復(fù)合材料方桿纏繞成型模具及設(shè)計(jì)及工藝研究

索秀江

摘 要：相較于普通的金屬材料而言，碳纖維復(fù)合材料的性能高，在諸多高端領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。在傳統(tǒng)的碳纖維復(fù)合材料加工成型中，一般采用的是預(yù)浸料鋪層與纏繞相結(jié)合的方式，這種纏繞方式所生產(chǎn)的復(fù)合材料方桿的性能有限。由此，本文通過相應(yīng)的實(shí)踐性研究，對(duì)傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合材料的方桿纏繞方法及生產(chǎn)工藝進(jìn)行了改進(jìn)，具體以全纏繞的方式改良傳統(tǒng)小角度纏繞方法的不足，并且設(shè)計(jì)了新型的八瓣模具，由此生產(chǎn)出性能更好，質(zhì)量更優(yōu)的復(fù)合碳纖維材料方桿。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;纏繞成型;模具設(shè)計(jì);工藝

引言：實(shí)踐研究證明，碳纖維度和材料的比強(qiáng)度、比模量等指標(biāo)在整體上比傳統(tǒng)的金屬材料更高。同時(shí)，碳纖維復(fù)合材料還有較高的耐熱性、抗輻射性、抗腐蝕性等性能，由此被運(yùn)用于尖端領(lǐng)域之中，如飛行器的制造等。具體而言，纏繞成型是通過專門的設(shè)備，將浸過樹脂配方料的組織化纖維按照一定的規(guī)律將其纏繞于特定形狀的芯模之上，而后經(jīng)過加熱成型、脫除模具后形成碳纖維復(fù)合材料制品。在當(dāng)前碳纖維復(fù)合材料的制造中采用的主要是纏繞成型—合模制袋—熱壓抽空—打壓固化的流程，其中的模具設(shè)計(jì)與工藝方法仍具有一定的改進(jìn)空間，本文所提出的八瓣模具與小角度纏繞的方式能夠有效降低工藝成本，提升碳纖維復(fù)合材料方桿性能，具有一定的創(chuàng)新意義。

1復(fù)合材料方桿纏繞成型的模具設(shè)計(jì)

1.1模具的標(biāo)準(zhǔn)要求

模具與其所代表零件的形狀尺寸、外表形態(tài)、結(jié)構(gòu)性能等具有緊密聯(lián)系，在復(fù)合材料的模具成型生產(chǎn)過程中，要以零件的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)模具。具體來說，模具的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)滿足以下標(biāo)準(zhǔn)及要求：一是模具材料要耐熱且不易變形，防止在熱加工時(shí)出現(xiàn)變形并影響零件的形狀及質(zhì)量;二是模具要合理地輕便、制作與使用簡(jiǎn)單，有效提升零件生產(chǎn)的效率;三是模具要具有極高的安全性能，為操作人員提供可靠的安全保障;四是模具的質(zhì)量穩(wěn)定且精度較高，保證所生產(chǎn)出的零件達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

1.2模具的材料要求

一般來說，復(fù)合材料的纏繞成型對(duì)于模具的材料也具有較高的要求，其模具的材料也主要以復(fù)合型材料為主，如碳鋼、45#鋼、INVAR鋼等，并且對(duì)這些材料具有特定的參數(shù)要求。其中，碳鋼材料的密度較低，其熱膨脹系數(shù)較大，加熱后容易發(fā)生明顯的形變，從而使得模具的穩(wěn)定性不足，從而影響零件加工的質(zhì)量;INVER鋼的密度超過碳鋼的三倍，且其熱膨脹系數(shù)較低，制作出的模具在受熱過程中的穩(wěn)定也就更好，但是這種復(fù)合材料的成本極高，適用于對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、曲率變化大的零件的加工;45#鋼的密度與熱膨脹系數(shù)介于碳鋼與INVER兩者之間，其密度始終卻熱膨脹系數(shù)與INVER鋼接近，且成本也相對(duì)較低，質(zhì)量適中，比較適合作為方桿模具的制作材料。

1.3模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在該復(fù)合材料的方桿纏繞成型的模具設(shè)計(jì)中，模具使用八瓣形結(jié)構(gòu)，在八瓣結(jié)構(gòu)的兩側(cè)以固定板固定芯模，并且凸輪與其端部齒輪具有可活動(dòng)性。在方桿成型的固化過程中，其會(huì)產(chǎn)生約1/5—1/3的壓縮量，需要以調(diào)節(jié)模具的方式適應(yīng)該壓縮形變。該模具設(shè)計(jì)為5檔限位，在真空袋外部轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪軸，則就會(huì)帶動(dòng)其他軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)具體方桿制作的需求，在生產(chǎn)時(shí)調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)狞h委，可以有效地保證碳纖維復(fù)合材料在正式打壓溫度之前不受到干擾力的影響，由此最大限度地減少流膠，從而保證產(chǎn)品的性能，提升產(chǎn)品的質(zhì)量。同時(shí)，其壓力來源主要依靠真空抽取，即通過抽取空氣擠壓真空袋內(nèi)的拼塊，使其合模到位并且進(jìn)一步固化成型，從而完成方桿的制造。

2復(fù)合材料方桿纏繞成型的工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1方桿材料的選擇

由于復(fù)合材料的方桿一般作桁架或其他結(jié)構(gòu)中的主要受力構(gòu)件，因此必須保證其具有較好的抗壓、抗拉等性能。而碳鋼纖維是含碳量超過90%的高強(qiáng)度、高模量纖維，因此選用碳鋼纖維作為方桿的制造材料。

2.2全纏繞法

相較于傳統(tǒng)的纏繞方法，全纏繞法不需要排布環(huán)節(jié)，同時(shí)也不需要手工鋪層，工藝流程更為簡(jiǎn)便且自動(dòng)化程度較高，同時(shí)還能更好地保證方桿的性能。相關(guān)研究表明，采用全纏繞法所制作出的方桿的性能、質(zhì)量都優(yōu)于傳統(tǒng)小角度纏繞法制作的方桿。在實(shí)施全纏繞法時(shí)，采用FWA1/4/1型號(hào)的數(shù)控找繞機(jī)，將碳鋼纖維與環(huán)氧樹脂按照一定的纏繞順序進(jìn)行環(huán)向纏繞（90°）、螺旋纏繞（±45°、±2°、±4°、±6°），而后經(jīng)過敞晾后固化，脫模成型。

2.3固化工藝流程

在固化環(huán)節(jié)正式開始時(shí)，要將模具的限位檔調(diào)節(jié)至1.5，而后迅速將空氣溫度升高至150℃左右。在模具升溫到100℃時(shí)，將限位檔調(diào)整至0.3，115℃時(shí)，調(diào)整至0，并合模到位。后續(xù)將模具溫度升高至177℃左右并保持3小時(shí)后出爐。同時(shí)需要指出的是，固化流程全程抽真空操作。

2.4外觀及無損檢驗(yàn)

在脫模前后對(duì)方桿進(jìn)行外觀檢驗(yàn)，要求方桿在外觀山的纖維條理一致，紋路清晰，R角圓滑飽滿并且無屈曲問題。在外觀檢驗(yàn)完成后，通過超聲波探傷儀GJB1038.1A—2004的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)方桿進(jìn)行無損探傷;通過噴水穿透脈沖法進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，要求沒有雜波存在且若存在缺陷，缺陷尺寸不大于10mm，整體質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果達(dá)到GJB2895—97標(biāo)準(zhǔn)中的A級(jí)。

中 A 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

3結(jié)語

本文通過研究，提出了改良后的復(fù)合材料方桿纏繞成型模具及工藝設(shè)計(jì)的方法。其中，在模具材料選用45#鋼，模具結(jié)構(gòu)為八瓣型;工藝設(shè)計(jì)為方桿材料選擇碳鋼纖維，并且給出了全纏繞方法及固化工藝、外觀及無損檢驗(yàn)的方法，有效地提升了碳鋼復(fù)合纖維方桿制作的效率及產(chǎn)品性能，同時(shí)也在一定程度上降低了生產(chǎn)制作的成本。

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