先进复合材料构件成型模具以及工装结构形式研究

　　这篇材料工程师论文发表了先进复合材料构件成型模具以及工装结构形式研究，就目前的技术水平而言，飞机制造中先进复合材料的应用十分广泛，逐渐成为继铝、钢及钛之后的第四大航空结构材料。论文阐述了先进复合材料构件成型模具及工装结构形式，然后分析了模具及工装的设计技术。

　　关键词：材料工程师论文,复合材料;组合模具;泡沫碳

　　0 前言

　　相关数据统计表明，在A380中先进复合材料的应用重量占据总重的25%;在B7B7中占据的比例为50%;在A350XWB中占据的比例为52%。但是在先进复合材料的应用中，对构件成型工艺及工装技术的要求相对较高。

　　1 先进复合材料构件成型模具和工装的结构形式

　　1.1 组合模具

　　组合模具的原材料为金属，包括上下两个半模，常用于模压成型、注射模成型以及压机成型等成型方式中。组合模具具有三种加热方式：(1)压盘传导加热方式;(2)热源加热方式;(3)内置模具加热系统。技术人员可以根据具体的先进复合材料需求，选择最佳的加热方式[1]。

　　1.2 框架性模具

　　框架性模具主要通过格栅结构的应用，进行构件成型模具的制造，这一模具结构形式可以有效提升构件成型模具的局部及整体刚度，从而避免模具出现变形问题。与此同时，框架性模具能够显著提升模具型面的加热效率，保障先进复合材料的质量。

　　1.3 其他模具

　　先进复合材料构件成型模具还包括连续成型模具、整体式模具以及易变形模具等多种形式。其中，连续成型模具主要通过拉挤或者挤压方式完成材料加工;整体式模具主要用于制造尺寸较小或者以石墨为材料的先进复合材料;易变形模具主要是指不同物理状态可以呈现出不同形态的模具。

　　2 先进复合材料构件成型模具和工装的设计

　　在设计方面，先进复合材料构件成型模具和工装不同于传统用具，必须考虑新材料的热匹配问题，且十分强调设计的精度。如常规金属材料模具，其热膨胀系数远高于碳石墨复合材料，在设计的过程中，就需要做好温度变化时的应对，以免出现尺寸不可控变化导致模具破损。复合材料应用前，可首先通过模拟实验进行热膨胀系数的评估，选取系数较低的材料进行模具设计。较为典型的方式是比例实验法，即将对应模具按固有比例进行缩小，以便方便的进行实验，获取参数后再进行模拟扩大。该方式下，可以获取一个模具膨胀变化的纠正系数计算公式，以X表达纠正系数，以A和B分别表达模具制成后的热膨胀系数和材料的热膨胀系数，以A1表达模具制成时和常规工作态势下的温度差异，公式如下：

　　X=1/[(A-B)*A1+1] (1)

　　计算所获的X，即为纠正系数，在设计的工程中，要求针对纠正系数做好计算，适当调整模具的比例，使其满足使用要求。

　　此外，在进行先进复合材料构件成型模具和工装的设计时，也需要考虑角度回弹问题，现有的复合材料中，物理性能和热膨胀系数都可以控制在较小范围内，弹回角较小，可直接在设计的过程中进行小幅修正。如果需要制备較为复杂的工件，则可以采用现代数字模拟技术，对回弹角的大小进行计算，使其符合制作要求。一般可应用CAE技术进行模拟，取固定的刚度要求、温度要求等作为约束条件，进行不同维度的多次模拟，再以模拟结果为基础，制备试验用工件，进行实际测试，了解补充需要和修正设计的具体数据，完善设计工作。

　　3 先进复合材料构件成型模具和工装材料

　　3.1 殷钢

　　殷钢是指Invariable Alloy，是由铁和镍等多种稀有金属制造而成的一种合金，其镍含量在33%左右。在加热过程中，殷钢的膨胀系数为2.20×10-6(/℃)。这一数值要低于目前已知的所有金属的膨胀系数。与此同时，在通过一定的回火以及延展等处理之后，殷钢能够始终维持近乎0的膨胀系数。殷钢的出现有效解决了碳钢存在的受热易变形问题，其膨胀系数和先进复合材料的数值具有较高的契合性[2]。

　　3.2 泡沫碳

　　泡沫碳属于全新的先进复合材料构件成型模具，和碳纤维复合材料类似，可以划分到碳材料的范畴内。泡沫碳主要具有如下优势：(1)材料的热膨胀具有较高的匹配度，尺寸稳定性相对较高;(2)成型度高，且成型速度快，非常适用于机械加工以及胶接成型中;(3)重量相对较轻，适用于生产大尺寸的先进复合材料构件;(4)可以满足先进复合材料对于气密性的特殊要求;(5)耐高温，可以进行小批量的先进复合构件成型模具制造。

　　3.3 其他材料

　　先进复合材料构件成型模具和工装材料还包括易溶模具、硅橡胶模具、整体石墨模具等多种类型。其中，易溶模具主要是指将易溶解材料在溶剂中的溶解，并通过模压法或者浇铸法制造而成的实心或者空心模具;硅橡胶模具主要是将硅橡胶模具的受热膨胀特征作为生产原理，将硅橡胶作为介质进行压力的传递，实现对制件的加压;整体石墨模具属于复合材料模具，具有热导率高以及尺寸稳定等优势，但是很容易破碎，需要技术人员在模具表面涂层。

　　4 总结

　　综上所述，先进复合材料构件成型模具及工装技术具有良好的应用前景。通过本文的分析可知，先进复合材料构件成型模具制造行业应用了大量的先进材料，工装技术也较为成熟，但是我国构件成型模具及工装技术仍旧处于起步阶段，需要技术人员进行进一步的研发，满足飞机制造的生产需求，促进航空制造领域的可持续发展。

　　参考文献：

　　[1]邓帆，湛利华，邹靖.树脂基复合材料帽型加筋构件固化过程压力在线监测研究[J].玻璃钢/复合材料，2018(07)：36-41.

　　[2]唐久昌.基于先进技术的复合材料构件成型模具及其工装技术研究[J].中国新技术新产品，2016(14)：62-63.

　　推荐阅读：《磁性材料及器件》(双月刊)创刊于1970年，由中国西南应用磁学研究所主办。本刊是磁性行业全国唯一的学术、技术综合性专业期刊。

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