韓小勇，蘇佳智，徐少晨，陳吉平，鄭義珠

（上海飛機(jī)制造有限公司，上海 200436）

復(fù)合材料制件成型時(shí)，由于基體和纖維的熱膨脹系數(shù)不同、材料的固化收縮不同等因素，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制件在固化過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力而引起制件回彈[1-5]。制件回彈產(chǎn)生是由制件固化過(guò)程中的外載荷卸去后制件內(nèi)部殘余應(yīng)力重新分布后產(chǎn)生的[6]。影響復(fù)材制件外形變化的因素很多，如制件本身的幾何形狀、厚度、鋪層、緣條長(zhǎng)度、模具材料、模具表面質(zhì)量和固化周期。當(dāng)模具冷卻至室溫時(shí)L和U型制件脫模后可以觀察到制件角度的變化，因此需要對(duì)模具進(jìn)行修模處理以解決回彈補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題，回彈補(bǔ)償一般是在1°～3°之間，但是回彈隨鋪層、材料和固化溫度等變化很大[7]。為了得到外形尺寸更準(zhǔn)確的制件，需對(duì)制件外形變化進(jìn)行預(yù)測(cè)。

本文采用碳纖維織物預(yù)浸料制備了一典型復(fù)合材料C型肋制件，針對(duì)制件大端未切口、大端切口和大端切口且緣條切邊的情況，利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量了制件內(nèi)型面的角度，并與成型模具型面對(duì)比，得到了較為優(yōu)化的回彈補(bǔ)償。最后通過(guò)測(cè)量制件外型面驗(yàn)證了回彈補(bǔ)償結(jié)果。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

碳纖維環(huán)氧預(yù)浸料：CYCOM970，CYTEC Company。

1.2 主要儀器及設(shè)備

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)：GSMMA 1102，DEA Company；

自動(dòng)下料機(jī)：1.8m×1.8m，GERBER Company；

熱壓罐：1m×2m，ASC Company。

1.3 肋零件制造

本試驗(yàn)制造了左右兩個(gè)對(duì)稱肋零件。采用自動(dòng)下料機(jī)下料，在已經(jīng)進(jìn)行了1°回彈補(bǔ)償?shù)年?yáng)模模具上鋪貼并預(yù)壓實(shí)預(yù)浸料，鋪層為 [(±45°)/(－ +45°)]4，在指定位置布置熱電偶，鋪上無(wú)孔隔離膜、透氣氈和真空袋，檢漏進(jìn)罐固化，固化工藝為：180℃/2h，0.6MPa。

1.4 型面測(cè)量

按圖1所示將肋零件內(nèi)型面按均勻間距做緣條與腹板延伸面交線的垂面并編號(hào)，在垂面與緣條和腹板之間的交線上均勻取點(diǎn)，利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量肋零件三端封邊、大端切口（見圖2）和大端切口后切邊3種狀態(tài)下的內(nèi)型面；測(cè)量模具對(duì)應(yīng)位置點(diǎn)的外型面；測(cè)量大端切口后切邊狀態(tài)下的零件外型面。

圖1 測(cè)試取點(diǎn)位置編號(hào)Fig.1 Location numbers of testing points

圖2 三端封邊肋和大端切口肋Fig.2 Ribs of three flanges closed and large end cut

將圖1中各編號(hào)對(duì)應(yīng)位置在緣條和腹板面的測(cè)量點(diǎn)擬合成直線，測(cè)量?jī)芍本€在內(nèi)型面的夾角，將該夾角作為數(shù)模中各編號(hào)位置的理論角度；采用相同方法，將三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量的3種零件狀態(tài)的內(nèi)型面和肋模具在各編號(hào)測(cè)量的點(diǎn)也擬合成直線，將直線夾角作為零件和模具實(shí)測(cè)角度。通過(guò)測(cè)量零件外型面來(lái)驗(yàn)證回彈補(bǔ)償結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 內(nèi)型面未切口測(cè)量

圖3是肋零件大端未切口時(shí)實(shí)測(cè)角度、模具實(shí)測(cè)角度與理論角度在相同位置處的對(duì)比情況。

圖3 未切口零件、模具實(shí)測(cè)角度和理論角度對(duì)比情況Fig.3 Comparison of the theory angles,the mould’measured angles and the not-cut parts’angles

圖4 零件角度差（理論角度-零件實(shí)測(cè)角度）與模具角度差（模具實(shí)測(cè)角度-理論角度）對(duì)比Fig.4 Compared parts’angle difference (theory angles- parts’measured angles)with the mould’angle difference(theory anglesmould’measured angles)

圖3和圖4中可以看出，未切口的左右零件回彈趨勢(shì)是一致的，但每個(gè)零件兩側(cè)緣條和大端緣條處的回彈趨勢(shì)不一致。兩側(cè)緣條與腹板的夾角比理論值要小，因此模具在兩側(cè)緣條處回彈補(bǔ)償放小了，而在大端處的緣條與腹板之間的夾角比理論值要大，因此模具在大端緣條處回彈補(bǔ)償放大了。主要由于零件未切口時(shí)，固化后三邊緣條回彈時(shí)相互支撐，特別是大端回彈，由于兩側(cè)緣條的支撐作用，回彈角很小，兩側(cè)緣條回彈同樣受到大端的支撐作用，但影響沒有大端那么明顯。因此，在分析回彈補(bǔ)償時(shí)，將兩側(cè)緣條和大端緣條分開分析，分別計(jì)算零件和模具兩側(cè)緣條處的角度差、大端緣條處角度差的平均值，具體的數(shù)據(jù)如表1、表2所示。綜上，三端封邊肋零件模具設(shè)計(jì)時(shí)，模具兩側(cè)緣條回彈補(bǔ)償1.35°較合適，模具大端緣條回彈補(bǔ)償0.32°較合適。

表1 左件未切口回彈情況 （°）

表2 右件未切口回彈情況 （°）

2.2 內(nèi)型面切口測(cè)量

圖5為零件大端切口狀態(tài)下實(shí)測(cè)角度、模具實(shí)測(cè)角度和理論角度的對(duì)比情況。

對(duì)比圖3、圖4和圖5、圖6可以看出，切口后零件大端回彈趨勢(shì)和兩側(cè)緣條回彈趨勢(shì)一致，圖6表明大端切口后進(jìn)一步釋放了緣條回彈，因此實(shí)測(cè)角度全部小于未切口狀態(tài)，這主要是由于大端切口后，回彈時(shí)緣條處相互支撐作用消失，制件內(nèi)部殘余應(yīng)力重新分布，所有緣條都處于自然回彈狀態(tài)。圖7表明在模具回彈補(bǔ)償1°的情況下，所有的緣條與腹板的夾角仍比理論值要小，模具回彈補(bǔ)償偏小，回彈分析采用2.1節(jié)中相同的方法，具體數(shù)據(jù)如表3、4所示。

2.3 內(nèi)型面切口切邊測(cè)量

圖8為零件大端切口后再切邊狀態(tài)下實(shí)測(cè)角度、模具實(shí)測(cè)角度和理論角度對(duì)比情況，切邊操作是采用手工切割方式從零件內(nèi)型面往零件外型面切。

從圖8中可知，與未切邊零件對(duì)比，零件切邊后沒有改變緣條的回彈趨勢(shì)，模具1°回彈補(bǔ)償依然放小了。從圖9和圖10可以看到切邊后回彈角度有一定的變化，切邊后的大多數(shù)角度差變小了，這主要是由于切邊是從零件內(nèi)型面往外型面切割，導(dǎo)致零件往外型面偏移。為了更接近于零件實(shí)際狀態(tài)，選用切口后切邊零件的回彈情況作為大端切口類零件模具設(shè)計(jì)時(shí)的參考，具體的數(shù)據(jù)如表5、6所示。

圖5 零件、模具實(shí)測(cè)角度和理論角度對(duì)比情況Fig.5 Comparison of the theory angles,the mould’measured angles and the large end cut parts’angles

圖6 零件切口與未切口實(shí)測(cè)角度對(duì)比Fig.6 Compared the angles of cut parts and not-cut parts

綜上所述，大端切口肋零件模具設(shè)計(jì)時(shí)，模具兩側(cè)緣條回彈補(bǔ)償1.69°較為合適，模具大端緣條回彈補(bǔ)償1.62°較為合適。

2.4 零件外型面測(cè)量

圖7 零件角度差與模具角度差對(duì)比Fig.7 Compared parts’angle difference with the mould’angle difference

表3 左件切口后回彈情況 （°）

表4 右件切口后回彈情況 （°）

圖11和圖12分別是采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)以一側(cè)緣條為基準(zhǔn)和以定位孔為基準(zhǔn)測(cè)量切口后切邊零件外型面并做偏差分析結(jié)果。

從圖中可以看出，在模具回彈補(bǔ)償放1°的情況下，零件外型面和理論外型面之間的最大距離還有0.3mm，因此，模具的回彈補(bǔ)償放小了，零件緣條寬度約25mm，利用三角函數(shù)換算可得到，零件兩側(cè)緣條外型面和理論外型面之間的夾角約為0.68°，而大端緣條處零件外型面與理論外型面之間的距離比0.3mm要小一些，因此大端回彈補(bǔ)償應(yīng)該比兩側(cè)緣條回彈補(bǔ)償要小，驗(yàn)證了上面的分析。

3 結(jié)論

（1）對(duì)于鋪層為 [(±45°)/(－ +45°)]n（3 ≤n≤ 6）的三端封邊肋零件，模具設(shè)計(jì)時(shí)兩側(cè)緣條回彈補(bǔ)償1.35°較為合適，大端緣條回彈補(bǔ)償0.32°較為合適。

（2）大端切口后，回彈時(shí)緣條的相互支撐作用消失，與未切口零件相比，大端緣條回彈變化很大，同時(shí)兩側(cè)緣條進(jìn)一步回彈。

（3）切口后切邊零件與切口零件對(duì)比，回彈角稍微有些變小，主要是由于采用了從零件內(nèi)型面往外型面切割的方式造成的。

圖8 切口后切邊零件、模具實(shí)測(cè)角度和理論角度對(duì)比情況Fig.8 Comparison of the theory angles,the mould’measured angles and three flanges trimmed after large end cut parts’angles

圖9 零件切邊與未切邊實(shí)測(cè)角度對(duì)比Fig.9 Comparison the angles of flanges-trimmed parts and not flanges-trimmed parts

圖10 零件切邊與未切邊角度差對(duì)比Fig.10 Compared flanges-trimmed parts’angle difference with not flanges-trimmed parts’angle difference

表5 左件切口切邊后回彈情況 （°）

表6 右件切口切邊后回彈情況 （°）

圖11 以邊為基準(zhǔn)切邊零件外形面及偏差結(jié)果Fig.11 Surface and deviation of the cutting edge part based on edges

圖12 以孔為基準(zhǔn)切邊零件外形面及偏差結(jié)果Fig.12 Surface and deviation of the cutting edge part based on holes

（4）對(duì)于大端切口肋零件，模具設(shè)計(jì)時(shí)兩側(cè)緣條回彈補(bǔ)償1.69°較為合適，大端緣條回彈補(bǔ)償1.62°較為合適。

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