復合材料構件模壓成形技術研究

賀 強，楊文鋒，唐慶如

HE Qiang, YANG Wen-feng, TANG Qing-ru

（中國民用航空飛行學院 航空工程學院，廣漢 618307）

0 引言

復合材料用量已經成為衡量飛行器是否先進的標志，尤其是直升機。復合材料在直升機上的應用從壁板、地板、整流罩等次承力結構迅速擴展到槳葉、平尾、尾梁筒體、斜梁等主承力結構，甚至出現了全復合材料直升機。隨著復合材料應用的不斷深入，復合材料構件熱壓罐成型、模壓成型、纏繞成型、樹脂傳遞模塑成型（Resin Transfer Moulding, RTM）等一系列工藝技術也得到深入研究與應用。但迄今為止，手工鋪層+熱壓罐固化和模壓成型仍然是國內直升機復合材料構件生產最重要的兩種工藝方法。

針對熱壓罐成型，文獻[1]對先進樹脂基復合材料制造技術現狀以及發展趨勢進行了綜述。熱壓罐成型作為其中最為重要的復合材料成型技術與數字化、自動化技術相融合將進一步提高復合材料構件質量、生產效率并降低生產成本。文獻[2]分析了復合材料熱壓罐固化變形機理，綜述了基于工藝仿真的固化變形預測研究進展。文獻[3]研究了金屬模具與復合材料構件之間由于熱不匹配而產生固化殘余應力造成復合材料構件固化變形情況。文獻[4]提出了保持熱壓罐成型溫度場均勻性的優化方法。文獻[5]總結了復合材料熱壓罐成型模具設計準則，提出了低成本、工藝性好的模具設計方法。針對復合材料模壓成型，文獻[6]分析了影響模壓成型工藝質量的主要因素；文獻[7]研究了模壓成型工藝中加壓點的優化選擇。文獻[8]建立了非穩態溫度場與固化動力學數學模型。

綜上所述，復合材料熱壓罐成型工藝的研究較為深入，而模壓成型工藝研究相對較少，主要針對某個工藝參數展開。本文針對這一現狀，系統研究復合材料構件模壓成型技術。論述了融合數字化、自動化技術的模壓成型工藝過程，著重研究了模壓成型模具的數字化設計制造技術。

1 模壓成型工藝流程

復合材料構件采用“增材”制造模式，即構件由各個鋪層鋪疊而成。鋪層在固化前與固化后存在一定的厚度差異；此外，鋪層設計包括鋪層順序、剪口、展開邊界、激光鋪層投影數據等依賴設計數模但與設計數模存在一定差異。因此，復合材料構件模壓成型首先應進行工藝數模設計。在工藝數模的基礎上進行成型模具設計；完成模具制造后，開始進行構件的鋪貼、合模固化并對固化后的構件修邊、打磨；最后對構件進行檢驗。整個模壓成型工藝流程如圖1所示。

圖1 復合材料構件模壓成型工藝流程

2 工藝數模設計

工藝數模是復合材料構件制造的基礎數據，是成型模具的設計依據。工藝數模設計主要有貼模面設計、工藝鋪層的詳細設計、鋪層展開與排樣、鋪層書和激光投影數據生成等。其中，工藝鋪層的詳細設計著重確定鋪層邊界、順序、剪口以及鋪層搭接或對接的選擇等；激光投影數據生成則需在鋪層邊界生成過程中，計算各個邊界點的法矢，以便激光投影時能自動選擇激光投影頭，以提高投影質量。

3 模壓成型模具設計制造

3.1 模具設計

復合材料構件模壓成型模具通常采用“陰模+陽?！钡拈]合結構形式。為了提高模具的工藝性，陰模通常采用分塊組合的結構形式。陰模一般作為構件的鋪貼面，要求精度高、表面質量好，以保證復合材料構件成型后的形狀滿足設計要求。模壓成型中，陰、陽模需要承受和傳遞熱壓床產生的成型壓力，要求具有較好的強度和剛度。模壓成型模具設計主要涉及模具材料選擇、結構熱膨脹補償、模具強度以及模具結構的詳細設計等。

3.1.1 模具材料選擇

普通45#鋼是模壓成型模具常用的材料，具有成本低、加工性好、強度高、剛性好等優勢，但無論是碳纖維復合材料還是玻璃纖維復合材料，都與普通鋼的熱膨脹系數差異較大。當構件幾何形狀復雜時，按經驗公式無法得到準確的結構補償，需要多次試驗并修正模具才能得到適當的補償量。因此普通鋼適合用作形狀比較規則的復合材料構件的模壓模具材料。

INVAR鋼是一種特殊的模具材料，其熱膨脹系數低且接近碳纖維復合材料，用作模具時基本不用考慮結構補償，但INVAR鋼可加工性差，成本高，剛性差。因此常作為成型精度要求高，幾何形狀復雜的復合材料構件的模具材料，如直升機的復合材料主、尾槳葉。

3.1.2 模具結構熱膨脹補償

當模具與復合材料構件熱膨脹系數差異較大時，復合材料構件冷卻的收縮量與模具收縮量不一致，從而導致構件幾何尺寸偏差。該偏差可以通過下述方法消除。首先利用主元分析（Principle Component Analysis, PCA）確定構件設計數模的主方向，進而確定主方向上構件的長度L。以L作為基準計算模具的補償量，公式如下：

3.1.3 模具強度

目前，成型模具較多依賴設計者的經驗，較少或基本沒有采用有限元分析軟件來實現模具結構的輕量化設計。這與直升機制造業任務量大，模具設計人員數量少的現狀直接相關。為了保證模具的強度和剛度，通常模具都較大且笨重，存在極大的減重和結構優化空間。因此，基于有限元分析的模具優化設計是直升機制造業復合材料構件低成本制造技術中可以深入發掘的技術。

3.1.4 模具結構設計

在上述工作完成的基礎上，開始模具的詳細設計。模具的詳細設計應充分考慮工藝性、可操作性和自動化程度。根據復合材料構件的工藝數模，首先設計模具的型腔；特別地，需要充分考慮起模的可操作性，合理設置分模面。對不使用激光投影的模具，鋪層的切割線決定了產品的外形尺寸精度，設計時應適當擴展，為修配留出加工量。對使用激光投影的模具，需在模具型腔外的顯著位置設置用于校正激光頭的靶標點。根據模具結構，設置適當的流膠槽。為了便于工人操作，降低勞動強度和提高效率，模具設計應綜合考慮模具使用安全、便利，如設置適量的起模槽和站位線等。

3.2 模具制造

復合材料構件模壓成型模具要求貼模面精度高、表面質量好。先進制造技術如高效數控加工、熱表面處理等的應用為制造出高質量的模具奠定了基礎。

3.2.1 模具數控加工

模壓成型模具通常采用分塊組合形式，裝配精度高，而模具形腔是復合材料構件幾何形狀的保證。近年來，高速數控銑削、車銑復合、寬行加工和自適應加工等先進加工技術發展迅速，并且在模具加工上廣泛應用。這些技術具有較高的材料去除率和低刀具磨損，加工面質量高等特點，有效保證了模壓成型模具的質量并顯著縮短了模具的制造周期。

3.2.2 熱處理與表面處理

熱處理可以有效消除模具加工中產生的殘余應力，提高模具的疲勞壽命和剛度。先進的表面的處理技術如激光表面強化，超音速火焰噴涂等可以改變模具型腔表面的組織性能，從而使得模具型面具有較高的硬度、耐磨性、耐腐蝕性和脫模性。

3.2.3 模具型面的數字化檢測

模具制造技術的不斷進步對檢測設備的要求也越來越高。隨著三維測量技術的發展，檢測設備多種多樣，精度也不斷提高[9]。根據檢測設備是否和被測對象的表面接觸，檢測方法分為接觸式檢測法和非接觸式檢測法。接觸式檢測中，應用最為廣泛、最具有代表性的檢測設備是三坐標測量機（CMM）。CMM具有測量精度高，測量范圍廣等優點，但該設備的測量速度較慢，并且在測量過程中存在接觸壓力，容易損壞模具的型面。非接觸式檢測主要有光學式和非光學式兩種。代表性的設備為GOM公司的Atos流動式光學測量系統，圖2為Atos檢測過程示意。

圖2 Atos光學檢測

無論是利用接觸式檢測設備還是非接觸式檢測設備，從模具型面上采樣得到衡量模具型面精度的離散點后，均需與模具設計數模比對，才能得出模具的數值精度。具體流程如圖3所示。

圖3 模壓成型模具數字化檢測流程

4 復合材料構件制造

完成復合材料構件工藝數模設計和成型模具制造后，采用手工鋪貼或自動鋪覆的方式完成鋪層操作。對于手工鋪層，需間隔幾層后就抽真空壓實，以減少層間空氣和避免架橋。完成鋪層操作后，合模，根據復合材料構件的樹脂體系確定固化參數（固化時間、固化溫度、加壓點等），進而選擇適當的熱壓床來完成構件的固化成型。最后對成型的構件進行修邊、打磨等后加工操作，并進行幾何形狀與固化質量的檢驗。目前多采用超聲C掃描檢測復合材料構件的成型質量。

5 結束語

作為直升機制造業中廣泛采用的一種復合材料構件成型技術，模壓成型可充分利用先進的數字化設計制造技術來完成工藝數模和成型模具的設計與制造，同時融合企業積累的寶貴經驗來高質量、高效率、低成本地完成復合材料構件的模壓制造。隨著復合材料構件成型工藝仿真的進一步發展，模壓成型工藝將會得到更好的提升，從而促進復合材料在直升機制造領域應用的進一步發展。

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