非回转体复合材料壳结构件模具设计方案的探讨
1 引言
模压成型工艺是复合材料生产中古老而又富有活力的一种成型方法,始于上世纪初,它是将一定量的预混料或预浸料加入金属对模内,经加热、加压固化成型的方法,整个模压过程在一定温度、压力、时间下进行,是一种对热固性树脂和热塑性树脂都适用的纤维复合材料成型方法,模具和模压工艺制度是影响模压制品质量的两个重要因素。
模压成型工艺有较高的生产效率较高,产品尺寸精度高,重复性好,表面光洁,无需二次修饰,多数结构复杂的制品可一次成型。主要缺点是模具制造复杂,模具、设备投资较大,一般适合制造批量的中、小型制品。
模压制品主要用作结构件、连接件、防护件和电气绝缘等,由于模压制品质量可靠,广泛应用于工业、农业、交通运输、电气、化工、建筑、机械、兵器、飞机、卫星等领域。
复合材料壳结构以其优异的承载能力和减重效果,在航空、航天、舰船等领域得到广泛应用,其成型工艺主要有手糊、缠绕、模压、RTM等等,当产品结构形式复杂、尺寸精度和表面精度要求高时,采用传统的模压成型工艺不失为一种良好的解决方案。
2 非回转体壳结构对模成型
复合材料制品的模具方案直接影响其成型过程,模具形式的简洁有效可以提高制品的生产工艺水平,降低劳动强度,减少材料、能源消耗,缩短产品的研制周期,用于承载的复合材料壳结构通常要求有高的强度和刚度,较高的尺寸精度和内外表面的光洁度。结构形式复杂的壳结构整体成型方式可以避免后期装配所带来的尺寸偏差和其他影响质量的不确定因素,降低整体结构的繁杂程度。而复杂壳结构的整体成型也给研制初期的模具设计带来了很大难度。
回转体壳结构是轴对称结构,采用简单的阴阳模和单一的加压方向,轴向或径向,即可完成整体结构的模压过程,加压过程中要求受力均匀,这种模具形式同时也保证了模压料在各个方向同时受力,有利于保证制品壁厚的均匀分布,模具的设计和加工也相对容易一些。
非回转体壳,尤其是空间异型壳结构件,沿用上述加压方式时,要保证各型面同时受力必须增加辅助工装,通过工装把压力同时分解到各个型面,当制品有空间带角度型面,尤其是存在过渡圆角时,需要的辅助工装也相应增多,增加了模具方案的难度和复杂性,同时也增加了模具的加工成本、操作的繁杂性和产品的研发周期。
模压成型过程关键是对模压料的压力和温度控制,型腔内部模压料同时受力是为了保证制品的厚度均匀,如果在模具上添加止推机构,成型时施压方向为几个方向,分别对各型面按一定顺序逐级多点加压,成型压力分级施加可以使制品树脂含量分布在许可范围内。
由于压力传递部分不是整体结构,其材料性能、刚度要求也相应提高,但模具的设计、加工、成型工艺操作趋于简化,整体上有利于降低成本,缩短研发周期,提高研制生产效益。
3 实际应用案例 [-page-]
某复合材料主承力构件是类方形、空间多面倾角的异形变厚壳结构,高度方向大尺寸为900mm,宽度方向大尺寸为750mm,壁厚为2~5mm,其外形由十四个有不同夹角的面和变曲率圆角组成,内壁尺寸在三个空间方向上变化,产品力学性能、几何尺寸精度、内外表面光洁度要求均很高。

根据产品内外型面的分布特点、力学性能、尺寸精度、光洁度要求,成型方案选择了金属模具对模整体成型工艺,在保证产品外形尺寸和产品厚度的基础上,将外形十四个型面整合成四个加压方向,按产品的厚度分布确定这四个方向上48个加压点位置,加压方式为依次逐级加压,外模和内模也相应简化为各四件,并在上下各增加一件定位工装以控制产品品厚度。内、外模具的成型面粗糙度定为1.6,以保证产品内外表面的光洁度要求。
采用上述模具方案缩短了模具的设计和加工周期,成型操作简化,也降低了工艺操作人员的劳动强度。研制出的产品通过了各项力学性能试验。

4 结语
压力控制是复合材料模压成型过程中的关键因素之一,压力控制的方法直接影响到模具方案的确定。不同的非回转体壳结构都有自己特有的结构形式,在保证终成型压力不变的前提下,针对具体情况对加压方式和顺序作不同的改变,可以使模具的设计、加工,产品的成型操作都得到简化,同时可以保证产品良好的尺寸精度和光洁度,降低研制生产成本,缩短新产品的研发周期。
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