複合材料要製造成為熱壓罐成型模具有哪些設計的技巧和要點呢?下面本站小編為你講解!
隨著複合材料在飛機結構件上用量的逐步增加，零件越來越大而複雜，並逐步使用到主承力件上，這對複合材料製件的質量提出了更高的要求。因複合材料製件的固化成型特點，其質量在很大程度上取決於成型模具的質量，而高質量的模具來源於科學、合理的設計，特別是對於大型模具，除模具質量對製件質量的影響外，模具的尺寸、重量對模具成本以及復材製件的總製造成本有很大影響。
通過對複合材料熱壓罐成型模具的設計、製造、轉運及使用驗證等工程研究及分析，結合復材模具設計的經驗方法，歸納出以下幾點模具設計原則。
滿足製件結構及工藝要求
在設計複合材料成型模具前，要對製件的設計輸入進行充分分析，以產生模具結構的初步概念。
(1)分析製件的工程結構。通常有壁板、樑、肋、長桁、接頭、以及整體盒段等結構形式。根據製件結構形式，可對模具有個大致概念，壁板常為大型框架結構;樑一般較長，常有陰模、陽模形式;長桁一般為細長結構;整體盒段一般需上下合模。
(2)分析製件的工程介面。是否有氣動面、裝配面、膠接面等，一般情況下可確定這些面為貼膜面;但如果這些面結構較複雜時，設計可考慮在工程介面側新增補償層，此時貼膜面可設計在工程介面的背面。
(3)分析製件的質量要求。製件的外形輪廓尺寸精度直接影響到模具的質量要求及成本，可通過設計合理的模具結構、定位方法及加工方法來達到精度要求。
(4)分析製件的成型工藝方法，是共固化、共膠接還是二次交接。共固化中，所有層為溼鋪層一次進罐，需要較多模具組合到一起同時使用，通常整套模 具較複雜;共膠接為乾溼件進罐固化，需要一部分零件的成型模具，及已固化零件與溼鋪層二次進罐固化的模具;二次膠接時所有零件已固化，通過膠膜把他們固化 到一起，需要所有零件的成型模以及二次膠接的定位模具。
模具材料的選擇
用作複合材料成型模具的材料主要有普通鋼、INVAR鋼、複合材料(雙馬和環氧樹脂)、鋁等。通常根據材料的效能(主要是高溫下的熱膨脹係數)、成本、週期及使用次數來選擇，見表1。
對於機身、翼面、舵面等大尺寸、大麴率的模具，通常選擇INVAR鋼，對於一些配合要求高的樑、肋、長桁等也常選擇INVAR鋼;對於鋪絲需要回轉的工 裝，考慮到重量因素，複合材料模具是一個不錯的選擇;對於形狀不是太複雜、曲率很小或是等截面的製件結構，通常選擇普通鋼或鋁以降低成本，但膨脹和變形因 素需要在設計時得到補償。不同模具材料的效能特點及使用範圍如表1所示。
模具熱膨脹的補償
當模具與預浸料進熱壓罐固化時，隨著溫度的升高，模具會膨脹而使尺寸增大，達到保溫狀態時最大，此時預浸料反應固化，與模具尺寸一致。在固化完成後降溫的 過程中，模具和固化好的製件都會收縮，但如果模具材料與複合材料製件的熱膨脹係數不一致，收縮量也就不一致，從而導致製件尺寸和模具尺寸有偏差。根據表1 中材料的'熱膨脹係數，INVAR鋼和複合材料模具受熱膨脹對製件的影響很小，可忽略不計;但普通鋼和鋁則有影響，特別是當尺寸大時，必須要考慮膨脹量，否 則產品尺寸會隨模具的膨脹而偏大。
模具熱膨脹可採取一定的補償方法，按經驗公式及試驗驗證，以製件質心為中心，把整個製件按如下糾正係數縮小，在模具設計時按照縮小後的製件作為工程輸入。
F=1/[(T-P)×△T+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。
另一方面，模具熱膨脹還將影響到製件的變形及脫模等問題。在設計模具時要把這些因素考慮進去。如收縮變形是否能通過模具結構的對稱性來抵消，或後處理來消 除;凸模的收縮可能會有助於脫模，特別是對於有微小閉角的零件，凹模的收縮將增加脫模的難度。通過考慮這些因素，結合復材製件的產品要求，來選擇合適的模 具材料及模具的結構形式。同時，也可以通過數字模擬，結合試驗件的驗證來優化模具設計。
模具回彈角的補償
除模具的膨脹對製件固化變形有影響外，複合材料製件因為鋪層和結構的不對稱性，以及材料本身的固化特性，在固化時產生內應力也將引起製件變形。而對於樑、長桁類有大夾角的零件，固化變形最顯著的是回彈角，即製件在固化脫模後，夾角因收縮而小於模具角度，此差值為回彈角。如圖4所示，A1為模具夾角，A2為製件脫模後的夾角，θ為二者之差，即回彈角。在設計時，不考慮回彈角或考慮不當，將對製件質量產生較大影響，特別是對裝配的影響。
回彈角因與模具材料，鋪層方向及結構對稱性有關，可通過數字模擬及試驗測試的方法得到，目前用的較多的是通過經驗值結合試驗值來獲得回彈角的大小，而數字模擬有待於提高對熱壓罐溫度場及複合材料反應機理的精準分析。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夾角，使製件在脫模回彈後符合工程數模要求。
應力分析準則
目前國內的複合材料成型模具一般都是通過保守估計的方法設計，沒有通過強度分析優化，這樣設計出來的模具，特別是大型製件的模具，通常都非常笨重，不僅耗費大量材料，因熱容量升高也可能影響到固化反應，同時對運輸、使用過程的相關裝置噸位要求很高，大大增加了成本，甚至影響了製造能力。因此，減重是模具設計優化的一個重要方面。減重的方法必須要通過合理的計算，否則會直接影響到模具的強度和剛度，導致使用過程中產生變形而影響製件質量。同時，對於吊環、輪子、撐腳也需要進行強度校核，以確保模具能夠安全地起吊和轉運。
減重優化可通過有限元分析模具在不同工況下的應變、應力情況，根據計算結果調整優化模具結構，最終使最嚴重工況下的應力、應變值小於材料許用值乘以某一安全係數(此安全係數一般為經驗值，為安全起見，可考慮大於1.5)，並儘可能使各處的安全係數偏差不大，這樣才能有效減重。模具應力分析考慮的工況通常包括以下幾個方面：
(1) 垂直起吊的情況。
整套模具加製件的重量作用在模具的所有吊點上。
(2) 垂直起吊過程緊急剎車情況。
整套模具加製件的重量，以及急剎車產生的衝擊載荷作用在模具的所有吊點上。
(3) 手動鋪層使用情況。
鋪貼模具加鋪層重量作用在模具底座的支撐點上。
(4) 自動鋪層使用情況。
鋪貼模具加鋪層重量，以及鋪帶頭的壓力作用在模具底座的支撐點上。
(5)工裝轉運過程。
整套模具加製件的重量作用在模具的輪子上。
(6) 工裝在熱壓罐裡的情況。
在177℃時(此時的材料許用值小於常溫下的許用值)，整套模具加製件的重量作用在模具底座的支撐點上。
細節設計要求
複合材料模具設計中細節設計非常重要，直接影響到模具使用的可操作性、方便性及自動化程度，甚至影響複合材料製件的質量。模具上的細節設計包括但不限於以下內容：
(1) 產品線：即產品的外形輪廓線，用於非數控切邊時使用，決定了產品的外形尺寸的精度;設計時應考慮模具材料的膨脹因素作適當縮放處理，產品線的位置精度和寬度精度都需要根據復材製件外形尺寸精度要求定義在模具設計中。
(2) 鋪貼線：由於製件邊緣鋪貼不完全齊整，以及流膠、擋膠條、打真空袋等因素導致固化後產品邊緣質量不高，需要在產品線外一定距離開始鋪貼，在製件上將留有一定餘量待加工掉。同時，鋪貼線用於無鐳射投影時手工鋪貼定位，以控制鋪貼餘量，既不浪費太多的料，又能保證產品質量。通常鋪貼線到產品線可留20~30mm。
(3) 基準孔：用於模具機加和檢測時作為基準，精度要高，並保證可重複使用。基準孔座標值通常刻於模具上便於使用。
(4) 靶標孔：用於手動鋪貼時放置鐳射投影的靶標，以定位鋪層區域。靶標孔按實測值即可，座標值刻於模具上。
(5) 自動鋪帶十字刻線：十字刻線中心用於自動鋪帶時目標定位，十字線中心點的座標刻於模具上。
(6) 復材製件定位孔：也叫製件工藝耳片孔，用於復材製件在脫模後檢測、機加和裝配時作定位基準，精度要求高。此孔需要有相應的鑽模板來準確定位，鑽孔需要在脫模前進行，孔應該在模具的法線方向。
(7) 餘量區：在鋪貼線到模具邊緣需要留有一定距離用於打真空袋及自動鋪帶退料。通常手工鋪貼模具的餘量區在100~200mm，而自動鋪帶則需要200~300mm。
(8) 人性化設計：模具設計時要考慮工裝使用安全、便利，比如工裝的高度要適於鋪貼、檢查;模具鋪貼、搬運時要穩，不會有砸到的危險;當重量超過人工搬運的重量時，要設計輔助工裝協助模具轉運。
特大型模具的約束因素
復材成型模具通常都非常笨重，如尾翼、機翼、機身等製件成型模具，動則十幾噸，甚至幾十噸。如此大而重的模具，在製造、運輸和使用過程中將大大增加難度。
設計過程：隨著尺寸的增大，保證模具加工精度、熱均勻性以及變形控制的難度將提高。在設計時，這些因素都應考慮到，如基準的設定、公差的分配，以及應力計算，還有目前正在研究的考慮到熱壓罐的溫度場對模具熱分佈的影響等。
製造過程：要保證大型模具的製造精度、氣密性等設計要求，對焊接、熱處理、數控機加及檢測技術等都提出了很高的要求，目前如鐳射焊接、氦氣檢漏等新工藝正逐步應用到大型模具的製造中。
運輸過程：重量過大則對橋樑、路基有更高的要求;尺寸增大對關卡、收費站等寬度有要求，通常長寬均超過3.5m時將受限，而達到5m以上時，將要對整個運輸道路進行考察，甚至改造。此情況下，需要考慮將模具分塊製造，運輸到製造現場以後進行焊接。
使用過程：對於大尺寸、大噸位的模具，通常需要在廠房規劃和裝置採購時就考慮轉運空間、吊車噸位、裝置行程等因素。
結束語
綜上所述，模具設計不僅需要考慮工程、工藝輸入，還需要考慮製造加工能力、運輸、使用及相關裝置能力等因素，使設計出的模具不僅能製造出合格的復材製件，還能達到降低成本、方便使用的更高目標。目前，減重、變形控制、人性化設計等是模具優化的發展方向，利用不斷升級的設計工具，結合實踐經驗的積累，復材成型模具將會得到更好的優化，從而促進複合材料在航空領域的發展。