復合材料多筋角盒模壓成型模具設計技術研究

蘇慶云,張夏明,周占偉,董本興,陳雪婷,尉世厚，劉洪新

(北京衛星制造廠有限公司，北京 100094)

0 前言

角盒可以看做是由底板和2～3塊側板組成的板殼結構。現代工程結構中廣泛采用板殼結構[1]，由于板和殼的厚度比它們的直徑或長度、寬度小的多，由板和殼組成的結構和設備具有重量輕、節省材料和易于制造等優點，因此板和殼廣泛應用于航天航空飛行器，船舶、潛艇、橋梁和建筑結構，石油和石油化工工業所用的壓力容器、管道、儲運設備、反應塔和熱交換設備，以及原子能工業的反應堆等[2]。過去角盒都使用金屬材質[3]，然而隨著復合材料行業的快速發展，復合材料憑借其比強度高、密度小、耐腐蝕等優點，可能逐漸取代金屬角盒，成為現代工業運用的一個更優選擇[4-5]。

復合材料角盒優勢明顯，但目前采用傳統的成型方法制備角盒仍存在一些問題。第一，復合材料角盒壁厚一般幾個毫米，采用真空袋-熱壓罐成型技術很難加壓到位。第二，采用一般的模具設計很難實現板和筋同時加壓到位。第三，傳統的角盒成型方式一般采用軟硬結合的模具，軟模不能很好地保證產品外形，會給后期裝配使用造成一定的困難。

本文通過分析復合材料多筋角盒的結構、模壓模具的結構和精度以及軟硬結合模具的缺陷，依據模壓成型工藝提出了一種可用于復合材料多筋角盒的模壓模具。

1 復合材料多筋角盒成型模壓模具設計

復合材料多筋角盒成型涉及多方面的工藝技術，包括模具設計與制造技術、角盒鋪層設計、成型工藝參數優化等。其中，模具結構的設計和尺寸精度的控制是影響模壓制品最終質量精度和成型效率的重要因素[6]。由于復合材料多筋角盒為多面體結構(圖1)，模壓過程中會受到各個方向不同程度力的作用，所以模壓模具結構設計與角盒鋪層設計的合理性尤為重要。本次研究的復合材料多筋角盒成型模具設計主要分為多筋角盒整體結構分析、模具結構的分析與設計、模具結構的比較分析、尺寸精度分析及多筋角盒模壓模具的制造與成型。

圖1 復合材料多筋角盒模型

1.1 多筋角盒整體結構分析

本次研究中，復合材料多筋角盒的外形尺寸分別為90 mm、100 mm、120 mm，外形壁厚5 mm，筋厚6 mm(圖2)。多筋角盒模壓工藝采用碳纖維預浸布鋪制成型，需要保證鋪層過程的對稱性設計，以保證產品成型后各面平整無應力。通過分析可以看出，該復合材料多筋角盒具有以下特征：

圖2 多筋角盒產品尺寸標注圖

(1)產品外形尺寸相對較小，可以多個角盒共同成型。

(2)產品被“筋”分割成了多個區域，成型過程中存在多腔加壓的問題。

1.2 模具結構的比較分析

對于復合材料多筋角盒來說，模具設計方面主要有兩大類型。熱壓罐成型的模具設計方式是筋的作用兩側模具軟硬結合，硬模來保證尺寸、軟模來膨脹加壓。這種方法成型的產品一方面軟模側尺寸無法保證、平面度較差，影響后續的使用，另一方面，軟模膨脹加壓，成型過程壓力不可控制，會一定程度影響產品的力學強度。而此次所研究設計的模具一次可成型兩件甚至更多件產品，既保證了尺寸精度，又可以控制成型過程的加壓壓力。

1.3 模具結構的設計

1.3.1 模具結構的總體設計

模具的設計應充分考慮現有的設備條件、工藝性及可操作性等因素。本次成型產品選用的壓機，下壓板固定不動，上壓板可在豎直方向上下移動。產品成型時將產品坯件與模具整體裝配好放置于下壓板上，上壓板下移作用在模具上蓋。考慮到上蓋的運動只能給多筋角盒的兩個外形面加壓，故采用端部設置有角度楔形塊的方式，如圖3所示。產品成型模具主要包括上蓋、下模、鋪層塊、楔形塊四部分。上壓板下降時通過模具上蓋與楔形塊的配合關系帶動楔形塊作用于“筋”上，從而為“筋”提供模壓的壓力；產品固化后脫模時，卸掉上蓋后，通過先拆除楔形塊完成產品脫模。

圖3 多筋角盒成型模具模型

1.3.2 模具的型腔設計

通常情況下復合材料模壓模具結構由上、下模組成，但此次研究的多筋角盒采用簡單的陰陽模很難實現多筋的鋪制。通過分析將下模分成兩部分，一部分起容納產品的作用-下模，另一部分用來鋪制產品-鋪層塊。設置多個鋪層塊分別鋪層，然后將鋪層塊通過螺栓和螺母連接再進行整體鋪層。通過該設計成功地解決了模壓成型鋪制多筋難的問題。為了提高生產效率，此次設計的模具可一次成型兩件產品。此外，通過變化鋪層模的角度，該方法可成型不同θ角的多筋角盒。鋪層塊的模型如圖4所示。

圖4 鋪層塊的模型圖

1.3.3 模具的脫模裝置設置

產品固化時模具封閉為一個整體，內部產品與鋪層塊交錯在一起，因此模具設計時必須有充分的脫模裝置，才能保證順利脫模。脫模裝置主要體現在以下四處：

(1)上模與下模交錯，脫模時可借助模壓機反向作用實現上蓋脫模。

(2)楔形塊設置螺紋孔，脫掉上蓋后，再拔掉楔形塊。

(3)鋪層塊底部與下模底部配套設置開槽，用于鋪層塊與下模的分離。

(4)端頭脫模塊設置螺紋孔，用于鋪層塊的拆分。

1.4 模壓模具的制造與成型

本次研究設計的模壓模具要求較高，不僅要開模及合模時具有很好的裝配精度，還需要模具有足夠的剛度和強度可長期反復使用。所以，一方面采用熱處理提高模具的剛度和強度，改變其表面的金屬組織結構，依此來獲得較好的耐磨性和硬度；另一方面，對模具進行發黑處理，以增強其耐腐蝕性能，進而達到更好的表面質量。

2 鋪層分析

在復合材料多筋角盒模壓成型過程中，預浸布鋪貼過程也是影響產品質量的關鍵工序。本次研究主要通過分析產品的結構特點，充分保證產品每個面的對稱鋪層。實際鋪層中，三面接觸處通過精確的計算準確加捻，可有效地保證產品的成型質量。此外，產品成型后還需要機加外形、打孔。為了提高產品的機加性能，還在產品外表面加貼一層碳纖維編織布預浸料。

3 尺寸精度分析

復合材料多筋角盒主要用于產品與產品之間的裝配連接，對外形尺寸要求較高。對本模具壓制的3件產品進行數據測試，得到表中所示的數據測試結果。

3件產品測試數據

4 結論

復合材料多筋角盒具有比強度高、密度小、耐腐蝕等優點，具有廣泛的應用。本文主要從產品整體結構分析、模具設計、制造技術、鋪層分析等方面研究了復合材料多筋角盒的模壓成型工藝。針對產品多個型面的問題設計了可拆卸組合的鋪層塊，同時通過設計楔形塊保證了產品筋面的加壓。此外，通過模壓模具的整體脫模設計，保證產品的順利脫模。該套模具成功地保證了產品的成型質量，極大地提高了產品的生產效率。