先進復合材料構件成型模具和工裝技術

近年來，先進復合材料在現(xiàn)代飛機上的用量不斷擴大，已經(jīng)成為鋁、鋼、鈦之外的第4大航空結構材料。復合材料在A380中用量達總重量的25%，在B787中更是達到了50%，在A350XWB結構上的用量達到了52%。其中應用最多的仍然是玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、硼纖維等高性能纖維增強的樹脂基復合材料，簡稱先進復合材料。其突出特點是構件在成型過程中，需要加熱、加壓和抽真空等工藝條件，材料成型和構件成型同時完成，其形位精度主要依靠相應的模具和工裝來保證。市場對先進復合材料產(chǎn)品質量、性能、成本、周期等要求的不斷提高，促進了先進復合材料工藝技術及其模具和工裝技術不斷創(chuàng)新發(fā)展。

模具和工裝的設計技術

在CAD技術發(fā)展的推動下，復合材料成型模具和工裝廣泛采用數(shù)字化設計技術，許多常用的結構采用模塊化和參數(shù)化設計，以提高設計效率。

復合材料模具與常規(guī)鈑金成型模具的不同之處在于：對累積公差的要求更加嚴格；模具與零件貼合面尺寸的差異取決于模具的類型及其熱膨脹特性；復合材料零件的最后尺寸是基體最高固化溫度下的尺寸[1]。
在進行模具設計時，重點要考慮熱匹配問題，鋼和鋁的熱膨脹系數(shù)比大多數(shù)碳/石墨復合材料約大出一個數(shù)量級，當從固化峰值溫度向下冷卻時，金屬模具的收縮會在構件中引起嚴重的殘余應變或固有應變。在進行模具設計時，如果不能通過尺寸修正，則需要使用熱膨脹系數(shù)較低的復合材料模具。一般采取一定的熱膨脹補償方法，按經(jīng)驗公式及試驗驗證，以制件質心為中心，把整個制件按式（1）縮小。按照縮小后的制件作為工程設計輸入[2]。
F=1/ [（T-P）×△T +1]，（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 為復合材料制件的熱膨脹系數(shù)；△T 為固化溫度和室溫的差值。

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對于簡單的角度回彈問題，在模具設計時，預先把回彈角考慮進去，即制件夾角加上回彈角等于模具的角度，使制件脫?；貜椇蠓瞎に嚁?shù)模要求。
對于復雜的制件，采用CAE技術模擬分析模具和工裝的結構剛度、熱膨脹、溫度場分布等效果，為模具溫度補償和回彈修正設計提供依據(jù)。

模具和工裝結構形式

復合材料成型工藝方法較多，相應的模具結構形式多種多樣，先進復合材料成型模具結構形式主要分為如下幾類：
（1）框架式模具。
為了增強模模具局部和整體剛度，提高模具型面加熱效率，減少模具變形，采用隔柵結構，設計制造模具骨架。圖1為框架式模具實物照片。



（2）整體式模具。
對較小尺寸的復材制件，或采用石墨等材料制造模具時，可采用整體式模具，便于機械加工。
（3）組合式模具。
組合模具（圖2）通常采用金屬制造，主要用于壓機成型、模壓成型、樹脂傳遞模塑成型和注射模成型。組合模通常由上下2個半模構成，其加熱方式可以通過模具的上下壓盤傳導加熱，也可以通過附近的熱源給模具加熱，或內置的模具加熱系統(tǒng)加熱。



液態(tài)成型技術包括了樹脂轉移模塑（RTM），及由RTM發(fā)展出來的真空輔助成型（VARTM），樹脂模溶滲成型（RFI）等。RIM模具結構通常分為3部分，1部分為型體，其余2部分為2個端蓋，對形狀復雜的或尺寸大的制品可將型體部分再分割組合，分型面分別做出凸舌與凹溝，并在2個端蓋處設計注射口及排氣口，同時考慮樹脂分流道。
（4）自容式模具系統(tǒng)。
自容式模具（圖3）系統(tǒng)，加熱和加壓是模具的一部分，熱源可以是電、熱油或蒸汽，能夠解決一些熱壓罐的不足之處，可以用來生產(chǎn)大于現(xiàn)有設備的零部件，且具有成本低、升壓速度快、溫度控制精確的優(yōu)點。

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（5）彈性體模具。
彈性體模具系統(tǒng)，用于整體加強壁板的共固化制造中，可成型如方向舵、水平安定面、擾流板、副翼以及小型翼盒等盒形結構。彈性體模具系統(tǒng)的一個變種是膨脹芯?；驓饽倚灸?。用外面的充氣源給它們充氣使其膨脹，并將壓力傳遞到層合板的表面。
（6）易變形模具。
易變形模具是指這種模具在某一種物理狀態(tài)下保持一定模具形狀，在另一種物理狀態(tài)下變成另外的模具形狀。比較有代表性的易變形模具是形狀記憶高分子模具，這種模具通常由記憶成型構件原始形狀的固定相和隨溫度變化能發(fā)生可逆軟化與硬化變化的可逆相組成。固定相的作用是記憶與回復成型構件原始形狀，而可逆相的作用則是發(fā)生與固定形變。
（7）連續(xù)成型模具。
主要有拉擠成型模具和擠壓成型模具。
拉擠加工過程是將浸有樹脂的纖維連續(xù)通過一定型面的加熱口模，擠出多余的樹脂，在牽引條件下進行固化。
連續(xù)擠壓是一種多工步過程，其成型模具為組合式，多運動部件組成。首先多層熱塑性帶在模具中加熱并壓成層合板，而后將層合板壓入成型模具并加熱壓成所需截面的型材，最后將型材通過連續(xù)壓模壓成所需的彎曲形狀，這種方法可以成型彎曲甚至扭轉和變截面的型材零件，是一種新型的成型工藝。圖4為其成型模具和設備。



（8）模具加熱系統(tǒng)。
模具加熱系統(tǒng)主要分為：熱氣外部加熱，通常采用熱壓罐（圖5）或水壓罐加熱；模具本身或與模具緊密接觸臺板的電加熱；電加熱毯局部加熱；模具或臺板內部的流體加熱，通常采用蒸汽或熱油；高速噴射氣流加熱系統(tǒng)；微波加熱和感應加熱系統(tǒng)，主要用于小零件，對于較厚的層合板，可使其從內到外發(fā)生固化。 本文來自123



固化容器系統(tǒng)主要有熱壓罐、水壓罐、壓容器、烘箱和熱分流罐。其中熱壓罐是一種普遍使用的通用系統(tǒng)，壓力可達3.0MPa，具有成本高、固化周期長的特點。水壓罐壓力更高，可達80MPa，具有成本低的優(yōu)點。烘箱是一個加熱容器，用于低壓或真空壓力下復合材料構件的固化，通過使用橡膠等高膨脹的模具材料，或者在模具中使用高壓氣體以提高其壓力，其突出優(yōu)點是運行成本較低。熱分流罐是利用獨特的壓力容器提供成型的壓力和熱量，其中介質的膨脹和收縮是通過蒸汽和冷水流經(jīng)埋在介質內的管線來實現(xiàn)。

模具和工裝材料

對具有較大曲度的復雜構件，當模具與復合材料的熱膨脹系數(shù)出現(xiàn)嚴重失配時，會使復合材料結構的強度和尺寸精度嚴重降低。在大型復合材料模具選材中，應考慮的主要因素是模具和制件之間熱膨脹的一致性。常用的模具材料有：鋁或鋼、整體石墨、陶瓷、硅橡膠、電鑄鎳、殷鋼、銅合金、Avamid-N、復合材料膜塑模具等。

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殷鋼是Invariable Alloy的簡稱，是鐵與鎳等稀有金屬制成的含有33%左右鎳的一種合金，主要的特征是在加熱時膨脹系數(shù)很小，僅為2.20×10-6(/℃)，遠低于已知的任何一種金屬的膨脹系數(shù)，只相當于碳鋼膨脹系數(shù)的1/6，且經(jīng)適當?shù)幕鼗?、壓延和旋展后，可均勻地保持近零的膨脹系?shù)。它從根本上克服了碳鋼受熱易變形的弱點。殷鋼主要有殷鋼36（含36%的鎳）和殷鋼42（含42%的鎳），是一種低碳奧氏體合金鋼，其熱膨脹系數(shù)與復合材料相匹配。圖6為殷鋼模具的一個范例。



易溶模具是指采用在某種溶劑中易于溶解的材料運用澆鑄法或模壓法制成空心或實心的模具。復合材料構件依賴這種模具成型后，從開口處通入合適溫度的溶劑，使模具材料溶解進而從構件中流出。低溶鹽和石膏是常用的芯模材料。另外，水溶性型芯材料也可由粘結劑和陶瓷填料組成，粘結劑為有機高分子材料，具有脫水固化、遇水溶解的可逆特性；陶瓷填料由氧化鋁和高嶺土組成，陶瓷料漿的固相體積分數(shù)使粘結劑具有良好的水溶性和高的熱分解溫度[7]。圖7為易容模芯的使用原理。 123,123



復合材料模具多采用碳纖維或玻璃纖維復合材料制成，模具的熱膨脹系數(shù)與成型構件的熱膨脹系數(shù)大致相匹配，很好地保證了產(chǎn)品尺寸和型面精度，且模具重量輕。缺點是模具的制造工藝復雜、表面密封性較差、表面硬度較低、與金屬模具相比使用壽命較短，且制造成本高。

整體石墨模具具有熱膨脹系數(shù)低、熱導率高、熱容量低和尺寸穩(wěn)定的優(yōu)點。缺點主要有升溫慢和易碎，通常需要表面涂層。
陶瓷模具熱膨脹系數(shù)較低，同時還是優(yōu)良的絕緣體，但是成本高、難加工、熱導率低、易碎。
碳泡沫是一種新型復合材料成型模具材料，其特點包括：（1）與碳纖維復合材料同屬于碳材料，熱膨脹匹配好，尺寸穩(wěn)定性好；（2）重量輕，適合大尺寸復合材料構件成型；（3）耐高溫，適合復合材料成型；（4）易于快速成型，易于機械加工和膠接成型，成本較低；（5）滿足氣密性需要特殊處理；（6）碳泡沫適合制造小批量復合材料構件的成型模具。 123456
硅橡膠模具是利用硅橡膠受熱膨脹的原理，使壓力通過硅橡膠傳遞到制件上，達到對制件加壓的作用。
丙烯酸酯膠片是通過將丙烯酸酯做成所需模具的形狀，經(jīng)硫化后即可使用。該模具同硅橡膠模具相同，也是同金屬模具配合使用。若制件的結構尺寸及表面要求較高時，則需在丙烯酸酯內鋪纖維預浸料或其它加強材料，并且最好用金屬模具硫化，以保證硫化后模具的尺寸穩(wěn)定及表面質量。
低熔點合金模具的種類很多，如鉛鋅模、秘錫模、鋅基合金模等，其特點是熔點低、易于制模，其難點在于控制其凝固收縮率。美國從20世紀70年代開始研制符合生產(chǎn)復合材料制品的鋅基合金模具。鋅基合金用于復合材料制件成型模具有突出優(yōu)點，如制模簡便、制造周期短、生產(chǎn)成本低，并具有足夠的強度、剛度、硬度、光潔度、氣密性，使用壽命長，導熱率高等。美國在20世紀80年代研制的Kirksite鋅基合金模具，成功地制成了波音737尾部整流罩等復合材料大型結構件[9]。

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模具和工裝制造方法

采用殷鋼包絡板框架式焊接結構，型面一般采用10 mm厚的殷鋼板焊接。由于型板只有10 mm厚，需要解決漏氣問題，減少焊接變形和內應力，保證模具密封性。
非金屬模具一般采用多工步完成，用復合材料制造模具的常規(guī)順序為：采用石膏制作基準模型，而后進行數(shù)控加工；在基準模型上增加塑膠層；采用濕法鋪貼或預浸料鋪貼，將石墨/環(huán)氧鋪層或玻璃編織布或碳纖維編織布鋪貼在塑膠面石膏模上，并采用真空烘箱和熱壓罐壓實技術制造生產(chǎn)用模具。
電沉積鎳模具是通過電沉積方法，在芯?；蛩芰夏＞呱闲纬梢粚涌慑兘饘賹?，然后將芯模等去掉。
氣相沉積鎳模具是通過氣相沉積的方法，在聚酰亞胺上沉積一層金屬鎳，如圖8所示。



金屬噴涂模具含有一層熱噴涂金屬殼，采用一些低成本材料結構作支撐，如木材、石膏或模具蠟。這些模具在簡單的液壓或氣壓下可以整體加熱，因此能夠提高生產(chǎn)效率，降低能耗成本。
對于RTM模具，主要采用數(shù)控加工，其型腔表面的光潔度越高，做出產(chǎn)品的表面質量也就越好，產(chǎn)品脫模時也就更加容易，不過相應的加工費用也會提高。


結束語

近年來，先進復合材料構件成型模具和工裝技術發(fā)展迅速。國外在自容式模具系統(tǒng)、易變形模具、易溶模芯、以及連續(xù)擠壓成型等模具結構方面已經(jīng)大量應用，并且在殷鋼、碳泡沫、形狀記憶高分子材料等新材料方面和電沉積鎳、氣相沉積鎳等模具制造技術方面已成熟應用，雖然有些技術我國已開始起步，但應用的范圍和成熟度還滿足不了生產(chǎn)需求，急需在這方面加大研發(fā)力度，提升復合材料模具和工裝技術水平，為加快型號研制提供制造基礎技術保障。

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source:航空制造網(wǎng)