黃文煜 楊 浩 周 棟 張娟娟 陳萬(wàn)新

復(fù)合材料方桿纏繞成型模具設(shè)計(jì)及工藝研究

黃文煜 楊 浩 周 棟 張娟娟 陳萬(wàn)新

（上海復(fù)合材料科技有限公司，上海 201112）

針對(duì)復(fù)合材料方桿成型模，設(shè)計(jì)了新型限位體系的八瓣模模具結(jié)構(gòu)，通過(guò)限位凸輪和端部齒輪來(lái)控制成型壓力的變化。材料體系選用T700-12k-50C碳纖維，成型工藝選擇烘箱固化工藝。通過(guò)此成型工藝成功制備出了外形、內(nèi)部質(zhì)量滿(mǎn)足要求的復(fù)合材料方桿，為同類(lèi)型的產(chǎn)品的生產(chǎn)提供了參考與借鑒。

復(fù)合材料桿件；成型模；八瓣模；機(jī)械加壓；限位凸輪

1 引言

相對(duì)于金屬材料，碳纖維復(fù)合材料具有高的比強(qiáng)度和比模量，出色的耐熱性、較低的熱膨脹系數(shù)，較小的熱容量及優(yōu)秀的抗腐蝕與抗輻射性能等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用在各類(lèi)空間衛(wèi)星產(chǎn)品中[1]。隨著空間衛(wèi)星技術(shù)的快速發(fā)展，采用碳纖維復(fù)合材料制備的桁架結(jié)構(gòu)已越來(lái)越多地應(yīng)用于空間衛(wèi)星結(jié)構(gòu)。碳纖維復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)具有較好的組合性及通用性，可根據(jù)不同的使用要求進(jìn)行空間構(gòu)型組合，而且其形式簡(jiǎn)單、載荷可優(yōu)化分配、局部強(qiáng)度高、安裝拆卸簡(jiǎn)單方便，有著廣闊的應(yīng)用前景[2]。熱壓罐成型、拉擠成型、模壓成型、纏繞成型、滲透成型等工藝已經(jīng)在軍民領(lǐng)域開(kāi)始廣泛運(yùn)用。

纖維纏繞成型是利用專(zhuān)用的纏繞設(shè)備將浸漬過(guò)樹(shù)脂配方料的連續(xù)纖維，在設(shè)備的張力作用下，按一定的規(guī)律纏繞在具有一定形狀的芯模上，然后經(jīng)加熱或常溫固化成型后制成制品。而目前碳纖維復(fù)合材料桿件多采用纖維纏繞成型，將纏繞后的桿件合模后制袋，進(jìn)熱壓罐后抽真空，打壓固化[3]。

常見(jiàn)的復(fù)合材料方桿采用芯模-均壓板或芯模-風(fēng)管成型方式，本文介紹了一種新型限位體系的八瓣模模具結(jié)構(gòu)，使用凸輪限位，采用烘箱固化，降低固化成本，探索了一種全新的桿件纖維纏繞工藝成型方法，并改進(jìn)優(yōu)化模具，具有一定的實(shí)用價(jià)值和工程指導(dǎo)意義。

2 模具設(shè)計(jì)

2.1 模具性能

模具反映了零件的截面尺寸、表觀狀態(tài)、性能等特點(diǎn)。因此，模具需具備如下性能要求：模具材料的熱穩(wěn)定性好，不易變形；搬運(yùn)方便、操作簡(jiǎn)單、安全系數(shù)高；產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、加工精度高。

2.2 模具材料

復(fù)合材料桿件一般采用金屬作為成型模的主要材料。常見(jiàn)的模具材料有碳鋼、INVAR鋼、鋁、45#鋼等，其材料參數(shù)如表1所示。從表1中可看，出鋁的密度較低，但其熱膨脹系數(shù)很大，加工后模具極易發(fā)生變形。而INVAR鋼雖然熱膨脹系數(shù)較小，不易變形，但加工成本較鋁等材料較高，適用于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、曲率變化大的零件。故選用45#鋼，其熱膨脹系數(shù)介于鋁和INVAR鋼之間，與INVAR鋼較為接近，其熱傳導(dǎo)率優(yōu)良，且熱膨脹系數(shù)較小，加工后不易變形，相較于INVAR鋼，材料成本較低，且重量適中，適合用作桿件成型模的材料[4]。

表1 常用模具材料參數(shù)

2.3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

成型模采用八瓣模結(jié)構(gòu)形式，具體參考圖1。該模具為八瓣模結(jié)構(gòu)，兩側(cè)采用固定板固定芯模，通過(guò)限位凸輪和端部齒輪的結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)固化合模過(guò)程中的限位，考慮到產(chǎn)品在固化過(guò)程中的壓縮量約20%～30%，根據(jù)產(chǎn)品厚度不同，限位分5檔，即1.5、1、0.5、0.3和0，在做好的真空袋外轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪軸，一軸帶動(dòng)鑲塊處四軸檔位，根據(jù)需要選擇合適檔位，保證產(chǎn)品在打壓溫度之前不提前受力，減少流膠，保證產(chǎn)品質(zhì)量。主要打壓壓力通過(guò)抽真空提供，通過(guò)真空壓力擠壓拼塊，將拼塊合模到位，完成產(chǎn)品固化成型[5]。

圖1 桿件成型工裝示意圖

3 工藝要點(diǎn)

3.1 材料

因復(fù)合材料桿件一般為桁架結(jié)構(gòu)中承力件，其力學(xué)性能需要滿(mǎn)足其較好的抗壓、抗拉性能。在此選擇增強(qiáng)材料為日本東麗公司生產(chǎn)的T700-12k-50C碳纖維，基體材料為上海華誼樹(shù)脂有限公司的環(huán)氧樹(shù)脂[6]。原材料的單向板性能見(jiàn)表2，可以滿(mǎn)足碳纖維復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)桿件的使用要求[7]。

表2 單向板性能參數(shù)

3.2 設(shè)備

纏繞設(shè)備：BSD數(shù)控纏繞機(jī)，規(guī)格：FWA1/4/1，德國(guó)BSD公司；固化設(shè)備：組合式固化爐，規(guī)格：4m×5m,寧波紅菱電熱烘箱有限公司。

3.3 工藝流程

復(fù)合材料桿件使用的成型方法為纖維纏繞鋼模烘箱固化成型，其典型的成型流程如圖2所示。

圖2 桿件成型流程圖

其中，所選桿件截面尺寸為40mm×40mm，桿件壁厚為1.2mm，長(zhǎng)度為800mm，纏繞角度為：±45°/±3°/±45°。

3.3.1 關(guān)鍵工藝流程

裝模：室溫裝模時(shí)先將限位檔位調(diào)整為1.5，將產(chǎn)品按圖3所示裝模。

圖3 裝模置袋過(guò)程示圖

固化開(kāi)始時(shí)，將模具限位檔位開(kāi)關(guān)調(diào)整至1.5檔，空氣溫度迅速拉升至150℃，在模具升溫至90℃時(shí)，檔位調(diào)整至0.5。繼續(xù)升溫，在模具溫度升溫至100℃時(shí)，檔位調(diào)整至0.3，繼續(xù)升溫至115℃時(shí)，檔位調(diào)整至0，合模到位。后續(xù)升溫至177℃后，保溫3h后出爐，全程抽真空。具體固化參數(shù)參考表3[8]。

表3 固化參數(shù)

4 分析與討論

4.1 模具優(yōu)化

目前常規(guī)的復(fù)合材料方桿成型模多采用芯模-均壓板或芯模-風(fēng)管成型方式，而本文采用的模具為八瓣模結(jié)構(gòu)形式，主要打壓壓力通過(guò)抽真空提供，將拼塊合模到位，完成產(chǎn)品固化成型[9]。通過(guò)限位凸輪和端部齒輪的結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)固化合模過(guò)程中的限位，在做好的真空袋外搬動(dòng)齒輪軸，一軸帶動(dòng)鑲塊處四軸檔位，根據(jù)需要選擇合適檔位，調(diào)整拼塊蓋板與產(chǎn)品接觸面的比例約7倍，通過(guò)抽真空的形式保證產(chǎn)品合模固化[10]。

4.2 表觀、尺寸及無(wú)損探傷情況

脫模前后，實(shí)物表觀按附圖4所示，纖維紋路清晰，無(wú)屈曲，產(chǎn)品R角較飽滿(mǎn)。按照GJB1038.1A—2004超聲無(wú)損探傷，要求內(nèi)部質(zhì)量符合GJB2895—97中A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，采用噴水式脈沖穿透法，無(wú)明顯雜波，缺陷的尺寸小于10mm[11]。

圖4 桿件實(shí)物表觀圖示

本次試驗(yàn)共成型了5件桿件，其具體表觀、尺寸及無(wú)損探傷情況如表4所示。

表4 表觀、尺寸及無(wú)損探傷情況

4.3 產(chǎn)品理化性能測(cè)試

將成型后的桿件實(shí)物按標(biāo)準(zhǔn)取樣，理化性能測(cè)試按表5，得到以下數(shù)據(jù)。纖維體積含量、固化度、孔隙率均能滿(mǎn)足使用要求。

表5 理化性能測(cè)試數(shù)據(jù)

為進(jìn)一步確定產(chǎn)品探傷情況與層間孔隙的關(guān)系，選取其中1件桿件進(jìn)行超聲相控陣多晶片探頭掃描，探測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 超聲相控陣掃描結(jié)果

由表3以及圖5可以看出，桿件實(shí)物固化度達(dá)到98%以上，孔隙層間氣孔較小，存在少量微小氣孔，整體成型質(zhì)量較好，滿(mǎn)足使用要求。

綜上所述：針對(duì)現(xiàn)有型腔尺寸，采取90℃、100℃和115℃分三檔進(jìn)行1.5-0.5-0.3-0調(diào)節(jié)合模固化，產(chǎn)品固化后外形為40.5～40.8mm，壁厚為1.15～1.35mm，探傷合格，表觀無(wú)明顯缺陷，產(chǎn)品滿(mǎn)足使用要求，該模具成型的桿件質(zhì)量好，成型成本低，后續(xù)該模具可廣泛應(yīng)用于類(lèi)似零件的制造。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種新型的復(fù)合材料桿件成型模，該模具采用烘箱固化，使用機(jī)械限位成型模成型方法，取代熱壓罐成型，降低成型成本，且所生產(chǎn)出的桿件產(chǎn)品的尺寸、表觀及探傷及理化性能均能滿(mǎn)足使用要求。此新型復(fù)合材料桿件成型方法不僅對(duì)復(fù)合材料桿件的生產(chǎn)具有指導(dǎo)作用，也為同類(lèi)型產(chǎn)品的生產(chǎn)提供借鑒意義。

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Design and Process Research of Composite Material Square Rod Winding Molding Mold

Huang Wenyu Yang Hao Zhou Dong Zhang Juanjuan Chen Wanxin

(Shanghai Composite Material Technology Co., Ltd., Shanghai 201112)

Aiming at the composite square bar forming die, a new type of eight valve mold structure with limit system was designed. The change of molding pressure was controlled by limiting cam and end gear. T700-12k-50c carbon fiber was selected as material system. And oven curing method was selected as molding process. Through this molding process, we successfully fabricated a composite square rod.Its appearance and internal quality meet the requirements of use.It provides a reference for the production of the same type of products.

composite material rod；forming die；octapetal mold；mechanical pressurization；limit cam

V261

A

黃文煜（1995），助理工程師，復(fù)合材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)；研究方向：復(fù)合材料航天方向。

2020-12-16