采用多向復合材料接頭rtm模具成型復合材料接頭的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及采用多向復合材料接頭RTM模具成型復合材料接頭的方法，本發(fā)明在設計有預制孔芯模的RTM成型模具內(nèi)裝入多向接頭纖維預制體并完成模具的裝配和密封性檢測，抽真空的同時加壓注入預熱的樹脂，樹脂充模完成后將注膠口和出膠口密封，將模具整體放入烘箱中加熱，隨著溫度的升高，模具內(nèi)的樹脂充分浸潤纖維預制體，并在高溫作用下發(fā)生化學反應，完成固化成型，本發(fā)明解決了碳纖維增強樹脂基復合材料多向接頭及其埋件安裝孔位精確成型問題，通過模具結(jié)構(gòu)設計直接成型多向接頭預制孔，無需進行二次機加，保證開孔處纖維連續(xù)，避免產(chǎn)生加工缺陷，從而保證產(chǎn)品的力學性能。
【專利說明】采用多向復合材料接頭RTM模具成型復合材料接頭的方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及采用多向復合材料接頭RTM模具成型復合材料接頭的方法，屬于碳纖維增強樹脂基復合材料結(jié)構(gòu)成型【技術領域】，應用于航天器復合材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的研制。

【背景技術】
[0002]樹脂傳遞模塑技術(Resin Transfer Molding, RTM)是典型的非熱壓罐低成本材料制備技術，其主要優(yōu)點是能夠制造高精度的復雜構(gòu)型零件，并保持較高的結(jié)構(gòu)設計效率，如多向接頭、各類支架等。
[0003]RTM成型工藝是在壓力注入或外加真空輔助條件下，液態(tài)、具有反應活性的低黏度樹脂在閉合模具里流動并排除氣體，同時浸潤并浸潰干態(tài)纖維結(jié)構(gòu)。在完成浸潤浸潰后，樹脂在模具內(nèi)通過加熱引發(fā)交聯(lián)反應完成固化，得到成型的制品。RTM成型過程可以分解為包含流動、浸潤、滲透、充模等物理過程和液態(tài)樹脂轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w材料的化學反應過程。
[0004]RTM成型工藝的突出優(yōu)點是可以把復雜的部件作為一個零件來生產(chǎn)，同時實現(xiàn)減重并降低裝配成本。但目前復雜多向接頭上的高精度埋件安裝孔的加工，均是在完成RTM成型后采用二次機加的方式實現(xiàn)，這種方法存在以下不足:(I) 二次機加孔位導致纖維斷裂，影響接頭強度。(2)由于埋件安裝孔多位于多向接頭相貫線處，無法采取有效工藝措施避免刀具出口位置的加工缺陷，導致孔的加工質(zhì)量下降。(3) 二次機加環(huán)節(jié)，增大了多向接頭產(chǎn)生質(zhì)量問題的風險控制難度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的上述不足，提供一種采用多向復合材料接頭RTM模具成型復合材料接頭的方法，解決了碳纖維增強樹脂基復合材料多向接頭及其埋件安裝孔位精確成型問題，通過模具結(jié)構(gòu)設計直接成型多向接頭預制孔，無需進行二次機加，保證開孔處纖維連續(xù)，避免產(chǎn)生加工缺陷，從而保證產(chǎn)品的力學性能。
[0006]本發(fā)明的上述目的主要是通過如下技術方案予以實現(xiàn)的:
[0007]采用多向復合材料接頭RTM模具成型復合材料接頭的方法，多向復合材料接頭RTM模具包括底座、三個預制孔芯模、三個瓣模、四個芯模和四個端蓋，其中一個端蓋上開有注膠口，另外三個端蓋上均開有出膠口，具體實現(xiàn)過程如下:
[0008]步驟(一)、裝配多向復合材料接頭RTM模具并檢測密封性，具體步驟如下:
[0009]將三個預制孔芯模通過開設在底座上的定位孔與底座連接，然后將三個瓣模安裝在底座上，同時三個瓣模之間也進行連接，四個芯模分別通過各自一端的定位圓柱段與四個端蓋的定位段連接，同時端蓋實現(xiàn)與底座及各個瓣模之間的連接，之后對裝配完成的RTM模具進行密封性檢測，若密封性滿足要求，進入步驟(二)；
[0010]步驟(二)、采用多向復合材料接頭RTM模具成型復合材料，具體步驟如下:
[0011](I)、將四個芯模分別裝入編制好的多向接頭纖維預制體中，并在多向接頭纖維預制體上預制孔位置撥開所述芯模的安裝空間；
[0012](2)、將裝好芯模的多向接頭纖維預制體裝入三個瓣模中，并在底座的定位孔處安裝三個預制孔芯模；
[0013](3)、將裝入多向接頭纖維預制體的三個瓣模安裝在底座上，同時三個瓣模之間進行連接，將多向接頭纖維預制體各向多余部分纖維去除，并將四個芯模分別通過各自一端的定位圓柱段與四個端蓋的定位段連接，同時端蓋實現(xiàn)與底座及各個瓣模之間的連接；
[0014](4)、將多向復合材料接頭RTM模具放入烘箱內(nèi)預熱至60?80°C，并保溫2?3小時，將樹脂加熱到60?80°C后，從多向復合材料接頭RTM模具端蓋上的注膠口注入到多向復合材料接頭RTM模具內(nèi)，當樹脂從端蓋的出膠口連續(xù)流出時停止注膠，并將注膠口與出膠口密封；
[0015](5)、將多向接頭RTM成型模具放入烘箱中，在高溫環(huán)境中保溫一定時間，最后拆除多向復合材料接頭RTM模具，完成復合材料接頭的固化成型。
[0016]在上述采用多向復合材料接頭RTM模具成型復合材料接頭的方法中，三個預制孔芯模為圓柱形的實心結(jié)構(gòu)，其中一個預制孔芯模通過定位孔安裝在底座底部，另外兩個預制孔芯模通過定位孔安裝在底座的側(cè)壁上。
[0017]在上述采用多向復合材料接頭RTM模具成型復合材料接頭的方法中，三個瓣模通過銷釘定位、螺釘連接安裝在底座上，三個瓣模之間通過銷釘定位、螺釘連接；端蓋通過銷釘定位、螺釘連接實現(xiàn)與底座及各個瓣膜之間的連接。
[0018]在上述采用多向復合材料接頭RTM模具成型復合材料接頭的方法中，三個瓣模和端蓋安裝前均需要在密封槽內(nèi)安裝密封條。
[0019]在上述采用多向復合材料接頭RTM模具成型復合材料接頭的方法中，步驟(二)的(5)中多向接頭RTM成型模具放入烘箱中，在80?85°C中保溫I?1.5h，然后在150?160°C保溫2?3h。
[0020]在上述采用多向復合材料接頭RTM模具成型復合材料接頭的方法中，步驟(一)中密封性檢測的方法為:將一個端蓋上的注膠口 13連接真空泵，并封閉出膠口 14，真空壓力表讀數(shù)穩(wěn)定即滿足密封性要求。
[0021]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有如下有益效果:
[0022](I)、本發(fā)明通過模具結(jié)構(gòu)設計直接成型多向接頭預制孔，即通過在RTM模具上設計預制孔芯模，實現(xiàn)復合材料多向接頭埋件安裝孔的直接成型，無需進行二次機加，保證開孔處纖維連續(xù)，避免產(chǎn)生加工缺陷，從而保證產(chǎn)品的力學性能；
[0023](2)、本發(fā)明多向復合材料接頭在成型之前要先編織預制體，可以通過調(diào)節(jié)，使纖維預制體局部纖維束疏松，形成預制孔芯模的安裝空間，從而避免纖維束斷裂，保持纖維束的連續(xù)性，確保多向復合材料接頭在埋件安裝孔部位不出現(xiàn)強度損失；
[0024](3)、本發(fā)明考慮到樹脂固化過程中需要升溫，計算芯模的熱膨脹量，可以準確設計芯模裝配間隙和尺寸公差，保障埋件安裝孔的成型精度，避免二次機加；
[0025](4)、本發(fā)明通過對多向復合材料接頭RTM模具進行創(chuàng)新設計，結(jié)合優(yōu)化的成型過程，解決了碳纖維增強樹脂基復合材料多向接頭及其埋件安裝孔位精確成型問題，同時解決了預制孔芯模公差設計與定位設計，使用該方法生產(chǎn)的產(chǎn)品無損探傷符合GJB2895-A級要求，外形尺寸公差與孔位精度滿足要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明載體碳纖維增強樹脂基多向復合材料接頭的結(jié)構(gòu)圖，其中圖a、b、c分別為三個不同角度的圖示；
[0027]圖2為本發(fā)明多向復合材料接頭RTM模具的三維爆炸圖；
[0028]圖3為本發(fā)明多向復合材料接頭RTM模具三維結(jié)構(gòu)圖；
[0029]圖4為本發(fā)明多向復合材料接頭RTM模具中底座及預制孔芯模結(jié)構(gòu)圖；
[0030]圖5為本發(fā)明采用多向復合材料接頭RTM模具成型復合材料接頭原理示意圖。
[0031]第一瓣模1、底座2、預制孔芯模3、第一芯模4、第二芯模5、第三芯模6第二瓣模
7、第四芯模8、定位銷9、端蓋10、第三瓣模11、螺釘12、注膠口 13、出膠口 14、烘箱加熱系統(tǒng)15、RTM模具16、纖維預制體17。

【具體實施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細的描述:
[0033]本發(fā)明采用帶預制孔芯模的RTM成型模具制備碳纖維增強樹脂基復合材料多向接頭。在設計有預制孔芯模的RTM成型模具內(nèi)裝入多向接頭纖維預制體并完成模具的裝配和密封性檢測，抽真空的同時加壓注入預熱的樹脂，樹脂充模完成后將注膠口和出膠口密封，將模具整體放入烘箱中加熱。隨著溫度的升高，模具內(nèi)的樹脂充分浸潤纖維預制體，并在高溫作用下發(fā)生化學反應，完成固化成型。如圖1所示為本發(fā)明載體碳纖維增強樹脂基多向復合材料接頭的結(jié)構(gòu)圖，其中圖a、b、c分別為三個不同角度的圖示。
[0034]本發(fā)明采用多向復合材料接頭RTM模具成型復合材料接頭的方法具體包括如下步驟:
[0035]步驟(一)、設計多向復合材料接頭RTM模具，如圖2所示為本發(fā)明多向復合材料接頭RTM模具的三維爆炸圖；圖3所示為本發(fā)明多向復合材料接頭RTM模具三維結(jié)構(gòu)圖。該模具包括底座2、三個預制孔芯模3，三個瓣模1、7、11，四個芯模4、5、6、8，四個端蓋10，定位銷9，螺釘12，其中一個端蓋10上開有注膠口，另外三個端蓋10上均開有出膠口。
[0036]步驟(二)、RTM模具試裝配與密封性測試
[0037]如圖4所示為本發(fā)明多向復合材料接頭RTM模具中底座及預制孔芯模結(jié)構(gòu)圖；將三個預制孔芯模3通過開設在底座2上的定位孔與底座2連接，預制孔芯模3為圓柱形的實心結(jié)構(gòu)，其中一個預制孔芯模通過定位孔安裝在底座2底部，另外兩個預制孔芯模通過定位孔安裝在底座2的側(cè)壁上。然后將三個瓣模(第一瓣膜1、第二瓣膜7、第三瓣膜11)通過銷釘9定位、螺釘連接安裝在底座2上，同時三個瓣模之間也通過銷釘9定位、螺釘連接。四個芯模(第一芯模4、第二芯模5、第三芯模6、第四芯模8)分別通過各自一端的定位圓柱段與四個端蓋10的定位段連接，同時端蓋10通過銷釘定位、螺釘連接實現(xiàn)與底座2及各個瓣膜之間的連接。三個瓣膜安裝前需要將密封條放入密封槽內(nèi)，同樣在端蓋10安裝前要在密封槽內(nèi)安裝密封條。組裝完成后的成型模具如圖3所示。
[0038]本發(fā)明根據(jù)多向接頭的結(jié)構(gòu)特點設計RTM成型模具，為了保證多向接頭成型精度及脫模方便，成型模具采用分瓣結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示，以模具底座2為裝配基準，其余三瓣模具通過銷釘實現(xiàn)與底座定位并通過螺釘緊固。
[0039]為了實現(xiàn)多向接頭的成型，需要設計芯模，考慮到芯模裝配精度，芯模之間采用鍵聯(lián)接，同時各芯模通過軸端圓柱段與端蓋的過渡配合實現(xiàn)定位；為確保RTM模具的密封性，各瓣模具之間以及與端蓋之間用密封圈實現(xiàn)封閉；在模具底座上加工預制孔芯模定位孔，實現(xiàn)接頭埋件連接孔的直接成型，如圖2所示。
[0040]模具加工完成后首先要檢測其密封性，將一個端蓋上的注膠口 13連接真空泵，并封閉出膠口 14，真空壓力表讀數(shù)穩(wěn)定即認為滿足密封性要求。
[0041]步驟(三)、采用多向復合材料接頭RTM模具成型復合材料，具體步驟如下:
[0042](I)、將四個芯模4、5、6、8分別裝入編制好的多向接頭纖維預制體中，保證各芯模端部的鍵聯(lián)接到位，并在多向接頭纖維預制體上預制孔位置撥開芯模的安裝空間。
[0043](2)、將裝好芯模的多向接頭纖維預制體裝入三個瓣模1、7、11中，并在底座2的定位孔處安裝三個預制孔芯模3。
[0044](3)、將裝入多向接頭纖維預制體的三個瓣模1、7、11通過銷釘9定位、螺釘連接安裝在底座2上，同時三個瓣模1、7、11之間通過銷釘9定位、螺釘連接，將多向接頭纖維預制體各向多余部分纖維去除，并將四個芯模4、5、6、8分別通過各自一端的定位圓柱段與四個端蓋10的定位段連接，同時端蓋10通過銷釘定位、螺釘連接實現(xiàn)與底座2及各個瓣模之間的連接，成型模具安裝完成后如圖5所示，圖5為本發(fā)明采用多向復合材料接頭RTM模具成型復合材料接頭原理示意圖。
[0045](4)、將多向復合材料接頭RTM模具放入烘箱內(nèi)預熱60?80 V并保溫2?3小時，保溫完成后在高溫狀態(tài)下將模具取出。將注射機的注膠管路與成型模具16的注膠口 13連接；
[0046](5)、將樹脂加熱到溫度60?80°C時，將樹脂從多向復合材料接頭RTM模具端蓋10上的注膠口注入到多向復合材料接頭RTM模具內(nèi)，注膠過程中注意觀察出膠口 14的樹脂流動狀態(tài)，當樹脂從端蓋10的出膠口連續(xù)流出時停止注膠，脫開與注膠管道連接，并快速用密封螺釘將注膠口 13與出膠口 14均全部密封。
[0047](6)、將多向接頭RTM成型模具放入烘箱中，在80?85°C中保溫I?1.5h，然后在150?160°C保溫2?3h。最后拆除多向復合材料接頭RTM模具，完成復合材料接頭的固化成型。
[0048]實施例1
[0049]四向復合材料接頭RTM成型模具外形尺寸為230X180X170，成型的接頭外徑38mm,內(nèi)徑30mm，埋件安裝孔直徑Φ8，復合材料為高模量纖維/環(huán)氧樹脂。預制孔芯模為圓柱形實心結(jié)構(gòu)，其外形尺寸(直徑)公差為(0，+0.1)，模具上預制孔芯模定位孔(直徑)公差(-0.1，O)，定位段長度為10mm。采用該模具成型后的四向復合材料接頭無損探傷符合GJB2895-A級要求，外形尺寸公差滿足要求(+0.15?+0.25)，預制孔孔徑精度實測值Φ8.12_，滿足公差要求(+0.1?+0.2)。
[0050]以上所述，僅為本發(fā)明最佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
[0051]本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領域?qū)I(yè)技術人員的公知技術。
【權(quán)利要求】
1.采用多向復合材料接頭RTM模具成型復合材料接頭的方法，其特征在于:所述多向復合材料接頭RTM模具包括底座(2)、三個預制孔芯模(3)、三個瓣模(1、7、11)、四個芯模(4、5、6、8)和四個端蓋(10)，其中一個端蓋(10)上開有注膠口，另外三個端蓋(10)上均開有出膠口，具體實現(xiàn)過程如下: 步驟(一)、裝配多向復合材料接頭RTM模具并檢測密封性，具體步驟如下: 將三個預制孔芯模(3)通過開設在底座(2)上的定位孔與底座(2)連接，然后將三個瓣模(1、7、11)安裝在底座⑵上，同時三個瓣模(1、7、11)之間也進行連接，四個芯模(4、5、6、8)分別通過各自一端的定位圓柱段與四個端蓋(10)的定位段連接，同時端蓋(10)實現(xiàn)與底座(2)及各個瓣模之間的連接，之后對裝配完成的RTM模具進行密封性檢測，若密封性滿足要求，進入步驟(二)； 步驟(二)、采用多向復合材料接頭RTM模具成型復合材料，具體步驟如下: (1)、將四個芯模(4、5、6、8)分別裝入編制好的多向接頭纖維預制體中，并在多向接頭纖維預制體上預制孔位置撥開所述芯模的安裝空間； (2)、將裝好芯模的多向接頭纖維預制體裝入三個瓣模(1、7、11)中，并在底座(2)的定位孔處安裝三個預制孔芯模(3)； (3)、將裝入多向接頭纖維預制體的三個瓣模(1、7、11)安裝在底座(2)上，同時三個瓣模(1、7、11)之間進行連接，將多向接頭纖維預制體各向多余部分纖維去除，并將四個芯模(4、5、6、8)分別通過各自一端的定位圓柱段與四個端蓋(10)的定位段連接，同時端蓋(10)實現(xiàn)與底座(2)及各個瓣模之間的連接； (4)、將多向復合材料接頭RTM模具放入烘箱內(nèi)預熱至60?80°C，并保溫2?3小時，將樹脂加熱到60?80°C后，從多向復合材料接頭RTM模具端蓋(10)上的注膠口注入到多向復合材料接頭RTM模具內(nèi)，當樹脂從端蓋(10)的出膠口連續(xù)流出時停止注膠，并將注膠口與出膠口密封； (5)、將多向接頭RTM成型模具放入烘箱中，在高溫環(huán)境中保溫一定時間，最后拆除多向復合材料接頭RTM模具，完成復合材料接頭的固化成型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用多向復合材料接頭RTM模具成型復合材料接頭的方法，其特征在于:所述三個預制孔芯模(3)為圓柱形的實心結(jié)構(gòu)，其中一個預制孔芯模通過定位孔安裝在底座(2)底部，另外兩個預制孔芯模通過定位孔安裝在底座(2)的側(cè)壁上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用多向復合材料接頭RTM模具成型復合材料接頭的方法，其特征在于:所述三個瓣模(1、7、11)通過銷釘(9)定位、螺釘連接安裝在底座(2)上，三個瓣模(1、7、11)之間通過銷釘(9)定位、螺釘連接；端蓋(10)通過銷釘定位、螺釘連接實現(xiàn)與底座(2)及各個瓣膜之間的連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用多向復合材料接頭RTM模具成型復合材料接頭的方法，其特征在于:所述三個瓣模(1、7、11)和端蓋(10)安裝前均需要在密封槽內(nèi)安裝密封條。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用多向復合材料接頭RTM模具成型復合材料接頭的方法，其特征在于:所述步驟(二)的(5)中多向接頭RTM成型模具放入烘箱中，在80?85°C中保溫I?1.5h，然后在150?160°C保溫2?3h。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用多向復合材料接頭RTM模具成型復合材料接頭的方法，其特征在于:所述步驟(一)中密封性檢測的方法為:將一個端蓋上的注膠口 13連接真空泵，并封閉出膠口 14，真空壓力表讀數(shù)穩(wěn)定即滿足密封性要求。
【文檔編號】B29C70/48GK104260373SQ201410390107
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年8月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月8日
【發(fā)明者】劉佳, 張鵬飛, 馬立 申請人:北京衛(wèi)星制造廠