復(fù)合材料錐殼成型模設(shè)計(jì)

劉寶志

（航天材料及工藝研究所，北京 100076）

0 引言

碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、疲勞特性好、化學(xué)穩(wěn)定性好、阻尼減震效果好等優(yōu)良性能，在航空航天、船舶、石油化工、汽車(chē)、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。運(yùn)載火箭在推進(jìn)劑定量的情況下，為了把火箭有效載荷發(fā)射到盡可能遠(yuǎn)的地方，減輕結(jié)構(gòu)件質(zhì)量就是主要的途徑和方法。

1 復(fù)合材料熱壓罐成型工藝

熱壓罐主要用于成型高性能復(fù)合材料制品，利用熱壓罐內(nèi)部的程控溫度和氣體壓力，使復(fù)合材料層疊坯料在一定溫度和壓力下完成固化及成型。其工藝過(guò)程是將預(yù)浸材料首先按一定排列順序置于涂有脫模劑的模具上，然后鋪放分離布和脫模薄膜，在脫模薄膜的上面鋪放吸膠透氣氈，再包覆耐高溫的真空袋，并用密封條密封周邊，如圖1 所示。然后從真空袋內(nèi)連續(xù)抽出空氣并加熱，使預(yù)浸材料的層間達(dá)到一定程度的真空度，加熱到指定溫度后，向熱壓罐內(nèi)充壓縮空氣，給成型制品加壓。一般固化過(guò)程為升溫→加壓→保溫→降溫→降壓，其中罐內(nèi)熱量主要通過(guò)空氣的流動(dòng)傳遞。熱壓罐成型工藝的主要設(shè)備是熱壓罐與加溫、加壓系統(tǒng)，抽真空系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。

圖1 復(fù)合材料制品固化成型結(jié)構(gòu)

復(fù)合材料制品采用熱壓罐固化成型工藝時(shí)，模具是成型制品的主要工藝裝備，用于確定制品形狀、結(jié)構(gòu)關(guān)系和獲得良好的表面質(zhì)量；在模具上完成復(fù)合材料聚合固化，有時(shí)還在成型模上進(jìn)行預(yù)浸材料的鋪放，復(fù)合材料成型模的設(shè)計(jì)制造對(duì)成型制品質(zhì)量影響較大。

2 碳/環(huán)氧錐殼

儀器艙是火箭的承載部段，其主要功能是容納安裝各種儀器設(shè)備。儀器艙通常為圓柱形或截圓錐形殼式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)形式的復(fù)合材料殼體在火箭上種類(lèi)多、數(shù)量多，因此總結(jié)此類(lèi)制品的成型模設(shè)計(jì)方法具有重要意義。

現(xiàn)以一種由碳纖維增強(qiáng)/環(huán)氧樹(shù)脂基（以下簡(jiǎn)稱(chēng)碳/環(huán)氧）材料構(gòu)成的錐殼為例，介紹其成型模的設(shè)計(jì)方法和過(guò)程，該錐殼采用碳/環(huán)氧復(fù)合材料纏繞和鋪放相結(jié)合、熱壓罐固化的成型工藝。殼體為截圓錐形，兩端帶有內(nèi)翻邊，如圖2所示。

圖2 錐 殼

3 模具結(jié)構(gòu)

模具結(jié)構(gòu)如圖3 所示。復(fù)合材料制品（尚未固化的碳/環(huán)氧錐殼）被包裹在凸模、凹模、上壓環(huán)、下壓環(huán)之中，在熱壓罐中固化成型時(shí)由這些模具零件向復(fù)合材料制品傳遞溫度和壓力。復(fù)合材料制品鋪層時(shí)上、下法蘭和軸連接在芯模上，通過(guò)軸的兩端連接在纏繞機(jī)上，方便預(yù)浸絲和預(yù)浸布的纏繞和鋪層；放進(jìn)熱壓罐固化之前把這些零件拆掉，用真空袋把復(fù)合材料制品和凸模、凹模、上壓環(huán)、下壓環(huán)等零件構(gòu)成的組合體密封。這些零件在復(fù)合材料制品固化的過(guò)程中會(huì)受熱膨脹、移動(dòng)位置，如果不能控制好這些變量，最終碳/環(huán)氧錐殼制品的型面精度就不理想，如果超出設(shè)計(jì)許可公差便不能被允許使用。

圖3 錐殼成型模

4 模具主要零件材料選擇

熱壓罐固化成型的復(fù)合材料制品多使用金屬成型模，常用的模具零件材料有鋁、鋼和INVAR 鋼等，其主要性能如表1 所示。其中鋁模具的密度約為鋼模具或INVAR 鋼模具的1/3左右，質(zhì)量較輕，加工成本低，但其熱膨脹系數(shù)大。INVAR 鋼熱膨脹系數(shù)較小，材料及加工成本較高，主要適用于曲率變化大的制品成型。鋼模具熱膨脹系數(shù)介于鋁和INVAR鋼之間，材料成本較低，但加工成本較高。

表1 常用模具零件材料性能參數(shù)

4.1 凸模材料的選擇

碳/環(huán)氧錐殼上下兩端均為內(nèi)翻邊結(jié)構(gòu)，其內(nèi)腔形狀由凸模決定，凸模采用分瓣結(jié)構(gòu)。碳/環(huán)氧錐殼的上下內(nèi)翻邊結(jié)構(gòu)對(duì)凸模構(gòu)成了半包圍形狀，錐殼成型后對(duì)凸模有一定的“緊箍”現(xiàn)象，為了使凸模能順利地從錐殼中脫模，模具設(shè)計(jì)時(shí)考慮凸模在固化時(shí)要有較大的膨脹量，以便于脫模。鋁的線(xiàn)膨脹系數(shù)較高，使用鋁材制造凸模較合適。鋁制凸模還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是密度小，加工的模具質(zhì)量也輕，方便工人操作。最終碳/環(huán)氧錐殼的凸模材料選用5A06鋁，5A06 鋁為Al-Mg 系防銹鋁，具有較高的強(qiáng)度和腐蝕穩(wěn)定性，在退火和擠壓狀態(tài)下塑形良好。

4.2 其它主要模具零件材料的選擇

因?yàn)橥鼓＿x擇了鋁材料，芯模也選擇鋁材料較為合適，兩者選擇相同材料在升溫固化過(guò)程中熱膨脹會(huì)保持一致，這樣對(duì)制品固化后的型面精度較為有利，也有利于設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)模具尺寸的計(jì)算（考慮熱膨脹的影響）。芯模因?yàn)橐庸こ烧w錐形的形狀，選用ZL104 鑄造芯模，該鋁合金的鑄造性能好，無(wú)熱裂傾向，氣密性高。凹模選用5A06 鋁板，在制造凹模時(shí)先滾彎后加工；上、下壓環(huán)也選用5A06 鋁板制造。上、下法蘭及軸選用Q235-A碳素結(jié)構(gòu)鋼制造，原料便宜且滿(mǎn)足使用要求，機(jī)械加工和焊接性能良好。

5 模具設(shè)計(jì)時(shí)需注意的問(wèn)題

5.1 模具膨脹問(wèn)題

碳/環(huán)氧錐殼在熱壓罐內(nèi)固化時(shí)要經(jīng)歷升溫→降溫過(guò)程，升溫達(dá)到樹(shù)脂凝膠點(diǎn)溫度時(shí)錐殼固化成型，此時(shí)錐殼的尺寸由凸模尺寸決定。如錐殼在設(shè)計(jì)時(shí)某一內(nèi)腔直徑為L(zhǎng)1，對(duì)應(yīng)位置的凸模直徑在常溫（25 ℃）時(shí)為L(zhǎng)0，固化時(shí)樹(shù)脂凝膠點(diǎn)溫度為T(mén)，則粗略的對(duì)應(yīng)關(guān)系：L1=L0×（1+（T-25）×α），凸模材料為鋁合金，其熱膨脹系數(shù)α=24×10-6。假設(shè)L1=1 000 mm，T=120 ℃，代入上述公式，可計(jì)算L0=997.73 mm。碳/環(huán)氧錐殼固化成型時(shí)，由于預(yù)浸絲的纏繞角度、施加的預(yù)緊力等原因，制品固化后尺寸一般達(dá)不到模具零件膨脹的理論尺寸，公式L1=L0×（1+（T-25）×α）還需要增加修正系數(shù)β（β略小于1），即L1=L0×（1+（T-25）×α）×β。修正系數(shù)β的大小與碳/環(huán)氧預(yù)浸絲的纏繞角度、制作制品坯料時(shí)是否加預(yù)緊力及加力大小等都有關(guān)系，修正系數(shù)β大小的確定要依靠工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，目前并沒(méi)有準(zhǔn)確的計(jì)算公式。

5.2 凸模分瓣問(wèn)題

因?yàn)樘?環(huán)氧錐殼上下兩端的翻邊都是內(nèi)翻邊，如果凸模加工成整體，錐殼成型后凸模無(wú)法取出，凸模必須加工成多塊組合的形式（錐殼成型后凸模拆成多塊取出），如圖4所示。凸模通過(guò)定位銷(xiāo)和螺釘與芯模固定，錐殼固化后把定位銷(xiāo)和螺釘拆掉，先把芯模取出，然后把凸模塊逐個(gè)取出。在制造模具時(shí)，凸模與芯模的結(jié)合面（凸模凹面、芯模凸面）加工成相同的尺寸，保證能緊密貼合。在每一塊凸模瓣與芯模結(jié)合部位用阿拉伯?dāng)?shù)字編號(hào)并做鋼印標(biāo)記，以保證每次使用時(shí)對(duì)應(yīng)關(guān)系不會(huì)出錯(cuò)。

圖4 分瓣式凸模

5.3 模具零件間隙的問(wèn)題

碳/環(huán)氧錐殼的預(yù)浸材料坯料預(yù)制成型后在熱壓罐內(nèi)固化，固化加壓時(shí)模具上各個(gè)可移動(dòng)零件有向心移動(dòng)的趨勢(shì)（預(yù)浸材料的層間壓實(shí)導(dǎo)致的體積減小）。為了保證模具零件把壓力傳遞給預(yù)浸材料，模具零件之間在移動(dòng)時(shí)不能互相干涉，所以設(shè)計(jì)時(shí)要考慮給模具零件之間留有適當(dāng)?shù)拈g隙。如凹模共分為6 瓣，每瓣之間要留有1 mm 的間隙；上壓環(huán)外徑要比對(duì)應(yīng)凹模的內(nèi)徑小1～2 mm。

6 模具主要零件的結(jié)構(gòu)尺寸

模具主要零件的結(jié)構(gòu)尺寸如圖5～圖7 所示，這些零件與碳/環(huán)氧錐殼的預(yù)浸材料坯料接觸，與成型后制品的尺寸關(guān)系密切。

圖5 芯 模

圖6 凸 模

圖7 凹 模

模具設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行模具制造，通過(guò)制造的模具順利完成了碳/環(huán)氧錐殼的成型，如圖8 所示，成型的制品滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

7 結(jié)束語(yǔ)

錐殼類(lèi)復(fù)合材料制品在火箭上種類(lèi)多、數(shù)量多，應(yīng)用廣泛。模具經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證：模具結(jié)構(gòu)合理，固化成型的制品達(dá)到了使用要求，對(duì)類(lèi)似制品的固化成型具有一定的參考作用。