一种复合材料多向接头的整体模压成型模具及成型工艺
技术领域
本发明属于复合材料成型
技术领域
，尤其涉及一种复合材料多向接头的整体模压成型模具及成型工艺。背景技术
复合材料多向接头广泛应用于先进航空航天体系，为空心结构件，可以分多个方向与其他结构进行安装与连接，是框架及支撑结构的重要组成部分。复合材料多向接头在结构中起到减重、传力、承载、连接等作用，随着航天器性能指标提升，对于多向接头内、外型面连接及安装精度都有极高的要求。
复合材料多向接头采用纤维增强树脂基预浸料，通过预浸料裁切、铺层、固化成型形成稳定的结构。
在固化成型过程中需对复合材料多向接头进行加压，从而保证产品的质量和型腔。而多向接头由于其结构特征复杂，内部芯模制造困难，并且固化后无法脱模，目前该
技术领域
多使用内膨胀法或者吹胀法由内向外加压进行成型。内膨胀法需要制造一个金属外模，保证接头外表形状和精度，接头本体的预浸料在硅橡胶软膜上铺叠，固化时将硅橡胶软膜连同铺叠好的预浸料一同放入金属外模加热，通过橡胶本身的热膨胀作用加压，在一定温度下固化成型。
吹胀法需要制造一个金属外模，保证接头外表面形状和精度，接头本体的预浸料在高分子充气袋上铺叠，固化时将充气袋连同铺叠好的预浸料一同放入金属外模加热，通过阀门或接头将压缩空气注入气袋，从内部对预浸料进行加压，然后在一定温度下固化成型。
无论采用内膨胀或者吹胀法制造的复合材料多向接头都存在以下缺点：
1、接头各区域壁厚不均匀；
2、接头内表面不平整，无法直接作为安装面；
3、接头内表面R角压力小，通常表现为R角变厚或者内部未压实；
4、在硅橡胶软膜或气袋上进行铺叠难操作。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种复合材料多向接头的整体模压成型模具及成型工艺，制备得到的复合材料多向接头壁厚均匀，R角压实质量好，内外表面平整准确，均能作为装配连接面，整体操作方便。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种复合材料多向接头的整体模压成型模具，包括底板、用于压实多向接头外表面的侧压模以及用于铺叠预浸料并可脱模的组合阳模，所述组合阳模位于侧压模内，所述底板上设置有与组合阳模相配合的凸台，所述凸台上开设有型腔凹槽，所述组合阳模外表面与侧压模内表面以及凸台的型腔凹槽合围成多向接头成型腔，所述侧压模外侧壁与底板平面成夹角设置，所述侧压模外设置有传压外模。
优选的，所述组合阳模包括多块阳模拼块，相连接的两块阳模拼块之间通过可拆卸的连接件连接，每一所述阳模拼块的端头设置有用于对预浸料限厚的阳模拼块限厚凸台。
优选的，每一所述阳模拼块外端对应的侧压模侧壁上开设有避让开口。
优选的，每一所述阳模拼块自脱模方向预留0.3～0.5°拔模角。
优选的，相连接的两块阳模拼块中，其中一块所述阳模拼块的连接端面固定有定位凸起，另一所述阳模拼块的连接端面开设有与所述定位凸起相匹配的定位凹槽，所述定位凸起位于定位凹槽内。
优选的，每一所述阳模拼块内设有外端开口的内腔，每一所阳模拼块的内端中间设置有贯穿所述阳模拼块内端的脱模顶出孔；
所述可拆卸的连接件为螺栓，所述螺栓的尾部位于内腔中；所述定位凸起和定位凹槽34上开设有贯穿两块所述阳模拼块内腔的安装孔，所述安装孔内安装所述螺栓。
优选的，所述侧压模外侧壁与底板平面成50～75°夹角。
优选的，所述侧压模为下端开口的罩体结构，所述侧压模由位于组合阳模上方且呈板状的侧压模块一和分布于组合阳模四周的多块侧压模块二组成，所述侧压模块一和多块侧压模块二之间以及多块侧压模块二之间均相互独立。
优选的，所述传压外模为下端开口的罩体结构，所述传压外模合模后，所述侧压模位于所述传压外模内；所述传压外模的内侧壁可与侧压模的外侧壁滑动连接，所述传压外模内侧壁斜度与侧压模外侧壁斜度保持一致。
一种复合材料多向接头的整体模压成型工艺，采用上述整体模压成型模具制备复合材料多向接头，具体包括以下步骤：
1)安装组合阳模，组合阳模外表面涂刷有脱模剂；
2)按照设计好的铺层在组合阳模上铺叠纤维增强树脂基预浸料，在组合阳模外形成未固化的预制体坯料；
3)以底板为依托，并将带预制体坯料的组合阳模放置于凸台的型腔凹槽上，再安装侧压模，并检测各部件之间间隙均匀，无干涉；
4)安装传压外模，完成模具组合；
5)在热压机上加热加压固化，固化压力通过传压外模和侧压模之间的斜面传递到预制体坯料上，实现压实和固化；
6)降温冷却，先拆除传压外模和侧压模，再将组合阳模进行分解，再从型腔凹槽上进行脱模；
7)取出多向接头制件，清理毛刺及残胶。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明整体模压成型模具结构简单，通过设置既能用于铺叠预浸料又能实现脱模的组合阳模，解决接头内表面不平整和内R角变厚、压不实的问题；通过传压外模和侧压模之间的斜度匹配实现固化时由外向内对接头传递压力，解决接头壁厚不均匀的问题，从而实现复合材料多向接头内外型腔规整，质量密实稳定的结果。
2、采用本发明工艺制造的复合材料多向接头壁厚均匀，R角压实质量好，内外表面平整准确，均能作为装配连接面。由于在组合阳模上铺叠，操作方便，内外型腔均为模具面，产品的批次一致性高，适合批量生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是合模前的整体模压成型模具的前视图；
图2是图1的A-A剖视图。
图3是组合阳模的内部结构示意图；
图4是图3的拆分图；
图5是侧压模与底板装配后的俯视图；
图6是侧压模的拆分图；
图7是整体模压成型模具的局部结构示意图。
图8是实施例2中制备得到的复合材料多向接头的图片。
图例说明：
1、底板；2、侧压模；21、侧压模块一；22、侧压模块二；3、组合阳模；31、阳模拼块；32、内腔；33、定位凸起；34、定位凹槽；35、安装孔；36、脱模顶出孔；37、阳模拼块限厚凸台；4、传压外模；5、凸台；51、型腔凹槽；6、预制体坯料。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1：
本是实施例中的复合材料多向接头的整体模压成型模具，如图1～7所示，包括底板1、用于压实多向接头外表面的侧压模2以及用于铺叠预浸料并可脱模的组合阳模3，组合阳模3位于侧压模2内，底板1上设置(一体成型或固接)有与组合阳模3相配合的凸台5，凸台5上开设有型腔凹槽51，组合阳模3外表面与侧压模2内表面以及凸台5的型腔凹槽51合围成多向接头成型腔，侧压模2外侧壁与底板1平面成夹角设置，侧压模2外设置有传压外模4。
本实施例中，整体模压成型模具结构简单，通过设置既能用于铺叠预浸料又能实现脱模的组合阳模3，解决接头内表面不平整和内R角变厚、压不实的问题。
传压外模4与组装好的其他模具合模后，加热加压固化过程中，压机施加的向下正压力通过传压外模4与侧压模2的接触斜面分解出水平和垂直分力，推动各侧压模2同时对多向接头施加压力，解决接头壁厚不均匀的问题，从而实现复合材料多向接头内外型腔规整，质量密实稳定的结果。
本实施例中，组合阳模3包括多块阳模拼块31，相连接的两块阳模拼块31之间通过可拆卸的连接件连接。一般情况下每一阳模拼块31对应多向接头中的一个接头；将各阳模拼块31通过可拆卸的连接件连接到一起并组合成组合阳模3，再用于预浸料铺叠，在制备得到多向接头后，可将组合阳模3进行拆卸，便于脱模。
每一所述阳模拼块31的端头设置(一体成型或固接)有用于对预浸料限厚的阳模拼块限厚凸台37。阳模拼块限厚凸台37高于阳模拼块31，在铺叠预浸料时，方便对预浸料的厚度进行控制。
本实施例中，每一所述阳模拼块31外端对应的侧压模2侧壁上开设有避让开口。设置避让开口可以减小侧压模2和传压外模4的尺寸，可节省模具材料。
本实施例中，每一阳模拼块31自脱模方向预留0.3～0.5°拔模角。通过设置0.3～0.5°拔模角，便于阳模拼块31从多向接头制件中脱模。拔模角脱模方便，且该角度的选择可同时保证脱模和产品尺寸精度的指标。
本实施例中，相连接的两块阳模拼块31中，其中一块阳模拼块31的连接端面固定有定位凸起33，另一阳模拼块31的连接端面开设有与定位凸起33相匹配的定位凹槽34，定位凸起33位于定位凹槽34内。相连接的两块阳模拼块31之间通过设置定位凸起33以及定位凹槽34，可快速实现定位，便于后续螺栓连接，且便于脱模。
本实施例中，每一阳模拼块31内设有外端开口的内腔32，每一所阳模拼块31的内端中间设置有贯穿阳模拼块31内端的脱模顶出孔36；该脱模顶出孔36可为不小于M6的螺纹通孔，脱模时用内六角头长螺杆螺栓旋入，顶在另一阳模拼块31的对接面上，靠反作用力将阳模拼块31分离脱模。
可拆卸的连接件为螺栓，螺栓的尾部位于内腔32中；定位凸起33和定位凹槽34上开设有贯穿两块阳模拼块31内腔32的安装孔35，安装孔35内安装螺栓。其中安装孔35包括相连通的通孔和螺纹孔，通孔开设在相连接的两块阳模拼块31中的一块阳模拼块31上，螺纹孔开设在相连接的两块阳模拼块31中的另一块阳模拼块31上。
本实施例中各阳模拼块31加工成含有内腔32的空心结构，安装连接件的工具可直接伸入内腔32中，安装螺栓方便，且在制备得到多向接头制件后，拆卸螺栓便捷，从而快速将阳模拼块31从多向接头制件中脱模出来(即从多向接头制件中取出)。
本实施例中，侧压模2外侧壁与底板1平面成50～75°夹角。在该角度下，利于传递压力，并将预制体压紧密实。
本实施例中，所述侧压模2为下端开口的罩体结构，侧压模2由位于组合阳模3上方且呈板状的侧压模块一21和分布于组合阳模3四周的多块侧压模块二22组成，侧压模块一21和多块侧压模块二22之间以及多块侧压模块二22之间相互独立。
其中侧压模块二22具体可包括侧压模块二顶板和固接于侧压模块二顶板外侧且自侧压模块二顶板向下延伸的侧压模块二侧板，侧压模块一21与多块侧压模块二22的侧压模块二顶板组合成侧压模2的顶板，多块侧压模块二22的侧压模块二侧板组合成围绕于组合阳模3四周的侧压模2的多块侧板。
本实施例中侧压模2用于固化压力传递和外形保证，根据多向接头外形将侧压模2拆分成合适的侧压模块，分为内外两组表面，内表面用于成型多向接头外形；外侧壁表面与底板平面成50～75°夹角，与传压外模4配合传递压力。各侧压模块之间不进行连接，加压时为独立运动，必要时每个侧压模块二22可在底板1上加运动导向。
本实施例中，传压外模4为下端开口的罩体结构，传压外模4合模后，侧压模2位于所述传压外模4内，传压外模4的底面与底板1接触；传压外模4的内侧壁可与侧压模2的外侧壁滑动连接，传压外模4内侧壁斜度与侧压模2外侧壁斜度保持一致。侧压模2外侧壁与传压外模4内侧壁斜度保持一致，模压时通过斜面之间的互相滑动产生垂直和水平分力，推动侧压模2向下向内挤压多向接头坯料，实现将压力通过模具传递到多向接头上，确保预制体压紧密实。
实施例2：
一种复合材料多向接头的整体模压成型工艺，采用上述实施例1中的整体模压成型模具制备复合材料多向接头，具体包括以下步骤：
1)将组合阳模3中的各阳模拼块31清理干净，涂刷脱模剂；再将各阳模拼块31通过定位凸起33和定位凹槽34定位，再使用螺栓连接成组合阳模3；
2)按照设计好的铺层在组合阳模3上铺叠纤维增强树脂基预浸料，在组合阳模3外形成未固化的预制体坯料6；
3)以底板1为依托，并将带预制体坯料6的组合阳模3放置于凸台5的型腔凹槽51上，再安装侧压模2，并检测各部件之间间隙均匀，无干涉；
4)安装传压外模4，完成模具组合；
5)在热压机上加热加压固化，固化压力通过传压外模4和侧压模2之间的斜面传递到预制体坯料6上，实现压实和固化；
6)降温冷却，先拆除传压外模4和侧压模2，再将组合阳模3进行分解，再从型腔凹槽51上进行脱模；利用阳模拼块31之间的脱模顶出孔36分别脱模；
7)取出多向接头制件，清理毛刺及残胶。
采用本实施例上述成型工艺制造得到的复合材料多向接头壁厚均匀，R角压实质量好，内外表面平整准确，都能作为装配连接面。预浸料由于在组合阳模3上铺叠，操作方便，内外型腔均为模具面，产品的批次一致性高，适合批量生产。
对于上述整体模压成型工艺，当纤维增强树脂基预浸料材料为T800/BA9913复合材料(纤维为碳纤维T800，树脂为BA9913环氧树脂)，表面层为碳纤维布。采用准各向同性铺层，[45/-45/0/90]s,厚度为3mm。
具体加热加压固化参数为：
1)安放模具热电偶，以1-2℃/min的速率升温至60℃；
2)施加压力80T；
3)以1-2℃/min继续升温至130±5℃,保温保压120min；
4)关闭热压机加热，自然降温并保持压力，80℃以下卸压；继续自然冷却至40℃以下。
最终制备得到的复合材料多向接头如图8所示。可见该复合材料多向接头壁厚均匀，R角压实质量好，内外表面平整准确。
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