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    先進復合材料構件成型模具和工裝技術

    放大字體  縮小字體 發布日期:2014-06-19  來源:航空制造技術  瀏覽次數:308

        近年來,先進復合材料在現代飛機上的用量不斷擴大,已經成為鋁、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新發展。

        模具和工裝的設計技術

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

        復合材料模具與常規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比大多數碳/石墨復合材料約大出一個數量級,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 為熱膨脹糾正系數;T 為模具的熱膨脹系數;P 為復合材料制件的熱膨脹系數;△T 為固化溫度和室溫的差值。

        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瞎に嚁的R?。
     

        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。

        模具和工裝結構形式

        復合材料成型工藝方法較多,相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加熱。

        液態成型技術包括了樹脂轉移模塑(RTM),及由RTM發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。

        自容式模具(圖3)系統,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,可以用來生產大于現有設備的零部件,且具有成本低、升壓速度快、溫度控制精確的優點。

        (5)彈性體模具。

        彈性體模具系統,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下保持一定模具形狀,在另一種物理狀態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生與固定形變。

        (7)連續成型模具。

        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。


     
    關鍵詞: 模具 工裝 復合材料
     
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