先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件成型模具和工裝技術(shù)

近年來，先進(jìn)復(fù)合材料在現(xiàn)代飛機(jī)上的用量不斷擴(kuò)大，已經(jīng)成為鋁、鋼、鈦之外的第4大航空結(jié)構(gòu)材料。復(fù)合材料在A380中用量達(dá)總重量的25%，在B787中更是達(dá)到了50%，在A350XWB結(jié)構(gòu)上的用量達(dá)到了52%。其中應(yīng)用最多的仍然是玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、硼纖維等高性能纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料，簡稱先進(jìn)復(fù)合材料。其突出特點(diǎn)是構(gòu)件在成型過程中，需要加熱、加壓和抽真空等工藝條件，材料成型和構(gòu)件成型同時(shí)完成，其形位精度主要依靠相應(yīng)的模具和工裝來保證。市場(chǎng)對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)量、性能、成本、周期等要求的不斷提高，促進(jìn)了先進(jìn)復(fù)合材料工藝技術(shù)及其模具和工裝技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展。

模具和工裝的設(shè)計(jì)技術(shù)

在CAD技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，復(fù)合材料成型模具和工裝廣泛采用數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)，許多常用的結(jié)構(gòu)采用模塊化和參數(shù)化設(shè)計(jì)，以提高設(shè)計(jì)效率。

復(fù)合材料模具與常規(guī)鈑金成型模具的不同之處在于：對(duì)累積公差的要求更加嚴(yán)格；模具與零件貼合面尺寸的差異取決于模具的類型及其熱膨脹特性；復(fù)合材料零件的最后尺寸是基體最高固化溫度下的尺寸[1]。
在進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)要考慮熱匹配問題，鋼和鋁的熱膨脹系數(shù)比大多數(shù)碳/石墨復(fù)合材料約大出一個(gè)數(shù)量級(jí)，當(dāng)從固化峰值溫度向下冷卻時(shí)，金屬模具的收縮會(huì)在構(gòu)件中引起嚴(yán)重的殘余應(yīng)變或固有應(yīng)變。在進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)，如果不能通過尺寸修正，則需要使用熱膨脹系數(shù)較低的復(fù)合材料模具。一般采取一定的熱膨脹補(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)制件按式（1）縮小。按照縮小后的制件作為工程設(shè)計(jì)輸入[2]。
F=1/ [（T-P）×△T +1]，（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。

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對(duì)于簡單的角度回彈問題，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的角度，使制件脫?；貜椇蠓瞎に嚁?shù)模要求。
對(duì)于復(fù)雜的制件，采用CAE技術(shù)模擬分析模具和工裝的結(jié)構(gòu)剛度、熱膨脹、溫度場(chǎng)分布等效果，為模具溫度補(bǔ)償和回彈修正設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

模具和工裝結(jié)構(gòu)形式

復(fù)合材料成型工藝方法較多，相應(yīng)的模具結(jié)構(gòu)形式多種多樣，先進(jìn)復(fù)合材料成型模具結(jié)構(gòu)形式主要分為如下幾類：
（1）框架式模具。
為了增強(qiáng)模模具局部和整體剛度，提高模具型面加熱效率，減少模具變形，采用隔柵結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)制造模具骨架。圖1為框架式模具實(shí)物照片。



（2）整體式模具。
對(duì)較小尺寸的復(fù)材制件，或采用石墨等材料制造模具時(shí)，可采用整體式模具，便于機(jī)械加工。
（3）組合式模具。
組合模具（圖2）通常采用金屬制造，主要用于壓機(jī)成型、模壓成型、樹脂傳遞模塑成型和注射模成型。組合模通常由上下2個(gè)半模構(gòu)成，其加熱方式可以通過模具的上下壓盤傳導(dǎo)加熱，也可以通過附近的熱源給模具加熱，或內(nèi)置的模具加熱系統(tǒng)加熱。



液態(tài)成型技術(shù)包括了樹脂轉(zhuǎn)移模塑（RTM），及由RTM發(fā)展出來的真空輔助成型（VARTM），樹脂模溶滲成型（RFI）等。RIM模具結(jié)構(gòu)通常分為3部分，1部分為型體，其余2部分為2個(gè)端蓋，對(duì)形狀復(fù)雜的或尺寸大的制品可將型體部分再分割組合，分型面分別做出凸舌與凹溝，并在2個(gè)端蓋處設(shè)計(jì)注射口及排氣口，同時(shí)考慮樹脂分流道。
（4）自容式模具系統(tǒng)。
自容式模具（圖3）系統(tǒng)，加熱和加壓是模具的一部分，熱源可以是電、熱油或蒸汽，能夠解決一些熱壓罐的不足之處，可以用來生產(chǎn)大于現(xiàn)有設(shè)備的零部件，且具有成本低、升壓速度快、溫度控制精確的優(yōu)點(diǎn)。

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（5）彈性體模具。
彈性體模具系統(tǒng)，用于整體加強(qiáng)壁板的共固化制造中，可成型如方向舵、水平安定面、擾流板、副翼以及小型翼盒等盒形結(jié)構(gòu)。彈性體模具系統(tǒng)的一個(gè)變種是膨脹芯模或氣囊芯模。用外面的充氣源給它們充氣使其膨脹，并將壓力傳遞到層合板的表面。
（6）易變形模具。
易變形模具是指這種模具在某一種物理狀態(tài)下保持一定模具形狀，在另一種物理狀態(tài)下變成另外的模具形狀。比較有代表性的易變形模具是形狀記憶高分子模具，這種模具通常由記憶成型構(gòu)件原始形狀的固定相和隨溫度變化能發(fā)生可逆軟化與硬化變化的可逆相組成。固定相的作用是記憶與回復(fù)成型構(gòu)件原始形狀，而可逆相的作用則是發(fā)生與固定形變。
（7）連續(xù)成型模具。
主要有拉擠成型模具和擠壓成型模具。
拉擠加工過程是將浸有樹脂的纖維連續(xù)通過一定型面的加熱口模，擠出多余的樹脂，在牽引條件下進(jìn)行固化。
連續(xù)擠壓是一種多工步過程，其成型模具為組合式，多運(yùn)動(dòng)部件組成。首先多層熱塑性帶在模具中加熱并壓成層合板，而后將層合板壓入成型模具并加熱壓成所需截面的型材，最后將型材通過連續(xù)壓模壓成所需的彎曲形狀，這種方法可以成型彎曲甚至扭轉(zhuǎn)和變截面的型材零件，是一種新型的成型工藝。圖4為其成型模具和設(shè)備。



（8）模具加熱系統(tǒng)。
模具加熱系統(tǒng)主要分為：熱氣外部加熱，通常采用熱壓罐（圖5）或水壓罐加熱；模具本身或與模具緊密接觸臺(tái)板的電加熱；電加熱毯局部加熱；模具或臺(tái)板內(nèi)部的流體加熱，通常采用蒸汽或熱油；高速噴射氣流加熱系統(tǒng)；微波加熱和感應(yīng)加熱系統(tǒng)，主要用于小零件，對(duì)于較厚的層合板，可使其從內(nèi)到外發(fā)生固化。 本文來自123



固化容器系統(tǒng)主要有熱壓罐、水壓罐、壓容器、烘箱和熱分流罐。其中熱壓罐是一種普遍使用的通用系統(tǒng)，壓力可達(dá)3.0MPa，具有成本高、固化周期長的特點(diǎn)。水壓罐壓力更高，可達(dá)80MPa，具有成本低的優(yōu)點(diǎn)。烘箱是一個(gè)加熱容器，用于低壓或真空壓力下復(fù)合材料構(gòu)件的固化，通過使用橡膠等高膨脹的模具材料，或者在模具中使用高壓氣體以提高其壓力，其突出優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行成本較低。熱分流罐是利用獨(dú)特的壓力容器提供成型的壓力和熱量，其中介質(zhì)的膨脹和收縮是通過蒸汽和冷水流經(jīng)埋在介質(zhì)內(nèi)的管線來實(shí)現(xiàn)。

模具和工裝材料

對(duì)具有較大曲度的復(fù)雜構(gòu)件，當(dāng)模具與復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)出現(xiàn)嚴(yán)重失配時(shí)，會(huì)使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和尺寸精度嚴(yán)重降低。在大型復(fù)合材料模具選材中，應(yīng)考慮的主要因素是模具和制件之間熱膨脹的一致性。常用的模具材料有：鋁或鋼、整體石墨、陶瓷、硅橡膠、電鑄鎳、殷鋼、銅合金、Avamid-N、復(fù)合材料膜塑模具等。

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殷鋼是Invariable Alloy的簡稱，是鐵與鎳等稀有金屬制成的含有33%左右鎳的一種合金，主要的特征是在加熱時(shí)膨脹系數(shù)很小，僅為2.20×10-6(/℃)，遠(yuǎn)低于已知的任何一種金屬的膨脹系數(shù)，只相當(dāng)于碳鋼膨脹系數(shù)的1/6，且經(jīng)適當(dāng)?shù)幕鼗?、壓延和旋展后，可均勻地保持近零的膨脹系?shù)。它從根本上克服了碳鋼受熱易變形的弱點(diǎn)。殷鋼主要有殷鋼36（含36%的鎳）和殷鋼42（含42%的鎳），是一種低碳奧氏體合金鋼，其熱膨脹系數(shù)與復(fù)合材料相匹配。圖6為殷鋼模具的一個(gè)范例。



易溶模具是指采用在某種溶劑中易于溶解的材料運(yùn)用澆鑄法或模壓法制成空心或?qū)嵭牡哪＞摺?fù)合材料構(gòu)件依賴這種模具成型后，從開口處通入合適溫度的溶劑，使模具材料溶解進(jìn)而從構(gòu)件中流出。低溶鹽和石膏是常用的芯模材料。另外，水溶性型芯材料也可由粘結(jié)劑和陶瓷填料組成，粘結(jié)劑為有機(jī)高分子材料，具有脫水固化、遇水溶解的可逆特性；陶瓷填料由氧化鋁和高嶺土組成，陶瓷料漿的固相體積分?jǐn)?shù)使粘結(jié)劑具有良好的水溶性和高的熱分解溫度[7]。圖7為易容模芯的使用原理。 123,123



復(fù)合材料模具多采用碳纖維或玻璃纖維復(fù)合材料制成，模具的熱膨脹系數(shù)與成型構(gòu)件的熱膨脹系數(shù)大致相匹配，很好地保證了產(chǎn)品尺寸和型面精度，且模具重量輕。缺點(diǎn)是模具的制造工藝復(fù)雜、表面密封性較差、表面硬度較低、與金屬模具相比使用壽命較短，且制造成本高。

整體石墨模具具有熱膨脹系數(shù)低、熱導(dǎo)率高、熱容量低和尺寸穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)主要有升溫慢和易碎，通常需要表面涂層。
陶瓷模具熱膨脹系數(shù)較低，同時(shí)還是優(yōu)良的絕緣體，但是成本高、難加工、熱導(dǎo)率低、易碎。
碳泡沫是一種新型復(fù)合材料成型模具材料，其特點(diǎn)包括：（1）與碳纖維復(fù)合材料同屬于碳材料，熱膨脹匹配好，尺寸穩(wěn)定性好；（2）重量輕，適合大尺寸復(fù)合材料構(gòu)件成型；（3）耐高溫，適合復(fù)合材料成型；（4）易于快速成型，易于機(jī)械加工和膠接成型，成本較低；（5）滿足氣密性需要特殊處理；（6）碳泡沫適合制造小批量復(fù)合材料構(gòu)件的成型模具。 123456
硅橡膠模具是利用硅橡膠受熱膨脹的原理，使壓力通過硅橡膠傳遞到制件上，達(dá)到對(duì)制件加壓的作用。
丙烯酸酯膠片是通過將丙烯酸酯做成所需模具的形狀，經(jīng)硫化后即可使用。該模具同硅橡膠模具相同，也是同金屬模具配合使用。若制件的結(jié)構(gòu)尺寸及表面要求較高時(shí)，則需在丙烯酸酯內(nèi)鋪纖維預(yù)浸料或其它加強(qiáng)材料，并且最好用金屬模具硫化，以保證硫化后模具的尺寸穩(wěn)定及表面質(zhì)量。
低熔點(diǎn)合金模具的種類很多，如鉛鋅模、秘錫模、鋅基合金模等，其特點(diǎn)是熔點(diǎn)低、易于制模，其難點(diǎn)在于控制其凝固收縮率。美國從20世紀(jì)70年代開始研制符合生產(chǎn)復(fù)合材料制品的鋅基合金模具。鋅基合金用于復(fù)合材料制件成型模具有突出優(yōu)點(diǎn)，如制模簡便、制造周期短、生產(chǎn)成本低，并具有足夠的強(qiáng)度、剛度、硬度、光潔度、氣密性，使用壽命長，導(dǎo)熱率高等。美國在20世紀(jì)80年代研制的Kirksite鋅基合金模具，成功地制成了波音737尾部整流罩等復(fù)合材料大型結(jié)構(gòu)件[9]。

內(nèi)容來自123456

模具和工裝制造方法

采用殷鋼包絡(luò)板框架式焊接結(jié)構(gòu)，型面一般采用10 mm厚的殷鋼板焊接。由于型板只有10 mm厚，需要解決漏氣問題，減少焊接變形和內(nèi)應(yīng)力，保證模具密封性。
非金屬模具一般采用多工步完成，用復(fù)合材料制造模具的常規(guī)順序?yàn)椋翰捎檬嘀谱骰鶞?zhǔn)模型，而后進(jìn)行數(shù)控加工；在基準(zhǔn)模型上增加塑膠層；采用濕法鋪貼或預(yù)浸料鋪貼，將石墨/環(huán)氧鋪層或玻璃編織布或碳纖維編織布鋪貼在塑膠面石膏模上，并采用真空烘箱和熱壓罐壓實(shí)技術(shù)制造生產(chǎn)用模具。
電沉積鎳模具是通過電沉積方法，在芯?；蛩芰夏＞呱闲纬梢粚涌慑兘饘賹樱缓髮⑿灸５热サ?。
氣相沉積鎳模具是通過氣相沉積的方法，在聚酰亞胺上沉積一層金屬鎳，如圖8所示。



金屬噴涂模具含有一層熱噴涂金屬殼，采用一些低成本材料結(jié)構(gòu)作支撐，如木材、石膏或模具蠟。這些模具在簡單的液壓或氣壓下可以整體加熱，因此能夠提高生產(chǎn)效率，降低能耗成本。
對(duì)于RTM模具，主要采用數(shù)控加工，其型腔表面的光潔度越高，做出產(chǎn)品的表面質(zhì)量也就越好，產(chǎn)品脫模時(shí)也就更加容易，不過相應(yīng)的加工費(fèi)用也會(huì)提高。


結(jié)束語

近年來，先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件成型模具和工裝技術(shù)發(fā)展迅速。國外在自容式模具系統(tǒng)、易變形模具、易溶模芯、以及連續(xù)擠壓成型等模具結(jié)構(gòu)方面已經(jīng)大量應(yīng)用，并且在殷鋼、碳泡沫、形狀記憶高分子材料等新材料方面和電沉積鎳、氣相沉積鎳等模具制造技術(shù)方面已成熟應(yīng)用，雖然有些技術(shù)我國已開始起步，但應(yīng)用的范圍和成熟度還滿足不了生產(chǎn)需求，急需在這方面加大研發(fā)力度，提升復(fù)合材料模具和工裝技術(shù)水平，為加快型號(hào)研制提供制造基礎(chǔ)技術(shù)保障。

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source:航空制造網(wǎng)