復合材料方桿纏繞成型模具設計及工藝研究

黃文煜 楊 浩 周 棟 張娟娟 陳萬新

復合材料方桿纏繞成型模具設計及工藝研究

黃文煜 楊 浩 周 棟 張娟娟 陳萬新

（上海復合材料科技有限公司，上海 201112）

針對復合材料方桿成型模，設計了新型限位體系的八瓣模模具結構，通過限位凸輪和端部齒輪來控制成型壓力的變化。材料體系選用T700-12k-50C碳纖維，成型工藝選擇烘箱固化工藝。通過此成型工藝成功制備出了外形、內部質量滿足要求的復合材料方桿，為同類型的產品的生產提供了參考與借鑒。

復合材料桿件；成型模；八瓣模；機械加壓；限位凸輪

1 引言

相對于金屬材料，碳纖維復合材料具有高的比強度和比模量，出色的耐熱性、較低的熱膨脹系數，較小的熱容量及優秀的抗腐蝕與抗輻射性能等特點，已廣泛應用在各類空間衛星產品中[1]。隨著空間衛星技術的快速發展，采用碳纖維復合材料制備的桁架結構已越來越多地應用于空間衛星結構。碳纖維復合材料桁架結構具有較好的組合性及通用性，可根據不同的使用要求進行空間構型組合，而且其形式簡單、載荷可優化分配、局部強度高、安裝拆卸簡單方便，有著廣闊的應用前景[2]。熱壓罐成型、拉擠成型、模壓成型、纏繞成型、滲透成型等工藝已經在軍民領域開始廣泛運用。

纖維纏繞成型是利用專用的纏繞設備將浸漬過樹脂配方料的連續纖維，在設備的張力作用下，按一定的規律纏繞在具有一定形狀的芯模上，然后經加熱或常溫固化成型后制成制品。而目前碳纖維復合材料桿件多采用纖維纏繞成型，將纏繞后的桿件合模后制袋，進熱壓罐后抽真空，打壓固化[3]。

常見的復合材料方桿采用芯模-均壓板或芯模-風管成型方式，本文介紹了一種新型限位體系的八瓣模模具結構，使用凸輪限位，采用烘箱固化，降低固化成本，探索了一種全新的桿件纖維纏繞工藝成型方法，并改進優化模具，具有一定的實用價值和工程指導意義。

2 模具設計

2.1 模具性能

模具反映了零件的截面尺寸、表觀狀態、性能等特點。因此，模具需具備如下性能要求：模具材料的熱穩定性好，不易變形；搬運方便、操作簡單、安全系數高；產品質量穩定、加工精度高。

2.2 模具材料

復合材料桿件一般采用金屬作為成型模的主要材料。常見的模具材料有碳鋼、INVAR鋼、鋁、45#鋼等，其材料參數如表1所示。從表1中可看，出鋁的密度較低，但其熱膨脹系數很大，加工后模具極易發生變形。而INVAR鋼雖然熱膨脹系數較小，不易變形，但加工成本較鋁等材料較高，適用于結構較為復雜、曲率變化大的零件。故選用45#鋼，其熱膨脹系數介于鋁和INVAR鋼之間，與INVAR鋼較為接近，其熱傳導率優良，且熱膨脹系數較小，加工后不易變形，相較于INVAR鋼，材料成本較低，且重量適中，適合用作桿件成型模的材料[4]。

表1 常用模具材料參數

2.3 模具結構設計

成型模采用八瓣模結構形式，具體參考圖1。該模具為八瓣模結構，兩側采用固定板固定芯模，通過限位凸輪和端部齒輪的結構形式實現固化合模過程中的限位，考慮到產品在固化過程中的壓縮量約20%～30%，根據產品厚度不同，限位分5檔，即1.5、1、0.5、0.3和0，在做好的真空袋外轉動齒輪軸，一軸帶動鑲塊處四軸檔位，根據需要選擇合適檔位，保證產品在打壓溫度之前不提前受力，減少流膠，保證產品質量。主要打壓壓力通過抽真空提供，通過真空壓力擠壓拼塊，將拼塊合模到位，完成產品固化成型[5]。

圖1 桿件成型工裝示意圖

3 工藝要點

3.1 材料

因復合材料桿件一般為桁架結構中承力件，其力學性能需要滿足其較好的抗壓、抗拉性能。在此選擇增強材料為日本東麗公司生產的T700-12k-50C碳纖維，基體材料為上海華誼樹脂有限公司的環氧樹脂[6]。原材料的單向板性能見表2，可以滿足碳纖維復合材料桁架結構桿件的使用要求[7]。

表2 單向板性能參數

3.2 設備

纏繞設備：BSD數控纏繞機，規格：FWA1/4/1，德國BSD公司；固化設備：組合式固化爐，規格：4m×5m,寧波紅菱電熱烘箱有限公司。

3.3 工藝流程

復合材料桿件使用的成型方法為纖維纏繞鋼模烘箱固化成型，其典型的成型流程如圖2所示。

圖2 桿件成型流程圖

其中，所選桿件截面尺寸為40mm×40mm，桿件壁厚為1.2mm，長度為800mm，纏繞角度為：±45°/±3°/±45°。

3.3.1 關鍵工藝流程

裝模：室溫裝模時先將限位檔位調整為1.5，將產品按圖3所示裝模。

圖3 裝模置袋過程示圖

固化開始時，將模具限位檔位開關調整至1.5檔，空氣溫度迅速拉升至150℃，在模具升溫至90℃時，檔位調整至0.5。繼續升溫，在模具溫度升溫至100℃時，檔位調整至0.3，繼續升溫至115℃時，檔位調整至0，合模到位。后續升溫至177℃后，保溫3h后出爐，全程抽真空。具體固化參數參考表3[8]。

表3 固化參數

4 分析與討論

4.1 模具優化

目前常規的復合材料方桿成型模多采用芯模-均壓板或芯模-風管成型方式，而本文采用的模具為八瓣模結構形式，主要打壓壓力通過抽真空提供，將拼塊合模到位，完成產品固化成型[9]。通過限位凸輪和端部齒輪的結構形式實現固化合模過程中的限位，在做好的真空袋外搬動齒輪軸，一軸帶動鑲塊處四軸檔位，根據需要選擇合適檔位，調整拼塊蓋板與產品接觸面的比例約7倍，通過抽真空的形式保證產品合模固化[10]。

4.2 表觀、尺寸及無損探傷情況

脫模前后，實物表觀按附圖4所示，纖維紋路清晰，無屈曲，產品R角較飽滿。按照GJB1038.1A—2004超聲無損探傷，要求內部質量符合GJB2895—97中A級標準，采用噴水式脈沖穿透法，無明顯雜波，缺陷的尺寸小于10mm[11]。

圖4 桿件實物表觀圖示

本次試驗共成型了5件桿件，其具體表觀、尺寸及無損探傷情況如表4所示。

表4 表觀、尺寸及無損探傷情況

4.3 產品理化性能測試

將成型后的桿件實物按標準取樣，理化性能測試按表5，得到以下數據。纖維體積含量、固化度、孔隙率均能滿足使用要求。

表5 理化性能測試數據

為進一步確定產品探傷情況與層間孔隙的關系，選取其中1件桿件進行超聲相控陣多晶片探頭掃描，探測結果如圖5所示。

圖5 超聲相控陣掃描結果

由表3以及圖5可以看出，桿件實物固化度達到98%以上，孔隙層間氣孔較小，存在少量微小氣孔，整體成型質量較好，滿足使用要求。

綜上所述：針對現有型腔尺寸，采取90℃、100℃和115℃分三檔進行1.5-0.5-0.3-0調節合模固化，產品固化后外形為40.5～40.8mm，壁厚為1.15～1.35mm，探傷合格，表觀無明顯缺陷，產品滿足使用要求，該模具成型的桿件質量好，成型成本低，后續該模具可廣泛應用于類似零件的制造。

5 結束語

本文提出了一種新型的復合材料桿件成型模，該模具采用烘箱固化，使用機械限位成型模成型方法，取代熱壓罐成型，降低成型成本，且所生產出的桿件產品的尺寸、表觀及探傷及理化性能均能滿足使用要求。此新型復合材料桿件成型方法不僅對復合材料桿件的生產具有指導作用，也為同類型產品的生產提供借鑒意義。

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9 陳磊. 復合材料熱壓罐成型固化回彈變形預測及其優化[D]. 長沙：湖南大學，2017

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11 高曉進. 金屬夾心CFRP 復合材料超聲檢測方法[J]. 聲學技術，2019，38(5)：527～528

Design and Process Research of Composite Material Square Rod Winding Molding Mold

Huang Wenyu Yang Hao Zhou Dong Zhang Juanjuan Chen Wanxin

(Shanghai Composite Material Technology Co., Ltd., Shanghai 201112)

Aiming at the composite square bar forming die, a new type of eight valve mold structure with limit system was designed. The change of molding pressure was controlled by limiting cam and end gear. T700-12k-50c carbon fiber was selected as material system. And oven curing method was selected as molding process. Through this molding process, we successfully fabricated a composite square rod.Its appearance and internal quality meet the requirements of use.It provides a reference for the production of the same type of products.

composite material rod；forming die；octapetal mold；mechanical pressurization；limit cam

V261

A

黃文煜（1995），助理工程師，復合材料科學與工程專業；研究方向：復合材料航天方向。

2020-12-16