成艷娜 張夢(mèng)雨 龐新強(qiáng) 黨曉麗

摘要：本文針對(duì)復(fù)雜曲率整流罩零件的專(zhuān)用成型模具，從模具選材、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造、模具使用驗(yàn)證等方面展開(kāi)研究。結(jié)果表明，采用輕質(zhì)碳纖維復(fù)合材料框架式模具，可滿(mǎn)足復(fù)雜曲率整流罩零件的成型質(zhì)量要求。本文工裝方案可為整流罩類(lèi)復(fù)雜曲率結(jié)構(gòu)的工裝方案設(shè)計(jì)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜曲率;整流罩;復(fù)合材料;模具選材

先進(jìn)復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、良好的抗疲勞性、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、可整體化制造等優(yōu)點(diǎn)，在航空產(chǎn)品上得到廣泛應(yīng)用。隨著國(guó)內(nèi)復(fù)合材料制造技術(shù)的不斷發(fā)展和提高，飛機(jī)上出現(xiàn)越來(lái)越多的復(fù)雜異形復(fù)合材料構(gòu)件，應(yīng)用部位主要包括：翼身整流罩、滑軌整流罩、進(jìn)風(fēng)管道、翼梢小翼等。

復(fù)合材料構(gòu)件的成型是材料與結(jié)構(gòu)同時(shí)成型的過(guò)程，必須用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)和制造的模具同時(shí)實(shí)現(xiàn)材料的復(fù)合過(guò)程和構(gòu)件的成型過(guò)程。因此成型模具是構(gòu)件質(zhì)量的重要保證，對(duì)構(gòu)件的表面質(zhì)量、外形尺寸及內(nèi)部質(zhì)量起著決定性作用[1]。對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件成型工裝的通用要求一般包括耐高溫、氣密性好、熱分布優(yōu)良、高溫不變形、可重復(fù)使用，易鋪放、啟模、清理等。隨著復(fù)合材料零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度增大，對(duì)模具的型面精度、熱分布均勻性、熱膨脹系數(shù)匹配度等方面的要求更加嚴(yán)格，相應(yīng)的成型模具設(shè)計(jì)及制造技術(shù)難度大福提升。

翼身整流罩為次承力構(gòu)件，位于機(jī)身與機(jī)翼過(guò)渡部位，是保證飛機(jī)氣動(dòng)外形的重要零件。某型機(jī)翼身整流罩結(jié)構(gòu)，外形尺寸大，曲率復(fù)雜，采用碳纖維預(yù)浸料手工鋪貼，熱壓罐工藝固化成型。本文針對(duì)該類(lèi)復(fù)雜曲率整流罩零件的專(zhuān)用成型模具，從模具選材、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造、模具使用驗(yàn)證等方面開(kāi)展研究，為整流罩類(lèi)復(fù)雜曲率結(jié)構(gòu)的工裝方案設(shè)計(jì)提供借鑒。

一、模具選材

理想的復(fù)合材料成型模具應(yīng)具備高精度、高剛度、抗高壓、無(wú)滲漏、便于使用等特點(diǎn)。模具材料盡可能與構(gòu)件的熱膨脹系數(shù)相匹配，以保證生產(chǎn)出的產(chǎn)品變形小，尺寸穩(wěn)定性好。對(duì)具有較大曲度的復(fù)雜構(gòu)件，當(dāng)模具與復(fù)合材料自身的熱膨脹系數(shù)差異較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致固化后的復(fù)合材料制件的強(qiáng)度和外形精度嚴(yán)重降低。

常見(jiàn)的工裝材料主要有鋁、鋼、殷鋼、玻璃纖維或碳纖維復(fù)合材料。其中殷鋼和碳纖維復(fù)合材料本身的熱膨脹系數(shù)差異較小，非常適合航空結(jié)構(gòu)件制造，但其制造成本和熱壓罐固化能耗較高。

復(fù)合材料工裝熱膨脹系數(shù)與所成型的復(fù)合材料制件基本一致，可有效降低制件因模具材質(zhì)導(dǎo)致的變形問(wèn)題，所制造的構(gòu)件尺寸精確度高[2-3]。且碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料模具質(zhì)量輕，搬運(yùn)周轉(zhuǎn)都比較方便。因此，復(fù)雜異形整流罩零件模具材料選擇碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂基工裝預(yù)浸料。

二、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造

制造復(fù)合材料模具需配套相應(yīng)型面的過(guò)渡模，也稱(chēng)母模。過(guò)渡模材質(zhì)與復(fù)合材料模具材質(zhì)一致或膨脹系數(shù)接近。目前市面上常見(jiàn)的過(guò)渡模材質(zhì)高密度代木、聚氨酯/環(huán)氧泡沫、石膏等。近年來(lái)為了實(shí)現(xiàn)高精度型面指標(biāo)要求，過(guò)渡模也有殷鋼材質(zhì)的。過(guò)渡模表面帶有復(fù)合材料工裝所需要的基準(zhǔn)線、軸線、邊緣線、孔位等，并打標(biāo)記。根據(jù)整流罩零件復(fù)合材料工裝要求，過(guò)渡模選用凸模結(jié)構(gòu)。

輕質(zhì)復(fù)合材料模具主體包括型板和框架兩部分。在過(guò)渡模表面鋪貼復(fù)合材料工裝預(yù)浸料，按照相應(yīng)的材料規(guī)范固化，脫模切割后形成復(fù)合材料模具型板。型板多為等厚度鋪層，在翻邊或需要連接的部位增加鋪層厚度進(jìn)行加強(qiáng)。型面上帶有激光投影靶標(biāo)孔，孔位處配有襯套。鋪貼時(shí)需在預(yù)浸料鋪層中預(yù)埋金屬件，固化后數(shù)控精制孔并埋襯套。框架為等厚度板材，一般采用復(fù)合材料板材數(shù)控銑切外形，采用角片形式機(jī)械連接組合而成。框板與型面之間一般采用角片機(jī)械連接。模具尺寸較大時(shí)，需對(duì)型面和框架的連接面進(jìn)行數(shù)控銑切，以實(shí)現(xiàn)二者的高精度匹配，避免后續(xù)使用過(guò)程中的變形問(wèn)題。

三、模具使用驗(yàn)證

采用復(fù)合材料模具制造整流罩零件，固化后的零件表面樹(shù)脂分布均勻，無(wú)損合格，型面與復(fù)合材料模具貼合間隙小于0.8mm，滿(mǎn)足制件制造技術(shù)指標(biāo)要求。且由于復(fù)合材料模具加熱快，模具和制件在熱壓罐中的固化周期比傳統(tǒng)金屬工裝縮短約1小時(shí)，節(jié)約了生產(chǎn)資源。

鋪貼時(shí)，操作工人習(xí)慣性會(huì)在模具余量區(qū)進(jìn)行鋪層余量裁剪，造成模具表面劃痕，破壞表面密封性，影響復(fù)合材料模具壽命。為解決該問(wèn)題，可在模具表面噴涂金屬涂層，提高模具表面硬度，提升復(fù)合材料模具表面質(zhì)量及使用壽命。

四、結(jié)論

本文針對(duì)復(fù)雜曲率整流罩零件的專(zhuān)用成型模具，從模具選材、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造、模具使用驗(yàn)證等方面展開(kāi)研究。結(jié)果表明：

1）采用輕質(zhì)碳纖維復(fù)合材料框架式模具，可滿(mǎn)足復(fù)雜曲率整流罩零件的型面精度要求，且可降低生產(chǎn)能耗。

2）為進(jìn)一步延長(zhǎng)復(fù)合材料模具壽命，可在模具表面噴涂金屬涂層，提升模具表面質(zhì)量，提高表面硬度。

參考文獻(xiàn)

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