复合材料进气道的模具设计及工艺方案研究.pdf

２０１１年第６期玻璃钢／复合材料５７复合材料进气道的模具设计及工艺方案研究杨铁江，张明，张剑（西北工业大学第３６５研究所，西安７１００７２）摘要：在对金属模具、气囊模具及水溶性模具等三种复杂型面整体成型模具成型方案和成型工艺优缺点进行归纳总结的基础上，确定了采用水溶性成型模具作为研制阶段复合材料进气道的模具设计方案，并据此制定了进气道产品的成型工艺方案，根据上述两个方案成功完成了进气道物理样机制造并满足了产品设计技术要求，同时为封闭结构、复杂型面复合材料产品整体成型技术提供了一定的参考。关键词：复合材料；进气道；水溶性；模具设计；工艺方案中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ———文章编号：１００３０９９９（２０１１）０６００５７０４近年来，由于具有比强度高、比刚度大、便于大面积整体成型、可大大降低飞机机体结构重量等诸多优点，复合材料已成为世界各国飞机研制的首选材料，以复合材料为核心的飞机机体零部件制造技术已经成为航空制造技术的关键技术之一。随着复合材料制造技术的不断发展和提高，越来越多的复杂型面的飞机零部件开始采用复合材料制造。某型飞机进气道采用了全复合材料结构设计，结构示意简图如图１所示。图１进气道结构不意简图Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｉｎｌｅｔｄｕｃｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅ１模具方案上述进气道产品设计采用全复合材料结构，树脂基复合材料预浸料铺贴，热压罐固化成型。进气道的侧视图呈Ｓ形结构，结构形式复杂。同时，为了满足气动要求，进气道主体内型面要求光滑，产品不允许拼接。要满足上述技术要求，进气道产品必须采用阳模整体成型，但整体成型后，由于进气道结构复杂，两端截面形状差别很大，很难实现脱模。因此在模具方案的设计上需要采用新思路、新方法。经过对国内技术领先的几家复合材料产品制造企业的技术调研和归纳分析，确定了目前能满足类似进气道结构的封闭结构复合材料整体成型要求的模具方案主要有金属模具成型方案、气囊模具成型方案以及水溶性模具成型方案等三种方案。１．１金属模具成型方案金属模具成型方案是最为传统的一种复合材料产品成型方案。由于进气道结构复杂，不易脱模，模具采用整体阳模设计时，必须设计成多金属活块组合式结构，各活块内型在不影响模具结构强度的情况下作减重处理，各活块间采用螺钉、定位销等连接形式从内壁与中心转动轴连接，从而便于产品脱模时将活块按一定脱模次序逐块脱出。考虑到进气道尺寸较大，金属模具本身较重，设计时还需设计辅助支架来满足模具本身装配、拆解以及产品转动铺层需要。金属模具方案示意图如图２所示。图２金属模具方案示意图Ｆｉｇ．２Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｍｅｔａｌｍｏｕｌｄｐｌａｎ①金属模具方案特点：模具设计复杂（要仔细考虑各活块间的定位连接方式、组装方式及脱模方②式），设计和制造周期长、成本高；模具型面精度收稿日期：２０１１－０５－３１作者简介：杨铁江（１９７８一），男，硕士，工程师，主要从事飞机工艺装备设计方面的研究。ＦＲＰ／ＣＭｉＩ￣ＮＯ．６５８复合材料进气道的模具设计及工艺方案研究２０１１年１１月③高，但脱模复杂；模具使用周期长，适用于批量生④产；由模具成型的产品内型面精度高，表面光洁度高。１．２气囊模具成型方案气囊模具成型方案的模具基本结构为上下模及①②气囊芯模。模具制作流程为：制作上下模；将上下模装配在一起形成产品整个型面，在型面上制作③④产品假件；根据成型的产品假件制作气囊芯模；利用制作好的上下模及气囊芯模按一定工艺方案成型产品。气囊模具方案示意图如图３所示。图３气囊模具方案不意图Ｆｉｇ．３ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆＢａｌｌｏｏｎｍｏｕｌｄｐｌａｎ气囊模具成型基本流程：首先在上下模中按产品设计要求铺层；其次在已经铺好的复合材料预浸料的下模中放置气囊，将上下模以及带一定气压的气囊芯模组合装配到位；最后在模具外制作完整的真空袋，使整套模具的内外压力均衡后，在热压罐中加温加压进行固化。①气囊模具方案的特点：模具设计较复杂，由于要制作上下模和气囊芯模，模具制造周期较长，成本②较高；模具上下模及由上下模成型制作的气囊芯③模型面精度较高；上下模一般采用金属模制作，气囊芯模可采用硅橡胶制作，硅橡胶制作的芯模寿命④较短，适用于小批量生产；由模具成型的产品内外型面都能够控制。在精度和表面光洁度方面，外型⑤面较高，内型面稍差；由于气囊成型时充气膨胀压力均匀，不会使产品产生薄厚不一的现象，成型质量很高。１．３水溶性模具成型方案水溶性模具是近年来发展起来的一种模具制造方法，主要用于解决复杂型面封闭结构复合材料产品成型和难于脱模的问题，目前此项技术在国内外已经发展得较为成熟，针对不同的用途，各单位也研究开发出了多种水溶性模具材料。①水溶性模具成型的基本流程：根据复合材料产品的技术要求，选用合适的水溶性材料，经过配料、预成型、干燥、数控加工、表面处理等步骤完成水峨②溶性模具制造；根据产品成型工艺方案完成复合③材料产品的铺贴和固化成型；采用一定方式将水溶性模具用水溶解掉，完成复合材料产品脱模。水溶性模具方案成型过程示意图如图４所示。图４水溶性模具成型过程不意图—Ｆｉｇ．４Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｗａｔｅｒｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙｍｏｕｌｄｉｎｇｐｌａｎ①水溶性模具方案的特点：模具设计简单，只需根据产品型面设计制作水溶性芯模即可，而且模具②的制造周期短，成本低；模具预成型后采用数控加工型面，数控加工完成后，对模具型面进行表面光洁③度处理，精度较高；模具完成一件产品生产后必须溶于水来实现产品脱模，属一次性模具，适用于研发④阶段的产品试制及单件生产；由模具成型的产品内型面能够控制较好，精度较高，表面光洁度较高。通过对以上三种不同类型复杂型面、封闭结构的复合材料产品模具方案进行调研、分析和对比后，得出了三种模具成型方案各自的优缺点，对比如表１所示。表１三种模具成型方案的优缺点对比Ｔａｂｌｅ１Ｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｒｅｅｍｏｕｌｄｉｎｇｐｌａｎｓ１．４应用通过对以上三种模具设计方案优缺点的对比，同时基于进气道产品的研制周期及研制成本等方面的考虑，最终决定采用水溶性模具成型方案来进行２０１１年第６期玻璃钢／复合材料５９复合材料进气道的研制。根据复合材料进气道需热压罐固化成型，成型温度高、成型压力大等技术要求，经过对国内外多种水溶性模具材料的调研与工艺性试验后，最终确定采用水溶性石膏材料来制作进气道模具的成型芯模。选定的这种水溶性石膏材料在模具成型后具有强度高、加工性能优良、加工后表面光洁度较好、遇水可快速溶解、小批量生产成本低廉等优点，能够满足进气道产品的设计技术要求。２成型工艺方案根据水溶性模具成型方案，制定进气道产品成型工艺方案如下：进气道产品的铺贴材料根据设计要求选用英国ＡＣＧ公司的以ＭＴＭ２８为树脂基体的预浸料。这种预浸料采用中温固化（初始固化参数为在１２０￣（２下１ｈ固化），具有优良的粘接性能，可直接与蜂窝夹芯粘接而无需额外使用胶黏剂，成型方式可采用真空袋、热压罐或模压成型工艺进行固化成型。根据复合材料进气道产品的铺层和成型技术要求，结合水溶性石膏模具设计方案，制定复合材料进气道产品成型工艺流程如下：（１）脱模层制作：铺脱模布于模具表面，制袋冷抽使之与模具表面完全贴实。（２）主体铺贴：按产品设计铺层顺序把预浸料一层层铺贴在模具上，不允许一次多层铺贴。在铺层过程中每铺贴３至８层后抽真空预压实一次，以保证层问的真空压实。预压实时，抽真空不低于０．０８ＭＰａ，时间为１５ｍｉｎ左右。（３）工艺组合：铺层过程中将隔离膜、透气毡、真空袋等辅助材料按一定次序进行铺贴工艺组合。铺贴完成后，对制件进行密封性检查，保证产品制件真空度不低于一０．０９ＭＰａ，停止抽气后ｌＯｍｉｎ内真空度下降应不大于０．０２ＭＰａ。（４）固化：将组合好、做完密封性检查的进气道产品制件放入热压罐中，按预定固化程序和固化参数进行固化。固化参数如下：罐压０．５ＭＰａ；保压温≤度１２ＯｃＣ；保压时间１ｈ；升温速率与降温速率均３￣Ｃ／ｍｉｎ。固化后，保持加压条件，产品制件冷却到６０￣Ｃ以下，卸压后出罐，自然冷却至室温。（５）脱模：先用水慢慢浸湿石膏，再用工具将石膏模逐段破坏掉，最后完成进气道产品制件的脱模、清理和裁边工作。３结论在对国内领先的几家复合材料产品生产企业进行广泛调研的基础上，集中分析了目前国内复杂型面复合材料产品的成型方案，并通过深入细致的分析，对三种成型方案的优缺点从八个方面进行了比较，从中选出了最符合当前进气道产品研制需要的水溶性石膏模具成型方案。然后在确定的水溶性石膏模具成型方案基础上，通过制定细致的成型工艺方案，一次性试制成功进气道产品，产品经检验后，性能指标均满足设计要求。此次进气道产品的试制成功，也为复杂型面复合材料产品的成型提供了一定参考。参考文献［１］何凯．飞机全复合材料进气道制造工艺［Ｊ］．航空制造技术，２００４，（７）：９１－９２．［２］王若男，吴晓青，娄小杰．ＲＴＭ工艺中硅橡胶气囊模具的应用研究［Ｊ］．纤维复合材料，２００７，（４）：１２．１４．［３］陈宗雨，郭伟，曾建民．精密铸造可溶性石膏芯的研究［Ｊ］．航空精密制造技术，２００２，３８（３）：２５－２８．［４］苏艳红，邹勇，王阳合．某型飞机复合材料模具制造的解决方案［Ｊ］．成都航空职业技术学院学报，２００９，７９（２）：５５－５７．［５］董鹏，石建军等．非回转体复合材料壳结构件模具设计方案的探讨［Ｊ］．纤维复合材料，２００８，（３）：３９４０．［６］单忠德，梁剑江等．基于快速原型的石膏型快速模具制造技术研究［Ｊ］．模具工业，２００１，２４８（１０）：４３４６．［７］张明龙，曾竞成等．气囊辅助ＲＴＭ工艺用复合裙模具的设计与制备［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００７，（２）：４５４７．［８］赵鹏飞，赵景丽，何颖．成型压力对自粘性预浸料复合材料性能的影响［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１０，（４）：６５－６７．［９］赵鹏飞等．共固化成型无人机用复合材＊４／蜂窝夹层结构面板的性能［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００９，（１）：６２－６４．［１Ｏ］段跃新，孟润生，苏英霞．预成型体质量对桨叶ＲＴＭ成型工艺缺陷的影响［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１１，（２）：４８－５２．［１１］宋伟，齐俊伟，肖军，等．碳纤维／环氧预浸料的热固化工艺研究［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１１，（１）：４８－５１．［１２］尹昌平，刘钧，刘卓峰等．用于ＲＴＭ工艺的软模材料的热膨胀性能［Ｊ］．纤维复合材料，２００６，（１）：５－８．［１３］王显峰，富宏亚，韩振宇等．复杂形体面片缠绕成型方法的分析和实现［Ｊ］．宇航材料工艺，２００６，（６）：３９４１．［１４］叶宏军，翟全胜，彭志霞等．复合材料帽形结构水溶芯模共固化成型工艺研究［Ｊ］．模具工业，２００９，（４）：３－５．［１５］仝建峰，王岭，益小苏等．用于复杂形状复合材料制造的水溶性芯模材料［Ｊ］．航空制造技术，２００９，（１４）：９４－９７．（下转第１９页）ＦＲＰ／ＣＭ２０１Ｉ￣２０１１年第６期玻璃钢／复合材料ＣＨＡＲＡＣＴＥＲＩＺＡＴＩＯＮＯＦＴＨＥＩＮＴＥＲＦＡＣＥＡＮＤＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＰＲＯＰＥＲＴＩＥＳＯＦＰＯＬＹ（ＭＥＴＨＹＬＭＥＴＨＡＣＲＹＬＡＴＥ）－ＧＬＡＳＳＦＩＢＥＲＣＯＭＰＯＳＩＴＥＳＦＡＢＲＩＣＡＴＥＤＢＹＩＮ．ＳＩＴＵＰＯＬＹＭＥＲＩＺＡＴＩＯＮＸＩＥＴｉｎｇ。ｘｉｕ（ＳｈａｎｇｈａｉＧｅｎｉｕｓＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ（Ｇｒｏｕｐ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１１０９，Ｃｈｉｎａ）‘Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌａｄｈｅｓｉｏｎｏｎｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．ｔｈｒｅｅｓｉｌａｎｅｃｏｕｐｌｉｎｇａｇｅｎｔｓ：３．（ｍｅｔｈａｅｒｙｌｏｘｙ）ｐｒｏｐｙｌｔｒｉｍｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ（ＭＰＳ），＂，／－ｃｈｌｏｒｉｄｅｐｒｏｐｙ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