一種熱壓罐用框架式復合材料成型模具的制作方法

本發明涉及一種熱壓罐用框架式復合材料成型模具，屬于模具成型技術領域。

背景技術：

先進的復合材料，由于具有比強度比模量高、可設計性強、抗疲勞性能好等顯著優點，廣泛的應用于航空領域。熱壓罐成型工藝是復合材料制件成型方法主要方法之一，熱壓罐成型工藝是將預浸料按照材料的鋪層設計方式鋪放到工裝型面上，然后依次鋪上吸膠層、透氣氈等材料，裝入真空袋抽真空，最后按照材料的固化工藝曲線歷經升溫、加壓，最后降溫、降壓等階段，使預浸料坯件固化成型為滿足設計要求的復合材料零件。該方法可以作為航空航天領域大型復雜曲面的主承力件、次承力件的成型方法。

通常來說，通過熱壓罐固化復合材料是一個經歷升溫、保溫、降溫并伴隨加壓、降壓的過程，在升溫階段，電阻絲持續對空氣進行加熱，以風機為動力，以空氣為傳熱介質，持續對模具和構件進行加熱，保證構件溫度不斷升高，完成固化成型。降溫時，關閉加熱裝置，同時使用水冷，持續對罐內空氣進行降溫，風機則使空氣的循環流動，保證罐內各處溫度的降低。

在熱壓罐固化工藝過程中，模具成型板表面的溫度變化取決于模具型面與流體的外掠平板對流換熱以及框架式底座與模具成型板的熱傳導，當流體外掠過成型板時，成型板與流體接觸面會產生邊界層，由于流體的粘性作用損耗了動能，使得邊界層里的速度沿流動方向減小，結果邊界層的厚度沿流動方向不斷增加。根據對流換熱理論，邊界層越厚，導熱的熱阻也就越大，傳熱效率也就越低，使得背風端出現低溫。另一個導致背風端低溫的原因是，由于迎風面框架式底座對背風面框架式底座的阻礙作用，射流沖擊換熱的強度隨著流向而降低，使得背風端格框溫度較低，相對于迎風端，對成型板傳遞的熱量較少。

對某一實際成型板進行實驗時，測得在升溫階段結束時該成型板表面的溫度分布如圖1所示，成型面的最大溫差達到50.1度，迎風面到背風面溫差逐步增大，在距離迎風端約80％的地方出現溫度最低的區域，低溫區域占模具平面面積約25％，因此，模具的型面的溫度分布相當不均勻。溫度場不均勻在很大程度上會影響復合材料制件的成型質量，導致復合材料構件受熱不均勻，固化度不一致，引起結構變形。因此如何減小復合材料構件在流向上的溫度梯度成為亟待解決的問題。

為了提高制件溫度場均勻性，在現有技術中主要集中在以下兩個方面：一是改進現有的固化工藝；二是提出新工藝、新方法成型復合材料制件。以上改進往往涉及到設備的改進，比較復雜，且在實際生產中都存在一定的困難。

技術實現要素：

本發明要解決技術問題是：克服上述技術的缺點，提供一種可保證復合材料構件成型時固化度基本一致且結構變形小的框架式成型模具。

為了解決上述技術問題，本發明提出的技術方案是：一種熱壓罐用框架式復合材料成型模具，包括框架式底座及固定在底座上的成型板；所述成型板離熱壓罐的進風口遠處的厚度小于或等于離熱壓罐的進風口近處的厚度，且所述成型板離熱壓罐的進風口最近處的厚度大于熱壓罐的進風口最遠處的厚度。

申請人經過長期的研究發現，在固化時復合材料構件的溫度場隨著加熱方向呈現梯度變化的現象中，復合材料構件的外部溫度場的影響起到了主導作用。因此，本發明對較常使用的復合材料框架式模具進行改進，將與復合材料接觸型板進行變厚度處理，而根據熱阻理論，熱阻與傳導路徑長度成正比，即成型板厚度越厚該區域的熱阻也就越高，升溫也就越加困難。因此，根據這一性質，本發明增加高溫區域的成型板厚度，同時降低低溫區域的成型板厚度，使得高溫區域的熱阻變大而低溫區域的熱阻變小，從而使模具型板表面的溫度分布更加均勻。

基于以上理論，最優的技術手段應該是成型板的厚度沿著加熱方向線性遞減，即成型板整體為梯形，但在實際成型的試驗過程中，雖然整體為梯形的成型板對于提高制件溫度場均勻性有一些效果，但申請人發現提高均勻性的效果并不太好，尤其是遠離熱壓罐的進風口處的制件溫度均勻性很差。究其原因，申請人認為：成型板表面的溫度變化取決于其型面與流體的外掠平板對流換熱和底部框格與模具成型板的熱傳導，當流體外掠過成型板時，成型板與流體接觸面會產生邊界層，可參考《流體力學基礎(第3版)》(作者：王惠民，清華大學出版社，2013年)。這樣，由于流體的粘性作用損耗了動能，使得邊界層里的速度沿流動方向減小，結果邊界層的厚度沿流動方向不斷增加。這樣，當成型板整體為梯形時，邊界層在靠近迎風端(靠近熱壓罐的進風口處)厚度變化比較劇烈，邊界層充分發展后厚度變化較小，從而導致遠離熱壓罐進風口處的制件溫度均勻性很差。

正是因為邊界層在遠離熱壓罐進風口處的厚度變化較小，本發明為了進一步提高制件的溫度均勻性，保持成型板厚度在遠離熱壓罐進風口處一段距離處不變化，具體有以下兩種方式：

1)所述成型板呈兩階階梯狀，其中成型板較厚部分的長度是成型板總長度的25％～50％。優選的，所述成型板較厚部分(靠近熱壓罐的進風口處的一段)的厚度是成型板較薄部分的厚度的1.5～3倍。

2)所述成型板靠近熱壓罐的進風口處的一段呈梯形(即成型板靠近熱壓罐進風口部分為梯形)，所述成型板靠近熱壓罐的出風口處的一段厚度一致。優選的，所述成型板呈梯形部分的長度占成型板總長度的50％～70％。

附圖說明

下面結合附圖對本發明作進一步說明。

圖1是一個現有成型板在升溫階段結束時的溫度分布云圖。

圖2是本發明實施例的結構示意圖。

圖3是本發明實施例一的截面示意圖。

圖4是本發明實施例二的截面示意圖。

圖5是本發明實施例一中對比實驗時的溫度分布云圖。

圖6是本發明實施例二中對比實驗時的溫度分布云圖。

具體實施方式

實施例一

本實施例的熱壓罐用框架式復合材料成型模具，如圖2所示，包括框架式底座2及固定在底座2上的成型板1；所述成型板1離熱壓罐的進風口遠處的厚度小于或等于離熱壓罐的進風口近處的厚度，且所述成型板1離熱壓罐的進風口最近處的厚度大于離熱壓罐的進風口最遠處的厚度，即成型板1從其迎風端(靠近熱壓罐的進風口處)到背風端(靠近熱壓罐的出風口處)壁厚從厚變薄。

本實施例中框架式底座2為“雞蛋箱”形狀，當然也可以采用其他框架式結構，只要能夠方便通風并滿足支撐成型板的強度要求，均可應用到本例中。

如圖3所示，本實施例中成型板1呈兩階階梯狀，并分別試驗了四組階梯型非等厚型板，距離迎風端的距離分別為400mm、450mm、500mm和600mm，該區域的成型板1較厚部分的厚度為20mm，其余位置的厚度減小為10mm。

本實施例中模具尺寸為1500*1500*400mm，材料為q235碳素結構鋼，熱壓罐內流動氣體為空氣，模具和空氣的熱性能如表1所示。熱壓罐的直徑為2500mm，長度為7000mm。

表1材料的熱性能參數

四組階梯型非等厚成型板的型面溫度云圖如圖5所示，400mm和600mm兩組在厚度過渡區域出現了較大的溫度起伏，而450mm和500mm這兩組的過度區域的起伏較小，其原因可能與邊界層厚度的變化有關。申請人在進行了多次實驗后，確定成型板較厚部分的長度占成型板總長度的30％～35％時效果最好。

另外，通過實驗表明，成型板1較厚部分的厚度是成型板1較薄部分的厚度的1.5～3倍時，過渡區域溫度起伏也較小。

實施例二

本實施中模具、熱壓罐的參數均與實施例一中相同，本實施例與實施例一的不同之處在于：如圖4所示，為了減小階梯型成型板1厚度的突然變化對過渡區域溫度的影響而采用了梯形非等厚型板，即本實施例中成型板1靠近熱壓罐的進風口處的一段呈梯形(即部分為梯形)，所述成型板1靠近熱壓罐的出風口處的一段厚度一致，均與梯形板最薄處的厚度相同。

本實施例中在梯形非等厚成型板低溫區域的厚度改為10mm，高溫區域厚度從20mm沿直線遞減(線性遞減)到10mm。本實施例對六組梯形非等厚型板，距離迎風端的距離分別為600mm、700mm、800mm、900mm、1000mm和1100mm。六組梯形非等厚成型板升溫階段結束時，成型板表面溫度分布如圖6所示。從圖6可以看出，相比于階梯型成型板，梯形成型板高溫區域的厚度更小，對導熱阻礙能力變小，使溫度不易均勻，因此增大梯形段的長度使得高溫區域厚度接近迎風端厚度，但是如果距離過大，會導致低溫區域的厚度增大，會導致低溫區域溫度更低。

優選的，所述成型板呈梯形部分的長度占成型板總長度的50％～70％，這樣既可保證高溫區域的熱阻不會因為梯形厚度的原因變小，也可以保證低溫區域不會因為梯形厚度的原因變大，很好的權衡了兩邊的厚度分布。

本發明不局限于上述實施例所述的具體技術方案，除上述實施例外，本發明還可以有其他實施方式。凡采用等同替換形成的技術方案，均為本發明要求的保護范圍。