一种复材模具的支撑结构及其制造方法与流程

本发明涉及复合材料制造，尤其涉及一种复材模具的支撑结构及其制造方法。

背景技术：

1、复合材料成型模具（简称复材模具）广泛应用于航空、航天等复合材料构件的制备生产。目前常规复材模具配套的支撑结构普遍采用金属框架结构，金属框架主要依靠焊接的金属加工方式完成各构件之间的连接装配。

2、但金属材质的支撑框架存在明显技术缺陷：第一，金属框架整体重量大，增加整套复材模具的吊装、转运、安装负担；第二，金属与复材模具本体的复合材料之间热膨胀系数差异大，在模具升温固化、降温冷却的循环服役过程中，复材模具型面与金属支撑框架热胀冷缩变形不一致，会在模具内部产生附加应力，一方面会造成成型出来的复合材料产品尺寸精度无法满足理论设计要求，另一方面反复热循环带来的附加应力会加速复材模具损伤，缩短复材模具的使用寿命。因此现有金属框架式复材模具支撑结构存在重量大、热膨胀匹配性差、模具服役寿命受限的问题，亟待改进。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种复材模具的支撑结构及其制造方法，支撑结构全部采用复合材料构件搭建，能够大幅降低整套模具重量，实现支撑结构与复材模具型面之间热膨胀性能保持一致，消除热循环下因热膨胀系数不匹配产生的附加应力，提升复材模具的使用寿命，保障复材制品成型尺寸精度。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种复材模具的支撑结构，包括碳纤维复合材料板材以及碳纤维复合材料角材；所述碳纤维复合材料板材与所述碳纤维复合材料角材均为碳纤维复合材料层压件；构件铺层共6层，铺层角度顺序为0°/0°/90°/90°/0°/0°；第1层与最末层采用光威牌号w-3021/ge15/45%碳纤维织物工装预浸料，中间4层采用光威牌号w-7021/ge15/38%碳纤维织物工装预浸料；所述碳纤维复合材料板材和碳纤维复合材料角材通过胶接与铆接相连接组合形成复合材料框架，所述复合材料框架通过胶接和铆接有复材模具型面。

4、根据本发明提供的复材模具的支撑结构：所述碳纤维复合材料板材的外形尺寸采用数控加工；所述碳纤维复合材料角材的外形尺寸采用手工加工。

5、本发明还提出一种复材模具的支撑结构的制造方法，包括如下步骤：

6、s1、制备碳纤维复合材料角材：采用真空袋工艺在木模上成型得到碳纤维复合材料角材，对碳纤维复合材料角材进行手工加工，加工至理论外形尺寸；

7、s2、制备碳纤维复合材料板材：采用真空袋工艺在成型平台上成型得到碳纤维复合材料板材，对碳纤维复合材料板材进行数控加工，加工至理论外形尺寸；

8、s3、框架组装：将加工完成的碳纤维复合材料角材与碳纤维复合材料板材通过铆接与胶接方式装配组合，形成复合材料框架；

9、s4、模具装配：将所述复合材料框架与复材模具型面采用胶接和铆接相结合的方式连接为整体，得到复材模具支撑结构。

10、根据本发明提供的复材模具的支撑结构的制造方法：步骤s1中，木模的型面与碳纤维复合材料角材的目标外形相匹配，所述碳纤维复合材料角材的真空袋成型过程按照碳纤维织物工装预浸料固化工艺曲线完成升温、保温固化、降温工序。

11、根据本发明提供的复材模具的支撑结构的制造方法：步骤s2中，成型平台为刚性平面平台，所述碳纤维复合材料板材的真空袋成型过程按照碳纤维织物工装预浸料固化工艺曲线完成升温、保温固化、降温工序。

12、根据本发明提供的复材模具的支撑结构的制造方法：步骤s3的胶接操作包括：在碳纤维复合材料角材和碳纤维复合材料板材的结合面涂覆结构胶，对齐定位后预固定，完成胶层固化；铆接操作包括在连接部位预制装配孔，铆钉穿入装配孔后完成铆接紧固。

13、根据本发明提供的复材模具的支撑结构的制造方法：所述碳纤维复合材料角材和碳纤维复合材料板材的结合面在涂胶前的处理包括：表面打磨和除污预处理。

14、根据本发明提供的复材模具的支撑结构的制造方法：步骤s4中，复合材料框架与复材模具型面的连接结合面先做打磨除污预处理，再涂覆结构胶进行胶接，同时开设铆接孔实施铆接。

15、根据本发明提供的复材模具的支撑结构的制造方法：步骤s4支撑结构装配完成后，还包括对支撑结构的组合件进行外形、连接强度检测。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

17、1、本发明支撑结构主体全部采用碳纤维复合材料层压件搭建复合材料框架，替代传统金属焊接框架，显著降低整套复材模具的总重量，降低吊装转运难度；

18、2、支撑框架与复材模具型面属于同大类复合材料体系，热膨胀系数接近一致，模具经历升温固化、降温冷却的反复热循环时，支撑结构和模具型面变形同步，消除因热膨胀差异带来的内部附加应力，既保障复合材料制品成型后的尺寸精度，又减少模具疲劳损伤，有效延长复材模具使用寿命；

19、3、构件采用特定6层铺层方案0°/0°/90°/90°/0°/0°，兼顾框架面内拉伸与抗弯曲刚度；选用光威两款工装预浸料组合铺放，表层w-3021/ge15/45%保障构件表面质量，中间层w-7021/ge15/38%保障整体力学性能；采用工装预浸料搭配真空袋成型工艺，对比热压罐，固化允许温度更低，制造方便，降低设备投入。

20、4、板材数控加工保证尺寸精度，角材采用手工加工适配异形结构；采用胶接与铆接复合连接，胶接保证大面积结合面载荷均匀传递，铆接提供机械锁紧可靠性，二者互补，提升支撑框架整体连接强度与抗剥离能力，结构稳定可靠。

21、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

1.一种复材模具的支撑结构，其特征在于，包括碳纤维复合材料板材（2）以及碳纤维复合材料角材（1）；所述碳纤维复合材料板材（2）与所述碳纤维复合材料角材（1）均为碳纤维复合材料层压件，所述碳纤维复合材料板材（2）和碳纤维复合材料角材（1）通过胶接与铆接相连接组合形成复合材料框架（3），所述复合材料框架（3）通过胶接和铆接有复材模具型面（4）。

2.根据权利要求1所述的一种复材模具的支撑结构，其特征在于，所述碳纤维复合材料板材（2）的外形尺寸采用数控加工；所述碳纤维复合材料角材（1）的外形尺寸采用手工加工。

3.根据权利要求1所述的一种复材模具的支撑结构，其特征在于，所述碳纤维复合材料板材（2）、碳纤维复合材料角材（1）铺层均为6层，铺层角度顺序为0°、0°、90°、90°、0°、0°。

4.根据权利要求1-3任一项所述一种复材模具的支撑结构的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

5.根据权利要求4所述一种复材模具的支撑结构的制造方法，其特征在于，步骤s1中，木模的型面与碳纤维复合材料角材（1）的目标外形相匹配，所述碳纤维复合材料角材（1）的真空袋成型过程按照该款工装预浸料固化工艺曲线完成升温、保温固化、降温工序。

6.根据权利要求5所述一种复材模具的支撑结构的制造方法，其特征在于，步骤s2中，成型平台为刚性平面平台，所述碳纤维复合材料板材（2）的真空袋成型过程按照该款工装预浸料固化工艺曲线完成升温、保温固化、降温工序。

7.根据权利要求6所述一种复材模具的支撑结构的制造方法，其特征在于，步骤s3的胶接操作包括：在碳纤维复合材料角材（1）和碳纤维复合材料板材（2）的结合面涂覆结构胶，对齐定位后预固定，完成胶层固化；铆接操作包括在连接部位预制装配孔，铆钉穿入装配孔后完成铆接紧固。

8.根据权利要求7所述一种复材模具的支撑结构的制造方法，其特征在于，所述碳纤维复合材料角材（1）和碳纤维复合材料板材（2）的结合面在涂胶前的处理包括：表面打磨和除污预处理。

9.根据权利要求8所述一种复材模具的支撑结构的制造方法，其特征在于，步骤s4中，复合材料框架（3）与复材模具型面（4）的连接结合面先做打磨除污预处理，再涂覆结构胶进行胶接，同时开设铆接孔实施铆接。

10.根据权利要求9所述一种复材模具的支撑结构的制造方法，其特征在于，步骤s4支撑结构装配完成后，还包括对支撑结构的组合件进行外形、连接强度检测。