采用多向复合材料接头rtm模具成型复合材料接头的方法
【专利摘要】本发明涉及采用多向复合材料接头RTM模具成型复合材料接头的方法，本发明在设计有预制孔芯模的RTM成型模具内装入多向接头纤维预制体并完成模具的装配和密封性检测，抽真空的同时加压注入预热的树脂，树脂充模完成后将注胶口和出胶口密封，将模具整体放入烘箱中加热，随着温度的升高，模具内的树脂充分浸润纤维预制体，并在高温作用下发生化学反应，完成固化成型，本发明解决了碳纤维增强树脂基复合材料多向接头及其埋件安装孔位精确成型问题，通过模具结构设计直接成型多向接头预制孔，无需进行二次机加，保证开孔处纤维连续，避免产生加工缺陷，从而保证产品的力学性能。
【专利说明】采用多向复合材料接头RTM模具成型复合材料接头的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及采用多向复合材料接头RTM模具成型复合材料接头的方法，属于碳纤维增强树脂基复合材料结构成型【技术领域】，应用于航天器复合材料结构产品的研制。
【背景技术】
[0002]树脂传递模塑技术(Resin Transfer Molding, RTM)是典型的非热压罐低成本材料制备技术，其主要优点是能够制造高精度的复杂构型零件，并保持较高的结构设计效率，如多向接头、各类支架等。
[0003]RTM成型工艺是在压力注入或外加真空辅助条件下，液态、具有反应活性的低黏度树脂在闭合模具里流动并排除气体，同时浸润并浸溃干态纤维结构。在完成浸润浸溃后，树脂在模具内通过加热引发交联反应完成固化，得到成型的制品。RTM成型过程可以分解为包含流动、浸润、渗透、充模等物理过程和液态树脂转变为固体材料的化学反应过程。
[0004]RTM成型工艺的突出优点是可以把复杂的部件作为一个零件来生产，同时实现减重并降低装配成本。但目前复杂多向接头上的高精度埋件安装孔的加工，均是在完成RTM成型后采用二次机加的方式实现，这种方法存在以下不足:(I) 二次机加孔位导致纤维断裂，影响接头强度。(2)由于埋件安装孔多位于多向接头相贯线处，无法采取有效工艺措施避免刀具出口位置的加工缺陷，导致孔的加工质量下降。(3) 二次机加环节，增大了多向接头产生质量问题的风险控制难度。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种采用多向复合材料接头RTM模具成型复合材料接头的方法，解决了碳纤维增强树脂基复合材料多向接头及其埋件安装孔位精确成型问题，通过模具结构设计直接成型多向接头预制孔，无需进行二次机加，保证开孔处纤维连续，避免产生加工缺陷，从而保证产品的力学性能。
[0006]本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的:
[0007]采用多向复合材料接头RTM模具成型复合材料接头的方法，多向复合材料接头RTM模具包括底座、三个预制孔芯模、三个瓣模、四个芯模和四个端盖，其中一个端盖上开有注胶口，另外三个端盖上均开有出胶口，具体实现过程如下:
[0008]步骤(一)、装配多向复合材料接头RTM模具并检测密封性，具体步骤如下:
[0009]将三个预制孔芯模通过开设在底座上的定位孔与底座连接，然后将三个瓣模安装在底座上，同时三个瓣模之间也进行连接，四个芯模分别通过各自一端的定位圆柱段与四个端盖的定位段连接，同时端盖实现与底座及各个瓣模之间的连接，之后对装配完成的RTM模具进行密封性检测，若密封性满足要求，进入步骤(二)；
[0010]步骤(二)、采用多向复合材料接头RTM模具成型复合材料，具体步骤如下:
[0011](I)、将四个芯模分别装入编制好的多向接头纤维预制体中，并在多向接头纤维预制体上预制孔位置拨开所述芯模的安装空间；
[0012](2)、将装好芯模的多向接头纤维预制体装入三个瓣模中，并在底座的定位孔处安装三个预制孔芯模；
[0013](3)、将装入多向接头纤维预制体的三个瓣模安装在底座上，同时三个瓣模之间进行连接，将多向接头纤维预制体各向多余部分纤维去除，并将四个芯模分别通过各自一端的定位圆柱段与四个端盖的定位段连接，同时端盖实现与底座及各个瓣模之间的连接；
[0014](4)、将多向复合材料接头RTM模具放入烘箱内预热至60?80°C，并保温2?3小时，将树脂加热到60?80°C后，从多向复合材料接头RTM模具端盖上的注胶口注入到多向复合材料接头RTM模具内，当树脂从端盖的出胶口连续流出时停止注胶，并将注胶口与出胶口密封；
[0015](5)、将多向接头RTM成型模具放入烘箱中，在高温环境中保温一定时间，最后拆除多向复合材料接头RTM模具，完成复合材料接头的固化成型。
[0016]在上述采用多向复合材料接头RTM模具成型复合材料接头的方法中，三个预制孔芯模为圆柱形的实心结构，其中一个预制孔芯模通过定位孔安装在底座底部，另外两个预制孔芯模通过定位孔安装在底座的侧壁上。
[0017]在上述采用多向复合材料接头RTM模具成型复合材料接头的方法中，三个瓣模通过销钉定位、螺钉连接安装在底座上，三个瓣模之间通过销钉定位、螺钉连接；端盖通过销钉定位、螺钉连接实现与底座及各个瓣膜之间的连接。
[0018]在上述采用多向复合材料接头RTM模具成型复合材料接头的方法中，三个瓣模和端盖安装前均需要在密封槽内安装密封条。
[0019]在上述采用多向复合材料接头RTM模具成型复合材料接头的方法中，步骤(二)的(5)中多向接头RTM成型模具放入烘箱中，在80?85°C中保温I?1.5h，然后在150?160°C保温2?3h。
[0020]在上述采用多向复合材料接头RTM模具成型复合材料接头的方法中，步骤(一)中密封性检测的方法为:将一个端盖上的注胶口 13连接真空泵，并封闭出胶口 14，真空压力表读数稳定即满足密封性要求。
[0021]本发明与现有技术相比具有如下有益效果:
[0022](I)、本发明通过模具结构设计直接成型多向接头预制孔，即通过在RTM模具上设计预制孔芯模，实现复合材料多向接头埋件安装孔的直接成型，无需进行二次机加，保证开孔处纤维连续，避免产生加工缺陷，从而保证产品的力学性能；
[0023](2)、本发明多向复合材料接头在成型之前要先编织预制体，可以通过调节，使纤维预制体局部纤维束疏松，形成预制孔芯模的安装空间，从而避免纤维束断裂，保持纤维束的连续性，确保多向复合材料接头在埋件安装孔部位不出现强度损失；
[0024](3)、本发明考虑到树脂固化过程中需要升温，计算芯模的热膨胀量，可以准确设计芯模装配间隙和尺寸公差，保障埋件安装孔的成型精度，避免二次机加；
[0025](4)、本发明通过对多向复合材料接头RTM模具进行创新设计，结合优化的成型过程，解决了碳纤维增强树脂基复合材料多向接头及其埋件安装孔位精确成型问题，同时解决了预制孔芯模公差设计与定位设计，使用该方法生产的产品无损探伤符合GJB2895-A级要求，外形尺寸公差与孔位精度满足要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为本发明载体碳纤维增强树脂基多向复合材料接头的结构图，其中图a、b、c分别为三个不同角度的图示；
[0027]图2为本发明多向复合材料接头RTM模具的三维爆炸图；
[0028]图3为本发明多向复合材料接头RTM模具三维结构图；
[0029]图4为本发明多向复合材料接头RTM模具中底座及预制孔芯模结构图；
[0030]图5为本发明采用多向复合材料接头RTM模具成型复合材料接头原理示意图。
[0031]第一瓣模1、底座2、预制孔芯模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、定位销9、端盖10、第三瓣模11、螺钉12、注胶口 13、出胶口 14、烘箱加热系统15、RTM模具16、纤维预制体17。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述:
[0033]本发明采用带预制孔芯模的RTM成型模具制备碳纤维增强树脂基复合材料多向接头。在设计有预制孔芯模的RTM成型模具内装入多向接头纤维预制体并完成模具的装配和密封性检测，抽真空的同时加压注入预热的树脂，树脂充模完成后将注胶口和出胶口密封，将模具整体放入烘箱中加热。随着温度的升高，模具内的树脂充分浸润纤维预制体，并在高温作用下发生化学反应，完成固化成型。如图1所示为本发明载体碳纤维增强树脂基多向复合材料接头的结构图，其中图a、b、c分别为三个不同角度的图示。
[0034]本发明采用多向复合材料接头RTM模具成型复合材料接头的方法具体包括如下步骤:
[0035]步骤(一)、设计多向复合材料接头RTM模具，如图2所示为本发明多向复合材料接头RTM模具的三维爆炸图；图3所示为本发明多向复合材料接头RTM模具三维结构图。该模具包括底座2、三个预制孔芯模3，三个瓣模1、7、11，四个芯模4、5、6、8，四个端盖10，定位销9，螺钉12，其中一个端盖10上开有注胶口，另外三个端盖10上均开有出胶口。
[0036]步骤(二)、RTM模具试装配与密封性测试
[0037]如图4所示为本发明多向复合材料接头RTM模具中底座及预制孔芯模结构图；将三个预制孔芯模3通过开设在底座2上的定位孔与底座2连接，预制孔芯模3为圆柱形的实心结构，其中一个预制孔芯模通过定位孔安装在底座2底部，另外两个预制孔芯模通过定位孔安装在底座2的侧壁上。然后将三个瓣模(第一瓣膜1、第二瓣膜7、第三瓣膜11)通过销钉9定位、螺钉连接安装在底座2上，同时三个瓣模之间也通过销钉9定位、螺钉连接。四个芯模(第一芯模4、第二芯模5、第三芯模6、第四芯模8)分别通过各自一端的定位圆柱段与四个端盖10的定位段连接，同时端盖10通过销钉定位、螺钉连接实现与底座2及各个瓣膜之间的连接。三个瓣膜安装前需要将密封条放入密封槽内，同样在端盖10安装前要在密封槽内安装密封条。组装完成后的成型模具如图3所示。
[0038]本发明根据多向接头的结构特点设计RTM成型模具，为了保证多向接头成型精度及脱模方便，成型模具采用分瓣结构形式，如图2所示，以模具底座2为装配基准，其余三瓣模具通过销钉实现与底座定位并通过螺钉紧固。
[0039]为了实现多向接头的成型，需要设计芯模，考虑到芯模装配精度，芯模之间采用键联接，同时各芯模通过轴端圆柱段与端盖的过渡配合实现定位；为确保RTM模具的密封性，各瓣模具之间以及与端盖之间用密封圈实现封闭；在模具底座上加工预制孔芯模定位孔，实现接头埋件连接孔的直接成型，如图2所示。
[0040]模具加工完成后首先要检测其密封性，将一个端盖上的注胶口 13连接真空泵，并封闭出胶口 14，真空压力表读数稳定即认为满足密封性要求。
[0041]步骤(三)、采用多向复合材料接头RTM模具成型复合材料，具体步骤如下:
[0042](I)、将四个芯模4、5、6、8分别装入编制好的多向接头纤维预制体中，保证各芯模端部的键联接到位，并在多向接头纤维预制体上预制孔位置拨开芯模的安装空间。
[0043](2)、将装好芯模的多向接头纤维预制体装入三个瓣模1、7、11中，并在底座2的定位孔处安装三个预制孔芯模3。
[0044](3)、将装入多向接头纤维预制体的三个瓣模1、7、11通过销钉9定位、螺钉连接安装在底座2上，同时三个瓣模1、7、11之间通过销钉9定位、螺钉连接，将多向接头纤维预制体各向多余部分纤维去除，并将四个芯模4、5、6、8分别通过各自一端的定位圆柱段与四个端盖10的定位段连接，同时端盖10通过销钉定位、螺钉连接实现与底座2及各个瓣模之间的连接，成型模具安装完成后如图5所示，图5为本发明采用多向复合材料接头RTM模具成型复合材料接头原理示意图。
[0045](4)、将多向复合材料接头RTM模具放入烘箱内预热60?80 V并保温2?3小时，保温完成后在高温状态下将模具取出。将注射机的注胶管路与成型模具16的注胶口 13连接；
[0046](5)、将树脂加热到温度60?80°C时，将树脂从多向复合材料接头RTM模具端盖10上的注胶口注入到多向复合材料接头RTM模具内，注胶过程中注意观察出胶口 14的树脂流动状态，当树脂从端盖10的出胶口连续流出时停止注胶，脱开与注胶管道连接，并快速用密封螺钉将注胶口 13与出胶口 14均全部密封。
[0047](6)、将多向接头RTM成型模具放入烘箱中，在80?85°C中保温I?1.5h，然后在150?160°C保温2?3h。最后拆除多向复合材料接头RTM模具，完成复合材料接头的固化成型。
[0048]实施例1
[0049]四向复合材料接头RTM成型模具外形尺寸为230X180X170，成型的接头外径38mm,内径30mm，埋件安装孔直径Φ8，复合材料为高模量纤维/环氧树脂。预制孔芯模为圆柱形实心结构，其外形尺寸(直径)公差为(0，+0.1)，模具上预制孔芯模定位孔(直径)公差(-0.1，O)，定位段长度为10mm。采用该模具成型后的四向复合材料接头无损探伤符合GJB2895-A级要求，外形尺寸公差满足要求(+0.15?+0.25)，预制孔孔径精度实测值Φ8.12_，满足公差要求(+0.1?+0.2)。
[0050]以上所述，仅为本发明最佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
[0051]本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
【权利要求】
1.采用多向复合材料接头RTM模具成型复合材料接头的方法，其特征在于:所述多向复合材料接头RTM模具包括底座(2)、三个预制孔芯模(3)、三个瓣模(1、7、11)、四个芯模(4、5、6、8)和四个端盖(10)，其中一个端盖(10)上开有注胶口，另外三个端盖(10)上均开有出胶口，具体实现过程如下: 步骤(一)、装配多向复合材料接头RTM模具并检测密封性，具体步骤如下: 将三个预制孔芯模(3)通过开设在底座(2)上的定位孔与底座(2)连接，然后将三个瓣模(1、7、11)安装在底座⑵上，同时三个瓣模(1、7、11)之间也进行连接，四个芯模(4、5、6、8)分别通过各自一端的定位圆柱段与四个端盖(10)的定位段连接，同时端盖(10)实现与底座(2)及各个瓣模之间的连接，之后对装配完成的RTM模具进行密封性检测，若密封性满足要求，进入步骤(二)； 步骤(二)、采用多向复合材料接头RTM模具成型复合材料，具体步骤如下: (1)、将四个芯模(4、5、6、8)分别装入编制好的多向接头纤维预制体中，并在多向接头纤维预制体上预制孔位置拨开所述芯模的安装空间； (2)、将装好芯模的多向接头纤维预制体装入三个瓣模(1、7、11)中，并在底座(2)的定位孔处安装三个预制孔芯模(3)； (3)、将装入多向接头纤维预制体的三个瓣模(1、7、11)安装在底座(2)上，同时三个瓣模(1、7、11)之间进行连接，将多向接头纤维预制体各向多余部分纤维去除，并将四个芯模(4、5、6、8)分别通过各自一端的定位圆柱段与四个端盖(10)的定位段连接，同时端盖(10)实现与底座(2)及各个瓣模之间的连接； (4)、将多向复合材料接头RTM模具放入烘箱内预热至60?80°C，并保温2?3小时，将树脂加热到60?80°C后，从多向复合材料接头RTM模具端盖(10)上的注胶口注入到多向复合材料接头RTM模具内，当树脂从端盖(10)的出胶口连续流出时停止注胶，并将注胶口与出胶口密封； (5)、将多向接头RTM成型模具放入烘箱中，在高温环境中保温一定时间，最后拆除多向复合材料接头RTM模具，完成复合材料接头的固化成型。
2.根据权利要求1所述的采用多向复合材料接头RTM模具成型复合材料接头的方法，其特征在于:所述三个预制孔芯模(3)为圆柱形的实心结构，其中一个预制孔芯模通过定位孔安装在底座(2)底部，另外两个预制孔芯模通过定位孔安装在底座(2)的侧壁上。
3.根据权利要求1所述的采用多向复合材料接头RTM模具成型复合材料接头的方法，其特征在于:所述三个瓣模(1、7、11)通过销钉(9)定位、螺钉连接安装在底座(2)上，三个瓣模(1、7、11)之间通过销钉(9)定位、螺钉连接；端盖(10)通过销钉定位、螺钉连接实现与底座(2)及各个瓣膜之间的连接。
4.根据权利要求1所述的采用多向复合材料接头RTM模具成型复合材料接头的方法，其特征在于:所述三个瓣模(1、7、11)和端盖(10)安装前均需要在密封槽内安装密封条。
5.根据权利要求1所述的采用多向复合材料接头RTM模具成型复合材料接头的方法，其特征在于:所述步骤(二)的(5)中多向接头RTM成型模具放入烘箱中，在80?85°C中保温I?1.5h，然后在150?160°C保温2?3h。
6.根据权利要求1所述的采用多向复合材料接头RTM模具成型复合材料接头的方法，其特征在于:所述步骤(一)中密封性检测的方法为:将一个端盖上的注胶口 13连接真空泵，并封闭出胶口 14，真空压力表读数稳定即满足密封性要求。
【文档编号】B29C70/48GK104260373SQ201410390107
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年8月8日 优先权日:2014年8月8日
【发明者】刘佳, 张鹏飞, 马立 申请人:北京卫星制造厂