淺析航空復(fù)合材料件工裝模具技術(shù)現(xiàn)狀及進(jìn)展

姚嵐 鐘山

摘 要：復(fù)合材料是一種先進(jìn)的新興材料，在航空領(lǐng)域的運(yùn)用十分的廣泛，復(fù)合材料的使用讓航空事業(yè)有了長遠(yuǎn)的發(fā)展。本文闡述航空復(fù)合材料件工裝模具技術(shù)的現(xiàn)狀及進(jìn)展，通過結(jié)合對航空復(fù)合材料件工裝模具的具體特點(diǎn)和主要研究方向進(jìn)行了探討，研究其生產(chǎn)技術(shù)的要點(diǎn)，為解決航空事業(yè)的制造難題提出了相應(yīng)的建議。

關(guān)鍵字：航空；復(fù)合材料；工裝模具技術(shù)現(xiàn)狀和進(jìn)展

隨著航空工業(yè)的發(fā)展對于所需原材料的要求越來越高，對于很多產(chǎn)品的規(guī)格尺寸有著嚴(yán)格的規(guī)定，航空材料的合格性需要得到保證就一定要從工裝模具上入手，只有保證了工裝模具加工的精確性，才能為產(chǎn)品制造提供保證，從而確保航空復(fù)合材料零件加工的可靠性。

1 航空復(fù)合材料件工裝模具發(fā)展現(xiàn)狀

航空事業(yè)屬于高科技行業(yè)，現(xiàn)代高科技技術(shù)的發(fā)展離不開復(fù)合材料，復(fù)合材料對現(xiàn)代科技的發(fā)展有著十分重要的作用，復(fù)合材料的應(yīng)用廣度以及生產(chǎn)發(fā)展的速度和規(guī)模，已經(jīng)成為了衡量一個國家科學(xué)技術(shù)水平的一個重要指標(biāo)，復(fù)合材料工裝制造在航空制造中往往都是默默無聞不被人知曉的，但是與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量以及制造成本緊密相關(guān)的，復(fù)合材料工裝制造的理想狀態(tài)應(yīng)該是高精度，便使用，抗高壓，無滲漏，工裝材料與零件材料的熱膨脹系數(shù)和成本低廉應(yīng)該是最主要的理想狀態(tài)。為滿足航空是事業(yè)尖端科技的所用材料的需求，研制了很多以高性能前衛(wèi)為增強(qiáng)材料的復(fù)合型材料，，其中最為廣泛使用的例如碳纖維、硼纖維、芳綸纖維和碳化硅纖維等等，復(fù)合材料已經(jīng)成為與鈦合金、鋁合金、合金鋼并駕齊驅(qū)的四大航空結(jié)構(gòu)材料之一。為了滿足先進(jìn)復(fù)合材構(gòu)件內(nèi)部質(zhì)量的特定需求，在復(fù)合材料構(gòu)件成型的過程中，需要加熱加壓和抽真空等外在工藝技術(shù)去實(shí)現(xiàn)，復(fù)合材料的成型特點(diǎn)就是材料成型和構(gòu)件成型可以同時(shí)完成，這要求了復(fù)合材料構(gòu)件的行位精度需要依靠模具工裝來進(jìn)行保證。飛機(jī)制造技術(shù)對復(fù)合材料的需求越來越大，相對于傳統(tǒng)工藝材料，復(fù)合材料是將多種不同形態(tài)和性能的材料進(jìn)行復(fù)合的手段而的出來的新型材料，復(fù)合材料具備著更多的優(yōu)勢，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐高溫，耐腐蝕、熱力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)，在飛機(jī)制造的整體結(jié)構(gòu)上，可承擔(dān)飛機(jī)主要承重結(jié)構(gòu)的艱巨任務(wù)。然而目前我國復(fù)合材料的發(fā)展還跟不上航空事業(yè)的發(fā)展需求，影響著我國航空事業(yè)的發(fā)展，為了盡快發(fā)展我國的航空事業(yè)，復(fù)合材料件工裝模具技術(shù)必須向著高性能、低成本、多功效的發(fā)展道路上發(fā)展，加工制造合理的復(fù)合材料并且讓它成為標(biāo)準(zhǔn)成型的工裝模具是我國目前發(fā)展復(fù)合材料件工裝模具技術(shù)的首要任務(wù)。

2 航空復(fù)合材料件工裝模具的發(fā)展進(jìn)展

復(fù)合材料工裝模具具有多種成型工藝，無論是哪種成型工藝都需要施加外界壓力的壓實(shí)過程，施壓過程是排出構(gòu)件中的空氣，壓實(shí)空隙，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)纖維的均勻分布的過程，構(gòu)件的剛性模和依賴氣體或液體傳壓的彈性模具相互結(jié)合的方式是目前最為常見的方式，隨著工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，以熱脹材料為芯模，剛性材料為陰模，構(gòu)件放置于雙方之間的模具成型技術(shù)也深入到飛機(jī)部分零件的制造上。模具的成型還需要溫度和真空的配合，在現(xiàn)金復(fù)合材料構(gòu)件的成型過程中，如果模具材料與復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)不匹配就會對構(gòu)件的成型質(zhì)量造成嚴(yán)重的影響。

隨著航空事業(yè)的不斷發(fā)展，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的選用標(biāo)準(zhǔn)也越來越高，除了高質(zhì)量和高強(qiáng)度的要求，也有著較低熱膨脹的系數(shù)要求，使得制作出來的材料能夠在邊和和靜載荷條件下也能夠保持良好的穩(wěn)定性，熱膨脹系數(shù)作為復(fù)合材料重要的性能參數(shù)之一，會受到很多外界因素的影響，例如基體和碳纖維的性質(zhì)、纖維的含量和排列方式，界面的性質(zhì)和殘余應(yīng)力等等各個方面，熱膨脹差異的主要原因是復(fù)合材料經(jīng)不同的熱處理后平面殘余應(yīng)力的大小不同，工藝技術(shù)的不同導(dǎo)致平面殘余應(yīng)力大小不同，可以在退火和固溶時(shí)進(jìn)行處理可以得到緩解，又或者在復(fù)合材料表面涂層上增加新的物質(zhì)以降低熱膨脹系數(shù)，減低復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)是目前研究的重點(diǎn)課程之一。

模具的成型過程需要達(dá)到合適的成型溫度，不論是熱固性樹脂基復(fù)合材料固化，還是熱塑性樹脂基復(fù)合材料熔化，都需要經(jīng)過加熱的成型過程，加熱均勻和加熱速度是影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件質(zhì)量和成本的重要因素，自加熱以及熱管理作為提高復(fù)合材料工裝制造效率的方法受到了越來越多的青睞，一般模具加熱方式是通過加熱空氣或者惰性氣體為傳熱的載體，以流換熱和熱輻射加熱為主對模具進(jìn)行加熱，又或者把熱電阻和循環(huán)水管直接埋入成型模具中，以熱傳導(dǎo)為主的加熱工藝，這樣可以達(dá)到復(fù)合材料的成型工裝模具升溫效率與構(gòu)建溫度的要求。

降低先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的空隙率，需要提供合適的真空度工藝環(huán)境，在目前的提供真空的方式上大致有用膩?zhàn)用芊夂玫囊淮涡允褂谜婵沾B接真空貯氣罐，

貯氣罐與真空泵相連或者真空袋與真空泵直接相連；用可多次重復(fù)使用的真空袋連接真空貯氣罐，貯氣罐與真空泵相連或者真空袋與真空泵直接相連，這些技術(shù)大多運(yùn)用于大型運(yùn)輸機(jī)機(jī)翼下壁板。

現(xiàn)今的復(fù)合材料構(gòu)件特別是大型復(fù)雜的構(gòu)件成型模具應(yīng)盡可能選用熱膨脹系數(shù)與復(fù)合材料相近的材料，例如如殷鋼、碳泡沫、碳?xì)值?。殷鋼作為?fù)合材料成型模具的材料具有熱膨脹系數(shù)低，耐溫性好，適合復(fù)合材料高溫成型，真空完整性方面的變現(xiàn)也較為優(yōu)異，適合復(fù)合型材料真空封裝的成型，殷鋼熱傳導(dǎo)好，能夠提高復(fù)合材料熱歷程的成型效率，機(jī)械加工性能良好的優(yōu)勢不需要大量額外技術(shù)的投入，但殷鋼材料成本相對來說比較高昂。碳泡沫是一種剛剛開發(fā)出來的新型復(fù)合材料成型模具材料，其特點(diǎn)包括與碳纖維復(fù)合材料同屬于碳材料，熱膨脹系數(shù)匹配的相當(dāng)好，尺寸方面也有著良好的穩(wěn)定性，它重量輕、耐高溫的特點(diǎn)適合大尺寸復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的成型，碳泡沫易于快速的成型，易于機(jī)械加工和膠結(jié)成型，成本相對也說也比較低，能夠滿足氣密性需要的特殊處理，在復(fù)合材料工裝模具的應(yīng)用中有點(diǎn)自身獨(dú)特的優(yōu)勢。碳?xì)峙c金屬材料相比，因重量更輕而易于搬運(yùn)，并且下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)投資少，因升降溫速率更快而節(jié)省能源消耗和制造周期，易于機(jī)械加工和修理，可以更改模具尺寸而適于復(fù)合材料構(gòu)件研制，與傳統(tǒng)復(fù)合材料相比，適于制造復(fù)雜形狀模具，易于改變模具表面尺寸；碳?xì)诌m合制造小批量復(fù)合材料構(gòu)件的成型模具。

航空復(fù)合材料構(gòu)件的幾何外形十分復(fù)雜，例如機(jī)翼翼面類的縱橫加筋壁板，機(jī)身類的M形加筋壁板和S形進(jìn)氣道非開敞結(jié)構(gòu)等等，這些復(fù)雜構(gòu)件成型和脫模對模具材料和模具結(jié)構(gòu)都有著特殊的要求，易變性型模具的加工技術(shù)讓這一問題迎刃而解，在一定的物理狀態(tài)下可以變換成不同的模具狀態(tài)是易變性型模具的主要特點(diǎn)，這類模具大多是由記憶成型工裝模具隨著溫度的變化而發(fā)生可逆軟化與硬化的可逆相和原始形狀的固定相構(gòu)成，可逆相的作用是發(fā)生形變或固定性變，而固定相的作用是記憶及回復(fù)成型模具的原始形狀。 形狀記憶高分子模具是易變性模具的典型代表。

3 結(jié)語

復(fù)合材料工裝模具在航空領(lǐng)域的應(yīng)用呈現(xiàn)出了多種應(yīng)用的方式，為復(fù)合材料構(gòu)件提供了多種的手段和方式，復(fù)合材料件工裝模具技術(shù)的發(fā)展為航空事業(yè)的發(fā)展提供了強(qiáng)而有力的后盾，滿足了航空制造上的各種工藝需求，由于我國相對于其他國家航空事業(yè)起步較晚的情況，在發(fā)展水平上還存在著一定的差距，復(fù)合材料的工裝模具技術(shù)運(yùn)用還不夠成熟，這些方面需要大量的研發(fā)力度，為我國的航空事業(yè)保駕護(hù)航。

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