復(fù)合材料零件固化成型框架式模具制造技術(shù)

摘 "要：復(fù)合材料熱壓罐成型框架式模具在航空、航天等領(lǐng)域得到大量應(yīng)用，其制造方法和成本成為研究的熱點(diǎn)。本文根據(jù)框架式模具的特點(diǎn)，利用多點(diǎn)成型技術(shù)，分析框架式模具典型結(jié)構(gòu)和制造難點(diǎn)，提出了多點(diǎn)成型制造方法，給出了制造流程。該方法不僅提高了模具制造精度，縮短了制造周期，而且降低了制造成本，是一種值得推廣的方法。

關(guān)鍵詞：多點(diǎn)成型；復(fù)合材料；固化成型；框架式模具；制造技術(shù)

中圖分類號(hào)：V262.3+5 """""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Composite parts curing forming frame module manufacturing technology

YUE Ming， "WANG Xiaokai， LIU min， LIU Bingxin

（AVIC Xian Aircraft Industry （Group） Co. Ltd.， Xian， 710089， Shaanxi China）

Abstract： Composite autoclave molding frame die has been widely used in aviation， aerospace and other fields， and its manufacturing method and cost have become the focus of research. According to the characteristics of frame mold and multipoint forming technology， the typical structure and manufacturing difficulties of frame mold are analyzed， and the manufacturing method with multipoint forming is put forward. This method not only improves the mold manufacturing precision， shortens the manufacturing cycle， but also reduces the manufacturing cost， which has significant application value.

Key words： multipoint forming; composite parts; curing forming; frame module; manufacturing technology

0 "引 "言

復(fù)合材料在航空航天飛行器上大量應(yīng)用，應(yīng)用比例逐年提高，如在波音787中，復(fù)合材料的用量達(dá)50%［1-2］。近年來(lái)，熱壓罐成型技術(shù)是飛機(jī)復(fù)合材料的主要制造方法［3-5］，其中，影響復(fù)合材料件固化變形的因素很多，包括復(fù)合材料固化制度、鋪層結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)和形狀、工裝材料和工裝結(jié)構(gòu)、固化環(huán)境溫度分布，以及固化過(guò)程中復(fù)合材料壓力分布等等。各種因素影響機(jī)理復(fù)雜，相互交叉，因此復(fù)合材料零件在固化過(guò)程中產(chǎn)生變形不可避免。為了實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料零件的精準(zhǔn)制造，減小裝配應(yīng)力，主要從三個(gè)方面進(jìn)行控制：一是通過(guò)優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)模具型面溫差最小的目標(biāo)，從而減小復(fù)合材料零件變形；二是對(duì)于曲度大且尺寸大的復(fù)合材料件嘗試采用縮比件試驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)，再修正零件數(shù)模，或直接根據(jù)經(jīng)驗(yàn)修正數(shù)模，再將修正的數(shù)模作為工裝設(shè)計(jì)依據(jù)；三是減小復(fù)合材料零件固化成型模具本身的變形。前兩個(gè)方面主要從模具設(shè)計(jì)依據(jù)和模具結(jié)構(gòu)方面考慮，而第三種情況則是從模具材料和制造方面考慮。模具材料時(shí)優(yōu)先使用熱膨脹系數(shù)小且與復(fù)合材料接近的材料，例如碳纖維復(fù)合材料或殷鋼。模具制造主要考慮制造過(guò)程中模具內(nèi)部的應(yīng)力和制造精度。

1 "復(fù)合材料零件固化成型模具制造中的難點(diǎn)

1.1 "復(fù)合材料零件固化成型模具典型結(jié)構(gòu)

復(fù)合材料零件固化成型模具一般是框架式薄殼工裝，具體結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。薄殼型板是模具最關(guān)鍵的部分，它的變形直接影響復(fù)合材料零件的形狀精度，同時(shí)薄殼型板上型面的溫度均勻性也影響復(fù)合材料零件的變形。薄殼型板上型面分為兩個(gè)區(qū)域，一個(gè)是工作區(qū)，也就是成型復(fù)合材料零件的部分，另一部分是非工作區(qū)，起到模具的輔助作用或用于成型試片。薄殼型板上型面上有三個(gè)數(shù)控加工基準(zhǔn)孔和若干個(gè)靶標(biāo)孔和靶標(biāo)孔襯套，薄殼型板下型面與隔板通過(guò)焊接進(jìn)行連接。橫向隔板和縱向隔板與底板焊接在一起，隔板上有通風(fēng)口和均風(fēng)孔，通風(fēng)口有四邊形、對(duì)三角形、4個(gè)三角形等類型，墊板焊接在地板上、地腳輪和地腳輪支架一起用于支撐整個(gè)模具。

1.2 "復(fù)合材料零件固化成型模具制造中的難點(diǎn)

模具中的隔板、底板、墊板等均采用等厚的鋼板，通過(guò)數(shù)控加工的方式完成制造，與型板接觸的面具有足夠的精度。薄殼型板的型面應(yīng)符合設(shè)計(jì)依據(jù)，而設(shè)計(jì)依據(jù)是經(jīng)過(guò)修形的工藝數(shù)模，也就是修形后的雙曲面，因此薄殼型板的上型面需要足夠的精度，且型板厚度的均勻性也很重要。傳統(tǒng)制造方法是通過(guò)壓力機(jī)或手工方法進(jìn)行預(yù)成型，成型精度低，型板在壓力作用下貼近隔框并進(jìn)行焊接，然后采用數(shù)控加工的方法對(duì)型板上型面進(jìn)行加工。該工藝造成很大的內(nèi)應(yīng)力，在模具的使用過(guò)程中，溫度變化會(huì)帶來(lái)較大的變形，同時(shí)預(yù)成型精度低也造成型板厚度不均勻，進(jìn)而影響薄殼型板上型面溫度的均勻性。因此，薄殼型板預(yù)成型精度的提高是復(fù)合材料成型模具制造的難點(diǎn)。

2 "復(fù)合材料零件固化成型模具薄殼型板制造

2.1 "復(fù)合材料零件固化成型模具薄殼型板毛坯確定

復(fù)合材料零件固化成型模具薄殼型板厚度的確定需要考慮模具的剛度和溫升速率等因素，厚度一般取12mm。為了保證薄殼型板與隔板零應(yīng)力裝配，薄殼型板的下型面與隔板保持一致，需要將預(yù)成型的薄殼型板的下型面進(jìn)行數(shù)控加工，選取厚度16mm的板作為毛坯，為上下型面各留2mm的加工余量，保證薄殼型板最終厚度為12mm，上下型面通過(guò)數(shù)控加工保證曲面的精度。

當(dāng)零件較大時(shí)，展開的毛坯大于多點(diǎn)成型臺(tái)面，需要將零件進(jìn)行分塊、展開，并在每個(gè)展開的部分添加余量，根據(jù)零件的曲度等實(shí)際情況將余量選擇在100～200mm之間。如圖2所示，零件被分成9塊，圖中黑線為一個(gè)部分展開的邊界線，其外側(cè)的等距邊界線為余量線。按照添加余量的毛坯進(jìn)行下料，分別成型9個(gè)件，在成型后按每塊的實(shí)際邊界進(jìn)行切割，焊接成一個(gè)整體，進(jìn)行整體型面的加工。

2.2 "基于多點(diǎn)成型的薄殼型板制造

模具薄殼型板屬于厚板鈑金成型，用常規(guī)的模具成型方法，成型模具的成本高、周期長(zhǎng)。采用簡(jiǎn)易成型工裝，雖然工裝的成本有所降低，而且制造周期有所下降，但成型精度低。采用水火成型方法成本低，但精度難以控制。而多點(diǎn)成型方法是一種行之有效的方法［5-10］，如圖3所示。

模具薄殼型板制造包括多點(diǎn)成型、在線測(cè)量、下型面數(shù)控加工、與隔框焊接，上型面數(shù)控加工，具體流程如圖4所示。

3 "結(jié) "論

本文提出并闡述總結(jié)了基于多點(diǎn)成型技術(shù)的模具制造方法，從根本上改變了傳統(tǒng)的制造模式，獲得如下結(jié)論：

（1） 多點(diǎn)成型技術(shù)避免了一個(gè)零件一套模具的情況，不僅降低了制造成本，而且縮短了制造周期；

（2） 成型后的厚板經(jīng)過(guò)數(shù)控加工得到成型薄殼，不經(jīng)保證了型面的精度，而且保證了薄殼厚度的均勻性；

（3） 結(jié)合激光切割技術(shù)，該制造方法充分利用了數(shù)字化制造的優(yōu)勢(shì)。

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作者簡(jiǎn)介：岳明，男，職高級(jí)工程師，主要從事模具制造方面的研究。

（中航工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，陜西 "西安 "710089）