復(fù)合材料熱壓罐成型模具設(shè)計(jì)研究

隨著復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件上用量的逐步增加，零件越來(lái)越大而復(fù)雜，并逐步使用到主承力件上，這對(duì)復(fù)合材料制件的質(zhì)量提出了更高的要求。因復(fù)合材料制件的固化成型特點(diǎn)，其質(zhì)量在很大程度上取決于成型模具的質(zhì)量，而高質(zhì)量的模具來(lái)源于科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)，特別是對(duì)于大型模具，除模具質(zhì)量對(duì)制件質(zhì)量的影響外，模具的尺寸、重量對(duì)模具成本以及復(fù)材制件的總制造成本有很大影響。
通過(guò)對(duì)復(fù)合材料熱壓罐成型模具的設(shè)計(jì)、制造、轉(zhuǎn)運(yùn)及使用驗(yàn)證等工程研究及分析，結(jié)合復(fù)材模具設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)方法，歸納出以下幾點(diǎn)模具設(shè)計(jì)原則。

滿足制件結(jié)構(gòu)及工藝要求

在設(shè)計(jì)復(fù)合材料成型模具前，要對(duì)制件的設(shè)計(jì)輸入進(jìn)行充分分析，以產(chǎn)生模具結(jié)構(gòu)的初步概念。
（1）分析制件的工程結(jié)構(gòu)。通常有壁板、梁、肋、長(zhǎng)桁、接頭、以及整體盒段等結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)制件結(jié)構(gòu)形式，可對(duì)模具有個(gè)大致概念，壁板常為大型框架結(jié)構(gòu)；梁一般較長(zhǎng)，常有陰模、陽(yáng)模形式（圖1、圖2）；長(zhǎng)桁一般為細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)；整體盒段一般需上下合模。 123,123



（2）分析制件的工程界面。是否有氣動(dòng)面、裝配面、膠接面等，一般情況下可確定這些面為貼膜面；但如果這些面結(jié)構(gòu)較復(fù)雜時(shí)，設(shè)計(jì)可考慮在工程界面?zhèn)忍砑友a(bǔ)償層，此時(shí)貼膜面可設(shè)計(jì)在工程界面的背面。



（3）分析制件的質(zhì)量要求。制件的外形輪廓尺寸精度直接影響到模具的質(zhì)量要求及成本，可通過(guò)設(shè)計(jì)合理的模具結(jié)構(gòu)、定位方法及加工方法來(lái)達(dá)到精度要求。
（4）分析制件的成型工藝方法，是共固化、共膠接還是二次交接（圖3）。共固化中，所有層為濕鋪層一次進(jìn)罐，需要較多模具組合到一起同時(shí)使用，通常整套模具較復(fù)雜；共膠接為干濕件進(jìn)罐固化，需要一部分零件的成型模具，及已固化零件與濕鋪層二次進(jìn)罐固化的模具；二次膠接時(shí)所有零件已固化，通過(guò)膠膜把他們固化到一起，需要所有零件的成型模以及二次膠接的定位模具。

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（圖3）制件的成型工藝方法

模具材料的選擇

用作復(fù)合材料成型模具的材料主要有普通鋼、INVAR鋼、復(fù)合材料（雙馬和環(huán)氧樹(shù)脂）、鋁等。通常根據(jù)材料的性能（主要是高溫下的熱膨脹系數(shù)）、成本、周期及使用次數(shù)來(lái)選擇，見(jiàn)表1。



對(duì)于機(jī)身、翼面、舵面等大尺寸、大曲率的模具，通常選擇INVAR鋼，對(duì)于一些配合要求高的梁、肋、長(zhǎng)桁等也常選擇INVAR鋼；對(duì)于鋪絲需要回轉(zhuǎn)的工裝，考慮到重量因素，復(fù)合材料模具是一個(gè)不錯(cuò)的選擇；對(duì)于形狀不是太復(fù)雜、曲率很小或是等截面的制件結(jié)構(gòu)，通常選擇普通鋼或鋁以降低成本，但膨脹和變形因素需要在設(shè)計(jì)時(shí)得到補(bǔ)償。不同模具材料的性能特點(diǎn)及使用范圍如表1所示。

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模具熱膨脹的補(bǔ)償

當(dāng)模具與預(yù)浸料進(jìn)熱壓罐固化時(shí)，隨著溫度的升高，模具會(huì)膨脹而使尺寸增大，達(dá)到保溫狀態(tài)時(shí)最大，此時(shí)預(yù)浸料反應(yīng)固化，與模具尺寸一致。在固化完成后降溫的過(guò)程中，模具和固化好的制件都會(huì)收縮，但如果模具材料與復(fù)合材料制件的熱膨脹系數(shù)不一致，收縮量也就不一致，從而導(dǎo)致制件尺寸和模具尺寸有偏差。根據(jù)表1中材料的熱膨脹系數(shù)，INVAR鋼和復(fù)合材料模具受熱膨脹對(duì)制件的影響很小，可忽略不計(jì)；但普通鋼和鋁則有影響，特別是當(dāng)尺寸大時(shí)，必須要考慮膨脹量，否則產(chǎn)品尺寸會(huì)隨模具的膨脹而偏大。
模具熱膨脹可采取一定的補(bǔ)償方法，按經(jīng)驗(yàn)公式及試驗(yàn)驗(yàn)證，以制件質(zhì)心為中心，把整個(gè)制件按如下糾正系數(shù)縮小，在模具設(shè)計(jì)時(shí)按照縮小后的制件作為工程輸入。

F=1/[(T-P)×△T+1]，式中，F(xiàn)為熱膨脹糾正系數(shù)；T為模具的熱膨脹系數(shù)；P為復(fù)合材料制件的熱膨脹系數(shù)；△T為固化溫度和室溫的差值。

本文來(lái)自123

另一方面，模具熱膨脹還將影響到制件的變形及脫模等問(wèn)題。在設(shè)計(jì)模具時(shí)要把這些因素考慮進(jìn)去。如收縮變形是否能通過(guò)模具結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性來(lái)抵消，或后處理來(lái)消除；凸模的收縮可能會(huì)有助于脫模，特別是對(duì)于有微小閉角的零件，凹模的收縮將增加脫模的難度。通過(guò)考慮這些因素，結(jié)合復(fù)材制件的產(chǎn)品要求，來(lái)選擇合適的模具材料及模具的結(jié)構(gòu)形式。同時(shí)，也可以通過(guò)數(shù)字模擬，結(jié)合試驗(yàn)件的驗(yàn)證來(lái)優(yōu)化模具設(shè)計(jì)。

模具回彈角的補(bǔ)償

除模具的膨脹對(duì)制件固化變形有影響外，復(fù)合材料制件因?yàn)殇亴雍徒Y(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，以及材料本身的固化特性，在固化時(shí)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力也將引起制件變形。而對(duì)于梁、長(zhǎng)桁類有大夾角的零件，固化變形最顯著的是回彈角，即制件在固化脫模后，夾角因收縮而小于模具角度，此差值為回彈角。如圖4所示，A1為模具夾角，A2為制件脫模后的夾角，θ為二者之差，即回彈角。在設(shè)計(jì)時(shí)，不考慮回彈角或考慮不當(dāng)，將對(duì)制件質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，特別是對(duì)裝配的影響。 內(nèi)容來(lái)自123456



回彈角因與模具材料，鋪層方向及結(jié)構(gòu)對(duì)稱性有關(guān)，可通過(guò)數(shù)字模擬及試驗(yàn)測(cè)試的方法得到，目前用的較多的是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)值結(jié)合試驗(yàn)值來(lái)獲得回彈角的大小，而數(shù)字模擬有待于提高對(duì)熱壓罐溫度場(chǎng)及復(fù)合材料反應(yīng)機(jī)理的精準(zhǔn)分析。在模具設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)先把回彈角考慮進(jìn)去，即制件夾角加上回彈角等于模具夾角，使制件在脫模回彈后符合工程數(shù)模要求。

應(yīng)力分析準(zhǔn)則

目前國(guó)內(nèi)的復(fù)合材料成型模具一般都是通過(guò)保守估計(jì)的方法設(shè)計(jì)，沒(méi)有通過(guò)強(qiáng)度分析優(yōu)化，這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的模具，特別是大型制件的模具，通常都非常笨重，不僅耗費(fèi)大量材料，因熱容量升高也可能影響到固化反應(yīng)，同時(shí)對(duì)運(yùn)輸、使用過(guò)程的相關(guān)設(shè)備噸位要求很高，大大增加了成本，甚至影響了制造能力。因此，減重是模具設(shè)計(jì)優(yōu)化的一個(gè)重要方面。減重的方法必須要通過(guò)合理的計(jì)算，否則會(huì)直接影響到模具的強(qiáng)度和剛度，導(dǎo)致使用過(guò)程中產(chǎn)生變形而影響制件質(zhì)量。同時(shí)，對(duì)于吊環(huán)、輪子、撐腳也需要進(jìn)行強(qiáng)度校核，以確保模具能夠安全地起吊和轉(zhuǎn)運(yùn)。 內(nèi)容來(lái)自123456
減重優(yōu)化可通過(guò)有限元分析模具在不同工況下的應(yīng)變、應(yīng)力情況（圖5、圖6），根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，最終使最嚴(yán)重工況下的應(yīng)力、應(yīng)變值小于材料許用值乘以某一安全系數(shù)（此安全系數(shù)一般為經(jīng)驗(yàn)值，為安全起見(jiàn)，可考慮大于1.5），并盡可能使各處的安全系數(shù)偏差不大，這樣才能有效減重。模具應(yīng)力分析考慮的工況通常包括以下幾個(gè)方面：


圖5 應(yīng)變分析


圖6 應(yīng)力分析

（1） 垂直起吊的情況。
整套模具加制件的重量作用在模具的所有吊點(diǎn)上。
（2） 垂直起吊過(guò)程緊急剎車情況。
整套模具加制件的重量，以及急剎車產(chǎn)生的沖擊載荷作用在模具的所有吊點(diǎn)上。
（3） 手動(dòng)鋪層使用情況。
鋪貼模具加鋪層重量作用在模具底座的支撐點(diǎn)上。
（4） 自動(dòng)鋪層使用情況。
鋪貼模具加鋪層重量，以及鋪帶頭的壓力作用在模具底座的支撐點(diǎn)上。
（5）工裝轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程。
整套模具加制件的重量作用在模具的輪子上。
（6） 工裝在熱壓罐里的情況。
在177℃時(shí)（此時(shí)的材料許用值小于常溫下的許用值），整套模具加制件的重量作用在模具底座的支撐點(diǎn)上。

細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)要求

復(fù)合材料模具設(shè)計(jì)中細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)非常重要，直接影響到模具使用的可操作性、方便性及自動(dòng)化程度，甚至影響復(fù)合材料制件的質(zhì)量。模具上的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)（圖7）包括但不限于以下內(nèi)容：



（1） 產(chǎn)品線：即產(chǎn)品的外形輪廓線，用于非數(shù)控切邊時(shí)使用，決定了產(chǎn)品的外形尺寸的精度；設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮模具材料的膨脹因素作適當(dāng)縮放處理，產(chǎn)品線的位置精度和寬度精度都需要根據(jù)復(fù)材制件外形尺寸精度要求定義在模具設(shè)計(jì)中。
（2） 鋪貼線：由于制件邊緣鋪貼不完全齊整，以及流膠、擋膠條、打真空袋等因素導(dǎo)致固化后產(chǎn)品邊緣質(zhì)量不高，需要在產(chǎn)品線外一定距離開(kāi)始鋪貼，在制件上將留有一定余量待加工掉。同時(shí)，鋪貼線用于無(wú)激光投影時(shí)手工鋪貼定位，以控制鋪貼余量，既不浪費(fèi)太多的料，又能保證產(chǎn)品質(zhì)量。通常鋪貼線到產(chǎn)品線可留20~30mm。
（3） 基準(zhǔn)孔：用于模具機(jī)加和檢測(cè)時(shí)作為基準(zhǔn)，精度要高，并保證可重復(fù)使用。基準(zhǔn)孔坐標(biāo)值通?？逃谀＞呱媳阌谑褂?。
（4） 靶標(biāo)孔：用于手動(dòng)鋪貼時(shí)放置激光投影的靶標(biāo)，以定位鋪層區(qū)域。靶標(biāo)孔按實(shí)測(cè)值即可，坐標(biāo)值刻于模具上。
（5） 自動(dòng)鋪帶十字刻線：十字刻線中心用于自動(dòng)鋪帶時(shí)目標(biāo)定位，十字線中心點(diǎn)的坐標(biāo)刻于模具上。
（6） 復(fù)材制件定位孔：也叫制件工藝耳片孔，用于復(fù)材制件在脫模后檢測(cè)、機(jī)加和裝配時(shí)作定位基準(zhǔn)，精度要求高。此孔需要有相應(yīng)的鉆模板來(lái)準(zhǔn)確定位，鉆孔需要在脫模前進(jìn)行，孔應(yīng)該在模具的法線方向。 本文來(lái)自123
（7） 余量區(qū)：在鋪貼線到模具邊緣需要留有一定距離用于打真空袋及自動(dòng)鋪帶退料。通常手工鋪貼模具的余量區(qū)在100~200mm，而自動(dòng)鋪帶則需要200~300mm。
（8） 人性化設(shè)計(jì)：模具設(shè)計(jì)時(shí)要考慮工裝使用安全、便利，比如工裝的高度要適于鋪貼、檢查；模具鋪貼、搬運(yùn)時(shí)要穩(wěn)，不會(huì)有砸到的危險(xiǎn)；當(dāng)重量超過(guò)人工搬運(yùn)的重量時(shí)，要設(shè)計(jì)輔助工裝協(xié)助模具轉(zhuǎn)運(yùn)。

特大型模具的約束因素

復(fù)材成型模具通常都非常笨重，如尾翼、機(jī)翼、機(jī)身等制件成型模具，動(dòng)則十幾噸，甚至幾十噸。如此大而重的模具，在制造、運(yùn)輸和使用過(guò)程中將大大增加難度。
設(shè)計(jì)過(guò)程：隨著尺寸的增大，保證模具加工精度、熱均勻性以及變形控制的難度將提高。在設(shè)計(jì)時(shí)，這些因素都應(yīng)考慮到，如基準(zhǔn)的設(shè)定、公差的分配，以及應(yīng)力計(jì)算，還有目前正在研究的考慮到熱壓罐的溫度場(chǎng)對(duì)模具熱分布的影響等。

內(nèi)容來(lái)自123456

制造過(guò)程：要保證大型模具的制造精度、氣密性等設(shè)計(jì)要求，對(duì)焊接、熱處理、數(shù)控機(jī)加及檢測(cè)技術(shù)等都提出了很高的要求，目前如激光焊接、氦氣檢漏等新工藝正逐步應(yīng)用到大型模具的制造中。
運(yùn)輸過(guò)程：重量過(guò)大則對(duì)橋梁、路基有更高的要求；尺寸增大對(duì)關(guān)卡、收費(fèi)站等寬度有要求，通常長(zhǎng)寬均超過(guò)3.5m時(shí)將受限，而達(dá)到5m以上時(shí)，將要對(duì)整個(gè)運(yùn)輸?shù)缆愤M(jìn)行考察，甚至改造。此情況下，需要考慮將模具分塊制造，運(yùn)輸?shù)街圃飕F(xiàn)場(chǎng)以后進(jìn)行焊接。
使用過(guò)程：對(duì)于大尺寸、大噸位的模具，通常需要在廠房規(guī)劃和設(shè)備采購(gòu)時(shí)就考慮轉(zhuǎn)運(yùn)空間、吊車噸位、設(shè)備行程等因素。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，模具設(shè)計(jì)不僅需要考慮工程、工藝輸入，還需要考慮制造加工能力、運(yùn)輸、使用及相關(guān)設(shè)備能力等因素，使設(shè)計(jì)出的模具不僅能制造出合格的復(fù)材制件，還能達(dá)到降低成本、方便使用的更高目標(biāo)。目前，減重、變形控制、人性化設(shè)計(jì)等是模具優(yōu)化的發(fā)展方向，利用不斷升級(jí)的設(shè)計(jì)工具，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，復(fù)材成型模具將會(huì)得到更好的優(yōu)化，從而促進(jìn)復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的發(fā)展。（責(zé)編　夏宛）

作者：晏冬秀 劉衛(wèi)平等
作者單位：上海飛機(jī)制造有限公司航研所