先進復合材料構(gòu)件成型模具和工裝技術(shù)的研究

彭繼康

摘 要：隨著科學技術(shù)的發(fā)展，先進復合材料具有更為廣闊的發(fā)展空間，市場對其要求隨之增加?；诖?，本文將先進復合材料作為研究對象，對其構(gòu)件成型模具及工裝技術(shù)進行了分析，首先闡述了先進復合材料構(gòu)件成型模具及工裝結(jié)構(gòu)形式，然后分析了模具及工裝的設(shè)計技術(shù)，最后介紹了幾種先進復合材料構(gòu)件成型模具和工裝材料，以期為相關(guān)研究提供理論參考。

關(guān)鍵詞：復合材料;組合模具;泡沫碳

0 前言

就目前的技術(shù)水平而言，飛機制造中先進復合材料的應(yīng)用十分廣泛，逐漸成為繼鋁、鋼及鈦之后的第四大航空結(jié)構(gòu)材料。相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，在A380中先進復合材料的應(yīng)用重量占據(jù)總重的25%;在B7B7中占據(jù)的比例為50%;在A350XWB中占據(jù)的比例為52%。但是在先進復合材料的應(yīng)用中，對構(gòu)件成型工藝及工裝技術(shù)的要求相對較高。

1 先進復合材料構(gòu)件成型模具和工裝的結(jié)構(gòu)形式

1.1 組合模具

組合模具的原材料為金屬，包括上下兩個半模，常用于模壓成型、注射模成型以及壓機成型等成型方式中。組合模具具有三種加熱方式：（1）壓盤傳導加熱方式;（2）熱源加熱方式;（3）內(nèi)置模具加熱系統(tǒng)。技術(shù)人員可以根據(jù)具體的先進復合材料需求，選擇最佳的加熱方式[1]。

1.2 框架性模具

框架性模具主要通過格柵結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，進行構(gòu)件成型模具的制造，這一模具結(jié)構(gòu)形式可以有效提升構(gòu)件成型模具的局部及整體剛度，從而避免模具出現(xiàn)變形問題。與此同時，框架性模具能夠顯著提升模具型面的加熱效率，保障先進復合材料的質(zhì)量。

1.3 其他模具

先進復合材料構(gòu)件成型模具還包括連續(xù)成型模具、整體式模具以及易變形模具等多種形式。其中，連續(xù)成型模具主要通過拉擠或者擠壓方式完成材料加工;整體式模具主要用于制造尺寸較小或者以石墨為材料的先進復合材料;易變形模具主要是指不同物理狀態(tài)可以呈現(xiàn)出不同形態(tài)的模具。

2 先進復合材料構(gòu)件成型模具和工裝的設(shè)計

在設(shè)計方面，先進復合材料構(gòu)件成型模具和工裝不同于傳統(tǒng)用具，必須考慮新材料的熱匹配問題，且十分強調(diào)設(shè)計的精度。如常規(guī)金屬材料模具，其熱膨脹系數(shù)遠高于碳石墨復合材料，在設(shè)計的過程中，就需要做好溫度變化時的應(yīng)對，以免出現(xiàn)尺寸不可控變化導致模具破損。復合材料應(yīng)用前，可首先通過模擬實驗進行熱膨脹系數(shù)的評估，選取系數(shù)較低的材料進行模具設(shè)計。較為典型的方式是比例實驗法，即將對應(yīng)模具按固有比例進行縮小，以便方便的進行實驗，獲取參數(shù)后再進行模擬擴大。該方式下，可以獲取一個模具膨脹變化的糾正系數(shù)計算公式，以X表達糾正系數(shù)，以A和B分別表達模具制成后的熱膨脹系數(shù)和材料的熱膨脹系數(shù)，以A1表達模具制成時和常規(guī)工作態(tài)勢下的溫度差異，公式如下：

X=1/[（A-B）*A1+1] （1）

計算所獲的X，即為糾正系數(shù)，在設(shè)計的工程中，要求針對糾正系數(shù)做好計算，適當調(diào)整模具的比例，使其滿足使用要求。

此外，在進行先進復合材料構(gòu)件成型模具和工裝的設(shè)計時，也需要考慮角度回彈問題，現(xiàn)有的復合材料中，物理性能和熱膨脹系數(shù)都可以控制在較小范圍內(nèi)，彈回角較小，可直接在設(shè)計的過程中進行小幅修正。如果需要制備較為復雜的工件，則可以采用現(xiàn)代數(shù)字模擬技術(shù)，對回彈角的大小進行計算，使其符合制作要求。一般可應(yīng)用CAE技術(shù)進行模擬，取固定的剛度要求、溫度要求等作為約束條件，進行不同維度的多次模擬，再以模擬結(jié)果為基礎(chǔ)，制備試驗用工件，進行實際測試，了解補充需要和修正設(shè)計的具體數(shù)據(jù)，完善設(shè)計工作。

3 先進復合材料構(gòu)件成型模具和工裝材料

3.1 殷鋼

殷鋼是指Invariable Alloy，是由鐵和鎳等多種稀有金屬制造而成的一種合金，其鎳含量在33%左右。在加熱過程中，殷鋼的膨脹系數(shù)為2.20×10-6（/℃）。這一數(shù)值要低于目前已知的所有金屬的膨脹系數(shù)。與此同時，在通過一定的回火以及延展等處理之后，殷鋼能夠始終維持近乎0的膨脹系數(shù)。殷鋼的出現(xiàn)有效解決了碳鋼存在的受熱易變形問題，其膨脹系數(shù)和先進復合材料的數(shù)值具有較高的契合性[2]。

3.2 泡沫碳

泡沫碳屬于全新的先進復合材料構(gòu)件成型模具，和碳纖維復合材料類似，可以劃分到碳材料的范疇內(nèi)。泡沫碳主要具有如下優(yōu)勢：（1）材料的熱膨脹具有較高的匹配度，尺寸穩(wěn)定性相對較高;（2）成型度高，且成型速度快，非常適用于機械加工以及膠接成型中;（3）重量相對較輕，適用于生產(chǎn)大尺寸的先進復合材料構(gòu)件;（4）可以滿足先進復合材料對于氣密性的特殊要求;（5）耐高溫，可以進行小批量的先進復合構(gòu)件成型模具制造。

3.3 其他材料

先進復合材料構(gòu)件成型模具和工裝材料還包括易溶模具、硅橡膠模具、整體石墨模具等多種類型。其中，易溶模具主要是指將易溶解材料在溶劑中的溶解，并通過模壓法或者澆鑄法制造而成的實心或者空心模具;硅橡膠模具主要是將硅橡膠模具的受熱膨脹特征作為生產(chǎn)原理，將硅橡膠作為介質(zhì)進行壓力的傳遞，實現(xiàn)對制件的加壓;整體石墨模具屬于復合材料模具，具有熱導率高以及尺寸穩(wěn)定等優(yōu)勢，但是很容易破碎，需要技術(shù)人員在模具表面涂層。

4 總結(jié)

綜上所述，先進復合材料構(gòu)件成型模具及工裝技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景。通過本文的分析可知，先進復合材料構(gòu)件成型模具制造行業(yè)應(yīng)用了大量的先進材料，工裝技術(shù)也較為成熟，但是我國構(gòu)件成型模具及工裝技術(shù)仍舊處于起步階段，需要技術(shù)人員進行進一步的研發(fā)，滿足飛機制造的生產(chǎn)需求，促進航空制造領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻：

[1]鄧帆，湛利華，鄒靖.樹脂基復合材料帽型加筋構(gòu)件固化過程壓力在線監(jiān)測研究[J].玻璃鋼/復合材料，2018（07）：36-41.

[2]唐久昌.基于先進技術(shù)的復合材料構(gòu)件成型模具及其工裝技術(shù)研究[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2016（14）：62-63.