复合材料硅橡胶膨胀加压成型模具的设计与制造.pdf

２０１５年第５期玻璃钢／复合材料８１复合材料硅橡胶膨胀加压成型模具的设计与制造夏景云（江苏恒神纤维材料有限公司，江苏丹阳２１２３１４）摘要：硅橡胶膨胀加压成型工艺是一种改进型的复合材料加压成型方法，成型时，将硅橡胶芯模与复合材料预浸料一起放置在刚性外模内，硅橡胶加热膨胀后，对产品施加压力。因为硅橡胶的加压形式与过程调控简便，所以可以制作模压或热压罐等传统方法无法制造的产品。本文介绍了硅橡胶膨胀模设计中的压力计算和压力测量方法，并介绍硅橡胶浇注模的设计和传递式硅橡胶热膨胀模的设计。关键词：复合材料；硅橡胶；加压成型———中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ文章编号：１００３０９９９（２０１５）０５００８１０４１前言热膨胀硅橡胶是一种专门配制的室温硫化硅橡胶。在复合材料预浸料的加压成型工艺中，利用其膨胀系数大、耐热性好和机械强度高等特点，把硅橡胶芯模和复合材料预浸料一起放在一个刚性外模中，将整个模具放人固化炉内加热。硅橡胶受热膨胀，同时受到刚性外模的约束，产生足以满足复合材料固化所需的压力，高质量的复合材料制件得以一次成型。这种成型工艺特别适用于形状复杂的制件（可多个面同时加压）和中空制件（可从内部加压）。其优点是模具制造工艺相对简单，成本低，制品质量高，特别是能解决金属模具或热压罐等传统方法不能解决的问题¨。国外热膨胀硅橡胶模具加工复合材料工艺在２Ｏ世纪７０年代已采用，主要是用于航空航天等高技术及军事应用领域，出于技术封锁的原因，见诸文献报道的很少。国内，热膨胀硅橡胶于２０世纪９０年代开始应用于航天、航空复合材料的生产Ｊ。期间，成都有机硅研究中心开发出了专门应用于热膨胀成型模的Ｒ一１０３０１双组分液体硅橡胶，并在复合材料硅橡胶热膨胀成型工艺中得到了广泛应用］，如鞠金山利用热膨胀模塑工艺试制了高精度雷达天线测量杆Ｊ、苑玲等采用热膨胀模塑法制备了发动机燃烧室壳体内衬＿９ｊ、董云明等用热压罐硅橡胶软模热膨胀法制备了大型盒形件¨叫等。本文借鉴了以前硅橡胶膨胀模设计和应用的经验，并结合工作中总结的经验，进一步细化了硅橡胶膨胀模设计中的压力计算和压力测量方法，并介绍了硅橡胶浇注模的设计和传递式硅橡胶热膨胀模的设计。２膨胀压力的设计２．１膨胀压力的计算硅橡胶膨胀芯模制作完成后，与复合材料预浸料一起放入成型的金属模内，加热后硅橡胶膨胀产生压力，使复合材料产品加压成型。需要注意的是，在模具设计前，首先要进行膨胀压力的设计，因为膨胀压力的大小将直接影响复合材料制品的质量。硅橡胶膨胀加压工艺与一般加压工艺最大的不同在于，一般加压工艺是通过压机或热压罐给产品施加压力，成型压力可通过设备控制。而硅橡胶模具是通过其本身的硅橡胶膨胀给产品加压，在生产过程中，成型压力无法控制，且不可测。所以在设计硅橡胶膨胀加压模具之前，就要通过确定硅橡胶厚度、形状和与制品之间的间隙来调节模具的膨胀压力¨。以下是一个圆柱形硅橡胶模具膨胀压力设计的实例：此硅橡胶模应用于一种需要从内部加压的复合材料圆管制件成型工艺。成型过程中，先制作一个圆管形复合材料预制体，放入金属阴模中，再将圆柱形硅橡胶塞入预制体中央，加热后，硅橡胶膨胀给预制体施加成型压力。模具结构见图１。收稿日期：２０１４．１０－０８作者简介：夏景云（１９７８．），男，工程师，主要从事复合材料工艺方面的研究。蜘鬈溉＿复合材料硅橡胶膨胀加压成型模具的设计与制造２０１５年５月确保硅橡胶只有一个方向可以膨胀，另外几个方向的膨胀则需要通过模具设计进行约束。这样既可以减少硅橡胶自由膨胀造成的膨胀压力损失，又可以较为准确地计算成型时的膨胀压力。图６所示的模具中，热膨胀硅橡胶都是规则的长方体，则膨胀压力的计算如以下公式：：：二ｒｓ、，ｖ＝一一：一一Ｉ＇、ｌ△△Ｘ１ｙｚ、Ｐ：Ｋ（６）ｇｅｌＬ２一１ｙｚ式中，、Ｙ、分别为硅橡胶的长宽高，其中Ｙ、ｚ方向都被模具约束无法膨胀，只有方向可以受热膨胀，其中为膨胀前的厚度、：为在模具内膨胀的厚度、为自由膨胀的厚度，其余都为常数。这样，在知道要求的膨胀压力后，就可以很容易地设计出硅橡胶所需的厚度。此外，在设计传递式硅橡胶热膨胀模时也要考虑金属模块之间的间隙，因为硅橡胶具有粘弹性，受热膨胀后，会从任何间隙内挤出。这样不但会损失压力，而且硅橡胶在挤出的过程中会受到金属模的剪切力，极易损坏，导致硅橡胶模具不能循环使用。要解决这个问题，各金属模块之间的间隙应控制在０．２ｍｍ之内，若有些部位的间隙不可避免，则可考虑在间隙内垫人硅橡胶密封圈，每次使用后更换密封圈即可。５总结聚合物基复合材料由于具有优异性能，在航空航天等领域的应用日趋扩展，但很多制品结构形状复杂，若采用传统的复合材料成型法，制造成本高或难以制造，这就给了硅橡胶膨胀加压成型法很大的施展空间。可以预见的是，热膨胀硅橡胶成型法仍将在复合材料生产中起到重要的作用。本文只是介绍了一些热膨胀硅橡胶模具的一些设计原理和方法，以及在以前制造生产中总结出的一些经验。因为目前热膨胀硅橡胶的种类众多，复合材料制品的形状又各异，所以在实际热膨胀硅橡胶模具的设计和制造中还会遇到很多问题，这就需要我们在今后的研究、生产过程中进一步发现、完善和总结。参考文献［１］杨俊华．近年国外硅橡胶的某些技术进展［Ｊ］．合成橡胶工业，１９９１，１４（５）：３７３．［２］贾玉玺，程雪玲，孙胜，等．硅橡胶模具技术的研究现状与展望［Ｊ］．山东大学学报（工学版），２００３，３３（１）：３３．［３］钱玉林．热膨胀硅橡胶的性质及用途［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，１９８５，（３）：２０．—［４］ＨｅｒｒｙＭＤｅｕｔｅｃｈ．ＥＬＡＳＴＯＭＥＲＩＥＴＯＯＬＩＮＧＤＥＳＩＧＮＦＯＲＡＤ—ＶＡＮＣＥＤＣＯＭＰＯＳＩＴＥＳ［ｚ］．ＴｈｅＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＯ１１ＡｄｖａｎｃｅｄＣｏｒｎｐｏｓｉｔｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９７８．［５］钱玉林．复合材料热膨胀模塑法成型工艺简介［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，１９８６，（增刊）：１３．［６］孙巍．复合材料成型模具用硅橡胶性能测试及其改性［Ｄ］．长沙：国防科技大学，１９９７．［７］陈伟方．热膨胀硅橡胶的特性和应用［Ｊ］．化工部成都有机硅研究中心，１９９１，３．［８］鞠金山．碳／环氧复合材料在雷达天线测量杆上的应用研究［Ｊ］．电讯技术，１９９８，３８（２）：４５．［９］苑玲，甄华生．软模热膨胀法成型发动机燃烧室壳体贴壁内衬［Ｊ］．宇航材料工艺，１９９３，２３（２）：３８．［１０］董云明，倪荣根．大型复合材料盒形件的工艺研究［Ｊ］．材料工程，１９９２，（５）：３４．［１１］罗辑．热膨胀工艺硅橡胶芯模对复合材料圆管成型的影响［Ｊ］．—复合材料学报，２０１２，４：４０４５．ＤＥＳｌＧＡＮＤＭＡＵＦＡＣｒｌＵＲＥＯＦＳＩＬｌＣＡＲＵＢＢＥＲＰＲＥＳＳＵＲＥＭｏＬＤＦｏＲＣｏＭＰｏＳＩＴＥＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ—ＸＩＡＪｉｎｇｙｕｎ（ＪｉａｎｇｓｕＨｅｎｇｓｈｅｎＦｉｂｅｒＭａｔｅｒｉａｌｓＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｄａｎｙａｎｇ２１２３１４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｉｌｉｃａｒｕｂｂｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｍｏｌｄｉｎｇｉｓｏｎｅｏｆａｎｅｗｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍｏｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅｓｉｌｉｃａｒｕｂｂｅｒｍｏｕｌｄａｎｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｒｅｐｒａｇａｒｅｐｕｔｔｏｇｅｔｈｅｒｉｎｔｏａｒｉｇｉｄｏｕｔｅｒｔｏｏｌｉｎｇｄｕｒｉｎｇｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ．Ｔｈｅｓｉｌｉｃａｒｕｂｂｅｒｍｏｕｌｄｗｉｌｌ—ｇｉｖｅｐｒｅｓｓｕｒｅｏｎｐｒｅｐｒａｇｗｈｅｎｉｔｉｓｈｅａｔｅｄ．Ｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｓｉｌｉｃａｒｕｂｂｅｒｉｓｃｈａｎｇｅａｂｌｅ，ｉｔｃａｎｐｒｏ’ｄｕｃｅｍａｎｙｐｒｏｄｕｃｔｓｗｈｉｃｈｃａｎｔｂｅｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｓｏｍｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｓｕｃｈａｓｍｏｌｄｉｎｇｏｒａｕｔｏｃｌａｖｅ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｅｘｐａｎｓｉｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｓｉｌｉｃａｒｕｂｂｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｍｏｌｄｉｎｇ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｌｓｏｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｃａｓｔｉｎｇｔｏｏｌｉｎｇａｎｄｔｒａｎｓｉｔｉｖｅｓｉｌｉｃａｒｕｂｂｅｒｍｏｌｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；ｓｉｌｉｃａｒｕｂｂｅｒ；ｐｒｅｓｓｕｒｅｍｏｌｄｉｎｇ矾，ｃ＿Ｓ＝＝¨¨一一