復(fù)合材料構(gòu)件模壓成形技術(shù)研究

賀 強，楊文鋒，唐慶如

HE Qiang, YANG Wen-feng, TANG Qing-ru

（中國民用航空飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，廣漢 618307）

0 引言

復(fù)合材料用量已經(jīng)成為衡量飛行器是否先進的標(biāo)志，尤其是直升機。復(fù)合材料在直升機上的應(yīng)用從壁板、地板、整流罩等次承力結(jié)構(gòu)迅速擴展到槳葉、平尾、尾梁筒體、斜梁等主承力結(jié)構(gòu)，甚至出現(xiàn)了全復(fù)合材料直升機。隨著復(fù)合材料應(yīng)用的不斷深入，復(fù)合材料構(gòu)件熱壓罐成型、模壓成型、纏繞成型、樹脂傳遞模塑成型（Resin Transfer Moulding, RTM）等一系列工藝技術(shù)也得到深入研究與應(yīng)用。但迄今為止，手工鋪層+熱壓罐固化和模壓成型仍然是國內(nèi)直升機復(fù)合材料構(gòu)件生產(chǎn)最重要的兩種工藝方法。

針對熱壓罐成型，文獻[1]對先進樹脂基復(fù)合材料制造技術(shù)現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢進行了綜述。熱壓罐成型作為其中最為重要的復(fù)合材料成型技術(shù)與數(shù)字化、自動化技術(shù)相融合將進一步提高復(fù)合材料構(gòu)件質(zhì)量、生產(chǎn)效率并降低生產(chǎn)成本。文獻[2]分析了復(fù)合材料熱壓罐固化變形機理，綜述了基于工藝仿真的固化變形預(yù)測研究進展。文獻[3]研究了金屬模具與復(fù)合材料構(gòu)件之間由于熱不匹配而產(chǎn)生固化殘余應(yīng)力造成復(fù)合材料構(gòu)件固化變形情況。文獻[4]提出了保持熱壓罐成型溫度場均勻性的優(yōu)化方法。文獻[5]總結(jié)了復(fù)合材料熱壓罐成型模具設(shè)計準(zhǔn)則，提出了低成本、工藝性好的模具設(shè)計方法。針對復(fù)合材料模壓成型，文獻[6]分析了影響模壓成型工藝質(zhì)量的主要因素；文獻[7]研究了模壓成型工藝中加壓點的優(yōu)化選擇。文獻[8]建立了非穩(wěn)態(tài)溫度場與固化動力學(xué)數(shù)學(xué)模型。

綜上所述，復(fù)合材料熱壓罐成型工藝的研究較為深入，而模壓成型工藝研究相對較少，主要針對某個工藝參數(shù)展開。本文針對這一現(xiàn)狀，系統(tǒng)研究復(fù)合材料構(gòu)件模壓成型技術(shù)。論述了融合數(shù)字化、自動化技術(shù)的模壓成型工藝過程，著重研究了模壓成型模具的數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)。

1 模壓成型工藝流程

復(fù)合材料構(gòu)件采用“增材”制造模式，即構(gòu)件由各個鋪層鋪疊而成。鋪層在固化前與固化后存在一定的厚度差異；此外，鋪層設(shè)計包括鋪層順序、剪口、展開邊界、激光鋪層投影數(shù)據(jù)等依賴設(shè)計數(shù)模但與設(shè)計數(shù)模存在一定差異。因此，復(fù)合材料構(gòu)件模壓成型首先應(yīng)進行工藝數(shù)模設(shè)計。在工藝數(shù)模的基礎(chǔ)上進行成型模具設(shè)計；完成模具制造后，開始進行構(gòu)件的鋪貼、合模固化并對固化后的構(gòu)件修邊、打磨；最后對構(gòu)件進行檢驗。整個模壓成型工藝流程如圖1所示。

圖1 復(fù)合材料構(gòu)件模壓成型工藝流程

2 工藝數(shù)模設(shè)計

工藝數(shù)模是復(fù)合材料構(gòu)件制造的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是成型模具的設(shè)計依據(jù)。工藝數(shù)模設(shè)計主要有貼模面設(shè)計、工藝鋪層的詳細設(shè)計、鋪層展開與排樣、鋪層書和激光投影數(shù)據(jù)生成等。其中，工藝鋪層的詳細設(shè)計著重確定鋪層邊界、順序、剪口以及鋪層搭接或?qū)拥倪x擇等；激光投影數(shù)據(jù)生成則需在鋪層邊界生成過程中，計算各個邊界點的法矢，以便激光投影時能自動選擇激光投影頭，以提高投影質(zhì)量。

3 模壓成型模具設(shè)計制造

3.1 模具設(shè)計

復(fù)合材料構(gòu)件模壓成型模具通常采用“陰模+陽?！钡拈]合結(jié)構(gòu)形式。為了提高模具的工藝性，陰模通常采用分塊組合的結(jié)構(gòu)形式。陰模一般作為構(gòu)件的鋪貼面，要求精度高、表面質(zhì)量好，以保證復(fù)合材料構(gòu)件成型后的形狀滿足設(shè)計要求。模壓成型中，陰、陽模需要承受和傳遞熱壓床產(chǎn)生的成型壓力，要求具有較好的強度和剛度。模壓成型模具設(shè)計主要涉及模具材料選擇、結(jié)構(gòu)熱膨脹補償、模具強度以及模具結(jié)構(gòu)的詳細設(shè)計等。

3.1.1 模具材料選擇

普通45#鋼是模壓成型模具常用的材料，具有成本低、加工性好、強度高、剛性好等優(yōu)勢，但無論是碳纖維復(fù)合材料還是玻璃纖維復(fù)合材料，都與普通鋼的熱膨脹系數(shù)差異較大。當(dāng)構(gòu)件幾何形狀復(fù)雜時，按經(jīng)驗公式無法得到準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)補償，需要多次試驗并修正模具才能得到適當(dāng)?shù)难a償量。因此普通鋼適合用作形狀比較規(guī)則的復(fù)合材料構(gòu)件的模壓模具材料。

INVAR鋼是一種特殊的模具材料，其熱膨脹系數(shù)低且接近碳纖維復(fù)合材料，用作模具時基本不用考慮結(jié)構(gòu)補償，但INVAR鋼可加工性差，成本高，剛性差。因此常作為成型精度要求高，幾何形狀復(fù)雜的復(fù)合材料構(gòu)件的模具材料，如直升機的復(fù)合材料主、尾槳葉。

3.1.2 模具結(jié)構(gòu)熱膨脹補償

當(dāng)模具與復(fù)合材料構(gòu)件熱膨脹系數(shù)差異較大時，復(fù)合材料構(gòu)件冷卻的收縮量與模具收縮量不一致，從而導(dǎo)致構(gòu)件幾何尺寸偏差。該偏差可以通過下述方法消除。首先利用主元分析（Principle Component Analysis, PCA）確定構(gòu)件設(shè)計數(shù)模的主方向，進而確定主方向上構(gòu)件的長度L。以L作為基準(zhǔn)計算模具的補償量，公式如下：

3.1.3 模具強度

目前，成型模具較多依賴設(shè)計者的經(jīng)驗，較少或基本沒有采用有限元分析軟件來實現(xiàn)模具結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計。這與直升機制造業(yè)任務(wù)量大，模具設(shè)計人員數(shù)量少的現(xiàn)狀直接相關(guān)。為了保證模具的強度和剛度，通常模具都較大且笨重，存在極大的減重和結(jié)構(gòu)優(yōu)化空間。因此，基于有限元分析的模具優(yōu)化設(shè)計是直升機制造業(yè)復(fù)合材料構(gòu)件低成本制造技術(shù)中可以深入發(fā)掘的技術(shù)。

3.1.4 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

在上述工作完成的基礎(chǔ)上，開始模具的詳細設(shè)計。模具的詳細設(shè)計應(yīng)充分考慮工藝性、可操作性和自動化程度。根據(jù)復(fù)合材料構(gòu)件的工藝數(shù)模，首先設(shè)計模具的型腔；特別地，需要充分考慮起模的可操作性，合理設(shè)置分模面。對不使用激光投影的模具，鋪層的切割線決定了產(chǎn)品的外形尺寸精度，設(shè)計時應(yīng)適當(dāng)擴展，為修配留出加工量。對使用激光投影的模具，需在模具型腔外的顯著位置設(shè)置用于校正激光頭的靶標(biāo)點。根據(jù)模具結(jié)構(gòu)，設(shè)置適當(dāng)?shù)牧髂z槽。為了便于工人操作，降低勞動強度和提高效率，模具設(shè)計應(yīng)綜合考慮模具使用安全、便利，如設(shè)置適量的起模槽和站位線等。

3.2 模具制造

復(fù)合材料構(gòu)件模壓成型模具要求貼模面精度高、表面質(zhì)量好。先進制造技術(shù)如高效數(shù)控加工、熱表面處理等的應(yīng)用為制造出高質(zhì)量的模具奠定了基礎(chǔ)。

3.2.1 模具數(shù)控加工

模壓成型模具通常采用分塊組合形式，裝配精度高，而模具形腔是復(fù)合材料構(gòu)件幾何形狀的保證。近年來，高速數(shù)控銑削、車銑復(fù)合、寬行加工和自適應(yīng)加工等先進加工技術(shù)發(fā)展迅速，并且在模具加工上廣泛應(yīng)用。這些技術(shù)具有較高的材料去除率和低刀具磨損，加工面質(zhì)量高等特點，有效保證了模壓成型模具的質(zhì)量并顯著縮短了模具的制造周期。

3.2.2 熱處理與表面處理

熱處理可以有效消除模具加工中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，提高模具的疲勞壽命和剛度。先進的表面的處理技術(shù)如激光表面強化，超音速火焰噴涂等可以改變模具型腔表面的組織性能，從而使得模具型面具有較高的硬度、耐磨性、耐腐蝕性和脫模性。

3.2.3 模具型面的數(shù)字化檢測

模具制造技術(shù)的不斷進步對檢測設(shè)備的要求也越來越高。隨著三維測量技術(shù)的發(fā)展，檢測設(shè)備多種多樣，精度也不斷提高[9]。根據(jù)檢測設(shè)備是否和被測對象的表面接觸，檢測方法分為接觸式檢測法和非接觸式檢測法。接觸式檢測中，應(yīng)用最為廣泛、最具有代表性的檢測設(shè)備是三坐標(biāo)測量機（CMM）。CMM具有測量精度高，測量范圍廣等優(yōu)點，但該設(shè)備的測量速度較慢，并且在測量過程中存在接觸壓力，容易損壞模具的型面。非接觸式檢測主要有光學(xué)式和非光學(xué)式兩種。代表性的設(shè)備為GOM公司的Atos流動式光學(xué)測量系統(tǒng)，圖2為Atos檢測過程示意。

圖2 Atos光學(xué)檢測

無論是利用接觸式檢測設(shè)備還是非接觸式檢測設(shè)備，從模具型面上采樣得到衡量模具型面精度的離散點后，均需與模具設(shè)計數(shù)模比對，才能得出模具的數(shù)值精度。具體流程如圖3所示。

圖3 模壓成型模具數(shù)字化檢測流程

4 復(fù)合材料構(gòu)件制造

完成復(fù)合材料構(gòu)件工藝數(shù)模設(shè)計和成型模具制造后，采用手工鋪貼或自動鋪覆的方式完成鋪層操作。對于手工鋪層，需間隔幾層后就抽真空壓實，以減少層間空氣和避免架橋。完成鋪層操作后，合模，根據(jù)復(fù)合材料構(gòu)件的樹脂體系確定固化參數(shù)（固化時間、固化溫度、加壓點等），進而選擇適當(dāng)?shù)臒釅捍瞾硗瓿蓸?gòu)件的固化成型。最后對成型的構(gòu)件進行修邊、打磨等后加工操作，并進行幾何形狀與固化質(zhì)量的檢驗。目前多采用超聲C掃描檢測復(fù)合材料構(gòu)件的成型質(zhì)量。

5 結(jié)束語

作為直升機制造業(yè)中廣泛采用的一種復(fù)合材料構(gòu)件成型技術(shù)，模壓成型可充分利用先進的數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)來完成工藝數(shù)模和成型模具的設(shè)計與制造，同時融合企業(yè)積累的寶貴經(jīng)驗來高質(zhì)量、高效率、低成本地完成復(fù)合材料構(gòu)件的模壓制造。隨著復(fù)合材料構(gòu)件成型工藝仿真的進一步發(fā)展，模壓成型工藝將會得到更好的提升，從而促進復(fù)合材料在直升機制造領(lǐng)域應(yīng)用的進一步發(fā)展。

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