂管缓慢放入盛有树脂的烧杯中，避免出现气泡，打开线注口9处的树脂管，待所有冒口均有树脂溢出后夹紧注口，充模结束。

第6步、在室温下固化22～24小时，并将其放入80℃烘箱中烘干固化6小时；固化完成后，待工装温度降至室温将模具移出烘箱，拆卸上层真空袋和脱模布，取出圆柱销和螺栓、定位销，取下Z型盖板1；依次将上芯模3、下芯模4取出，取出J型带筋壁板。

Claims (2)

1.一种基于VIMP的J型带筋壁板成型模具，其特征在于:包括盖板、上芯模、下芯模、底板，所述盖板横截面为Z字型变截面体结构，盖板通过自重和铺放真空袋后抽取真空产生的负压作用使盖板、上芯模、下芯模和底板6紧密贴合；

所述上芯模与下芯模横截面为长方形变截面体结构，上芯模、下芯模一端部有前销孔和前螺孔，下芯模另一端部有后销孔和后螺孔，上芯模、下芯模与底板通过定位销、销孔配合定位，通过螺栓紧固；

所述底板为长方体结构，底板上中间部位开有凹槽，用来铺放蒙皮，底板上表面设有前后销孔和前后螺孔，且该前后销孔和前后螺孔分别与上芯模、下芯模的前后销孔和前后螺孔相对应并处于同一轴线上。

2.一种采用所述基于VIMP的J型带筋壁板成型模具进行成型的方法，其特征在于包括以下步骤:

步骤1.使用丙酮清洗模具表面并晾干，在模具表面涂覆脱模剂；根据J型带筋壁板的展开尺寸进行纤维裁剪，得到J型带筋壁板和蒙皮的干态纤维料；

步骤2.按铺层顺序，将n层纤维织物铺设在底板上完成蒙皮铺设，并分别在上芯模、下芯模的成型面上包覆n层纤维完成C型铺层，将上芯模、下芯模及C型铺层紧密接合并置于底板上进行R角填充区的纤维束充填，充填时将N根纤维束编织成绳均匀填充R角填充区；在Z型盖板的内表面包覆n层纤维形成Z型铺层，并将盖板与上芯模、下芯模组合安装，形成J型带筋壁板预成型体，纤维织物层数按以下计算公式:

式中，a为制件设计厚度，ρ_r为成型时所需灌注树脂的密度，ρ_f为纤维的密度，W_f为纤维的单位面积质量，V_f为纤维体积分数，V_r为成型时需要灌注树脂的体积分数；

当计算出的纤维层数不为整数时，取大于该数的最小整数，R区填充纤维束数量按以下计算公式:

式中，S为R区的截面积，ρ为复合材料纤维体积分数，r为单根纤维束的半径，R为圆弧半径；

步骤3.将J型带筋壁板预成型体与盖板、上芯模、下芯模、蒙皮、底板配合安装，将圆柱销插入盖板、上芯模、下芯模和底板的销孔进行定位，并通过螺栓紧固；围绕J型带筋壁板预成型体蒙皮外表面依次铺覆脱模布、导流网；采用线注口、线冒口、点冒口相结合的充模方式使壁板和筋条的注胶流动；

步骤4.使用真空袋包覆模具，点冒口处的树脂管在真空袋上钻孔穿出并密封，并对模具进行密封，在线注口和线冒口处分别连接树脂管；使用真空泵对真空袋进行抽真空处理并检查气密性；

步骤5.充模，将5015环氧树脂在常温下解冻30分钟后放置在脱泡器内脱泡20分钟，直至到树脂表面没有气泡溢出；将线注口处的树脂管放入盛有树脂的器皿中，避免出现气泡，打开线注口处的树脂管，待所有冒口均有树脂溢出后夹紧注口，充模结束；

步骤6.在室温下固化22～24小时，将其放入80℃烘箱中烘干固化6小时后，取出J型带筋壁板。