輕質復合材料模具在復雜曲率整流罩零件成型中的應用

成艷娜 張夢雨 龐新強 黨曉麗

摘要：本文針對復雜曲率整流罩零件的專用成型模具，從模具選材、模具結構設計及制造、模具使用驗證等方面展開研究。結果表明，采用輕質碳纖維復合材料框架式模具，可滿足復雜曲率整流罩零件的成型質量要求。本文工裝方案可為整流罩類復雜曲率結構的工裝方案設計提供借鑒。

關鍵詞：復雜曲率;整流罩;復合材料;模具選材

先進復合材料具有輕質、高強、良好的抗疲勞性、耐腐蝕、可設計性強、可整體化制造等優點，在航空產品上得到廣泛應用。隨著國內復合材料制造技術的不斷發展和提高，飛機上出現越來越多的復雜異形復合材料構件，應用部位主要包括：翼身整流罩、滑軌整流罩、進風管道、翼梢小翼等。

復合材料構件的成型是材料與結構同時成型的過程，必須用專門設計和制造的模具同時實現材料的復合過程和構件的成型過程。因此成型模具是構件質量的重要保證，對構件的表面質量、外形尺寸及內部質量起著決定性作用[1]。對復合材料構件成型工裝的通用要求一般包括耐高溫、氣密性好、熱分布優良、高溫不變形、可重復使用，易鋪放、啟模、清理等。隨著復合材料零件結構復雜程度增大，對模具的型面精度、熱分布均勻性、熱膨脹系數匹配度等方面的要求更加嚴格，相應的成型模具設計及制造技術難度大福提升。

翼身整流罩為次承力構件，位于機身與機翼過渡部位，是保證飛機氣動外形的重要零件。某型機翼身整流罩結構，外形尺寸大，曲率復雜，采用碳纖維預浸料手工鋪貼，熱壓罐工藝固化成型。本文針對該類復雜曲率整流罩零件的專用成型模具，從模具選材、模具結構設計及制造、模具使用驗證等方面開展研究，為整流罩類復雜曲率結構的工裝方案設計提供借鑒。

一、模具選材

理想的復合材料成型模具應具備高精度、高剛度、抗高壓、無滲漏、便于使用等特點。模具材料盡可能與構件的熱膨脹系數相匹配，以保證生產出的產品變形小，尺寸穩定性好。對具有較大曲度的復雜構件，當模具與復合材料自身的熱膨脹系數差異較大時，會導致固化后的復合材料制件的強度和外形精度嚴重降低。

常見的工裝材料主要有鋁、鋼、殷鋼、玻璃纖維或碳纖維復合材料。其中殷鋼和碳纖維復合材料本身的熱膨脹系數差異較小，非常適合航空結構件制造，但其制造成本和熱壓罐固化能耗較高。

復合材料工裝熱膨脹系數與所成型的復合材料制件基本一致，可有效降低制件因模具材質導致的變形問題，所制造的構件尺寸精確度高[2-3]。且碳纖維環氧樹脂基復合材料模具質量輕，搬運周轉都比較方便。因此，復雜異形整流罩零件模具材料選擇碳纖維環氧樹脂基工裝預浸料。

二、模具結構設計及制造

制造復合材料模具需配套相應型面的過渡模，也稱母模。過渡模材質與復合材料模具材質一致或膨脹系數接近。目前市面上常見的過渡模材質高密度代木、聚氨酯/環氧泡沫、石膏等。近年來為了實現高精度型面指標要求，過渡模也有殷鋼材質的。過渡模表面帶有復合材料工裝所需要的基準線、軸線、邊緣線、孔位等，并打標記。根據整流罩零件復合材料工裝要求，過渡模選用凸模結構。

輕質復合材料模具主體包括型板和框架兩部分。在過渡模表面鋪貼復合材料工裝預浸料，按照相應的材料規范固化，脫模切割后形成復合材料模具型板。型板多為等厚度鋪層，在翻邊或需要連接的部位增加鋪層厚度進行加強。型面上帶有激光投影靶標孔，孔位處配有襯套。鋪貼時需在預浸料鋪層中預埋金屬件，固化后數控精制孔并埋襯套。框架為等厚度板材，一般采用復合材料板材數控銑切外形，采用角片形式機械連接組合而成。框板與型面之間一般采用角片機械連接。模具尺寸較大時，需對型面和框架的連接面進行數控銑切，以實現二者的高精度匹配，避免后續使用過程中的變形問題。

三、模具使用驗證

采用復合材料模具制造整流罩零件，固化后的零件表面樹脂分布均勻，無損合格，型面與復合材料模具貼合間隙小于0.8mm，滿足制件制造技術指標要求。且由于復合材料模具加熱快，模具和制件在熱壓罐中的固化周期比傳統金屬工裝縮短約1小時，節約了生產資源。

鋪貼時，操作工人習慣性會在模具余量區進行鋪層余量裁剪，造成模具表面劃痕，破壞表面密封性，影響復合材料模具壽命。為解決該問題，可在模具表面噴涂金屬涂層，提高模具表面硬度，提升復合材料模具表面質量及使用壽命。

四、結論

本文針對復雜曲率整流罩零件的專用成型模具，從模具選材、模具結構設計及制造、模具使用驗證等方面展開研究。結果表明：

1）采用輕質碳纖維復合材料框架式模具，可滿足復雜曲率整流罩零件的型面精度要求，且可降低生產能耗。

2）為進一步延長復合材料模具壽命，可在模具表面噴涂金屬涂層，提升模具表面質量，提高表面硬度。

參考文獻

[1]何穎，蔡聞峰，趙鵬飛.熱壓罐成型中溫固化復合材料模具[J].纖維復合材料，2006（1）：58-59.

[2]匡載平，梁憲珠，張西偉，李春林.復合材料模具技術[J].航空制造技術，2016（17）：86-89.

[3]柏洪武.復合材料模具設計制造工藝的探討[J].河北農機，2014（12）：32-34.