基于先进技术的复合材料构件成型模具及其工装技术研究

摘 要：与一般的航空结构材料相比，在先进复合材料构件成型的过程中，必须要加热、加压、抽真空，材料成型以及构件成型需要在同一个时间完成。它的形位精度要想得到保证，这将离不开相应的工装以及模具。市场的变化和航空行业的发展促进了先进复合材料需要不断改善性能和质量，降低成本。因此，研究基于先进技术的复合材料构件成型模具及其工装技术有十分重要的意义，因为它有助于更加高效地使用先进复合材料。

关键词：基于先进技术的复合材料；构件成型模具；工装技术

中图分类号：TP391 文献标识码：A

随着经济的发展和科技的进步，我国出现了越来越多的复合材料，现阶段在现代飞机领域，复合材料的使用量在不断增加，已经成为较为常用的航空结构材料，与钛合金材料、铝合金材料、合金钢材料均处于同等重要的位置。在A380中复合材料的使用量在总重量中所占的比重已达到25%，在B787中复合材料的使用量在总重量中所占的比重已达到50%，而在A350XWB结构中的用量最多，大约为52%。新阶段，先进复合材料仍旧最受航空航天企业的青睐，玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼纤维等都属于先进复合材料。

一、基于先进技术的复合材料构件成型模具的类型

先进复合材料构件成型的工艺方法有很多，与此相对，模具的结构形式也有很多，先进复合材料构件成型模具有以下几种类型：

（一）框架式的模具

为了提高复合材料构件成型模具整体以及局部的刚度，提高模具分型面加热的效率，最大限度地减少模具变形的可能性，设计制造模具骨架的时候可以考虑隔栅结构。

（二）组合式的模具

组合式模具的制造材料一般为金属，它主要用于4种情况：一是压机成型；二是模压成型；三是树脂传递模塑成型；四是注射模成型。组合模的组成结构是两个半模，它的分布方式是上下分布，通过模具的上压盘和下压盘能够进行加热，上、下压盘加热的方式主要是传导加热，此外，周围的热源同样能够给模具进行加热，另外，组合模具中有内置加热系统，利用该系统也能进行加热。液态成型技术包括3个不同的种类：一是树脂转移模塑；二是真空辅助成型；三是树脂模溶渗成型。其中，树脂转移模塑结构能够被分成3个部分，这3个部分分别是型体和两个端盖。有些制品的形状较复杂、尺寸较大，对于这部分制品可以进一步分割组合其型体部分，分型面制作凸舌以及凹沟，还要在两个端盖所处的地方设置注射口以及排气口，还应关注树脂分流道。图2是组合式模具。

（三）拉挤成型模具与挤压成型模具

拉挤成型模具与挤压成型模具统称为连续成型模具。将浸有树脂的纤维通过某种特定的加热口模挤出其中多余的树脂，这个过程就是挤压加工的具体过程，在牵引的条件下固化。连续挤压过程包括多个过程，它的成型模具是组合式的，由多个运动部件形成。第一步，对位于模具中的多层热塑性带加热同时压成层合板；第二步，将压好的层合板压入成型的模具同时加热，压成满足要求的截面型材，最后利用连续压模把型材压成需要的弯曲形状，利用这种方式能够成型弯曲或者扭转以及变截面的型材，这种成型工艺是新型成型工艺。

二、基于先进技术的复合材料构件成型模具的设计方法研究

制造复合材料的构件离不开模具，在该行业中，模具是相当常见的工艺装备之一，因为它可以对制件的形状、结构关系、控制外缘进行确定，进而确保表面的质量。复合材料的聚合固化需要在模具上进行，有的时候还应在成型的模具上铺叠预浸料，复合材料构件质量的高低在很大程度上受到模具设计制造的影响。

通过分析复合材料构件成型模具的材料，我们可以把它分成不同的两类为，其一是金属模；另一类是复合材料模，它们的结构和工艺比较特殊。当前，因为计算机技术的飞速发展，CAD技术被广泛运用，越来越多的复合材料构件成型模具设计会考虑数字化的设计方式。为了提升设计的效率，很多航空航天企业对于经常使用的结构会考虑模块化设计以及参数化设计。

与常规的钣金成型模具进行对比能够发现，对于累积公差，先进复合材料有更加严格的要求。模具与零件两者贴合面不同的尺寸取决于模具的类型以及它热膨胀的特点；基体在最高固化温度基础上的尺寸与先进复合材料最终的尺寸一致。

设计人员在设计先进复合材料构件成型模具时，应当着重考虑热匹配的问题，原因是钢和铝的热膨胀系数通常比碳和石墨的复合材料高，高出的系数在一个数量级左右，当它从固化峰值的温度逐渐往下冷却时，金属模具会出现一定程度地收缩，这种变化在构件中会引起参与应变或者固有应变。设计模具的时候，设计人员如果做到及时修正尺寸，就应当选择热膨胀系数不高的材料模具，一般情况下，会使用热膨胀补偿的方式，参照经验公式以及试验验证，把制作质心当作中心，按照特定的公式，设计人员把整个制作缩小，工程设计的输入遵循缩小之后的制作。

另外，设计人员还可能会遇到角度回弹的问题，对于这类问题，设计人员在设计的时候，应当提前考虑回弹角，即模具的角度为制件夹角和回弹角的和，这样做使得制件脱模回弹之后与工艺数模的要求相符。这样做能够达到制件脱模回弹之后和工艺数模的要求两者相符。对于某些比较复杂的制件，对模具结构的刚度、温度场的分布状况、热膨胀等效果开展模拟分析的时候，可以选择CAE技术，进而提供科学的参考依据用于模具温度补偿、回弹修正设计等。

三、基于先进技术的复合材料构件成型模具工装技术研究

近几年，先进复合材料表现出结构尺度变大、形状更加复杂的特点，这就给构件的制造提出了缩短周期，降低成本的要求。为了适应这种变化，先进复合材料构件成型工装方面表现出柔性化的趋势。

柔性工装的基础是先进的工装制造理念以及灵活性高的工装设计，这类工装与几何形状相似，通过先进的理念和制造技术在刚性工装技术的前提下，对工装型腔或成型表面开展迅速地再次利用、组合、加工。近年来，国外产生了SPT技术并得到了较快的发展，这种技术是利用组合或者细杆来对分型面的高度进行调节，这种方式能够低成本、迅速地制造相同类型的相似工装。柔性工装的理念与技术能够用在对复合材料构件制造的定位以及固化之后数据库中对材料的性能以及力学性能的表达。

这个数据库中对力学性能的表达能够分成5个不同的层次。5个层次的内容如下：

第一个层次包括对复合材料体系的力学性能的汇总，其中包含材料的筛选、取证、验收等基本信息，还包括对先进复合材料体系的力学性能的全面汇总；

第二个层次为汇总单个测试项目的多批次的力学性能，用表格的方式进行表达。其中，单个测试项目力学性能涉及多种统计的表达，譬如0度拉伸的强度包括最大值和最小值、离散的系数、平均值、分布的形式等；

第三个层次为每个批次的单个测试项目的力学性能，它的表达方式是表格的形式；

第四个层次为试验结束之后统计分析试验的数据，然后将这些数据录入到EXCEL表格，进行细致的汇总；

第五个层次为试验结束之后，数据采集系统采集到的与单个试验件有关的原始数据。

结语

先进复合材料属于新型材料，与普通的材料相比，它具有许多优点，譬如强度高、刚性高、具有较强的抗疲劳性和抗腐蚀性，航空航天企业中已经大范围地使用先进复合材料。市场推动了先进复合材料构件成型模具和工装技术的不断创新，为了尽可能减少加工迭代造成的不利影响，将来会深入研究检测成型曲面质量的方法。在充分考虑形状特征、工件大小、不同的工艺等因素的基础上，积极探索先进复合材料构件成型模具和工装技术，提高技术水平，为先进复合材料的发展提供有力的技术保障。

参考文献

[1]王永军，元振毅，杨选宏，杨绍昌，田卫，孙永庆.先进复合材料构件成型模具和工装技术[J].航空制造技术，2013（10）：32-35.

[2]宋穆剑安鲁陵，王岩，黄曜峰，李红伟.复合材料成型模具的数字化设计技术[J].航空制造技术，2015（9）：57-60.

[3]顾轶卓，李敏，李艳霞，王绍凯，张佐光.飞行器结构用复合材料制造技术与工艺理论进展[J].航空学报，2015（8）：2773-2797.