RTM 工裝進/出膠口流暢性的工藝研究與應用

陳明英，鄒震宇，張 毅

（成都飛機工業（集團）有限責任公司，四川成都 610092）

0 引言

復合材料具有低密度、高比強度以及較強的可設計性等優點，且隨著其制造技術的不斷發展，復合材料用量在航空航天、民用領域的應用越來越多。近年來，復合材料在現代飛機制造中的用量不斷增大，已經逐漸成為繼鋁、鋼、鈦之外的第四大航空結構材料。A380 客機復合材料用量達總重量的25%，B787 客機復合材料用量達到了50%，A350XWB 客機復材結構件用量達到了52%[1]。RTM（Resin Transfer Molding，樹脂傳遞模塑成型）技術作為纖維增強樹脂基復合材料液體成型技術中最具有發展前景的技術，在軍用、民用飛機及汽車制造領域獲得了越來越廣的應用。隨著以高精度、低成本、柔性化、數字化、綠色環保、快速化為特征的制造業高速發展，對產品質量性能信息的統一性和交互性的要求越來越高。

傳統的樹脂基復合材料成型技術主要為手糊成型、纖維纏繞成型、拉擠成型、模壓成型、真空成型、噴射成型和RTM 成型工藝。RTM 成型工藝制品具有表面質量高、精度高，原材料利用率高，成型及固化工藝簡單且對人體和環境傷害小，產品周期短的優勢，這種制造工藝將是纖維增強樹脂基復合材料制造的發展趨勢。RTM 成型工藝是一種先進的復合材料制造方法，但這種加工工藝技術難度較高，設計及制造過程的工藝穩定性較差，次品率較高。RTM 成型工藝需要通過高壓將高溫樹脂從工裝的進膠口注入型腔，并通過出膠口將多余樹脂排出，因此對進/出膠口的結構強度以及抗疲勞強度要求非常高。在反復成型過程中，進/出膠口極易因高壓樹脂的沖擊造成磨損失效，導致樹脂進/出膠不流暢，影響零件的成型效果。

根據生產現場RTM 工裝膠口的實際使用情況，剛性RTM工裝在每次成型零件后需對型腔及膠口進行清理，膠口的流暢性將直接影響產品質量。現場傳統清理膠口的方法常導致膠口連接螺紋壁損壞，從而影響膠口的流暢性和工裝的密閉性以及產品壁厚的均勻性。RTM 成型工藝及膠口位置的計算機模擬研究已取得了很大的發展，其計算方法和實驗手段已獲得廣泛認可。但是在眾多的文獻中，針對RTM 膠口流暢性的研究卻不多見，基于澆口流暢性的重要性，本文通過改進膠口清理方式從而達到低成本保證膠口的流暢性。

1 膠口連接工藝性分析

1.1 工藝流程及存在的問題

通常情況下，RTM 成型工裝中進/出膠管路與工裝主體的連接主要是通過主體上的螺紋進/出膠口依次連接轉換接頭、黃銅球閥、寶塔接頭和進/出膠管連接。零件成型時，通過進膠口將高溫高壓樹脂注入工裝型腔，樹脂充滿型腔后從出膠口壓出。待零件升溫固化后，拆除轉換接頭、黃銅球閥、寶塔接頭、注/出膠管部分，零件完全冷卻后開模取出零件。此時工裝膠口位置存在已經固化的殘余膠體，因此需要人工干預，對膠口的積膠進行清理，以保證下次使用時進/出膠口的流暢性。

目前，RTM 成型工裝進/出膠口的積膠主要通過人工方式去除。現場操作人員用細長鉆頭對準膠口位置中心，憑經驗用力向下壓鉆頭，通過鉆頭高速旋轉下移清除模具進/出膠口螺紋孔中的積膠。RTM 工裝在多次使用以后，膠口中心由于鉆頭多次清膠會發生一定程度的偏移，且膠口表面界面不清晰，造成現場操作人員再次采用鉆頭清膠時，無法準確判斷膠口中心位置，導致鉆頭向下清膠時切削力沒有垂直于底面，細長鉆頭工作中會產生徑向抖動，導致進/出膠口螺紋壁損壞（圖1）。

圖1 損傷的螺紋口壁

1.2 原因及后果分析

通過理論分析及現場調研，對目前采用的RTM 工裝進/出膠口與進出膠管路的連接方式進行工藝性分析。

（1）轉換接頭與進/出膠口處的螺紋孔多次連接易導致螺紋滑絲，每次使用時對膠口各孔清膠，鉆孔會對工裝造成一定的損壞（圖2），損壞嚴重的，甚至會造成RTM 成型工裝的密封性降低，影響零件的成型質量，工裝存在頻繁返修的風險。

圖2 使用后的膠口

（2）通常情況下，單套RTM 成型工裝有幾個甚至幾十個進/出膠口，采用此類連接方式時，工裝清膠過程繁瑣，工裝每次使用后的維護保障工作效率低，嚴重降低了模具的有效使用率。

（3）進膠口與工裝底面的垂直度會影響樹脂注入質量，若不垂直注射會使樹脂碰到注膠口反射到型腔中，破壞樹脂在型腔內的流動規律，造成型腔內聚集大量汽包形成產品缺陷，導致注膠失敗。螺紋損壞會影響工裝氣密性，影響樹脂在型腔內的流動速度，導致產品壁厚不均勻，使產品存在缺陷甚至報廢。

綜上所述，現有一般類型的RTM 成型工裝進/出膠口與管路的連接方式無法有效保證產品質量的持續可靠性，且工裝的耐用性較差，生產效率低。

2 膠口連接工藝研究與改進

通過膠口連接工藝分析發現，在注膠口與出膠口之前有轉換接頭與模具螺紋孔連接，清理余膠時，鉆頭是先通過一段螺紋孔再進入膠口，最易損傷的是螺紋近孔口的壁部，只要清理膠口的長鉆頭避開膠口的螺紋，就可以滿足不傷螺紋的要求。為此，設計輔助接頭來優化進/出膠口與管路的連接方式。輔助接頭螺紋比RTM 工裝進/出膠口螺紋長3～4 mm，中心制光孔直徑大于鉆頭直徑1～2 mm（圖3），輔助接頭用45#鋼棒料加工并淬火處理以保證硬度。

圖3 進/出膠口輔助螺紋接頭

與當前復合材料的特性相結合，不斷提升系統運行中的非均勻性與脆性，由此增強復合材料的連接性和與金屬材料的連接有效性。由于孔邊容易出現高應力集中現象，因此系統運行中的連續效率不高，因此在工藝運行中要求不斷優化工藝運行制件的連接。在工藝制件連接中要求不斷膠接固化連接方式，綜合采用螺接、鉚接等機械連接方式以及混合連接方式，并綜合運用復合材料成型試板與制作工作的具體要求相結合，據此開展試驗驗證方式是采用機械連接中的螺接方法。螺接方法的運用具有顯著的應用優勢，在裝配拆卸過程中應不斷優化部件的制造、更換與維修作業，增強連接方式的系統性與穩定性。

采用輔助接頭，可以直接將接頭螺紋旋入工裝進/出膠口螺紋中，再通過輔助接頭連接進/出膠口管路。工裝使用后清膠時，可利用輔助接頭的導向孔引入細長鉆頭，沿著輔助接頭的中心孔延伸至工裝的進/出膠口進行清膠工作。在清膠過程中，鉆頭作用力中心與膠口同軸且與底面垂直，輔助接頭的螺紋比RTM工裝進/出膠口螺紋長3～4 mm，鉆頭在清膠過程中避開了模具螺紋，保證工裝進/出膠口螺紋完好無損，從而有效保證了澆口的流暢性、工裝的氣密性，提高了RTM 工裝的有效使用率，保證零件制造質量的穩定性。此外，輔助接頭經過淬火處理，硬度較高不易損壞，使用壽命長且具有通用性，可以運用在各類的RTM 成型工裝上，具有一定的經濟性。

3 使用效果

將輔助接頭應用到生產實際后，對改進前后膠口清理效果流暢性工藝模擬效果進行比較，從模擬圖中可以看出，進/出膠口工藝優化后，注膠的流暢性與注膠的穩定性都有了一定程度的提高。改進后的產品質量穩定性較高，零件出現缺陷的概率明顯降低。

與當前不同產品工藝要求相結合，不斷優化膠口工裝的各項工序，最終生產出合格的產品。通過現場的長期應用實踐證明，本文所設計的輔助接頭制造簡單、成本低、互換性強，完全滿足使用要求。

4 結語

分析傳統RTM 成型工裝進膠口/出膠口的連接及清膠方法的現狀，發現傳統的清膠方式在每次零件成型完成后對進/出膠口各孔清膠時，存在細長鉆頭損傷模具接頭連接螺紋、清膠過程中高速旋轉的鉆頭擦傷澆道壁等嚴重缺陷。這些缺陷將導致模具氣密性降低，液體樹脂流動不均勻、滲透性差，頻繁返修模具等問題，嚴重影響產品質量的穩定性及工裝的使用壽命。經過對膠口連接方式的工藝分析，找到膠口連接處易損關鍵部位，并進行工藝研究與改進，研制一種低成本、互換性強的輔助接頭，解決了關鍵缺陷問題，保證工裝氣密性，膠口垂直性、流暢性及澆道壁完整性，保證產品質量的穩定性，延長工裝的使用壽命。