袋壓工藝復材壓輥的模具研究

王玉凱 郭紅軍 尚安陽 侯偉 張佳衛 張達

（常州啟賦安泰復合材料科技有限公司，江蘇常州 213000）

袋壓成型[1]工藝是最早及最廣泛用于預浸料成型[2]的工藝之一，該工藝是將纖維預制件鋪放在模具中，蓋上柔軟的隔離膜，在熱壓下固化，經過所需的固化周期后，材料形成具有一定結構的構件。

壓輥組成如圖1 所示。壓輥[3]是巖棉設備中的關鍵零件，其重量是制約設備產能的因素之一，重量增加后，壓輥的擺動產生的轉動慣量對設備整體的剛強度造成額外負擔，從而影響設備運行速度，故其需要通過結構優化的方式盡可能地減重，增加設備擺動的幅度，以達到提高設備生產效率的目的。采用碳纖維復合材料設計制造壓輥，是解決客戶問題的有效途徑之一。

圖1 壓輥組成

壓輥成型過程采用袋壓成型工藝，其變形要求特別高，所以說對于壓輥成型模具的剛度要求也特別高，模具的剛度直接影響復合材料產品的變形[4]，因此對于影響壓輥剛度因素的研究至關重要。

1 壓輥模具剛度分析

為了保證模具剛度，通常采取的方式有加大模具的厚度、模具上添加縱橫筋、增加鎖模螺栓等措施，但各種方式對剛度影響不一，所設計壓輥模具如圖2 所示。

圖2 壓輥模具結構圖

1.1 筒體厚度

筒體厚度t，模具內徑a，模具外徑b，內壓P，泊松比μ，應變ε，最大拉應力σ1，最小拉應力σ3，楊氏模量E。

根據廣義胡克定律：

可見，筒體厚度越大，變形越小，剛度越大。

1.2 螺栓數量

螺栓數量n，模具長度L,單個螺栓受力F1。

可見在螺栓型號及大小一定的情況下，螺栓數量越多，單個螺栓受力越小，模具剛度越大。

1.3 筋條數量、厚度和側板厚度

筋條數量、厚度和側板厚度等均對模具剛度有不同程度的影響，但目前尚無具體理論計算公式。

以上各種方式均可用于設計控制模具剛度，本文將通過有限元軟件，采用控制變量的方法，對壓輥的成型模具剛度進行分析，得出保證模具剛度的最佳方式，有助于同類模具的結構優化，對于后續采取相應措施來防止模具變形產生積極的作用[5]。

2 壓輥模具計算

2.1 模型建立關鍵點

2.1.1 材料特征參數

45 號鋼：彈性模量E=2.1×105MPa，密度ρ=7800 kg/m3，泊松比μ=0.31，屈服強度[σs]=215 MPa。

螺栓：上下模連接采用M16的六角頭螺栓，等級為12.9級。

2.1.2 單元類型的選擇

根據結構的受力特征和分析目標選擇合適的單元類型，本壓輥模具寬厚比較大，采用二維殼單元來模擬，連接上下模的緊固螺栓采用PBUSH 單元模擬[6]。

2.1.3 載荷處理

壓輥主要承受的是內部氣體膨脹壓力，將其單元受有均布載荷向節點移置，即非節點的載荷換算成作用在節點上的效果相當的集中載荷，這樣的做法稱為等效節點載荷。

2.1.4 約束條件的處理

約束條件是建立模型的重點，運用不恰當的約束將會導致計算結果與真實的結果出現較大的出入，甚至導致計算失敗。

2.2 載荷及邊界條件

2.2.1 載荷的取值

壓輥采用袋壓成型，內部充氣，充壓壓力為5 個大氣壓，固化溫度為150℃，根據理想氣體狀態方程，pV=nRT，T 為熱力學溫度，T（K）=273.15+t(℃)，推算出其固化壓力約為7 個大氣壓，再添加一定的安全系數，取計算壓力為0.8 MPa，即在壓輥模具內表面施加0.8 MPa 的均布載荷，垂直于壓輥模具筒體內表面。

2.2.2 邊界約束條件

所有節點采用固支，即約束相應節點的6 個自由度，最終建立有限元模型。

2.3 模擬結果

根據壓輥成型模具的主要受力特點及剛度保證的要求，設置了筋條厚度、筋條數量、側板厚度、筒體厚度、螺栓數量等一系列變量，其余以筋條厚度10 mm、筋條數量9 個、側板厚度15 mm、筒體厚度8 mm、螺栓數量32 個為定量，得出螺栓載荷、模具強度、剛度均滿足要求，具體如下。令外改變其余量來計算模具剛度，其最終的壓輥模具變形結果如表1 所示。

2.3.1 螺栓載荷

通過仿真模擬，螺栓受到的最大拉伸力為F1=15200 N，最大剪力為2727 N，螺栓主要受拉伸載荷，剪切載荷可忽略不計。上下模連接采用M16 的六角頭螺栓，等級為12.9 級，即σ=1080 MPa，最大承載為F=ΠR2×σ=217146 N ＞15200 N=F1，滿足工況要求。

2.3.2 壓輥模具強度

通過仿真模擬，壓輥模具的最大應力為187 MPa，滿足強度要求。

2.3.3 壓輥模具剛度

通過仿真模擬，壓輥模具的最大變形為0.3 mm，滿足剛度要求。

3 結論

本文以材料力學、理論力學為基礎，結合實際生產和有限元計算，采用控制變量的方法，對壓輥的成型模具剛度進行了分析。通過分析結果，得出以下結論：

表1 壓輥模具變形結果

（1）對于袋壓工藝壓輥模具來說，筋條厚度、筋條數量、側板厚度、筒體厚度、螺栓數量均不同程度影響模具剛度，筋條厚度越厚、筋條數量越多、側板厚度越厚、筒體厚度越厚、螺栓數量越多，模具剛度越大；反之，模具剛度越小。

（2）相比較來說，筋條數量和厚度、筒體厚度對于模具的整體剛度影響較小，而側板厚度和螺栓數量對于模具的整體剛度影響較大，所以對于類似工藝的模具，可優先考慮增加側板厚度和螺栓數量來保證模具的剛度要求。

通過上述研究，合理選擇模具剛度加強方式，不僅可以滿足實際生產需求，而且可以降低模具的設計制造成本，為合理設計模具提供了理論依據。