一种复合材料壳体用水溶性轻量化砂芯模成型方法与流程

本发明属于复合材料壳体砂芯模制作，具体涉及一种复合材料壳体用水溶性轻量化砂芯模成型方法。

背景技术：

1、纤维缠绕复合材料壳体凭其比强度和比刚度高、耐腐蚀性好、抗疲劳、可设计性强等优点，广泛应用于船舶海洋、航空航天等领域。芯模作为复合材料壳体制造过程中的成型基础和内部支撑，直接构成了产品的内型面。芯模强度与表面质量直接影响壳体成型精度、内腔表面质量、生产效率与制造成本。

2、对于传统砂芯模其重量较大，会使芯轴产生较大挠度，过大的挠度将使在缠绕和固化过程中不断转动的芯模和产品产生开裂和分层，固化后的产品尺寸精度也难以保证，因此限制了传统砂芯模在大型复合材料产品中的使用。通常在砂芯模成型过程中通过内部设置减重孔可以减小芯模重量，但是也会影响砂芯模强度和刚度，因此砂芯模通过内部设置减重孔的方式减轻芯模重量存在理论上限。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种复合材料壳体用水溶性轻量化砂芯模成型方法，通过设计专用成型工装形成内外分区填充结构，在保证砂芯模表面质量、尺寸精度及整体强度的前提下，实现砂芯模的大幅减重；利用轻质陶粒替代部分石英砂作为内部填充材料，同时形成减重孔结构，从而降低砂芯模整体密度，提高大型复合材料制件制造过程中的操作便利性和经济性。

2、为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

3、一方面，本发明提供了一种复合材料壳体用水溶性轻量化砂芯模成型方法，包括步骤：

4、步骤s1：组装砂芯模成型工装，并在工装工作表面均匀涂覆脱模剂；

5、所述成型工装包括由两片对称半圆模具拼接形成的圆筒模具，所述圆筒模具内同轴设置有大填充环，所述大填充环中心同轴设置有砂芯轴，所述砂芯轴外周连接有四个沿径向延伸且周向均布的浮板，四个浮板之间形成四个扇形区域，每个扇形区域内设置一个小填充环；

6、其中，圆筒模具与大填充环之间形成环状外填充区域，大填充环、小填充环、砂芯轴及浮板之间形成内填充区域；

7、步骤s2：将聚乙烯醇与水按照质量比1:(3～4)混合后加热搅拌，在75±5℃条件下保温3h以上并持续搅拌直至完全溶解，得到聚乙烯醇胶液；

8、步骤s3：将石英砂、聚乙烯醇胶液及陶粒按照质量比90～110:6～10:45～55混合搅拌至手捏成团且不快速松散状态，得到砂陶混合料；

9、步骤s4：将石英砂与聚乙烯醇胶液按照质量比90～110:6～10混合搅拌至手捏成团且不快速松散状态，得到石英砂料；

10、步骤s5：在圆筒模具底部铺设石英砂料并压实，底部铺设厚度不小于50mm；将大填充环和小填充环固定于工装内，在大填充环与小填充环之间填充砂陶混合料并压实，在圆筒模具与大填充环之间填充石英砂料并压实；

11、待填充至预定高度后拆除大填充环和小填充环，并采用石英砂料完成顶部封层填充和压实；

12、步骤s6：将成型后的砂芯模毛坯以0.5～2℃/min的升温速率升温至140±5℃，保温48h以上完成固化，获得外层为石英砂致密层、内部为砂陶轻质层且具有四个减重孔的水溶性轻量化砂芯模。

13、进一步的，所述脱模剂为硅脂，采用刷涂方式均匀涂覆于圆筒模具、大填充环、小填充环、砂芯轴及浮板表面。

14、进一步的，所述四个浮板与砂芯轴固定连接形成十字支撑结构，相邻浮板之间夹角均为90°。

15、进一步的，所述小填充环的数量为四个，分别位于四个扇形区域内，并形成沿圆周方向均匀分布的四个减重孔；所述减重孔沿砂芯模厚度方向贯穿设置。

16、进一步的，所述陶粒为烧结轻质陶粒、多孔陶粒或空心陶粒中的一种或两种以上组合，所述陶粒在砂芯模经水溶解拆除后回收并重复用于砂陶混合料的制备。

17、进一步的，所述外填充区域形成砂芯模外表面的致密成型层，所述内填充区域形成砂芯模内部轻量化支撑层；所述致密成型层由石英砂料构成，所述轻量化支撑层由砂陶混合料构成，致密成型层的体积密度大于轻量化支撑层的体积密度。

18、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明提供的复合材料壳体用水溶性轻量化砂芯模成型方法，采用内外分区填充结构设计，砂芯模外层采用石英砂料形成致密成型层，保证砂芯模外表面的尺寸精度和表面质量；内部采用砂陶混合料形成轻量化支撑层，并通过设置减重孔结构以及轻质陶粒填充结构，在保证砂芯模整体强度和支撑性能的基础上，大幅降低砂芯模整体重量，所采用的陶粒具有密度低、强度高和耐高温等特点，在砂芯模冲洗拆除后能够回收重复利用，从而降低材料消耗和制造成本，提高经济效益，与传统全石英砂结构相比，重量可显著降低，结构减重与强度保持。

19、同时设计由圆筒模具、大填充环、小填充环、砂芯轴及浮板组成的专用成型工装，能够稳定形成减重孔结构和轻量化填充结构，制造过程简单，重复使用性能良好，适于批量生产；并且减重孔结构还能够在后续水溶拆模过程中形成流体通道，加速冲洗液在砂芯模内部流动，提高砂芯模溶解效率，缩短拆模时间。

1.一种复合材料壳体用水溶性轻量化砂芯模成型方法，其特征在于，包括步骤：

2.根据权利要求1所述的复合材料壳体用水溶性轻量化砂芯模成型方法，其特征在于，所述脱模剂为硅脂，采用刷涂方式均匀涂覆于圆筒模具、大填充环、小填充环、砂芯轴及浮板表面。

3.根据权利要求2所述的复合材料壳体用水溶性轻量化砂芯模成型方法，其特征在于，所述四个浮板与砂芯轴固定连接形成十字支撑结构，相邻浮板之间夹角均为90°。

4.根据权利要求3所述的复合材料壳体用水溶性轻量化砂芯模成型方法，其特征在于，所述小填充环的数量为四个，分别位于四个扇形区域内，并形成沿圆周方向均匀分布的四个减重孔；所述减重孔沿砂芯模厚度方向贯穿设置。

5.根据权利要求1所述的复合材料壳体用水溶性轻量化砂芯模成型方法，其特征在于，所述陶粒为烧结轻质陶粒、多孔陶粒或空心陶粒中的一种或两种以上组合，所述陶粒在砂芯模经水溶解拆除后回收并重复用于砂陶混合料的制备。

6.根据权利要求1所述的复合材料壳体用水溶性轻量化砂芯模成型方法，其特征在于，所述外填充区域形成砂芯模外表面的致密成型层，所述内填充区域形成砂芯模内部轻量化支撑层；所述致密成型层由石英砂料构成，所述轻量化支撑层由砂陶混合料构成，致密成型层的体积密度大于轻量化支撑层的体积密度。