本发明涉及一种s型结构构件模具及利用该模具制备s型结构构件的方法。
背景技术：
s型结构构件是航空发动机的重要组成部分，是燃料或推进器在其中燃烧生成高温燃料的装置。
sic/sic复合材料是一种新型热结构/功能一体化材料，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。s型结构构件采用碳化硅布叠层制备，其外观规整，确保化学气相浸渗(cvi)过程中气场畅通，构件整体成型且连续性较强，无需在线铆接。
现有复杂结构sic/sic和c/sic复合材料纤维织物的成型模具采用实心的内、外模整体结构，通过人工控制内、外模相对位置的成型工艺，在成型过程存在脱模困难、模具定位偏心以及定型缝制困难的问题，因此无法应用于s型结构构件的成型过程。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种复杂s型结构的sic/sic和c/sic复合材料纤维织物的成型模具及方法，为解决现有复杂s型结构sic/sic和c/sic复合材料纤维织物的成型模具采用实心的内、外模整体结构，通过人工控制内、外模相对位置的成型工艺，在成型过程存在脱模困难、模具定位偏心以及定型缝制困难的问题。
本发明的技术方案是提供一种s型结构构件成型模具，其特殊之处在于：包括限位工装、外模、内模及芯模；
上述限位工装包括托盘底板、外模限位块与内模限位块；上述托盘底板为圆形底板，沿圆形底板的上表面开设与其同心的环形限位凹槽；
上述外模、内模及芯模均为环形，外模的内环面与芯模的外环面、芯模的内环面与内模的外环面面型适配，芯模的使用型面包裹上需层数的纤维织物；外模、包裹纤维织物的芯模及内模从外至内同轴套设且同轴安装在在环形限位凹槽内；上述内模限位块与外模限位块用于确保外膜与内模的同轴度；
上述芯模包括中空环形模体及位于中空环形模体上端且与其同轴的环形压接模板；
上述中空环形模体由n个模体单元拼接而成；每个模体单元由第二芯模与第三芯模拼接而成；
上述第二芯模为异性曲面模板，包括凹面与凸面；
上述第三芯模为弧形模板；
上述第二芯模的凹面与第三芯模的内弧面相对，且第二芯模的一端面与第三芯模的一端面固连，第二芯模的另一端面与第三芯模的另一端面配合形成与环形压接模板配合的第一配合端；
n个第二芯模的凸面形成中空环形模体的内环面，n个第三芯模的外弧面形成中空环形模体的外环面；n个第二芯模的凹面与n个第三芯模的内弧面形成环形空腔的腔壁；
上述环形压接模板由m个第一芯模首尾连接而成，其中m、n均为大于等于2的自然数，且m小于n；
上述第一芯模为异性模板，上表面为平面，下表面为弧形面；靠近下表面远离上表面的端面处具有配合端，配合端与上述第一配合端配合；环形压接模板的下表面与中空环形模体的外周面圆滑过渡；
相邻两个第一芯模的接缝与相邻两个模体单元的接缝错位；
中空环形模体的内环面、中空环形模体的外环面及环形压接模板的下表面为芯模的使用型面，其型面与目标纤维织物的型面相适配。
进一步地，上述环形空腔的径向截面轮廓为弯月形。
进一步地，上述外模包括环形的第一外模、第二外模与第三外模，第一外模与第二外模同轴设置在限位凹槽内，局部紧密贴合，中间区域空心；上述第三外模由多个弧形外模单元拼接而成，扣设在包裹纤维织物的芯模外部；
上述内模由多个弧形内模拼接而成；
该s型结构构件成型模具还包括第一外环、第二外环、第一内环及第二内环，其中第三外模的上端及下端设有与第一外环、第二外环相适配的拔模角；内模上端及下端设有与第一内环、第二内环相适配的拔模角。
进一步地，上述外模限位块与内模限位块均为与限位凹槽同心的弧形限位块。
进一步地，为了便于脱模，上述第二芯模的另一端面处开设半槽，第三芯模的另一端面处开设半槽，上述第二芯模的半槽与第三芯模的半槽配合形成凹槽，上述凹槽为第一配合端；
上述第一芯模的配合端为设置在其端面的凸台，上述凸台位于上述凹槽内。
进一步地，上述第二芯模的一端面与第三芯模的一端面止口配合连接。
进一步地，第一芯模、第二芯模及第三芯模的连接处均采用高温胶固定；n个模体单元的端面使用高温胶固定；相邻的两个第一芯模连接处采用高温胶固定。
进一步地，m等于3，n等于6。
本发明还提供一种利用上述的模具实现s型构建制备的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1、将第一外模和第二外模同轴放入圆型托盘底板的环形限位凹槽内，第二外模的外环面紧贴第一外模的内环面，同时使用外模限位块进行位置固定，外模限位块的两个弧形侧壁分别顶紧环形限位凹槽的槽壁及第二外模的内环面；
步骤2、在芯模上使用型面上包裹上需层数的纤维织物，预留翻边纤维织物；
步骤3：使用碳纤维将纤维织物贯穿缝制至芯模上；
步骤4、将附带纤维织物的芯模放置于步骤1完成的工装内，芯模包裹纤维织物的外环面贴紧第二外模的内环面，包裹纤维织物的环形压接模板下表面搭接在第二外模的上端面；将预留的翻边纤维织物沿第二外模向下翻边；
步骤5、使用碳纤维将附带纤维织物的芯模贯穿缝制至第一外模与第二外模上；
步骤6、移除外模限位块，安装内模；内模的外环面紧贴包裹纤维织物的内环面；同时使用内模限位块进行位置固定；
步骤7：移除内模限位块，在内模的上端拔模角处安装第一内环，进行内模固定；
步骤8：安装第三外模，第三外模包裹在包裹纤维织物芯模的外周面；
同时将第一外环固定在第三外模的上端和第二外环分别及下端的拔模角处，最后拆除托圆型盘底板，移除内模限位块，在内模的下端拔模角处安装第二内环，进行内模固定；
步骤9：零件致密化成型过程中，依次去除第一外环、第二外环、第一外模、第二外模、第三外模、第二内环、第一内环与内模；
步骤10：再依次去除n个第一芯模、n个第三芯模及n个第二芯模。
本发明的有益效果是：
1、脱模简单；
s型圆环弧零件成型过程中，随着其致密化的提高，需要依次移除模具。芯模具有开口小(靠口宽度5.8mm)，内腔大的结构特点，本发明为了便于芯模顺利拔出，将芯模分为三部分且内腔为空心。在脱出芯模时，依次去除第一芯模第三芯模及第二芯模。其中第三芯模可从纤维织物宽开口处拔出，第二芯模破碎后可从纤维织物宽开口处移出。
2、模具定位精确；
本发明在前期定型(铺布、缝制)过程中，使用限位工装固定第一外模、第二外模以及内模的相对位置，保证了纤维织物的圆度及壁厚要求。
3、定型缝制方便；
本发明使用限位工装对内外模的位置进行定位，确保合模后芯模和内外模缝制通孔一一对应，缝制过程简单方便。
附图说明
图1为第一外模和第二外模与限位工装的位置关系示意图；
图2为第一外模和第二外模与限位工装的安装关系示意图；
图3为限位工装结构示意图；
图4为第三外模的安装位置示意图；
图5为芯模结构示意图；
图6为芯模拼接单元结构示意图；
图7为芯模剖面结构示意图；
图8为纤维织物包裹芯模使用型面的结构示意图；
图9为芯模三维结构示意图；
图10为外模结构示意图；
图11为包裹纤维织物的芯模结构示意图；
图12为包裹纤维织物的芯模安装后结构示意图一；
图13为包裹纤维织物的芯模安装后结构示意图二；
图14为包裹纤维织物的芯模安装结构示意图；
图15为内模安装结构示意图；
图16为内模固位结构示意图；
图17为内模固位结构示意图；
图18为第三外模安装结构示意图；
图19为第三外模固位结构示意图；
图20为去除外模与内模的结构示意图；
图21为去除第一芯模后的结构示意图；
图22为去除第三芯模后的结构示意图；
图23为最终成型构件结构示意图。
图中附图标记为：
1-外模，11-第一外模，12-第二外模，13-第三外模，2-内模，3-芯模，31-纤维织物，32-中空环形模体，321-模体单元，322-第二芯模，323-第三芯模，33-环形压接模板，331-第一芯模，332-配合端，333-弧形面，34-翻边纤维织物，4-限位工装，40-托盘底板，41-外模限位块，42-内模限位块，43-第一内环，44-第二内环，45-第一外环，46-第二外环，47-环形限位凹槽。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。
结合图1至图19可以看出本实施例s型结构构件成型模具，包括限位工装4、外模1、内模2及芯模3；利用限位工装4控制内、外模1相对位置，使得内、外模1顺利合模固定，确保纤维织物31不偏心和壁厚一致。
如图3所示，限位工装4包括托盘底板40、外模限位块41与内模限位块42；托盘底板40为圆形底板，沿圆形底板的上表面开设与其同心的环形限位凹槽47；外模1、内模2及芯模3均为环形，外模1内环面与芯模3外环面、芯模3内环面与内模2外环面面型适配，定型时，外模1、芯模3及内模2从外至内同轴套设且同轴安装在在环形限位凹槽47内，外模限位块41与内模限位块42均为与限位凹槽同心的弧形限位块，用于确保外膜1与内模2的同轴度。
结合会图1、图2与图4，外模1包括环形的第一外模11、第二外模12与第三外模13，第一外模11与第二外模12同轴设置在限位凹槽内，局部紧密贴合，中间区域空心，便于纤维织物31与外模1缝制以及增加其致密化成型过程的透气性；如图4，第三外模13由3个弧形外模单元拼接而成，扣设在包裹纤维织物31的芯模3外部。内模2由多个弧形内模拼接而成。
结合图5至图8，本实施例芯模3的壁厚为3mm，包括中空环形模体32及位于中空环形模体32上端且与其同轴的环形压接模板33。本实施中空环形模体32由6个模体单元321拼接而成；每个模体单元321由第二芯模322与第三芯模323拼接形成，第二芯模322为异性曲面模板，包括凹面与凸面；第三芯模323为弧形模板；第二芯模322的凹面与第三芯模323的内弧面相对，第二芯模322的一端面与第三芯模323的一端面止口配合连接。第二芯模322的另一端面与第三芯模323的另一端面配合形成与环形压接模板33配合的第一配合端；具体可以是图7所示的结构，第二芯模322的另一端面处开设半槽，第三芯模323的另一端面处开设半槽，第二芯模322的半槽与第三芯模323的半槽配合形成凹槽，凹槽即为与环形压接模板33配合的第一配合端。6个模体单元321的端面使用高温胶相互连接，6个第二芯模322的凸面形成中空环形模体32的内环面，6个第三芯模323的外弧面形成中空环形模体32的外环面；6个第二芯模322的凹面与6个第三芯模323的内弧面形成环形空腔的腔壁；从图7可以看出，本实施例环形空腔的径向截面轮廓为弯月形。
从图6及图7可以看出，环形压接模板33由3个第一芯模331首尾连接而成。第一芯模331为异性模板，上表面为平面，下表面为弧形面333；靠近下表面远离上表面的端面处具有配合端332，便于与第二芯模322、第三芯模323定位连接以及第二芯模322、第三芯模323后期脱模方便分离第二芯模322、第三芯模323。
第一芯模331的配合端332与第一配合端配合，第一芯模331的配合端332为设置在其端面的凸台，凸台位于第一配合端内实现固位，第一芯模331、第二芯模322及第三芯模323的连接处均采用高温胶固定。从图7及图8可以看出环形压接模板33的下表面与中空环形模体32的外周面圆滑过渡。
为了增加芯模3整体的刚性，相邻两个第一芯模331的接缝与相邻两个模体单元321的接缝错位。如图8，中空环形模体32的内环面、中空环形模体32的外环面及环形压接模板33的下表面为芯模3的使用型面，其型面与目标纤维织物31的型面相适配。
本实施例通过以下步骤利用模具实现s型构建制备：
如图1与图2所示，首先将第一外模11和第二外模12放入圆型托盘底板40环形限位凹槽47内，第二外模12的外环面紧贴第一外模11的内环面，同时使用外模限位块41进行位置固定，外模限位块41的两个弧形侧壁分别顶紧环形限位凹槽47的槽壁及第二外模12的内环面。
如图11所示，在芯模3上依次由第三芯模323外型面向第二芯模322外型面包裹所需层数的纤维织物31，预留翻边纤维织物34，纤维织物31翻边裁剪口处补贴纤维织物31，碳化硅铺设布层间裁剪口相互错开。之后在芯模3使用型面上，使用3k碳纤维将纤维织物31贯穿缝制至芯模3上，芯模3使用型面提前配打缝制通孔。
如图12、图13及图14，将附带纤维织物31的芯模3放置于步骤1完成的工装内，包裹纤维织物31的外环面贴紧第二外模12的内环面，包裹纤维织物31的环形压接模板33下表面搭接在第二外模12的上端面；将预留的翻边纤维织物34依次沿第二外模12向下翻边。使用3k碳纤维将纤维织物31贯穿缝制至第一外模11与第二外模12上，第一外模11、第二外模12与芯模3使用型面提前配打缝制通孔。
如图15，移除外模限位块41，依次安装各个弧形内模单元，其中一个弧形内模单元与相邻弧形内模单元的两接触面相互平行，便于轴向拆、取。内模2的外环面紧贴包裹纤维织物31芯模3的内环面；同时使用3个内模限位块42进行位置固定；
如图16及图17，安装第一内环43进行内模2固定，其中第一内环43与内模设有2°拔模角，便于内模2紧固。
如图18及图19，安装第三外模13，第三外模13包裹在包裹纤维织物31芯模3的外周面；同时使用第一外环45和第二外环46进行固定，其中第一外环45、第二外环46与第三外模13设有2°拔模角，便于外模1紧固，最后拆除托圆型盘底板，移除内模限位块42，安装第二内环44进行内模2固定，第二内环44与内模设有2°拔模角，便于内模2紧固。零件致密化成型过程中(等温化学气相浸渗(cvi)的制备方法)，依次去除第一外环45、第二外环46、第一外模11、第二外模12、第三外模13、第二内环44、第一内环43及内模2，如图20。
如图21至图23，零件致密化成型过程中，依次去除6个第一芯模331、6个第三芯模323壁厚3mm、6个第二芯模322。其中6个第三芯模323可从纤维织物315.8mm宽开口处拔出，6个第二芯模322破碎后可从纤维织物315.8mm宽开口处移出。
1.一种s型结构构件成型模具，其特征在于：包括限位工装(4)、外模(1)、内模(2)及芯模(3)；
所述限位工装(4)包括托盘底板(40)、外模限位块(41)与内模限位块(42)；所述托盘底板(40)为圆形底板，沿圆形底板的上表面开设与其同心的环形限位凹槽(47)；
所述外模(1)、内模(2)及芯模(3)均为环形，外模(1)的内环面与芯模(3)的外环面、芯模(3)的内环面与内模(2)的外环面面型适配，芯模(3)的使用型面包裹所需层数的纤维织物；外模(1)、包裹纤维织物的芯模(3)及内模(2)从外至内同轴套设且同轴安装在在环形限位凹槽(47)内；所述内模限位块(42)与外模限位块(41)用于确保外膜与内模(2)的同轴度；
所述芯模(3)包括中空环形模体(32)及位于中空环形模体(32)上端且与其同轴的环形压接模板(33)；
所述中空环形模体(32)由n个模体单元(321)拼接而成；每个模体单元(321)由第二芯模(322)与第三芯模(323)拼接而成；
所述第二芯模(322)为异性曲面模板，包括凹面与凸面；
所述第三芯模(323)为弧形模板；
所述第二芯模(322)的凹面与第三芯模(323)的内弧面相对，且第二芯模(322)的一端面与第三芯模(323)的一端面固连，第二芯模(322)的另一端面与第三芯模(323)的另一端面配合形成与环形压接模板(33)配合的第一配合端；
n个第二芯模(322)的凸面形成中空环形模体(32)的内环面，n个第三芯模(323)的外弧面形成中空环形模体(32)的外环面；n个第二芯模(322)的凹面与n个第三芯模(323)的内弧面形成环形空腔的腔壁；
所述环形压接模板(33)由m个第一芯模(331)首尾连接而成，其中m、n均为大于等于2的自然数，且m小于n；
所述第一芯模(331)为异性模板，上表面为平面，下表面为弧形面(333)；靠近下表面远离上表面的端面处具有配合端(332)，配合端(332)与所述第一配合端配合；环形压接模板(33)的下表面与中空环形模体(32)的外周面圆滑过渡；
相邻两个第一芯模(331)的接缝与相邻两个模体单元(321)的接缝错位；
中空环形模体(32)的内环面、中空环形模体(32)的外环面及环形压接模板(33)的下表面为芯模(3)的使用型面，其型面与目标纤维织物的型面相适配。
2.根据权利要求1所述的s型结构构件成型模具，其特征在于：所述环形空腔的径向截面轮廓为弯月形。
3.根据权利要求1或2所述的s型结构构件成型模具，其特征在于：所述外模(1)包括环形的第一外模(11)、第二外模(12)与第三外模(13)，第一外模(11)与第二外模(12)同轴设置在限位凹槽内，局部紧密贴合，中间区域空心；所述第三外模(13)由多个弧形外模单元拼接而成，扣设在包裹纤维织物(31)的芯模(3)外部；
所述内模(2)由多个弧形内模拼接而成；
还包括第一外环(45)、第二外环(46)、第一内环(43)及第二内环(44)，其中第三外模(13)的上端及下端设有与第一外环(45)、第二外环(46)相适配的拔模角；内模(2)上端及下端设有与第一内环(43)、第二内环(44)相适配的拔模角。
4.根据权利要求3所述的s型结构构件成型模具，其特征在于：所述外模限位块(41)与内模限位块(42)均为与限位凹槽同心的弧形限位块。
5.根据权利要求4所述的s型结构构件成型模具，其特征在于：
所述第二芯模(322)的另一端面处开设半槽，第三芯模(323)的另一端面处开设半槽，所述第二芯模(322)的半槽与第三芯模(323)的半槽配合形成凹槽，所述凹槽为第一配合端；
所述第一芯模(331)的配合端(332)为设置在其端面的凸台，所述凸台位于所述凹槽内。
6.根据权利要求5所述的s型结构构件成型模具，其特征在于：所述第二芯模(322)的一端面与第三芯模(323)的一端面止口配合连接。
7.根据权利要求6所述的s型结构构件成型模具，其特征在于：第一芯模(331)、第二芯模(322)及第三芯模(323)的连接处均采用高温胶固定；n个模体单元(321)的端面使用高温胶固定；相邻的两个第一芯模(331)连接处采用高温胶固定。
8.根据权利要求1-7任一所述的s型结构构件成型模具，其特征在于：m等于3，n等于6。
9.利用权利要求1-8任一所述的模具实现s型构建制备的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将第一外模(11)和第二外模(12)同轴放入圆型托盘底板(40)的环形限位凹槽(47)内，第二外模(12)的外环面紧贴第一外模(11)的内环面，同时使用外模限位块(41)进行位置固定，外模限位块(41)的两个弧形侧壁分别顶紧环形限位凹槽(47)的槽壁及第二外模(12)的内环面；
步骤2、在芯模(3)上使用型面上包裹所需层数的纤维织物(31)，预留翻边纤维织物(34)；
步骤3：使用碳纤维将纤维织物(31)贯穿缝制至芯模(3)上；
步骤4、将附带纤维织物(31)的芯模(3)放置于步骤1完成的工装内，芯模(3)包裹纤维织物(31)的外环面贴紧第二外模(12)的内环面，包裹纤维织物(31)的环形压接模板(33)下表面搭接在第二外模(12)的上端面；将预留的翻边纤维织物(34)沿第二外模(12)向下翻边；
步骤5、使用碳纤维将附带纤维织物(31)的芯模(3)贯穿缝制至第一外模(11)与第二外模(12)上；
步骤6、移除外模限位块(41)，安装内模；内模(2)的外环面紧贴包裹纤维织物(31)的内环面；同时使用内模限位块(42)进行位置固定；
步骤7：在内模(2)的上端拔模角处安装第一内环(43)进行内模(2)固定；
步骤8：安装第三外模(13)，第三外模(13)包裹在包裹纤维织物(31)芯模(3)的外周面；
同时将第一外环(45)固定在第三外模(13)的上端和第二外环(46)分别及下端的拔模角处，最后拆除托圆型盘底板，移除内模限位块(42)，在内模(2)的下端拔模角处安装第二内环(44)，进行内模(2)固定；
步骤9：零件致密化成型过程中，依次去除第一外环(45)、第二外环(46)、第一外模(11)、第二外模(12)、第三外模(13)、第二内环(44)、第一内环(43)与内模(2)；
步骤10：再依次去除n个第一芯模(331)、n个第三芯模(323)、n个第二芯模(322)。
技术总结