基于聚氨酯樹脂基復(fù)合材料的新型拉形模具

■ 航空工業(yè)哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 （黑龍江 150060） 李海鳳

■ 北京中航智科技有限公司 （101149） 何永亮

工程技術(shù)部工程師 李海鳳

在飛機(jī)蒙皮類零件生產(chǎn)中，拉形模具主要用于生產(chǎn)表面積大、厚度薄以及表面質(zhì)量要求高的雙曲度零件。適用于拉形成形的零件一般具有以下特點(diǎn)：表面質(zhì)量要求高、外形準(zhǔn)確度高、形狀復(fù)雜以及尺寸大。隨著飛機(jī)型號(hào)大型化的研制需求，傳統(tǒng)模具或重達(dá)數(shù)噸，且制造成本高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)，因此拉形模具的結(jié)構(gòu)形式及模具性能也在不斷創(chuàng)新。本文對(duì)目前航空制造中所應(yīng)用的典型拉形模具進(jìn)行綜合闡述，著重介紹一款已通過生產(chǎn)研制驗(yàn)證的基于復(fù)合材料的新型拉形模具結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行綜合對(duì)比分析。

1. 傳統(tǒng)拉形模具結(jié)構(gòu)

拉形模具的典型結(jié)構(gòu)為：木框或竹膠板框環(huán)氧膠砂模、金屬骨架環(huán)氧塑料模和金屬模。幾種典型結(jié)構(gòu)的適用性及優(yōu)缺點(diǎn)如附表所示。

2. 聚氨酯樹脂基復(fù)合材料拉形模結(jié)構(gòu)

聚氨酯樹脂基復(fù)合材料拉形模具是一種將聚氨酯樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用于拉形模的新結(jié)構(gòu)形式，主要有兩種結(jié)構(gòu)：一種是以金屬材料（鑄鋼、鑄鋁）為模體基體，以聚氨酯復(fù)合材料為模體型面的金屬復(fù)合材料模具；另一種是將拉形模具模體在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，模具基體和型面都采用聚氨酯樹脂基復(fù)合材料的全復(fù)合材料模具。模體結(jié)構(gòu)如附圖所示。

模體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

傳統(tǒng)拉形模具比較

（1）金屬-聚氨酯樹脂基復(fù)合材料拉形模：由于金屬材料與聚氨酯樹脂基復(fù)合材料具有不同的熱膨脹系數(shù)（鋼為12×10-6K-1；鋁為20×10-6K-1；樹脂為40×10-6～50×10-6K-1），使得模具在溫差變化較大時(shí)，出現(xiàn)表面聚氨酯樹脂基復(fù)合材料層與金屬材料基體起層脫落現(xiàn)象，造成模具質(zhì)量事故。因此金屬復(fù)合材料拉形模制造的關(guān)鍵在于如何使聚氨酯樹脂基復(fù)合材料與金屬材料很好地結(jié)合。解決辦法是在金屬與聚氨酯樹脂基復(fù)合材料層之間增加一層30mm以上厚度的過渡材料。要求該材料具有很好的浸漬性和柔性，能夠抵消變形差值，具備抗撕裂效果。

實(shí)踐證明，如果拉形表面聚氨酯樹脂基復(fù)合材料厚度過低，在環(huán)境溫度變化較大或模具受到磕碰時(shí)，極易造成表面開裂或起層，建議表面層厚度為60mm。

金屬－聚氨酯樹脂基復(fù)合材料拉形模具的優(yōu)點(diǎn)是可重復(fù)利用舊金屬胎改制，大幅降低成本。存在的問題是無法根本解決起層開裂問題，對(duì)模具存放環(huán)境溫度要求高（18～30℃），模具不能磕碰。

（2）全聚氨酯樹脂基復(fù)合材料拉形模：拉形模具模體型面選用具有易數(shù)控加工、自潤(rùn)滑、強(qiáng)度高和韌性好等優(yōu)點(diǎn)的聚氨酯樹脂基復(fù)合材料。拉形型面的厚度取決于拉形面積的大小，拉形面積越大，曲向剪切力越大。拉形面積1m2以內(nèi)，厚度可設(shè)計(jì)50mm，厚度隨拉形面積增加應(yīng)適當(dāng)增加，每平方米可按20%～30%幅度加厚，以防止變形斷裂現(xiàn)象發(fā)生。但在實(shí)際加工中，由于熔接損失及加工余量，坯料厚度往往會(huì)超過60mm。

模體基體應(yīng)選用同系列的聚氨酯樹脂基復(fù)合材料，使表面材料和基體材料能夠很好地結(jié)合，保持較好的模具一致性，使在溫差變化大、振動(dòng)及磕碰等情況下，不出現(xiàn)斷裂、起層等現(xiàn)象。模體基體可鏤空制作，進(jìn)一步使結(jié)構(gòu)輕量化，與金屬模具相比較會(huì)輕很多。基體視結(jié)構(gòu)可適當(dāng)增加鏤空空間，鏤空空間大小的確定以不影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度為準(zhǔn)則。

全聚氨酯樹脂基復(fù)合材料拉形模的優(yōu)點(diǎn)是制造周期短，無開裂起層現(xiàn)象，對(duì)存放環(huán)境要求低，改型方便（可循環(huán)利用），造價(jià)與鋁基體拉形模具相當(dāng)。

3. 結(jié)語

與傳統(tǒng)模具相比，聚氨酯樹脂基復(fù)合材料拉形模具有制造周期短、成本低及性能高等特點(diǎn)，具體表現(xiàn)如下。

在產(chǎn)品質(zhì)量上：①該新型模具表面數(shù)控加工后光滑無氣孔，同時(shí)具備自潤(rùn)滑功能，成件質(zhì)量高。②出色的抗變形特征，有效提高零件質(zhì)量。

在制造成本上：①常溫下可修復(fù)，模具加工報(bào)廢率為零。②可與鋼胎體、鋁胎體和樹脂砂胎體結(jié)合，可循環(huán)利用。

在生產(chǎn)效率上：①結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化的特性具有傳統(tǒng)金屬模具無可比擬的優(yōu)勢(shì)。②模具加工周期短。

[1] 王海宇. 飛機(jī)鈑金工藝學(xué)[M]. 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2011.

[2] 中國(guó)鍛壓協(xié)會(huì). 航空航天鈑金沖壓件制造技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.