先進復合材料構件成型模具和工裝技術發展趨勢

孫海軍

哈爾濱新科銳迪佩克機械制造有限公司 黑龍江哈爾濱 150069

飛機工藝裝備是飛機制造和裝配方面應用到的專用設備，在飛機的生產中有著十分重要的作用。近年來，各種先進科學技術的不斷發展，在飛機的裝配方面，各種先進的復合材料被應用到其中，有玻璃纖維、碳纖維等的復合材料，復合材料構件成型需要加熱、加壓等一系列工藝，才能夠確保構件的完成，在精度方面需要依靠模具和工裝完成。在市場上對先進復合材料的應用，需要充分確保復合材料的產品質量、性能等的不斷提高，進一步促進復合材料工藝技術的創新發展。

1 模具和工裝設計技術

在當前科學技術的快速發展中，復合材料成型模具和工裝設計方面開始應用到數字化的設計技術，常用的結構則采用模塊化和參數化進行設計，有效提高設計的效率。在針對復合模具的設計過程中，設計要求更加嚴格，而且模具與零件貼合面的尺寸差異需要根據模具的類型和熱膨脹性進行分析。在對模具進行設計時，需要首先考慮到熱匹配問題，其中鋼和鋁的熱膨脹系數比傳統的復合材料大出一個數量級，當固化峰值溫度開始冷卻時，金屬模具發生收縮，在構件中會有比較嚴重的殘余應變[1]。在對模具進行設計的過程中，如果在尺寸方面不能修正，則需要應用到熱膨脹系數較低的一些復合材料模具。針對復雜制件的制作，通常采用的是CAE技術模擬分析模具和工裝的結構剛度，針對模具的溫度補償提供相應依據。

2 模具和工裝結構形式的設計

復合材料成型的工藝方法比較多，相關的模具結構形式也多種多樣，其主要的形式有以下幾類：①框架式模具，為了提高模具型面的加熱效率，防止模具的變形，需要在模具的設計方面，做好模具局部和整體剛度的設計，通過采用格柵結構，將模具的骨架設計出來。②組合式模具的設計，針對組合式模具的設計，通常采用的是金屬制造，通常作為壓機成型和模壓成型的設計，組合模是由上下2個半模組成，模具的上下壓盤通過傳導加熱，或者是利用周圍的熱源給模具加熱。③自容式模具系統的設計，在模具系統中，加熱和加壓是模具最主要的一部分，選擇的熱源可以是電、熱油，能夠解決熱壓罐中的不足之處，可以作為一些大型零部件設計的材料，而且成本較低，在溫度控制方面的精確度也較高。④易變形模具的設計，易變形模具很容易在物理狀態下發生形狀的變化，其中形狀記憶高分子模就屬于易變形模具，其原始的構件隨著溫度的變化，會發生可逆軟化的情況。

3 模具和工裝材料的選擇

在針對較大曲度構件的設計中，如果設置的模具和復合材料熱膨脹系數不相匹配，會使復合材料結構的整體精度降低。在對大型復合模具的設計中，需要充分考慮到模具與制件之間熱膨脹性的一致，通常選用的主要材料有鋁和銅合金等。在對易溶模具的制作中，采用的是易于溶解的材料，通過澆筑法或模壓法制成需要的模具類型，復合材料構件在利用該種模具制作成需要的形狀之后，在開口的位置注入適宜溫度的溶劑，其中選用的芯模材料主要是低溶鹽和石膏。復合材料多采用碳纖維或玻璃纖維制成，模具的熱膨脹系數與成型構件的熱膨脹系數是相匹配的，能夠保證產品的尺寸和精度，模具的整體制造工藝比較復雜，密封性能較差，整體的制造成本也較高。硅橡膠模具是利用硅橡膠受熱膨脹的原理，利用壓力作用在制件上，對制件加壓。低熔點合金模具的種類分很多，有鉛鋅模、秘錫模等，其主要的特點是熔點低、容易制模，美國在20世紀70年代的時候就開始研制復合材料制品的模具，將鋅基合金應用在復合材料成型模具方面，其整體的制造周期短、生產成本低，而且在剛度和強度方面都符合要求，應用在復合材料大型構件中[2]。

4 模具和工裝制造方法的應用

在對模具的制造的過程中，主要采用殷瓦鋼包絡板框架式焊接結構，型面部分根據產品曲率分成若干小塊采用較厚的殷瓦鋼板用數控機床進行型面粗加工，數控加工后再通過焊接成整體型板，整體型板再焊接到用10mm-12mm厚的殷瓦鋼鋼板插接焊接的網格架上進行型面整體數控加工。在制作的過程中，還需要及時解決漏氣問題，防止焊接的部位發生變形，有效確保模具的密封性。目前另有一種熱壓成型法逐步成為復合材料成型模具的主流，因為這種方法解決了不用使用價格昂貴的殷瓦鋼、型板不用反復數控加工、并且解決了型板拼焊漏氣問題。這種方法的特點是型板更換為國內某種常規板材用中頻感應爐加熱后，使用模具在壓力機上壓制成型。成型后的型板再焊接再到用10mm-12mm厚的Q235-A.F鋼板插接焊接的網格架上進行型面整體數控加工。加工后進行后續工序，直到真空試漏測試合格后，模具便可以交付使用。非金屬模具的制作通常采用多工步完成，在利用復合材料制作模具時，需要遵從以下步驟：首先采用石膏制作基準模型，進行數控加工；然后在基準模型上增加塑膠層，在塑膠面石膏模上鋪設碳纖維編織布，采用熱壓罐壓技術生產出需要的模具。有關金屬噴涂模具的制造，在外層含有一層熱噴涂金屬殼，主要采用的是低成本材料作為支撐，包括木材、石膏等，當這些模具處于簡單的液壓或氣壓條件下可以整體加熱，在一定程度上提高了生產效率，降低了能耗成本。針對RTM模具的制作，則是采用數控加工技術，模具型腔表面的光潔度越高，產品表面的質量就會越好，產品的脫模也比較容易，但是加工費用會有所提高[3]。

5 結語

綜上所述，我國近年來先進復合材料構件成型模具和工裝技術的應用越來越廣泛，相關的模具結構已經被大范圍應用，同時相關的碳泡沫、形狀記憶高分子材料等模具的制造技術已經成熟，實際的應用范圍和成熟度已經不能滿足生產需求，需要加大其研發的力度，有效提高復合材料模具的工裝技術水平，為制造提供基礎的技術支持和保障。