先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件成型模具和工裝技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

孫海軍

哈爾濱新科銳迪佩克機(jī)械制造有限公司 黑龍江哈爾濱 150069

飛機(jī)工藝裝備是飛機(jī)制造和裝配方面應(yīng)用到的專用設(shè)備，在飛機(jī)的生產(chǎn)中有著十分重要的作用。近年來(lái)，各種先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在飛機(jī)的裝配方面，各種先進(jìn)的復(fù)合材料被應(yīng)用到其中，有玻璃纖維、碳纖維等的復(fù)合材料，復(fù)合材料構(gòu)件成型需要加熱、加壓等一系列工藝，才能夠確保構(gòu)件的完成，在精度方面需要依靠模具和工裝完成。在市場(chǎng)上對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用，需要充分確保復(fù)合材料的產(chǎn)品質(zhì)量、性能等的不斷提高，進(jìn)一步促進(jìn)復(fù)合材料工藝技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。

1 模具和工裝設(shè)計(jì)技術(shù)

在當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展中，復(fù)合材料成型模具和工裝設(shè)計(jì)方面開(kāi)始應(yīng)用到數(shù)字化的設(shè)計(jì)技術(shù)，常用的結(jié)構(gòu)則采用模塊化和參數(shù)化進(jìn)行設(shè)計(jì)，有效提高設(shè)計(jì)的效率。在針對(duì)復(fù)合模具的設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)要求更加嚴(yán)格，而且模具與零件貼合面的尺寸差異需要根據(jù)模具的類型和熱膨脹性進(jìn)行分析。在對(duì)模具進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要首先考慮到熱匹配問(wèn)題，其中鋼和鋁的熱膨脹系數(shù)比傳統(tǒng)的復(fù)合材料大出一個(gè)數(shù)量級(jí)，當(dāng)固化峰值溫度開(kāi)始冷卻時(shí)，金屬模具發(fā)生收縮，在構(gòu)件中會(huì)有比較嚴(yán)重的殘余應(yīng)變[1]。在對(duì)模具進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，如果在尺寸方面不能修正，則需要應(yīng)用到熱膨脹系數(shù)較低的一些復(fù)合材料模具。針對(duì)復(fù)雜制件的制作，通常采用的是CAE技術(shù)模擬分析模具和工裝的結(jié)構(gòu)剛度，針對(duì)模具的溫度補(bǔ)償提供相應(yīng)依據(jù)。

2 模具和工裝結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)

復(fù)合材料成型的工藝方法比較多，相關(guān)的模具結(jié)構(gòu)形式也多種多樣，其主要的形式有以下幾類：①框架式模具，為了提高模具型面的加熱效率，防止模具的變形，需要在模具的設(shè)計(jì)方面，做好模具局部和整體剛度的設(shè)計(jì)，通過(guò)采用格柵結(jié)構(gòu)，將模具的骨架設(shè)計(jì)出來(lái)。②組合式模具的設(shè)計(jì)，針對(duì)組合式模具的設(shè)計(jì)，通常采用的是金屬制造，通常作為壓機(jī)成型和模壓成型的設(shè)計(jì)，組合模是由上下2個(gè)半模組成，模具的上下壓盤(pán)通過(guò)傳導(dǎo)加熱，或者是利用周?chē)臒嵩唇o模具加熱。③自容式模具系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在模具系統(tǒng)中，加熱和加壓是模具最主要的一部分，選擇的熱源可以是電、熱油，能夠解決熱壓罐中的不足之處，可以作為一些大型零部件設(shè)計(jì)的材料，而且成本較低，在溫度控制方面的精確度也較高。④易變形模具的設(shè)計(jì)，易變形模具很容易在物理狀態(tài)下發(fā)生形狀的變化，其中形狀記憶高分子模就屬于易變形模具，其原始的構(gòu)件隨著溫度的變化，會(huì)發(fā)生可逆軟化的情況。

3 模具和工裝材料的選擇

在針對(duì)較大曲度構(gòu)件的設(shè)計(jì)中，如果設(shè)置的模具和復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)不相匹配，會(huì)使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的整體精度降低。在對(duì)大型復(fù)合模具的設(shè)計(jì)中，需要充分考慮到模具與制件之間熱膨脹性的一致，通常選用的主要材料有鋁和銅合金等。在對(duì)易溶模具的制作中，采用的是易于溶解的材料，通過(guò)澆筑法或模壓法制成需要的模具類型，復(fù)合材料構(gòu)件在利用該種模具制作成需要的形狀之后，在開(kāi)口的位置注入適宜溫度的溶劑，其中選用的芯模材料主要是低溶鹽和石膏。復(fù)合材料多采用碳纖維或玻璃纖維制成，模具的熱膨脹系數(shù)與成型構(gòu)件的熱膨脹系數(shù)是相匹配的，能夠保證產(chǎn)品的尺寸和精度，模具的整體制造工藝比較復(fù)雜，密封性能較差，整體的制造成本也較高。硅橡膠模具是利用硅橡膠受熱膨脹的原理，利用壓力作用在制件上，對(duì)制件加壓。低熔點(diǎn)合金模具的種類分很多，有鉛鋅模、秘錫模等，其主要的特點(diǎn)是熔點(diǎn)低、容易制模，美國(guó)在20世紀(jì)70年代的時(shí)候就開(kāi)始研制復(fù)合材料制品的模具，將鋅基合金應(yīng)用在復(fù)合材料成型模具方面，其整體的制造周期短、生產(chǎn)成本低，而且在剛度和強(qiáng)度方面都符合要求，應(yīng)用在復(fù)合材料大型構(gòu)件中[2]。

4 模具和工裝制造方法的應(yīng)用

在對(duì)模具的制造的過(guò)程中，主要采用殷瓦鋼包絡(luò)板框架式焊接結(jié)構(gòu)，型面部分根據(jù)產(chǎn)品曲率分成若干小塊采用較厚的殷瓦鋼板用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行型面粗加工，數(shù)控加工后再通過(guò)焊接成整體型板，整體型板再焊接到用10mm-12mm厚的殷瓦鋼鋼板插接焊接的網(wǎng)格架上進(jìn)行型面整體數(shù)控加工。在制作的過(guò)程中，還需要及時(shí)解決漏氣問(wèn)題，防止焊接的部位發(fā)生變形，有效確保模具的密封性。目前另有一種熱壓成型法逐步成為復(fù)合材料成型模具的主流，因?yàn)檫@種方法解決了不用使用價(jià)格昂貴的殷瓦鋼、型板不用反復(fù)數(shù)控加工、并且解決了型板拼焊漏氣問(wèn)題。這種方法的特點(diǎn)是型板更換為國(guó)內(nèi)某種常規(guī)板材用中頻感應(yīng)爐加熱后，使用模具在壓力機(jī)上壓制成型。成型后的型板再焊接再到用10mm-12mm厚的Q235-A.F鋼板插接焊接的網(wǎng)格架上進(jìn)行型面整體數(shù)控加工。加工后進(jìn)行后續(xù)工序，直到真空試漏測(cè)試合格后，模具便可以交付使用。非金屬模具的制作通常采用多工步完成，在利用復(fù)合材料制作模具時(shí)，需要遵從以下步驟：首先采用石膏制作基準(zhǔn)模型，進(jìn)行數(shù)控加工；然后在基準(zhǔn)模型上增加塑膠層，在塑膠面石膏模上鋪設(shè)碳纖維編織布，采用熱壓罐壓技術(shù)生產(chǎn)出需要的模具。有關(guān)金屬噴涂模具的制造，在外層含有一層熱噴涂金屬殼，主要采用的是低成本材料作為支撐，包括木材、石膏等，當(dāng)這些模具處于簡(jiǎn)單的液壓或氣壓條件下可以整體加熱，在一定程度上提高了生產(chǎn)效率，降低了能耗成本。針對(duì)RTM模具的制作，則是采用數(shù)控加工技術(shù)，模具型腔表面的光潔度越高，產(chǎn)品表面的質(zhì)量就會(huì)越好，產(chǎn)品的脫模也比較容易，但是加工費(fèi)用會(huì)有所提高[3]。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，我國(guó)近年來(lái)先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件成型模具和工裝技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，相關(guān)的模具結(jié)構(gòu)已經(jīng)被大范圍應(yīng)用，同時(shí)相關(guān)的碳泡沫、形狀記憶高分子材料等模具的制造技術(shù)已經(jīng)成熟，實(shí)際的應(yīng)用范圍和成熟度已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)需求，需要加大其研發(fā)的力度，有效提高復(fù)合材料模具的工裝技術(shù)水平，為制造提供基礎(chǔ)的技術(shù)支持和保障。