輕量化耐腐蝕復合材料鋪疊模制造技術研究

謝飛舟，劉一凡，許春華，張勇兵

（航空工業成都飛機工業（集團）有限責任公司 技術裝備公司，四川 成都 610092）

0 引言

近年來，高強度、耐高溫和低密度的復合材料在航空領域得到了廣泛應用，現代飛機中含有大量的復合材料結構件，甚至超過飛機總質量的50%[1-3]。

復合材料鋪疊模是成型飛機結構件的重要模具之一，目前常用復合材料結構件的生產工藝為：采用手工將復合材料鋪疊在模具零件上，整體進入熱壓罐，在一定溫度和壓力環境下經過一定時間的固化，脫模后得到復合材料結構件。該類模具制造材料采用Q235A，密度為7.85 g/cm3。目前使用這類模具的過程中主要存在2個問題：①模具質量較重，由于模具零件密度為7.85 g/cm3，雖然采用了減輕孔的設計，但單個模具質量依然達10～30 kg，鋪疊過程不方便，如果模具掉下工作平臺，易發生砸傷事故；②模具表面易生銹，圖1所示為常用鋪疊模的腐蝕情況。為保證成型的復合材料零件的表面質量，該種鋪疊模表面粗糙度要求Ra≤3.2 μm，由于模具零件材料為Q235A，且使用環境較潮濕，使用一段時間后模具零件表面銹蝕，影響工作型面的表面質量，無法生產合格零件，需打磨模具零件表面，耽誤生產進程。

以典型低溫用復合材料鋪疊模為例，針對其質量重、易腐蝕的缺點，選取密度更小的非金屬為結構材料進行模具設計，開展數字化加工技術研究，制造新型低溫用復合材料鋪疊模，以減輕模具質量，避免模具零件腐蝕，延長模具零件使用壽命，減少生產返修的次數，降低工人勞動強度，提高生產效率。

圖1 常用鋪疊模的腐蝕情況

1 模具結構改進

為實現模具的輕量化和耐腐蝕，對于低溫下使用的鋪疊模，其使用溫度不超過80℃，選擇G48工程塑料（俗稱可切削塑料）作為該類鋪疊模的結構材料。該材料為PUR體系，由3種物質混合而成：①樹脂A：BiresinG48，多元醇，不透明；②固化劑B：BiresinG55，MDI異類氰酸酯，無色；③填料C：氫氧化鋁粉末，白色，粒徑0～φ0.032 mm。材料耐受最高溫度為90℃，因其具有良好的表面質量、強度高、可加工性強等優點而在飛機蒙皮拉形模上廣泛使用[4,5]。該工程塑料是一種非金屬材料，不會出現腐蝕現象，其物理參數如表1所示。

表1 G48工程塑料的物理參數

以典型的鋪疊模為例，該模具由上述工程塑料G48制造而成，對其結構進行改進，圖2所示為鋪疊模結構改進方案。

圖2 G48鋪疊模改進方案

新型鋪疊模的主體部分與原結構一致，為模體1與模體2，上下完全對稱，上面刻有零件位置線和余量位置線。由于采用G48工程塑料，其強度低于Q235A，為保證模具零件的使用強度，取消原先減輕孔的設計，保證模體1和模體2為實心結構。為保證模具結構的穩定性，原結構左、右兩端的耳片增厚10 mm，并在耳片銷孔處增加固定襯套，模具共有4處需用到固定襯套。

2 模具制造過程

采用G48工程塑料制造新型復合材料鋪疊模的主要工藝流程為：下料→澆注→數控→檢測→標記→終檢。

首先澆注得到毛坯，其澆注流程為：先通過木條樣板和層板制備腔體結構，隨后向型腔中澆注G48工程塑料，G48工程塑料的各組份必須先混合均勻，各成分質量比為：主劑（G48）∶固化劑（G55）∶填料=1∶1∶（1.2～1.5），其中主劑、固化劑為液態，填料為200目以下粉末（主劑、固化劑有效期為開封后70 min以內，應在有效期內使用，且填料應防潮避免結塊）。各組份混合的順序及相應的攪拌時間為：在G48工程塑料主劑中加入填料，用攪拌器攪拌5～6 min，隨后緩慢加入固化劑，沿同一方向勻速攪拌4～5 min，使各組份原料混合均勻后，靜置 10～15 min。靜置之后，將該混合液體澆入事先制備的腔體，從澆口（最低處）緩慢勻速連續倒入，利用G48工程塑料的流淌性使其充滿整個型腔，直到冒口（最高處）冒出為止。待G48工程塑料完全固化后去除封邊層板、圍邊及多余物，型面光順過渡。

隨后對毛坯進行數控加工，數控加工過程中，精銑模體1、模體2上、下平面平行見光。保證臺階尺寸H1＞20 mm，各件的總厚度H2＞90 mm。在數控加工過程中，由于模具零件底面兩端耳片強度較差，應選取切削力較小的數控銑削刀。對于未數控銑削的面進行砂磨至光順，非工作邊R5 mm可以取制木樣板刮光流線。在模具零件上加工2個孔，各孔壓入2×φ10 mm的襯套，應注意在壓合過程中不能過緊，否則容易損壞模體，襯套外表面可通過涂膠幫助緊固。數控加工后刻零件外形位置線和零件余量位置線，保證線條清晰、粗細均勻。G48工程塑料的基本強度滿足刻線的需求。最后，在模具零件做相應的標記。

模具零件數控加工完成后，對鋪疊模型面進行測量，在型面上取數點測量其公差，測量數據如圖3所示，公差范圍為±0.1 mm。由圖3可以看出，型面上所測量的點均在公差范圍內，采用G48工程塑料制造的鋪疊模型面尺寸合格。

圖3 G48工程塑料鋪疊模型面測量數據

圖4所示為G48工程塑料鋪疊模實物，模具整體結構完好無破損。模具零件型面光滑，表面粗糙度滿足使用要求。零件位置線和余量位置線的線條清晰，粗細均勻。襯套壓合緊密，未發生損傷。經測量，模具質量為2.75 kg，若采用材料Q235A制備，則其質量為11.11 kg。經對比，該輕量化模具質量減輕75%，實現了預期模具質量減輕50%的目標。

圖4 G48工程塑料鋪疊模實物

3 模具試用與后續測試

將模具交付客戶進行試用，在模具上進行復合材料鋪疊后進入熱壓罐加熱保溫。保溫加熱工藝：模具使用過程需2次進罐（45±15）℃保溫1 h。由于G48工程塑料耐溫90℃，在工藝規定的溫度和保溫時間后不發生變形，在模具出罐后也未發現有變形的情況。模具現場的使用效果良好，操作人員反映模具輕便好用、脫模方便，滿足使用的強度需求，使用過程中無磕壞碰傷的情況。圖5所示為實際鋪疊效果，黑色部分為在模具型面鋪疊的復合材料層。圖6所示為脫模后的復合材料結構件，經過無損檢測，該結構件合格。

圖5 實際鋪疊效果

圖6 脫模后的復合材料結構件

由于模具采用非金屬G48工程塑料制造，避免了模具的腐蝕情況，消除了模具零件因為腐蝕生銹而出現的返修情況，提高了生產效率。

為檢測后續模具的穩定性，對試用一段時間的G48工程塑料鋪疊模進行測量。圖7所示為測量曲線，模具試用半年后，型面上的點公差為±0.1 mm。數據證明，G48工程塑料鋪疊模具有一定的穩定性，G48工程塑料可以耐受模具使用過程中的溫度和壓力沖擊。

圖7 使用半年后G48工程塑料鋪疊模的型面測量數據

4 結束語

以典型低溫用復合材料鋪疊模為例，針對其使用過程中質量重易腐蝕的特點，選取密度更小的非金屬G48工程塑料作為模具材料。模具設計時取消減輕孔，耳片增厚，并在耳片銷孔處加入固定襯套。隨后開展了G48工程塑料鋪疊模數字化加工技術研究。最后制造的模具質量減輕75%，也避免了模具腐蝕問題，降低了工人勞動強度，延長了模具使用壽命，減少生產返修的次數，提高了生產效率。