復合材料金屬對模成型工藝參數尺寸鏈設計與應用

秦闖 鄒志偉 曹延君 孟凡壹 王宏禹

摘 要 為解決目前預浸料鋪放—金屬對模加壓成型工藝參數的設計無標準、無規范問題，分析和提取與尺寸相關的8項工藝參數，基于各工藝參數對5項設計指標的影響關系，建立工藝參數尺寸鏈，并提出工藝參數設計原則與設計流程。應用尺寸鏈為一項工程實例設計出工藝參數，滿足設計要求與工藝要求，證明方法的可行有效。為工程實踐參數選擇提供了便利與理論依據，為后續對所有參數量化選擇與形成工藝設計標準、規范奠定了基礎。

關鍵詞 工藝參數尺寸鏈；金屬對模成型；復合材料；工藝壓縮量

ABSTRACT? Eight process parameters related to size are analyzed and extracted to solve the problem that there are no standards and regulations in the design of the process parameters for prepreg laying and matched mould pressing technology. Based on the influence of process parameters on five design indexes， the dimension chain of process parameters is established， and the design principle and design flow of process parameters are put forward. The dimension chain is applied for a project case to design the process parameters which meet the requirements of design and process. The feasibility and effectiveness of the method are demonstrated. It provides convenience and theoretical basis for the selection of parameters in engineering practice， and lays a foundation for the quantitative selection of all parameters and the formation of process design standards and specifications.

KEYWORDS? process parameters dimension chain; matched mould pressing technology; composite material; process compression amount

1 引言

近年來，航天技術發展迅速，復合材料因其自身輕質、高強、高模量的優點，在航天產品結構中被大量采用。作為復合材料成型的主要工藝之一，模壓成型工藝具有生產效率高、成型內部質量易于保證、尺寸精度高、制品表面光潔等優點，在航天產品生產中廣泛使用[1]。由于航天領域產品具有定制化設計、單件小批量生產、多品種等特點，相對于以壓機為主的模壓成型工藝，以螺栓機械加壓方式為主的預浸料鋪放—金屬對模加壓成型工藝靈活性更強、適用性更廣，所以使用更為頻繁。

復合材料的成型工藝實施包含一系列復雜的物理、化學過程，碳纖維增強復合材料模壓成型是多參數耦合體系，伴隨著傳熱、化學反應、基體熔融流動、熱膨脹、應力松弛等相互影響及耦合擾動，對產品質量的影響規律極其復雜[2]。為保證產品質量，合理選擇合適工藝參數尤為關鍵，路明坤[3]等人對樹脂基復合材料模壓工藝加壓時機進行了優化研究，開發出優化程序，針對給定纖維體積分數值的樹脂體系，計算出滿足設計要求的加壓時刻的粘度值。朱楠[4]等人通過研究，總結出影響模壓制品成型質量的因素主要為：預浸料性能（包括樹脂含量、纖維體積含量等技術指標）、成型模具精度、環境條件（包括溫度、相對濕度及環境的潔凈度等）、鋪放過程控制、鋪放質量、熱壓機的工作狀態、合模間隙控制及固化過程控制（溫度、壓力、保溫時間）。沃西源[5]等人分析了溫度、模壓壓力、時間、揮發份等因素對模壓成型過程的影響。現有對工藝參數的研究往往針對于以壓機為核心加壓措施的模壓工藝，對于以螺桿機械式提供加壓壓力的金屬對模成型工藝，由于壓力無法準確量化控制，研究較少。

在工藝實施過程與尺寸相關的工藝參數較多，往往基于尺寸計算，通過精準的投料與控制模具加壓后的拼裝間隙（合模縫隙）保證加壓有效。工藝參數包含固化溫度、固化時間、熱合模溫度、投料量、壓縮量、模具尺寸、加壓時機、預浸料厚度等。為了保證產品成型后內部質量、尺寸精度、重量、熱力學性能等指標滿足要求，需要綜合控制各工藝參數，變量較多且關系復雜，在參數選擇與設計上，目前尚未有成熟的執行標準與規范，工程實踐對于工藝設計人員的經驗依賴性較大[6]。

因此，本文針對性地對金屬對模工藝的部分尺寸相關工藝參數進行分析提取，基于各參數相互關系，建立工藝參數尺寸鏈，給出可用于不同構型、厚度產品的尺寸鏈規劃模型，便于工程實踐對工藝參數進行設計，并通過實例驗證模型在實際應用中的有效性。

2 設計指標與基本工藝參數

為建立尺寸鏈規劃模型，需選定參數并設定公差范圍。工藝參數的設計目的是保證成型后的各項指標滿足要求，由于工藝參數變量較多且關系復雜，因此，選定與尺寸相關的工藝參數，結合各工藝參數影響到的設計指標，并將設計指標作為邊界約束條件設定各參數的范圍。

2.1 設計指標

2.1.1 纖維體積含量Vf

復合材料制品內部質量可通過纖維體積含量、孔隙率、密度等參數表征，是復合材料能否發揮出性能的關鍵，工藝參數設計過程，工藝壓縮量的設計是保證產品內部質量的成型核心工藝環節，為量化工藝壓縮量的設計，主要選取了纖維體積含量作為主要設計指標之一。航天產品纖維體積含量要求一般為Vf制品=（60±3）% [7]。

2.1.2 重量M

為充分發揮復合材料輕質高強、高模的優勢，產品重量指標在航天產品設計中與設計成本息息相關。其受工藝設計環節的投料量（鋪層數及預浸料單層厚）影響，因此，選取重量作為設計指標之一。

2.1.3 外形尺寸E與壁厚尺寸D

產品的尺寸精度包含外形尺寸精度與壁厚尺寸精度，作為宏觀參數，是尺寸鏈模型的基礎，作為尺寸鏈建立的設計指標。

2.1.4 熱、力學性能

復合材料產品的熱、力學性能是產品材料選擇、結構設計、鋪層設計的綜合結果，材料與結構一體化設計，鋪層信息既是設計參數又是工藝參數，在工藝參數設計與工藝實施過程參數存在一定的差異時，需結合具體情況進行分析。因此，將熱、力學性能作為主要設計指標之一。

2.2 工藝參數

2.2.1 工藝壓縮量A

預浸料鋪放—金屬對模加壓成型工藝的基本原理為：外模與內模組合，形成封閉模具腔如圖1所示，實際鋪放預浸料的體積（投料量）V投料多于實際模具型腔體積V實際，將A=V投料-V實際定義為工藝壓縮量，將工藝壓縮量與實際型腔體積的比值定義為工藝壓縮比α，即α=（V投料-V實際）/V實際×100%。工藝壓縮量的作用是在組合內模與外模過程對預浸料產生壓力，預浸料制備過程樹脂含量高于制品，通過升溫，預浸料中的樹脂粘度降低被擠壓后充分流動，與纖維充分結合，溢出模具型腔過程帶走氣體以形成致密的復合材料后固化，纖維體積含量隨之提高[8]。

為確定工藝壓縮比的取值范圍，在忽略工藝損耗的前提下，成型前后纖維體積含量不變，則有V投料×Vf預浸料= V實際×Vf制品。代入壓縮比公式，可得到壓縮比與纖維體積含量有如下關系V實際×（1+α）× Vf預浸料= V實際 ×Vf制品，可得到公式（1）。

α=Vf制品/Vf預浸料-1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

按照航天產品纖維體積含量要求Vf制品=（60±3）%，預浸料纖維體積含量應略低于制品，一般制備為Vf預浸料=（57±3）%，代入公式（1）。

計算壓縮比公差范圍：

αmax=Vf制品max/Vf預浸料min-1=16.7%

αmin=Vf制品min/Vf預浸料max-1

由于成型過程加壓擠出膠液，制品的纖維體積含量一定大于預浸料， 即Vf制品＞Vf預浸料，因此αmin>0。為保證有足夠的壓力促使樹脂流動，工程上取值αmin=5%。據此，工藝壓縮比的取值范圍為α=[5%，16.7%]。

2.2.2 合模縫隙F

合模縫隙是金屬對模工藝特有工藝參數，指模具拼裝后模具板之間的縫隙，如圖2所示，金屬對模加壓過程即是使模具之間的縫隙逐步減小、型腔逐步接近理論型腔的過程。按金屬對模工藝流程，在拼裝模具完成后，在放入固化爐升溫前后進行兩次加壓合模過程，分別稱為冷合模與熱合模，冷合模后預留一定的合模縫隙以便在熱合模膠液粘度適宜的條件下進行二次加壓，以利于膠液流動。理想狀態下的熱合模后的合模縫隙為0，保證模具尺寸與產品尺寸相同。實際情況受模具結構復雜程度、合模壓力、合模時機選擇的影響，熱合后會存在一定的縫隙，為合理的工藝偏差，需結合產品外形的要求、模具的復雜程度設計合理的參數范圍。一般合模縫隙要求越小，合模工藝實施難度越大。

2.2.3 外模尺寸W 與內模尺寸S

為保證模具的強度與加工精度，金屬對模工藝外模通常為金屬模具，內模可選擇有水溶性模具、金屬件模具等，模具與復合材料熱脹系數有差別。復合材料在高溫下固化，常常在設計過程對模具尺寸縮放以補償溫度的影響[9]。為簡化研究，本文不考慮溫度影響，僅討論不縮放的模具尺寸。模具尺寸公差由產品尺寸公差要求及合模縫隙決定。

2.2.4 鋪層信息Χ

鋪層信息包含鋪層角度Φ、鋪層順序及鋪層比。預浸料鋪放工藝是由單向預浸帶鋪疊并固化而形成的層壓結構，而單向帶呈現強烈的正交異性（沿纖維方向的性能與垂直方向的性能差別很大）。可以在不同方向鋪設不同比例的單向帶（預浸料），滿足結構平面內所需方向性能的要求。因此鋪層信息作為基本工藝參數之一，常根據產品結構的熱、力學等性能要求，結合仿真計算與理論分析，對鋪層進行設計。由于仿真模型對結構鋪層信息的簡化方式為產品結構各面獨立設定，棱邊采用共節點約束，纖維連續性無法模擬，而實際工程中預浸帶連續鋪放，因此在執行鋪層的設計信息的過程需結合具體性能要求進行優化，綜合保證鋪層角度與連續性，實際鋪層與理論鋪層信息會有所差別。

2.2.5 鋪層數N

鋪層數理論上通過預浸料單層厚度與產品壁厚計算而得，在鋪層設計過程對鋪層角度Φ、鋪層順序及鋪層比進行規劃時，可在理論基礎上增加層數，以提供壓縮量。但需考慮是否影響熱、力學性能以及能否滿足產品重量要求。

2.2.6 預浸料單層料厚度T

預浸料是用樹脂基體浸漬連續纖維或織物制成的樹脂基體與增強體組合物，是制造復合材料的中間材料。單位面積纖維質量（面密度）是表征預浸料性能的物理參數之一[10]，在指定纖維體積含量的要求下，面密度與預浸料厚度呈確定比例關系，對于金屬對模工藝，預浸料單層厚是更直接的工藝參數，因此工程上更常使用。理論上可通過預浸料制備過程上紗團數及膠膜厚度的調節，制得滿足纖維體積含量要求的任意厚度的預浸料。為了便于依據產品厚度進行鋪層設計，常用預浸料厚度有0.1mm，0.125mm，0.2mm，厚度偏差可控制在±5%。

2.2.7 鋪放累積誤差C

鋪放累積誤差產生原因如下：受手工鋪放力度的影響，在棱邊拐角處預浸料折彎弧度與理論弧度有偏差，受鋪放精度影響，兩張預浸料對接處會有接縫或重疊，隨著鋪放層數增加，這種偏差會逐步累積，最終會導致實際預浸料與理論預浸料堆疊量具有偏差（通常為實際多于理論），這種局部的偏差在高溫固化樹脂流動過程會均分在各個面上，形成鋪放累積誤差。工程上采取在預浸料鋪放一定厚度后進行預壓的方式控制鋪放累積誤差，誤差范圍一般可控制在鋪放厚度的1%～2%。

綜上所述，確定了內部質量、外形尺寸精度、壁厚尺寸精度、熱/力學性能和重量5項設計指標，確定了工藝壓縮量、鋪層數、預浸料單層厚、外模尺寸精度、內模尺寸精度、合模縫隙、鋪放誤差和鋪層信息8項工藝參數，如表1所示。

3 尺寸鏈建立

3.1 尺寸鏈建立

在產品某一尺寸方向上，包含外模、內模、復合材料，由于面內方向的變化對體積影響很小，因此可將工藝壓縮量與壓縮比計算簡化為厚度方向。可得出：

HA=H投料-H實際；α=（H投料-H實際）/H實際×100%。

HA代表厚度方向工藝壓縮量，H投料代表投料厚度，H實際代表實際型腔厚度，以此為尺寸鏈建立基礎。為便于表達與分析，規定大寫字母代表參數公稱值，小寫字母代表參數公差值。

實際模腔厚度H實際與外模尺寸W，內模尺寸S，合模縫隙F關系為：H實際=W-S+F；

實際投料量厚度H投料由鋪層數N、預浸料厚度T、鋪放累積誤差C求得：H投料=T×N+C；

3.2 工藝參數設計原則

尺寸鏈建立后，由于參數眾多且關系復雜，需分清主次關系，結合設計指標，確定各參數類型與設計原則，以便設計各工藝參數。

壓縮比α是影響產品內部質量的關鍵，是保證產品性能的重要參數之一，將其作為目標變量。合模縫隙f、外模模具尺寸公差w、鋪放累積誤差c與設計指標的關聯性較單一，因此可直接進行設計，將其作為設計變量。鋪層數公差n、預浸料單層料厚度公差t與內模模具尺寸公差s的可設計性比較強，且對設計指標的影響關系較復雜，因此將此3項作為控制變量。

參數類型確定后，依據各參數與設計指標的關系，確立參數取值范圍設計原則，總結各參數類型及設計原則如表2所示。

3.3 工藝參數設計流程

通過尺寸鏈的建立關聯了各參數，工藝參數設計原則給出工藝參數與設計指標的關系，即確定了參數設計的邊界條件，再通過目標變量與控制變量的設置，即可建立工藝參數設計流程，如圖4所示。首先，依據產品外形尺寸精度要求，確定合模縫隙與外模模具尺寸公差。其次，考慮產品重量指標，如果指標要求為5%范圍內，無法通過增加鋪層數及增加預浸料厚度的方式提供壓縮量，則將內模模具尺寸作為主要控制變量。如果重量指標大于5%，判斷鋪層信息是否可更改，如果可更改，將鋪層數作為主要控制變量，如果鋪層不可更改，將預浸料單層厚作為主要控制變量。確定主要控制變量后，其他控制變量按理論值計算，對主要控制變量初步賦值，然后計算累積誤差，最后將已知數據代入尺寸鏈計算公式，即可求得壓縮量，如果求得的壓縮比在5%～16.7%范圍內，則各參數確認完成。否則，重新修正主要控制參數，代入計算公式，直至壓縮比滿足要求。特殊情況，如果單一控制變量賦值無法計算得到滿足要求的壓縮量，則可在主要控制變量賦值后，再將其他1個或2個控制變量作為主要控制變量進行多變量賦值，以滿足要求。

4 工藝參數尺寸鏈應用

以某產品工藝設計過程為例，闡述工藝參數尺寸鏈的應用方法。

4.1 產品要求

產品結構形式如圖5所示，主體為立體封閉腔網格筋結構，內部具有6條縱筋，1條橫筋，在長度方向具有8處壁厚，寬度方向3處壁厚，高度方向2處壁厚。產品各參數指標如表3所示。

單層厚H=0.1mm 結構面內熱脹系數及模量要求苛刻，鋪層信息不可更改

按此產品構型，設計模具結構形式如圖6所示，長度方向7個內模，寬度方向2個內模，高度方向1個內模。

4.2工藝參數設計

接下來，應用工藝尺寸鏈，按3.3所制定的工藝參數設計流程設計各工藝參數，由于三個方向累積壁厚不同，各個方向分別計算。

（1）根據產品指標要求，產品外形尺寸公差為e1，e2，e3=[-0.2，+0.2]，由于產品尺寸<1000m，且構型簡單，將三個方向合模縫隙要求設計為f1，f2，f3=[0，0.2]，則可求得模具外形尺寸公差為w1，w2，w3=[-0.2，0]。

（2）根據產品指標要求，產品重量公差m=[-10%，10%]且鋪層信息不可更改。按設計流程，確定預浸料單層厚H作為主要控制變量。

（3）選定H作為主要控制變量后，鋪層數N與內模模具尺寸S公差即可按理論確定。由于產品殼體及筋壁厚均為8mm，鋪層設計采用單層0.1mm的預浸料，因此鋪層數N=8/0.1=80，鋪層數公差n=[0，0]，根據產品內筋結構，三個方向的累積鋪層數分別為：

計算所得各壓縮比在合格范圍內。至此，采用尺寸鏈及工藝參數設計流程設計出了滿足指標要求及工藝要求的工藝參數，如表4所示。

5 結語

本文分析、提取出工藝壓縮量、鋪層數、預浸料單層厚、外模尺寸精度、內模尺寸精度、合模縫隙、鋪放誤差和鋪層信息8項工藝參數，基于各工藝參數對纖維體積含量、外形尺寸精度、壁厚尺寸精度和熱/力學性能5項設計指標影響關系，建立出針對金屬對模成型工藝的工藝參數尺寸鏈，并提出工藝參數設計原則與設計流程。應用尺寸鏈對一項工程實例進行工藝參數設計，所設計的工藝參數滿足設計指標與工藝要求。雖然尺寸鏈中的參數未覆蓋所有工藝參數（如溫度，時間，壓力等），但已基本建立出部分工藝參數之間的關聯及對設計指標的影響關系，工藝參數設計更加方便，并為后續工藝設計所有參數的量化選擇形成設計標準及設計規范奠定了基礎。

參考文獻

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