復(fù)合材料熱壓罐成型模具設(shè)計(jì)研究方法

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1、復(fù)合材料熱壓罐成型模具設(shè)計(jì)研究方法 復(fù)合材料熱壓罐成型模具設(shè)計(jì)研究方法 　　復(fù)合材料要制造成為熱壓罐成型模具有哪些設(shè)計(jì)的技巧和要點(diǎn)呢?下面YJBYS小編為你講解! 　　隨著復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件上用量的逐步增加，零件越來越大而復(fù)雜，并逐步使用到主承力件上，這對(duì)復(fù)合材料制件的質(zhì)量提出了更高的要求。因復(fù)合材料制件的固化成型特點(diǎn)，其質(zhì)量在很大程度上取決于成型模具的質(zhì)量，而高質(zhì)量的模具來源于科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)，特別是對(duì)于大型模具，除模具質(zhì)量對(duì)制件質(zhì)量的影響外，模具的尺寸、重量對(duì)模具成本以及復(fù)材制件的總制造成本有很大影響。 　　通過對(duì)復(fù)合材料熱壓罐成型模具的設(shè)計(jì)、制造、轉(zhuǎn)運(yùn)及

2、使用驗(yàn)證等工程研究及分析，結(jié)合復(fù)材模具設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)方法，歸納出以下幾點(diǎn)模具設(shè)計(jì)原則。 　　滿足制件結(jié)構(gòu)及工藝要求 　　在設(shè)計(jì)復(fù)合材料成型模具前，要對(duì)制件的設(shè)計(jì)輸入進(jìn)行充分分析，以產(chǎn)生模具結(jié)構(gòu)的初步概念。 　　(1)分析制件的工程結(jié)構(gòu)。通常有壁板、梁、肋、長(zhǎng)桁、接頭、以及整體盒段等結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)制件結(jié)構(gòu)形式，可對(duì)模具有個(gè)大致概念，壁板常為大型框架結(jié)構(gòu);梁一般較長(zhǎng)，常有陰模、陽(yáng)模形式;長(zhǎng)桁一般為細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu);整體盒段一般需上下合模。 　　(2)分析制件的工程界面。是否有氣動(dòng)面、裝配面、膠接面等，一般情況下可確定這些面為貼膜面;但如果這些面結(jié)構(gòu)較復(fù)雜時(shí)，設(shè)計(jì)可考慮在

3、工程界面?zhèn)忍砑友a(bǔ)償層，此時(shí)貼膜面可設(shè)計(jì)在工程界面的背面。 　　(3)分析制件的質(zhì)量要求。制件的外形輪廓尺寸精度直接影響到模具的質(zhì)量要求及成本，可通過設(shè)計(jì)合理的模具結(jié)構(gòu)、定位方法及加工方法來達(dá)到精度要求。 　　(4)分析制件的成型工藝方法，是共固化、共膠接還是二次交接。共固化中，所有層為濕鋪層一次進(jìn)罐，需要較多模具組合到一起同時(shí)使用，通常整套模 具較復(fù)雜;共膠接為干濕件進(jìn)罐固化，需要一部分零件的成型模具，及已固化零件與濕鋪層二次進(jìn)罐固化的模具;二次膠接時(shí)所有零件已固化，通過膠膜把他們固化 到一起，需要所有零件的成型模以及二次膠接的定位模具。 　　模具材料的選擇

4、 　　用作復(fù)合材料成型模具的材料主要有普通鋼、INVAR鋼、復(fù)合材料(雙馬和環(huán)氧樹脂)、鋁等。通常根據(jù)材料的性能(主要是高溫下的熱膨脹系數(shù))、成本、周期及使用次數(shù)來選擇，見表1。 　　對(duì)于機(jī)身、翼面、舵面等大尺寸、大曲率的模具，通常選擇INVAR鋼，對(duì)于一些配合要求高的梁、肋、長(zhǎng)桁等也常選擇INVAR鋼;對(duì)于鋪絲需要回轉(zhuǎn)的工 裝，考慮到重量因素，復(fù)合材料模具是一個(gè)不錯(cuò)的選擇;對(duì)于形狀不是太復(fù)雜、曲率很小或是等截面的制件結(jié)構(gòu)，通常選擇普通鋼或鋁以降低成本，但膨脹和變形因 素需要在設(shè)計(jì)時(shí)得到補(bǔ)償。不同模具材料的性能特點(diǎn)及使用范圍如表1所示。 　　模具熱膨脹的補(bǔ)償

5、　　當(dāng)模具與預(yù)浸料進(jìn)熱壓罐固化時(shí)，隨著溫度的升高，模具會(huì)膨脹而使尺寸增大，達(dá)到保溫狀態(tài)時(shí)最大，此時(shí)預(yù)浸料反應(yīng)固化，與模具尺寸一致。在固化完成后降溫的 過程中，模具和固化好的制件都會(huì)收縮，但如果模具材料與復(fù)合材料制件的熱膨脹系數(shù)不一致，收縮量也就不一致，從而導(dǎo)致制件尺寸和模具尺寸有偏差。根據(jù)表1 中材料的熱膨脹系數(shù)，INVAR鋼和復(fù)合材料模具受熱膨脹對(duì)制件的影響很小，可忽略不計(jì);但普通鋼和鋁則有影響，特別是當(dāng)尺寸大時(shí)，必須要考慮膨脹量，否 則產(chǎn)品尺寸會(huì)隨模具的膨脹而偏大。 　　模具熱膨脹可采取一定的補(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)制件按如下糾正系數(shù)縮小，在模具設(shè)

6、計(jì)時(shí)按照縮小后的制件作為工程輸入。 　　F=1/[(T-P)×△T+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。 　　另一方面，模具熱膨脹還將影響到制件的變形及脫模等問題。在設(shè)計(jì)模具時(shí)要把這些因素考慮進(jìn)去。如收縮變形是否能通過模具結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性來抵消，或后處理來消 除;凸模的收縮可能會(huì)有助于脫模，特別是對(duì)于有微小閉角的零件，凹模的收縮將增加脫模的難度。通過考慮這些因素，結(jié)合復(fù)材制件的產(chǎn)品要求，來選擇合適的模 具材料及模具的結(jié)構(gòu)形式。同時(shí)，也可以通過數(shù)字模擬，結(jié)合試驗(yàn)件的驗(yàn)證來優(yōu)化模具設(shè)計(jì)。

7、 　　模具回彈角的補(bǔ)償 　　除模具的膨脹對(duì)制件固化變形有影響外，復(fù)合材料制件因?yàn)殇亴雍徒Y(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，以及材料本身的固化特性，在固化時(shí)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力也將引起制件變形。而對(duì)于梁、長(zhǎng)桁類有大夾角的零件，固化變形最顯著的是回彈角，即制件在固化脫模后，夾角因收縮而小于模具角度，此差值為回彈角。如圖4所示，A1為模具夾角，A2為制件脫模后的夾角，θ為二者之差，即回彈角。在設(shè)計(jì)時(shí)，不考慮回彈角或考慮不當(dāng)，將對(duì)制件質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，特別是對(duì)裝配的影響。 　　回彈角因與模具材料，鋪層方向及結(jié)構(gòu)對(duì)稱性有關(guān)，可通過數(shù)字模擬及試驗(yàn)測(cè)試的方法得到，目前用的較多的是通過經(jīng)驗(yàn)值結(jié)合試驗(yàn)值來獲

8、得回彈角的大小，而數(shù)字模擬有待于提高對(duì)熱壓罐溫度場(chǎng)及復(fù)合材料反應(yīng)機(jī)理的精準(zhǔn)分析。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夾角，使制件在脫?；貜椇蠓瞎こ虜?shù)模要求。 　　應(yīng)力分析準(zhǔn)則 　　目前國(guó)內(nèi)的復(fù)合材料成型模具一般都是通過保守估計(jì)的方法設(shè)計(jì)，沒有通過強(qiáng)度分析優(yōu)化，這樣設(shè)計(jì)出來的模具，特別是大型制件的模具，通常都非常笨重，不僅耗費(fèi)大量材料，因熱容量升高也可能影響到固化反應(yīng)，同時(shí)對(duì)運(yùn)輸、使用過程的相關(guān)設(shè)備噸位要求很高，大大增加了成本，甚至影響了制造能力。因此，減重是模具設(shè)計(jì)優(yōu)化的一個(gè)重要方面。減重的方法必須要通過合理的計(jì)算，否則會(huì)直接影響到模具的強(qiáng)度和

9、剛度，導(dǎo)致使用過程中產(chǎn)生變形而影響制件質(zhì)量。同時(shí)，對(duì)于吊環(huán)、輪子、撐腳也需要進(jìn)行強(qiáng)度校核，以確保模具能夠安全地起吊和轉(zhuǎn)運(yùn)。 　　減重優(yōu)化可通過有限元分析模具在不同工況下的應(yīng)變、應(yīng)力情況，根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，最終使最嚴(yán)重工況下的應(yīng)力、應(yīng)變值小于材料許用值乘以某一安全系數(shù)(此安全系數(shù)一般為經(jīng)驗(yàn)值，為安全起見，可考慮大于1.5)，并盡可能使各處的安全系數(shù)偏差不大，這樣才能有效減重。模具應(yīng)力分析考慮的工況通常包括以下幾個(gè)方面： 　　(1) 垂直起吊的情況。 　　整套模具加制件的重量作用在模具的所有吊點(diǎn)上。 　　(2) 垂直起吊過程緊急剎車情況。

10、 　　整套模具加制件的重量，以及急剎車產(chǎn)生的沖擊載荷作用在模具的所有吊點(diǎn)上。 　　(3) 手動(dòng)鋪層使用情況。 　　鋪貼模具加鋪層重量作用在模具底座的支撐點(diǎn)上。 　　(4) 自動(dòng)鋪層使用情況。 　　鋪貼模具加鋪層重量，以及鋪帶頭的壓力作用在模具底座的支撐點(diǎn)上。 　　(5)工裝轉(zhuǎn)運(yùn)過程。 　　整套模具加制件的重量作用在模具的輪子上。 　　(6) 工裝在熱壓罐里的情況。 　　在177℃時(shí)(此時(shí)的材料許用值小于常溫下的許用值)，整套模具加制件的重量作用在模具底座的支撐點(diǎn)上。 　　細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)要求 　　復(fù)合

11、材料模具設(shè)計(jì)中細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)非常重要，直接影響到模具使用的可操作性、方便性及自動(dòng)化程度，甚至影響復(fù)合材料制件的質(zhì)量。模具上的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)包括但不限于以下內(nèi)容： 　　(1) 產(chǎn)品線：即產(chǎn)品的外形輪廓線，用于非數(shù)控切邊時(shí)使用，決定了產(chǎn)品的外形尺寸的精度;設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮模具材料的膨脹因素作適當(dāng)縮放處理，產(chǎn)品線的位置精度和寬度精度都需要根據(jù)復(fù)材制件外形尺寸精度要求定義在模具設(shè)計(jì)中。 　　(2) 鋪貼線：由于制件邊緣鋪貼不完全齊整，以及流膠、擋膠條、打真空袋等因素導(dǎo)致固化后產(chǎn)品邊緣質(zhì)量不高，需要在產(chǎn)品線外一定距離開始鋪貼，在制件上將留有一定余量待加工掉。同時(shí)，鋪貼線用于無激光投影時(shí)手工鋪貼定位，

12、以控制鋪貼余量，既不浪費(fèi)太多的料，又能保證產(chǎn)品質(zhì)量。通常鋪貼線到產(chǎn)品線可留20~30mm。 　　(3) 基準(zhǔn)孔：用于模具機(jī)加和檢測(cè)時(shí)作為基準(zhǔn)，精度要高，并保證可重復(fù)使用?；鶞?zhǔn)孔坐標(biāo)值通?？逃谀＞呱媳阌谑褂?。 　　(4) 靶標(biāo)孔：用于手動(dòng)鋪貼時(shí)放置激光投影的靶標(biāo)，以定位鋪層區(qū)域。靶標(biāo)孔按實(shí)測(cè)值即可，坐標(biāo)值刻于模具上。 　　(5) 自動(dòng)鋪帶十字刻線：十字刻線中心用于自動(dòng)鋪帶時(shí)目標(biāo)定位，十字線中心點(diǎn)的坐標(biāo)刻于模具上。 　　(6) 復(fù)材制件定位孔：也叫制件工藝耳片孔，用于復(fù)材制件在脫模后檢測(cè)、機(jī)加和裝配時(shí)作定位基準(zhǔn)，精度要求高。此孔需要有相應(yīng)的鉆模板來準(zhǔn)確定位，

13、鉆孔需要在脫模前進(jìn)行，孔應(yīng)該在模具的法線方向。 　　(7) 余量區(qū)：在鋪貼線到模具邊緣需要留有一定距離用于打真空袋及自動(dòng)鋪帶退料。通常手工鋪貼模具的余量區(qū)在100~200mm，而自動(dòng)鋪帶則需要200~300mm。 　　(8) 人性化設(shè)計(jì)：模具設(shè)計(jì)時(shí)要考慮工裝使用安全、便利，比如工裝的高度要適于鋪貼、檢查;模具鋪貼、搬運(yùn)時(shí)要穩(wěn)，不會(huì)有砸到的危險(xiǎn);當(dāng)重量超過人工搬運(yùn)的重量時(shí)，要設(shè)計(jì)輔助工裝協(xié)助模具轉(zhuǎn)運(yùn)。 　　特大型模具的約束因素 　　復(fù)材成型模具通常都非常笨重，如尾翼、機(jī)翼、機(jī)身等制件成型模具，動(dòng)則十幾噸，甚至幾十噸。如此大而重的模具，在制造、運(yùn)輸和使用過程

14、中將大大增加難度。 　　設(shè)計(jì)過程：隨著尺寸的增大，保證模具加工精度、熱均勻性以及變形控制的難度將提高。在設(shè)計(jì)時(shí)，這些因素都應(yīng)考慮到，如基準(zhǔn)的設(shè)定、公差的分配，以及應(yīng)力計(jì)算，還有目前正在研究的考慮到熱壓罐的溫度場(chǎng)對(duì)模具熱分布的影響等。 　　制造過程：要保證大型模具的制造精度、氣密性等設(shè)計(jì)要求，對(duì)焊接、熱處理、數(shù)控機(jī)加及檢測(cè)技術(shù)等都提出了很高的要求，目前如激光焊接、氦氣檢漏等新工藝正逐步應(yīng)用到大型模具的制造中。 　　運(yùn)輸過程：重量過大則對(duì)橋梁、路基有更高的要求;尺寸增大對(duì)關(guān)卡、收費(fèi)站等寬度有要求，通常長(zhǎng)寬均超過3.5m時(shí)將受限，而達(dá)到5m以上時(shí)，將要對(duì)整個(gè)運(yùn)輸?shù)缆愤M(jìn)行

15、考察，甚至改造。此情況下，需要考慮將模具分塊制造，運(yùn)輸?shù)街圃飕F(xiàn)場(chǎng)以后進(jìn)行焊接。 　　使用過程：對(duì)于大尺寸、大噸位的模具，通常需要在廠房規(guī)劃和設(shè)備采購(gòu)時(shí)就考慮轉(zhuǎn)運(yùn)空間、吊車噸位、設(shè)備行程等因素。 　　結(jié)束語(yǔ) 　　綜上所述，模具設(shè)計(jì)不僅需要考慮工程、工藝輸入，還需要考慮制造加工能力、運(yùn)輸、使用及相關(guān)設(shè)備能力等因素，使設(shè)計(jì)出的模具不僅能制造出合格的復(fù)材制件，還能達(dá)到降低成本、方便使用的更高目標(biāo)。目前，減重、變形控制、人性化設(shè)計(jì)等是模具優(yōu)化的發(fā)展方向，利用不斷升級(jí)的設(shè)計(jì)工具，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，復(fù)材成型模具將會(huì)得到更好的優(yōu)化，從而促進(jìn)復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的發(fā)展。