復合材料成型模具的設計

袁楠

摘要：復合材料成型模具是復合材料生產不可缺少的組成部分，并且復合材料模具設計與復合材料成形工藝有很大關系，針對不同的復合材料工藝，復合材料所用的樹脂，模具的設計方法均有所不同，本文簡要介紹了復合材料成形工藝，深入闡述了模壓成型工藝的復合材料模具設計方法。

關鍵詞：復合材料;模具;設計

0 ?引言

復合材料是由兩種以上的材料復合而成的一種新型材料，目前最常用的復合材料為樹脂基碳纖維、玻璃纖維復合材料，其具有比強度、比剛度高，抗疲勞性好的特點，在設計方面，復合材料的可設計強非常強，可以設計成復雜的形狀和更大整理零件，例如，A380客機的機身尾段成立框尺寸6.2×5.5×1.6m，就是采用FRI成型的整體部件[1]。目前各發達國家的飛機中，機翼蒙皮、機身、垂尾、副翼、雷達罩、翼肋等主承力構件都已經使用復合材料，大量使用復合材料替換鋁合金蒙皮，減少飛機的零部件數量，減少飛機的連接件，從而有效降低天線重量，提高了飛機結構整體的可靠性。隨著復合材料制造成本的不斷下降，自動鋪貼技術的快速發展，民用飛機也越來越多的使用復合材料，如圖1所示，波音787和空客A350飛機復合材料用量都已達到機體結構重量的50%。目前無人機市場發展迅速，主要得益于飛控技術和復合材料技術的快速發展。

1 ?復合材料模具的成形工藝

復合材料模具主要是用來方便復材鋪貼、固化的模具，所以它的設計方法與復合材料成形工藝有關。目前復合材料的成型方法已有多種多樣，應用最廣的成形方法有四大類有：

1.1 濕法鋪層成型法

濕法鋪層成型法，是最早使用的方法。其特點是以模具為零件的陽模，先將增強纖維浸清樹脂，后用手工或簡單工具鋪放纖維材料，鋪貼質量完全有工人技術決定，成形時只施加較低表面壓力，再通過常溫進行固化，脫模后再經過輔助加工而獲得制品。這種工藝手法簡單，成本較低，但制作的復合材料內部缺陷較多，材料含膠量不均勻，質量水平較低。再此基礎上又衍生出了噴射成型工藝：利用噴槍代替人工，施加表面壓力，減少材料缺陷。這種工藝模具要求簡單，只要模具有陽模形狀，即可加工。

1.2 樹脂傳遞模塑成型技術（RTM技術）

RTM技術的基本原理是將玻璃纖維增強材料鋪放到閉模的模腔內，用壓力將樹脂膠液注入模腔，浸透玻纖增強材料，然后固化，脫模成型制品。該工藝制作出來的制品強度高、表面質量好，但一般含膠量偏高，且對模具溫度和樹脂的流動性要求較高，適合大規模的生產。該工藝是目前發展最快的成型工藝，隨著自動鋪貼技術的發展，已經在航空領域得到廣泛的應用。這種工藝要求模具復雜，精度高，且內部需形成密封結構，并需合理的設計進膠口和出膠口。

1.3 熱壓罐成型技術

熱壓罐法成型工藝。其成型過程是用手工鋪疊方式，將增強材料和樹脂（含預浸材料）按設計方向和順序逐層鋪放到模具上，達到規定厚度后，經加壓、加熱、固化、脫模、修整而獲得制品。與手糊成型工藝的區別僅在于加壓固化這道工序。因此，它們只是手糊成型工藝的改進，成品零件的含膠量適中，材料缺陷少，強度高，但這種改進需要大型的熱壓罐設備進行加壓，生產成品偏高。對模具的要求較簡單，只需要陽模即可。

1.4 模壓成型工藝

模壓成型工藝是復合材料生產中一種傳統的成型方法。它是將一定量的預浸料加入金屬對模內，經加熱、加壓固化成型的方法。它具有：產品尺寸精度高，表面光潔，無需二次修飾，能一次成型結構復雜的制品等特點。對于模具的要求適中，特別適合小批量生產。

2 ?模壓成形工藝模具設計

機載天線多為刀形復雜外形，成形方法多為模壓成形工藝。針對該類復合材料模具設計主要是設計罩體的陽模和陰模，并充分考慮模具壓型方式和脫模方式。所以設計主要分為陽模設計、陰模設計、壓型設計、脫模設計。

2.1 陽模、陰模設計

如圖2所示，由于模壓成形工藝的特點，決定的復合材料的外形尺寸精度由模具的陰陽模尺寸所決定，所以天線的陰模一般為天線的外形尺寸，天線的陽模一般為天線的內形尺寸。但對于較大的復合材料，還需要考慮模具的收縮率，這時陰陽模的外形尺寸就要做適當的調成。陰陽模的合模表面對粗糙度要求是非常高的，表面的粗糙度不僅決定了復合材料的表面質量，而且高的表面粗糙度有利于復合材料的脫模，對后續工序有很大的影響。天線底部開口處要做一定的工藝加長，這是因為復合材料開口處有多余的材料溢出，導致復合材料底部出現缺陷，一般在復合材料成形后將底部多余的材料去除。

2.2 壓形設計

復合材料合模時需要一定的壓力，保證復合材料致密和復合材料壁厚。所以一般在復合材料底部設置螺釘或臺階，方便于模具的壓緊。如圖3所示，為模具結構圖，陰模側面的四個加緊螺栓和陽模底部的上緊螺栓都是起到將模具合緊的作用。同時陰模的合模區平面度也要提高，這樣做出來的復合材料接縫較小，提高了罩體質量。

2.3 模設計

由于復合材料比較復雜，且成形后罩體材料表面有一定的壓緊力和粘接力，所以模具還必須具有脫模能力。陽模的脫模一般較困難，通常的做法是在陽模底部設計檔料板，陽?？梢匝貦n料板上下移動，脫模時通過檔料板固定復合材料，陽模通過退料螺栓退出。陰模的脫模方式是通過將陰模分割成兩部分，如圖中的左陰模和右陰模，通過翹口陰模松開。

3 ?模具的一般要求

3.1 模具的材料

由于鋁材和復合材料之間會有一定的電化學反應，且鋁模的耐磨性不好，所以一般的模具采用調質45#或硬度更高的材料。

3.2 模具的硬度

復合材料的材料一般為玻璃纖維布，該材料具有很好的耐磨性，所以模具表面的硬度決定了模具的使用壽命。

3.3 流膠槽的設計

復合材料在成形時，材料中的多余膠會從模具中流出，如果無法流出會影響復合材料的質量，所以在陰模側面設計排膠孔，通過導流槽流出。

3.4 模具重量的控制

隨著天線的尺寸越來越大，復合材料模具重量不斷上升，現有最重的罩體模具重約100kg，對工人的勞動強度造成了一定的影響。在合模時，模具的重心偏移較多，也會使模具的成形是，復合材料壁厚出現不均勻的現象。

參考文獻：

[1]陳紹杰.淺談空客A380的復合材料應用[J].高科技纖維與應用，2008（04）：6-9，29.

[2]楊乃賓，梁偉.大飛機復合材料結構設計導論[M].北京：航空工業出版社，2006.

[3]沈觀林，胡更開.復合材料力學[M].北京：清華大學出版社，2006：11-12.

[4]牛春勻（美）.實用飛機復合材料結構設計與制造[M].程小全，張紀奎譯.北京：航空工業出版社，2010.