基于先進(jìn)技術(shù)的復(fù)合材料構(gòu)件成型模具及其工裝技術(shù)研究

唐久昌

（億柏國(guó)際供應(yīng)鏈管理（深圳）有限公司，廣東 深圳 518000）

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基于先進(jìn)技術(shù)的復(fù)合材料構(gòu)件成型模具及其工裝技術(shù)研究

唐久昌

（億柏國(guó)際供應(yīng)鏈管理（深圳）有限公司，廣東 深圳 518000）

摘 要：與一般的航空結(jié)構(gòu)材料相比，在先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件成型的過程中，必須要加熱、加壓、抽真空，材料成型以及構(gòu)件成型需要在同一個(gè)時(shí)間完成。它的形位精度要想得到保證，這將離不開相應(yīng)的工裝以及模具。市場(chǎng)的變化和航空行業(yè)的發(fā)展促進(jìn)了先進(jìn)復(fù)合材料需要不斷改善性能和質(zhì)量，降低成本。因此，研究基于先進(jìn)技術(shù)的復(fù)合材料構(gòu)件成型模具及其工裝技術(shù)有十分重要的意義，因?yàn)樗兄诟痈咝У厥褂孟冗M(jìn)復(fù)合材料。

關(guān)鍵詞：基于先進(jìn)技術(shù)的復(fù)合材料；構(gòu)件成型模具；工裝技術(shù)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，我國(guó)出現(xiàn)了越來越多的復(fù)合材料，現(xiàn)階段在現(xiàn)代飛機(jī)領(lǐng)域，復(fù)合材料的使用量在不斷增加，已經(jīng)成為較為常用的航空結(jié)構(gòu)材料，與鈦合金材料、鋁合金材料、合金鋼材料均處于同等重要的位置。在A380中復(fù)合材料的使用量在總重量中所占的比重已達(dá)到25%，在B787中復(fù)合材料的使用量在總重量中所占的比重已達(dá)到50%，而在A350XWB結(jié)構(gòu)中的用量最多，大約為52%。新階段，先進(jìn)復(fù)合材料仍舊最受航空航天企業(yè)的青睞，玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、硼纖維等都屬于先進(jìn)復(fù)合材料。

一、基于先進(jìn)技術(shù)的復(fù)合材料構(gòu)件成型模具的類型

先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件成型的工藝方法有很多，與此相對(duì)，模具的結(jié)構(gòu)形式也有很多，先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件成型模具有以下幾種類型：

（一）框架式的模具

為了提高復(fù)合材料構(gòu)件成型模具整體以及局部的剛度，提高模具分型面加熱的效率，最大限度地減少模具變形的可能性，設(shè)計(jì)制造模具骨架的時(shí)候可以考慮隔柵結(jié)構(gòu)。

圖1是框架式模具。

（二）組合式的模具

組合式模具的制造材料一般為金屬，它主要用于4種情況：一是壓機(jī)成型；二是模壓成型；三是樹脂傳遞模塑成型；四是注射模成型。組合模的組成結(jié)構(gòu)是兩個(gè)半模，它的分布方式是上下分布，通過模具的上壓盤和下壓盤能夠進(jìn)行加熱，上、下壓盤加熱的方式主要是傳導(dǎo)加熱，此外，周圍的熱源同樣能夠給模具進(jìn)行加熱，另外，組合模具中有內(nèi)置加熱系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)也能進(jìn)行加熱。液態(tài)成型技術(shù)包括3個(gè)不同的種類：一是樹脂轉(zhuǎn)移模塑；二是真空輔助成型；三是樹脂模溶滲成型。其中，樹脂轉(zhuǎn)移模塑結(jié)構(gòu)能夠被分成3個(gè)部分，這3個(gè)部分分別是型體和兩個(gè)端蓋。有些制品的形狀較復(fù)雜、尺寸較大，對(duì)于這部分制品可以進(jìn)一步分割組合其型體部分，分型面制作凸舌以及凹溝，還要在兩個(gè)端蓋所處的地方設(shè)置注射口以及排氣口，還應(yīng)關(guān)注樹脂分流道。圖2是組合式模具。

（三）拉擠成型模具與擠壓成型模具

拉擠成型模具與擠壓成型模具統(tǒng)稱為連續(xù)成型模具。將浸有樹脂的纖維通過某種特定的加熱口模擠出其中多余的樹脂，這個(gè)過程就是擠壓加工的具體過程，在牽引的條件下固化。連續(xù)擠壓過程包括多個(gè)過程，它的成型模具是組合式的，由多個(gè)運(yùn)動(dòng)部件形成。第一步，對(duì)位于模具中的多層熱塑性帶加熱同時(shí)壓成層合板；第二步，將壓好的層合板壓入成型的模具同時(shí)加熱，壓成滿足要求的截面型材，最后利用連續(xù)壓模把型材壓成需要的彎曲形狀，利用這種方式能夠成型彎曲或者扭轉(zhuǎn)以及變截面的型材，這種成型工藝是新型成型工藝。

二、基于先進(jìn)技術(shù)的復(fù)合材料構(gòu)件成型模具的設(shè)計(jì)方法研究

制造復(fù)合材料的構(gòu)件離不開模具，在該行業(yè)中，模具是相當(dāng)常見的工藝裝備之一，因?yàn)樗梢詫?duì)制件的形狀、結(jié)構(gòu)關(guān)系、控制外緣進(jìn)行確定，進(jìn)而確保表面的質(zhì)量。復(fù)合材料的聚合固化需要在模具上進(jìn)行，有的時(shí)候還應(yīng)在成型的模具上鋪疊預(yù)浸料，復(fù)合材料構(gòu)件質(zhì)量的高低在很大程度上受到模具設(shè)計(jì)制造的影響。

通過分析復(fù)合材料構(gòu)件成型模具的材料，我們可以把它分成不同的兩類為，其一是金屬模；另一類是復(fù)合材料模，它們的結(jié)構(gòu)和工藝比較特殊。當(dāng)前，因?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，CAD技術(shù)被廣泛運(yùn)用，越來越多的復(fù)合材料構(gòu)件成型模具設(shè)計(jì)會(huì)考慮數(shù)字化的設(shè)計(jì)方式。為了提升設(shè)計(jì)的效率，很多航空航天企業(yè)對(duì)于經(jīng)常使用的結(jié)構(gòu)會(huì)考慮模塊化設(shè)計(jì)以及參數(shù)化設(shè)計(jì)。

與常規(guī)的鈑金成型模具進(jìn)行對(duì)比能夠發(fā)現(xiàn)，對(duì)于累積公差，先進(jìn)復(fù)合材料有更加嚴(yán)格的要求。模具與零件兩者貼合面不同的尺寸取決于模具的類型以及它熱膨脹的特點(diǎn)；基體在最高固化溫度基礎(chǔ)上的尺寸與先進(jìn)復(fù)合材料最終的尺寸一致。

設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件成型模具時(shí)，應(yīng)當(dāng)著重考慮熱匹配的問題，原因是鋼和鋁的熱膨脹系數(shù)通常比碳和石墨的復(fù)合材料高，高出的系數(shù)在一個(gè)數(shù)量級(jí)左右，當(dāng)它從固化峰值的溫度逐漸往下冷卻時(shí)，金屬模具會(huì)出現(xiàn)一定程度地收縮，這種變化在構(gòu)件中會(huì)引起參與應(yīng)變或者固有應(yīng)變。設(shè)計(jì)模具的時(shí)候，設(shè)計(jì)人員如果做到及時(shí)修正尺寸，就應(yīng)當(dāng)選擇熱膨脹系數(shù)不高的材料模具，一般情況下，會(huì)使用熱膨脹補(bǔ)償?shù)姆绞?，參照?jīng)驗(yàn)公式以及試驗(yàn)驗(yàn)證，把制作質(zhì)心當(dāng)作中心，按照特定的公式，設(shè)計(jì)人員把整個(gè)制作縮小，工程設(shè)計(jì)的輸入遵循縮小之后的制作。

另外，設(shè)計(jì)人員還可能會(huì)遇到角度回彈的問題，對(duì)于這類問題，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)提前考慮回彈角，即模具的角度為制件夾角和回彈角的和，這樣做使得制件脫?；貜椫笈c工藝數(shù)模的要求相符。這樣做能夠達(dá)到制件脫?；貜椫蠛凸に嚁?shù)模的要求兩者相符。對(duì)于某些比較復(fù)雜的制件，對(duì)模具結(jié)構(gòu)的剛度、溫度場(chǎng)的分布狀況、熱膨脹等效果開展模擬分析的時(shí)候，可以選擇CAE技術(shù)，進(jìn)而提供科學(xué)的參考依據(jù)用于模具溫度補(bǔ)償、回彈修正設(shè)計(jì)等。

三、基于先進(jìn)技術(shù)的復(fù)合材料構(gòu)件成型模具工裝技術(shù)研究

近幾年，先進(jìn)復(fù)合材料表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)尺度變大、形狀更加復(fù)雜的特點(diǎn)，這就給構(gòu)件的制造提出了縮短周期，降低成本的要求。為了適應(yīng)這種變化，先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件成型工裝方面表現(xiàn)出柔性化的趨勢(shì)。

柔性工裝的基礎(chǔ)是先進(jìn)的工裝制造理念以及靈活性高的工裝設(shè)計(jì)，這類工裝與幾何形狀相似，通過先進(jìn)的理念和制造技術(shù)在剛性工裝技術(shù)的前提下，對(duì)工裝型腔或成型表面開展迅速地再次利用、組合、加工。近年來，國(guó)外產(chǎn)生了SPT技術(shù)并得到了較快的發(fā)展，這種技術(shù)是利用組合或者細(xì)桿來對(duì)分型面的高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，這種方式能夠低成本、迅速地制造相同類型的相似工裝。柔性工裝的理念與技術(shù)能夠用在對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件制造的定位以及固化之后數(shù)據(jù)庫中對(duì)材料的性能以及力學(xué)性能的表達(dá)。

這個(gè)數(shù)據(jù)庫中對(duì)力學(xué)性能的表達(dá)能夠分成5個(gè)不同的層次。5個(gè)層次的內(nèi)容如下：

第一個(gè)層次包括對(duì)復(fù)合材料體系的力學(xué)性能的匯總，其中包含材料的篩選、取證、驗(yàn)收等基本信息，還包括對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料體系的力學(xué)性能的全面匯總；

第二個(gè)層次為匯總單個(gè)測(cè)試項(xiàng)目的多批次的力學(xué)性能，用表格的方式進(jìn)行表達(dá)。其中，單個(gè)測(cè)試項(xiàng)目力學(xué)性能涉及多種統(tǒng)計(jì)的表達(dá)，譬如0度拉伸的強(qiáng)度包括最大值和最小值、離散的系數(shù)、平均值、分布的形式等；

第三個(gè)層次為每個(gè)批次的單個(gè)測(cè)試項(xiàng)目的力學(xué)性能，它的表達(dá)方式是表格的形式；

第四個(gè)層次為試驗(yàn)結(jié)束之后統(tǒng)計(jì)分析試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)錄入到EXCEL表格，進(jìn)行細(xì)致的匯總；

第五個(gè)層次為試驗(yàn)結(jié)束之后，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的與單個(gè)試驗(yàn)件有關(guān)的原始數(shù)據(jù)。

結(jié)語

先進(jìn)復(fù)合材料屬于新型材料，與普通的材料相比，它具有許多優(yōu)點(diǎn)，譬如強(qiáng)度高、剛性高、具有較強(qiáng)的抗疲勞性和抗腐蝕性，航空航天企業(yè)中已經(jīng)大范圍地使用先進(jìn)復(fù)合材料。市場(chǎng)推動(dòng)了先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件成型模具和工裝技術(shù)的不斷創(chuàng)新，為了盡可能減少加工迭代造成的不利影響，將來會(huì)深入研究檢測(cè)成型曲面質(zhì)量的方法。在充分考慮形狀特征、工件大小、不同的工藝等因素的基礎(chǔ)上，積極探索先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件成型模具和工裝技術(shù)，提高技術(shù)水平，為先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展提供有力的技術(shù)保障。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號(hào)：TP391

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