先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件成型模具和工裝技術(shù)

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1、MoldingandToolingTechnologyinAdvancedCompositesComponent西北工業(yè)大學(xué)陜西省數(shù)字化制造工程技術(shù)研究中心王永軍元振毅中航工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司楊選宏楊紹昌廠王永軍副教授、博士。研究方向?yàn)榻饘偎苄猿尚?、?fù)合材料成型、計(jì)算機(jī)集成制造、成形設(shè)備數(shù)控技術(shù)。曾主持和參加研究課題20余項(xiàng)，發(fā)表論文30余篇，獲得發(fā)明專利5項(xiàng)。獲省部級(jí)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，獲省級(jí)教學(xué)成果一等獎(jiǎng)1項(xiàng)。32航空制造技術(shù)·2013年第10期田衛(wèi)孫永慶市場(chǎng)對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)量

2、、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。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(jiǎn)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T藝條件，材料成型和構(gòu)件成型同時(shí)完成，其形位精度主

3、要依靠相應(yīng)的模具和-T．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T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?。在進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)要考慮

4、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{2l。止1／[(弘．尸)X△T+l】，(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

5、值。對(duì)于簡(jiǎn)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)

6、物照片?！?、—司薯乏蜀巴=!=自容式模具(圖3)系統(tǒng)，圖1復(fù)合材料成型框架式模具圖2組合模具【3(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

7、(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)。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)。(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

8、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?；驓饽倚灸?。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