碳纖維復(fù)合材料主傳力典型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件模壓模具設(shè)計(jì)

嚴(yán)岳勝，尹紅靈，危干軍

(1. 中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002；2. 上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200030)

0 引言

作為先進(jìn)復(fù)合材料之一的碳纖維復(fù)合材料，在承力結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用廣泛[1]。減速器機(jī)匣作為直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，在實(shí)際工作中承受了復(fù)雜多樣的載荷[2-3]，以前是采用高強(qiáng)度金屬材料，但這些金屬材料易被腐蝕，需要停機(jī)維修更換，消耗大量人力、時(shí)間成本[4]。現(xiàn)在采用碳纖維復(fù)合材料來(lái)制造直升機(jī)減速器機(jī)匣，以提高其性能，降低制造、運(yùn)行成本。而主傳力典型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件的研制是碳纖維復(fù)合材料的機(jī)匣的輕量化設(shè)計(jì)制造研究的重要基礎(chǔ)[5]。

由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)目前還缺乏成熟的分析方法和足夠的設(shè)計(jì)與使用經(jīng)驗(yàn)，為保證其結(jié)構(gòu)完整性，開發(fā)先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)零件比金屬結(jié)構(gòu)更依賴于試樣、元件、細(xì)節(jié)件、結(jié)構(gòu)件、全尺寸部件等多個(gè)層次的積木式驗(yàn)證試驗(yàn)。積木式驗(yàn)證也有助于使復(fù)雜的環(huán)境效應(yīng)在較低層次上得到驗(yàn)證，避免增加全尺寸部件試驗(yàn)的復(fù)雜性。特別是對(duì)于廣泛采用的復(fù)合材料/金屬混合結(jié)構(gòu)的主承力部件，有時(shí)必須在結(jié)構(gòu)件及元件等低層次試驗(yàn)中完成對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的耐久性和損傷容限驗(yàn)證。全尺寸試驗(yàn)驗(yàn)證內(nèi)容可能并不完整，但積木式驗(yàn)證試驗(yàn)的總體內(nèi)容必須是完整的。

先進(jìn)復(fù)合材料的成型方式多種多樣[6]，包括手糊工藝、層壓工藝、模壓工藝及纏繞工藝等。工業(yè)生產(chǎn)上多是利用模壓模具[7-8]，采用SMC模壓工藝進(jìn)行纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制件的生產(chǎn)。由于主傳力典型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件具有形狀復(fù)雜、有加強(qiáng)筋等特征，且制品要求尺寸精確、表面光潔，采用層壓模壓法比較合適。層壓模壓是介于層壓與模壓之間的一種工藝[6]，就是將預(yù)浸漬的纖維布或其他織物裁剪成所需形狀，在金屬對(duì)模中層疊鋪設(shè)壓制成異形制品。這種工藝的主要不足是模壓模具的設(shè)計(jì)與制造比較復(fù)雜，但是為了保證典型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件對(duì)全尺寸制件的可靠性，采用模壓工藝是必須的，因此模壓模具的設(shè)計(jì)就非常關(guān)鍵。

1 零件特征分析及成型工藝分析

圖1為碳纖維復(fù)合材料主傳力典型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件的幾何模型，該試驗(yàn)件由兩種材料制作： 碳纖維復(fù)合材料和金屬襯套嵌件。零件屬回轉(zhuǎn)體，含有多個(gè)加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)特征，該結(jié)構(gòu)承受較大的軸向載荷和徑向軸承載荷。試驗(yàn)件將來(lái)要為全尺寸機(jī)匣作參考，這種結(jié)構(gòu)的零件適合選用層壓模壓工藝制作。

圖1 碳纖維復(fù)合材料主傳力試驗(yàn)件三維結(jié)構(gòu)

2 模壓模具設(shè)計(jì)

2.1 模具材料的選擇

模具材料的選擇需要根據(jù)工藝要求、使用要求以及成本費(fèi)用多角度綜合考慮，由于模具與復(fù)合材料構(gòu)件熱膨脹系數(shù)差異較大，復(fù)合材料構(gòu)件在冷卻時(shí)存在收縮，因此在進(jìn)行復(fù)合材料模具設(shè)計(jì)時(shí)，模具型腔的尺寸要根據(jù)材料的收縮率進(jìn)行放大。常用的模具鋼有碳鋼、鉻鋼、鑄鐵、超殷鋼等，這些材料的線膨脹系數(shù)如表1所示。不同材料熱膨脹系數(shù)差別比較大，為了減少模具的補(bǔ)償量，盡可能選用和零件材料之間熱膨脹系數(shù)相差較小的模具材料。綜合考慮原材料及成本，針對(duì)機(jī)匣主承力典型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件的制造目的，選用碳鋼作為模具材料。

表1 不同材料的線膨脹系數(shù)[7]

2.2 模具分型面的確定

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，考慮保證制品的尺寸、制品順利出模、有效壓力傳遞以及便于碳纖維預(yù)浸布的鋪設(shè)等因素，主傳力典型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件用一個(gè)分型面無(wú)法順利實(shí)現(xiàn)零件出模，因此選用圖2所示的Z方向作為主出模方向，也是施加壓力的方向，分型面1作為主分型面，負(fù)X方向?yàn)閭?cè)抽芯方向，分型面2為側(cè)向抽芯的分型面。

圖2 主傳力典型結(jié)構(gòu)件模具分型面

2.3 模具關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

模具的設(shè)計(jì)在NX軟件[9]里實(shí)現(xiàn)，模具關(guān)鍵結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中左側(cè)為模具的裝配圖，右側(cè)為模具的爆炸圖，整個(gè)模具關(guān)鍵部件由五大部分組成，分別是上模、下模鑲塊、下模、側(cè)抽芯鑲塊和側(cè)抽芯模。鑲塊與上下模之間是通過(guò)螺釘連接的。下模設(shè)計(jì)成鑲塊是便于模具加工和碳纖維復(fù)合材料鋪層以及方便放置金屬嵌件，側(cè)抽芯模設(shè)計(jì)成鑲塊的形式也是基于上述考慮。模具上還設(shè)計(jì)了一圈溢料槽，便于加壓過(guò)程中排氣和容納多余的樹脂材料。根據(jù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工，主傳力典型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件模具如圖4所示。

由于模具存在側(cè)抽芯，為了保證成型過(guò)程中側(cè)面的壓力施加，設(shè)計(jì)了如圖3左側(cè)圖中黑色圈內(nèi)所示的L形鎖扣結(jié)構(gòu)。

1—上模；2—側(cè)抽芯模；3—下模；4—下模鑲塊；5—側(cè)抽芯鑲塊圖3 主傳力典型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件模具三維模型

(a) 模具部件

(b) 模具工作狀態(tài)圖4 主傳力典型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件模具實(shí)物

3 主傳力典型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件制作

在進(jìn)行主傳力典型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件制作時(shí)，先將主傳力典型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件模具預(yù)熱至設(shè)定溫度，根據(jù)鋪層設(shè)計(jì)在模具上將裁切好的碳纖維復(fù)合材料預(yù)浸布鋪貼好合模，保證預(yù)浸布與模具緊密貼合，然后再升溫加壓，成型過(guò)程中通過(guò)模具結(jié)構(gòu)上的排氣孔排出纖維縫隙內(nèi)的氣泡和多余的樹脂，工藝曲線如圖5所示。冷卻后開模就得到圖6所示的主傳力典型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件，該零件為首件試驗(yàn)件，實(shí)物質(zhì)量為12 kg，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 主傳力典型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件成型溫度曲線

圖6 主傳力典型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件實(shí)物

4 結(jié)論

根據(jù)直升機(jī)主傳力典型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件的特征，選用層壓模壓的方法試制，采用鑲塊加側(cè)抽芯的模具結(jié)構(gòu)，成功實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)件的層壓模具的分型與分塊設(shè)計(jì)。采用L形鎖扣結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了壓力傳遞，試驗(yàn)件在制作過(guò)程中順利出模，證明模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，為后續(xù)的全尺寸機(jī)匣層壓模壓模具的設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。