复合材料工字梁的成型方法及成型模具与流程

本发明涉及复合材料工字梁成型技术领域，尤其涉及复合材料工字梁的成型方法及成型模具。

背景技术：

传统复合材料异型工字梁成型时，多用凸模成型，将预浸料铺叠在两块实心刚性模具表面，再粘接形成工字型料坯。随着复合材料的工程应用越来越广泛，所需复合材料异型工字梁的形状也越来越复杂。

然而，实心金属凸模的重量大，成本高，加压时坯料受压不均匀，当成型结构复杂的工字梁时，由于工字梁的空腔位置夹着模具，且其形状为异形，因此成型完后开模难度较大甚至无法取出工字梁。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种复合材料工字梁的成型方法，使开模工序简化、坯料受压均匀，从而适合成型结构复杂的工字梁。

本发明还提出一种复合材料工字梁的成型模具。

本发明第一方面实施例提供了一种复合材料工字梁的成型方法，包括如下步骤：

步骤1：塑型出两端均开口的一对筒状芯轴，每个所述筒状芯轴的两端开口处均安装封头，所述封头均与所述筒状芯轴的端部密封连接，一对所述筒状芯轴的两端所述封头中的一个均设有通孔，所述通孔连接气嘴装置；

步骤2：将工字梁的预浸料按预设的铺层顺序分别铺在一对所述筒状芯轴上；

步骤3：将步骤2中铺完所述预浸料的一对所述筒状芯轴依次紧靠下模放入模具中，一对所述筒状芯轴的相邻侧粘接，以形成工字梁的坯体，从所述模具的侧边开口放上镶块，将一对所述筒状芯轴封装在所述模具内，并盖好上模；

步骤4：将模具按照设定方式加热、加压，同时由所述气嘴装置连接风管向所述筒状芯轴内供压，以对工字梁的坯体内加压；

步骤5：工字梁的坯体成型完成后，在温度降到设定温度时，从模具中抽出呈软化状的所述筒状芯轴，打开上模及镶块，取出成型的工字梁。

根据本发明的一个实施例，所述塑型出两端均开口的一对筒状芯轴的步骤，包括通过3d打印出所需的筒状芯轴；

所述筒状芯轴由均质材料制成，并在90℃以上呈软质。

根据本发明的一个实施例，步骤5中，所述设定温度为所述筒状芯轴呈软质状态时所处的温度。

根据本发明的一个实施例，所述每个所述筒状芯轴的两端开口处均安装封头的步骤，包括将两个所述封头的外表面均与所述筒状芯轴的对应端的开口内壁密封连接。

根据本发明的一个实施例，所述筒状芯轴塑型为沿其长度方向呈弧形，且在所述筒状芯轴的上表面与下表面分别加工有凹槽，所述凹槽的轴向沿所述筒状芯轴的宽度方向，所述筒状芯轴的上表面与下表面的形状与所述工字梁的坯体形状相匹配，所述模具的底面形状与所述筒状芯轴的下表面形状相匹配，所述上模的下表面形状与所述筒状芯轴的上表面形状相匹配。

根据本发明的一个实施例，所述将工字梁的预浸料按预设的铺层顺序分别铺在一对所述筒状芯轴上的步骤，包括：将工字梁的预浸料先分别围绕每个所述筒状芯轴的顶面、侧面以及底面铺设，其中，所述侧面为一对所述筒状芯轴的相邻侧面，然后沿一对所述筒状芯轴的顶面铺设一层顶层工字梁的预浸料，以及沿一对所述筒状芯轴的底面铺设一层底层工字梁的预浸料。

根据本发明的一个实施例，所述将模具按照设定方式加热、加压的步骤包括将模具放入热压机机台上进行按照设定方式加热、加压。

根据本发明的一个实施例，设有所述通孔的所述封头位于一对所述筒状芯轴的同一端。

本发明第二方面实施例提供了一种复合材料工字梁的成型模具，其包括：

底模，所述底模构造有底面和包围所述底面的型腔，所述底模位于所述型腔的一侧设有挡板，所述底模位于所述挡板的相对侧设有侧边开口；

一对筒状芯轴，每个所述筒状芯轴的两端开口，并在开口处密封有封头，其中一个所述封头上设有通孔，并连接气嘴装置，一对所述筒状芯轴分别用于铺设工字梁的预浸料，并用于放入所述型腔内与所述底面以及挡板的侧面对接；

镶块，用于封闭所述侧边开口，所述镶块用于与位于所述侧边开口处的所述筒状芯轴的侧面对接；

上模，用于盖设在一对所述筒状芯轴的上表面。

根据本发明的一个实施例，所述筒状芯轴沿其长度方向呈弧形，且在所述筒状芯轴的上表面与下表面分别加工有凹槽，所述凹槽的轴向沿所述筒状芯轴的宽度方向，所述筒状芯轴的上表面与下表面的形状与所述工字梁的坯体形状相匹配，所述底模的底面形状与所述筒状芯轴的下表面形状相匹配，所述上模的下表面形状与所述筒状芯轴的上表面形状相匹配。

根据本发明的一个实施例，所述底模位于所述筒状芯轴的长度方向的两侧分别设有切板，所述切板构造有并排的两个缺口，两个所述缺口之间形成隔板，所述隔板沿所述缺口的底面向上延伸，由所述隔板将一对所述筒状芯轴的两端隔开；

所述气嘴装置用于连接风管。

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

本发明实施例的复合材料工字梁的成型方法，利用空心芯轴模具代替实心金属凸模，降低了模具制造难度、制造成本及模具重量；且在温度降到设定温度时，从模具中抽出呈软化状的所述筒状芯轴，成型的工字梁完整地留在了模具的空腔中，打开上模及镶块，取出成型的工字梁即可，从而使开模工序简化、坯料受压均匀，适合成型结构复杂的工字梁。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

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，下面描述中的附图仅仅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是本发明实施例提供的复合材料工字梁的成型模具打开上模的立体结构示意图；

图2是本发明实施例提供的复合材料工字梁的成型模具放入工字梁的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的复合材料工字梁的成型模具的轴向截面示意图；

图4是本发明实施例提供的复合材料工字梁的成型模具的横截面示意图；

图5是本发明实施例提供的复合材料工字梁的成型模具中的筒状芯轴的结构示意图。

附图标记：

1：筒状芯轴；2：封头；201：第一封头；202：第二封头；203：第三封头；204：第四封头；3：上模；4：下模；401：第一切板；402：第二切板；403：挡板；5：镶块；6：通孔；7：工字梁的预浸料；701：第一预浸料层；702：第二预浸料层；703：第三预浸料层；704：第四预浸料层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

第一方面，本发明实施例提供了一种复合材料工字梁的成型方法，结合图1至图5所示，包括如下步骤：

步骤1：芯轴塑型：塑型出两端均开口的一对筒状芯轴1，具体地，筒状芯轴1形成两端连通的空腔，形成空心芯轴，每个所述筒状芯轴1的两端开口处均安装封头2，依次为第一封头201、第二封头202、第三封头203和第四封头204，所述封头2均与所述筒状芯轴1的端部密封连接，用于封住开口，一对所述筒状芯轴1的两端所述封头2中的一个均设有通孔6，也就是说，每个筒状芯轴1的其中一端的封头2设有通孔6，所述通孔6连接气嘴装置，气嘴装置可以连接风管向筒状芯轴1的空腔内供压，也就是为筒状芯轴1的空腔提供压力。

此处，需要说明的是，筒状芯轴1的横截面可以呈矩形、正方形、圆形、椭圆形等形状，具体形状可以根据所需成型的工字梁的形状来选择。

步骤2：工字梁预成型：将工字梁的预浸料7按预设的铺层顺序分别铺在一对所述筒状芯轴1上，当然，为了成型工字梁，将工字梁的预浸料7半包围每个筒状芯轴1，即在筒状芯轴1的外表面铺设形成凹字型的预浸料层即“工”字型的左侧一半和右侧一半，而非口子型的预浸料层，从而两个筒状芯轴1左右并排对接，从而形成“工”字型。

此处，需要说明的是，预浸料是用树脂基体在严格控制的条件下浸渍连续纤维或织物，制成树脂基体与增强体的组合物，是制造复合材料的中间材料。

步骤3：合模：将步骤2中铺完所述预浸料的一对所述筒状芯轴1依次紧靠下模4放入模具中，一对所述筒状芯轴1的相邻侧粘接，以形成工字梁的坯体，从所述模具的侧边开口放上镶块5，将一对所述筒状芯轴1封装在所述模具内，并盖好上模3；

步骤4：工字梁固化成型：将模具按照设定方式加热、加压，同时由所述气嘴装置连接风管向所述筒状芯轴1内供压，以对工字梁的坯体内加压；

步骤5：降温、脱模：工字梁的坯体成型完成后，在温度降到设定温度时，从模具中抽出呈软化状的所述筒状芯轴1，成型的工字梁完整地留在了模具的空腔中，打开上模3及镶块5，取出成型的工字梁即可。从而使开模工序简化、坯料受压均匀，适合成型结构复杂的工字梁。

根据本发明的一个实施例，所述塑型出两端均开口的一对筒状芯轴1的步骤，包括通过3d打印出所需的筒状芯轴1；采用通过3d打印塑形的、硬度可控的空心芯轴模具代替实心金属凸模，降低了模具制造难度、制造成本及模具重量。

当然，筒状芯轴1不一定通过3d打印制得，如用其他方法制作出有随温度升高而软化、且在较高温(如90℃)时具有一定延展性的材料，代替3d打印出的均质的筒状芯轴1材料，在成型时具有同样的效果。

所述筒状芯轴1由均质材料制成，并在90℃以上呈软质，例如有机硅改性材料，当然，还可以为其他随温度升高而软化、且在较高温(如90℃)时具有一定延展性的材料。进一步地，筒状芯轴1直径在300-600mm之间，高于约90℃时呈软质、可进行适当扩张，在常温下为硬质。

根据本发明的一个实施例，步骤5中，所述设定温度为所述筒状芯轴1呈软质状态时所处的温度，本实施例中，设定温度为约90℃。

根据本发明的一个实施例，如图3所示，所述每个所述筒状芯轴1的两端开口处均安装封头2的步骤，包括将两个所述封头2的外表面均与所述筒状芯轴1的对应端的开口内壁密封连接，即可以将封头2与筒状芯轴1的两端开口过盈配合连接，实现密封连接。

为了成型异型的工字梁结构，如图1和图5所示，一个具体实施例，所述筒状芯轴1塑型为沿其长度方向呈弧形，且在所述筒状芯轴1的上表面与下表面分别加工有凹槽，所述凹槽的轴向沿所述筒状芯轴1的宽度方向，所述筒状芯轴1的上表面与下表面的形状与所要成型的工字梁的坯体形状相匹配，即工字梁的坯体上下表面呈弧形且具有凹槽，所述模具的底面形状与所述筒状芯轴1的下表面形状相匹配，从而筒状芯轴1的下表面与模具的底面匹配对接，以成型工字梁的下表面，所述上模3的下表面形状与所述筒状芯轴1的上表面形状相匹配，从而筒状芯轴1的上表面与上模3的下表面匹配对接，以成型工字梁的上表面。铺层部分相粘接，形成所需不规则弧形的工字梁。

根据本发明的一个实施例，所述将工字梁的预浸料7按预设的铺层顺序分别铺在一对所述筒状芯轴1上的步骤，如图4所示，包括：将工字梁的预浸料7先分别围绕每个所述筒状芯轴1的顶面、侧面以及底面铺设，其中，所述侧面为一对所述筒状芯轴1的相邻侧面，即形成上述所述的开口朝向左侧或右侧的“凹”字型，形成第一预浸料层701和第二预浸料层702，即形成“工”字型的左侧或右侧，然后沿一对所述筒状芯轴1的底面铺设一层底层工字梁的预浸料7，底层工字梁的预浸料7沿两个“凹”字型的底面铺设完整的一层，形成第三预浸料层703，将两个“凹”字型中间的接缝也完好地密封，并沿一对所述筒状芯轴1的顶面铺设一层顶层工字梁的预浸料7，形成第四预浸料层704，顶层工字梁的预浸料7沿两个“凹”字型的顶面铺设完整的一层，将两个“凹”字型中间的接缝也完好地密封，从而在筒状芯轴1的表面形成完整的工字梁。

根据本发明的一个实施例，所述将模具按照设定方式加热、加压的步骤包括将模具放入热压机机台上进行按照设定方式加热、加压，此处的设定方式可以通过对热压机进行程序设定得到，加热的温度以及加压的压力可以根据需要进行设定。

为了便于在同一侧对两个筒状芯轴1同时供气加压，例如通过同一个供风管路的两个支管分别连接两个所述通孔6，根据本发明的一个实施例，设有所述通孔6的所述封头2位于一对所述筒状芯轴1的同一端，便于操作方便。

一个具体实施例中，所述工字梁为复合材料，且形状不规则，以梁呈工字型水平放置为标准：工字梁高度在300-500mm之间，上下表面的宽度在300-600mm之间，上下表面的厚度在1mm-3mm之间。

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

实施例一：

一种复合材料工字梁的成型工艺，包括以下步骤：

步骤1：芯轴塑型；3d打印出所需筒状芯轴1，筒状芯轴1形状与工字梁内腔、模具适配，筒状芯轴1两端装金属封头2，筒状芯轴1一端密封，另一端通过带圆孔的封头2接气嘴装置；

步骤2：工字梁预成型；将工字梁的预浸料7按设计的铺层顺序分别铺在两芯轴对应位置；

步骤3：合模；将贴完料的筒状芯轴1依次紧靠下模4放入模具中，两筒状芯轴1对称相接，粘接形成工字梁的坯体，放上镶块5，盖好上模3；

步骤4：工字梁固化成型；将模具放入热压机机台上，按照设定的制度加热、加压，同时尼龙风管通过筒状芯轴1对工字梁内部加压；

步骤5：降温、脱模；成型完成后，在温度降到90℃左右时取出模具，从模具中抽出呈软化状的筒状芯轴1，打开上模3及镶块5，取出成型的工字梁。

工字梁为复合材料，且结构复杂，以梁呈工字型水平放置：工字梁高度为300mm，上下表面的宽度为300mm，上下表面的厚度为1mm。

所述筒状芯轴1为不规则圆筒状均质材料，直径为300mm，高于约90℃时呈软质、可进行适当扩张。

实施例二：

一种复合材料工字梁的成型工艺，包括以下步骤：

步骤1：芯轴塑型；3d打印出所需筒状芯轴1，筒状芯轴1形状与工字梁内腔、模具适配，筒状芯轴1两端装金属封头2，筒状芯轴1一端密封，另一端通过带圆孔的封头2接气嘴装置；

步骤2：工字梁预成型；将工字梁的预浸料7按设计的铺层顺序分别铺在两筒状芯轴1对应位置；

步骤3：合模；将贴完料的筒状芯轴1依次紧靠下模4放入模具中，两筒状芯轴1对称相接，粘接形成工字梁的坯体，放上镶块5，盖好上模3；

步骤4：工字梁固化成型；将模具放入热压机机台上，按照设定的制度加热、加压，同时尼龙风管通过筒状芯轴1对工字梁内部加压；

步骤5：降温、脱模；成型完成后，在温度降到90℃左右时取出模具，从模具中抽出呈软化状的筒状芯轴1，打开上模3及镶块5，取出成型的工字梁。

工字梁为复合材料，且结构复杂，以梁呈工字型水平放置：工字梁高度为400mm，上下表面的宽度为450mm，上下表面的厚度为2mm。

所述筒状芯轴1为不规则圆筒状均质材料，直径为450mm，高于约90℃时呈软质、可进行适当扩张。

实施例三：

一种复合材料工字梁的成型工艺，包括以下步骤：

步骤1：芯轴塑型；3d打印出所需筒状芯轴1，筒状芯轴1形状与工字梁内腔、模具适配，筒状芯轴1两端装金属封头2，筒状芯轴1一端密封，另一端通过带圆孔的封头2接气嘴装置；

步骤2：工字梁预成型；将工字梁的预浸料7按设计的铺层顺序分别铺在两筒状芯轴1对应位置；

步骤3：合模；将贴完料的筒状芯轴1依次紧靠下模4放入模具中，两筒状芯轴1对称相接，粘接形成工字梁的坯体，放上镶块5，盖好上模3；

步骤4：工字梁固化成型；将模具放入热压机机台上，按照设定的制度加热、加压，同时尼龙风管通过筒状芯轴1对工字梁内部加压；

步骤5：降温、脱模；成型完成后，在温度降到90℃左右时取出模具，从模具中抽出呈软化状的筒状芯轴1，打开上模3及镶块5，取出成型的工字梁。

工字梁为复合材料，且结构复杂，以梁呈工字型水平放置：工字梁高度为500mm，上下表面的宽度为600mm，上下表面的厚度为3mm。

所述筒状芯轴1为不规则圆筒状均质材料，直径为600mm，高于约90℃时呈软质、可进行适当扩张。

对于结构复杂的工字梁，采用空心芯轴作为模具型腔内的凸模，通过3d打印将空心芯轴塑造成所需凸模的形状。空心芯轴代替实心金属凸模，降低了模具制造难度、制造成本及模具重量。空心芯轴在约90℃以上软化，可直接从模具中抽出，使开模工序简化，适宜成型结构复杂的工字梁。

第二方面，如图1至图5所示，本发明实施例还提供了一种复合材料工字梁的成型模具，其包括：

底模，所述底模构造有底面，作为基准面和包围所述底面的型腔，所述底模位于所述型腔的一侧设有挡板403，所述底模位于所述挡板403的相对侧设有侧边开口；

一对筒状芯轴1，每个所述筒状芯轴1的两端开口，并在开口处密封有封头2，其中一个所述封头2上设有通孔6，并连接气嘴装置，一对所述筒状芯轴1分别用于铺设工字梁的预浸料7，并用于放入所述型腔内与所述底面以及挡板403的侧面对接；

镶块5，用于封闭所述侧边开口，所述镶块5用于与位于所述侧边开口处的所述筒状芯轴1的侧面对接；

上模3，用于盖设在一对所述筒状芯轴1的上表面，上模3的上表面为平面，下表面与铺完工字梁的预浸料7的筒状芯轴1的表面相匹配。

根据本发明的一个实施例，如图5所示，所述筒状芯轴1沿其长度方向呈弧形，且在所述筒状芯轴1的上表面与下表面分别加工有凹槽，所述凹槽的轴向沿所述筒状芯轴1的宽度方向，所述筒状芯轴1的上表面与下表面的形状与所述工字梁的坯体形状相匹配，所述底模的底面形状与所述筒状芯轴1的下表面形状相匹配，所述上模3的下表面形状与所述筒状芯轴1的上表面形状相匹配。相应地，挡板403和镶块5的上表面同样形成有开口槽，开口槽的大小、形状与铺完工字梁的预浸料7后的筒状芯轴1上表面的预浸料层的表面凹槽大小、形状相一致，从而形成一个贯通槽，与上模3的下表面凸模形状一致，相应地，底模的底面形成有向上凸起的凸模，凸模的形状与铺完工字梁的预浸料7后的筒状芯轴1下表面的预浸料层的表面凹槽大小、形状相一致。

为了便于筒状芯轴1在工字梁成型后抽出，本发明的一个实施例，所述底模位于所述筒状芯轴1的长度方向的两侧分别设有切板，具体为第一切板401和第二切板402，所述切板上构造有并排的两个缺口，两个缺口之间形成隔板，隔板沿所述缺口的底面向上延伸，由所述隔板将一对所述筒状芯轴1的两端隔开，隔板的延伸方向沿筒状芯轴1的轴向，隔板的厚度不宜过厚，能够适应两个筒状芯轴1之间的缝隙即可。

具体地，隔板的成型可以通过在底模的两端切出该缺口时预留出中部的隔板即可。

所述气嘴装置用于连接风管，例如尼龙风管，通过尼龙风管为气嘴装置提供气压，气嘴装置连接至通孔6，为筒状芯轴1的空腔提供气压。

本发明实施例采用可通过3d打印塑形的、硬度可控的空心芯轴模具代替实心金属凸模，降低了模具制造难度、制造成本及模具重量；空心芯轴的硬度随温度变化，在成型完后呈软化状态时取出，使开模工序简化、坯料受压均匀，从而适合成型结构复杂的工字梁。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。