RTM工藝中模具設(shè)計(jì)分析

梅延寧

摘 要：RTM工藝即樹指傳遞模塑工藝，是成型纖維增強(qiáng)塑料的重要工藝之一。因該工藝對成型的模具要求具有強(qiáng)度高、變形小、壽命長、模腔尺寸準(zhǔn)確，同時(shí)還要求模具應(yīng)具有一定尺寸的穩(wěn)定性和耐熱性等諸多特點(diǎn)，所以對模具設(shè)計(jì)的合理性便顯得十分重要。文中針對模具設(shè)計(jì)的原則、材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、密封鎖模、膠口設(shè)計(jì)等進(jìn)行了較詳盡的闡述，并說明了模具設(shè)計(jì)中計(jì)算機(jī)仿真軟件輔助設(shè)計(jì)的便捷和重要性。

關(guān)鍵詞：樹脂傳遞成型；模具設(shè)計(jì)；計(jì)算機(jī)仿真輔助設(shè)計(jì)

前言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國的制造業(yè)也取得了較大的成績，目前在航空航天、汽車、建筑和船舶等領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用樹脂纖維復(fù)合材料，而RTM成型工藝技術(shù)在是當(dāng)前世界FRP工業(yè)中發(fā)展最快的成型工藝之一，且在不斷應(yīng)用中日益成熟和完善。利用RTM工藝所生產(chǎn)出來制品的性能和質(zhì)量與模具有著直接的關(guān)系。所以說，RTM工藝中模具的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。隨著CAE計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)的不斷發(fā)展，在模具設(shè)計(jì)時(shí)，可對設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝過程進(jìn)行合理的數(shù)字化模擬，能夠有效避免設(shè)計(jì)過程中的失誤，并可通過模擬結(jié)果來指導(dǎo)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 RTM工藝中模具設(shè)計(jì)原則

RTM成型工藝過程中，一般注射設(shè)備每分鐘流量5～10升左右，注射壓力從0.01～0.8MPa，一般RTM模具模腔內(nèi)是3～6kg/cm2，因此對于模具的剛度、定位件、密封結(jié)構(gòu)、鎖模機(jī)構(gòu)要求較高，如若模具設(shè)計(jì)任意一個(gè)環(huán)節(jié)考慮不周的話，不僅難以保證制品的尺寸精確性也很容易出現(xiàn)爆模的意外。

由于RTM模具在設(shè)計(jì)過程中，會(huì)受到多種因素的影響，因此模具在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循結(jié)構(gòu)簡單合理、功能完備、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的原則。并在設(shè)計(jì)過程中盡量選擇具有良好的機(jī)械、熱學(xué)性能的材料，合適的加工精度，表面要具有較高的光潔度，同時(shí)要配合準(zhǔn)確、耐用的定位裝置和可靠的密封結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)合理的進(jìn)膠口和出膠口位置及監(jiān)測儀表，同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)也要兼顧綜合多種因素對成本進(jìn)行降低。

2 RTM模具材料選擇和結(jié)構(gòu)

在RTM工藝中，模具的產(chǎn)量和精度一般都取決于模具的材料。如樹脂和纖維層合板復(fù)合材料適合產(chǎn)量較和尺寸精度要求較低的模具；鋁合金和鋼材則適應(yīng)于產(chǎn)量高、要求精確的RTM制品。在這情況下，鋼材的耐用性能優(yōu)于鋁合金，但因其重量、價(jià)格和熱學(xué)性能不如鋁合金，因此在中等產(chǎn)量的模具中高強(qiáng)度的和高硬度的鋁合金得到了廣泛的應(yīng)用。

為減輕模具的重量，使其盡可能的輕便，并減少模具制作費(fèi)用，在模具背部通常制作加強(qiáng)筋來增加模具的剛度，從而提高模具的抗變形能力和提高模具使用壽命。鋼結(jié)構(gòu)模具背部加強(qiáng)的型材通常采用點(diǎn)焊將其連接成一體，復(fù)合材料模具背部可根據(jù)模具的尺寸大小，采用夾層結(jié)構(gòu)形式、復(fù)合材料加強(qiáng)筋或金屬骨架連接做加強(qiáng)。

在模具初步設(shè)計(jì)完成后，利用CAE-結(jié)構(gòu)力學(xué)模擬軟件，如ANSYS結(jié)構(gòu)力學(xué)分析、catia有限元結(jié)構(gòu)化分析模塊等，對所設(shè)計(jì)模具的材料厚度、結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核和優(yōu)化，使模具選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為合理。

3 模具的密封和鎖模機(jī)構(gòu)

密封是整個(gè)模具制作過程中較為關(guān)鍵的一步，根據(jù)模具大小、結(jié)構(gòu)的不同通常選取彈性材料。因在生產(chǎn)過程中模具內(nèi)部的真實(shí)度和壓力會(huì)使模具發(fā)生變形，這樣彈性材料會(huì)在壓力降低時(shí)恢復(fù)到原來的形態(tài)，同時(shí)還能多次的反復(fù)使用，有利于降低成本。密封圈一般選用O型或V型，密封槽的結(jié)構(gòu)尺寸由所選用的密封圈的外形尺寸來確定。

模具的密封也需要精準(zhǔn)的定位和鎖模來保證。當(dāng)模具閉合后，需有大于模具分離力的夾緊力在樹脂注入前作用于模具形面上，同時(shí)為了保證模具某些部位的位置準(zhǔn)確，模具還應(yīng)具有可靠的定位裝置和鎖模裝置。在傳統(tǒng)的RTM工藝中，大部份合模機(jī)構(gòu)才采用螺絲來鎖緊合模，這樣合模效率低下，根據(jù)制品情況可采用氣缸或用壓機(jī)合模平臺(tái)來進(jìn)行合模，通過軌道或圓錐形定位銷等進(jìn)行上、下模的合模定位，能有效的加快制品的成型時(shí)間。

4 模具分模面和拔模角度

模具設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮是否需要進(jìn)行分模或者做活塊，這一步將影響到制品是否能順利的生產(chǎn)出來，還有開合模過程的操作是否順利。同時(shí)，模具加工的難易程度、模具部件的重量、制件的精度及操作的便利性（即模具的清理、裝模、開模和脫模簡單易行）等在分模面的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合進(jìn)行考慮。基于開模的可行性，分模面的位置一般應(yīng)安置在制件的對稱面上。模具設(shè)計(jì)時(shí)可采用CATIA、UG等三維軟件的模具設(shè)計(jì)工作臺(tái)，依次定義型芯/型腔區(qū)域、開模方向、創(chuàng)建分模面、模具分型等操作，模擬模具零件組裝配合、制品拔模等過程，對設(shè)計(jì)進(jìn)行有效的驗(yàn)證。

原模在制作過程中要考慮到R角的處理，通常制品厚度越厚其R角也就越大。另外還要考慮到脫模斜度的問題，有脫模斜度的制品脫模力小，脫模順利且不易損傷模具表面。根據(jù)制品的外形情況和技術(shù)條件許可盡量加大脫模斜度，如果技術(shù)條件不具備的情況下也要預(yù)留不小于3‰的脫模斜度。

5 樹脂注入口和排氣口

注膠口和出膠口的位置是RTM模具設(shè)計(jì)工作需要最早確定的設(shè)計(jì)參數(shù)。不同的注膠口和出膠口位置選擇會(huì)直接影響樹脂的填充路徑、總的填充時(shí)間、填充過程中樹脂在腔體內(nèi)的壓力分布、樹脂前鋒流動(dòng)速度、樹脂損失量等，進(jìn)而決定制品是否可能存在氣泡、干斑的分布和數(shù)量等缺陷水平。不合理的注/出膠口選擇甚至可能導(dǎo)致樹脂無法充滿等情況。

在模具設(shè)計(jì)之初采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)模擬在不同的注/出膠口方案中樹脂在型腔內(nèi)的填充過程，就可以提前預(yù)測樹脂能否填滿整個(gè)型腔，總的注塑時(shí)間是否合理，以及樹脂損失量等，從而減少試模次數(shù)和盡可能避免模具的重新設(shè)計(jì)。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的復(fù)合材料構(gòu)件，諸如蒙皮加筋結(jié)構(gòu)的一次成型，往往需要多個(gè)注膠口和多個(gè)出膠口通過相應(yīng)的開關(guān)進(jìn)程控制來實(shí)現(xiàn)充分的填充。此時(shí)，即便采用了相同的注膠口/出膠口分布方案，注/出膠口的開關(guān)歷程不同，填充情況也會(huì)截然不同。

使用PAM-RTM樹脂注射工藝仿真軟件，可以通過設(shè)置與相應(yīng)傳感器相關(guān)聯(lián)的控制開關(guān)來控制各膠口的開關(guān)狀態(tài)。從而模擬在各種開關(guān)歷程中，樹脂的注塑情況，從而快速高效地得到較為合理的樹脂注塑方案。通常RTM模具設(shè)計(jì)時(shí)注/出膠口設(shè)于上模，對于幾何形狀較規(guī)則的模具注膠口設(shè)置在其幾何中心，不規(guī)則的模具注膠口一般位于模具注射狀態(tài)下制件的最底端，出膠口一般安放在制品的最高點(diǎn)以及不利于排氣的位置。

6 結(jié)束語

隨著技術(shù)的快速發(fā)展，復(fù)合材料制品向著尺寸更大、更厚，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，一體化程度要求更高等特點(diǎn)，而做為復(fù)合材料制造過程中的關(guān)鍵技術(shù)的模具設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)水平的高低則直接影響著RTM制品的成本、質(zhì)量和性能，RTM模具設(shè)計(jì)也正面臨著新一輪的挑戰(zhàn)。在經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展過程中，對模具的設(shè)計(jì)和制造水平有了更高的要求，這就需要模具設(shè)計(jì)中在綜合考慮各種因素的影響，從而使模具設(shè)計(jì)更適宜制品的需求。