劉寶志

（航天材料及工藝研究所，北京 100076）

0 引言

碳纖維增強樹脂基復合材料具有高比強度、高比模量、疲勞特性好、化學穩(wěn)定性好、阻尼減震效果好等優(yōu)良性能，在航空航天、船舶、石油化工、汽車、風力發(fā)電等領域得到了廣泛應用。運載火箭在推進劑定量的情況下，為了把火箭有效載荷發(fā)射到盡可能遠的地方，減輕結構件質量就是主要的途徑和方法。

1 復合材料熱壓罐成型工藝

熱壓罐主要用于成型高性能復合材料制品，利用熱壓罐內部的程控溫度和氣體壓力，使復合材料層疊坯料在一定溫度和壓力下完成固化及成型。其工藝過程是將預浸材料首先按一定排列順序置于涂有脫模劑的模具上，然后鋪放分離布和脫模薄膜，在脫模薄膜的上面鋪放吸膠透氣氈，再包覆耐高溫的真空袋，并用密封條密封周邊，如圖1 所示。然后從真空袋內連續(xù)抽出空氣并加熱，使預浸材料的層間達到一定程度的真空度，加熱到指定溫度后，向熱壓罐內充壓縮空氣，給成型制品加壓。一般固化過程為升溫→加壓→保溫→降溫→降壓，其中罐內熱量主要通過空氣的流動傳遞。熱壓罐成型工藝的主要設備是熱壓罐與加溫、加壓系統(tǒng)，抽真空系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。

圖1 復合材料制品固化成型結構

復合材料制品采用熱壓罐固化成型工藝時，模具是成型制品的主要工藝裝備，用于確定制品形狀、結構關系和獲得良好的表面質量；在模具上完成復合材料聚合固化，有時還在成型模上進行預浸材料的鋪放，復合材料成型模的設計制造對成型制品質量影響較大。

2 碳/環(huán)氧錐殼

儀器艙是火箭的承載部段，其主要功能是容納安裝各種儀器設備。儀器艙通常為圓柱形或截圓錐形殼式結構。這種結構形式的復合材料殼體在火箭上種類多、數量多，因此總結此類制品的成型模設計方法具有重要意義。

現以一種由碳纖維增強/環(huán)氧樹脂基（以下簡稱碳/環(huán)氧）材料構成的錐殼為例，介紹其成型模的設計方法和過程，該錐殼采用碳/環(huán)氧復合材料纏繞和鋪放相結合、熱壓罐固化的成型工藝。殼體為截圓錐形，兩端帶有內翻邊，如圖2所示。

圖2 錐 殼

3 模具結構

模具結構如圖3 所示。復合材料制品（尚未固化的碳/環(huán)氧錐殼）被包裹在凸模、凹模、上壓環(huán)、下壓環(huán)之中，在熱壓罐中固化成型時由這些模具零件向復合材料制品傳遞溫度和壓力。復合材料制品鋪層時上、下法蘭和軸連接在芯模上，通過軸的兩端連接在纏繞機上，方便預浸絲和預浸布的纏繞和鋪層；放進熱壓罐固化之前把這些零件拆掉，用真空袋把復合材料制品和凸模、凹模、上壓環(huán)、下壓環(huán)等零件構成的組合體密封。這些零件在復合材料制品固化的過程中會受熱膨脹、移動位置，如果不能控制好這些變量，最終碳/環(huán)氧錐殼制品的型面精度就不理想，如果超出設計許可公差便不能被允許使用。

圖3 錐殼成型模

4 模具主要零件材料選擇

熱壓罐固化成型的復合材料制品多使用金屬成型模，常用的模具零件材料有鋁、鋼和INVAR 鋼等，其主要性能如表1 所示。其中鋁模具的密度約為鋼模具或INVAR 鋼模具的1/3左右，質量較輕，加工成本低，但其熱膨脹系數大。INVAR 鋼熱膨脹系數較小，材料及加工成本較高，主要適用于曲率變化大的制品成型。鋼模具熱膨脹系數介于鋁和INVAR鋼之間，材料成本較低，但加工成本較高。

表1 常用模具零件材料性能參數

4.1 凸模材料的選擇

碳/環(huán)氧錐殼上下兩端均為內翻邊結構，其內腔形狀由凸模決定，凸模采用分瓣結構。碳/環(huán)氧錐殼的上下內翻邊結構對凸模構成了半包圍形狀，錐殼成型后對凸模有一定的“緊箍”現象，為了使凸模能順利地從錐殼中脫模，模具設計時考慮凸模在固化時要有較大的膨脹量，以便于脫模。鋁的線膨脹系數較高，使用鋁材制造凸模較合適。鋁制凸模還有一個優(yōu)點是密度小，加工的模具質量也輕，方便工人操作。最終碳/環(huán)氧錐殼的凸模材料選用5A06鋁，5A06 鋁為Al-Mg 系防銹鋁，具有較高的強度和腐蝕穩(wěn)定性，在退火和擠壓狀態(tài)下塑形良好。

4.2 其它主要模具零件材料的選擇

因為凸模選擇了鋁材料，芯模也選擇鋁材料較為合適，兩者選擇相同材料在升溫固化過程中熱膨脹會保持一致，這樣對制品固化后的型面精度較為有利，也有利于設計時對模具尺寸的計算（考慮熱膨脹的影響）。芯模因為要加工成整體錐形的形狀，選用ZL104 鑄造芯模，該鋁合金的鑄造性能好，無熱裂傾向，氣密性高。凹模選用5A06 鋁板，在制造凹模時先滾彎后加工；上、下壓環(huán)也選用5A06 鋁板制造。上、下法蘭及軸選用Q235-A碳素結構鋼制造，原料便宜且滿足使用要求，機械加工和焊接性能良好。

5 模具設計時需注意的問題

5.1 模具膨脹問題

碳/環(huán)氧錐殼在熱壓罐內固化時要經歷升溫→降溫過程，升溫達到樹脂凝膠點溫度時錐殼固化成型，此時錐殼的尺寸由凸模尺寸決定。如錐殼在設計時某一內腔直徑為L1，對應位置的凸模直徑在常溫（25 ℃）時為L0，固化時樹脂凝膠點溫度為T，則粗略的對應關系：L1=L0×（1+（T-25）×α），凸模材料為鋁合金，其熱膨脹系數α=24×10-6。假設L1=1 000 mm，T=120 ℃，代入上述公式，可計算L0=997.73 mm。碳/環(huán)氧錐殼固化成型時，由于預浸絲的纏繞角度、施加的預緊力等原因，制品固化后尺寸一般達不到模具零件膨脹的理論尺寸，公式L1=L0×（1+（T-25）×α）還需要增加修正系數β（β略小于1），即L1=L0×（1+（T-25）×α）×β。修正系數β的大小與碳/環(huán)氧預浸絲的纏繞角度、制作制品坯料時是否加預緊力及加力大小等都有關系，修正系數β大小的確定要依靠工程實踐經驗，目前并沒有準確的計算公式。

5.2 凸模分瓣問題

因為碳/環(huán)氧錐殼上下兩端的翻邊都是內翻邊，如果凸模加工成整體，錐殼成型后凸模無法取出，凸模必須加工成多塊組合的形式（錐殼成型后凸模拆成多塊取出），如圖4所示。凸模通過定位銷和螺釘與芯模固定，錐殼固化后把定位銷和螺釘拆掉，先把芯模取出，然后把凸模塊逐個取出。在制造模具時，凸模與芯模的結合面（凸模凹面、芯模凸面）加工成相同的尺寸，保證能緊密貼合。在每一塊凸模瓣與芯模結合部位用阿拉伯數字編號并做鋼印標記，以保證每次使用時對應關系不會出錯。

圖4 分瓣式凸模

5.3 模具零件間隙的問題

碳/環(huán)氧錐殼的預浸材料坯料預制成型后在熱壓罐內固化，固化加壓時模具上各個可移動零件有向心移動的趨勢（預浸材料的層間壓實導致的體積減小）。為了保證模具零件把壓力傳遞給預浸材料，模具零件之間在移動時不能互相干涉，所以設計時要考慮給模具零件之間留有適當的間隙。如凹模共分為6 瓣，每瓣之間要留有1 mm 的間隙；上壓環(huán)外徑要比對應凹模的內徑小1～2 mm。

6 模具主要零件的結構尺寸

模具主要零件的結構尺寸如圖5～圖7 所示，這些零件與碳/環(huán)氧錐殼的預浸材料坯料接觸，與成型后制品的尺寸關系密切。

圖5 芯 模

圖6 凸 模

圖7 凹 模

模具設計完成后進行模具制造，通過制造的模具順利完成了碳/環(huán)氧錐殼的成型，如圖8 所示，成型的制品滿足設計要求。

7 結束語

錐殼類復合材料制品在火箭上種類多、數量多，應用廣泛。模具經實際生產驗證：模具結構合理，固化成型的制品達到了使用要求，對類似制品的固化成型具有一定的參考作用。