先進復(fù)合材料構(gòu)件成型模具以及工裝結(jié)構(gòu)形式研究

　　這篇材料工程師論文發(fā)表了先進復(fù)合材料構(gòu)件成型模具以及工裝結(jié)構(gòu)形式研究，就目前的技術(shù)水平而言，飛機制造中先進復(fù)合材料的應(yīng)用十分廣泛，逐漸成為繼鋁、鋼及鈦之后的第四大航空結(jié)構(gòu)材料。論文闡述了先進復(fù)合材料構(gòu)件成型模具及工裝結(jié)構(gòu)形式，然后分析了模具及工裝的設(shè)計技術(shù)。

　　關(guān)鍵詞：材料工程師論文,復(fù)合材料;組合模具;泡沫碳

　　0 前言

　　相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，在A380中先進復(fù)合材料的應(yīng)用重量占據(jù)總重的25%;在B7B7中占據(jù)的比例為50%;在A350XWB中占據(jù)的比例為52%。但是在先進復(fù)合材料的應(yīng)用中，對構(gòu)件成型工藝及工裝技術(shù)的要求相對較高。

　　1 先進復(fù)合材料構(gòu)件成型模具和工裝的結(jié)構(gòu)形式

　　1.1 組合模具

　　組合模具的原材料為金屬，包括上下兩個半模，常用于模壓成型、注射模成型以及壓機成型等成型方式中。組合模具具有三種加熱方式：(1)壓盤傳導(dǎo)加熱方式;(2)熱源加熱方式;(3)內(nèi)置模具加熱系統(tǒng)。技術(shù)人員可以根據(jù)具體的先進復(fù)合材料需求，選擇最佳的加熱方式[1]。

　　1.2 框架性模具

　　框架性模具主要通過格柵結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，進行構(gòu)件成型模具的制造，這一模具結(jié)構(gòu)形式可以有效提升構(gòu)件成型模具的局部及整體剛度，從而避免模具出現(xiàn)變形問題。與此同時，框架性模具能夠顯著提升模具型面的加熱效率，保障先進復(fù)合材料的質(zhì)量。

　　1.3 其他模具

　　先進復(fù)合材料構(gòu)件成型模具還包括連續(xù)成型模具、整體式模具以及易變形模具等多種形式。其中，連續(xù)成型模具主要通過拉擠或者擠壓方式完成材料加工;整體式模具主要用于制造尺寸較小或者以石墨為材料的先進復(fù)合材料;易變形模具主要是指不同物理狀態(tài)可以呈現(xiàn)出不同形態(tài)的模具。

　　2 先進復(fù)合材料構(gòu)件成型模具和工裝的設(shè)計

　　在設(shè)計方面，先進復(fù)合材料構(gòu)件成型模具和工裝不同于傳統(tǒng)用具，必須考慮新材料的熱匹配問題，且十分強調(diào)設(shè)計的精度。如常規(guī)金屬材料模具，其熱膨脹系數(shù)遠高于碳石墨復(fù)合材料，在設(shè)計的過程中，就需要做好溫度變化時的應(yīng)對，以免出現(xiàn)尺寸不可控變化導(dǎo)致模具破損。復(fù)合材料應(yīng)用前，可首先通過模擬實驗進行熱膨脹系數(shù)的評估，選取系數(shù)較低的材料進行模具設(shè)計。較為典型的方式是比例實驗法，即將對應(yīng)模具按固有比例進行縮小，以便方便的進行實驗，獲取參數(shù)后再進行模擬擴大。該方式下，可以獲取一個模具膨脹變化的糾正系數(shù)計算公式，以X表達糾正系數(shù)，以A和B分別表達模具制成后的熱膨脹系數(shù)和材料的熱膨脹系數(shù)，以A1表達模具制成時和常規(guī)工作態(tài)勢下的溫度差異，公式如下：

　　X=1/[(A-B)*A1+1] (1)

　　計算所獲的X，即為糾正系數(shù)，在設(shè)計的工程中，要求針對糾正系數(shù)做好計算，適當(dāng)調(diào)整模具的比例，使其滿足使用要求。

　　此外，在進行先進復(fù)合材料構(gòu)件成型模具和工裝的設(shè)計時，也需要考慮角度回彈問題，現(xiàn)有的復(fù)合材料中，物理性能和熱膨脹系數(shù)都可以控制在較小范圍內(nèi)，彈回角較小，可直接在設(shè)計的過程中進行小幅修正。如果需要制備較為復(fù)雜的工件，則可以采用現(xiàn)代數(shù)字模擬技術(shù)，對回彈角的大小進行計算，使其符合制作要求。一般可應(yīng)用CAE技術(shù)進行模擬，取固定的剛度要求、溫度要求等作為約束條件，進行不同維度的多次模擬，再以模擬結(jié)果為基礎(chǔ)，制備試驗用工件，進行實際測試，了解補充需要和修正設(shè)計的具體數(shù)據(jù)，完善設(shè)計工作。

　　3 先進復(fù)合材料構(gòu)件成型模具和工裝材料

　　3.1 殷鋼

　　殷鋼是指Invariable Alloy，是由鐵和鎳等多種稀有金屬制造而成的一種合金，其鎳含量在33%左右。在加熱過程中，殷鋼的膨脹系數(shù)為2.20×10-6(/℃)。這一數(shù)值要低于目前已知的所有金屬的膨脹系數(shù)。與此同時，在通過一定的回火以及延展等處理之后，殷鋼能夠始終維持近乎0的膨脹系數(shù)。殷鋼的出現(xiàn)有效解決了碳鋼存在的受熱易變形問題，其膨脹系數(shù)和先進復(fù)合材料的數(shù)值具有較高的契合性[2]。

　　3.2 泡沫碳

　　泡沫碳屬于全新的先進復(fù)合材料構(gòu)件成型模具，和碳纖維復(fù)合材料類似，可以劃分到碳材料的范疇內(nèi)。泡沫碳主要具有如下優(yōu)勢：(1)材料的熱膨脹具有較高的匹配度，尺寸穩(wěn)定性相對較高;(2)成型度高，且成型速度快，非常適用于機械加工以及膠接成型中;(3)重量相對較輕，適用于生產(chǎn)大尺寸的先進復(fù)合材料構(gòu)件;(4)可以滿足先進復(fù)合材料對于氣密性的特殊要求;(5)耐高溫，可以進行小批量的先進復(fù)合構(gòu)件成型模具制造。

　　3.3 其他材料

　　先進復(fù)合材料構(gòu)件成型模具和工裝材料還包括易溶模具、硅橡膠模具、整體石墨模具等多種類型。其中，易溶模具主要是指將易溶解材料在溶劑中的溶解，并通過模壓法或者澆鑄法制造而成的實心或者空心模具;硅橡膠模具主要是將硅橡膠模具的受熱膨脹特征作為生產(chǎn)原理，將硅橡膠作為介質(zhì)進行壓力的傳遞，實現(xiàn)對制件的加壓;整體石墨模具屬于復(fù)合材料模具，具有熱導(dǎo)率高以及尺寸穩(wěn)定等優(yōu)勢，但是很容易破碎，需要技術(shù)人員在模具表面涂層。

　　4 總結(jié)

　　綜上所述，先進復(fù)合材料構(gòu)件成型模具及工裝技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景。通過本文的分析可知，先進復(fù)合材料構(gòu)件成型模具制造行業(yè)應(yīng)用了大量的先進材料，工裝技術(shù)也較為成熟，但是我國構(gòu)件成型模具及工裝技術(shù)仍舊處于起步階段，需要技術(shù)人員進行進一步的研發(fā)，滿足飛機制造的生產(chǎn)需求，促進航空制造領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。

　　參考文獻：

　　[1]鄧帆，湛利華，鄒靖.樹脂基復(fù)合材料帽型加筋構(gòu)件固化過程壓力在線監(jiān)測研究[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2018(07)：36-41.

　　[2]唐久昌.基于先進技術(shù)的復(fù)合材料構(gòu)件成型模具及其工裝技術(shù)研究[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2016(14)：62-63.

　　推薦閱讀：《磁性材料及器件》(雙月刊)創(chuàng)刊于1970年，由中國西南應(yīng)用磁學(xué)研究所主辦。本刊是磁性行業(yè)全國唯一的學(xué)術(shù)、技術(shù)綜合性專業(yè)期刊。

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