復(fù)合材料多筋角盒模壓成型模具設(shè)計技術(shù)研究

蘇慶云,張夏明,周占偉,董本興,陳雪婷,尉世厚，劉洪新

(北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094)

0 前言

角盒可以看做是由底板和2～3塊側(cè)板組成的板殼結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)中廣泛采用板殼結(jié)構(gòu)[1]，由于板和殼的厚度比它們的直徑或長度、寬度小的多，由板和殼組成的結(jié)構(gòu)和設(shè)備具有重量輕、節(jié)省材料和易于制造等優(yōu)點，因此板和殼廣泛應(yīng)用于航天航空飛行器，船舶、潛艇、橋梁和建筑結(jié)構(gòu)，石油和石油化工工業(yè)所用的壓力容器、管道、儲運設(shè)備、反應(yīng)塔和熱交換設(shè)備，以及原子能工業(yè)的反應(yīng)堆等[2]。過去角盒都使用金屬材質(zhì)[3]，然而隨著復(fù)合材料行業(yè)的快速發(fā)展，復(fù)合材料憑借其比強度高、密度小、耐腐蝕等優(yōu)點，可能逐漸取代金屬角盒，成為現(xiàn)代工業(yè)運用的一個更優(yōu)選擇[4-5]。

復(fù)合材料角盒優(yōu)勢明顯，但目前采用傳統(tǒng)的成型方法制備角盒仍存在一些問題。第一，復(fù)合材料角盒壁厚一般幾個毫米，采用真空袋-熱壓罐成型技術(shù)很難加壓到位。第二，采用一般的模具設(shè)計很難實現(xiàn)板和筋同時加壓到位。第三，傳統(tǒng)的角盒成型方式一般采用軟硬結(jié)合的模具，軟模不能很好地保證產(chǎn)品外形，會給后期裝配使用造成一定的困難。

本文通過分析復(fù)合材料多筋角盒的結(jié)構(gòu)、模壓模具的結(jié)構(gòu)和精度以及軟硬結(jié)合模具的缺陷，依據(jù)模壓成型工藝提出了一種可用于復(fù)合材料多筋角盒的模壓模具。

1 復(fù)合材料多筋角盒成型模壓模具設(shè)計

復(fù)合材料多筋角盒成型涉及多方面的工藝技術(shù)，包括模具設(shè)計與制造技術(shù)、角盒鋪層設(shè)計、成型工藝參數(shù)優(yōu)化等。其中，模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計和尺寸精度的控制是影響模壓制品最終質(zhì)量精度和成型效率的重要因素[6]。由于復(fù)合材料多筋角盒為多面體結(jié)構(gòu)(圖1)，模壓過程中會受到各個方向不同程度力的作用，所以模壓模具結(jié)構(gòu)設(shè)計與角盒鋪層設(shè)計的合理性尤為重要。本次研究的復(fù)合材料多筋角盒成型模具設(shè)計主要分為多筋角盒整體結(jié)構(gòu)分析、模具結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計、模具結(jié)構(gòu)的比較分析、尺寸精度分析及多筋角盒模壓模具的制造與成型。

圖1 復(fù)合材料多筋角盒模型

1.1 多筋角盒整體結(jié)構(gòu)分析

本次研究中，復(fù)合材料多筋角盒的外形尺寸分別為90 mm、100 mm、120 mm，外形壁厚5 mm，筋厚6 mm(圖2)。多筋角盒模壓工藝采用碳纖維預(yù)浸布鋪制成型，需要保證鋪層過程的對稱性設(shè)計，以保證產(chǎn)品成型后各面平整無應(yīng)力。通過分析可以看出，該復(fù)合材料多筋角盒具有以下特征：

圖2 多筋角盒產(chǎn)品尺寸標(biāo)注圖

(1)產(chǎn)品外形尺寸相對較小，可以多個角盒共同成型。

(2)產(chǎn)品被“筋”分割成了多個區(qū)域，成型過程中存在多腔加壓的問題。

1.2 模具結(jié)構(gòu)的比較分析

對于復(fù)合材料多筋角盒來說，模具設(shè)計方面主要有兩大類型。熱壓罐成型的模具設(shè)計方式是筋的作用兩側(cè)模具軟硬結(jié)合，硬模來保證尺寸、軟模來膨脹加壓。這種方法成型的產(chǎn)品一方面軟模側(cè)尺寸無法保證、平面度較差，影響后續(xù)的使用，另一方面，軟模膨脹加壓，成型過程壓力不可控制，會一定程度影響產(chǎn)品的力學(xué)強度。而此次所研究設(shè)計的模具一次可成型兩件甚至更多件產(chǎn)品，既保證了尺寸精度，又可以控制成型過程的加壓壓力。

1.3 模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計

1.3.1 模具結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計

模具的設(shè)計應(yīng)充分考慮現(xiàn)有的設(shè)備條件、工藝性及可操作性等因素。本次成型產(chǎn)品選用的壓機(jī)，下壓板固定不動，上壓板可在豎直方向上下移動。產(chǎn)品成型時將產(chǎn)品坯件與模具整體裝配好放置于下壓板上，上壓板下移作用在模具上蓋?？紤]到上蓋的運動只能給多筋角盒的兩個外形面加壓，故采用端部設(shè)置有角度楔形塊的方式，如圖3所示。產(chǎn)品成型模具主要包括上蓋、下模、鋪層塊、楔形塊四部分。上壓板下降時通過模具上蓋與楔形塊的配合關(guān)系帶動楔形塊作用于“筋”上，從而為“筋”提供模壓的壓力；產(chǎn)品固化后脫模時，卸掉上蓋后，通過先拆除楔形塊完成產(chǎn)品脫模。

圖3 多筋角盒成型模具模型

1.3.2 模具的型腔設(shè)計

通常情況下復(fù)合材料模壓模具結(jié)構(gòu)由上、下模組成，但此次研究的多筋角盒采用簡單的陰陽模很難實現(xiàn)多筋的鋪制。通過分析將下模分成兩部分，一部分起容納產(chǎn)品的作用-下模，另一部分用來鋪制產(chǎn)品-鋪層塊。設(shè)置多個鋪層塊分別鋪層，然后將鋪層塊通過螺栓和螺母連接再進(jìn)行整體鋪層。通過該設(shè)計成功地解決了模壓成型鋪制多筋難的問題。為了提高生產(chǎn)效率，此次設(shè)計的模具可一次成型兩件產(chǎn)品。此外，通過變化鋪層模的角度，該方法可成型不同θ角的多筋角盒。鋪層塊的模型如圖4所示。

圖4 鋪層塊的模型圖

1.3.3 模具的脫模裝置設(shè)置

產(chǎn)品固化時模具封閉為一個整體，內(nèi)部產(chǎn)品與鋪層塊交錯在一起，因此模具設(shè)計時必須有充分的脫模裝置，才能保證順利脫模。脫模裝置主要體現(xiàn)在以下四處：

(1)上模與下模交錯，脫模時可借助模壓機(jī)反向作用實現(xiàn)上蓋脫模。

(2)楔形塊設(shè)置螺紋孔，脫掉上蓋后，再拔掉楔形塊。

(3)鋪層塊底部與下模底部配套設(shè)置開槽，用于鋪層塊與下模的分離。

(4)端頭脫模塊設(shè)置螺紋孔，用于鋪層塊的拆分。

1.4 模壓模具的制造與成型

本次研究設(shè)計的模壓模具要求較高，不僅要開模及合模時具有很好的裝配精度，還需要模具有足夠的剛度和強度可長期反復(fù)使用。所以，一方面采用熱處理提高模具的剛度和強度，改變其表面的金屬組織結(jié)構(gòu)，依此來獲得較好的耐磨性和硬度；另一方面，對模具進(jìn)行發(fā)黑處理，以增強其耐腐蝕性能，進(jìn)而達(dá)到更好的表面質(zhì)量。

2 鋪層分析

在復(fù)合材料多筋角盒模壓成型過程中，預(yù)浸布鋪貼過程也是影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵工序。本次研究主要通過分析產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點，充分保證產(chǎn)品每個面的對稱鋪層。實際鋪層中，三面接觸處通過精確的計算準(zhǔn)確加捻，可有效地保證產(chǎn)品的成型質(zhì)量。此外，產(chǎn)品成型后還需要機(jī)加外形、打孔。為了提高產(chǎn)品的機(jī)加性能，還在產(chǎn)品外表面加貼一層碳纖維編織布預(yù)浸料。

3 尺寸精度分析

復(fù)合材料多筋角盒主要用于產(chǎn)品與產(chǎn)品之間的裝配連接，對外形尺寸要求較高。對本模具壓制的3件產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)測試，得到表中所示的數(shù)據(jù)測試結(jié)果。

3件產(chǎn)品測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

復(fù)合材料多筋角盒具有比強度高、密度小、耐腐蝕等優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用。本文主要從產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)分析、模具設(shè)計、制造技術(shù)、鋪層分析等方面研究了復(fù)合材料多筋角盒的模壓成型工藝。針對產(chǎn)品多個型面的問題設(shè)計了可拆卸組合的鋪層塊，同時通過設(shè)計楔形塊保證了產(chǎn)品筋面的加壓。此外，通過模壓模具的整體脫模設(shè)計，保證產(chǎn)品的順利脫模。該套模具成功地保證了產(chǎn)品的成型質(zhì)量，極大地提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。