基于聚氨酯树脂基复合材料的新型拉形模具

■ 航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 （黑龙江 150060） 李海凤

■ 北京中航智科技有限公司 （101149） 何永亮

工程技术部工程师 李海凤

在飞机蒙皮类零件生产中，拉形模具主要用于生产表面积大、厚度薄以及表面质量要求高的双曲度零件。适用于拉形成形的零件一般具有以下特点：表面质量要求高、外形准确度高、形状复杂以及尺寸大。随着飞机型号大型化的研制需求，传统模具或重达数吨，且制造成本高、生产周期长，因此拉形模具的结构形式及模具性能也在不断创新。本文对目前航空制造中所应用的典型拉形模具进行综合阐述，着重介绍一款已通过生产研制验证的基于复合材料的新型拉形模具结构，并进行综合对比分析。

1. 传统拉形模具结构

拉形模具的典型结构为：木框或竹胶板框环氧胶砂模、金属骨架环氧塑料模和金属模。几种典型结构的适用性及优缺点如附表所示。

2. 聚氨酯树脂基复合材料拉形模结构

聚氨酯树脂基复合材料拉形模具是一种将聚氨酯树脂基复合材料应用于拉形模的新结构形式，主要有两种结构：一种是以金属材料（铸钢、铸铝）为模体基体，以聚氨酯复合材料为模体型面的金属复合材料模具；另一种是将拉形模具模体在传统结构上进行改进，模具基体和型面都采用聚氨酯树脂基复合材料的全复合材料模具。模体结构如附图所示。

模体结构简图

传统拉形模具比较

（1）金属-聚氨酯树脂基复合材料拉形模：由于金属材料与聚氨酯树脂基复合材料具有不同的热膨胀系数（钢为12×10-6K-1；铝为20×10-6K-1；树脂为40×10-6～50×10-6K-1），使得模具在温差变化较大时，出现表面聚氨酯树脂基复合材料层与金属材料基体起层脱落现象，造成模具质量事故。因此金属复合材料拉形模制造的关键在于如何使聚氨酯树脂基复合材料与金属材料很好地结合。解决办法是在金属与聚氨酯树脂基复合材料层之间增加一层30mm以上厚度的过渡材料。要求该材料具有很好的浸渍性和柔性，能够抵消变形差值，具备抗撕裂效果。

实践证明，如果拉形表面聚氨酯树脂基复合材料厚度过低，在环境温度变化较大或模具受到磕碰时，极易造成表面开裂或起层，建议表面层厚度为60mm。

金属－聚氨酯树脂基复合材料拉形模具的优点是可重复利用旧金属胎改制，大幅降低成本。存在的问题是无法根本解决起层开裂问题，对模具存放环境温度要求高（18～30℃），模具不能磕碰。

（2）全聚氨酯树脂基复合材料拉形模：拉形模具模体型面选用具有易数控加工、自润滑、强度高和韧性好等优点的聚氨酯树脂基复合材料。拉形型面的厚度取决于拉形面积的大小，拉形面积越大，曲向剪切力越大。拉形面积1m2以内，厚度可设计50mm，厚度随拉形面积增加应适当增加，每平方米可按20%～30%幅度加厚，以防止变形断裂现象发生。但在实际加工中，由于熔接损失及加工余量，坯料厚度往往会超过60mm。

模体基体应选用同系列的聚氨酯树脂基复合材料，使表面材料和基体材料能够很好地结合，保持较好的模具一致性，使在温差变化大、振动及磕碰等情况下，不出现断裂、起层等现象。模体基体可镂空制作，进一步使结构轻量化，与金属模具相比较会轻很多。基体视结构可适当增加镂空空间，镂空空间大小的确定以不影响结构强度为准则。

全聚氨酯树脂基复合材料拉形模的优点是制造周期短，无开裂起层现象，对存放环境要求低，改型方便（可循环利用），造价与铝基体拉形模具相当。

3. 结语

与传统模具相比，聚氨酯树脂基复合材料拉形模具有制造周期短、成本低及性能高等特点，具体表现如下。

在产品质量上：①该新型模具表面数控加工后光滑无气孔，同时具备自润滑功能，成件质量高。②出色的抗变形特征，有效提高零件质量。

在制造成本上：①常温下可修复，模具加工报废率为零。②可与钢胎体、铝胎体和树脂砂胎体结合，可循环利用。

在生产效率上：①结构轻质化的特性具有传统金属模具无可比拟的优势。②模具加工周期短。

[1] 王海宇. 飞机钣金工艺学[M]. 西安：西北工业大学出版社，2011.

[2] 中国锻压协会. 航空航天钣金冲压件制造技术[M]. 北京：机械工业出版社，2013.