淺談先進複合材料構件成型模具和工裝技術

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【材料 說】：

飛機工藝裝備作為保證飛機製造和裝配準確度要求的專用設備，在飛機生產中佔有舉足輕重的作用。傳統的工藝裝備大量採用剛性結構，設計製造周期長、研製成本高、開敞性差、應用單一，難以滿足飛機多品種、小批量生產模式下的研製需求。因此，如何縮短工裝的準備周期，並以較小的生產成本滿足飛機零部件的結構變化，從而快速響應飛機裝配工藝過程，實現飛機裝配製造的柔性化和快速化，成為飛機製造企業面臨的技術瓶頸和研究熱點。

（註：這篇文章發布時間為2016年6月，但是小編覺得基本的工藝流程不會發生太大的變化，因此放出來供大家學習。）

近年來，先進複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。複合材料在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複合材料，簡稱先進複合材料。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。市場對先進複合材料產品質量、性能、成本、周期等要求的不斷提高，促進了先進複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，複合材料成型模具和工裝廣泛採用數字化設計技術，許多常用的結構採用模塊化和參數化設計，以提高設計效率。

複合材料模具與常規鈑金成型模具的不同之處在於：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於模具的類型及其熱膨脹特性；複合材料零件的最後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，鋼和鋁的熱膨脹係數比大多數碳/石墨複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餘應變或固有應變。在進行模具設計時，如果不能通過尺寸修正，則需要使用熱膨脹係數較低的複合材料模具。一般採取一定的熱膨脹補償方法，按經驗公式及試驗驗證，以製件質心為中心，把整個製件按式（1）縮小。按照縮小後的製件作為工程設計輸入[2]。

F=1/ [（T-P）×△T 1]，（1）式中，F 為熱膨脹糾正係數；T 為模具的熱膨脹係數；P 為複合材料製件的熱膨脹係數；△T 為固化溫度和室溫的差值。

對於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，即製件夾角加上回彈角等於模具的角度，使製件脫模回彈後符合工藝數模要求。

對於複雜的製件，採用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

複合材料成型工藝方法較多，相的模具結構形式多種多樣，先進複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，採用隔柵結構，設計製造模具骨架。圖1為框架式模具實物照片。

（2）整體式模具。

對較小尺寸的復材製件，或採用石墨等材料製造模具時，可採用整體式模具，便於機械加工。

（3）組合式模具。

組合模具（圖2）通常採用金屬製造，主要用於壓機成型、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，其餘2部分為2個端蓋，對形狀複雜的或尺寸大的製品可將型體部分再分割組合，分型面分別做出凸舌與凹溝，並在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，可以用來生產大於現有設備的零部件，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，用於整體加強壁板的共固化製造中，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模或氣囊芯模。用外面的充氣源給它們充氣使其膨脹，並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，擠出多餘的樹脂，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並壓成層合板，而後將層合板壓入成型模具並加熱壓成所需截面的型材，最後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。

（8）模具加熱系統。

模具加熱系統主要分為：熱氣外部加熱，通常採用熱壓罐（圖5）或水壓罐加熱；模具本身或與模具緊密接觸台板的電加熱；電加熱毯局部加熱；模具或台板內部的流體加熱，通常採用蒸汽或熱油；高速噴射氣流加熱系統；微波加熱和感應加熱系統，主要用於小零件，對於較厚的層合板，可使其從內到外發生固化。

固化容器系統主要有熱壓罐、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，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，具有成本低的優點。烘箱是一個加熱容器，用於低壓或真空壓力下複合材料構件的固化，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埋在介質內的管線來實現。

模具和工裝材料

對具有較大麴度的複雜構件，當模具與複合材料的熱膨脹係數出現嚴重失配時，會使複合材料結構的強度和尺寸精度嚴重降低。在大型複合材料模具選材中，應考慮的主要因素是模具和製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、複合材料膜塑模具等。

殷鋼是Invariable Alloy的簡稱，是鐵與鎳等稀有金屬製成的含有33%左右鎳的一種合金，主要的特徵是在加熱時膨脹係數很小，僅為2.20×10-6(/℃)，遠低於已知的任何一種金屬的膨脹係數，只相當於碳鋼膨脹係數的1/6，且經適當的回火、壓延和旋展後，可均勻地保持近零的膨脹係數。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，其熱膨脹係數與複合材料相匹配。圖6為殷鋼模具的一個範例。

易溶模具是指採用在某種溶劑中易於溶解的材料運用澆鑄法或模壓法製成空心或實心的模具。複合材料構件依賴這種模具成型後，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。

複合材料模具多採用碳纖維或玻璃纖維複合材料製成，模具的熱膨脹係數與成型構件的熱膨脹係數大致相匹配，很好地保證了產品尺寸和型面精度，且模具重量輕。缺點是模具的製造工藝複雜、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，且製造成本高。 整體石墨模具具有熱膨脹係數低、熱導率高、熱容量低和尺寸穩定的優點。缺點主要有升溫慢和易碎，通常需要表面塗層。

陶瓷模具熱膨脹係數較低，同時還是優良的絕緣體，但是成本高、難加工、熱導率低、易碎。

碳泡沫是一種新型複合材料成型模具材料，其特點包括：（1）與碳纖維複合材料同屬於碳材料，熱膨脹匹配好，尺寸穩定性好；（2）重量輕，適合大尺寸複合材料構件成型；（3）耐高溫，適合複合材料成型；（4）易於快速成型，易於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）碳泡沫適合製造小批量複合材料構件的成型模具。

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製件上，達到對製件加壓的作用。丙烯酸酯膠片是通過將丙烯酸酯做成所需模具的形狀，經硫化後即可使用。該模具同硅橡膠模具相同，也是同金屬模具配合使用。若製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，並且最好用金屬模具硫化，以保證硫化後模具的尺寸穩定及表面質量。

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、易於制模，其難點在於控制其凝固收縮率。美國從20世紀70年代開始研製符合生產複合材料製品的鋅基合金模具。鋅基合金用於複合材料製件成型模具有突出優點，如制模簡便、製造周期短、生產成本低，並具有足夠的強度、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年代研製的Kirksite鋅基合金模具，成功地製成了波音737尾部整流罩等複合材料大型結構件[9]。

模具和工裝製造方法

採用殷鋼包絡板框架式焊接結構，型面一般採用10 mm厚的殷鋼板焊接。由於型板只有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。

非金屬模具一般採用多工步完成，用複合材料製造模具的常規順序為：採用石膏製作基準模型，而後進行數控加工；在基準模型上增加塑膠層；採用濕法鋪貼或預浸料鋪貼，將石墨/環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，並採用真空烘箱和熱壓罐壓實技術製造生產用模具。

電沉積鎳模具是通過電沉積方法，在芯模或塑料模具上形成一層可鍍金屬層，然後將芯模等去掉。

氣相沉積鎳模具是通過氣相沉積的方法，在聚醯亞胺上沉積一層金屬鎳，如圖8所示。

金屬噴塗模具含有一層熱噴塗金屬殼，採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，因此能夠提高生產效率，降低能耗成本。

對於RTM模具，主要採用數控加工，其型腔表面的光潔度越高，做出產品的表面質量也就越好，產品脫模時也就更加容易，不過相應的加工費用也會提高。

結語

近年來，先進複合材料構件成型模具和工裝技術發展迅速。國外在自容式模具系統、易變形模具、易溶模芯、以及連續擠壓成型等模具結構方面已經大量應用，並且在殷鋼、碳泡沫、形狀記憶高分子材料等新材料方面和電沉積鎳、氣相沉積鎳等模具製造技術方面已成熟應用，雖然有些技術我國已開始起步，但應用的範圍和成熟度還滿足不了生產需求，急需在這方面加大研發力度，提升複合材料模具和工裝技術水平，為加快型號研製提供製造基礎技術保障。

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泛銳研究院現可自主研發、生產、銷售碳陶複合材料熱端部件。

來源：菲舍爾航空部件有限公司。

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