基于先進技術的復合材料構件成型模具及其工裝技術研究

唐久昌

（億柏國際供應鏈管理（深圳）有限公司，廣東 深圳 518000）

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基于先進技術的復合材料構件成型模具及其工裝技術研究

唐久昌

（億柏國際供應鏈管理（深圳）有限公司，廣東 深圳 518000）

摘 要：與一般的航空結構材料相比，在先進復合材料構件成型的過程中，必須要加熱、加壓、抽真空，材料成型以及構件成型需要在同一個時間完成。它的形位精度要想得到保證，這將離不開相應的工裝以及模具。市場的變化和航空行業的發展促進了先進復合材料需要不斷改善性能和質量，降低成本。因此，研究基于先進技術的復合材料構件成型模具及其工裝技術有十分重要的意義，因為它有助于更加高效地使用先進復合材料。

關鍵詞：基于先進技術的復合材料；構件成型模具；工裝技術

隨著經濟的發展和科技的進步，我國出現了越來越多的復合材料，現階段在現代飛機領域，復合材料的使用量在不斷增加，已經成為較為常用的航空結構材料，與鈦合金材料、鋁合金材料、合金鋼材料均處于同等重要的位置。在A380中復合材料的使用量在總重量中所占的比重已達到25%，在B787中復合材料的使用量在總重量中所占的比重已達到50%，而在A350XWB結構中的用量最多，大約為52%。新階段，先進復合材料仍舊最受航空航天企業的青睞，玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、硼纖維等都屬于先進復合材料。

一、基于先進技術的復合材料構件成型模具的類型

先進復合材料構件成型的工藝方法有很多，與此相對，模具的結構形式也有很多，先進復合材料構件成型模具有以下幾種類型：

（一）框架式的模具

為了提高復合材料構件成型模具整體以及局部的剛度，提高模具分型面加熱的效率，最大限度地減少模具變形的可能性，設計制造模具骨架的時候可以考慮隔柵結構。

圖1是框架式模具。

（二）組合式的模具

組合式模具的制造材料一般為金屬，它主要用于4種情況：一是壓機成型；二是模壓成型；三是樹脂傳遞模塑成型；四是注射模成型。組合模的組成結構是兩個半模，它的分布方式是上下分布，通過模具的上壓盤和下壓盤能夠進行加熱，上、下壓盤加熱的方式主要是傳導加熱，此外，周圍的熱源同樣能夠給模具進行加熱，另外，組合模具中有內置加熱系統，利用該系統也能進行加熱。液態成型技術包括3個不同的種類：一是樹脂轉移模塑；二是真空輔助成型；三是樹脂模溶滲成型。其中，樹脂轉移模塑結構能夠被分成3個部分，這3個部分分別是型體和兩個端蓋。有些制品的形狀較復雜、尺寸較大，對于這部分制品可以進一步分割組合其型體部分，分型面制作凸舌以及凹溝，還要在兩個端蓋所處的地方設置注射口以及排氣口，還應關注樹脂分流道。圖2是組合式模具。

（三）拉擠成型模具與擠壓成型模具

拉擠成型模具與擠壓成型模具統稱為連續成型模具。將浸有樹脂的纖維通過某種特定的加熱口模擠出其中多余的樹脂，這個過程就是擠壓加工的具體過程，在牽引的條件下固化。連續擠壓過程包括多個過程，它的成型模具是組合式的，由多個運動部件形成。第一步，對位于模具中的多層熱塑性帶加熱同時壓成層合板；第二步，將壓好的層合板壓入成型的模具同時加熱，壓成滿足要求的截面型材，最后利用連續壓模把型材壓成需要的彎曲形狀，利用這種方式能夠成型彎曲或者扭轉以及變截面的型材，這種成型工藝是新型成型工藝。

二、基于先進技術的復合材料構件成型模具的設計方法研究

制造復合材料的構件離不開模具，在該行業中，模具是相當常見的工藝裝備之一，因為它可以對制件的形狀、結構關系、控制外緣進行確定，進而確保表面的質量。復合材料的聚合固化需要在模具上進行，有的時候還應在成型的模具上鋪疊預浸料，復合材料構件質量的高低在很大程度上受到模具設計制造的影響。

通過分析復合材料構件成型模具的材料，我們可以把它分成不同的兩類為，其一是金屬模；另一類是復合材料模，它們的結構和工藝比較特殊。當前，因為計算機技術的飛速發展，CAD技術被廣泛運用，越來越多的復合材料構件成型模具設計會考慮數字化的設計方式。為了提升設計的效率，很多航空航天企業對于經常使用的結構會考慮模塊化設計以及參數化設計。

與常規的鈑金成型模具進行對比能夠發現，對于累積公差，先進復合材料有更加嚴格的要求。模具與零件兩者貼合面不同的尺寸取決于模具的類型以及它熱膨脹的特點；基體在最高固化溫度基礎上的尺寸與先進復合材料最終的尺寸一致。

設計人員在設計先進復合材料構件成型模具時，應當著重考慮熱匹配的問題，原因是鋼和鋁的熱膨脹系數通常比碳和石墨的復合材料高，高出的系數在一個數量級左右，當它從固化峰值的溫度逐漸往下冷卻時，金屬模具會出現一定程度地收縮，這種變化在構件中會引起參與應變或者固有應變。設計模具的時候，設計人員如果做到及時修正尺寸，就應當選擇熱膨脹系數不高的材料模具，一般情況下，會使用熱膨脹補償的方式，參照經驗公式以及試驗驗證，把制作質心當作中心，按照特定的公式，設計人員把整個制作縮小，工程設計的輸入遵循縮小之后的制作。

另外，設計人員還可能會遇到角度回彈的問題，對于這類問題，設計人員在設計的時候，應當提前考慮回彈角，即模具的角度為制件夾角和回彈角的和，這樣做使得制件脫?；貜椫笈c工藝數模的要求相符。這樣做能夠達到制件脫模回彈之后和工藝數模的要求兩者相符。對于某些比較復雜的制件，對模具結構的剛度、溫度場的分布狀況、熱膨脹等效果開展模擬分析的時候，可以選擇CAE技術，進而提供科學的參考依據用于模具溫度補償、回彈修正設計等。

三、基于先進技術的復合材料構件成型模具工裝技術研究

近幾年，先進復合材料表現出結構尺度變大、形狀更加復雜的特點，這就給構件的制造提出了縮短周期，降低成本的要求。為了適應這種變化，先進復合材料構件成型工裝方面表現出柔性化的趨勢。

柔性工裝的基礎是先進的工裝制造理念以及靈活性高的工裝設計，這類工裝與幾何形狀相似，通過先進的理念和制造技術在剛性工裝技術的前提下，對工裝型腔或成型表面開展迅速地再次利用、組合、加工。近年來，國外產生了SPT技術并得到了較快的發展，這種技術是利用組合或者細桿來對分型面的高度進行調節，這種方式能夠低成本、迅速地制造相同類型的相似工裝。柔性工裝的理念與技術能夠用在對復合材料構件制造的定位以及固化之后數據庫中對材料的性能以及力學性能的表達。

這個數據庫中對力學性能的表達能夠分成5個不同的層次。5個層次的內容如下：

第一個層次包括對復合材料體系的力學性能的匯總，其中包含材料的篩選、取證、驗收等基本信息，還包括對先進復合材料體系的力學性能的全面匯總；

第二個層次為匯總單個測試項目的多批次的力學性能，用表格的方式進行表達。其中，單個測試項目力學性能涉及多種統計的表達，譬如0度拉伸的強度包括最大值和最小值、離散的系數、平均值、分布的形式等；

第三個層次為每個批次的單個測試項目的力學性能，它的表達方式是表格的形式；

第四個層次為試驗結束之后統計分析試驗的數據，然后將這些數據錄入到EXCEL表格，進行細致的匯總；

第五個層次為試驗結束之后，數據采集系統采集到的與單個試驗件有關的原始數據。

結語

先進復合材料屬于新型材料，與普通的材料相比，它具有許多優點，譬如強度高、剛性高、具有較強的抗疲勞性和抗腐蝕性，航空航天企業中已經大范圍地使用先進復合材料。市場推動了先進復合材料構件成型模具和工裝技術的不斷創新，為了盡可能減少加工迭代造成的不利影響，將來會深入研究檢測成型曲面質量的方法。在充分考慮形狀特征、工件大小、不同的工藝等因素的基礎上，積極探索先進復合材料構件成型模具和工裝技術，提高技術水平，為先進復合材料的發展提供有力的技術保障。

參考文獻

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中圖分類號：TP391

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