碳纖維復合材料主傳力典型結構試驗件模壓模具設計

嚴岳勝，尹紅靈，危干軍

(1. 中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南 株洲 412002；2. 上海交通大學材料科學與工程學院，上海 200030)

0 引言

作為先進復合材料之一的碳纖維復合材料，在承力結構件上的應用廣泛[1]。減速器機匣作為直升機傳動系統(tǒng)的關鍵零部件，在實際工作中承受了復雜多樣的載荷[2-3]，以前是采用高強度金屬材料，但這些金屬材料易被腐蝕，需要停機維修更換，消耗大量人力、時間成本[4]。現在采用碳纖維復合材料來制造直升機減速器機匣，以提高其性能，降低制造、運行成本。而主傳力典型結構試驗件的研制是碳纖維復合材料的機匣的輕量化設計制造研究的重要基礎[5]。

由于復合材料結構目前還缺乏成熟的分析方法和足夠的設計與使用經驗，為保證其結構完整性，開發(fā)先進復合材料結構零件比金屬結構更依賴于試樣、元件、細節(jié)件、結構件、全尺寸部件等多個層次的積木式驗證試驗。積木式驗證也有助于使復雜的環(huán)境效應在較低層次上得到驗證，避免增加全尺寸部件試驗的復雜性。特別是對于廣泛采用的復合材料/金屬混合結構的主承力部件，有時必須在結構件及元件等低層次試驗中完成對復合材料結構的耐久性和損傷容限驗證。全尺寸試驗驗證內容可能并不完整，但積木式驗證試驗的總體內容必須是完整的。

先進復合材料的成型方式多種多樣[6]，包括手糊工藝、層壓工藝、模壓工藝及纏繞工藝等。工業(yè)生產上多是利用模壓模具[7-8]，采用SMC模壓工藝進行纖維增強復合材料制件的生產。由于主傳力典型結構試驗件具有形狀復雜、有加強筋等特征，且制品要求尺寸精確、表面光潔，采用層壓模壓法比較合適。層壓模壓是介于層壓與模壓之間的一種工藝[6]，就是將預浸漬的纖維布或其他織物裁剪成所需形狀，在金屬對模中層疊鋪設壓制成異形制品。這種工藝的主要不足是模壓模具的設計與制造比較復雜，但是為了保證典型結構試驗件對全尺寸制件的可靠性，采用模壓工藝是必須的，因此模壓模具的設計就非常關鍵。

1 零件特征分析及成型工藝分析

圖1為碳纖維復合材料主傳力典型結構試驗件的幾何模型，該試驗件由兩種材料制作： 碳纖維復合材料和金屬襯套嵌件。零件屬回轉體，含有多個加強筋結構特征，該結構承受較大的軸向載荷和徑向軸承載荷。試驗件將來要為全尺寸機匣作參考，這種結構的零件適合選用層壓模壓工藝制作。

圖1 碳纖維復合材料主傳力試驗件三維結構

2 模壓模具設計

2.1 模具材料的選擇

模具材料的選擇需要根據工藝要求、使用要求以及成本費用多角度綜合考慮，由于模具與復合材料構件熱膨脹系數差異較大，復合材料構件在冷卻時存在收縮，因此在進行復合材料模具設計時，模具型腔的尺寸要根據材料的收縮率進行放大。常用的模具鋼有碳鋼、鉻鋼、鑄鐵、超殷鋼等，這些材料的線膨脹系數如表1所示。不同材料熱膨脹系數差別比較大，為了減少模具的補償量，盡可能選用和零件材料之間熱膨脹系數相差較小的模具材料。綜合考慮原材料及成本，針對機匣主承力典型結構試驗件的制造目的，選用碳鋼作為模具材料。

表1 不同材料的線膨脹系數[7]

2.2 模具分型面的確定

根據零件結構的復雜程度，考慮保證制品的尺寸、制品順利出模、有效壓力傳遞以及便于碳纖維預浸布的鋪設等因素，主傳力典型結構試驗件用一個分型面無法順利實現零件出模，因此選用圖2所示的Z方向作為主出模方向，也是施加壓力的方向，分型面1作為主分型面，負X方向為側抽芯方向，分型面2為側向抽芯的分型面。

圖2 主傳力典型結構件模具分型面

2.3 模具關鍵結構

模具的設計在NX軟件[9]里實現，模具關鍵結構如圖3所示，其中左側為模具的裝配圖，右側為模具的爆炸圖，整個模具關鍵部件由五大部分組成，分別是上模、下模鑲塊、下模、側抽芯鑲塊和側抽芯模。鑲塊與上下模之間是通過螺釘連接的。下模設計成鑲塊是便于模具加工和碳纖維復合材料鋪層以及方便放置金屬嵌件，側抽芯模設計成鑲塊的形式也是基于上述考慮。模具上還設計了一圈溢料槽，便于加壓過程中排氣和容納多余的樹脂材料。根據設計的結構進行加工，主傳力典型結構試驗件模具如圖4所示。

由于模具存在側抽芯，為了保證成型過程中側面的壓力施加，設計了如圖3左側圖中黑色圈內所示的L形鎖扣結構。

1—上模；2—側抽芯模；3—下模；4—下模鑲塊；5—側抽芯鑲塊圖3 主傳力典型結構試驗件模具三維模型

(a) 模具部件

(b) 模具工作狀態(tài)圖4 主傳力典型結構試驗件模具實物

3 主傳力典型結構試驗件制作

在進行主傳力典型結構試驗件制作時，先將主傳力典型結構試驗件模具預熱至設定溫度，根據鋪層設計在模具上將裁切好的碳纖維復合材料預浸布鋪貼好合模，保證預浸布與模具緊密貼合，然后再升溫加壓，成型過程中通過模具結構上的排氣孔排出纖維縫隙內的氣泡和多余的樹脂，工藝曲線如圖5所示。冷卻后開模就得到圖6所示的主傳力典型結構試驗件，該零件為首件試驗件，實物質量為12 kg，滿足設計要求。

圖5 主傳力典型結構試驗件成型溫度曲線

圖6 主傳力典型結構試驗件實物

4 結論

根據直升機主傳力典型結構試驗件的特征，選用層壓模壓的方法試制，采用鑲塊加側抽芯的模具結構，成功實現了試驗件的層壓模具的分型與分塊設計。采用L形鎖扣結構實現了壓力傳遞，試驗件在制作過程中順利出模，證明模具結構設計的合理性，為后續(xù)的全尺寸機匣層壓模壓模具的設計打下了基礎。