一种复合材料推进器模压模具及其产品的制作方法

本发明属于模具结构技术领域，更具体地，涉及一种复合材料推进器的模压模具及其产品。

背景技术：

机械(结构)噪声、螺旋桨噪声以及流动噪声构成了船舶水下辐射声场。随着航速的增加，船舶推进器噪声逐渐成为辐射噪声的主要部分。其螺旋桨噪声有自身辐射噪声、其尾流场引起的噪声和螺旋桨引起的尾部振动噪声。研究表明推进器噪声是从几赫兹的次声频直到上百千赫超声频的宽带连续谱上叠加着一些低频特征线谱，其线谱的频率为推进器的叶频及其各阶倍叶频。中低频段的推进器噪声主要由叶片所受的脉动压力以及推进器尾流中的涡引起的，中高频段的主要噪声为空化噪声，推进器在高频段还会出现由于卡门涡街引起的唱音。随着军事科技的飞速发展，现代作战武器及平台的制导、跟踪能力越来越强，螺旋桨噪声会影响舰船的隐蔽性能。因此，要想降低舰船被探测和发现的概率，必须尽可能地降低螺旋桨辐射噪声，资料表明，如果物体辐射噪声减小6db，则被动声纳系统探测距离将减小50％。因此，研究螺旋桨噪声具有重要的军事应用价值，如何降低和控制螺旋桨的振动及辐射噪声一直是国内外专家学者研究的热点问题。

与传统的金属推进器相比，复合材料推进器具有低振动，低噪音，轻质高效，耐海水腐蚀、易维修等特点。但在国内，复合材料螺旋桨仍停留在小型渔船，商船的制造使用阶段，其材料也主要采用的是早期广泛使用的玻璃纤维复合材料，因此螺旋桨的性能相较于金属螺旋桨并没有较大的改善。目前复合材料推进器的模具设计、成型工艺、参数控制、成型精度等成为制约我国复合材料推进器发展的重要因素。国内船用复合材料推进器的成型工艺多为手工成型、rtm成型、灌注成型、分体式成型以及各种方法的混合。现有单一成型工艺往往不能同时兼顾参数控制、成型精度、结构强度等问题。随着国内复合材料基础理论与制造工艺日益成熟，突破了刚度要求高、连接型式多样化、制造工艺规范化等关键技术，已具备了深入工程应用的基本条件。本发明一种复合材料推进器模压模具具有操作简单，成型产品精度高、结构强度高的特点。

专利号cn101704302a公开了一种复合材料螺旋桨的整体成型模具及其制造方法,它主要是为了解决现有螺旋桨的桨毂与桨叶轴系振动、桨叶根部易破坏的问题。模具由上模块、下模和盖板组成，采用rtm工艺制作，该模具适用于桨叶少、叶片曲度不大的复合材料螺旋桨。专利号cn104149361a公开了一种二次成型的碳纤维复合材料螺旋桨制作方法,先对模具及材料的选用及处理,后对桨毂进行第一次成型,再对螺旋桨进行第二次成型,工艺简单、成熟,实现自主生产碳纤维复合材料螺旋桨。专利号cn103253367a公开了一种复合材料空气螺旋桨的制备模具，通过将复合材料空气螺旋桨设计为分体式结构,包括上壁板外形面模具、上壁板内形面模具、下壁板外形面模具和下壁板内形面模具，所述的上壁板外形面模具和上壁板内形面模具相互对接配合后内部形成上壁板型腔。目前，复杂的复合材料推进器成型工艺多为分体式成型，叶片采用rtm成型，后与桨毂定位柱状，所采用的的模具多为推进器叶片rtm模具；叶片较少、结构简单的复合材料推进器多采用rtm、模压工艺等。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷或改进需求，本发明提供一种复合材料推进器的模压模具及其产品，其目的在于，其包括盖板、外模、大端盖、小端盖、骨架模、单元模及辅助工具，通过多组骨架模组合后形成的模腔进行预浸料模压成型获得推进器的胚模，并利用多组单元模组合后形成的模腔在胚模表面继续铺贴预浸料，再次模压成型制造得到复合材料推进器，既能保证复合材料推进器的结构强度，又能保证其型面精度，解决了现有技术中复合材料推进器制造精度不高及结构强度不足等问题。

为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种复合材料推进器模压模具，包括盖板及设于所述盖板上的外模，所述模具还包括大端盖、小端盖、骨架模及单元模；其中，

所述大端盖、小端盖结构相匹配，均包括多层圆柱体结构，以在所述大端盖、小端盖相对一端形成凸台结构；

所述骨架模包括前骨架芯模、骨架斜块及后骨架芯模，所述骨架芯模、骨架斜块及后骨架芯模均为六面异形件，其两端均设有与所述凸台结构相配合的肩部，多组所述骨架模组合后形成的模腔进行预浸料模压成型获得推进器的胚模；

所述单元模包括前芯模、芯模斜块及后芯模，所述前芯模、芯模斜块及后芯模均为六面异形件，其两端均设有与所述凸台结构相配合的肩部，多组所述单元模组合后形成的模腔便于在所述胚模表面继续铺贴预浸料并模压成型制造得到复合材料推进器。

进一步地，所述前芯模为六面异形件，其中上下两端为平面，其前端面和左端面均为所述胚模的三维型值面，其外端圆锥面是非工作面并与所述外模接触，右端平面与所述骨架斜块接触。

进一步地，所述斜块为六面异形件，其中上下两端为平面，其前端面为所述胚模三维型值面，外端圆锥面是非工作面并设有斜块脱模孔，左右两个平面分别与前骨架芯模、后骨架芯模接触。

进一步地，所述后芯模为六面异形件，其中上下两端为平面，其后端与右端面均为所述胚模三维型值面，其外端圆锥面是非工作面并与外模接触，左端平面与所述骨架斜块接触。

进一步地，所述大端盖包括大端盖顶板、大端盖凸台及芯轴，所述芯轴的中心设有沉头圆柱通孔，所述大端盖顶板的四周均匀设置多个圆柱螺栓通孔，所述大端盖凸台的圆柱体外径与产品圆柱孔配合以保证与产品的同心度。

进一步地，所述小端盖包括小端盖凸台和小端盖底板，所述小端盖凸台的中心设有沉头内六角圆柱通孔，所述小端盖底板的圆柱体外径与产品圆柱孔配合以保证与产品的同心度。

进一步地，所述外模为内部空心的圆锥凸台结构，包括外模本体和外模端盖，所述外模本体为具有倾斜角度的结构。

进一步地，所述盖板为圆柱体结构，其中心设有圆柱形通孔，四周均匀分布多个圆柱孔，且所述圆柱孔底端为内六角沉头孔。

所述模具还包括辅助工具，所述辅助工具包括内六角螺钉与螺母、方螺母、大垫块、小垫块、支架及拔模器。

按照本发明的另一个方面，提供一种产品，应用所述的一种复合材料推进器模压模具制备而成。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明的复合材料推进器的模压模具，其包括盖板、外模、大端盖、小端盖、骨架模、单元模及辅助工具，通过多组骨架模组合后形成的模腔进行预浸料模压成型获得推进器的胚模，并利用多组单元模组合后形成的模腔在胚模表面继续铺贴预浸料，再次模压成型制造得到复合材料推进器，既能保证复合材料推进器的结构强度，又能保证其型面精度，能同时解决了现有技术中复合材料推进器制造精度不高及结构强度不足等问题。

(2)本发明的复合材料推进器的模压模具，骨架模和单元模结构类似，其区别仅在于骨架模的结构尺寸比单元模的结构尺寸小，便于骨架模用于第一次预浸料模压工艺成型推进器胚模，单元模用于推进器第二次在胚模表面继续铺贴预浸料，再次模压成型制造复合材料推进器，实现对复合材料推进器的两次模压成型，从而提高其制造精度。

(3)本发明的复合材料推进器的模压模具，单元模包括前芯模、芯模斜块及后芯模，且三者为一组，共计多组单元模沿桨毂齿轮拼装形成模芯，其拼装后形成的模腔即为推进器的叶片形状，将一定量的碳纤维预浸料放入该模腔中，合模后在一定的温度和压力作用下使其在模腔内受热软化、受压流动、并充满模腔成型、固化而成复合材料制品即为本发明的复合材料推进器。

(4)本发明的复合材料推进器的模压模具，骨架模和单元模均为六面异形件，其上下两端面为平面且设有肩部，该肩部分别与大端盖凸台、小端盖凸台相匹配，从而确保骨架模和单元模与大、小端盖紧密合模，进一步提高模具精度。

(5)本发明的复合材料推进器的模压模具，外模为内部空心的圆锥凸台结构，包括外模本体和外模端盖，外模本体倾斜角度能够保证脱膜顺利并能有效传递力，其顶端中心均匀分布有螺纹孔，用于产品脱膜，外模本体环向对称设有两个圆柱凸孔，当插入翻转轴后既可以翻转整套模具，可以用于外模脱膜。

(6)本发明的复合材料推进器的模压模具，大端盖由多层圆柱结构组成，芯轴的中心设有沉头圆柱通孔用于锁紧上下端盖，大端盖顶板的四周均匀设置多个圆柱螺栓通孔，通孔底端放置小垫块，该孔和垫块用于大端盖脱膜同时也防止溢胶，大端盖顶板圆柱体外径与盖板通孔圆柱孔配合保证模具心度，大端盖凸台圆柱体外径与产品圆柱孔配合保证与产品同心度与溢胶问题。

(7)本发明的复合材料推进器的模压模具，小端盖由多层圆柱结构组成，小端盖凸台的中心设有沉头内六角圆柱通孔用于锁紧上下端盖，小端盖凸台四周均匀设置多个圆柱螺栓通孔，通孔底端放置大垫块，该孔和垫块用于小端盖脱膜，同时也防止溢胶，小端盖底板圆柱体外径与盖板通孔圆柱孔配合、小端盖凸台圆柱体外径与大端盖圆柱体下端内径孔配合共同保证与产品同心度，小端盖底板圆柱体外径与产品圆柱孔配合保证与产品同心度与溢胶问题。

(8)本发明的复合材料推进器的模压模具制备的产品，较普通黄铜合金推进器结构重量减轻达17％，推进效率更高，整体模压成型工艺生产效率高，产品相比传统手工成型、rtm工艺成型产品整体性好、型值偏差更小、工艺稳定、强度更高。

附图说明

图1为本发明实施例的一种复合材料推进器的结构示意图；

图2为本发明实施例的一种复合材料推进器模压模具结构示意图；

图3为本发明实施例的大端盖、桨毂齿轮和小端盖装配示意图；

图4为本发明实施例的桨毂齿轮铺层缠绕结构示意图；

图5为本发明实施例的骨架模和单元模结构示意图；

图6为本发明实施例的骨架模或单元模结构示意图；

图7为本发明实施例的前骨架模或前芯模结构示意图；

图8为本发明实施例的骨架斜块或芯模斜块结构示意图；

图9为本发明实施例的后骨架模或后芯模结构示意图；

图10为本发明实施例的盖板结构示意图；

图11为本发明实施例的外模结构示意图；

图12为本发明实施例的大端盖结构示意图；

图13为本发明实施例的小端盖结构示意图；

图14为本发明实施例的拔模器结构示意图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-盖板、2-外模、201-外模本体、202-外模端盖、3-大端盖、301-大端盖顶板、大端盖凸台、303-芯轴、4-小端盖、401-小端盖凸台、402-小端盖底板、5-骨架模、501-前骨架芯模、502-骨架斜块、503-后骨架芯模、6-单元模、601-前芯模、6011-前芯模曲面、6012-前芯模底肩部、6013-前芯模顶肩部、602-斜块、6022-斜块底肩部、6023-斜块顶肩部、603-后芯模、6031-后芯模曲面、6032-后芯模底肩部、6033-后芯模顶肩部、604-斜块脱模孔、7-辅助工具、8-桨毂齿轮、801-第一铺层、802-第二铺层、803-第三铺层、804-第四铺层、9-桨叶。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明实施例的一种复合材料推进器的结构示意图。如图1所示，该复合材料推进器包括桨毂和叶片，其叶片为三向曲面，不仅结构复杂，要求其成型精度高，而且叶片材料为复合材料，必须满足结构强度要求，因此其成型工艺复杂、模具设计面临巨大困难。为了解决上述问题，本发明将复合材料推进器模压成型分为两次成型，第一次采用骨架模进行预浸料模压工艺成型推进器胚模，第二次采用单元模，在胚模表面继续铺贴预浸料，再次模压成型制造复合材料推进器，且第一次与第二次成型按一定比例实施，既能保证产品强度，又能保证产品精度。

如图2-14所示，本发明的实施例提供一种复合材料推进器模压模具，该模具包括盖板1、外模2、大端盖3、小端盖4、骨架模5、单元模6及辅助工具7。如图2所述，大端盖3与桨毂齿轮8套设后与小端盖4配合固定，其配合固定后用于根据推进器产品的型值在桨毂齿轮外圆周分层缠绕，从而制得桨毂。如图3所示，桨毂齿轮的结构型面优选分为四个不同的曲面结构组成，分别为第一铺层801、第二铺层802、第三铺层803级第四铺层804，其中，第一铺层801为梯形结构，第二铺层802的截面近似为梯形结构，其短边与第一铺层801的长边紧贴，第三铺层803介于小端盖4和第二铺层802之间，其截面为三角形结构，第四铺层804的截面为四边形结构，其一侧与第三铺层803的长边紧贴，优选各个铺层之间纤维连续，包装桨毂具有要求的结构强度。

如图5-9所示，骨架模5与单元模6结构类似，其区别仅在于骨架模5的结构尺寸比单元模6的结构尺寸小，便于骨架模5用于第一次进行预浸料模压工艺成型推进器胚模，单元模6用于推进器第二次在胚模表面继续铺贴预浸料，再次模压成型制造复合材料推进器。其中骨架模5包括前骨架芯模501、骨架斜块502及后骨架芯模503。多组骨架模5组合后空腔部分形成推进器胚模结构，外壁为圆锥凸台，并与外模内壁贴合并传递力到内壁推进器结构。

为了清楚的描述骨架模5和单元模6的结构形式，以单元模6为例，单元模6包括前芯模601、芯模斜块602及后芯模603，且三者为一组，共计多组单元模6沿桨毂齿轮8拼装形成模芯。优选地，单元模6为11组，其拼装后形成的模腔即为推进器的叶片形状，将一定量的碳纤维预浸料放入该模腔中，合模后在一定的温度和压力作用下使其在模腔内受热软化、受压流动、并充满模腔成型、固化而成复合材料制品。

如图7所示，前芯模601为六面异形件，其中上下两端为平面，设有前芯模底肩部6012和前芯模顶肩部6013，类似于治具。前芯模曲面6011为三维曲面，即为胚模型值面；外端圆锥面是非工作面，与外模2接触，受力较大；右端平面与骨架斜块接触。

如图8所示，斜块602为六面异形件，其中上下两端为平面，设有斜块底肩部6022和斜块顶肩部6023，类似于治具；前端三维曲面为胚模型值面；后端圆锥面是非工作面，并设有斜块脱模孔604，左右两个平面分别与前后骨架模接触。

如图9所示后芯模603为六面异形件，其中上下两端为平面，设有后芯模底肩部6032和后芯模顶肩部6033，类似于治具；后端与右端的后芯模曲面均为三维曲面，即为胚模型值面；外端圆锥面是非工作面，与外模接触，受力较大；左端平面与骨架斜块接触。

辅助工具7包括多种型号内六角螺钉与螺母、方螺母、大垫块、小垫块、支架及拔模器。

如图10所示，盖板1为圆柱体结构，中心设有圆柱形通孔，四周均匀分布多个圆柱孔，且圆柱孔底端为内六角沉头孔。

如图11所示，外模2为内部空心的圆锥凸台结构，包括外模本体201和外模端盖202，外模本体201倾斜角度能够保证脱膜顺利并能有效传递力，其顶端中心均匀分布有螺纹孔，用于产品脱膜，外模本体201环向对称设有两个圆柱凸孔，当插入翻转轴后既可以翻转整套模具，可以用于外模脱膜。外模端盖202四周均匀分布多个圆柱孔，用于与盖板1对应圆柱孔配合，并通过内六角圆柱螺钉螺栓将盖板和外模锁紧施加压力；外模端盖202内圈设有环形溢胶槽。

如图12和图13所示，大端盖3和小端盖4组装配合后，可以通过内六角螺钉与螺母锁紧，且大端盖3、小端盖4的端部均设有沉孔过盈配合，螺钉头与螺母均在沉孔里，不影响其他部件装配。

如图12所示，大端盖3由多层圆柱结构组成，分别为大端盖顶板301、大端盖凸台302及芯轴303，芯轴303的中心设有沉头圆柱通孔，用于锁紧上下端盖；大端盖顶板301的四周均匀设置多个圆柱螺栓通孔，通孔底端放置小垫块，该孔和垫块用于大端盖脱膜，同时也防止溢胶；大端盖顶板301圆柱体外径与盖板1通孔圆柱孔配合保证模具心度；大端盖凸台302圆柱体外径与产品圆柱孔配合保证与产品同心度与溢胶问题。

如图13所示，小端盖4由多层圆柱结构组成，分别为小端盖凸台401和小端盖底板402，小端盖凸台401的中心设有沉头内六角圆柱通孔，用于锁紧上下端盖，小端盖凸台401四周均匀设置多个圆柱螺栓通孔，通孔底端放置大垫块，该孔和垫块用于小端盖脱膜，同时也防止溢胶；小端盖底板402圆柱体外径与盖板通孔圆柱孔配合、小端盖凸台401圆柱体外径与大端盖圆柱体下端内径孔配合共同保证与产品同心度；小端盖底板402圆柱体外径与产品圆柱孔配合保证与产品同心度与溢胶问题。

大、小垫块均为圆柱结构，结构表面光滑，上端面设有倒角，周向尺寸与大小端盖对应位置处的沉头孔过盈配合，下端面保持完整，防止溢胶。

如图14所示，拔模器由顶部螺杆、旋转套筒、光滑螺柱以及活动套筒组成，其中顶部螺杆可更换、旋转，旋转套筒可以锁紧顶部螺杆，活动套筒可以在光滑螺柱上自由滑动，脱膜时滑动活动套筒远离模具脱膜孔即可。

优选地，大端盖3、小端盖4、骨架模5、单元模6为p20材料，该材料与碳纤维的受热膨胀系数最为接近，更好的保证产品脱膜后的精度；

采用激光扫描与三坐标相结合的方法对产品蜡模和碳纤维预浸料模型线进行检测，结果表明所述复合材料模压模具型值精度达到0.05mm，成型复合材料产品精度可达0.25mm。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。