CN106738505A - 一种具有复合结构的复合材料成型模具的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种具有复合结构的复合材料成型模具的制造方法，属于复合材料成型技术领域，尤其涉及一种具有复合结构的复合材料成型模具的制造方法。针对大型、精密复合材料零件成型模具的成形精度低及制造成本高和使用寿命短的问题，本发明根据模具数模，加工复合材料模具支架，并对支架进行装配连接；根据模具型面CAD数模利用增材制造方法逐层堆积加工出模具金属型面以及型面与支架装配组件；利用数控机床对模具型面以及型面与支架装配的组件进行粗加工；模具型面与支架通过自锁式组件进行装配连接；对装配好的模具进行型面精加工，制造出具有复合结构的复合材料成型模具。本发明适用于复合结构的复合材料成型模具的制造。

Description

一种具有复合结构的复合材料成型模具的制造方法

技术领域

本发明属于复合材料成型技术领域，尤其涉及一种具有复合结构的复合材料成型模具的制造方法。

背景技术

复合材料以其高比刚度、高比强度、重量轻、隐身性好以及抗疲劳、抗腐蚀等优点在飞机结构件上越来越多地被采用，如波音B787及空客A350等型号飞机，且复合材料零件的制造呈现尺寸更大、外形更复杂等趋势，因此对复合材料零件的制造质量提出了更高的要求。由于复合材料制件的固化成型特点，其质量尤其是变形控制在很大程度上取决于成型模具的质量。

其中，碳纤维复合材料模具具有热膨胀系数与零件一致成型精度高的特点，但制造成本高、易损坏、使用寿命短、且存在不易脱模及难以修复等缺点制约其大规模应用。Invar钢等金属材料模具具有耐高温、耐磨损、使用周期长等特点，相比碳纤维复合材料模具而言使用寿命长优势显著，但大尺寸复杂结构金属模具重量过大，对运输承载能力以及热压罐设备尺寸要求过高，且现有的制造方法存在精度差、成本高等问题。现有的大尺寸复杂型面模具制造过程是：厚板分块成形，模具型面和支架装配及焊接，分块模具型面拼焊，模具型面铣切粗加工及精加工等。其中型面成形主要是滚弯(或冲压)成形加水火校形，焊接是手工氩弧焊。对于复杂曲率厚板成形加工、成形型面长焊缝拼焊等加工过程易出现外形超差、焊缝处漏气等质量问题，需要返工修复，同时，型面厚板铣切加工量大，成本高。另一方面，现有方法加工的模具型面一旦加工完就固化，不能改变，这对于复合材料结构件的研发初期造成很大不便，无法根据零件的回弹变形结果对模具外形进行修复，只能重新加工新的模具。

因此，针对现有的金属模具加工制造过程易出现的复杂曲率厚板成形控制难、长焊缝焊接质量稳定性差等问题，以及碳纤维复合材料模具使用寿命短、修复难、制造成本高等问题，急需改进现有的模具制造方法，从而在保证模具质量的同时，如何科学有效的实现复合材料模具的高精度成型、低成本制造，是复合材料模具设计和制造亟待解决的难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对大型、精密复合材料零件成型模具的成形精度低及制造成本高和使用寿命短的问题，提出一种具有复合结构的复合材料成型模具的制造方法，该方法有效的提高复合材料制件的制造精度，提高使用寿命，保证产品质量。

本发明所述的一种具有复合结构的复合材料成型模具的制造方法，该方法的具体步骤为：

步骤一、根据模具数模，加工复合材料模具支架，并对支架进行装配连接；

步骤二、根据模具型面CAD数模利用增材制造方法逐层堆积加工出模具金属型面以及型面与支架装配组件；

步骤三、利用数控机床对模具型面以及型面与支架装配的组件进行粗加工；

步骤四、模具型面与支架通过自锁式组件进行装配连接；

步骤五、对装配好的模具进行型面精加工，完成具有复合结构的复合材料成型模具的制造。

本发明具有的优点和有益效果：

1)金属型面和复合材料支架结构的模具可以缩短模具的制造周期，降低模具制造成本；

2)复杂型面增材制造可以一次性成型，成型精度高，避免传统制造过程中出现的厚板成形控制精度差、对成形设备要求高等问题，以及避免传统制造过程中出现的型面拼焊定位难度大，以及出现漏气缺陷的问题；

4)支架采用复合材料可以减轻模具重量，且与Invar钢型面热膨胀系数接近，减小模具型面与支架之间因热膨胀系数差异造成的变形；

5)自锁式结构装配可以解决金属型面和复合材料支架连接问题，避免传统制造过程中模具型面与支架装配难及焊接工作量大等问题；

6)复合结构模具可以根据工艺要求对模具型面进行修正及修复，避免单一的碳纤维复合材料结构模具型面固化无法改变的特点。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为具体实施方式五所述的碳纤维复合材料支架；

图3为具体实施方式五所述的模具型面的CAD模型；

图4为具体实施方式五所述的Invar钢型面制造示意图；

图5为具体实施方式五所述的模具型面和支架连接的自锁式结构示意图；

图6为具体实施方式五所述的最终装配好的平尾翼根整流罩模具示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种具有复合结构的复合材料成型模具的制造方法，该方法的具体步骤为：

步骤一、根据模具数模，加工复合材料模具支架，并对支架进行装配连接；

步骤二、根据模具型面CAD数模利用增材制造方法逐层堆积加工出模具金属型面以及型面与支架装配组件；

步骤三、利用数控机床对模具型面以及型面与支架装配的组件进行粗加工；

步骤四、模具型面与支架通过自锁式组件进行装配连接；

步骤五、对装配好的模具进行型面精加工，完成具有复合结构的复合材料成型模具的制造。

具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种具有复合结构的复合材料成型模具的制造方法的进一步说明，步骤二所述的增材制造方法包括激光增材方法、电子束增材方法和电弧(TIG或MIG)增材方法。

本实施方式所述的模具型面增材制造方法包括但不局限于激光增材、电子束增材、电弧(TIG或MIG)增材等方法。

如果在模具开始加工前设计人员需要更改尺寸，只需更新增材制造程序的CAD数模；对于模具在加工过程中或者加工后局部位置需要更改尺寸，那么需要在更改的部位铣切掉多余的材料，按照新的数模增材制造，再进行后续的加工。

对于模具表面在使用过程中造成的损伤，也可以参考上述方法进行修复处理。

具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一或二所述的一种具有复合结构的复合材料成型模具的制造方法的进一步说明，步骤二所述的模具型面为碳纤维复合材料、Invar钢或镍合金。

具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种具有复合结构的复合材料成型模具的制造方法的进一步说明，步骤三所述的利用数控机床对模具型面以及型面与支架装配的组件进行粗加工的具体方法为：采用端铣刀铣切型面的下表面，铣切轴向切深小于3mm。

具体实施方式五、本实施方式是对具体实施方式一或四所述的一种具有复合结构的复合材料成型模具的制造方法的进一步说明，步骤五所述对装配好的模具进行型面精加工的方法为：在模具型面上表面先用端铣刀铣切，铣切轴向切深小于0.8mm，然后再用球头铣刀铣切加工至模具的理论外形，模具最终轮廓度误差小于0.4mm。

具体实施例，以平尾翼根整流罩成型模为例，结合附图和具体实施方式对本发明进一步地说明：

1)如图2所示，利用传统的方法加工碳纤维复合材料支架，并对支架进行装配连接；

2)如图3所示，根据模具型面的CAD模型进行分层处理，运用计算机生产每层的扫描路径，沿扫描路径进行逐层堆积成形出Invar钢型面以及Invar钢型面与碳纤维支架装配连接的组件；

3)如图4所示，可以使用激光增材成形、电子束增材成形、电弧(TIG或MIG)增材成形等方法进行Invar钢型面制造，图中编号1为增材制造设备工作头，标号2为模具型面；

4)图5为模具型面和支架连接的自锁式结构示意图，其中编号3为Invar钢模具型面背部装配组件，通过该结构将模具型面与支架进行装配连接，编号4为模具碳纤维支架上组件。

5)图6为最终装配好的平尾翼根整流罩模具示意图。

6)如因为设计变更或者工艺调整，需要对加工好的模具型面进行局部修正，则对修正部位进行数控铣切达到要求后，重复步骤3)进行局部增材制造成形，最终实现该部位的外形调整。

综上所述，本发明提供的复合结构的复合材料成型用模具的制造方法，可以实现型面形状复杂、尺寸精度高的模具的精密、快速制造。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具有复合结构的复合材料成型模具的制造方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：

步骤一、根据模具数模，加工复合材料模具支架，并对支架进行装配连接；

步骤二、根据模具型面CAD数模利用增材制造方法逐层堆积加工出模具金属型面以及型面与支架装配组件；

步骤三、利用数控机床对模具型面以及型面与支架装配的组件进行粗加工；

步骤四、模具型面与支架通过自锁式组件进行装配连接；

步骤五、对装配好的模具进行型面精加工，完成具有复合结构的复合材料成型模具的制造。

2.根据权利要求1所述的一种具有复合结构的复合材料成型模具的制造方法，其特征在于，步骤二所述的增材制造方法包括激光增材方法、电子束增材方法和电弧增材方法。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有复合结构的复合材料成型模具的制造方法，其特征在于，步骤二所述的模具型面为碳纤维复合材料、Invar钢或镍合金。

4.根据权利要求1所述的一种具有复合结构的复合材料成型模具的制造方法，其特征在于，步骤三所述的利用数控机床对模具型面以及型面与支架装配的组件进行粗加工的具体方法为：采用端铣刀铣切型面的下表面，铣切轴向切深小于3mm。

5.根据权利要求1或4所述的一种具有复合结构的复合材料成型模具的制造方法，其特征在于，步骤五所述对装配好的模具进行型面精加工的方法为：在模具型面上表面先用端铣刀铣切，铣切轴向切深小于0.8mm，然后再用球头铣刀铣切加工至模具的理论外形，模具最终轮廓度误差小于0.4mm。