蘇慶云,張夏明,周占偉,董本興,陳雪婷,尉世厚，劉洪新

(北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094)

0 前言

角盒可以看做是由底板和2～3塊側(cè)板組成的板殼結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)中廣泛采用板殼結(jié)構(gòu)[1]，由于板和殼的厚度比它們的直徑或長(zhǎng)度、寬度小的多，由板和殼組成的結(jié)構(gòu)和設(shè)備具有重量輕、節(jié)省材料和易于制造等優(yōu)點(diǎn)，因此板和殼廣泛應(yīng)用于航天航空飛行器，船舶、潛艇、橋梁和建筑結(jié)構(gòu)，石油和石油化工工業(yè)所用的壓力容器、管道、儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備、反應(yīng)塔和熱交換設(shè)備，以及原子能工業(yè)的反應(yīng)堆等[2]。過(guò)去角盒都使用金屬材質(zhì)[3]，然而隨著復(fù)合材料行業(yè)的快速發(fā)展，復(fù)合材料憑借其比強(qiáng)度高、密度小、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，可能逐漸取代金屬角盒，成為現(xiàn)代工業(yè)運(yùn)用的一個(gè)更優(yōu)選擇[4-5]。

復(fù)合材料角盒優(yōu)勢(shì)明顯，但目前采用傳統(tǒng)的成型方法制備角盒仍存在一些問(wèn)題。第一，復(fù)合材料角盒壁厚一般幾個(gè)毫米，采用真空袋-熱壓罐成型技術(shù)很難加壓到位。第二，采用一般的模具設(shè)計(jì)很難實(shí)現(xiàn)板和筋同時(shí)加壓到位。第三，傳統(tǒng)的角盒成型方式一般采用軟硬結(jié)合的模具，軟模不能很好地保證產(chǎn)品外形，會(huì)給后期裝配使用造成一定的困難。

本文通過(guò)分析復(fù)合材料多筋角盒的結(jié)構(gòu)、模壓模具的結(jié)構(gòu)和精度以及軟硬結(jié)合模具的缺陷，依據(jù)模壓成型工藝提出了一種可用于復(fù)合材料多筋角盒的模壓模具。

1 復(fù)合材料多筋角盒成型模壓模具設(shè)計(jì)

復(fù)合材料多筋角盒成型涉及多方面的工藝技術(shù)，包括模具設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、角盒鋪層設(shè)計(jì)、成型工藝參數(shù)優(yōu)化等。其中，模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和尺寸精度的控制是影響模壓制品最終質(zhì)量精度和成型效率的重要因素[6]。由于復(fù)合材料多筋角盒為多面體結(jié)構(gòu)(圖1)，模壓過(guò)程中會(huì)受到各個(gè)方向不同程度力的作用，所以模壓模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與角盒鋪層設(shè)計(jì)的合理性尤為重要。本次研究的復(fù)合材料多筋角盒成型模具設(shè)計(jì)主要分為多筋角盒整體結(jié)構(gòu)分析、模具結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)、模具結(jié)構(gòu)的比較分析、尺寸精度分析及多筋角盒模壓模具的制造與成型。

圖1 復(fù)合材料多筋角盒模型

1.1 多筋角盒整體結(jié)構(gòu)分析

本次研究中，復(fù)合材料多筋角盒的外形尺寸分別為90 mm、100 mm、120 mm，外形壁厚5 mm，筋厚6 mm(圖2)。多筋角盒模壓工藝采用碳纖維預(yù)浸布鋪制成型，需要保證鋪層過(guò)程的對(duì)稱性設(shè)計(jì)，以保證產(chǎn)品成型后各面平整無(wú)應(yīng)力。通過(guò)分析可以看出，該復(fù)合材料多筋角盒具有以下特征：

圖2 多筋角盒產(chǎn)品尺寸標(biāo)注圖

(1)產(chǎn)品外形尺寸相對(duì)較小，可以多個(gè)角盒共同成型。

(2)產(chǎn)品被“筋”分割成了多個(gè)區(qū)域，成型過(guò)程中存在多腔加壓的問(wèn)題。

1.2 模具結(jié)構(gòu)的比較分析

對(duì)于復(fù)合材料多筋角盒來(lái)說(shuō)，模具設(shè)計(jì)方面主要有兩大類型。熱壓罐成型的模具設(shè)計(jì)方式是筋的作用兩側(cè)模具軟硬結(jié)合，硬模來(lái)保證尺寸、軟模來(lái)膨脹加壓。這種方法成型的產(chǎn)品一方面軟模側(cè)尺寸無(wú)法保證、平面度較差，影響后續(xù)的使用，另一方面，軟模膨脹加壓，成型過(guò)程壓力不可控制，會(huì)一定程度影響產(chǎn)品的力學(xué)強(qiáng)度。而此次所研究設(shè)計(jì)的模具一次可成型兩件甚至更多件產(chǎn)品，既保證了尺寸精度，又可以控制成型過(guò)程的加壓壓力。

1.3 模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.3.1 模具結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)

模具的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮現(xiàn)有的設(shè)備條件、工藝性及可操作性等因素。本次成型產(chǎn)品選用的壓機(jī)，下壓板固定不動(dòng)，上壓板可在豎直方向上下移動(dòng)。產(chǎn)品成型時(shí)將產(chǎn)品坯件與模具整體裝配好放置于下壓板上，上壓板下移作用在模具上蓋?？紤]到上蓋的運(yùn)動(dòng)只能給多筋角盒的兩個(gè)外形面加壓，故采用端部設(shè)置有角度楔形塊的方式，如圖3所示。產(chǎn)品成型模具主要包括上蓋、下模、鋪層塊、楔形塊四部分。上壓板下降時(shí)通過(guò)模具上蓋與楔形塊的配合關(guān)系帶動(dòng)楔形塊作用于“筋”上，從而為“筋”提供模壓的壓力；產(chǎn)品固化后脫模時(shí)，卸掉上蓋后，通過(guò)先拆除楔形塊完成產(chǎn)品脫模。

圖3 多筋角盒成型模具模型

1.3.2 模具的型腔設(shè)計(jì)

通常情況下復(fù)合材料模壓模具結(jié)構(gòu)由上、下模組成，但此次研究的多筋角盒采用簡(jiǎn)單的陰陽(yáng)模很難實(shí)現(xiàn)多筋的鋪制。通過(guò)分析將下模分成兩部分，一部分起容納產(chǎn)品的作用-下模，另一部分用來(lái)鋪制產(chǎn)品-鋪層塊。設(shè)置多個(gè)鋪層塊分別鋪層，然后將鋪層塊通過(guò)螺栓和螺母連接再進(jìn)行整體鋪層。通過(guò)該設(shè)計(jì)成功地解決了模壓成型鋪制多筋難的問(wèn)題。為了提高生產(chǎn)效率，此次設(shè)計(jì)的模具可一次成型兩件產(chǎn)品。此外，通過(guò)變化鋪層模的角度，該方法可成型不同θ角的多筋角盒。鋪層塊的模型如圖4所示。

圖4 鋪層塊的模型圖

1.3.3 模具的脫模裝置設(shè)置

產(chǎn)品固化時(shí)模具封閉為一個(gè)整體，內(nèi)部產(chǎn)品與鋪層塊交錯(cuò)在一起，因此模具設(shè)計(jì)時(shí)必須有充分的脫模裝置，才能保證順利脫模。脫模裝置主要體現(xiàn)在以下四處：

(1)上模與下模交錯(cuò)，脫模時(shí)可借助模壓機(jī)反向作用實(shí)現(xiàn)上蓋脫模。

(2)楔形塊設(shè)置螺紋孔，脫掉上蓋后，再拔掉楔形塊。

(3)鋪層塊底部與下模底部配套設(shè)置開(kāi)槽，用于鋪層塊與下模的分離。

(4)端頭脫模塊設(shè)置螺紋孔，用于鋪層塊的拆分。

1.4 模壓模具的制造與成型

本次研究設(shè)計(jì)的模壓模具要求較高，不僅要開(kāi)模及合模時(shí)具有很好的裝配精度，還需要模具有足夠的剛度和強(qiáng)度可長(zhǎng)期反復(fù)使用。所以，一方面采用熱處理提高模具的剛度和強(qiáng)度，改變其表面的金屬組織結(jié)構(gòu)，依此來(lái)獲得較好的耐磨性和硬度；另一方面，對(duì)模具進(jìn)行發(fā)黑處理，以增強(qiáng)其耐腐蝕性能，進(jìn)而達(dá)到更好的表面質(zhì)量。

2 鋪層分析

在復(fù)合材料多筋角盒模壓成型過(guò)程中，預(yù)浸布鋪貼過(guò)程也是影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵工序。本次研究主要通過(guò)分析產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，充分保證產(chǎn)品每個(gè)面的對(duì)稱鋪層。實(shí)際鋪層中，三面接觸處通過(guò)精確的計(jì)算準(zhǔn)確加捻，可有效地保證產(chǎn)品的成型質(zhì)量。此外，產(chǎn)品成型后還需要機(jī)加外形、打孔。為了提高產(chǎn)品的機(jī)加性能，還在產(chǎn)品外表面加貼一層碳纖維編織布預(yù)浸料。

3 尺寸精度分析

復(fù)合材料多筋角盒主要用于產(chǎn)品與產(chǎn)品之間的裝配連接，對(duì)外形尺寸要求較高。對(duì)本模具壓制的3件產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試，得到表中所示的數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果。

3件產(chǎn)品測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

復(fù)合材料多筋角盒具有比強(qiáng)度高、密度小、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用。本文主要從產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)分析、模具設(shè)計(jì)、制造技術(shù)、鋪層分析等方面研究了復(fù)合材料多筋角盒的模壓成型工藝。針對(duì)產(chǎn)品多個(gè)型面的問(wèn)題設(shè)計(jì)了可拆卸組合的鋪層塊，同時(shí)通過(guò)設(shè)計(jì)楔形塊保證了產(chǎn)品筋面的加壓。此外，通過(guò)模壓模具的整體脫模設(shè)計(jì)，保證產(chǎn)品的順利脫模。該套模具成功地保證了產(chǎn)品的成型質(zhì)量，極大地提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。