大型复合材料模具框架设计

徐鹤

摘要：本文通过对大型复合材料模具的型腔结构进行分析，提出了新的框架方案--偏转型腔角度及设计可调装置。据此设计的新型框架的成功应用，对类似大型模具整体结构的设计，具有较强的指导作用。

关键词：大型复合材料模具；框架；角度偏转；可调装置

1 序言

我国自改革开放以来，国民经济迅速发展，用电量急剧增加，缺口一直很大，单靠煤电又存在环境保护问题。在这样一个资源和环境问题目趋严峻的情况下，世界各国都十分重视洁净能源的开发利用。风电是清洁的可再生能源，在工业发达国家发展很快。我国风能资源丰富，但风力发电起步较晚，大功率风电机组的研究和开发刚刚起步，技术还不成熟，生产设备及其生产工艺都还比较落后。复合材料叶片是风力发电机的关键部件，至今，国内组装的大型风力机大都是采用进口叶片。为了减少对进口叶片的依赖程度，必须进行叶片的国产化和自主开发。制造大型风力机复合材料叶片，大型叶片模具是其中最关键的工艺装备之一。对于塑料模具的书籍和论文较多，但对于大型复合材料叶片模具，特别是其框架的设计，尚未见到相关论述。此项研究对于促进风电产业的健康发展，加快风电设备制造国产化，不断提高风电设备制造能力，都有实际意义。

2 设计指标

框架作为模具整体结构的一个至关重要部分，在模具中主要對玻璃钢型腔起到支撑、维形及固定的作用，必要时可以调整模具的合模精度，同时它还负责与翻转机构、顶出、锁紧等装置的连接以最终达到合/分模的目的。其整体尺寸由玻璃钢型腔的尺寸决定，每一个框截面的尺寸由该位置的玻璃钢型腔截面决定。框架设计的优劣直接决定整个模具的配合精度及达标效果。

框架在模具中对玻璃钢型腔起到支撑、维形及固定的作用，可以调整模具的型腔精度、合模精度。主模具的上模带半个叶片壳体的重量约为20T，框架上必须有铰链臂与翻转装置连接使带半个叶片壳体的上模沿着翻转铰链翻转180°。具体要求如下：

1）安全、可靠；

2）与玻璃钢型腔随形；

3）调整型腔精度、合模精度；

4）有铰链臂；

5）经济、高效。

3 设计方案

根据气动学设计的叶片在叶尖处上翘近1米，加上叶根处的直径2.2米，叶片高度就是3.2米。钢架的尺寸则在此基础上还要加上加强筋/铰链臂的尺寸，最小也要达4米。如果将叶片偏转一个角度，降低叶尖处的高度，就能降低整体模具的尺寸。经过计算，叶片偏转2.8°，叶尖和叶根可在同一高度上，可以将模具整体尺寸降低到3.6米，那么框架原材料成本大大降低的同时还可以提高操作方便性与舒适性，更重要的是解决了一般厂房高度限制问题。

根据型腔厚度外推截面曲线后设计钢架使之与玻璃钢型腔形状吻合：钢架前后缘随型腔前后缘均匀过渡，钢架每一隔框内的加强件与对应的型腔弧面的距离均等，这个距离要考虑到型腔与钢架的装配连接件的尺寸；设计钢架与玻璃钢型腔的连接及固定装置，连接装置必须均匀分布在与型腔弧面对应的钢架隔框上，通过螺杆可以调节两者间距；固定装置均匀分布在钢架前后缘，以套管的形式调节两者间距。这样的设计有利于连接固定的安全可靠及力的均匀传导，提高上、下半模的合模精度。型腔到隔框加强件的距离在弧面连接件螺杆尺寸调节范围内；钢架前后缘到型腔前后缘工艺边的距离在套管连接件的调节高度范围内。设计模型见图1所示。

根据整体模具重量计算两处质心位置预留隔框间距来安装铰链臂，尺寸要考虑到型腔与框架间的距离。采用工字钢加强件连接对接板的方式保证强度，对接面在同一平面内以保证翻转的同轴度。设计地角调节装置和落地保护装置。通过膨胀螺栓和带螺母的螺柱的下压和顶来起调节定模钢架底面的水平，同时起到固定整个模具的作用。图2是整体加工完成后的实物图。

4.结论

1）此方法已经在模具制造中成功应用，框架设计达到了对玻璃钢型腔的支撑、维形及固定的作用，必要时可以调整模具的合模精度。证明此设计是合理、有效和安全的，它的成功应用，对类似设计具有较强的指导作用。

2）考虑到节约成本及优化框架，采用偏转角度的方案降低模具整体高度，减小车间高度，降低成本，提高操作方便性与舒适性。

参考文献

[1]陈绍杰. 复合材料与风机叶片[M]. 第三期第32卷. 高科技纤维与应用，2007.

[2]李成良等. 大型风机叶片材料的应用和发展[M]. 第四期. 玻 璃 钢 / 复 合 材 料，2008.

（作者单位：北京卫星制造厂有限公司）