復合材料熱壓罐成型模具設計研究

來源：塑膠五金網(wǎng)發(fā)布時間：2014-05-13 09:25:41點擊率：

　　隨著復合材料在飛機結(jié)構(gòu)件上用量的逐步增加，零件越來越大而復雜，并逐步使用到主承力件上，這對復合材料制件的質(zhì)量提出了更高的要求。因復合材料制件的固化成型特點，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)量的模具來源于科學、合理的設計，特別是對于大型模具，除模具質(zhì)量對制件質(zhì)量的影響外，模具的尺寸、重量對模具成本以及復材制件的總制造成本有很大影響。

　　通過對復合材料熱壓罐成型模具的設計、制造、轉(zhuǎn)運及使用驗證等工程研究及分析，結(jié)合復材模具設計的經(jīng)驗方法，歸納出以下幾點模具設計原則。

　　滿足制件結(jié)構(gòu)及工藝要求

　　在設計復合材料成型模具前，要對制件的設計輸入進行充分分析，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，可對模具有個大致概念，壁板常為大型框架結(jié)構(gòu);梁一般較長，常有陰模、陽模形式,長桁一般為細長結(jié)構(gòu);整體盒段一般需上下合模。

　　(2)分析制件的工程界面。是否有氣動面、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)較復雜時，設計可考慮在工程界面?zhèn)忍砑友a償層，此時貼膜面可設計在工程界面的背面。

　　(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，可通過設計合理的模具結(jié)構(gòu)、定位方法及加工方法來達到精度要求。

　　(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.共固化中，所有層為濕鋪層一次進罐，需要較多模具組合到一起同時使用，通常整套模具較復雜;共膠接為干濕件進罐固化，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罐固化的模具;二次膠接時所有零件已固化，通過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。

　　模具材料的選擇

　　用作復合材料成型模具的材料主要有普通鋼、INVAR鋼、復合材料(雙馬和環(huán)氧樹脂)、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)來選擇

　　對于機身、翼面、舵面等大尺寸、大曲率的模具，通常選擇INVAR鋼，對于一些配合要求高的梁、肋、長桁等也常選擇INVAR鋼;對于鋪絲需要回轉(zhuǎn)的工裝，考慮到重量因素，復合材料模具是一個不錯的選擇;對于形狀不是太復雜、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計時得到補償。不同模具材料的性能特點及使用范圍如表1所示。

　　模具熱膨脹的補償

　　當模具與預浸料進熱壓罐固化時，隨著溫度的升高，模具會膨脹而使尺寸增大，達到保溫狀態(tài)時大，此時預浸料反應固化，與模具尺寸一致。在固化完成后降溫的過程中，模具和固化好的制件都會收縮，但如果模具材料與復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鋼和復合材料模具受熱膨脹對制件的影響很小，可忽略不計;但普通鋼和鋁則有影響，特別是當尺寸大時，必須要考慮膨脹量，否則產(chǎn)品尺寸會隨模具的膨脹而偏大。

　　模具熱膨脹可采取一定的補償方法，按經(jīng)驗公式及試驗驗證，以制件質(zhì)心為中心，把整個制件按如下糾正系數(shù)縮小，在模具設計時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為復合材料制件的熱膨脹系數(shù);△T為固化溫度和室溫的差值。

　　另一方面，模具熱膨脹還將影響到制件的變形及脫模等問題。在設計模具時要把這些因素考慮進去。如收縮變形是否能通過模具結(jié)構(gòu)的對稱性來抵消，或后處理來消除;凸模的收縮可能會有助于脫模，特別是對于有微小閉角的零件，凹模的收縮將增加脫模的難度。通過考慮這些因素，結(jié)合復材制件的產(chǎn)品要求，來選擇合適的模具材料及模具的結(jié)構(gòu)形式。同時，也可以通過數(shù)字模擬，結(jié)合試驗件的驗證來優(yōu)化模具設計。

　　模具回彈角的補償

　　除模具的膨脹對制件固化變形有影響外，復合材料制件因為鋪層和結(jié)構(gòu)的不對稱性，以及材料本身的固化特性，在固化時產(chǎn)生內(nèi)應力也將引起制件變形。而對于梁、長桁類有大夾角的零件，固化變形顯著的是回彈角，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。在設計時，不考慮回彈角或考慮不當，將對制件質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，特別是對裝配的影響。

　　回彈角因與模具材料，鋪層方向及結(jié)構(gòu)對稱性有關，可通過數(shù)字模擬及試驗測試的方法得到，目前用的較多的是通過經(jīng)驗值結(jié)合試驗值來獲得回彈角的大小，而數(shù)字模擬有待于提高對熱壓罐溫度場及復合材料反應機理的分析。在模具設計時，預先把回彈角考慮進去，即制件夾角加上回彈角等于模具夾角，使制件在脫?；貜椇蠓瞎こ虜?shù)模要求。

　　應力分析準則

　　目前國內(nèi)的復合材料成型模具一般都是通過保守估計的方法設計，沒有通過強度分析優(yōu)化，這樣設計出來的模具，特別是大型制件的模具，通常都非常笨重，不僅耗費大量材料，因熱容量升高也可能影響到固化反應，同時對運輸、使用過程的相關設備噸位要求很高，大大增加了成本，甚至影響了制造能力。因此，減重是模具設計優(yōu)化的一個重要方面。減重的方法必須要通過合理的計算，否則會直接影響到模具的強度和剛度，導致使用過程中產(chǎn)生變形而影響制件質(zhì)量。同時，對于吊環(huán)、輪子、撐腳也需要進行強度校核，以確保模具能夠安全地起吊和轉(zhuǎn)運。

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