輕質(zhì)復(fù)合材料模具在復(fù)雜曲率整流罩零件成型中的應(yīng)用

成艷娜 張夢雨 龐新強 黨曉麗

摘要：本文針對復(fù)雜曲率整流罩零件的專用成型模具，從模具選材、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造、模具使用驗證等方面展開研究。結(jié)果表明，采用輕質(zhì)碳纖維復(fù)合材料框架式模具，可滿足復(fù)雜曲率整流罩零件的成型質(zhì)量要求。本文工裝方案可為整流罩類復(fù)雜曲率結(jié)構(gòu)的工裝方案設(shè)計提供借鑒。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜曲率;整流罩;復(fù)合材料;模具選材

先進復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強、良好的抗疲勞性、耐腐蝕、可設(shè)計性強、可整體化制造等優(yōu)點，在航空產(chǎn)品上得到廣泛應(yīng)用。隨著國內(nèi)復(fù)合材料制造技術(shù)的不斷發(fā)展和提高，飛機上出現(xiàn)越來越多的復(fù)雜異形復(fù)合材料構(gòu)件，應(yīng)用部位主要包括：翼身整流罩、滑軌整流罩、進風(fēng)管道、翼梢小翼等。

復(fù)合材料構(gòu)件的成型是材料與結(jié)構(gòu)同時成型的過程，必須用專門設(shè)計和制造的模具同時實現(xiàn)材料的復(fù)合過程和構(gòu)件的成型過程。因此成型模具是構(gòu)件質(zhì)量的重要保證，對構(gòu)件的表面質(zhì)量、外形尺寸及內(nèi)部質(zhì)量起著決定性作用[1]。對復(fù)合材料構(gòu)件成型工裝的通用要求一般包括耐高溫、氣密性好、熱分布優(yōu)良、高溫不變形、可重復(fù)使用，易鋪放、啟模、清理等。隨著復(fù)合材料零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度增大，對模具的型面精度、熱分布均勻性、熱膨脹系數(shù)匹配度等方面的要求更加嚴(yán)格，相應(yīng)的成型模具設(shè)計及制造技術(shù)難度大福提升。

翼身整流罩為次承力構(gòu)件，位于機身與機翼過渡部位，是保證飛機氣動外形的重要零件。某型機翼身整流罩結(jié)構(gòu)，外形尺寸大，曲率復(fù)雜，采用碳纖維預(yù)浸料手工鋪貼，熱壓罐工藝固化成型。本文針對該類復(fù)雜曲率整流罩零件的專用成型模具，從模具選材、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造、模具使用驗證等方面開展研究，為整流罩類復(fù)雜曲率結(jié)構(gòu)的工裝方案設(shè)計提供借鑒。

一、模具選材

理想的復(fù)合材料成型模具應(yīng)具備高精度、高剛度、抗高壓、無滲漏、便于使用等特點。模具材料盡可能與構(gòu)件的熱膨脹系數(shù)相匹配，以保證生產(chǎn)出的產(chǎn)品變形小，尺寸穩(wěn)定性好。對具有較大曲度的復(fù)雜構(gòu)件，當(dāng)模具與復(fù)合材料自身的熱膨脹系數(shù)差異較大時，會導(dǎo)致固化后的復(fù)合材料制件的強度和外形精度嚴(yán)重降低。

常見的工裝材料主要有鋁、鋼、殷鋼、玻璃纖維或碳纖維復(fù)合材料。其中殷鋼和碳纖維復(fù)合材料本身的熱膨脹系數(shù)差異較小，非常適合航空結(jié)構(gòu)件制造，但其制造成本和熱壓罐固化能耗較高。

復(fù)合材料工裝熱膨脹系數(shù)與所成型的復(fù)合材料制件基本一致，可有效降低制件因模具材質(zhì)導(dǎo)致的變形問題，所制造的構(gòu)件尺寸精確度高[2-3]。且碳纖維環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料模具質(zhì)量輕，搬運周轉(zhuǎn)都比較方便。因此，復(fù)雜異形整流罩零件模具材料選擇碳纖維環(huán)氧樹脂基工裝預(yù)浸料。

二、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造

制造復(fù)合材料模具需配套相應(yīng)型面的過渡模，也稱母模。過渡模材質(zhì)與復(fù)合材料模具材質(zhì)一致或膨脹系數(shù)接近。目前市面上常見的過渡模材質(zhì)高密度代木、聚氨酯/環(huán)氧泡沫、石膏等。近年來為了實現(xiàn)高精度型面指標(biāo)要求，過渡模也有殷鋼材質(zhì)的。過渡模表面帶有復(fù)合材料工裝所需要的基準(zhǔn)線、軸線、邊緣線、孔位等，并打標(biāo)記。根據(jù)整流罩零件復(fù)合材料工裝要求，過渡模選用凸模結(jié)構(gòu)。

輕質(zhì)復(fù)合材料模具主體包括型板和框架兩部分。在過渡模表面鋪貼復(fù)合材料工裝預(yù)浸料，按照相應(yīng)的材料規(guī)范固化，脫模切割后形成復(fù)合材料模具型板。型板多為等厚度鋪層，在翻邊或需要連接的部位增加鋪層厚度進行加強。型面上帶有激光投影靶標(biāo)孔，孔位處配有襯套。鋪貼時需在預(yù)浸料鋪層中預(yù)埋金屬件，固化后數(shù)控精制孔并埋襯套?？蚣転榈群穸劝宀模话悴捎脧?fù)合材料板材數(shù)控銑切外形，采用角片形式機械連接組合而成?？虬迮c型面之間一般采用角片機械連接。模具尺寸較大時，需對型面和框架的連接面進行數(shù)控銑切，以實現(xiàn)二者的高精度匹配，避免后續(xù)使用過程中的變形問題。

三、模具使用驗證

采用復(fù)合材料模具制造整流罩零件，固化后的零件表面樹脂分布均勻，無損合格，型面與復(fù)合材料模具貼合間隙小于0.8mm，滿足制件制造技術(shù)指標(biāo)要求。且由于復(fù)合材料模具加熱快，模具和制件在熱壓罐中的固化周期比傳統(tǒng)金屬工裝縮短約1小時，節(jié)約了生產(chǎn)資源。

鋪貼時，操作工人習(xí)慣性會在模具余量區(qū)進行鋪層余量裁剪，造成模具表面劃痕，破壞表面密封性，影響復(fù)合材料模具壽命。為解決該問題，可在模具表面噴涂金屬涂層，提高模具表面硬度，提升復(fù)合材料模具表面質(zhì)量及使用壽命。

四、結(jié)論

本文針對復(fù)雜曲率整流罩零件的專用成型模具，從模具選材、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造、模具使用驗證等方面展開研究。結(jié)果表明：

1）采用輕質(zhì)碳纖維復(fù)合材料框架式模具，可滿足復(fù)雜曲率整流罩零件的型面精度要求，且可降低生產(chǎn)能耗。

2）為進一步延長復(fù)合材料模具壽命，可在模具表面噴涂金屬涂層，提升模具表面質(zhì)量，提高表面硬度。

參考文獻

[1]何穎，蔡聞峰，趙鵬飛.熱壓罐成型中溫固化復(fù)合材料模具[J].纖維復(fù)合材料，2006（1）：58-59.

[2]匡載平，梁憲珠，張西偉，李春林.復(fù)合材料模具技術(shù)[J].航空制造技術(shù)，2016（17）：86-89.

[3]柏洪武.復(fù)合材料模具設(shè)計制造工藝的探討[J].河北農(nóng)機，2014（12）：32-34.