复合材料筒段模具、制备方法及复合材料筒段制备方法与流程

1.本发明涉及一种复合材料筒段模具、制备方法及复合材料筒段制备方法，尤其涉及一种低膨胀高刚度模块化复合材料筒段模具、制备方法及复合材料筒段制备方法，属于复合材料模具制备技术领域。


背景技术：

2.当今世界航天大国争相开启了大推力、大直径运载火箭的研制和应用竞争，我国新一代及重型运载火箭也提上发展日程，箭体尺寸将由传统的φ3.35m、φ4.2m向新型的φ5.2m乃至φ9m过度。目前复合材料整流罩、卫星支架、级间段等舱段结构皆通过金属模具实现整体制造，但随着型号结构尺寸的增大，现有技术方案金属模具自重将达40t以上，模具设计制造成本激增，同时起吊、搬运、翻转等配套基础设施要求较高，受限于批量较少，传统金属模具方案重量和成本无法满足应用要求，需要设计研发轻质化、低成本的复合材料模具方案，满足小批量、大尺寸复合材料结构件生产需求。
3.相比于金属模具方案，轻质化、低成本的复合材料模具方案解决了大尺寸构件膨胀系数不匹配问题、模具重量超重、制造成本难以控制等问题，但也存在分瓣组装式模具设计复杂、重复组装精度要求高、整体气密控制难度大、模具脱模及重复拆装繁琐等工程问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种复合材料筒段模具，解决了模具与产品热膨胀系数不匹配而导致结构变形、尺寸超差等问题；缩短了模具制造与样件研制的成本与周期；解决了模具重复使用精度和刚度需求，满足大尺寸复合材料结构件脱模需求；与传统的金属模具方案相比，本发明提供的复合材料模具结构减重60％以上，模具膨胀量减少70％以上。
5.本发明的另外一个目的在于提供一种复合材料筒段模具的制备方法及复合材料筒段制备方法。
6.本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
7.一种复合材料筒段模具，包括：
8.复合材料蒙皮，包括固定蒙皮与活动蒙皮，所述固定蒙皮固定连接在可调式框架上，所述活动蒙皮可拆卸连接在可调式框架上；
9.可调式框架，包括若干支撑杆、若干环向连接杆和调节阀，所述支撑杆一端连接中心旋转轴，另一端连接环向连接杆；所述环向连接杆安装在所述固定蒙皮内侧，每个环向连接杆位于相邻两个支撑杆之间；所述调节阀设置在活动蒙皮对应的支撑杆上，通过调节阀调节支撑杆之间的间距，带动环向连接杆移动，使得固定蒙皮旋转从而向内收缩或向外张开；
10.中心旋转轴，与可调式框架连接，并带动可调式框架转动。
11.在上述复合材料筒段模具中，所述复合材料蒙皮满足以下至少一项：
12.所述固定蒙皮与活动蒙皮的材料均与待制备的复合材料筒段材料相同；
13.所述固定蒙皮与活动蒙皮的厚度为30～40mm；
14.所述活动蒙皮的弧长为500～2000mm；
15.所述固定蒙皮均匀分为6～10块。
16.在上述复合材料筒段模具中，所述复合材料蒙皮之间采用拼接形式连接，蒙皮拼接缝处为倒三角结构，通过液态硅橡胶和延展性密封结构胶固定，在蒙皮拼接缝内侧安装连接桁条。
17.在上述复合材料筒段模具中，所述支撑杆满足以下至少一项：
18.为可双向调节的支撑杆；为分段结构，相邻两段之间通过双向调节螺栓连接，螺栓上标记刻线，用于精度控制；一端通过螺栓连接于中心旋转轴法兰环上，另一端固定于环向连接杆；采用预制的耐高温碳纤维中空管制备。
19.在上述复合材料筒段模具中，所述环向连接杆均匀分布于复合材料蒙皮内侧，高度方向间隔200～500mm。
20.在上述复合材料筒段模具中，所述调节阀位于活动蒙皮两侧支撑杆之间，并固定在支撑杆上，可通过旋转调节阀调节支撑杆间距。
21.在上述复合材料筒段模具中，所述中心旋转轴满足以下至少一项：
22.采用高模量金属材料制备，为环形管状结构；表面间隔200～500mm设有金属法兰环，位置与环向连接杆对应；两端安装金属连接盘，金属连接盘设有连接孔与导向孔，可与外部缠绕机旋转轴连接，实现复合材料筒段模具与缠绕机联动。
23.上述复合材料筒段模具的制备方法，包括:
24.制备母模；
25.采用所述母模制备复合材料蒙皮，包括固定蒙皮与活动蒙皮；
26.将复合材料蒙皮与可调式框架及中心旋转轴进行组装，得到复合材料筒段模具。
27.在上述复合材料筒段模具的制备方法中，还包括对组装后的复合材料筒段模具进行尺寸及气密性检测。
28.在上述复合材料筒段模具的制备方法中，所述制备母模包括：
29.焊接得到母模的金属支撑架，金属支撑架上焊接金属条形板形成母模框架型面；
30.进行高温处理；
31.通过粘接方式在母模框架型面铺设预固化玻璃钢板；
32.通过粘接方式在预固化玻璃钢板表面分步铺放环氧代木层；
33.进行表面处理；
34.进行气密性检测与尺寸测量。
35.在上述复合材料筒段模具的制备方法中，所述高温热处理的处理温度为180～190℃，保温3～4h；所述铺设预固化玻璃钢板的厚度为5～20mm；所述铺放环氧代木层的厚度为10～30mm。
36.在上述复合材料筒段模具的制备方法中，所述表面处理包括：母模框架型面采用清洗剂清理干净，在表面喷涂胶衣，用胶量为100～300g/m2，固化后进行打磨抛光，初次打磨目数为p400～p600，逐步增到到p3000以上，直到达到目标表面质量；在型面表面擦拭封
孔剂3～5次，均匀涂刷脱模剂3～6次，每次间隔20min以上；
37.所述气密性检测的模具气密要求，在r.t.及180℃条件下真空度≥0.097mpa，保持10min后停真空，要求真空泄漏率≤5kpa/min。
38.在上述复合材料筒段模具的制备方法中，采用所述母模制备复合材料蒙皮，包括：
39.(1)、在母模框架型面表面铺覆碳纤维表面毡；
40.(2)、继续铺覆碳纤维斜纹布，铺覆过程中使用喷胶进行斜纹布固定，采用真空导入方式进行一次树脂灌注，之后进行预固化处理；
41.(3)、重复步骤(2)至少2次；
42.(4)、进行固化。
43.在上述复合材料筒段模具的制备方法中，母模框架型面表面铺覆碳纤维表面毡的厚度为0.1～0.3mm；铺覆碳纤维斜纹布的厚度为7～10mm；预固化处理的固化温度为80
±
5℃，固化时间为8h～9h；固化的工艺制度为：从室温逐渐加热至145～155℃，每隔20～25℃保温2h～2.5h，在175～185℃下保温6～6.5h，然后逐步冷却至室温，降温过程中每隔20～25℃保温2h～2.5h。
44.在上述复合材料筒段模具的制备方法中，将复合材料蒙皮与可调式框架及中心旋转轴进行组装，包括：
45.将支撑杆通过螺栓固定于中心旋转轴，通过双向调整螺栓调节支撑杆为同一高度；
46.在复合材料蒙皮背侧安装环向连接杆，通过连接块将环向连接杆与支撑杆固定的方式，将复合材料蒙皮的固定蒙皮逐块固定，复合材料蒙皮的活动蒙皮最后安装固定；
47.在复合材料蒙皮拼接缝处涂抹液态硅橡胶，安装延展性密封结构胶粘接固定，在复合材料蒙皮拼接缝内侧安装连接桁条；
48.通过调节阀调节复合材料蒙皮位置，达到模具要求尺寸。
49.在上述复合材料筒段模具的制备方法中，所述支撑杆环向分为12～20处，高度方向间隔200～500mm，所述环向连接杆为金属材料，通过室温固化胶黏剂与复合材料蒙皮粘接固定，并通过螺钉紧固。
50.在上述复合材料筒段模具的制备方法中，对组装后的复合材料筒段模具进行尺寸及气密性检测，包括：
51.对复合材料筒段模具尺寸进行测量，模具型面精度要求
±
0.5mm；
52.对工作型面常温常压与高温高压气密性测试，模具气密要求规定温度r.t.及180℃，外压0.6mpa条件下真空度≥0.097mpa，保持10min后停真空，要求真空泄漏率≤5kpa/min。
53.一种复合材料筒段的制备方法，其特征在于，采用上述复合材料筒段模具进行复合材料预浸料铺层并固化后得到复合材料筒段，或，复合材料蜂窝夹层组装并固化后得到带有蜂窝夹层的复合材料筒段。
54.本发明与现有技术相比至少包含如下有益效果：
55.(1)、本发明实施例提供的模块化复合材料模具设计，采用模具分瓣式组装设计方案，将复合材料蒙皮分为不同模块，减少了母模制备的尺寸与数量，避免了因尺寸较大导致模具整体制备难度大，成本高的问题，且模具各部件采用组装连接，便于维修更换；
56.(2)、本发明实施例提供的可调式模块化复合材料模具设计，通过调节支撑杆进行复合材料蒙皮模具外形尺寸的控制，保证了大尺寸模具精度；
57.(3)、本发明实施例提供的模块化复合材料模具可调节组装设计，通过支撑杆将复合材料蒙皮与中心旋转轴连接，连接方式与拆装方式设计为互锁结构，保证模具轻质、简便，通过旋转调节阀带动复合材料蒙皮旋转，向内收缩，形成脱模间隙，保证产品顺利脱模，满足大尺寸复合材料结构件脱模需求。
58.(4)、本发明实施例提供的复合材料模具设计，通过模具复材化设计，蒙皮选用复合材料，优选与产品相匹配的材料及模具结构优化，解决了大尺寸模具与产品热膨胀系数不匹配而导致结构变形、尺寸超差等问题；进一步通过模具轻质化设计、模块化化设计，在保证强度与刚度要求的同时，减低了模具重量，满足大尺寸复合材料结构件高精度成型需求；
59.(5)、本发明实施例提供的复合材料蒙皮气密设计，优选在复合材料蒙皮拼接缝处采用液态硅橡胶配合可延展密封结构胶、模具内侧安装纵向连接桁条、双真空袋包覆等方案，保证模具自身气密性与反复使用的稳定性；
60.(6)、本发明实施例提供的复合材料筒段模具及其制备方法，使得复合材料模具结构减重60％以上，模具膨胀量减少70％以上，解决了复合材料结构模具轻质化、低成本的制造问题，为我国大尺寸航天结构件研制提供有效的技术支撑。
附图说明
61.图1为本发明实施例中复合材料模具结构示意图；
62.1-模块化复合材料蒙皮，2-可调式框架，3-中心旋转轴；
63.图2为本发明实施例中复合材料模具结构主视图；
64.4-复合材料固定蒙皮，5-复合材料活动蒙皮，6-支撑杆，7-环向连接杆，8-调节阀，9-中心旋转轴；
65.图3为本发明实施例中复合材料蒙皮密封结构示意图；
66.1-复合材料蒙皮，10-延展性密封结构胶，11-连接桁条；
67.图4为本发明实施例中复合材料模具可调式框架示意图；
68.图5为本发明实施例中复合材料模具制备工艺流程图。
具体实施方式
69.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
70.如图1～图4，本发明提供了一种低膨胀高刚度模块化复合材料模具，包括模块化复合材料蒙皮1、可调式框架2、中心旋转轴3三部分；模块化复合材料蒙皮1分为复合材料固定蒙皮4，复合材料活动蒙皮5，均采用与待制备复合材料筒段产品同材质的复合材料，以减少产品在高温固化过程中因膨胀系数不匹配导致变形问题。固定蒙皮4固定连接在可调式框架2上，活动蒙皮5可拆卸连接在可调式框架2上。一可选实施例中，复合材料蒙皮1厚度为20～40mm，通过螺栓连接于可调式框架2，便于拆卸。一可选实施例中，复合材料固定蒙皮4均匀分为6～10块，弧长为500～2000mm，复合材料活动蒙皮5尺寸较小，弧长为200～500mm；蒙皮工作面(外表面)粗糙度为1.6，工作面上加工有象限线与定位线。
71.一可选实施例中，模块化复合材料蒙皮之间采用拼接形式连接，蒙皮拼接缝处为倒三角结构，通过液态硅橡胶、延展性密封结构胶10胶结固定，在蒙皮拼接缝内侧安装连接桁条11，保证模具整体气密性与稳定性，工作面气密要求规定温度(r.t.及180℃)条件下真空度≥0.097mpa，保持10min后停真空，要求真空泄漏率≤5kpa/min。
72.一可选实施例中，可调节式框架2包括双向调节支撑杆6、环向连接杆7、旋转调节阀8，双向调节支撑杆6采用耐高温碳纤维中空管制备，直径为50～100mm，分为2～3段，每段长500～1000mm，各段之间采用双向调节螺栓连接，螺栓上标记精度刻线，便于尺寸精度控制；双向调节支撑杆6一端通过螺栓连接于中心旋转轴9法兰环上，另一端固定于环向连接杆7，对模具起支撑承载作用，便于拆卸与安装固定，并保证模具整体的刚度和稳定性，模具要求能够满足1mpa以上的使用工况；环向连接杆7均布于复合材料蒙皮1内侧，高度方向间隔200～500mm，环向方向与复合材料蒙皮1一致；每个环向连接杆位于相邻两个支撑杆之间，旋转调节阀8位于复合材料活动蒙皮两侧双向调节支撑杆6处，例如可以设置在活动蒙皮两侧支撑杆之间，并固定在支撑杆上，可通过旋转调节阀8调节双向调节支撑杆间距6，带动环向连接杆7移动，使得复合材料蒙皮旋转，向内收缩或向外扩张，实现复合材料模具外径调整。
73.一可选实施例中，中心旋转轴9采用高模量金属材料，为环形管状结构，直径为500～1000mm，厚度为10～30mm，表面间隔200～500mm设有金属法兰环，中心旋转轴9前后两端安装金属连接盘，上面设有φ30mm的连接孔与φ150mm的导向孔，可与缠绕机旋转轴连接，实现模具与缠绕机联动。
74.如图5所示为本发明实施例中复合材料模具制备工艺流程图，本发明低膨胀高刚度模块化复合材料模具制造方法，通过以下步骤实现：
75.一、母模制备
76.一可选实施例中，母模选用环氧代木、玻璃钢等材料整体胶接成型，先安装金属钢架作为母模主要支撑结构，钢架之间通过焊接固定，钢架表面焊接钢条形成型面，对钢架进行高温热处理，处理温度为180～190℃，保温3～4h；钢架上表面铺设5～20mm的预固化玻璃钢板，采用室温结构胶进行粘接固定；在玻璃钢板表面分步铺放10～30mm的环氧代木层，采用室温结构胶进行粘接固定；对环氧代木层按产品型面尺寸进行加工处理，加工精度为
±
0.2mm，并进行尺寸检测。
77.母模框架型面采用丙酮或清洗剂清理干净，在表面喷涂胶衣，用胶量为100～300g/m2，固化后进行打磨抛光，初次打磨目数为p400～p600，逐步增到到p3000以上，直到达到目标表面质量；在型面表面擦拭封孔剂3～5次，均匀涂刷脱模剂3～6次，每次间隔20min以上；对母模型面采用真空袋半包覆进行气密检测，模具气密要求(r.t.及180℃)条件下真空度≥0.097mpa，保持10min后停真空，要求真空泄漏率≤5kpa/min。
78.二、复合材料蒙皮制备
79.一可选实施例中，母模型面表面铺覆面密度为50g/m2左右的碳纤维表面毡，铺覆厚度为0.1mm左右；在所述碳纤维表面毡表面铺设面密度为210g/m2左右的碳纤维斜纹布，铺覆厚度为7～10mm，铺覆过程中可以使用喷胶进行斜纹布固定，采用真空导入方式进行树脂灌注，进行预固化处理，固化温度为80
±
5℃，固化时间为8h；树脂固化后，在表面继续铺设面密度为210g/m2左右的碳纤维斜纹布，铺覆厚度为7～10mm，采用真空导入方式进行二
次树脂灌注，进行预固化处理，固化温度为80
±
5℃，固化时间为8h；树脂固化后，在表面继续铺设面密度为210g/m2左右的碳纤维斜纹布，铺覆厚度为7～10mm，采用真空导入方式进行三次树脂灌注，进行固化处理，固化工艺制度为：从室温逐渐加热至145～155℃，每隔20～25℃保温2～2.5h，在175～185℃下保温6～6.5h)，然后逐步冷却至室温，降温过程中每隔20～25℃保温2～2.5h。
80.三、复合材料模具组装
81.一可选实施例中，将双向调节支撑杆6通过螺栓固定于中心旋转轴9，双向调节支撑杆6环向分为12～20处，高度方向间隔200～500mm，通过双向调整螺栓调节支撑杆为同一高度；在复合材料蒙皮1背侧安装环向连接杆7，环向连接杆7为金属材料，通过室温固化胶黏剂粘接固定，并通过螺钉紧固；通过连接块将环向连接杆7与双向调节支撑杆6固定的方式，将复合材料固定蒙皮4逐块固定，复合材料活动蒙皮5最后安装固定；在复合材料蒙皮1拼接缝处涂抹液态硅橡胶，安装延展性密封结构胶10粘接固定，在复合材料蒙皮1拼接缝内侧安装连接桁条11，保证模具整体气密性与稳定性；通过旋转调节阀8调节复合材料蒙皮1位置，达到模具要求尺寸。
82.四、模具尺寸及气密检测
83.一可选实施例中，对模具尺寸进行测量，模具型面精度要求
±
0.5mm；对工作型面常温常压与高温高压气密性测试，模具气密要求规定温度(r.t.及180℃)，外压0.6mpa条件下真空度≥0.097mpa，保持10min后停真空，要求真空泄漏率≤5kpa/min。
84.本发明实施例还提供一种复合材料筒段的制备方法，采用上述复合材料筒段模具进行复合材料预浸料铺层并固化以及机加工后得到复合材料筒段，也可进行复合材料蜂窝夹层组装并固化后得到复合材料蜂窝夹层筒段。
85.本发明实施例通过模具材料复材化选择、模具补偿设计，解决了模具与产品热膨胀系数不匹配而导致结构变形、尺寸超差等问题；通过模具分瓣式组合式设计、蒙皮模具模块化组合，缩短了模具制造与样件研制的成本与周期；通过模具拼接缝胶结设计、柔性密封设计，保证了模具自身气密性与反复使用的稳定性；通过模具可调节式连接杆设计、连接与拆装互锁结构设计，解决了模具重复使用精度和刚度需求，满足大尺寸复合材料结构件脱模需求。
86.实施例1
87.(一)产品实例：复合材料筒段成型模具
88.复合材料筒段成型模具采用低膨胀高刚度模块化复合材料模具设计(图1、图2)，外径4975mm，总高度3200mm，复合材料蒙皮厚度40mm，其中复合材料活动蒙皮弧长500mm，复合材料固定蒙皮均分为8块，蒙皮工作面(外表面)粗糙度为1.6，工作面上加工有象限线与定位线，模具型面精度要求
±
0.5mm；
89.复合材料蒙皮背侧安装有环向连接杆，高度方向间隔500mm，环向方向与复合材料蒙皮一致；环向连接杆与双向调节支撑杆连接固定，双向调节支撑杆为耐高温碳纤维中空管结构，分为2段，直径为50mm，每段长度为1000mm，各段之间采用双向调节螺栓连接，双向调节螺栓调节长度为100mm；双向调节支撑杆一端固定于中心旋转轴法兰环，中心旋转轴为环形管状结构，直径为800mm，壁厚为30mm，前后两端安装金属连接盘，上面均布12-φ30mm的连接孔与φ150mm的导向孔，可与缠绕机旋转轴连接，实现模具与缠绕机联动；复合材料
活动蒙皮处双向调节支撑杆安装旋转调节阀，可调节双向调节支撑杆间间距，带动复合材料蒙皮转动，实现复合材料模具外径调整。
90.(二)复合材料筒段成型模具制造方法，通过以下步骤实现：
91.1.母模制备
92.(1)母模采用环氧代木、玻璃钢等材料整体胶接成型，先安装金属钢架作为母模主要支撑结构，钢架之间通过焊接固定，钢架表面焊接钢条形成型面，对钢架进行高温热处理，处理温度为190℃，保温4h；钢架上表面铺设20mm的预固化玻璃钢板，采用耐高温室温结构胶进行粘接固定；在玻璃钢板表面分步铺放20mm的环氧代木层，采用耐高温室温结构胶进行粘接固定；对环氧代木层按产品型面尺寸进行加工处理，加工精度为
±
0.2mm，并进行尺寸检测；
93.(2)母模型面采用丙酮或清洗剂清理干净，在表面喷涂胶衣，用胶量为100～300g/m2，固化后进行打磨抛光，初次打磨目数为p400～p600，逐步增到到p3000以上，直到达到目标表面质量；在型面表面擦拭封孔剂5次，均匀涂刷脱模剂6次，每次间隔20min以上；对母模型面采用真空袋半包覆进行气密检测，模具气密要求(r.t.及180℃)条件下真空度≥0.097mpa，保持10min后停真空，要求真空泄漏率≤5kpa/min。
94.2.复合材料蒙皮制备
95.(1)在母模型面表面铺覆面密度为50g/m2左右的碳纤维表面毡，铺覆厚度为0.1mm左右；
96.(2)在所述碳纤维表面毡表面铺设面密度为210g/m2左右的碳纤维斜纹布，径向5
±
1束/10mm，纬向5
±
1束/10mm，经向断裂强力≥2000n/25mm，纬向断裂强力≥2000n/25mm，铺覆厚度为7～10mm，铺覆过程中可以使用喷胶进行斜纹布固定，采用真空导入方式进行树脂灌注，进行预固化处理，固化温度为80
±
5℃，固化时间为8h；
97.(3)树脂固化后，在表面继续铺设面密度为210g/m2左右的碳纤维斜纹布，铺覆厚度为7～10mm，采用真空导入方式进行二次树脂灌注，进行预固化处理，固化温度为80℃，固化时间为8h；
98.(4)树脂固化后，在表面继续铺设面密度为210g/m2左右的碳纤维斜纹布，铺覆厚度为7～10mm，采用真空导入方式进行三次树脂灌注，进行固化处理，固化工艺制度为：逐渐从室温加热至180℃，每隔20℃保温2h，在180℃下保温6h，然后逐步冷却至室温，降温过程中每隔20℃保温2h；
99.(5)模具降至室温后可以脱模，去除辅助材料，检测型面尺寸及质量。
100.3.复合材料模具组装
101.(1)将双向调节支撑杆通过螺栓逐个固定于中心旋转轴，通过双向调整螺栓调节支撑杆为同一高度，并进行测量；
102.(2)在复合材料蒙皮背侧安装环向连接杆，环向连接杆为金属材料，通过室温固化胶黏剂粘接固定，并通过螺钉紧固；
103.(3)通过连接块将环向连接杆与双向调节支撑杆固定，将复合材料固定蒙皮逐块安装固定，复合材料活动蒙皮最后安装固定；
104.(4)在复合材料蒙皮拼接缝处涂抹液态硅橡胶，安装延展性密封结构胶粘接固定，在复合材料蒙皮拼接缝内侧安装连接桁条，保证模具整体气密性与稳定性；
105.(5)通过旋转调节阀调节复合材料蒙皮位置，达到模具要求尺寸。
106.4.复合材料模具尺寸及气密检测
107.对模具尺寸进行测量，模具型面精度要求
±
0.5mm；对工作型面常温常压与高温高压气密性测试，模具气密要求规定温度(r.t.及180℃)，外压0.6mpa条件下真空度≥0.097mpa，保持10min后停真空，要求真空泄漏率≤5kpa/min。
108.模具型面尺寸及气密满足设计要求，相比与传统使用的金属模具方案，本实施例提供的模块化复合材料模具结构可减重60％以上，模具膨胀量减少70％以上。
109.以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
110.本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

技术特征：
1.一种复合材料筒段模具，其特征在于，包括：复合材料蒙皮，包括固定蒙皮与活动蒙皮，所述固定蒙皮固定连接在可调式框架上，所述活动蒙皮可拆卸连接在可调式框架上；可调式框架，包括若干支撑杆、若干环向连接杆和调节阀，所述支撑杆一端连接中心旋转轴，另一端连接环向连接杆；所述环向连接杆安装在所述固定蒙皮内侧，每个环向连接杆位于相邻两个支撑杆之间；所述调节阀设置在活动蒙皮对应的支撑杆上，通过调节阀调节支撑杆之间的间距，带动环向连接杆移动，使得固定蒙皮旋转从而向内收缩或向外张开；中心旋转轴，与可调式框架连接，并带动可调式框架转动。2.根据权利要求1所述的复合材料筒段模具，其特征在于，所述复合材料蒙皮满足以下至少一项：所述固定蒙皮与活动蒙皮的材料均与待制备的复合材料筒段材料相同；所述固定蒙皮与活动蒙皮的厚度为30～40mm；所述活动蒙皮的弧长为500～2000mm；所述固定蒙皮均匀分为6～10块。3.根据权利要求1或2所述的复合材料筒段模具，其特征在于，所述复合材料蒙皮之间采用拼接形式连接，蒙皮拼接缝处为倒三角结构，通过液态硅橡胶和延展性密封结构胶固定，在蒙皮拼接缝内侧安装连接桁条。4.根据权利要求1所述的复合材料筒段模具，其特征在于，所述支撑杆满足以下至少一项：为可双向调节的支撑杆；为分段结构，相邻两段之间通过双向调节螺栓连接，螺栓上标记刻线，用于精度控制；一端通过螺栓连接于中心旋转轴法兰环上，另一端固定于环向连接杆；采用预制的耐高温碳纤维中空管制备。5.根据权利要求1所述的复合材料筒段模具，其特征在于，所述环向连接杆均匀分布于复合材料蒙皮内侧，高度方向间隔200～500mm。6.根据权利要求1所述的复合材料筒段模具，其特征在于，所述调节阀位于活动蒙皮两侧支撑杆之间，并固定在支撑杆上，可通过旋转调节阀调节支撑杆间距。7.根据权利要求1所述的复合材料筒段模具，其特征在于，所述中心旋转轴满足以下至少一项：采用高模量金属材料制备，为环形管状结构；表面间隔200～500mm设有金属法兰环，位置与环向连接杆对应；两端安装金属连接盘，金属连接盘设有连接孔与导向孔，可与外部缠绕机旋转轴连接，实现复合材料筒段模具与缠绕机联动。8.权利要求1～7任一项所述的复合材料筒段模具的制备方法，其特征在于，包括:制备母模；采用所述母模制备复合材料蒙皮，包括固定蒙皮与活动蒙皮；将复合材料蒙皮与可调式框架及中心旋转轴进行组装，得到复合材料筒段模具。9.根据权利要求8所述的复合材料筒段模具的制备方法，其特征在于，还包括对组装后的复合材料筒段模具进行尺寸及气密性检测。
10.根据权利要求8所述的复合材料筒段模具的制备方法，其特征在于，所述制备母模包括：焊接得到母模的金属支撑架，金属支撑架上焊接金属条形板形成母模框架型面；进行高温处理；通过粘接方式在母模框架型面铺设预固化玻璃钢板；通过粘接方式在预固化玻璃钢板表面分步铺放环氧代木层；进行表面处理；进行气密性检测与尺寸测量。11.根据权利要求10所述的复合材料筒段模具的制备方法，其特征在于，所述高温热处理的处理温度为180～190℃，保温3～4h；所述铺设预固化玻璃钢板的厚度为5～20mm；所述铺放环氧代木层的厚度为10～30mm。12.根据权利要求11所述的复合材料筒段模具的制备方法，其特征在于，所述表面处理包括：母模框架型面采用清洗剂清理干净，在表面喷涂胶衣，用胶量为100～300g/m2，固化后进行打磨抛光，初次打磨目数为p400～p600，逐步增到到p3000以上，直到达到目标表面质量；在型面表面擦拭封孔剂3～5次，均匀涂刷脱模剂3～6次，每次间隔20min以上；所述气密性检测的模具气密要求，在r.t.及180℃条件下真空度≥0.097mpa，保持10min后停真空，要求真空泄漏率≤5kpa/min。13.根据权利要求8所述的复合材料筒段模具的制备方法，其特征在于，采用所述母模制备复合材料蒙皮，包括：(1)、在母模框架型面表面铺覆碳纤维表面毡；(2)、继续铺覆碳纤维斜纹布，铺覆过程中使用喷胶进行斜纹布固定，采用真空导入方式进行一次树脂灌注，之后进行预固化处理；(3)、重复步骤(2)至少2次；(4)、进行固化。14.根据权利要求13所述的复合材料筒段模具的制备方法，其特征在于，母模框架型面表面铺覆碳纤维表面毡的厚度为0.1～0.3mm；铺覆碳纤维斜纹布的厚度为7～10mm；预固化处理的固化温度为80
±
5℃，固化时间为8h～9h；固化的工艺制度为：从室温逐渐加热至145～155℃，每隔20～25℃保温2h～2.5h，在175～185℃下保温6～6.5h，然后逐步冷却至室温，降温过程中每隔20～25℃保温2h～2.5h。15.根据权利要求8所述的复合材料筒段模具的制备方法，其特征在于，将复合材料蒙皮与可调式框架及中心旋转轴进行组装，包括：将支撑杆通过螺栓固定于中心旋转轴，通过双向调整螺栓调节支撑杆为同一高度；在复合材料蒙皮背侧安装环向连接杆，通过连接块将环向连接杆与支撑杆固定的方式，将复合材料蒙皮的固定蒙皮逐块固定，复合材料蒙皮的活动蒙皮最后安装固定；在复合材料蒙皮拼接缝处涂抹液态硅橡胶，安装延展性密封结构胶粘接固定，在复合材料蒙皮拼接缝内侧安装连接桁条；
通过调节阀调节复合材料蒙皮位置，达到模具要求尺寸。16.根据权利要求15所述的复合材料筒段模具的制备方法，其特征在于，所述支撑杆环向分为12～20处，高度方向间隔200～500mm，所述环向连接杆为金属材料，通过室温固化胶黏剂与复合材料蒙皮粘接固定，并通过螺钉紧固。17.根据权利要求9所述的复合材料筒段模具的制备方法，其特征在于，对组装后的复合材料筒段模具进行尺寸及气密性检测，包括：对复合材料筒段模具尺寸进行测量，模具型面精度要求
±
0.5mm；对工作型面常温常压与高温高压气密性测试，模具气密要求规定温度r.t.及180℃，外压0.6mpa条件下真空度≥0.097mpa，保持10min后停真空，要求真空泄漏率≤5kpa/min。18.一种复合材料筒段的制备方法，其特征在于，采用权利要求1～7任一项所述的复合材料筒段模具进行复合材料预浸料铺层并固化后得到复合材料筒段，或，复合材料蜂窝夹层组装并固化后得到带有蜂窝夹层的复合材料筒段。

技术总结
本发明涉及一种复合材料筒段模具、制备方法及复合材料筒段制备方法，该模具包括复合材料蒙皮、可调式框架和中心旋转轴，其中复合材料蒙皮包括若干固定蒙皮与一个活动蒙皮，可调式框架包括若干支撑杆、若干环向连接杆和调节阀，中心旋转轴与可调式框架连接，并随可调式框架转动，本发明通过复合材料筒段模具结构设计及制备工艺设计，解决了模具与产品热膨胀系数不匹配而导致结构变形、尺寸超差等问题，缩短了模具制造与样件研制的成本与周期，保证了模具自身气密性与反复使用的稳定性，解决了模具重复使用精度和刚度需求，满足大尺寸复合材料结构件脱模需求。料结构件脱模需求。料结构件脱模需求。


技术研发人员：李桂洋 南巡 石佩洛 左小彪 赵云峰 耿琼 刘春立 李杰
受保护的技术使用者：航天材料及工艺研究所
技术研发日：2023.03.27
技术公布日：2023/7/18