飛機復合材料構件模具 數字化設計與制造技術
復合材料的比強度高、比模量大、耐高溫、抗腐蝕、抗疲勞等一系列優點已被世人所共識。航空航天追求性能的特點，使其成為先進復合材料技術試驗和轉化的戰場，先進復合材料繼鋁、鋼、鈦之后，迅速發展成四大結構材料之一，其用量成為航空航天結構的先進性標志之一[1]。
目前，國外已經實現了復合材料構件的無圖設計、制造，全面實現了復合材料的手工設計制造向數字化設計制造的轉變；國內這方面還處于起步階段，部分航空企業將CATIA、FiberSIM等設計軟件以及數控下料機、自動鋪帶機、激光鋪層定位儀、大型C掃描等數字化設備應用到了復合材料設計制造過程中，但對復合材料成型模具的數字化設計制造技術重視不夠。與常規金屬材料成型不同，復合材料構件的成型是材料與結構同時成型的過程，且通常要在模具中完成。制件固化成型后幾乎不再作任何加工，其外形尺寸、力學性能以及內部要求等都應滿足設計要求，這些都決定了成型模具在復合材料產品制造過程中起著舉足輕重的作用。另外，飛機構件外形大多為曲面，蒙皮與長桁等結構的高精度連接配合需要其相應模具加工精度的保障。數字化設計與制造是保障模具加工精度和配合協調的關鍵。復合材料成型模具數字化設計制造是指將模具的外部形狀信息、內部材料組織信息、制造信息、功能信息以及復合材料構件固化變形等因素統一起來，依靠模具數字化設計、數字化仿真分析、數字化制造、數字化檢測等方法實現模具的設計與制造，使復合材料構件成型后不需要加工或只需少量加工即可滿足設計要求[2]。
復合材料成型模具概述
同金屬材料制造相比，復合材料的制造有很大的靈活性。目前樹脂基復合材料的成型方法多達20余種。比較常見的有手工成型、纏繞成型、真空袋成型、熱壓罐成型、熱膨脹模塑成型、拉擠成型、模壓成型、樹脂傳遞模塑成型（RTM）、噴涂成型等。不同的成型方法對模具的結構形式和模具材料有不同的要求。比較有代表性的模具結構有纏繞成型模具、金屬框架式模具、RTM成型模具等。
對于纏繞成型來說，選擇適當的芯模對提高復合材料構件成型質量至關重要。合理設計的芯模將使纖維的損傷減至小且能減小構件尺寸的偏差和殘余應力。芯模要求有足夠的強度、剛度，且滿足精度要求。重復使用的芯模還要保證制件固化后在保持構件和芯模完整性的條件下，芯模和制件能順利分離[3];金屬框架式模具主要用于復合材料熱壓罐成型，其對模具型板的尺寸精度、表面質量、型板厚度以及模具支撐結構等要求較高，既要滿足剛度要求，又要滿足其傳熱要求；RTM成型工藝對上下模具的配合精度、模具表面質量、注射口和排氣孔位置、模具密封性以及構件脫模裝置等要求較高。
復合材料成型模具數字化設計
1 復合材料工藝數模設計
復合材料工藝數模設計是模具數字化設計制造的基礎，是復合材料構件的原始數據，為后續的分析、制造等環節提供數據源頭。其建模工作主要包括貼模面設計、建立鋪層坐標系、區域和過渡區域的建模、鋪層詳細設計、鋪層分塊和展開以及可制造性分析等。
2 復合材料成型模具設計
復合材料構件成型模具結構隨工藝方法的變化而變化，典型的是用于熱壓罐成型的框架式模具，如圖1所示。模具通常由上部分的型板和下部分的支撐結構組成，型板制造中要求型面精度高、表面質量好，用來保證復合材料構件成型后的外形符合設計要求；支撐結構用于將工作載荷下支撐型板的變形控制在設計要求范圍內，因此要求其具有一定的剛度和強度。支撐結構上通常開有通風口、均風口，保證模具在熱壓罐內的通風傳熱性好?？蚣苁侥＞咧亓枯p、易搬運、通風好，但其制造過程復雜，結構設計合理性要求高。對于飛機大型復合材料壁板的制造，框架式模具可兼顧保證剛度、強度；保證模具通風傳熱；保證模具運轉方便。
傳統框架式模具設計方法是工裝設計部門根據復合材料構件數模，提取模具成型曲面，進而創建模具型板，模具型板通常比構件外形面要更大一些，用來安放工裝夾具等；在模具型板的基礎上創建支撐結構,然后在支撐結構合適的位置創建通風口等。這種傳統的設計方法較依賴模具設計人員所掌握的知識和經驗，例如不同的設計者設計出的框格間距、通風口尺寸、型板厚度等都會有所差異；且設計重復性勞動較多，效率低下。
為了提高復合材料模具的設計效率，避免大量人為的重復性設計工作，充分利用現有的設計知識和經驗，提高模具設計質量，縮短設計研制周期，發展復合材料成型模具數字化設計意義重大。近年來，隨著數字化技術、網絡技術的不斷發展,國內外學者對數字化航空鈑金模具設計制造技術進行了深入研究[4-5]，但對復合材料成型模具數字化設計制造技術則研究不多，文獻[6]對尺寸較大的復合材料構件的真空注射RTM成型模具進行了研究和開發，文獻[7]針對復合材料熱壓罐成型模具，提出了模具支撐結構的級聯參數化等一系列算法，開發了復合材料構件工裝設計系統。
復合材料成型模具數字化設計應將成組化模塊規范、專家知識庫與數字化仿真分析結合起來。由于復合材料成型方法的多樣性，導致其模具結構形式的多樣性，使得設計人員很難短期內熟練掌握復合材料成型模具數字化設計技術，除了進行必要的培訓，還需建立相應的成組化模塊規范來指導設計人員進行模具數字化設計，如圖2所示。通過實例來描述不同結構形式模具的具體建模步驟、工藝分析等。同時，將前人的經驗和知識進行科學、系統的提煉，形成專家知識庫，設計人員根據復合材料構件的三維模型，按照模具設計流程，依靠專家知識庫快速地實現模具設計，大限度地減少設計者的重復勞動工作，縮短模具的設計周期，提高模具設計質量。同時將設計數據進行數字化保存與管理，豐富專家知識庫。
3 復合材料成型模具數字化仿真分析
復合材料成型過程中因材料熱膨脹系數不一致、樹脂基體的固化收縮以及模具與構件相互作用易產生固化變形[8]。這種固化變形對構件外形尺寸精度和構件后續的連接裝配帶來極為不利的影響。為了克服這方面的問題，傳統的方法是依靠設計者經驗和試驗來對成型工藝和模具型面進行修正加工，從而減小甚至抵消構件變形。但這種試錯法耗時費力，不利于提高模具的設計效率。傳統模具調試修正工作一般過程如圖3所示。
隨著計算機技術的發展，以數值模擬技術實現工藝的虛擬設計，使得基于經驗和工藝試驗的處理模式朝數值分析的方向進行完善[9]。圖4為某復合材料蒙皮成型過程的模擬仿真結果。利用數值模擬軟件，模擬復合材料構件成型過程，分析模具和復合材料構件溫度場是否均勻、復合材料構件固化是否均勻以及固化變形是否滿足生產要求等，從而反復優化模具結構及升降溫速率等成型工藝參數，直到模擬結果滿足一定要求，完成模具結構修正設計，總結以上過程如圖5所示。由于影響復合材料構件變形的因素較多、較復雜，目前對復合材料成型模具的型面修正多限于T型、L型長桁等結構較簡單的構件。對于大尺寸構件或復雜曲面外形構件，目前國內航空企業主要利用模具縮比來抵消部分變形。構件翹曲變形等問題的局部修正還比較困難，有待于進一步的研究。
在框架式模具設計時，設計者往往僅考慮模具在工作載荷下的變形及其對復合材料固化過程當中的溫度場均勻性的影響，而忽略了對模具結構的優化分析。對于大型復合材料制件，這種方法設計出來的模具通常都非常笨重，不僅耗費大量原材料，對模具的傳熱以及運輸、使用等都造成了影響。因此，減重也是模具數字化設計的一個重要方面。通過計算機輔助技術，模擬模具在不同工況下的變形，進而優化模具的拓撲結構，在滿足結構剛度的條件下，盡可能降低模具的重量。
4 復合材料構件模具CAPP技術
計算機輔助工藝規劃（CAPP）被認為是連接計算機輔助設計（CAD）與計算機輔助制造（CAM）的橋梁。模具CAPP系統中包含了眾多模塊與功能，包括系統管理模塊、典型工藝生成模塊、工藝編輯模塊、工藝輔助計算模塊、報表以及查詢等模塊。CAPP系統可以利用工藝人員的經驗知識和工藝數據進行科學決策，對工藝結果進行優化，大大提高工藝設計的效率。長期以來，復合材料模具加工車間的工藝編制主要依賴手工，模具種類多、批量小、規范性差。復合材料成型模具CAPP的研究和應用可提高模具的產品質量，縮短模具制造周期，降低生產制造成本。
復合材料構件模具數字化制造
模具的數字化制造需要依靠各種自動化程度較高的精密、高效數字化加工設備。這些先進制造技術的應用將對縮短模具制造周期，提高模具質量有顯著效應。
1 數控加工技術
數控加工是復合材料成型模具常用的加工制造方法?？蚣苁侥＞叩男桶?、纏繞成型的芯模、RTM成型模具的型腔以及一些有配合要求的工裝等，都需要采用數控加工來保證加工精度和表面質量。近年來，高速數控銑削技術（HSMT）發展迅速，其具有較高的材料切除效率、高切削表面質量，并能實現以車代磨，在鈑金模具加工上應用越來越多。對于復合材料成型模具，發展高速數控銑削技術將對縮短模具制造周期，提高模具制造質量有著顯著成效。
2 先進表面處理技術
通過采用不同的表面處理技術，可以改變模具表層的成分、組織、性能，從而大幅度地改善模具的表面性能，如硬度、耐磨性、摩擦性能、耐腐蝕性、抗氧化性及脫模能力等。目前使用的表面處理方法可歸納為物理表面處理法、化學表面處理法和表層覆層處理法。比較具有代表性的是激光表面強化處理法。激光強化加工系統主要由三部分組成，激光器系統、光束傳輸與變換裝置及計算機數控系統[10]。對于復合材料熱壓罐成型模具型板，采用激光表面強化，可以達到提高模具表面質量，延長模具使用壽命的效果。
3 加工制造中面臨的問題
對于熱壓罐成型模具，型板與支撐結構間大多是通過焊接連接到一起，而焊接殘余變形和殘余應力是焊接制造過程中常見的問題。由于焊接物理過程十分復雜，快速地不均勻加熱與冷卻，將不可避免地產生焊接殘余應力與焊接變形。影響焊接變形的因素很多，包括焊縫分布、焊縫過于集中、結構剛度、焊接裝配、焊接順序、焊接工藝以及焊接方法和材料等[11]。一般來說，可以從焊件結構設計和焊接工藝兩方面來解決焊接殘余變形問題。一是選擇科學的設計方法，包括合理選擇構件結構、合理選擇焊縫尺寸和布局、合理選擇焊縫的截面和坡口形式；二是制定合理的工藝措施，例如選擇合理的焊接線能量、選擇合理的工藝參數、選擇合理的裝配焊接順序以及采用反變形法等[12]。
熱壓罐成型模具型板的加工質量主要是指加工精度和表面質量。型板通常是采用數控加工成形，雖然提高了型板加工質量，但是由于影響加工質量的因素較多，且這些因素之間相互耦合，會導致型板產生機加變形。影響機加變形的因素包括型板材料特性、毛坯初始殘余應力、切削力和切削熱以及走刀路徑等因素。除此之外，切削參數、切削方式、刀具、切削過程中的振動等因素對機加變形和表面質量都有一定的影響[13-14]。如何減小數控加工中的機加變形也是模具數字化制造過程中應該考慮的重要問題。
在復合材料構件成型過程中，模具材料同復合材料間熱膨脹系數的不同會影響到復合材料的成型質量。因此，在選擇模具材料時應盡可能選用熱膨脹系數與復合材料相接近的材料。殷鋼是近年來國外大量使用的一種復合材料成型模具材料，其具有與復合材料熱膨脹系數相匹配，耐溫性能好，使用壽命長，焊接性能好等優點。但其美中不足的是材料成本昂貴，且機械加工性能一般，切削時易造成切削力大、切削溫度高、刀具加劇磨損等問題，需要在不同階段進行相應的熱處理等[15]。國外在殷鋼模具的加工方面技術比較成熟，采用五坐標數控機床可使模具加工達到很高精度。目前國內航空企業，通常采用先滾彎或壓彎的方法粗加工，繼而通過數控銑削的方法進行精加工，加工效率低、周期長，如何提高殷鋼數字化加工制造水平對于縮短殷鋼模具質量、提高復合材料成型質量至關重要。圖6[16]為Invar模具。
復合材料構件模具數字化檢測
精密、復雜、大型模具的發展，不僅對制造設備要求越來越高，同樣對檢測設備的要求也越來越高。隨著電子技術的發展，測量技術向著高精度、高效率的方向發展。激光、光柵、磁柵等新技術的應用，誕生了更先進的數字化測量設備。數字化檢測技術已成為現代飛機數字化設計制造技術的重要組成部分。近10年來，出現了各種各樣的檢測方法，可分為接觸式和非接觸式兩大類。復合材料成型模具數字化檢測流程如圖7[17]所示。
1 接觸式測量檢測
接觸式測量是指通過測量儀的測頭與模型輪廓接觸進行測量獲得模型輪廓點云數據的一種測量方式，主要有三、五坐標測量機（CMM）、便攜式測量機（PCMM）等。接觸測量法測量精度較高、可重復性好、噪聲低；但無法對軟實體表面或易損傷物體表面進行測量；因其要在模型上逐點測量，故測量效率較低；當物體形狀復雜時，對測頭運動路徑的規劃與控制也較復雜；測量時還需對測量頭半徑進行補償；測量路徑需人工干預，目前還無法實現全自動測量。
2 非接觸式測量檢測
非接觸式測量顧名思義，是指測量設備的測頭不與被測件表面接觸，利用某種與實物表面發生相互作用的原理對型面進行測量，進一步獲取三維數據信息，實現對零部件或模具的測量。非接觸式測量主要有計算機輔助經緯儀（CAT）、激光跟蹤儀、照相測量術等。其中較為成熟的是光學測量法，包括結構光法、激光三角形法、激光干涉法、圖像分析法等。采用激光掃描法可以達到很高的測量速度和精度，對被測物體的材質和形狀也限制不大，但測量精度易受環境光線的影響。
并行工程
并行工程是對傳統串行產品開發方式的一種根本性改進，要求設計者在設計初期就將產品的整個設計制造過程，包括成本、工藝、環保以及用戶需求等考慮在內。其在美國、日本等已得到廣泛應用，波音公司采用并行工程的方法開發777大型客機，實現了3年內從設計到試飛成功的目標，比傳統的串行模式節約了近70%的時間[18]。并行工程在我國模具制造業也有一定的應用，文獻[19]采用并行工程的方法設計汽車覆蓋件模具，較傳統的設計方法設計質量大幅提高，設計周期縮短了一半以上。
目前國內航空企業在并行工程應用方面與國外還有很大差距，在復合材料成型模具的設計制造上應用還很少。發展復合材料成型模具的數字化并行工程，在初步確定復合材料構件的三維模型后，多位設計人員同時進行構件工藝設計、模具結構設計、工程詳圖設計、模具性能輔助分析、仿真模擬及數控機床加工指令編程等，實現模具無紙設計制造，提高模具生產效率。
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目前，國外已經實現了復合材料構件的無圖設計、制造，全面實現了復合材料的手工設計制造向數字化設計制造的轉變；國內這方面還處于起步階段，部分航空企業將CATIA、FiberSIM等設計軟件以及數控下料機、自動鋪帶機、激光鋪層定位儀、大型C掃描等數字化設備應用到了復合材料設計制造過程中，但對復合材料成型模具的數字化設計制造技術重視不夠。與常規金屬材料成型不同，復合材料構件的成型是材料與結構同時成型的過程，且通常要在模具中完成。制件固化成型后幾乎不再作任何加工，其外形尺寸、力學性能以及內部要求等都應滿足設計要求，這些都決定了成型模具在復合材料產品制造過程中起著舉足輕重的作用。另外，飛機構件外形大多為曲面，蒙皮與長桁等結構的高精度連接配合需要其相應模具加工精度的保障。數字化設計與制造是保障模具加工精度和配合協調的關鍵。復合材料成型模具數字化設計制造是指將模具的外部形狀信息、內部材料組織信息、制造信息、功能信息以及復合材料構件固化變形等因素統一起來，依靠模具數字化設計、數字化仿真分析、數字化制造、數字化檢測等方法實現模具的設計與制造，使復合材料構件成型后不需要加工或只需少量加工即可滿足設計要求[2]。
復合材料成型模具概述
同金屬材料制造相比，復合材料的制造有很大的靈活性。目前樹脂基復合材料的成型方法多達20余種。比較常見的有手工成型、纏繞成型、真空袋成型、熱壓罐成型、熱膨脹模塑成型、拉擠成型、模壓成型、樹脂傳遞模塑成型（RTM）、噴涂成型等。不同的成型方法對模具的結構形式和模具材料有不同的要求。比較有代表性的模具結構有纏繞成型模具、金屬框架式模具、RTM成型模具等。
對于纏繞成型來說，選擇適當的芯模對提高復合材料構件成型質量至關重要。合理設計的芯模將使纖維的損傷減至小且能減小構件尺寸的偏差和殘余應力。芯模要求有足夠的強度、剛度，且滿足精度要求。重復使用的芯模還要保證制件固化后在保持構件和芯模完整性的條件下，芯模和制件能順利分離[3];金屬框架式模具主要用于復合材料熱壓罐成型，其對模具型板的尺寸精度、表面質量、型板厚度以及模具支撐結構等要求較高，既要滿足剛度要求，又要滿足其傳熱要求；RTM成型工藝對上下模具的配合精度、模具表面質量、注射口和排氣孔位置、模具密封性以及構件脫模裝置等要求較高。
復合材料成型模具數字化設計
1 復合材料工藝數模設計
復合材料工藝數模設計是模具數字化設計制造的基礎，是復合材料構件的原始數據，為后續的分析、制造等環節提供數據源頭。其建模工作主要包括貼模面設計、建立鋪層坐標系、區域和過渡區域的建模、鋪層詳細設計、鋪層分塊和展開以及可制造性分析等。
2 復合材料成型模具設計
復合材料構件成型模具結構隨工藝方法的變化而變化，典型的是用于熱壓罐成型的框架式模具，如圖1所示。模具通常由上部分的型板和下部分的支撐結構組成，型板制造中要求型面精度高、表面質量好，用來保證復合材料構件成型后的外形符合設計要求；支撐結構用于將工作載荷下支撐型板的變形控制在設計要求范圍內，因此要求其具有一定的剛度和強度。支撐結構上通常開有通風口、均風口，保證模具在熱壓罐內的通風傳熱性好?？蚣苁侥＞咧亓枯p、易搬運、通風好，但其制造過程復雜，結構設計合理性要求高。對于飛機大型復合材料壁板的制造，框架式模具可兼顧保證剛度、強度；保證模具通風傳熱；保證模具運轉方便。
傳統框架式模具設計方法是工裝設計部門根據復合材料構件數模，提取模具成型曲面，進而創建模具型板，模具型板通常比構件外形面要更大一些，用來安放工裝夾具等；在模具型板的基礎上創建支撐結構,然后在支撐結構合適的位置創建通風口等。這種傳統的設計方法較依賴模具設計人員所掌握的知識和經驗，例如不同的設計者設計出的框格間距、通風口尺寸、型板厚度等都會有所差異；且設計重復性勞動較多，效率低下。
為了提高復合材料模具的設計效率，避免大量人為的重復性設計工作，充分利用現有的設計知識和經驗，提高模具設計質量，縮短設計研制周期，發展復合材料成型模具數字化設計意義重大。近年來，隨著數字化技術、網絡技術的不斷發展,國內外學者對數字化航空鈑金模具設計制造技術進行了深入研究[4-5]，但對復合材料成型模具數字化設計制造技術則研究不多，文獻[6]對尺寸較大的復合材料構件的真空注射RTM成型模具進行了研究和開發，文獻[7]針對復合材料熱壓罐成型模具，提出了模具支撐結構的級聯參數化等一系列算法，開發了復合材料構件工裝設計系統。
復合材料成型模具數字化設計應將成組化模塊規范、專家知識庫與數字化仿真分析結合起來。由于復合材料成型方法的多樣性，導致其模具結構形式的多樣性，使得設計人員很難短期內熟練掌握復合材料成型模具數字化設計技術，除了進行必要的培訓，還需建立相應的成組化模塊規范來指導設計人員進行模具數字化設計，如圖2所示。通過實例來描述不同結構形式模具的具體建模步驟、工藝分析等。同時，將前人的經驗和知識進行科學、系統的提煉，形成專家知識庫，設計人員根據復合材料構件的三維模型，按照模具設計流程，依靠專家知識庫快速地實現模具設計，大限度地減少設計者的重復勞動工作，縮短模具的設計周期，提高模具設計質量。同時將設計數據進行數字化保存與管理，豐富專家知識庫。
3 復合材料成型模具數字化仿真分析
復合材料成型過程中因材料熱膨脹系數不一致、樹脂基體的固化收縮以及模具與構件相互作用易產生固化變形[8]。這種固化變形對構件外形尺寸精度和構件后續的連接裝配帶來極為不利的影響。為了克服這方面的問題，傳統的方法是依靠設計者經驗和試驗來對成型工藝和模具型面進行修正加工，從而減小甚至抵消構件變形。但這種試錯法耗時費力，不利于提高模具的設計效率。傳統模具調試修正工作一般過程如圖3所示。
隨著計算機技術的發展，以數值模擬技術實現工藝的虛擬設計，使得基于經驗和工藝試驗的處理模式朝數值分析的方向進行完善[9]。圖4為某復合材料蒙皮成型過程的模擬仿真結果。利用數值模擬軟件，模擬復合材料構件成型過程，分析模具和復合材料構件溫度場是否均勻、復合材料構件固化是否均勻以及固化變形是否滿足生產要求等，從而反復優化模具結構及升降溫速率等成型工藝參數，直到模擬結果滿足一定要求，完成模具結構修正設計，總結以上過程如圖5所示。由于影響復合材料構件變形的因素較多、較復雜，目前對復合材料成型模具的型面修正多限于T型、L型長桁等結構較簡單的構件。對于大尺寸構件或復雜曲面外形構件，目前國內航空企業主要利用模具縮比來抵消部分變形。構件翹曲變形等問題的局部修正還比較困難，有待于進一步的研究。
在框架式模具設計時，設計者往往僅考慮模具在工作載荷下的變形及其對復合材料固化過程當中的溫度場均勻性的影響，而忽略了對模具結構的優化分析。對于大型復合材料制件，這種方法設計出來的模具通常都非常笨重，不僅耗費大量原材料，對模具的傳熱以及運輸、使用等都造成了影響。因此，減重也是模具數字化設計的一個重要方面。通過計算機輔助技術，模擬模具在不同工況下的變形，進而優化模具的拓撲結構，在滿足結構剛度的條件下，盡可能降低模具的重量。
4 復合材料構件模具CAPP技術
計算機輔助工藝規劃（CAPP）被認為是連接計算機輔助設計（CAD）與計算機輔助制造（CAM）的橋梁。模具CAPP系統中包含了眾多模塊與功能，包括系統管理模塊、典型工藝生成模塊、工藝編輯模塊、工藝輔助計算模塊、報表以及查詢等模塊。CAPP系統可以利用工藝人員的經驗知識和工藝數據進行科學決策，對工藝結果進行優化，大大提高工藝設計的效率。長期以來，復合材料模具加工車間的工藝編制主要依賴手工，模具種類多、批量小、規范性差。復合材料成型模具CAPP的研究和應用可提高模具的產品質量，縮短模具制造周期，降低生產制造成本。
復合材料構件模具數字化制造
模具的數字化制造需要依靠各種自動化程度較高的精密、高效數字化加工設備。這些先進制造技術的應用將對縮短模具制造周期，提高模具質量有顯著效應。
1 數控加工技術
數控加工是復合材料成型模具常用的加工制造方法?？蚣苁侥＞叩男桶?、纏繞成型的芯模、RTM成型模具的型腔以及一些有配合要求的工裝等，都需要采用數控加工來保證加工精度和表面質量。近年來，高速數控銑削技術（HSMT）發展迅速，其具有較高的材料切除效率、高切削表面質量，并能實現以車代磨，在鈑金模具加工上應用越來越多。對于復合材料成型模具，發展高速數控銑削技術將對縮短模具制造周期，提高模具制造質量有著顯著成效。
2 先進表面處理技術
通過采用不同的表面處理技術，可以改變模具表層的成分、組織、性能，從而大幅度地改善模具的表面性能，如硬度、耐磨性、摩擦性能、耐腐蝕性、抗氧化性及脫模能力等。目前使用的表面處理方法可歸納為物理表面處理法、化學表面處理法和表層覆層處理法。比較具有代表性的是激光表面強化處理法。激光強化加工系統主要由三部分組成，激光器系統、光束傳輸與變換裝置及計算機數控系統[10]。對于復合材料熱壓罐成型模具型板，采用激光表面強化，可以達到提高模具表面質量，延長模具使用壽命的效果。
3 加工制造中面臨的問題
對于熱壓罐成型模具，型板與支撐結構間大多是通過焊接連接到一起，而焊接殘余變形和殘余應力是焊接制造過程中常見的問題。由于焊接物理過程十分復雜，快速地不均勻加熱與冷卻，將不可避免地產生焊接殘余應力與焊接變形。影響焊接變形的因素很多，包括焊縫分布、焊縫過于集中、結構剛度、焊接裝配、焊接順序、焊接工藝以及焊接方法和材料等[11]。一般來說，可以從焊件結構設計和焊接工藝兩方面來解決焊接殘余變形問題。一是選擇科學的設計方法，包括合理選擇構件結構、合理選擇焊縫尺寸和布局、合理選擇焊縫的截面和坡口形式；二是制定合理的工藝措施，例如選擇合理的焊接線能量、選擇合理的工藝參數、選擇合理的裝配焊接順序以及采用反變形法等[12]。
熱壓罐成型模具型板的加工質量主要是指加工精度和表面質量。型板通常是采用數控加工成形，雖然提高了型板加工質量，但是由于影響加工質量的因素較多，且這些因素之間相互耦合，會導致型板產生機加變形。影響機加變形的因素包括型板材料特性、毛坯初始殘余應力、切削力和切削熱以及走刀路徑等因素。除此之外，切削參數、切削方式、刀具、切削過程中的振動等因素對機加變形和表面質量都有一定的影響[13-14]。如何減小數控加工中的機加變形也是模具數字化制造過程中應該考慮的重要問題。
在復合材料構件成型過程中，模具材料同復合材料間熱膨脹系數的不同會影響到復合材料的成型質量。因此，在選擇模具材料時應盡可能選用熱膨脹系數與復合材料相接近的材料。殷鋼是近年來國外大量使用的一種復合材料成型模具材料，其具有與復合材料熱膨脹系數相匹配，耐溫性能好，使用壽命長，焊接性能好等優點。但其美中不足的是材料成本昂貴，且機械加工性能一般，切削時易造成切削力大、切削溫度高、刀具加劇磨損等問題，需要在不同階段進行相應的熱處理等[15]。國外在殷鋼模具的加工方面技術比較成熟，采用五坐標數控機床可使模具加工達到很高精度。目前國內航空企業，通常采用先滾彎或壓彎的方法粗加工，繼而通過數控銑削的方法進行精加工，加工效率低、周期長，如何提高殷鋼數字化加工制造水平對于縮短殷鋼模具質量、提高復合材料成型質量至關重要。圖6[16]為Invar模具。
復合材料構件模具數字化檢測
精密、復雜、大型模具的發展，不僅對制造設備要求越來越高，同樣對檢測設備的要求也越來越高。隨著電子技術的發展，測量技術向著高精度、高效率的方向發展。激光、光柵、磁柵等新技術的應用，誕生了更先進的數字化測量設備。數字化檢測技術已成為現代飛機數字化設計制造技術的重要組成部分。近10年來，出現了各種各樣的檢測方法，可分為接觸式和非接觸式兩大類。復合材料成型模具數字化檢測流程如圖7[17]所示。
1 接觸式測量檢測
接觸式測量是指通過測量儀的測頭與模型輪廓接觸進行測量獲得模型輪廓點云數據的一種測量方式，主要有三、五坐標測量機（CMM）、便攜式測量機（PCMM）等。接觸測量法測量精度較高、可重復性好、噪聲低；但無法對軟實體表面或易損傷物體表面進行測量；因其要在模型上逐點測量，故測量效率較低；當物體形狀復雜時，對測頭運動路徑的規劃與控制也較復雜；測量時還需對測量頭半徑進行補償；測量路徑需人工干預，目前還無法實現全自動測量。
2 非接觸式測量檢測
非接觸式測量顧名思義，是指測量設備的測頭不與被測件表面接觸，利用某種與實物表面發生相互作用的原理對型面進行測量，進一步獲取三維數據信息，實現對零部件或模具的測量。非接觸式測量主要有計算機輔助經緯儀（CAT）、激光跟蹤儀、照相測量術等。其中較為成熟的是光學測量法，包括結構光法、激光三角形法、激光干涉法、圖像分析法等。采用激光掃描法可以達到很高的測量速度和精度，對被測物體的材質和形狀也限制不大，但測量精度易受環境光線的影響。
并行工程
并行工程是對傳統串行產品開發方式的一種根本性改進，要求設計者在設計初期就將產品的整個設計制造過程，包括成本、工藝、環保以及用戶需求等考慮在內。其在美國、日本等已得到廣泛應用，波音公司采用并行工程的方法開發777大型客機，實現了3年內從設計到試飛成功的目標，比傳統的串行模式節約了近70%的時間[18]。并行工程在我國模具制造業也有一定的應用，文獻[19]采用并行工程的方法設計汽車覆蓋件模具，較傳統的設計方法設計質量大幅提高，設計周期縮短了一半以上。
目前國內航空企業在并行工程應用方面與國外還有很大差距，在復合材料成型模具的設計制造上應用還很少。發展復合材料成型模具的數字化并行工程，在初步確定復合材料構件的三維模型后，多位設計人員同時進行構件工藝設計、模具結構設計、工程詳圖設計、模具性能輔助分析、仿真模擬及數控機床加工指令編程等，實現模具無紙設計制造，提高模具生產效率。
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