秦闖 鄒志偉 曹延君 孟凡壹 王宏禹

摘 要 為解決目前預(yù)浸料鋪放—金屬對模加壓成型工藝參數(shù)的設(shè)計無標(biāo)準(zhǔn)、無規(guī)范問題，分析和提取與尺寸相關(guān)的8項工藝參數(shù)，基于各工藝參數(shù)對5項設(shè)計指標(biāo)的影響關(guān)系，建立工藝參數(shù)尺寸鏈，并提出工藝參數(shù)設(shè)計原則與設(shè)計流程。應(yīng)用尺寸鏈為一項工程實例設(shè)計出工藝參數(shù)，滿足設(shè)計要求與工藝要求，證明方法的可行有效。為工程實踐參數(shù)選擇提供了便利與理論依據(jù)，為后續(xù)對所有參數(shù)量化選擇與形成工藝設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 工藝參數(shù)尺寸鏈；金屬對模成型；復(fù)合材料；工藝壓縮量

ABSTRACT? Eight process parameters related to size are analyzed and extracted to solve the problem that there are no standards and regulations in the design of the process parameters for prepreg laying and matched mould pressing technology. Based on the influence of process parameters on five design indexes， the dimension chain of process parameters is established， and the design principle and design flow of process parameters are put forward. The dimension chain is applied for a project case to design the process parameters which meet the requirements of design and process. The feasibility and effectiveness of the method are demonstrated. It provides convenience and theoretical basis for the selection of parameters in engineering practice， and lays a foundation for the quantitative selection of all parameters and the formation of process design standards and specifications.

KEYWORDS? process parameters dimension chain; matched mould pressing technology; composite material; process compression amount

1 引言

近年來，航天技術(shù)發(fā)展迅速，復(fù)合材料因其自身輕質(zhì)、高強、高模量的優(yōu)點，在航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中被大量采用。作為復(fù)合材料成型的主要工藝之一，模壓成型工藝具有生產(chǎn)效率高、成型內(nèi)部質(zhì)量易于保證、尺寸精度高、制品表面光潔等優(yōu)點，在航天產(chǎn)品生產(chǎn)中廣泛使用[1]。由于航天領(lǐng)域產(chǎn)品具有定制化設(shè)計、單件小批量生產(chǎn)、多品種等特點，相對于以壓機為主的模壓成型工藝，以螺栓機械加壓方式為主的預(yù)浸料鋪放—金屬對模加壓成型工藝靈活性更強、適用性更廣，所以使用更為頻繁。

復(fù)合材料的成型工藝實施包含一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)過程，碳纖維增強復(fù)合材料模壓成型是多參數(shù)耦合體系，伴隨著傳熱、化學(xué)反應(yīng)、基體熔融流動、熱膨脹、應(yīng)力松弛等相互影響及耦合擾動，對產(chǎn)品質(zhì)量的影響規(guī)律極其復(fù)雜[2]。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，合理選擇合適工藝參數(shù)尤為關(guān)鍵，路明坤[3]等人對樹脂基復(fù)合材料模壓工藝加壓時機進行了優(yōu)化研究，開發(fā)出優(yōu)化程序，針對給定纖維體積分數(shù)值的樹脂體系，計算出滿足設(shè)計要求的加壓時刻的粘度值。朱楠[4]等人通過研究，總結(jié)出影響模壓制品成型質(zhì)量的因素主要為：預(yù)浸料性能（包括樹脂含量、纖維體積含量等技術(shù)指標(biāo)）、成型模具精度、環(huán)境條件（包括溫度、相對濕度及環(huán)境的潔凈度等）、鋪放過程控制、鋪放質(zhì)量、熱壓機的工作狀態(tài)、合模間隙控制及固化過程控制（溫度、壓力、保溫時間）。沃西源[5]等人分析了溫度、模壓壓力、時間、揮發(fā)份等因素對模壓成型過程的影響?，F(xiàn)有對工藝參數(shù)的研究往往針對于以壓機為核心加壓措施的模壓工藝，對于以螺桿機械式提供加壓壓力的金屬對模成型工藝，由于壓力無法準(zhǔn)確量化控制，研究較少。

在工藝實施過程與尺寸相關(guān)的工藝參數(shù)較多，往往基于尺寸計算，通過精準(zhǔn)的投料與控制模具加壓后的拼裝間隙（合?？p隙）保證加壓有效。工藝參數(shù)包含固化溫度、固化時間、熱合模溫度、投料量、壓縮量、模具尺寸、加壓時機、預(yù)浸料厚度等。為了保證產(chǎn)品成型后內(nèi)部質(zhì)量、尺寸精度、重量、熱力學(xué)性能等指標(biāo)滿足要求，需要綜合控制各工藝參數(shù)，變量較多且關(guān)系復(fù)雜，在參數(shù)選擇與設(shè)計上，目前尚未有成熟的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，工程實踐對于工藝設(shè)計人員的經(jīng)驗依賴性較大[6]。

因此，本文針對性地對金屬對模工藝的部分尺寸相關(guān)工藝參數(shù)進行分析提取，基于各參數(shù)相互關(guān)系，建立工藝參數(shù)尺寸鏈，給出可用于不同構(gòu)型、厚度產(chǎn)品的尺寸鏈規(guī)劃模型，便于工程實踐對工藝參數(shù)進行設(shè)計，并通過實例驗證模型在實際應(yīng)用中的有效性。

2 設(shè)計指標(biāo)與基本工藝參數(shù)

為建立尺寸鏈規(guī)劃模型，需選定參數(shù)并設(shè)定公差范圍。工藝參數(shù)的設(shè)計目的是保證成型后的各項指標(biāo)滿足要求，由于工藝參數(shù)變量較多且關(guān)系復(fù)雜，因此，選定與尺寸相關(guān)的工藝參數(shù)，結(jié)合各工藝參數(shù)影響到的設(shè)計指標(biāo)，并將設(shè)計指標(biāo)作為邊界約束條件設(shè)定各參數(shù)的范圍。

2.1 設(shè)計指標(biāo)

2.1.1 纖維體積含量Vf

復(fù)合材料制品內(nèi)部質(zhì)量可通過纖維體積含量、孔隙率、密度等參數(shù)表征，是復(fù)合材料能否發(fā)揮出性能的關(guān)鍵，工藝參數(shù)設(shè)計過程，工藝壓縮量的設(shè)計是保證產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量的成型核心工藝環(huán)節(jié)，為量化工藝壓縮量的設(shè)計，主要選取了纖維體積含量作為主要設(shè)計指標(biāo)之一。航天產(chǎn)品纖維體積含量要求一般為Vf制品=（60±3）% [7]。

2.1.2 重量M

為充分發(fā)揮復(fù)合材料輕質(zhì)高強、高模的優(yōu)勢，產(chǎn)品重量指標(biāo)在航天產(chǎn)品設(shè)計中與設(shè)計成本息息相關(guān)。其受工藝設(shè)計環(huán)節(jié)的投料量（鋪層數(shù)及預(yù)浸料單層厚）影響，因此，選取重量作為設(shè)計指標(biāo)之一。

2.1.3 外形尺寸E與壁厚尺寸D

產(chǎn)品的尺寸精度包含外形尺寸精度與壁厚尺寸精度，作為宏觀參數(shù)，是尺寸鏈模型的基礎(chǔ)，作為尺寸鏈建立的設(shè)計指標(biāo)。

2.1.4 熱、力學(xué)性能

復(fù)合材料產(chǎn)品的熱、力學(xué)性能是產(chǎn)品材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、鋪層設(shè)計的綜合結(jié)果，材料與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計，鋪層信息既是設(shè)計參數(shù)又是工藝參數(shù)，在工藝參數(shù)設(shè)計與工藝實施過程參數(shù)存在一定的差異時，需結(jié)合具體情況進行分析。因此，將熱、力學(xué)性能作為主要設(shè)計指標(biāo)之一。

2.2 工藝參數(shù)

2.2.1 工藝壓縮量A

預(yù)浸料鋪放—金屬對模加壓成型工藝的基本原理為：外模與內(nèi)模組合，形成封閉模具腔如圖1所示，實際鋪放預(yù)浸料的體積（投料量）V投料多于實際模具型腔體積V實際，將A=V投料-V實際定義為工藝壓縮量，將工藝壓縮量與實際型腔體積的比值定義為工藝壓縮比α，即α=（V投料-V實際）/V實際×100%。工藝壓縮量的作用是在組合內(nèi)模與外模過程對預(yù)浸料產(chǎn)生壓力，預(yù)浸料制備過程樹脂含量高于制品，通過升溫，預(yù)浸料中的樹脂粘度降低被擠壓后充分流動，與纖維充分結(jié)合，溢出模具型腔過程帶走氣體以形成致密的復(fù)合材料后固化，纖維體積含量隨之提高[8]。

為確定工藝壓縮比的取值范圍，在忽略工藝損耗的前提下，成型前后纖維體積含量不變，則有V投料×Vf預(yù)浸料= V實際×Vf制品。代入壓縮比公式，可得到壓縮比與纖維體積含量有如下關(guān)系V實際×（1+α）× Vf預(yù)浸料= V實際 ×Vf制品，可得到公式（1）。

α=Vf制品/Vf預(yù)浸料-1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

按照航天產(chǎn)品纖維體積含量要求Vf制品=（60±3）%，預(yù)浸料纖維體積含量應(yīng)略低于制品，一般制備為Vf預(yù)浸料=（57±3）%，代入公式（1）。

計算壓縮比公差范圍：

αmax=Vf制品max/Vf預(yù)浸料min-1=16.7%

αmin=Vf制品min/Vf預(yù)浸料max-1

由于成型過程加壓擠出膠液，制品的纖維體積含量一定大于預(yù)浸料， 即Vf制品＞Vf預(yù)浸料，因此αmin>0。為保證有足夠的壓力促使樹脂流動，工程上取值αmin=5%。據(jù)此，工藝壓縮比的取值范圍為α=[5%，16.7%]。

2.2.2 合?？p隙F

合?？p隙是金屬對模工藝特有工藝參數(shù)，指模具拼裝后模具板之間的縫隙，如圖2所示，金屬對模加壓過程即是使模具之間的縫隙逐步減小、型腔逐步接近理論型腔的過程。按金屬對模工藝流程，在拼裝模具完成后，在放入固化爐升溫前后進行兩次加壓合模過程，分別稱為冷合模與熱合模，冷合模后預(yù)留一定的合?？p隙以便在熱合模膠液粘度適宜的條件下進行二次加壓，以利于膠液流動。理想狀態(tài)下的熱合模后的合?？p隙為0，保證模具尺寸與產(chǎn)品尺寸相同。實際情況受模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、合模壓力、合模時機選擇的影響，熱合后會存在一定的縫隙，為合理的工藝偏差，需結(jié)合產(chǎn)品外形的要求、模具的復(fù)雜程度設(shè)計合理的參數(shù)范圍。一般合?？p隙要求越小，合模工藝實施難度越大。

2.2.3 外模尺寸W 與內(nèi)模尺寸S

為保證模具的強度與加工精度，金屬對模工藝外模通常為金屬模具，內(nèi)?？蛇x擇有水溶性模具、金屬件模具等，模具與復(fù)合材料熱脹系數(shù)有差別。復(fù)合材料在高溫下固化，常常在設(shè)計過程對模具尺寸縮放以補償溫度的影響[9]。為簡化研究，本文不考慮溫度影響，僅討論不縮放的模具尺寸。模具尺寸公差由產(chǎn)品尺寸公差要求及合?？p隙決定。

2.2.4 鋪層信息Χ

鋪層信息包含鋪層角度Φ、鋪層順序及鋪層比。預(yù)浸料鋪放工藝是由單向預(yù)浸帶鋪疊并固化而形成的層壓結(jié)構(gòu)，而單向帶呈現(xiàn)強烈的正交異性（沿纖維方向的性能與垂直方向的性能差別很大）?？梢栽诓煌较蜾佋O(shè)不同比例的單向帶（預(yù)浸料），滿足結(jié)構(gòu)平面內(nèi)所需方向性能的要求。因此鋪層信息作為基本工藝參數(shù)之一，常根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的熱、力學(xué)等性能要求，結(jié)合仿真計算與理論分析，對鋪層進行設(shè)計。由于仿真模型對結(jié)構(gòu)鋪層信息的簡化方式為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)各面獨立設(shè)定，棱邊采用共節(jié)點約束，纖維連續(xù)性無法模擬，而實際工程中預(yù)浸帶連續(xù)鋪放，因此在執(zhí)行鋪層的設(shè)計信息的過程需結(jié)合具體性能要求進行優(yōu)化，綜合保證鋪層角度與連續(xù)性，實際鋪層與理論鋪層信息會有所差別。

2.2.5 鋪層數(shù)N

鋪層數(shù)理論上通過預(yù)浸料單層厚度與產(chǎn)品壁厚計算而得，在鋪層設(shè)計過程對鋪層角度Φ、鋪層順序及鋪層比進行規(guī)劃時，可在理論基礎(chǔ)上增加層數(shù)，以提供壓縮量。但需考慮是否影響熱、力學(xué)性能以及能否滿足產(chǎn)品重量要求。

2.2.6 預(yù)浸料單層料厚度T

預(yù)浸料是用樹脂基體浸漬連續(xù)纖維或織物制成的樹脂基體與增強體組合物，是制造復(fù)合材料的中間材料。單位面積纖維質(zhì)量（面密度）是表征預(yù)浸料性能的物理參數(shù)之一[10]，在指定纖維體積含量的要求下，面密度與預(yù)浸料厚度呈確定比例關(guān)系，對于金屬對模工藝，預(yù)浸料單層厚是更直接的工藝參數(shù)，因此工程上更常使用。理論上可通過預(yù)浸料制備過程上紗團數(shù)及膠膜厚度的調(diào)節(jié)，制得滿足纖維體積含量要求的任意厚度的預(yù)浸料。為了便于依據(jù)產(chǎn)品厚度進行鋪層設(shè)計，常用預(yù)浸料厚度有0.1mm，0.125mm，0.2mm，厚度偏差可控制在±5%。

2.2.7 鋪放累積誤差C

鋪放累積誤差產(chǎn)生原因如下：受手工鋪放力度的影響，在棱邊拐角處預(yù)浸料折彎弧度與理論弧度有偏差，受鋪放精度影響，兩張預(yù)浸料對接處會有接縫或重疊，隨著鋪放層數(shù)增加，這種偏差會逐步累積，最終會導(dǎo)致實際預(yù)浸料與理論預(yù)浸料堆疊量具有偏差（通常為實際多于理論），這種局部的偏差在高溫固化樹脂流動過程會均分在各個面上，形成鋪放累積誤差。工程上采取在預(yù)浸料鋪放一定厚度后進行預(yù)壓的方式控制鋪放累積誤差，誤差范圍一般可控制在鋪放厚度的1%～2%。

綜上所述，確定了內(nèi)部質(zhì)量、外形尺寸精度、壁厚尺寸精度、熱/力學(xué)性能和重量5項設(shè)計指標(biāo)，確定了工藝壓縮量、鋪層數(shù)、預(yù)浸料單層厚、外模尺寸精度、內(nèi)模尺寸精度、合?？p隙、鋪放誤差和鋪層信息8項工藝參數(shù)，如表1所示。

3 尺寸鏈建立

3.1 尺寸鏈建立

在產(chǎn)品某一尺寸方向上，包含外模、內(nèi)模、復(fù)合材料，由于面內(nèi)方向的變化對體積影響很小，因此可將工藝壓縮量與壓縮比計算簡化為厚度方向。可得出：

HA=H投料-H實際；α=（H投料-H實際）/H實際×100%。

HA代表厚度方向工藝壓縮量，H投料代表投料厚度，H實際代表實際型腔厚度，以此為尺寸鏈建立基礎(chǔ)。為便于表達與分析，規(guī)定大寫字母代表參數(shù)公稱值，小寫字母代表參數(shù)公差值。

實際模腔厚度H實際與外模尺寸W，內(nèi)模尺寸S，合模縫隙F關(guān)系為：H實際=W-S+F；

實際投料量厚度H投料由鋪層數(shù)N、預(yù)浸料厚度T、鋪放累積誤差C求得：H投料=T×N+C；

3.2 工藝參數(shù)設(shè)計原則

尺寸鏈建立后，由于參數(shù)眾多且關(guān)系復(fù)雜，需分清主次關(guān)系，結(jié)合設(shè)計指標(biāo)，確定各參數(shù)類型與設(shè)計原則，以便設(shè)計各工藝參數(shù)。

壓縮比α是影響產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量的關(guān)鍵，是保證產(chǎn)品性能的重要參數(shù)之一，將其作為目標(biāo)變量。合?？p隙f、外模模具尺寸公差w、鋪放累積誤差c與設(shè)計指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性較單一，因此可直接進行設(shè)計，將其作為設(shè)計變量。鋪層數(shù)公差n、預(yù)浸料單層料厚度公差t與內(nèi)模模具尺寸公差s的可設(shè)計性比較強，且對設(shè)計指標(biāo)的影響關(guān)系較復(fù)雜，因此將此3項作為控制變量。

參數(shù)類型確定后，依據(jù)各參數(shù)與設(shè)計指標(biāo)的關(guān)系，確立參數(shù)取值范圍設(shè)計原則，總結(jié)各參數(shù)類型及設(shè)計原則如表2所示。

3.3 工藝參數(shù)設(shè)計流程

通過尺寸鏈的建立關(guān)聯(lián)了各參數(shù)，工藝參數(shù)設(shè)計原則給出工藝參數(shù)與設(shè)計指標(biāo)的關(guān)系，即確定了參數(shù)設(shè)計的邊界條件，再通過目標(biāo)變量與控制變量的設(shè)置，即可建立工藝參數(shù)設(shè)計流程，如圖4所示。首先，依據(jù)產(chǎn)品外形尺寸精度要求，確定合?？p隙與外模模具尺寸公差。其次，考慮產(chǎn)品重量指標(biāo)，如果指標(biāo)要求為5%范圍內(nèi)，無法通過增加鋪層數(shù)及增加預(yù)浸料厚度的方式提供壓縮量，則將內(nèi)模模具尺寸作為主要控制變量。如果重量指標(biāo)大于5%，判斷鋪層信息是否可更改，如果可更改，將鋪層數(shù)作為主要控制變量，如果鋪層不可更改，將預(yù)浸料單層厚作為主要控制變量。確定主要控制變量后，其他控制變量按理論值計算，對主要控制變量初步賦值，然后計算累積誤差，最后將已知數(shù)據(jù)代入尺寸鏈計算公式，即可求得壓縮量，如果求得的壓縮比在5%～16.7%范圍內(nèi)，則各參數(shù)確認完成。否則，重新修正主要控制參數(shù)，代入計算公式，直至壓縮比滿足要求。特殊情況，如果單一控制變量賦值無法計算得到滿足要求的壓縮量，則可在主要控制變量賦值后，再將其他1個或2個控制變量作為主要控制變量進行多變量賦值，以滿足要求。

4 工藝參數(shù)尺寸鏈應(yīng)用

以某產(chǎn)品工藝設(shè)計過程為例，闡述工藝參數(shù)尺寸鏈的應(yīng)用方法。

4.1 產(chǎn)品要求

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式如圖5所示，主體為立體封閉腔網(wǎng)格筋結(jié)構(gòu)，內(nèi)部具有6條縱筋，1條橫筋，在長度方向具有8處壁厚，寬度方向3處壁厚，高度方向2處壁厚。產(chǎn)品各參數(shù)指標(biāo)如表3所示。

單層厚H=0.1mm 結(jié)構(gòu)面內(nèi)熱脹系數(shù)及模量要求苛刻，鋪層信息不可更改

按此產(chǎn)品構(gòu)型，設(shè)計模具結(jié)構(gòu)形式如圖6所示，長度方向7個內(nèi)模，寬度方向2個內(nèi)模，高度方向1個內(nèi)模。

4.2工藝參數(shù)設(shè)計

接下來，應(yīng)用工藝尺寸鏈，按3.3所制定的工藝參數(shù)設(shè)計流程設(shè)計各工藝參數(shù)，由于三個方向累積壁厚不同，各個方向分別計算。

（1）根據(jù)產(chǎn)品指標(biāo)要求，產(chǎn)品外形尺寸公差為e1，e2，e3=[-0.2，+0.2]，由于產(chǎn)品尺寸<1000m，且構(gòu)型簡單，將三個方向合?？p隙要求設(shè)計為f1，f2，f3=[0，0.2]，則可求得模具外形尺寸公差為w1，w2，w3=[-0.2，0]。

（2）根據(jù)產(chǎn)品指標(biāo)要求，產(chǎn)品重量公差m=[-10%，10%]且鋪層信息不可更改。按設(shè)計流程，確定預(yù)浸料單層厚H作為主要控制變量。

（3）選定H作為主要控制變量后，鋪層數(shù)N與內(nèi)模模具尺寸S公差即可按理論確定。由于產(chǎn)品殼體及筋壁厚均為8mm，鋪層設(shè)計采用單層0.1mm的預(yù)浸料，因此鋪層數(shù)N=8/0.1=80，鋪層數(shù)公差n=[0，0]，根據(jù)產(chǎn)品內(nèi)筋結(jié)構(gòu)，三個方向的累積鋪層數(shù)分別為：

計算所得各壓縮比在合格范圍內(nèi)。至此，采用尺寸鏈及工藝參數(shù)設(shè)計流程設(shè)計出了滿足指標(biāo)要求及工藝要求的工藝參數(shù)，如表4所示。

5 結(jié)語

本文分析、提取出工藝壓縮量、鋪層數(shù)、預(yù)浸料單層厚、外模尺寸精度、內(nèi)模尺寸精度、合?？p隙、鋪放誤差和鋪層信息8項工藝參數(shù)，基于各工藝參數(shù)對纖維體積含量、外形尺寸精度、壁厚尺寸精度和熱/力學(xué)性能5項設(shè)計指標(biāo)影響關(guān)系，建立出針對金屬對模成型工藝的工藝參數(shù)尺寸鏈，并提出工藝參數(shù)設(shè)計原則與設(shè)計流程。應(yīng)用尺寸鏈對一項工程實例進行工藝參數(shù)設(shè)計，所設(shè)計的工藝參數(shù)滿足設(shè)計指標(biāo)與工藝要求。雖然尺寸鏈中的參數(shù)未覆蓋所有工藝參數(shù)（如溫度，時間，壓力等），但已基本建立出部分工藝參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)及對設(shè)計指標(biāo)的影響關(guān)系，工藝參數(shù)設(shè)計更加方便，并為后續(xù)工藝設(shè)計所有參數(shù)的量化選擇形成設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計規(guī)范奠定了基礎(chǔ)。

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