復(fù)合材料對模成型工藝模具設(shè)計研究

摘 要 復(fù)合材料對模成型工藝中的制品質(zhì)量好壞取決于模具質(zhì)量的好壞，所以模具設(shè)計至關(guān)重要，從原材料、固化溫度、產(chǎn)品精度三方面研究復(fù)合材料對模成型工藝的模具設(shè)計。通過承力筒模具的設(shè)計及產(chǎn)品生產(chǎn)后的尺寸測量，證明了復(fù)合材料原材料、固化溫度、產(chǎn)品精度在對模成型模具設(shè)計中的重要性，提供了如何綜合三個因素進(jìn)行模具設(shè)計的方案。

關(guān)鍵詞 復(fù)合材料；模具設(shè)計；承力筒

Research on Design of Composite Material Pair Forming Process Mold

YANG Jilong，JING Lei，ZHU Nan，LIU Jiaqiu，WANG Hao

（Harbin FRP Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT The quality of composite products in the matched mold process depends on the quality of the mold，so the design process of molds is crucial in the production process of composite materials. Study the mold design of composite materials for the matched mold process from three aspects： raw materials， curing temperature， and product accuracy. By designing the bearing cylinder mold and measuring the dimensions of the product after production， the importance of composite raw materials， curing temperature， and product accuracy in mold design was proved，and how to integrate three factors for mold design was provided.

KEYWORDS composite material; mold design; bearing cylinder

1 引言

先進(jìn)復(fù)合材料擁有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、剛度大、耐腐蝕、抗疲勞、減震、線膨脹系數(shù)小、可設(shè)計性強(qiáng)等特點，廣泛應(yīng)用在航空、航天、汽車船舶、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域［1-5］。復(fù)合材料制品作為結(jié)構(gòu)件和功能件具有較大的應(yīng)用空間及前景。復(fù)合材料成型常用的工藝方法有熱壓罐成型、液體成型（樹脂轉(zhuǎn)移模塑、真空輔助、樹脂模滲透）、OOA成型、模壓成型、纏繞成型、拉擠成型、復(fù)合材料低溫固化技術(shù)、自動纏繞與鋪放技術(shù)、復(fù)合材料電子束固化技術(shù)、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理技術(shù)等等，無論哪種工藝方法都離不開復(fù)合材料成型模具。復(fù)合材料成型模具設(shè)計按照材料可以分為金屬模具、橡膠軟模、復(fù)合材料模具、木模模具、石膏模具等。復(fù)合材料模具具有優(yōu)異的力學(xué)性能、耐熱性能以及輕質(zhì)高強(qiáng)的特點［6-7］。金屬模具是最常用的模具形式，由于金屬模具加工精度較高，加工工藝性較好，成型后的復(fù)合材料制品精度較高，表觀狀態(tài)良好［8］。但對于細(xì)長、中空、封閉、變截面的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，金屬模具由于脫模困難，結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，其應(yīng)用也有一定的局限性［9］。復(fù)合材料成型模具要根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)特點、復(fù)雜程度以及成型方式、原材料的不同等方面進(jìn)行設(shè)計，隨著產(chǎn)品的質(zhì)量、精度要求不斷提高，對于模具的設(shè)計、生產(chǎn)要求也越來越高，如模具的強(qiáng)度、剛度、耐溫性，熱膨脹系數(shù)、拆卸性、使用壽命等。

2 對模成型工藝模具結(jié)構(gòu)形式

2.1 復(fù)合材料成型模具種類

復(fù)合材料成型模具根據(jù)成型方式可分為沖壓成型模、鍛壓成型模、擠壓成型模、注塑成型模、壓鑄成型模、真空成型模和壓縮成型模、模壓成型等［10］。模壓成型工藝是復(fù)合材料生產(chǎn)中一種傳統(tǒng)的成型方法。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、成型工藝不同設(shè)計不同的模壓成型模具。根據(jù)產(chǎn)品成型工藝方法采用預(yù)浸料鋪放到模具上，鋪放好后按照設(shè)計的模具組裝方式進(jìn)行組裝壓實，經(jīng)過加熱、加壓將產(chǎn)品壓實并滿足產(chǎn)品尺寸精度要求，經(jīng)過固化爐加熱固化。產(chǎn)品固化并充分降溫后進(jìn)行脫模，產(chǎn)品型面精度通過模具保證。對于產(chǎn)品尺寸精度高、表面需要特殊處理的需要進(jìn)行二次加工，正常的產(chǎn)品精度能夠通過一次對模成型工藝保證型面精度要求。對模成型工藝適合小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)。

2.2 對模成型模具結(jié)構(gòu)

對模成型工藝簡單來說就是將預(yù)浸料鋪放在模具內(nèi)部，通過加熱、加壓模具進(jìn)行擠壓將產(chǎn)品合模對位。不同產(chǎn)品設(shè)計的對模成型結(jié)構(gòu)不同，如：機(jī)載天線多為刀形復(fù)雜外形，復(fù)合材料模具設(shè)計主要是設(shè)計罩體的陽模和陰模，設(shè)計一般分為陽模設(shè)計、陰模設(shè)計、壓型設(shè)計、脫模設(shè)計［11］。一體化支架類產(chǎn)品的模具設(shè)計大體可以分為一套芯模，一套外模組合式模具。根據(jù)支架的具體形式設(shè)計不同芯模和外模結(jié)構(gòu)。錐殼類復(fù)合材料制品在火箭、武器型號上種類多、數(shù)量多，應(yīng)用廣泛［12］。錐殼類復(fù)合材料模具一般包括芯模、法蘭盤、內(nèi)分瓣、外分瓣、外模、上法蘭、下法蘭、底板等。

3 對模成型工藝模具影響因素

模具作為復(fù)合材料構(gòu)件成型的基礎(chǔ)，不僅起到傳遞熱量和壓力的作用，而且具有定位和保證外形尺寸精度的作用，用以確定構(gòu)件形狀、確定結(jié)構(gòu)關(guān)系、控制外緣和獲得良好的表面質(zhì)量，同時亦在模具上完成預(yù)浸料鋪疊和聚合固化。復(fù)合材料模具設(shè)計制造對復(fù)合材料構(gòu)件的產(chǎn)品質(zhì)量影響較大，因此復(fù)合材料模具設(shè)計過程中應(yīng)從多方面充分考慮，使模具設(shè)計合理、高效。

對模成型工藝中的模具影響因素較多，例如：原材料、固化溫度、產(chǎn)品精度等。由于對模成型過程中的原材料不同，所以復(fù)合材料相對模具會有不同的作用力。因此，模具設(shè)計需根據(jù)預(yù)浸料工藝性選擇不同材質(zhì)的模具。一般情況下，模具材料的熱膨脹系數(shù)大于復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)，若按照復(fù)材制件的理論尺寸設(shè)計模具，當(dāng)升溫時，復(fù)材制件與模具一起受熱膨脹，中高溫固化時，膨脹后的模具型面決定復(fù)材零件的貼模型面，固化后降溫時，模具收縮至理論尺寸，而復(fù)材制件由于熱膨脹系數(shù)較小則不能收縮至理論尺寸。模具材料與復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)不同會造成復(fù)材制件固化后尺寸及外形的不準(zhǔn)確。小尺寸模具的熱膨脹對復(fù)合零件影響很小，但當(dāng)模具尺寸較大且復(fù)材零件上有重要的外形或裝配特征時，必須要考慮模具材料與復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)差異帶來的影響。模具設(shè)計時根據(jù)復(fù)合材料的固化溫度測算模具的膨脹量進(jìn)行尺寸補償。采用對模成型工藝成型的產(chǎn)品的非加工面通過模具保證，加工面一般通過預(yù)留加工量，保證產(chǎn)品精度。復(fù)合材料模具設(shè)計過程中，通過結(jié)合產(chǎn)品精度要求設(shè)計復(fù)合材料模具加工精度。綜合原材料、固化溫度、產(chǎn)品精度三方面進(jìn)行復(fù)合材料模具設(shè)計，保證成型出的產(chǎn)品合格。

4 承力筒模具設(shè)計

4.1 承力筒產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸

承力筒產(chǎn)品的內(nèi)徑134.00 mm（0～+0.2 mm）、外徑154.00 mm、高度310.00 mm（-0.10～+0.10 mm）、厚度10.00 mm（0～+0.3 mm）的光殼結(jié)構(gòu)，如圖1所示。增強(qiáng)材料選用國產(chǎn)T800級碳纖維、基體材料選用TDE-85環(huán)氧樹脂體系，固化溫度為170 ℃。

4.2 承力筒模具影響因素相應(yīng)參數(shù)計算

承力筒產(chǎn)品采用對模成型工藝制造，設(shè)計承力筒模具形式如圖2所示，模具結(jié)構(gòu)有外模、外分瓣、內(nèi)模、底盤、上法蘭組成。承力筒的原材料 為國產(chǎn)T800/TDE-85預(yù)浸料，因此選用45#鋼經(jīng)過熱處理，表面硬度HBS：400～600，能夠滿足使用要求。根據(jù)查表1可知，鋼的熱膨脹系數(shù)：（11.3～13）×10-6/℃，模具在室溫狀態(tài)至成型溫度之間，模具材料與復(fù)材件之間的膨脹量差以下公式確定［13］：

TS：室溫，℃

TC：成型溫度，℃

KT：在室溫與成型溫度之間的工裝材料膨脹系數(shù)，10-6/K

KP：在室溫與成型溫度之間的零件材料膨脹系數(shù)，10-6/K

通過計算承力筒的內(nèi)徑膨脹：0.22～0.25 mm，高度膨脹：0.51～0.59 mm。

按照原材料選擇模具的材料，通過產(chǎn)品的固化溫度計算模具的膨脹量，結(jié)合產(chǎn)品的精度要求進(jìn)行計算模具的尺寸，模具內(nèi)模的外徑D1=134（（-0.22+（0+0.2）/2）～-0.25+（0+0.2）/2））mm=134 mm（-0.12～-0.15 mm），高度H=310（-0.51+（-0.1+0.1）/2）～-0.25+（-0.1+0.1）/2）=310 mm（-0.51～0.54 mm）。承力筒模具的模腔10 mm（0.1～0.15 mm）。

4.3 承力筒產(chǎn)品驗證

承力筒模具加工后測量模具的內(nèi)膜134 mm（-0.13～-0.14 mm），高度310 mm（-0.52～0.53 mm），模腔（0.1～0.12 mm）。模具驗收合格后，進(jìn)行承力筒的成型工作，承力筒如圖3所示，共生產(chǎn)了三套產(chǎn)品，對三套產(chǎn)品的內(nèi)徑、壁厚、高度進(jìn)行統(tǒng)計如表2所示，產(chǎn)品尺寸滿足要求。承力錐模具設(shè)計合理并得以驗證。

5 結(jié)語

本文介紹了對模成型工藝的模具結(jié)構(gòu)形式，分析了對模成型工藝對模具的影響因素，并從原材料、固化溫度、產(chǎn)品精度進(jìn)行了詳細(xì)說明。通過選擇模具材質(zhì)，根據(jù)復(fù)合材料固化溫度計算模具的膨脹量，結(jié)合模具的膨脹量和產(chǎn)品精度進(jìn)行模具尺寸精度設(shè)計。并以承力筒的模具為例說明了復(fù)合材料原材料、固化溫度、產(chǎn)品精度在對模成型模具設(shè)計中的重要性，為對模成型模具設(shè)計提供了思路。

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通迅作者：劉甲秋，男，碩士，教授級高級工程師。研究方向為復(fù)合材料成型工藝研究。E-mail：liujiaqiu2007@126.com