輕量化耐腐蝕復(fù)合材料鋪疊模制造技術(shù)研究

謝飛舟，劉一凡，許春華，張勇兵

（航空工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司 技術(shù)裝備公司，四川 成都 610092）

0 引言

近年來，高強度、耐高溫和低密度的復(fù)合材料在航空領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代飛機中含有大量的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，甚至超過飛機總質(zhì)量的50%[1-3]。

復(fù)合材料鋪疊模是成型飛機結(jié)構(gòu)件的重要模具之一，目前常用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)工藝為：采用手工將復(fù)合材料鋪疊在模具零件上，整體進入熱壓罐，在一定溫度和壓力環(huán)境下經(jīng)過一定時間的固化，脫模后得到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件。該類模具制造材料采用Q235A，密度為7.85 g/cm3。目前使用這類模具的過程中主要存在2個問題：①模具質(zhì)量較重，由于模具零件密度為7.85 g/cm3，雖然采用了減輕孔的設(shè)計，但單個模具質(zhì)量依然達10～30 kg，鋪疊過程不方便，如果模具掉下工作平臺，易發(fā)生砸傷事故；②模具表面易生銹，圖1所示為常用鋪疊模的腐蝕情況。為保證成型的復(fù)合材料零件的表面質(zhì)量，該種鋪疊模表面粗糙度要求Ra≤3.2 μm，由于模具零件材料為Q235A，且使用環(huán)境較潮濕，使用一段時間后模具零件表面銹蝕，影響工作型面的表面質(zhì)量，無法生產(chǎn)合格零件，需打磨模具零件表面，耽誤生產(chǎn)進程。

以典型低溫用復(fù)合材料鋪疊模為例，針對其質(zhì)量重、易腐蝕的缺點，選取密度更小的非金屬為結(jié)構(gòu)材料進行模具設(shè)計，開展數(shù)字化加工技術(shù)研究，制造新型低溫用復(fù)合材料鋪疊模，以減輕模具質(zhì)量，避免模具零件腐蝕，延長模具零件使用壽命，減少生產(chǎn)返修的次數(shù)，降低工人勞動強度，提高生產(chǎn)效率。

圖1 常用鋪疊模的腐蝕情況

1 模具結(jié)構(gòu)改進

為實現(xiàn)模具的輕量化和耐腐蝕，對于低溫下使用的鋪疊模，其使用溫度不超過80℃，選擇G48工程塑料（俗稱可切削塑料）作為該類鋪疊模的結(jié)構(gòu)材料。該材料為PUR體系，由3種物質(zhì)混合而成：①樹脂A：BiresinG48，多元醇，不透明；②固化劑B：BiresinG55，MDI異類氰酸酯，無色；③填料C：氫氧化鋁粉末，白色，粒徑0～φ0.032 mm。材料耐受最高溫度為90℃，因其具有良好的表面質(zhì)量、強度高、可加工性強等優(yōu)點而在飛機蒙皮拉形模上廣泛使用[4,5]。該工程塑料是一種非金屬材料，不會出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，其物理參數(shù)如表1所示。

表1 G48工程塑料的物理參數(shù)

以典型的鋪疊模為例，該模具由上述工程塑料G48制造而成，對其結(jié)構(gòu)進行改進，圖2所示為鋪疊模結(jié)構(gòu)改進方案。

圖2 G48鋪疊模改進方案

新型鋪疊模的主體部分與原結(jié)構(gòu)一致，為模體1與模體2，上下完全對稱，上面刻有零件位置線和余量位置線。由于采用G48工程塑料，其強度低于Q235A，為保證模具零件的使用強度，取消原先減輕孔的設(shè)計，保證模體1和模體2為實心結(jié)構(gòu)。為保證模具結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，原結(jié)構(gòu)左、右兩端的耳片增厚10 mm，并在耳片銷孔處增加固定襯套，模具共有4處需用到固定襯套。

2 模具制造過程

采用G48工程塑料制造新型復(fù)合材料鋪疊模的主要工藝流程為：下料→澆注→數(shù)控→檢測→標(biāo)記→終檢。

首先澆注得到毛坯，其澆注流程為：先通過木條樣板和層板制備腔體結(jié)構(gòu)，隨后向型腔中澆注G48工程塑料，G48工程塑料的各組份必須先混合均勻，各成分質(zhì)量比為：主劑（G48）∶固化劑（G55）∶填料=1∶1∶（1.2～1.5），其中主劑、固化劑為液態(tài)，填料為200目以下粉末（主劑、固化劑有效期為開封后70 min以內(nèi)，應(yīng)在有效期內(nèi)使用，且填料應(yīng)防潮避免結(jié)塊）。各組份混合的順序及相應(yīng)的攪拌時間為：在G48工程塑料主劑中加入填料，用攪拌器攪拌5～6 min，隨后緩慢加入固化劑，沿同一方向勻速攪拌4～5 min，使各組份原料混合均勻后，靜置 10～15 min。靜置之后，將該混合液體澆入事先制備的腔體，從澆口（最低處）緩慢勻速連續(xù)倒入，利用G48工程塑料的流淌性使其充滿整個型腔，直到冒口（最高處）冒出為止。待G48工程塑料完全固化后去除封邊層板、圍邊及多余物，型面光順過渡。

隨后對毛坯進行數(shù)控加工，數(shù)控加工過程中，精銑模體1、模體2上、下平面平行見光。保證臺階尺寸H1＞20 mm，各件的總厚度H2＞90 mm。在數(shù)控加工過程中，由于模具零件底面兩端耳片強度較差，應(yīng)選取切削力較小的數(shù)控銑削刀。對于未數(shù)控銑削的面進行砂磨至光順，非工作邊R5 mm可以取制木樣板刮光流線。在模具零件上加工2個孔，各孔壓入2×φ10 mm的襯套，應(yīng)注意在壓合過程中不能過緊，否則容易損壞模體，襯套外表面可通過涂膠幫助緊固。數(shù)控加工后刻零件外形位置線和零件余量位置線，保證線條清晰、粗細均勻。G48工程塑料的基本強度滿足刻線的需求。最后，在模具零件做相應(yīng)的標(biāo)記。

模具零件數(shù)控加工完成后，對鋪疊模型面進行測量，在型面上取數(shù)點測量其公差，測量數(shù)據(jù)如圖3所示，公差范圍為±0.1 mm。由圖3可以看出，型面上所測量的點均在公差范圍內(nèi)，采用G48工程塑料制造的鋪疊模型面尺寸合格。

圖3 G48工程塑料鋪疊模型面測量數(shù)據(jù)

圖4所示為G48工程塑料鋪疊模實物，模具整體結(jié)構(gòu)完好無破損。模具零件型面光滑，表面粗糙度滿足使用要求。零件位置線和余量位置線的線條清晰，粗細均勻。襯套壓合緊密，未發(fā)生損傷。經(jīng)測量，模具質(zhì)量為2.75 kg，若采用材料Q235A制備，則其質(zhì)量為11.11 kg。經(jīng)對比，該輕量化模具質(zhì)量減輕75%，實現(xiàn)了預(yù)期模具質(zhì)量減輕50%的目標(biāo)。

圖4 G48工程塑料鋪疊模實物

3 模具試用與后續(xù)測試

將模具交付客戶進行試用，在模具上進行復(fù)合材料鋪疊后進入熱壓罐加熱保溫。保溫加熱工藝：模具使用過程需2次進罐（45±15）℃保溫1 h。由于G48工程塑料耐溫90℃，在工藝規(guī)定的溫度和保溫時間后不發(fā)生變形，在模具出罐后也未發(fā)現(xiàn)有變形的情況。模具現(xiàn)場的使用效果良好，操作人員反映模具輕便好用、脫模方便，滿足使用的強度需求，使用過程中無磕壞碰傷的情況。圖5所示為實際鋪疊效果，黑色部分為在模具型面鋪疊的復(fù)合材料層。圖6所示為脫模后的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，經(jīng)過無損檢測，該結(jié)構(gòu)件合格。

圖5 實際鋪疊效果

圖6 脫模后的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件

由于模具采用非金屬G48工程塑料制造，避免了模具的腐蝕情況，消除了模具零件因為腐蝕生銹而出現(xiàn)的返修情況，提高了生產(chǎn)效率。

為檢測后續(xù)模具的穩(wěn)定性，對試用一段時間的G48工程塑料鋪疊模進行測量。圖7所示為測量曲線，模具試用半年后，型面上的點公差為±0.1 mm。數(shù)據(jù)證明，G48工程塑料鋪疊模具有一定的穩(wěn)定性，G48工程塑料可以耐受模具使用過程中的溫度和壓力沖擊。

圖7 使用半年后G48工程塑料鋪疊模的型面測量數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

以典型低溫用復(fù)合材料鋪疊模為例，針對其使用過程中質(zhì)量重易腐蝕的特點，選取密度更小的非金屬G48工程塑料作為模具材料。模具設(shè)計時取消減輕孔，耳片增厚，并在耳片銷孔處加入固定襯套。隨后開展了G48工程塑料鋪疊模數(shù)字化加工技術(shù)研究。最后制造的模具質(zhì)量減輕75%，也避免了模具腐蝕問題，降低了工人勞動強度，延長了模具使用壽命，減少生產(chǎn)返修的次數(shù)，提高了生產(chǎn)效率。