复合材料热压罐成型模具设计研究

来源：塑胶五金网发布时间：2014-05-13 09:25:41点击率：

　　随着复合材料在飞机结构件上用量的逐步增加，零件越来越大而复杂，并逐步使用到主承力件上，这对复合材料制件的质量提出了更高的要求。因复合材料制件的固化成型特点，其质量在很大程度上取决于成型模具的质量，而高质量的模具来源于科学、合理的设计，特别是对于大型模具，除模具质量对制件质量的影响外，模具的尺寸、重量对模具成本以及复材制件的总制造成本有很大影响。

　　通过对复合材料热压罐成型模具的设计、制造、转运及使用验证等工程研究及分析，结合复材模具设计的经验方法，归纳出以下几点模具设计原则。

　　满足制件结构及工艺要求

　　在设计复合材料成型模具前，要对制件的设计输入进行充分分析，以产生模具结构的初步概念。

　　(1)分析制件的工程结构。通常有壁板、梁、肋、长桁、接头、以及整体盒段等结构形式。根据制件结构形式，可对模具有个大致概念，壁板常为大型框架结构;梁一般较长，常有阴模、阳模形式,长桁一般为细长结构;整体盒段一般需上下合模。

　　(2)分析制件的工程界面。是否有气动面、装配面、胶接面等，一般情况下可确定这些面为贴膜面;但如果这些面结构较复杂时，设计可考虑在工程界面侧添加补偿层，此时贴膜面可设计在工程界面的背面。

　　(3)分析制件的质量要求。制件的外形轮廓尺寸精度直接影响到模具的质量要求及成本，可通过设计合理的模具结构、定位方法及加工方法来达到精度要求。

　　(4)分析制件的成型工艺方法，是共固化、共胶接还是二次交接.共固化中，所有层为湿铺层一次进罐，需要较多模具组合到一起同时使用，通常整套模具较复杂;共胶接为干湿件进罐固化，需要一部分零件的成型模具，及已固化零件与湿铺层二次进罐固化的模具;二次胶接时所有零件已固化，通过胶膜把他们固化到一起，需要所有零件的成型模以及二次胶接的定位模具。

　　模具材料的选择

　　用作复合材料成型模具的材料主要有普通钢、INVAR钢、复合材料(双马和环氧树脂)、铝等。通常根据材料的性能(主要是高温下的热膨胀系数)、成本、周期及使用次数来选择

　　对于机身、翼面、舵面等大尺寸、大曲率的模具，通常选择INVAR钢，对于一些配合要求高的梁、肋、长桁等也常选择INVAR钢;对于铺丝需要回转的工装，考虑到重量因素，复合材料模具是一个不错的选择;对于形状不是太复杂、曲率很小或是等截面的制件结构，通常选择普通钢或铝以降低成本，但膨胀和变形因素需要在设计时得到补偿。不同模具材料的性能特点及使用范围如表1所示。

　　模具热膨胀的补偿

　　当模具与预浸料进热压罐固化时，随着温度的升高，模具会膨胀而使尺寸增大，达到保温状态时大，此时预浸料反应固化，与模具尺寸一致。在固化完成后降温的过程中，模具和固化好的制件都会收缩，但如果模具材料与复合材料制件的热膨胀系数不一致，收缩量也就不一致，从而导致制件尺寸和模具尺寸有偏差。根据表1中材料的热膨胀系数，INVAR钢和复合材料模具受热膨胀对制件的影响很小，可忽略不计;但普通钢和铝则有影响，特别是当尺寸大时，必须要考虑膨胀量，否则产品尺寸会随模具的膨胀而偏大。

　　模具热膨胀可采取一定的补偿方法，按经验公式及试验验证，以制件质心为中心，把整个制件按如下纠正系数缩小，在模具设计时按照缩小后的制件作为工程输入。

　　F=1/[(T-P)×△T+1]，式中，F为热膨胀纠正系数;T为模具的热膨胀系数;P为复合材料制件的热膨胀系数;△T为固化温度和室温的差值。

　　另一方面，模具热膨胀还将影响到制件的变形及脱模等问题。在设计模具时要把这些因素考虑进去。如收缩变形是否能通过模具结构的对称性来抵消，或后处理来消除;凸模的收缩可能会有助于脱模，特别是对于有微小闭角的零件，凹模的收缩将增加脱模的难度。通过考虑这些因素，结合复材制件的产品要求，来选择合适的模具材料及模具的结构形式。同时，也可以通过数字模拟，结合试验件的验证来优化模具设计。

　　模具回弹角的补偿

　　除模具的膨胀对制件固化变形有影响外，复合材料制件因为铺层和结构的不对称性，以及材料本身的固化特性，在固化时产生内应力也将引起制件变形。而对于梁、长桁类有大夹角的零件，固化变形显著的是回弹角，即制件在固化脱模后，夹角因收缩而小于模具角度，此差值为回弹角。如图4所示，A1为模具夹角，A2为制件脱模后的夹角，θ为二者之差，即回弹角。在设计时，不考虑回弹角或考虑不当，将对制件质量产生较大影响，特别是对装配的影响。

　　回弹角因与模具材料，铺层方向及结构对称性有关，可通过数字模拟及试验测试的方法得到，目前用的较多的是通过经验值结合试验值来获得回弹角的大小，而数字模拟有待于提高对热压罐温度场及复合材料反应机理的分析。在模具设计时，预先把回弹角考虑进去，即制件夹角加上回弹角等于模具夹角，使制件在脱模回弹后符合工程数模要求。

　　应力分析准则

　　目前国内的复合材料成型模具一般都是通过保守估计的方法设计，没有通过强度分析优化，这样设计出来的模具，特别是大型制件的模具，通常都非常笨重，不仅耗费大量材料，因热容量升高也可能影响到固化反应，同时对运输、使用过程的相关设备吨位要求很高，大大增加了成本，甚至影响了制造能力。因此，减重是模具设计优化的一个重要方面。减重的方法必须要通过合理的计算，否则会直接影响到模具的强度和刚度，导致使用过程中产生变形而影响制件质量。同时，对于吊环、轮子、撑脚也需要进行强度校核，以确保模具能够安全地起吊和转运。

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