探究復合材料Invar模具制造技術

安興華

摘要：本文介紹了復合材料模具的背景與特點，并圍繞復合材料Invar鋼模具的制造加工工藝進行探討與分析，希望能夠從理論層面上為復合材料Invar模具制造技術的發展提供一點支持與指導。

關鍵詞：復合材料；模具；Invar；制造技術

一、概述

復合材料的密度低，強度高，具有較強的可塑性與可設計性，因此在工業模具制造中具有較高的應用價值，并逐漸取代了一些傳統材料，在世界范圍內逐漸得到推廣與發展，這一點在飛機零件制造中十分突出。

在復合材料構件不斷發展的背景下，關于飛機主承力構件的尺寸逐漸增加，這就要求對復合材料成型用模具材料進行改進與優化。在加熱加壓生產條件下，復合材料對基體塑脂高硬化溫度與變化溫度具有比較穩定的性能；在膨脹系數方面，其應與成型復合材料具有一致性；在真空中復合材料還需具有較強的穩固性；復合材料的尺寸應保持相對穩定；復合材料在成本上應具有突出優勢。

現階段，在模具使用中有幾種材料都具有較強的適用性，而作為設計人員必須平衡材料性能，促使模具能夠生產出更高質量的復合材料零件。

現階段，Invar鋼模具有較大的尺寸，想要一次成型存在較大難度，在Inavr連接中，焊接最為常用，例如熔化極氣體保護焊、焊條電弧焊、激光焊以及鎢極氣體保護焊等等。其中氣體保護焊在Invar鋼焊接中的應用比較廣泛，然而這種方法也存在一定的缺陷，即在焊接中缺乏金屬流動性，浸潤效果不甚理想，如果不對焊接技巧加以合理運用，那么就可能出現一些質量問題，例如氣孔、開裂等等，對模具氣密性檢驗與模具表面質量造成影響。因此，必須圍繞Invar鋼材料的焊接缺陷控制工藝進行研究與分析。與此同時，有的焊接結構規模較大，且復雜程度高，對于此類構件，要求嚴格控制焊后形變與殘余應力分布問題。目前我國民用Invar鋼模具焊接制造在很多方面并不成熟，在生產實踐中需要面臨諸多問題，尤其是Invar鋼模具的焊接缺陷與形變控制最為突出。

此外，Invar鋼具有活潑的化學性質，在熱傳導性能方面并不突出，在機械加工的過程中，這種材料具有較強的韌性與塑性，存在嚴重的加工硬化問題，斷屑難度較大，在短時間內會導致接觸面溫度過高且不易散發，而且刀刃上還可能沾上加工中的斷屑，進而影響到刀具使用壽命。但是，Invar鋼材料相對特殊，并且在航空航天等國防領域中有著重要應用價值，現階段關于Invar鋼切削加工的研究與結論并不多，因此，圍繞Invar鋼的切削加工視乎的研究勢在必行，必須針對復合材料制造的綜合技術水平的提升進行分析。

二、復合材料Invar鋼模具的制造加工工藝

（一）Invar鋼焊接工藝

通常情況下，Invar鋼焊接主要采用氣體保護焊工藝，Invar合金液態焊縫金屬缺乏流動性。采用與鋼焊縫金屬一般的增加焊接電流來實現焊縫金屬流動性的改進顯然是這種鎳基合金無法實現的，甚至會產生負面作用，因此，在焊接時需要考慮對電流方式進行控制。

此外，還需保持較短的焊接電弧，并且在焊件厚度的選擇上應優先對坡口形式與坡口角度予以考慮。在焊接時，需要考慮層間溫度控制問題，避免持續高溫作用下熱影響區金屬晶粒粗大問題出現。在焊接速度方面，應以板材厚度為依據進行設計，使溶深、焊縫寬度以及焊縫的致密性得到保障。如果焊接速度不合適，就可能產生相應缺陷，例如氣孔等等。

在打底焊、堆焊以及蓋面焊的過程中，焊縫質量在很大程度上取決于焊接電流，例如打底焊需要對焊接填充材料直徑與焊接間隙予以考慮，基于此來調整電流，才能夠使焊接質量得到保障。

為了控制焊接裂紋，還需要在焊接前清除掉焊件與焊絲表面含硫與含鉛污物，并對裝焊工藝順序進行合理選擇。相較于低碳鋼與低合金鋼焊縫，鎳和鎳基合金對氣孔產生更為敏感，不僅會有氫氣孔產生，也存在一氧化碳氣孔與水蒸汽孔產生的可能。鎳基合金產生氫氣主要是由于在高溫液態表，焊接熔池溶解了大量的氫，在焊接過程中一旦焊絲與焊接表面存在氫源，那么就會溶解大量的氫。在溫度下降時就會降低氫氣溶解度，進而析出氫。受到鎳基合金固溶相溫度間距的影響，熔池缺乏流動性，在冷卻凝固結晶時熔池中往往無法溢出氫氣，進而形成請氣孔的產生。為了使氣孔得到有效控制，在焊前需要交焊絲與焊件表面的污物予以清除。與此同時，根據有無背保護措施的焊接試驗件對比，可以看出在沒有背保護措施的情況下，焊接試驗件背面焊縫凸起，并且存在顯著的背面氧化現象，由此可見，在焊接時需要考慮在打底焊時通過氣體進行背保護。

關于Invar鋼焊接工藝的研究，為了使焊接質量與效率得到提升，需要推動Invar鋼模具焊接生產的自動化發展，并對自動化焊接平臺進行建設。

（二）Invar鋼機械加工工藝

Invar合金具有較高的含鎳量，因此鋼的淬透性與可淬性較高，進而提升了鋼的耐氣性、耐腐蝕性以及耐久性。基于對Invar各方面性能的分析，Invar合金的切削加工性類似于奧氏體不銹鋼，然而相較之下，Invar加工難度更高，因此Invar合金在加工時的特點以大切削力、高切削溫度以及大刀具磨損為主，進而導致軟、粘以及塑形大等現象十分普遍，切屑折斷難度大，切屑與前刀面摩擦增加，使刀具磨損加劇，對刀具耐用度與工件加工精度造成影響，因此在加工Invar合金的過程中，需要優先考慮硬質合金涂層刀具，這種刀具具有優異性能，此外還需要對加工方法加以合理運用。

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