一种涡轮外环预制体成型模具及工艺的制作方法

1.本发明涉及发动机制造技术领域，具体涉及一种涡轮外环预制体成型模具及工艺。


背景技术：

2.本发明对于背景技术的描述属于与本发明相关的相关技术，仅仅是用于说明和便于理解本发明的

技术实现要素：
，不应理解为申请人明确认为或推定申请人认为是本发明在首次提出申请的申请日的现有技术。
3.涡轮外环是发动机涡轮机构的重要部件，其主要功能是隔绝高温燃气冲刷，保持机匣结构的完整性。其研制技术和制造水平对发动机性能具有重要影响。
4.sicf/sic复合材料作为一种新型的热结构和功能一体化战略材料，它具有低密度、耐高温、高比强、高比模、抗氧化、抗烧蚀，对裂纹不敏感，不发生灾难性损毁等特点，广泛应用于航空、航天、核电和光伏领域。
5.涡轮外环采用叠层碳化硅布得到预制体，并通过化学气象沉积制备，涡轮外环构件发展趋势是纤维整体成型且纤维连续性较强，无需在线铆接或加工。现有复杂结构sic/sic和c/sic复合材料纤维织物的实心成型模具，通过人工控制内、外模相对位置的成型工艺，在成型过程存在叠层过程型面控制难度大、缝制困难、模具定位偏心、外形加工造成纤维布层断裂的问题，因此无法应用于高精度要求的涡轮外环的成型过程。
发明内容
6.本发明的目的在于提供一种涡轮外环预制体成型模具及工艺，以解决现有实心成型模具在叠层过程中模具定位差，无法制备高精度要求的涡轮外环的问题。
7.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
8.一种涡轮外环预制体成型模具，其包括底座以及用于压制成型预制品的上模和下模；下模包括第一定位块、第二定位块第三定位块；第一定位块横向设置，其包括分别与底座连接的第一端和第二端，第二定位块间隔设置在第一端的上方，第二定位块与第一定位块可拆卸连接；第三定位块间隔设置在第二端的上方，第三定位块与底座可拆卸连接，第三定位块与第二定位块相对设置；上模与相对应的第一定位块和第三定位块压合，并且第一定位块、第三定位块和上模均设置有用于缝制相对应编织物的缝合孔。
9.采用上述技术方案的有益效果为：底座放置在水平的工作台上，第一端和第二端分别安装在底座上，先将第一层编织物铺设在第一定位块上并与第一定位块进行简单缝合，将第二层编织物铺设在第一层编织物上，将第一层编织物和第二层编织物的贴合部位与第一定位块进行简单缝合；第二定位块放置在第二层编织物上并与第一定位块连接，第二定位块将第一层编织物和第二层编织物的贴合部位进行定位压合；将第三层编织物铺设在第三定位块上，再将第三定位块安装在底座上，最后将第四层编织物铺设在第三层编织物和第二层编织物之间，将第一层编织物、第二层编织物、第三层编织物和第四层编织物的
贴合部位与第三定位块和第一定位块整体进行紧密缝合；将第二定位块从第一定位块上拆卸下来，将相对应的上模与第一定位块和第三定位块连接，第二层编织物的一端进行180
°
的翻折并铺设在相对应的上模，并对贴合部位进行简单缝合，第五层编织物铺设在第一层编织物和第二层编织物上，第一层编织物和第五层编织物的贴合部位与第一定位块进行紧密缝合，第二层编织物和第五编织物的贴合部位与相对应的上模进行紧密缝合，当相对应的编织物铺设完成并与相对应的定位块缝合好后，得到由编织物叠层形成的预制体，拆卸底座，将相对应的上模对准第一定位块进行压合，从而使预制体压实紧凑进行气相沉积处理。
10.考虑到涡轮外环预制体尺寸偏小且结构较为复杂，需要一层一层堆叠铺设，并且相应的编织物均为无固定形状的布条，因此在预制体的成型过程中，不仅需要模具可以满足预制体的外形需求还需要模具容易调节和定位。本技术方案针对预制体的形状，将模具设计为上模和下模配套使用的结构，并且下模的结构为可以拆分的三个定位块，实现相对应的编织物可以层层进行铺设，相对应的定位块上设置有缝合孔，每铺设一层编织物可以对相对应的部分进行缝合，从而使编织物与编织物之间、编织物与定位块之间不易分离和断裂，减小编织物堆叠过程中的扭曲变形程度，不仅有利于预制体进行后续的气相沉积处理，还有利于提高预制体的成型精度，通过此种灵活的成型模具可以制备尺寸精度要求高的涡轮外环预制体。
11.进一步地，上模包括相互连接的第一压合块和第二压合块，第一压合块设置在第一端的上方，第二压合块位于第三定位块和第一压合块之间，并且第二压合块靠近第二端的一端与第三定位块可拆卸连接，第二压合块靠近第一端的一端与第一压合块连接。
12.进一步地，第二压合块包括相互连接的连接板和压紧板，连接板位于第三定位块和第一压合块之间，压紧板位于第一定位块和第一压合块之间，压紧板与第三定位块相对设置，并且压紧板设置有缝合孔。
13.采用上述技术方案的有益效果为：当第一层编织物、第二层编织物、第三层编织物和第四层编织物铺设完成后，由于预制体的形状不规则，铺设完成后，连接板用于压合铺设在第二端和第三定位块上的编织物，并将第二压合块与相对应贴合的编织物进行紧密缝合，再将第一压合块与第二压合块连接，第一压合块压合第一定位块。本技术方案的第一压合块和第二压合块相配套使用，第一压合块和第二压合块的接触面分别与相对的编织物接触，对第一定位块和第三定位块分别施加力，对编制形成的预制体进行压合。本技术方案的上模为可拆分的结构，针对不同的预制体形状设置与之相适配的接触面，使得上模可以更好地与相对应的编织物接触，提高上模的压合效果。
14.进一步地，连接板的顶部设有连接卡槽，第一压合块卡接在连接卡槽中；连接板、第三定位块和第一定位块通过第一销轴连接。
15.进一步地，第一定位块的两侧分别设置有第一连接块，第二定位块的两侧分别设置有第二连接块，第一连接块和第二连接块通过第二销轴连接；压紧板的两侧分别设置第三连接块，第一连接块和第三连接块通过第三销轴连接；第一连接块与第二连接块之间、第一连接块与第三连接块分别设置有第三限位块。
16.采用上述方案的有益效果为：考虑到拆卸掉第二定位块后，再安装压紧板，本技术方案的第二定位块和压紧板均为可拆分的结构，满足预制体到的成型形状要求，使用灵活
度大大提高，第二定位块还可以对铺设好的第二层编织物和第一层编织物进行压合，有利于铺设后续的编织物，并且第二定位块和压紧板的压合程度可以由第三限位块的高度决定，避免出现压合过度的问题。
17.进一步地，上模通过加强框与下模压合，第一定位块、第三定位块和上模依次连接，加强框横向设置，加强框的底部内壁与第一定位块连接，加强框的一侧内壁分别与第一端和相对应的上模连接，加强框的另一侧内壁与第二端之间、相对应的上模之间分别设置有第四限位块，加强框的顶部内壁与相对应的上模之间设置有第五限位块。
18.进一步地，加强框的数量为2,2个加强框分别位于上模和下模的两侧，并且2个加强框相互平行设置。
19.采用上述技术方案的有益效果为：上模与下模压合后，编织物分别与上模和上模缝合，将底座从第一定位块上拆卸下来，用加强框框住上模和下模，上模和下模之间的间隙用第一限位块和第二限位块进行限位填充，设置加强框可以避免上模与下模分离，增加上模与下模之间的连接强度，从而确保预制体在气相沉积的过程不发生严重偏移。
20.一种涡轮外环预制体成型模具的工艺，其包括以下步骤：
21.s1：将底座放置在水平工作台上，第一端和第二端分别嵌设在底座中，将第一层编织物和第二层编织物从下至上依次铺设在第一定位块上，相对应的编织物形成的间隙处铺设填充编织物，相对应的编织物的贴合部位与第一定位块进行简单缝制；
22.s2：将第二定位块放置在第二层编织物上，并将第二定位块与第一定位块连接；
23.s3：在第三定位块上铺设第三层编织物，将第三定位块与底座连接，第三层编织物位于第一层编织物和第二层编织物之间，相对应的编织物形成的间隙处铺设填充编织物，相对应的编织物的贴合部位与第三定位块和第一定位块整体上进行简单缝制；
24.s4：在第二层编织物和第三层编织物之间铺设第四层编织物，相对应的编织物形成的间隙处铺设填充编织物，相对应的编织物的贴合部位与第三定位块和第一定位块进行紧密缝制；
25.s5：将第二定位块从第一定位块上拆卸下来，相对应的上模与第三定位块进行压合，第二层编织物翻折一定的角度并铺设在相对应的上模上，在第一层编织物和第二层编织物的顶部铺设第五层编织物，相对应的编织物形成的间隙处铺设填充编织物，相对应的编织物的贴合部位与相对应的上模和第一定位块进行紧密缝制；
26.s6：将相对应的上模与第一定位块进行压合得到预制体，拆除底座，采用化学气相沉积法制得涡轮外环坯料。
27.进一步地，第一层编织物、第二层编织物、第三层编织物、第四层编织物和第五层编织物的材质为碳化硅布或碳布。
28.采用上述技术方案的有益效果为：碳化硅布或碳布既能满足制备不同形状和尺寸和预制体，而且还具有低密度、耐高温、抗氧化、抗烧蚀和不发生灾难性损毁的优点，满足涡轮外环的使用需求。
29.进一步地，缝制用的缝线材质为1k或3k碳纤维。
30.本发明具有以下有益效果：
31.(1)本发明针对预制体的形状，将模具设计为上模和下模配套使用的结构，并且下模的结构为可以拆分的三个定位块，实现相对应的编织物可以层层进行铺设，相对应的定
位块上设置有缝合孔，每铺设一层编织物可以对相对应的部分进行缝合，从而使编织物与编织物之间、编织物与定位块之间不易分离和断裂，减小编织物堆叠过程中的扭曲变形程度，不仅有利于预制体进行后续的气相沉积处理，还有利于提高预制体的成型精度，通过此种灵活的成型模具可以制备尺寸精度要求高的涡轮外环预制体。
32.(2)本发明的第一压合块和第二压合块相配套使用，第一压合块和第二压合块的接触面分别与相对的编织物接触，对第一定位块和第三定位块分别施加力，对编制形成的预制体进行压合。本发明的上模为可拆分的结构，针对不同的预制体形状设置与之相适配的接触面，使得上模可以更好地与相对应的编织物接触，提高上模的压合效果。
33.(3)本发明的第二定位块和压紧板均为可拆分的结构，满足预制体到的成型形状要求，使用灵活度大大提高，第二定位块还可以对铺设好的第二层编织物和第一层编织物进行压合，有利于铺设后续的编织物，并且第二定位块和压紧板的压合程度可以由限位块的高度决定，避免出现压合过度的问题。
附图说明
34.图1为本发明涡轮外环预制体成型模具的结构示意图。
35.图2为本发明涡轮外环预制体的结构示意图。
36.图3为本发明的底座的结构示意图。
37.图4为本发明的第二定位块的结构示意图。
38.图5为本发明的上模的结构示意图。
39.图6为本发明的第二压合块的结构示意图。
40.图7为本发明的加强框的结构示意图。
41.图中：1-上模；101-第一压合块；102-第二压合块；121-连接板；122-压紧板；123-连接卡槽；2-下模；201-第一定位块；211-第一端；212-第二端；202-第二定位块；203-第三定位块；3-缝合孔；4-底座；5-加强框；601-第一层编织物；602-第二层编织物；603-第三层编织物；604-第四层编织物；605-第五层编织物；606-填充编织物；701-第一连接块；702-第二连接块；703-第三连接块；801-第一销轴；802-第二销轴；803-第三销轴；901-第一限位块；902-第二限位块；903-第三限位块。
具体实施方式
42.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
43.请参照图1，一种涡轮外环预制体成型模具，其包括底座4以及用于压制成型预制品的上模1和下模2，下模2用于铺设多层编织物成型预制体，上模1与下模2压合，将预制体进行压合再进行气相沉积处理。将多层编织物一一铺设在下模2中成型为预制体，上模1与下模2闭合对预制体进行压合，将模具设计为上模1和下模2配套使用的结构，有利于铺设编织物，使用更为灵活。
44.请参照图1和图2，在本实施例中，涡轮外环预制体包括第一层编织物601、第二层编织物602第三层编织物603、第四层编织物604、第五层编织物605以及用于填充相对应编织物形成的间隙处的填充编织物606。第二层编织物602铺设在在第一层编织物601上并进
行180
°
的翻折，第五层编织物605的一端铺设在第一层编织物601上，第五层编织物605的另一端铺设在第二层编织物602的翻折部分上，第一编织物和第二层编织物602之间形成间隙，第一编织物、第五层编织物605和第二层编织物602之间形成间隙；第三层编织物603的横截面呈u型铺设在第二层编织物602和第一层编织物601之间，并在第二层编织物602和第三层编织物603之间铺设第四层编织物604，使得第二层编织物602、第一层编织物601和第三层编织物603之间形成间隙，第二层编织物602、第三层编织物603和第四层编织物604之间形成间隙。间隙处分别填充相对应的填充编织物606，值得说明的是，填充编织物606为预先制得的编织物，其形状与相对应的间隙相匹配，其外壁设有胶水层用于黏附在相对应的间隙中。在其他实施例预制体的形状可以为其他形状以及铺设多于或少于5层的编织物。
45.请参照图1和图3，底座4为倒u型，底座4的两端分别设置有台阶卡槽，在本实施例中，底座4的顶部一端设置有1个台阶卡槽，底座4的顶部另一端设置有2个台阶卡槽。
46.下模2包括用于铺设第一层编织物601和第二层编织物602的第一定位块201、压制第一层编织物601和第二层编织物602的第二定位块202以及用于铺设第三层编织物603和第四层编织物604的第三定位块203。第一定位块201横向设置，第一定位块201包括分别嵌设在底座4的台阶卡槽中的第一端211和第二端212。第二定位块202设置在第一端211的上方，第三定位块203设置在第二端212的上方，第二定位块202设置在第一端211的上方并与第三定位块203相对设置。
47.第一定位块201和第三定位块203均设置有用于缝制相对应编织物的缝合孔3，缝合孔3间隔设置，每个定位块可以根据缝合需求设置缝合孔3的直径大小以及缝合孔3的排数。
48.预制体编织物的铺设过程：(1)底座4放置在水平的工作台上，第一定位块201安装在底座4上，先将第一层编织物601铺设在第一定位块201上并与第一定位块201进行简单缝合；(2)将第二层编织物602铺设在第一层编织物601上，将第一层编织物601和第二层编织物602的贴合部位与第一定位块201简单缝合，将第二定位块202安装在第一定位块201上压制第一层编织物601和第二层编织物602；(3)将第三层编织物603铺设在第三定位块203上，再将第三定位块203安装在底座4上，最后将第四层编织物604铺设在第三层编织物603和第二层编织物602之间，将第一层编织物601、第二层编织物602、第三层编织物603和第四层编织物604的贴合部位与第三定位块203和第一定位块201进行密缝；(4)将第二定位块202拆卸下来，安装相对应的上模1，第二层编织物602的一端进行180
°
的翻折并铺设在上模1上，再将第五层编织物605的一端铺设在第一层编织物601，第五层编织物605的另一端铺设第二层编织物602上，将第一层编织物601和第五层编织物605的贴合部位与第一定位块201进行密缝，第二层编织物602和第五层编织物605的贴合部位与相对应的上模1进行密缝；(5)当相对应的编织物铺设完成并与相对应的定位块密缝后得到由编织物叠层形成的预制体。
49.请参照图1、图5和图6，上模1包括相互连接的第一压合块101和第二压合块102，第一压合块101设置在第一端211的上方，第二压合块102靠近第二端212的一端与第三定位块203可拆卸连接。第二压合块102包括相互连接的连接板121和压紧板122，连接板121位于第三定位块203和第一压合块101之间，压紧板122位于第一定位块201和第一压合块101之间，压紧板122与第三定位块203相对设置，并且压紧板122设置有缝合孔3。连接板121的顶部设有连接卡槽123，第一压合块101卡接在连接卡槽123中；连接板121、第三定位块203和第一
定位块201通过第一销轴801连接。第一连接块701与第二连接块702之间、第一连接块701与第三连接块703分别设置有第三限位块903。当第一层编织物601、第二层编织物602、第三层编织物603和第四层编织物604铺设完成后，由于预制体的形状不规则，铺设完成后，连接板121用于压合铺设在第二端212和第三定位块203上的编织物，并将第二压合块102与相对应贴合的编织物进行紧密缝合，再将第一压合块101与第二压合块102连接，第一压合块101压合第一定位块201。本发明的第一压合块101和第二压合块102相配套使用，第一压合块101和第二压合块102的接触面分别与相对的编织物接触，对第一定位块201和第三定位块203分别施加力，对编制形成的预制体进行压合。本发明的上模1为可拆分的结构，针对不同的预制体形状设置与之相适配的接触面，使得上模1可以更好地与相对应的编织物接触，提高上模1的压合效果。
50.第二定位块202要先进行安装，在安装第二压合块102之前需要对第二定位块202进行拆卸，并且第二定位块202与第二压合块102都与第一定位块201连接，第一定位块201的两侧分别设置有第一连接块701，第二定位块202的两侧分别设置有第二连接块702，第一连接块701和第二连接块702通过第二销轴802连接；压紧板122的两侧分别设置第三连接块703，第一连接块701和第三连接块703通过第三销轴803连接。第一连接块701与第二连接块702之间、第一连接块701与第三连接块703分别设置有第二限位块902。本发明的第二定位块202和压紧板122均为可拆分的结构，满足预制体到的成型形状要求，使用灵活度大大提高，第二定位块202还可以对铺设好的第二层编织物602和第一层编织物601进行压合，有利于铺设后续的编织物，并且第二定位块202和压紧板122的压合程度可以由第二限位块902的高度决定，避免出现压合过度的问题。
51.上模1与下模2的安装过程；(1)当预制体在下模2中铺设完成后，取下第二销轴802和相对应的第二限位块902，将第二定位块202从第一定位块201上拆卸下来；(2)连接板121和压紧板122与相对应的编织物接触压合，第一销轴801依次穿过连接板121、第三定位块203和第一定位块201，此时第二层编织物602的一端翻折180
°
铺设在压紧板122上，将第五层编织物605铺设在第一层编织物601和第二层编织物602的上方，对铺设在压紧板122上的编织物进行密缝：(3)将第一压合块101放置在连接板121的上方，第一压合块101卡接在连接卡槽123中，第一压合块101与第五层编织物605接触压合。
52.考虑到涡轮外环预制体尺寸偏小且结构较为复杂，需要一层一层堆叠铺设，并且相应的编织物均为无固定形状的布条，因此在预制体的成型过程中，不仅需要模具可以满足预制体的外形需求还需要模具容易调节和定位。本发明针对预制体的形状，将模具设计为上模1和下模2配套使用的结构，并且下模2的结构为可以拆分的三个定位块，实现相对应的编织物可以层层进行铺设，相对应的定位块上设置有缝合孔3，每铺设一层编织物可以对相对应的部分进行缝合，从而使编织物与编织物之间、编织物与定位块之间不易分离和断裂，减小编织物堆叠过程中的扭曲变形程度，不仅有利于预制体进行后续的气相沉积处理，还有利于提高预制体的成型精度，通过此种灵活的成型模具可以制备尺寸精度要求高的涡轮外环预制体。
53.请参照图7，下模1通过加强框5与下模2压合，第一定位块201、第三定位块203和上模1依次连接，加强框5横向设置，加强框5的底部内壁与第一定位块201连接，加强框5的一侧内壁分别与第一端211和相对应的上模1连接，加强框5的另一侧内壁与第二端212之间、
相对应的上模1之间分别设置有第一限位块901，加强框5的顶部内壁与相对应的上模1之间设置有第二限位块902。加强框5的数量为2,2个加强框5分别位于上模1和下模2的两侧，并且2个加强框5相互平行设置。上模1与下模2压合后，编织物分别与上模1和下模2缝合，将底座4从第一定位块201上拆卸下来，用加强框框住上模1和下模2，上模1和下模2之间的间隙用第一限位块901和第二限位块902进行限位填充，设置加强框5可以避免上模1与下模2分离，增加上模1与下模2之间的连接强度，从而确保预制体在气相沉积的过程不发生严重偏移。
54.一种涡轮外环预制体成型模具的工艺，包括以下步骤：
55.s1：将底座4放置在水平工作台上，第一端211和第二端212分别嵌设在底座4中，将第一层编织物601和第二层编织物602从下至上依次铺设在第一定位块201上，相对应的编织物形成的间隙处铺设填充编织物606，相对应的编织物的贴合部位与第一定位块201进行简单缝制；
56.s2：将第二定位块202放置在第二层编织物602上，并将第二定位块202与第一定位块201连接；
57.s3：在第三定位块203上铺设第三层编织物603，将第三定位块203与底座4连接，第三层编织物603位于第一层编织物601和第二层编织物602之间，相对应的编织物形成的间隙处铺设填充编织物606，相对应的编织物的贴合部位与第三定位块203和第一定位块201整体进行简单缝制；
58.s4：在第二层编织物602和第三层编织物603之间铺设第四层编织物604，相对应的编织物形成的间隙处铺设填充编织物606，相对应的编织物的贴合部位与第三定位块203进行紧密缝制；
59.s5：将第二定位块202从第一定位块201上拆卸下来，相对应的上模1与第三定位块203进行压合，第二层编织物602翻折一定的角度并铺设在相对应的上模1上，在第一层编织物601和第二层编织物602的顶部铺设第五层编织物605，相对应的编织物形成的间隙处铺设填充编织物606，相对应的编织物的贴合部位与相对应的上模1和第一定位块201整体进行紧密缝制；
60.s6：将相对应的上模1与第一定位块201进行压合得到预制体，拆除底座4，采用化学气相沉积法制得涡轮外环坯料。
61.第一层编织物601、第二层编织物602、第三层编织物603、第四层编织物604和第五层编织物605的材质为碳化硅布或碳布，缝制用的缝线材质为1k或3k碳纤维。碳化硅布或碳布既能满足制备不同形状和尺寸和预制体，而且还具有低密度、耐高温、抗氧化、抗烧蚀和不发生灾难性损毁的优点，满足涡轮外环的使用需求。
62.值得说明的是，第二定位块202和底座4为金属定型辅助工装，其材质均为金属材料，在进行高温气相沉积前，需要将第二定位块202和底座4拆卸下来；模具的其余结构材质均为石墨材料，也即第一压合块101、第二压合块102、第一定位块201、第三定位块203、加强框5、第一连接块701、第三连接块703、第一销轴801、第二销轴802、第三销轴803、第一限位块901、第二限位块902和第三限位块903均为石墨材质。
63.以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。