碳纖維復(fù)合材料彈翼模壓成型模設(shè)計(jì)

汪洋，戈家榮，鄒尚武，胡紀(jì)根，孫琦

（紹興寶旌復(fù)合材料有限公司，浙江 紹興312073）

0 引 言

飛航導(dǎo)彈的未來會朝著射程遠(yuǎn)、速度快、機(jī)動性好等特性方向發(fā)展，這決定了導(dǎo)彈必須走輕量化之路。彈翼是飛航導(dǎo)彈重要的增程部件，彈翼為導(dǎo)彈飛行提供升力，飛行過程中其翼面承受氣動均布載荷，需滿足一定強(qiáng)度要求和耐高溫要求。

與其他材料相比，碳纖維復(fù)合材料具有較高的比強(qiáng)度和比模量，因而采用碳纖維復(fù)合材料是實(shí)現(xiàn)彈翼輕量化的重要途徑之一。目前，碳纖維復(fù)合材料的成型技術(shù)較多，模壓成型具有較高的生產(chǎn)效率，適于大批量生產(chǎn)，價格低廉，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化，多數(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制品可一次成型，無需有損于制品性能的輔助加工，成型制品尺寸精確、表面光潔，可以有2個精制表面等優(yōu)勢。但是，復(fù)合材料模壓成型模的設(shè)計(jì)與制造較復(fù)雜，而且制品在開模過程中容易受型腔限制，脫模困難。不合理的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會造成成型制品受壓不均，內(nèi)部質(zhì)量欠佳。

1 變截面彈翼工藝分析

某碳纖維變截面彈翼如圖1所示，外形尺寸為875 mm×135 mm×9.8 mm，其整體型面要求偏差≤0.1 mm，特別是夾持區(qū)及加強(qiáng)區(qū)厚度要求分別為50-0.04mm和9.8+0.10mm。傳統(tǒng)的導(dǎo)彈彈翼大多采用鋁合金材料制作，碳纖維預(yù)浸料的密度大致為2 150 kg/m3，相同體積的碳纖維預(yù)浸料質(zhì)量為鋁合金的80%，現(xiàn)介紹材料為碳纖維預(yù)浸料的飛行彈翼的成型工藝及模具設(shè)計(jì)。

圖1 變截面彈翼外形

2 成型工藝

變截面彈翼模壓成型模由上、下模塊組成，將變截面彈翼的一半鋪設(shè)在下模型腔，另一半鋪設(shè)在上模型腔，然后將上、下模閉合放入壓力機(jī)加熱固化。

由于變截面彈翼的形狀不規(guī)則，需要按照強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果采用不同纖維排列方向的預(yù)浸料錯層鋪設(shè)。變截面彈翼的鋪層如圖2所示，其中CD線為彈翼的對稱中心面，01號線為彈翼的制品面，02～18號線為彈翼的加強(qiáng)區(qū)，19～35號線為彈翼的非加強(qiáng)區(qū)，36號陰影區(qū)域?yàn)樘祭w維捻子條。

圖2 變截面彈翼鋪層（僅顯示一半，另一半對稱）

由于纖維布外形規(guī)則、模具的外形不規(guī)則，在鋪層過程中會出現(xiàn)架橋的現(xiàn)象，容易造成纖維扭曲，并且將空氣留在成型制品中，導(dǎo)致固化過程中每層的纖維粘接出現(xiàn)空隙，固化后的制品出現(xiàn)分層現(xiàn)象。為了避免這種情況的出現(xiàn)，每鋪3～5層碳纖維就需要在表面鋪蓋一張真空袋，并用密封膠條將碳纖維層包裹在模具零件表面，最后將真空袋內(nèi)的空氣抽離，使每層碳纖維布壓得更緊實(shí)。

3 模具結(jié)構(gòu)

3.1 型腔設(shè)計(jì)

碳纖維復(fù)合材料彈翼模壓成型模由上模和下模組成，由于彈翼在成型過程中需要加熱至180℃以上，且壓力達(dá)到1 000 kN，模具零件材料選用P20模具鋼，并且進(jìn)行淬火與低溫回火處理，以保證模具的硬度和韌性，避免在180℃高溫環(huán)境下變形。由于變截面彈翼形狀不規(guī)則，在模壓過程中會產(chǎn)生側(cè)向力，為了消除側(cè)向力對模壓精度的影響，模具采用1模2腔結(jié)構(gòu)，將型腔設(shè)計(jì)成對稱形式，如圖3所示，合模時左型腔會對模具產(chǎn)生向左的力，右型腔產(chǎn)生向右的側(cè)向力，2個側(cè)向力互相抵消，避免對模具產(chǎn)生損傷，影響合模精度。

圖3 1模2腔結(jié)構(gòu)

3.2 上模設(shè)計(jì)

上模結(jié)構(gòu)如圖4所示，因?yàn)槟壳暗匿亴蛹夹g(shù)多為手工鋪層，所以碳纖維預(yù)浸料在鋪層的過程中每層碳纖維布并不是非常整齊，固化后的制品需要將邊緣切割，如圖4所示的加粗點(diǎn)畫線為制品的邊緣線，需要在模具上刻線，刻線比模具零件型面單邊縮進(jìn)10 mm，制品固化后會在表面留下刻線痕跡，用于后續(xù)切割。

圖4 上模結(jié)構(gòu)

3.3 導(dǎo)柱設(shè)計(jì)

為了保證合模精度，模具設(shè)計(jì)了4根導(dǎo)柱，導(dǎo)柱采用過盈配合壓入上模，導(dǎo)柱上裝有鋼珠套，鋼珠套的目的是使上、下模開合方便。傳統(tǒng)導(dǎo)柱導(dǎo)套在配合過程中都是滑動摩擦，由于導(dǎo)柱導(dǎo)套配合間隙通常在0.03 mm內(nèi)，模具在高溫高壓下的輕微變形會導(dǎo)致導(dǎo)柱與導(dǎo)套單邊卡死，增加模具開合的難度。通過采用鋼球?qū)еM件，使導(dǎo)柱與導(dǎo)套的摩擦方式由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，降低上、下模開合的難度。

3.4 上模鑲件設(shè)計(jì)

模具零件型面不是采用整體式結(jié)構(gòu)（見圖4中I處放大），上模鑲件通過螺釘5與上模緊固，鑲件上設(shè)有螺釘孔用于鑲件的拆卸，如圖1中A-A截面所示，鑲件處的制品厚度精度要求高，為50-0.04mm，由于制品成型中需要固化加熱，且制品材料與模具材料不同，在加熱和冷卻過程中制品的最終尺寸存在波動，可通過拆卸鑲件的方式調(diào)整此處制品的厚度。如果成型的制品該處偏厚，可以在鑲件的安裝面墊上鐵皮，使合模后上、下模的鑲件距離減小，減小制品該處厚度；如果成型的制品該處偏薄，可以將鑲件的安裝面磨低，增大合模后上、下模的鑲件間距。通過這種調(diào)節(jié)方式使制品尺寸最終達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.5 下模設(shè)計(jì)

下模結(jié)構(gòu)如圖5所示，下模型腔側(cè)壁設(shè)有10個溢料槽，尺寸為10 mm×13.5 mm×2 mm，溢料槽的作用是將模壓過程中多余的樹脂通過溢料槽排出型腔，溢料槽后面設(shè)有一圈擋膠槽，擋膠槽的作用是為了存儲溢出來的樹脂，以防止樹脂流入導(dǎo)套孔和限位塊的螺釘孔。

圖5 下模結(jié)構(gòu)

3.6 限位塊設(shè)計(jì)

下模周圈及中間設(shè)有限位塊，所有的限位塊都是在磨床上同時加工，保持統(tǒng)一厚度。制品在固化成型的過程中，上模壓住限位塊作為模具合模到位的最終標(biāo)準(zhǔn)，限位塊的厚度也決定了上、下模合模后型腔的厚度。在制品正式生產(chǎn)前，應(yīng)在型腔不同位置放入鉛塊，合模加壓至理論壓力，保壓10～15 min后開模，測量各位置鉛塊厚度，此時需要關(guān)注鑲件區(qū)的鉛塊厚度是否為50-0.04mm及鑲件區(qū)兩側(cè)的鉛塊厚度是否為9.8+0.10mm，如果存在誤差則先將鑲件區(qū)兩側(cè)的型腔厚度調(diào)整至9.8+0.10mm，具體方法如下：如果型腔厚度偏薄則在限位塊下面墊鐵皮，增加合模后的型腔厚度；如果型腔厚度偏厚則將限位塊拆卸，用磨床將其磨低，之后繼續(xù)調(diào)整鑲件區(qū)的鉛塊厚度。由于制品固化需要加熱，會導(dǎo)致模具和制品產(chǎn)生熱膨脹現(xiàn)象，碳纖維在冷卻后不會隨模具零件收縮，一般調(diào)整型腔厚度至稍小于理論厚度的狀態(tài)。

3.7 導(dǎo)套設(shè)計(jì)

由于導(dǎo)套為薄壁結(jié)構(gòu)，與下模安裝孔設(shè)計(jì)成間隙配合。如果導(dǎo)套與安裝孔配合過緊，安裝過程中安裝孔的側(cè)壁會將導(dǎo)套擠變形，導(dǎo)致導(dǎo)套孔變小，增大與導(dǎo)柱的摩擦力，縮短導(dǎo)柱導(dǎo)套的使用壽命。導(dǎo)套與下模采用臺階和內(nèi)六角無頭螺釘固定，如圖6所示，導(dǎo)套與安裝孔通過φ60H7/g6的間隙配合，導(dǎo)套的壁厚為5 mm，在安裝孔底部10 mm處將孔加工至φ52 mm，用于限制導(dǎo)套安裝的深度。由于模具合模后，上、下模的空間比較小，無法通過蓋板將導(dǎo)套緊固在下模，為了解決開模過程中導(dǎo)套可能被導(dǎo)柱帶出下模的狀況，導(dǎo)套插入安裝孔后，導(dǎo)套與下模座的圓周接縫處均布3個φ5.2 mm孔，并加工M6 mm螺紋，然后擰上M6 mm的無頭螺釘，通過該方法限制導(dǎo)套各個方向的自由度。由于模具在高溫狀態(tài)下需要開合，無法用機(jī)油潤滑導(dǎo)柱導(dǎo)套，選用的導(dǎo)套材料為高力黃銅（CAC304）并鑲嵌石墨，石墨起自潤滑的作用。

圖6 導(dǎo)套安裝形式

3.8 組合塊設(shè)計(jì)

組合塊在前段和后段均刻有標(biāo)尺，如圖7所示，目的在于方便變截面彈翼的錯層鋪貼。

圖7 組合塊的刻度尺寸

如圖8中D-D截面所示，為了方便組合塊安裝及脫模，2個組合塊之間設(shè)計(jì)5°的配合面，且E-E截面中組合塊與模座之間設(shè)計(jì)10°的拔模角，組合塊上設(shè)有5個M12 mm的頂絲孔和4個M12 mm的緊固孔，緊固孔與頂絲孔周圍設(shè)有深度為20 mm的存料槽，存料槽可以存儲模壓時產(chǎn)生的多余樹脂，且防止其從組合塊表面流入頂絲孔中。

圖8 組合塊

4 強(qiáng)度計(jì)算

通過HyperMesh軟件模擬彈翼成型模在180℃的環(huán)境下受1 000 kN的壓力，結(jié)果如圖9所示。在高溫高壓的狀態(tài)下，模具變形量最大的位置為上模的2個角，變形量約為0.15 mm，此時模具零件型面處的變形量為0.008 mm，且下模限位塊所受應(yīng)力最大，為290 MPa，限位塊與模具零件材料為P20，其屈服強(qiáng)度為1 140 MPa，滿足模具的使用要求。

圖9 變形量及應(yīng)力分布

5 模具生產(chǎn)過程

將組合塊從下模座上拆卸，清理干凈表面、螺釘孔和頂絲孔，擦涂3遍脫模劑。將上模和下模的鑲件拆卸，所有鑲件表面擦涂3遍脫模劑，擦涂完脫模劑后用螺釘緊固，12個鑲件表面均勻涂覆一層硅脂膏。模具組合完成后檢查鑲件和組合塊的安裝位置是否正確，保證無組合間隙和階差，組合塊與模具零件型面齊平，2個組合塊齊平，此時模具組裝合格。上、下模鑲件的頂絲孔使用堵孔螺栓加涂硅脂膏填充，組合塊的頂絲孔使用硅脂膏填充，其目的是避免樹脂流進(jìn)頂絲孔內(nèi)。

將上模和下模合模后置于壓力機(jī)平臺上，加壓后壓力緩慢升高，直至上模完全壓住下模的限位塊，保壓10～15 min，最后卸壓、開模。測量鉛塊的厚度，依據(jù)鉛塊厚度調(diào)節(jié)相應(yīng)的2塊內(nèi)嵌鑲件的墊片厚度，調(diào)整好后將碳纖維布按圖2在型腔內(nèi)鋪層，最后合模在壓力機(jī)上固化，待制品固化完成后開模取出成型制品，如圖10所示。

圖10 成型制品

6 結(jié)束語

經(jīng)過變截面彈翼的實(shí)際生產(chǎn)表明，該模具設(shè)計(jì)合理，達(dá)到了使用要求，但模具在多次生產(chǎn)后還是不可避免地產(chǎn)生輕微變形，導(dǎo)致導(dǎo)柱導(dǎo)套摩擦力變大，模具開合困難，在后續(xù)同類型模壓成型模的設(shè)計(jì)時可以考慮在模具4個角設(shè)計(jì)存放塊。模具不使用時在上、下模之間放入存放塊，減少導(dǎo)柱導(dǎo)套的配合量，以便模具開模，存放塊可以通過鏈條與下模座側(cè)壁連接以防丟失。