非回轉體復合材料殼結構件模具設計方案的探討
1 引言
模壓成型工藝是復合材料生產中古老而又富有活力的一種成型方法,始于上世紀初,它是將一定量的預混料或預浸料加入金屬對模內,經加熱、加壓固化成型的方法,整個模壓過程在一定溫度、壓力、時間下進行,是一種對熱固性樹脂和熱塑性樹脂都適用的纖維復合材料成型方法,模具和模壓工藝制度是影響模壓制品質量的兩個重要因素。
模壓成型工藝有較高的生產效率較高,產品尺寸精度高,重復性好,表面光潔,無需二次修飾,多數結構復雜的制品可一次成型。主要缺點是模具制造復雜,模具、設備投資較大,一般適合制造批量的中、小型制品。
模壓制品主要用作結構件、連接件、防護件和電氣絕緣等,由于模壓制品質量可靠,廣泛應用于工業、農業、交通運輸、電氣、化工、建筑、機械、兵器、飛機、衛星等領域。
復合材料殼結構以其優異的承載能力和減重效果,在航空、航天、艦船等領域得到廣泛應用,其成型工藝主要有手糊、纏繞、模壓、RTM等等,當產品結構形式復雜、尺寸精度和表面精度要求高時,采用傳統的模壓成型工藝不失為一種良好的解決方案。
2 非回轉體殼結構對模成型
復合材料制品的模具方案直接影響其成型過程,模具形式的簡潔有效可以提高制品的生產工藝水平,降低勞動強度,減少材料、能源消耗,縮短產品的研制周期,用于承載的復合材料殼結構通常要求有高的強度和剛度,較高的尺寸精度和內外表面的光潔度。結構形式復雜的殼結構整體成型方式可以避免后期裝配所帶來的尺寸偏差和其他影響質量的不確定因素,降低整體結構的繁雜程度。而復雜殼結構的整體成型也給研制初期的模具設計帶來了很大難度。
回轉體殼結構是軸對稱結構,采用簡單的陰陽模和單一的加壓方向,軸向或徑向,即可完成整體結構的模壓過程,加壓過程中要求受力均勻,這種模具形式同時也保證了模壓料在各個方向同時受力,有利于保證制品壁厚的均勻分布,模具的設計和加工也相對容易一些。
非回轉體殼,尤其是空間異型殼結構件,沿用上述加壓方式時,要保證各型面同時受力必須增加輔助工裝,通過工裝把壓力同時分解到各個型面,當制品有空間帶角度型面,尤其是存在過渡圓角時,需要的輔助工裝也相應增多,增加了模具方案的難度和復雜性,同時也增加了模具的加工成本、操作的繁雜性和產品的研發周期。
模壓成型過程關鍵是對模壓料的壓力和溫度控制,型腔內部模壓料同時受力是為了保證制品的厚度均勻,如果在模具上添加止推機構,成型時施壓方向為幾個方向,分別對各型面按一定順序逐級多點加壓,成型壓力分級施加可以使制品樹脂含量分布在許可范圍內。
由于壓力傳遞部分不是整體結構,其材料性能、剛度要求也相應提高,但模具的設計、加工、成型工藝操作趨于簡化,整體上有利于降低成本,縮短研發周期,提高研制生產效益。
3 實際應用案例 [-page-]
某復合材料主承力構件是類方形、空間多面傾角的異形變厚殼結構,高度方向大尺寸為900mm,寬度方向大尺寸為750mm,壁厚為2~5mm,其外形由十四個有不同夾角的面和變曲率圓角組成,內壁尺寸在三個空間方向上變化,產品力學性能、幾何尺寸精度、內外表面光潔度要求均很高。

根據產品內外型面的分布特點、力學性能、尺寸精度、光潔度要求,成型方案選擇了金屬模具對模整體成型工藝,在保證產品外形尺寸和產品厚度的基礎上,將外形十四個型面整合成四個加壓方向,按產品的厚度分布確定這四個方向上48個加壓點位置,加壓方式為依次逐級加壓,外模和內模也相應簡化為各四件,并在上下各增加一件定位工裝以控制產品品厚度。內、外模具的成型面粗糙度定為1.6,以保證產品內外表面的光潔度要求。
采用上述模具方案縮短了模具的設計和加工周期,成型操作簡化,也降低了工藝操作人員的勞動強度。研制出的產品通過了各項力學性能試驗。

4 結語
壓力控制是復合材料模壓成型過程中的關鍵因素之一,壓力控制的方法直接影響到模具方案的確定。不同的非回轉體殼結構都有自己特有的結構形式,在保證終成型壓力不變的前提下,針對具體情況對加壓方式和順序作不同的改變,可以使模具的設計、加工,產品的成型操作都得到簡化,同時可以保證產品良好的尺寸精度和光潔度,降低研制生產成本,縮短新產品的研發周期。
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