一种用于复合材料网格结构自动铺缠工艺的装置的制作方法

本发明涉及航天、航空中回转体复合材料结构的自动制造领域，尤其涉及一种用于复合材料网格结构自动铺缠工艺的装置。

背景技术：

复合材料网格缠绕结构与其它结构形式相比具有很多优点：相对于光筒壳，复合材料网格缠绕结构通过缠绕各向以网格形式布置的筋条的办法，可在有限增加板壳结构重量的情况下，显著提高结构的承载能力。筋条由单向连续纤维缠绕，是既刚又韧的稳定体系，与铝合金网格结构尤其是与铸造铝合金网格结构相比结构效率高，可大幅度减重，实现结构轻质化。复合材料网格结构与层合结构相比，没有材料的匹配问题，自稳定性高，结构抗屈曲能力强。可根据载荷调整网格形式及各向筋条结构参数(包括筋条间距、筋条截面形状、尺寸等)和蒙皮的厚度、缠绕顺序及角度，具有广泛的适应能力和优化可能性。由筋条构成的骨架将蒙皮分割成许多曲板，而筋条构成蒙皮曲板的边界条件，显著提高了蒙皮局部失稳的临界载荷。可减少对初始缺陷的敏感性，经各向缠绕，由单向纤维制成的筋在节点处类似于编织，不会发生分层破坏，裂纹不会沿筋间的空间扩展，耐损伤的能力强。网格结构筋条应力分布均匀、结构稳定，且拥有逐级破坏特征，可有效分配载荷，产生较大变形，利于能量吸收。空间开放构形使得结构便于检测和修补。连续纤维缠绕工艺技术，可实现完全自动化，减少了制造成本，提高了生产效率，对于批量生产极为有利。复合材料网格结构因其诸多优点，在航天火箭研制系统中得到了越来越广泛的应用。

复合材料构件用专门设计制造的装置来使材料的复合过程和构件的成型过程同时完成。制件固化成型后几乎不再作任何加工。其内部结构、力学性能应达到设计要求。表面质量、外表尺寸应满足装配协调要求。不允许强迫装配。因而成型复合材料模具的优劣对制品的外形及内部质量起着决定性作用。模具的设计及制造是复合材料结构成型工艺的基础。

现有的制作复合材料网格缠绕结构的装置比较复杂，自动化程度不高，不能很好地适应自动制造的需求，且制作的产品尺寸不精确，脱模效率低的问题。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：相比于现有技术，提供了一种用于复合材料网格结构自动铺缠工艺的装置，提高了自动化程度和脱模效率，提高了产品尺寸的精确性。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种用于复合材料网格结构自动铺缠工艺的装置，该装置包括：芯模、若干个阳模模块、第一法兰、若干个第一针棒、若干个第二针棒、第一挡圈、第二挡圈、轴和第二法兰；其中，所述若干个阳模模块沿所述芯模的周向并排拼接的设置于所述芯模的侧表面构成阳模，所述阳模通过环筋筋槽和纵筋筋槽形成网格状结构；所述第一法兰与所述芯模的下端面相连接，所述第二法兰与所述芯模的上端面相连接；所述轴穿设于所述第一法兰、所述芯模和所述第二法兰，其中，所述轴的轴线、所述第一法兰的轴线、所述芯模的轴线和所述第二法兰的轴线相重合；所述第一挡圈套设于所述轴的下部，并压接于所述第一法兰；所述第二挡圈套设于所述轴的上部，并压接于所述第二法兰；所述若干个第一针棒沿所述芯模的周向与所述纵筋筋槽相对应的设置于所述芯模的下端面；所述若干个第二针棒沿所述芯模的周向与所述纵筋筋槽相对应的设置于所述芯模的上端面。

上述用于复合材料网格结构自动铺缠工艺的装置中，还包括：若干个螺栓；其中，所述阳模模块通过所述螺栓与所述芯模的侧表面相连接；所述第一法兰通过所述螺栓与所述芯模的下端面相连接；所述第二法兰通过所述螺栓与所述芯模的上端面相连接。

上述用于复合材料网格结构自动铺缠工艺的装置中，还包括：若干个销；其中，所述阳模模块通过所述销与所述芯模的侧表面相连接；所述第一法兰通过所述销与所述芯模的下端面相连接；所述第二法兰通过所述销与所述芯模的上端面相连接。

上述用于复合材料网格结构自动铺缠工艺的装置中，所述第一法兰和所述第二法兰均包括圆环部、辐条和中心部，其中，所述圆环部通过所述辐条与所述中心部相连接。

上述用于复合材料网格结构自动铺缠工艺的装置中，所述辐条的数量为6个，6个辐条沿所述圆环部的周向均匀分布。

上述用于复合材料网格结构自动铺缠工艺的装置中，所述芯模为圆柱体或圆锥体，所述阳模的形状与所述芯模的形状相匹配。

上述用于复合材料网格结构自动铺缠工艺的装置中，所述环筋筋槽的间隔范围为40-50mm，所述纵筋筋槽的间隔范围为80-90mm。

上述用于复合材料网格结构自动铺缠工艺的装置中，所述环筋筋槽和纵筋筋槽的宽度范围为4-8mm，深度为10-14mm。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

本发明通过将芯模、若干个阳模模块、第一法兰、若干个第一针棒、若干个第二针棒、第一挡圈、第二挡圈、轴和第二法兰连接成型，提高了自动化的程度；

本发明通过若干个阳模模块提高了脱模效率；

本发明通过针棒对复合材料进行纵向缠绕，保持了复合材料的张力，节省了复合材料。

附图说明

图1示出了本发明的实施例提供的用于复合材料网格结构自动铺缠工艺的装置的结构示意图；

图2示出了本发明的实施例提供的用于复合材料网格结构自动铺缠工艺的装置的又一结构示意图；

图3示出了本发明的实施例提供的用于复合材料网格结构自动铺缠工艺的装置中，固化装置的结构示意图；

图4示出了本发明的实施例提供的用于复合材料网格结构自动铺缠工艺的装置中，固化装置的又一结构示意图；

图5-1示出了本发明的实施例提供的用于复合材料网格结构自动铺缠工艺的装置中，未加环向筋槽和纵向筋槽的阳模模块的结构示意图；

图5-2示出了本发明的实施例提供的用于复合材料网格结构自动铺缠工艺的装置中，带有标记的阳模模块的结构示意图；

图6-1示出了本发明的实施例提供的用于复合材料网格结构自动铺缠工艺的装置中，缠有纤维的阳模模块在固化之前的横截面示意图；

图6-2示出了本发明的实施例提供的用于复合材料网格结构自动铺缠工艺的装置中，缠有纤维的阳模模块在固化之后的横截面示意图；

图7-1示出了本发明的实施例提供的用于复合材料网格结构自动铺缠工艺的装置中，缠有纤维的阳模模块在固化之前的纵截面示意图；

图7-2示出了本发明的实施例提供的用于复合材料网格结构自动铺缠工艺的装置中，缠有纤维的阳模模块在固化之后的纵截面示意图；

图8示出了本发明的实施例提供的用于复合材料网格结构自动铺缠工艺的装置中，对应芯模为圆柱体的阳模模块的结构示意图；

图9示出了本发明的实施例提供的用于复合材料网格结构自动铺缠工艺的装置中，对应芯模为圆柱体的阳模模块的又一结构示意图；

图10示出了本发明的实施例提供的用于复合材料网格结构自动铺缠工艺的装置中，对应芯模为圆椎体的阳模的结构示意图；

图11示出了本发明的实施例提供的用于复合材料网格结构自动铺缠工艺的装置中，对应芯模为圆椎体的阳模的又一结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

图1示出了本发明的实施例提供的用于复合材料网格结构自动铺缠工艺的装置的结构示意图，图2示出了本发明的实施例提供的用于复合材料网格结构自动铺缠工艺的装置的又一结构示意图。如图1和图2所示，用于复合材料网格结构自动铺缠工艺的装置包括芯模1、若干个阳模模块2、第一法兰3、若干个第一针棒41、若干个第二针棒42、第一挡圈51、第二挡圈52、轴6和第二法兰7。具体实施时，芯模1可以为圆柱体形状，也可以为圆锥体形状，图中示出的芯模1的形状为圆柱体形状，芯模1的材料为钢材，通过卷焊成型，避免了铸造芯模制造周期长、容易出缺陷、不耐用的缺点。阳模模块2的材料为铝合金，阳模模块2的形状与芯模1的形状相对应，从而使得该装置能够适用于不同形状的网格产品。其中，

若干个阳模模块2沿芯模1的周向并排拼接的设置于芯模1的侧表面构成阳模，阳模通过环筋筋槽21和纵筋筋槽22形成网格状结构。具体实施时，若干个阳模模块2沿芯模1的周向无缝隙拼接于芯模1的侧表面构成阳模，其中，阳模模块2分为内表面大于外表面的阳模模块和内表面小于外表面的阳模模块(如图8和图9所示)，两种类型的阳模模块通过指定的要求拼接成阳模，阳模的形状如图5-1所示的圆柱体形状，通过环筋筋槽21和纵筋筋槽22将阳模模块2分隔成网格状结构。阳模模块2的数量可以为36个，从而对应的，在芯模1的周向上，每十度具有一个阳模模块与芯模1的侧表面相连接，从而在后期的脱模过程中提高了脱模效率。阳模模块2可以通过螺栓9与芯模1的侧表面相连接。如图5-2所示，在阳模模块和芯模相应位置打编号，编号分别为A1-A8、B1-B8、C1-C8、D1-D8、E1-E6，从而使得阳模模块2的数量较少，大大提高了脱模的效率和脱模重新装配缠绕成型的效率。具体的，环筋筋槽21的间隔范围为40-50mm，纵筋筋槽22的间隔范围为80-90mm，从而使得后期形成的复合材料网格状结构的承载能力大大提高。优选的，环筋筋槽21的间隔为50mm，纵筋筋槽22的间隔为87.3mm。对环筋筋槽和纵筋筋槽的宽度和深度也进行了优化，宽度范围为4-8mm，深度为10-14mm，优选的，宽度为6mm，深度为12mm，拔模角3°，如图6-1、7-1所示，筋槽为上窄下宽的梯形。

第一法兰3与芯模1的下端面相连接，第二法兰7与芯模1的上端面相连接。具体实施时，第一法兰3可以通过螺栓9与芯模1的下端面相连接，第二法兰7可以通过螺栓9与芯模1的上端面相连接。

轴6穿设于第一法兰3、芯模1和第二法兰7，其中，轴6的轴线、第一法兰3的轴线、芯模1的轴线和第二法兰7的轴线相重合。具体实施时，第一法兰3、芯模1和第二法兰7的中心均开设有圆孔，轴6穿过第一法兰3的圆孔、芯模1的圆孔和第二法兰7的圆孔，从而将第一法兰3、芯模1和第二法兰7套设在轴6。

第一挡圈51套设于轴6的下部，并压接于第一法兰3。具体实施时，轴6的下部穿过第一挡圈51的中心圆孔，第一挡圈51可以与轴6螺纹连接，通过调节第一挡圈51使得与第一法兰3紧密接触，从而对第一法兰3进行了限位。

第二挡圈52套设于轴6的上部，并压接于第二法兰7。具体实施时，轴6的上部穿过第二挡圈52的中心圆孔，第二挡圈52可以与轴6螺纹连接，通过调节第二挡圈52使得与第二法兰7紧密接触，从而对第二法兰7进行了限位。

若干个第一针棒41沿芯模1的周向与纵筋筋槽相对应的设置于所述芯模1的下端面。具体实施时，在每个纵筋筋槽22与芯模1的下端面相对应的位置处设置第一针棒41。第一针棒41的制作材料可以为钢材，第一针棒41可以与芯模1的下端面螺纹连接。

若干个第二针棒42沿芯模1的周向与纵筋筋槽22相对应的设置于芯模1的上端面。具体实施时，在每个纵筋筋槽22与芯模1的上端面相对应的位置处设置第二针棒42，从而间接地，第二针棒42与第一针棒41一一对应。第二针棒42的制作材料可以为钢材，第二针棒42可以与芯模1的上端面螺纹连接。

自动缠绕时，将轴6放置于缠绕机上，在缠绕机上将复合材料丝束浸润树脂后自动缠绕于阳模的环筋筋槽内，通过第二针棒42与第一针棒41将复合材料丝束浸润树脂后自动缠绕于阳模的纵筋筋槽内，使得复合材料丝束浸润树脂后依次环向和纵向相叠加的缠绕，形成复合材料网格结构，通过第二针棒42与第一针棒41使得浸润树脂后的复合材料丝束在纵向上保持张力，从而提高了复合材料网格结构的自稳定性。浸润树脂后的复合材料丝束在环筋筋槽和纵筋筋槽缠绕完成之后再自动缠绕于阳模外表面形成蒙皮。

本实施例通过将芯模、若干个阳模模块、第一法兰、若干个第一针棒、若干个第二针棒、第一挡圈、第二挡圈、轴和第二法兰连接成型得到复合材料网格结构自动铺缠工艺的成型装置，提高了自动化的程度；本实施例通过若干个阳模模块提高了脱模效率；本实施例通过第一针棒和第二针棒对复合材料进行纵向缠绕，保持了复合材料的张力，提高了复合材料网格结构的自稳定性，节省了复合材料。

上述实施例中，该复合材料网格结构自动铺缠工艺的装置还包括若干个销8，其中，阳模模块2通过销8与芯模1的侧表面相连接；第一法兰3通过销8与芯模1的下端面相连接；第二法兰7通过销8与芯模1的上端面相连接。具体的，销8在本实施例中即起到连接的作用，又起到定位的作用，通过销8从而使得阳模模块2与芯模1不会发生相对移动，使得第一法兰3与芯模1不会发生相对移动，使得第二法兰7与芯模1不会发生相对移动，从而保证了在缠绕过程中，使得复合材料缠绕成型的产品尺寸精确，并且保证了该成型装置的工作效率。

上述实施例中，第一法兰3和第二法兰7均包括圆环部371、辐条372和中心部373，其中，圆环部371通过辐条372与中心部373相连接。具体实施时，圆环部371通过辐条372与中心部373焊接，相比于圆盘状的法兰，第一法兰3和第二法兰7在保证其强度的情况下节省了材料。辐条372的数量为6个，6个辐条沿圆环部的周向均匀分布，从而进一步提高了第一法兰3和第二法兰7的强度。进一步的，辐条372的剖面为“凸”字型，从而使的第一法兰3和第二法兰7具有足够刚度。

图3示出了本发明的实施例提供的用于复合材料网格结构自动铺缠工艺的装置中，固化装置的结构示意图。图4示出了本发明的实施例提供的用于复合材料网格结构自动铺缠工艺的装置中，固化装置的又一结构示意图。如图3和图4所示，固化装置包括芯模1、若干个阳模模块2、销8、上压环10、箍带11、阴模12、下压环14和底板15，其中，若干个阳模模块2沿芯模1的周向无缝隙并排设置于芯模1的侧表面构成阳模，上压环10通过销8与芯模1的上端面相对应的连接起来，下压环14通过销8与芯模1的下端面相对应的连接起来，阴模12通过箍带11与阳模的外表面相压接，底板15连接于芯模1的下端面、阳模模的下端面和阴模12的下端面，从而使得底板15能够托住芯模1、阳模模块2和阴模12。

对复合材料网格结构固化时，将轴6、第一法兰3和第二法兰7拆掉，按照图3安装上压环10、下压环14和阴模12，并用箍带11箍住阴模12，底板15用于托住芯模1、阳模模块2和阴模12，便于将成型装置及其中的复合材料网格结构移入固化罐内进行固化。固化时在压力作用下，上压环10、下压环14和阴模12共同挤压产品外表面，使产品固化成型。

图6-1示出了本发明的实施例提供的用于复合材料网格结构自动铺缠工艺的装置中，缠有纤维的阳模模块在固化之前的横截面示意图。图6-2示出了本发明的实施例提供的用于复合材料网格结构自动铺缠工艺的装置中，缠有纤维的阳模模块在固化之后的横截面示意图。图7-1示出了本发明的实施例提供的用于复合材料网格结构自动铺缠工艺的装置中，缠有纤维的阳模模块在固化之前的纵截面示意图。图7-2示出了本发明的实施例提供的用于复合材料网格结构自动铺缠工艺的装置中，缠有纤维的阳模模块在固化之后的纵截面示意图。

如图6-1所示，复合材料网格结构固化成型后，将芯模与阳模模块拆除，将芯模拔出，阳模模块向柱段截面圆心方向脱模，先拆卸掉外表面小于内表面的阳模模块，从而有利于脱模，阳模模块环向脱模角为3°。如图7-1所示，环筋脱模角为3°。

因是热压成型，可利用膨胀量方便成型后产品的脱模，同时避免脱模过程中对产品造成损伤。

膨胀量按下式计算：

Δl＝l₀×(α_m-α_c)×(T_gel-t)

式中：Δl为固化装置膨胀量；l₀为产品尺寸；α_m为固化装置热膨胀系数；α_c为产品热膨胀系数；T_gel为树脂凝胶点温度，t为室温温度，一般取25℃。

Δα＝(α_m-α_c)为热膨胀系数差，按钢合金热膨胀系数与碳材料热膨胀系数的差计算。

经计算，固化装置在180℃-200℃固化温度下的膨胀量为1‰-2‰，而复合材料网格结构固化后几乎不随温度的变化而膨胀收缩。固化后随着温度从固化温度降低到室温，阳模随芯模向内收缩接近1mm，由于阳模已离开复合材料网格结构，利于顺利脱模。

由于芯模的形状可以为圆锥体，也可以为曲母线回转体(即圆形回转体结构)，相对应的，由阳模模块构成的阳模的形状也可以为圆锥形，也可以为曲母线回转体(即圆形回转体结构)，如图10和图11所示。

本发明通过将芯模、若干个阳模模块、第一法兰、若干个第一针棒、若干个第二针棒、第一挡圈、第二挡圈、轴和第二法兰连接成型得到复合材料网格结构自动铺缠工艺的成型装置，提高了自动化的程度；本实施例通过若干个阳模模块提高了脱模效率；本实施例通过第一针棒和第二针棒对复合材料进行纵向缠绕，保持了复合材料的张力，提高了复合材料网格结构的自稳定性，节省了复合材料。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。