复合材料热压罐成型模具设计研究

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（图1、图2）；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（图3）。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。铺贴模具加铺层重量，以及铺带头的压力作用在模具底座的支撑点上。（5）工装转运过程。整套模具加制件的重量作用在模具的轮子上。（6）工装在热压罐里的情况。在177℃时（此时的材料许用值小于常温下的许用值），整套模具加制件的重量作用在模具底座的支撑点上。细节设计要求复合材料模具设计中细节设计非常重要，直接影响到模具使用的可操作性、方便性及自动化程度，甚至影响复合材料制件的质量。模具上的细节设计（图7）包括但不限于以下内容：（1）产品线：即产品的外形轮廓线，用于非数控切边时使用，决定了产品的外形尺寸的精度；设计时应考虑模具材料的膨胀因素作适当缩放处理，产品线的位置精度和宽度精度都需要根据复材制件外形尺寸精度要求定义在模具设计中。（2）铺贴线：由于制件边缘铺贴不完全齐整，以及流胶、挡胶条、打真空袋等因素导致固化后产品边缘质量不高，需要在产品线外一定距离开始铺贴，在制件上将留有一定余量待加工掉。同时，铺贴线用于无激光投影时手工铺贴定位，以控制铺贴余量，既不浪费太多的料，又能保证产品质量。通常铺贴线到产品线可留20~30mm。（3）基准孔：用于模具机加和检测时作为基准，精度要高，并保证可重复使用。基准孔坐标值通常刻于模具上便于使用。（4）靶标孔：用于手动铺贴时放置激光投影的靶标，以定位铺层区域。靶标孔按实测值即可，坐标值刻于模具上。（5）自动铺带十字刻线：十字刻线中心用于自动铺带时目标定位，十字线中心点的坐标刻于模具上。（6）复材制件定位孔：也叫制件工艺耳片孔，用于复材制件在脱模后检测、机加和装配时作定位基准，精度要求高。此孔需要有相应的钻模板来准确定位，钻孔需要在脱模前进行，孔应该在模具的法线方向。（7）余量区：在铺贴线到模具边缘需要留有一定距离用于打真空袋及自动铺带退料。通常手工铺贴模具的余量区在100~200mm，而自动铺带则需要200~300mm。（8）人性化设计：模具设计时要考虑工装使用安全、便利，比如工装的高度要适于铺贴、检查；模具铺贴、搬运时要稳，不会有砸到的危险；当重量超过人工搬运的重量时，要设计辅助工装协助模具转运。特大型模具的约束因素复材成型模具通常都非常笨重，如尾翼、机翼、机身等制件成型模具，动则十几吨，甚至几十吨。如此大而重的模具，在制造、运输和使用过程中将大大增加难度。设计过程：随着尺寸的增大，保证模具加工精度、热均匀性以及变形控制的难度将提高。在设计时，这些因素都应考虑到，如基准的设定、公差的分配，以及应力计算，还有目前正在研究的考虑到热压罐的温度场对模具热分布的影响等。制造过程：要保证大型模具的制造精度、气密性等设计要求，对焊接、热处理、数控机加及检测技术等都提出了很高的要求，目前如激光焊接、氦气检漏等新工艺正逐步应用到大型模具的制造中。运输过程：重量过大则对桥梁、路基有更高的要求；尺寸增大对关卡、收费站等宽度有要求，通常长宽均超过3.5m时将受限，而达到5m以上时，将要对整个运输道路进行考察，甚至改造。此情况下，需要考虑将模具分块制造，运输到制造现场以后进行焊接。使用过程：对于大尺寸、大吨位的模具，通常需要在厂房规划和设备采购时就考虑转运空间、吊车吨位、设备行程等因素。结束语综上所述，模具设计不仅需要考虑工程、工艺输入，还需要考虑制造加工能力、运输、使用及相关设备能力等因素，使设计出的模具不仅能制造出合格的复材制件，还能达到降低成本、方便使用的更高目标。目前，减重、变形控制、人性化设计等是模具优化的发展方向，利用不断升级的设计工具，结合实践经验的积累，复材成型模具将会得到更好的优化，从而促进复合材料在航空领域的发展。