安興華

摘要：本文介紹了復合材料模具的背景與特點，并圍繞復合材料Invar鋼模具的制造加工工藝進行探討與分析，希望能夠從理論層面上為復合材料Invar模具制造技術的發(fā)展提供一點支持與指導。

關鍵詞：復合材料；模具；Invar；制造技術

一、概述

復合材料的密度低，強度高，具有較強的可塑性與可設計性，因此在工業(yè)模具制造中具有較高的應用價值，并逐漸取代了一些傳統(tǒng)材料，在世界范圍內逐漸得到推廣與發(fā)展，這一點在飛機零件制造中十分突出。

在復合材料構件不斷發(fā)展的背景下，關于飛機主承力構件的尺寸逐漸增加，這就要求對復合材料成型用模具材料進行改進與優(yōu)化。在加熱加壓生產條件下，復合材料對基體塑脂高硬化溫度與變化溫度具有比較穩(wěn)定的性能；在膨脹系數(shù)方面，其應與成型復合材料具有一致性；在真空中復合材料還需具有較強的穩(wěn)固性；復合材料的尺寸應保持相對穩(wěn)定；復合材料在成本上應具有突出優(yōu)勢。

現(xiàn)階段，在模具使用中有幾種材料都具有較強的適用性，而作為設計人員必須平衡材料性能，促使模具能夠生產出更高質量的復合材料零件。

現(xiàn)階段，Invar鋼模具有較大的尺寸，想要一次成型存在較大難度，在Inavr連接中，焊接最為常用，例如熔化極氣體保護焊、焊條電弧焊、激光焊以及鎢極氣體保護焊等等。其中氣體保護焊在Invar鋼焊接中的應用比較廣泛，然而這種方法也存在一定的缺陷，即在焊接中缺乏金屬流動性，浸潤效果不甚理想，如果不對焊接技巧加以合理運用，那么就可能出現(xiàn)一些質量問題，例如氣孔、開裂等等，對模具氣密性檢驗與模具表面質量造成影響。因此，必須圍繞Invar鋼材料的焊接缺陷控制工藝進行研究與分析。與此同時，有的焊接結構規(guī)模較大，且復雜程度高，對于此類構件，要求嚴格控制焊后形變與殘余應力分布問題。目前我國民用Invar鋼模具焊接制造在很多方面并不成熟，在生產實踐中需要面臨諸多問題，尤其是Invar鋼模具的焊接缺陷與形變控制最為突出。

此外，Invar鋼具有活潑的化學性質，在熱傳導性能方面并不突出，在機械加工的過程中，這種材料具有較強的韌性與塑性，存在嚴重的加工硬化問題，斷屑難度較大，在短時間內會導致接觸面溫度過高且不易散發(fā)，而且刀刃上還可能沾上加工中的斷屑，進而影響到刀具使用壽命。但是，Invar鋼材料相對特殊，并且在航空航天等國防領域中有著重要應用價值，現(xiàn)階段關于Invar鋼切削加工的研究與結論并不多，因此，圍繞Invar鋼的切削加工視乎的研究勢在必行，必須針對復合材料制造的綜合技術水平的提升進行分析。

二、復合材料Invar鋼模具的制造加工工藝

（一）Invar鋼焊接工藝

通常情況下，Invar鋼焊接主要采用氣體保護焊工藝，Invar合金液態(tài)焊縫金屬缺乏流動性。采用與鋼焊縫金屬一般的增加焊接電流來實現(xiàn)焊縫金屬流動性的改進顯然是這種鎳基合金無法實現(xiàn)的，甚至會產生負面作用，因此，在焊接時需要考慮對電流方式進行控制。

此外，還需保持較短的焊接電弧，并且在焊件厚度的選擇上應優(yōu)先對坡口形式與坡口角度予以考慮。在焊接時，需要考慮層間溫度控制問題，避免持續(xù)高溫作用下熱影響區(qū)金屬晶粒粗大問題出現(xiàn)。在焊接速度方面，應以板材厚度為依據進行設計，使溶深、焊縫寬度以及焊縫的致密性得到保障。如果焊接速度不合適，就可能產生相應缺陷，例如氣孔等等。

在打底焊、堆焊以及蓋面焊的過程中，焊縫質量在很大程度上取決于焊接電流，例如打底焊需要對焊接填充材料直徑與焊接間隙予以考慮，基于此來調整電流，才能夠使焊接質量得到保障。

為了控制焊接裂紋，還需要在焊接前清除掉焊件與焊絲表面含硫與含鉛污物，并對裝焊工藝順序進行合理選擇。相較于低碳鋼與低合金鋼焊縫，鎳和鎳基合金對氣孔產生更為敏感，不僅會有氫氣孔產生，也存在一氧化碳氣孔與水蒸汽孔產生的可能。鎳基合金產生氫氣主要是由于在高溫液態(tài)表，焊接熔池溶解了大量的氫，在焊接過程中一旦焊絲與焊接表面存在氫源，那么就會溶解大量的氫。在溫度下降時就會降低氫氣溶解度，進而析出氫。受到鎳基合金固溶相溫度間距的影響，熔池缺乏流動性，在冷卻凝固結晶時熔池中往往無法溢出氫氣，進而形成請氣孔的產生。為了使氣孔得到有效控制，在焊前需要交焊絲與焊件表面的污物予以清除。與此同時，根據有無背保護措施的焊接試驗件對比，可以看出在沒有背保護措施的情況下，焊接試驗件背面焊縫凸起，并且存在顯著的背面氧化現(xiàn)象，由此可見，在焊接時需要考慮在打底焊時通過氣體進行背保護。

關于Invar鋼焊接工藝的研究，為了使焊接質量與效率得到提升，需要推動Invar鋼模具焊接生產的自動化發(fā)展，并對自動化焊接平臺進行建設。

（二）Invar鋼機械加工工藝

Invar合金具有較高的含鎳量，因此鋼的淬透性與可淬性較高，進而提升了鋼的耐氣性、耐腐蝕性以及耐久性?；趯nvar各方面性能的分析，Invar合金的切削加工性類似于奧氏體不銹鋼，然而相較之下，Invar加工難度更高，因此Invar合金在加工時的特點以大切削力、高切削溫度以及大刀具磨損為主，進而導致軟、粘以及塑形大等現(xiàn)象十分普遍，切屑折斷難度大，切屑與前刀面摩擦增加，使刀具磨損加劇，對刀具耐用度與工件加工精度造成影響，因此在加工Invar合金的過程中，需要優(yōu)先考慮硬質合金涂層刀具，這種刀具具有優(yōu)異性能，此外還需要對加工方法加以合理運用。

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