碳纖維復(fù)合材料制件成型工藝補(bǔ)償方法分析

張德生，林 明，徐英杰，吳可兵

(1.黑龍江工程學(xué)院 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050；2.黑龍江民族職業(yè)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000；3.哈爾濱新科銳工藝裝備制造有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000)

碳纖維復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比模量大、質(zhì)量輕、耐久性好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)和易于整體成型、構(gòu)件數(shù)量少等特點(diǎn)，可制作形狀較復(fù)雜薄壁類(lèi)整體構(gòu)件，在航空產(chǎn)品和新能源汽車(chē)中獲得了廣泛的應(yīng)用，例如飛機(jī)機(jī)翼、電池蓋板、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、翼子板、行李箱蓋等制件。制件采用碳纖維復(fù)合材料制造比金屬件質(zhì)量輕20%～35%，減重效果顯著，可有效增加續(xù)航里程。但在研制過(guò)程發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料這種薄壁件在整體熱壓固化成型過(guò)程中，由于鋪層方向、角度、順序及材料與模具的熱脹冷縮特性和化學(xué)收縮等因素導(dǎo)致復(fù)合材料制件發(fā)生固化變形嚴(yán)重、無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)精度要求、制件的制造成本增加和研究周期加長(zhǎng)。因此，碳纖維復(fù)合材料固化變形控制及工藝補(bǔ)償方法是制造碳纖維復(fù)合材料制件中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

1 碳纖維復(fù)合材料整體固化成型傳統(tǒng)工藝方法和存在的問(wèn)題

碳纖維復(fù)合材料整體固化成型的傳統(tǒng)工藝方法，主要有3種：

1)第1種方法：經(jīng)制件設(shè)計(jì)建立數(shù)模A、生產(chǎn)樣件、樣件實(shí)際測(cè)試建立樣件數(shù)模A1、與原件對(duì)比分析修正不足建立數(shù)模A2、然后再根據(jù)修正數(shù)模A2再制樣件、再測(cè)量建立數(shù)模A3等反復(fù)這個(gè)過(guò)程直至最后樣件達(dá)到設(shè)計(jì)要求，這樣的方法對(duì)于變形的解決較好，適合于批量生產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料制件，但調(diào)試過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)，造成研發(fā)周期太長(zhǎng)、浪費(fèi)大而導(dǎo)致成本過(guò)高的缺點(diǎn)。

2)第2種方法：經(jīng)制件設(shè)計(jì)、單純采用有限分析軟件建立數(shù)模并分析對(duì)比、提出修正變形方案并建立修正數(shù)模B1、生產(chǎn)樣件、樣件實(shí)際測(cè)試建立樣件工藝數(shù)模B2、數(shù)模B1與數(shù)模B2對(duì)比分析再建立最后數(shù)模B3，反復(fù)這個(gè)過(guò)程直至最后樣件達(dá)到設(shè)計(jì)要求。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是有限分析軟件建立數(shù)模與實(shí)際制件數(shù)模更接近些，缺點(diǎn)是計(jì)算量往往很大，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際制件變形還有偏差，工程應(yīng)用效果不佳，造成研發(fā)周期較長(zhǎng)、成本較高的缺點(diǎn)。

3)第3種方法：采用碳纖維復(fù)合材料制件的三維建模和模具的三維建模，通過(guò)三維仿真模擬找到補(bǔ)償模型，再制造樣件，這樣可以有效找到補(bǔ)償量并減少固化變形的影響，這種方法從理論上接近制件實(shí)際變形情況，對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度要求不高的制件非常有效，但對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高的薄壁件來(lái)說(shuō)，模具的修正加工量較大、精度也難保證、廢品率明顯增加，導(dǎo)致成本增加、制件周期加長(zhǎng)等不足。

傳統(tǒng)工藝方法主要問(wèn)題是熱固化變形嚴(yán)重、模具成本高、研發(fā)周期長(zhǎng)。這些不足嚴(yán)重影響了復(fù)合材料制件的質(zhì)量，因此，在保證復(fù)合材料制件質(zhì)量的前提下，如何更科學(xué)有效地減少變形、降低成本、縮短研制周期是復(fù)合材料制造過(guò)程中亟待解決的難題。

2 碳纖維復(fù)合材料整體固化成型的補(bǔ)償方法分析

首先利用三維分析軟件建立碳纖維復(fù)合材料制件的三維數(shù)模C1，根據(jù)該原始三維數(shù)據(jù)模型C1選取典型型面在專(zhuān)用模具上制造碳纖維復(fù)合材料制件的試片，并對(duì)制成后試片進(jìn)行測(cè)量，建立試片三維模型，與三維數(shù)模C1對(duì)比分析，建立修正產(chǎn)品數(shù)模，并以此修正產(chǎn)品數(shù)模為工藝數(shù)據(jù)模型C2；根據(jù)此工藝數(shù)據(jù)模型C2作為碳纖維復(fù)合材料制件的成型數(shù)模、網(wǎng)格框架底座和薄殼模具型面的數(shù)模，再利用此網(wǎng)格式框架式薄殼模具制造復(fù)合材料制件，該方法具體工藝步驟如下：

1)首先建立碳纖維復(fù)合材料制件三維數(shù)模C1。通過(guò)碳纖維復(fù)合材料制件數(shù)模，利用三維分析軟件建立碳纖維復(fù)合材料制件三維數(shù)模C1。

2)制備碳纖維復(fù)合材料制件試片(見(jiàn)圖1)。以碳纖維復(fù)合材料制件數(shù)據(jù)模型的型面為原始數(shù)據(jù)，根據(jù)碳纖維復(fù)合材料制件的數(shù)據(jù)模型幾何特征制作試片，通過(guò)試片試驗(yàn)得到的變形修正數(shù)據(jù)，根據(jù)碳纖維復(fù)合材料制件特點(diǎn)在試片制備專(zhuān)用模具上選擇合適的區(qū)域制造復(fù)合材料試片，試片制備專(zhuān)用模具主要由專(zhuān)用模具型面和操作臺(tái)底座等組成；碳纖維復(fù)合材料制件試片形狀和位置的選取要具有碳纖維復(fù)合材料制件的典型性和代表性，試片的鋪層角度、層數(shù)、固化工藝等均與需要制造的復(fù)合材料制件相同，以保證碳纖維復(fù)合材料試片與復(fù)合材料制件的相似性和一致性。

圖1 在專(zhuān)用模具制作試片

3)建立工藝數(shù)模C2。將綜合因素造成的碳纖維復(fù)合材料制件的變形規(guī)律通過(guò)碳纖維復(fù)合材料制件試片獲取，利用獲取的碳纖維復(fù)合材料制件的變形數(shù)據(jù)和本身特點(diǎn)，采用特定的修形計(jì)算方法，預(yù)測(cè)碳纖維復(fù)合材料制件各個(gè)位置的變形量，根據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型及變形量，通過(guò)三維有限分析軟件建立復(fù)合材料制件三維修正數(shù)模C1疊加變形量后的工藝數(shù)據(jù)模型C2，以此工藝數(shù)據(jù)模型C2作為制件的成型數(shù)模、網(wǎng)格框架底座和薄殼模具型面的數(shù)模。

4)網(wǎng)格框架支座的方案設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖2)。該網(wǎng)格框架支座方案采用普通Q235A鋼材經(jīng)激光切割加工得到輪廓形狀的筋板，主要由X向筋板、Y向筋板、支座和支座的定位孔等組成；支座由凹模支座和凸模支座組成，采用X向筋板、Y向筋板與模具底座經(jīng)焊接構(gòu)成網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格尺寸設(shè)計(jì)為200～300 mm，并使其X向筋板、Y向筋板上表面與工藝數(shù)據(jù)模型C2相一致；底座采用網(wǎng)格框架比整體用材，質(zhì)量可以減少50%～75%，有效減少模具的重量，即熱容量降低，也有效地減小了復(fù)合材料制造過(guò)程中的熱變形，提高了復(fù)合材料制件的精度，并且這種網(wǎng)格框架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能使各部分受熱均勻，各部分散熱也均勻，從而減少由于加熱與散熱不均勻而無(wú)法預(yù)測(cè)熱傳導(dǎo)對(duì)變形的影響。

圖2 網(wǎng)格框架底座

5)薄殼模具的方案設(shè)計(jì)。即采用熱成型的方式將厚度規(guī)格為10～12 mm的Invar金屬板材原料(見(jiàn)圖3(a))制造成厚度為4～6 mm的薄殼模具，薄殼模具型面(見(jiàn)圖3(f))的方法具體如下：

①模具型面的受熱補(bǔ)償預(yù)處理。根據(jù)模具材料的熱膨脹系數(shù)，對(duì)復(fù)合材料模具型面進(jìn)行放大補(bǔ)償處理，具體辦法是對(duì)復(fù)合材料模具型面按模具材料的熱膨脹系數(shù)進(jìn)行比例放大，得到受熱補(bǔ)償預(yù)處理后薄殼模具，這里稱(chēng)為簡(jiǎn)易成型模具，放大的比例為ΔL

ΔL=1+β×ΔT.

式中：β為模具材料的熱膨脹系數(shù), ΔT為成型溫度與室溫的差。

②起褶皺處預(yù)處理(見(jiàn)圖3(c))。對(duì)板材熱成

型過(guò)程中起褶皺處的切割處理，為了減少拉伸變薄和起皺，需要對(duì)起皺堆料進(jìn)行部分預(yù)先處理，為了去除多余的材料，在成型前，先采用與現(xiàn)有板材同樣尺寸的塑料布，在簡(jiǎn)易成型模具上采用貼膜方式找出起褶皺部位及尺寸參數(shù)(見(jiàn)圖3(b))，并在所選的金屬板材原料按貼塑料布膜的起褶皺部位去除多余的材料。

③去褶皺的板材加熱處理 (見(jiàn)圖3(d))。即將預(yù)處理后的板料放入高頻加熱爐中，設(shè)定加熱溫度及時(shí)間等參數(shù)后對(duì)其升溫加熱。

④合模成型(見(jiàn)圖3(e))。主要將加熱后的板材由高頻加熱爐中取出，安放在網(wǎng)格框架座上，合模加壓固定，使其與網(wǎng)格框架座型面貼合。

⑤冷卻后取出進(jìn)行焊接。即待溫度降為正常值后，打開(kāi)模具，取出成型后的材料，對(duì)預(yù)處理切割部分所形成的縫隙進(jìn)行焊接，并與網(wǎng)格框架座焊接。

⑥數(shù)控精加工。即對(duì)焊接后的模具型面毛坯進(jìn)行數(shù)控精加工，保證成型后厚度值4～6 mm，即為最終所需模具型面(見(jiàn)圖3(f))。得到可用于生產(chǎn)復(fù)合材料產(chǎn)品的薄殼模具型面，這樣避免以往采用整體金屬材料經(jīng)切削加工成型所造成的毛坯尺寸過(guò)大、材料成本高的缺點(diǎn)，且由于所制造的模具型面厚度薄而均勻，其熱容量較小，因此，在制作復(fù)合材料制件時(shí)產(chǎn)生的熱變形也較小，可大幅提高復(fù)合材料制件的精度，節(jié)省模具材料，降低模具制造成本，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)成型的目的。

圖3 薄殼模具

⑦樣件試制。在網(wǎng)格框架式薄殼模具型面上按碳纖維復(fù)合材料制件和工藝數(shù)據(jù)模型要求制作復(fù)合材料產(chǎn)品；按上面變形補(bǔ)償方法首先進(jìn)行2件汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸罩的試制，發(fā)現(xiàn)新產(chǎn)品精度比傳統(tǒng)工藝提高3%～5%，變形誤差明顯減少，超差尺寸的數(shù)量明顯減少和超差值相對(duì)減少，同時(shí)工裝模具成本也下降較大。

⑧調(diào)整工藝數(shù)據(jù)模型。即在完成首件碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)品制作后，測(cè)量型面數(shù)據(jù)并與產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型進(jìn)行對(duì)比，找出誤差所在位置及數(shù)據(jù)，根據(jù)比較結(jié)果對(duì)工藝數(shù)據(jù)模型進(jìn)行實(shí)際調(diào)整。又進(jìn)行2～5件小批量汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸罩試生產(chǎn)，經(jīng)測(cè)量，各向精度基本滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，并且發(fā)現(xiàn)精度一致性也較好，達(dá)到符合設(shè)計(jì)要求的精準(zhǔn)成型制造，并為批量生產(chǎn)作好準(zhǔn)備。

以碳纖維復(fù)合材料制件數(shù)據(jù)模型的型面為原始數(shù)據(jù)，根據(jù)復(fù)合材料制件的數(shù)據(jù)模型幾何特征制作試片，通過(guò)試片試驗(yàn)得到變形修正數(shù)據(jù)，并綜合考慮成型過(guò)程其它影響因素，對(duì)制件數(shù)據(jù)模型的型面進(jìn)行修正計(jì)算，補(bǔ)償成型后所造成的誤差，用修正的結(jié)果數(shù)據(jù)重新構(gòu)建型面，用以制造模具成型面，再制造復(fù)合材料產(chǎn)品，達(dá)到減小誤差，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)成型的目的。

3 結(jié)束語(yǔ)

碳纖維復(fù)合材料零件是新能源汽車(chē)輕量化研究的主要方向之一，車(chē)用覆蓋件將被碳纖維復(fù)合材料零件所替代，這種碳纖維復(fù)合材料制件成型的變形補(bǔ)償控制方法，經(jīng)樣件的試制和小批生產(chǎn)驗(yàn)證了該方法有一定的可行性，可有效地減少?gòu)?fù)合材料制件的變形、降低成本、縮短研發(fā)周期等，但碳纖維復(fù)合材料制件形狀復(fù)雜，影響因素多，還需后續(xù)在變形和成本上進(jìn)行大量研究和實(shí)驗(yàn)工作。