复合材料方杆缠绕成型模具设计及工艺研究

黄文煜 杨 浩 周 栋 张娟娟 陈万新

复合材料方杆缠绕成型模具设计及工艺研究

黄文煜 杨 浩 周 栋 张娟娟 陈万新

（上海复合材料科技有限公司，上海 201112）

针对复合材料方杆成型模，设计了新型限位体系的八瓣模模具结构，通过限位凸轮和端部齿轮来控制成型压力的变化。材料体系选用T700-12k-50C碳纤维，成型工艺选择烘箱固化工艺。通过此成型工艺成功制备出了外形、内部质量满足要求的复合材料方杆，为同类型的产品的生产提供了参考与借鉴。

复合材料杆件；成型模；八瓣模；机械加压；限位凸轮

1 引言

相对于金属材料，碳纤维复合材料具有高的比强度和比模量，出色的耐热性、较低的热膨胀系数，较小的热容量及优秀的抗腐蚀与抗辐射性能等特点，已广泛应用在各类空间卫星产品中[1]。随着空间卫星技术的快速发展，采用碳纤维复合材料制备的桁架结构已越来越多地应用于空间卫星结构。碳纤维复合材料桁架结构具有较好的组合性及通用性，可根据不同的使用要求进行空间构型组合，而且其形式简单、载荷可优化分配、局部强度高、安装拆卸简单方便，有着广阔的应用前景[2]。热压罐成型、拉挤成型、模压成型、缠绕成型、渗透成型等工艺已经在军民领域开始广泛运用。

纤维缠绕成型是利用专用的缠绕设备将浸渍过树脂配方料的连续纤维，在设备的张力作用下，按一定的规律缠绕在具有一定形状的芯模上，然后经加热或常温固化成型后制成制品。而目前碳纤维复合材料杆件多采用纤维缠绕成型，将缠绕后的杆件合模后制袋，进热压罐后抽真空，打压固化[3]。

常见的复合材料方杆采用芯模-均压板或芯模-风管成型方式，本文介绍了一种新型限位体系的八瓣模模具结构，使用凸轮限位，采用烘箱固化，降低固化成本，探索了一种全新的杆件纤维缠绕工艺成型方法，并改进优化模具，具有一定的实用价值和工程指导意义。

2 模具设计

2.1 模具性能

模具反映了零件的截面尺寸、表观状态、性能等特点。因此，模具需具备如下性能要求：模具材料的热稳定性好，不易变形；搬运方便、操作简单、安全系数高；产品质量稳定、加工精度高。

2.2 模具材料

复合材料杆件一般采用金属作为成型模的主要材料。常见的模具材料有碳钢、INVAR钢、铝、45#钢等，其材料参数如表1所示。从表1中可看，出铝的密度较低，但其热膨胀系数很大，加工后模具极易发生变形。而INVAR钢虽然热膨胀系数较小，不易变形，但加工成本较铝等材料较高，适用于结构较为复杂、曲率变化大的零件。故选用45#钢，其热膨胀系数介于铝和INVAR钢之间，与INVAR钢较为接近，其热传导率优良，且热膨胀系数较小，加工后不易变形，相较于INVAR钢，材料成本较低，且重量适中，适合用作杆件成型模的材料[4]。

表1 常用模具材料参数

2.3 模具结构设计

成型模采用八瓣模结构形式，具体参考图1。该模具为八瓣模结构，两侧采用固定板固定芯模，通过限位凸轮和端部齿轮的结构形式实现固化合模过程中的限位，考虑到产品在固化过程中的压缩量约20%～30%，根据产品厚度不同，限位分5档，即1.5、1、0.5、0.3和0，在做好的真空袋外转动齿轮轴，一轴带动镶块处四轴档位，根据需要选择合适档位，保证产品在打压温度之前不提前受力，减少流胶，保证产品质量。主要打压压力通过抽真空提供，通过真空压力挤压拼块，将拼块合模到位，完成产品固化成型[5]。

图1 杆件成型工装示意图

3 工艺要点

3.1 材料

因复合材料杆件一般为桁架结构中承力件，其力学性能需要满足其较好的抗压、抗拉性能。在此选择增强材料为日本东丽公司生产的T700-12k-50C碳纤维，基体材料为上海华谊树脂有限公司的环氧树脂[6]。原材料的单向板性能见表2，可以满足碳纤维复合材料桁架结构杆件的使用要求[7]。

表2 单向板性能参数

3.2 设备

缠绕设备：BSD数控缠绕机，规格：FWA1/4/1，德国BSD公司；固化设备：组合式固化炉，规格：4m×5m,宁波红菱电热烘箱有限公司。

3.3 工艺流程

复合材料杆件使用的成型方法为纤维缠绕钢模烘箱固化成型，其典型的成型流程如图2所示。

图2 杆件成型流程图

其中，所选杆件截面尺寸为40mm×40mm，杆件壁厚为1.2mm，长度为800mm，缠绕角度为：±45°/±3°/±45°。

3.3.1 关键工艺流程

装模：室温装模时先将限位档位调整为1.5，将产品按图3所示装模。

图3 装模置袋过程示图

固化开始时，将模具限位档位开关调整至1.5档，空气温度迅速拉升至150℃，在模具升温至90℃时，档位调整至0.5。继续升温，在模具温度升温至100℃时，档位调整至0.3，继续升温至115℃时，档位调整至0，合模到位。后续升温至177℃后，保温3h后出炉，全程抽真空。具体固化参数参考表3[8]。

表3 固化参数

4 分析与讨论

4.1 模具优化

目前常规的复合材料方杆成型模多采用芯模-均压板或芯模-风管成型方式，而本文采用的模具为八瓣模结构形式，主要打压压力通过抽真空提供，将拼块合模到位，完成产品固化成型[9]。通过限位凸轮和端部齿轮的结构形式实现固化合模过程中的限位，在做好的真空袋外搬动齿轮轴，一轴带动镶块处四轴档位，根据需要选择合适档位，调整拼块盖板与产品接触面的比例约7倍，通过抽真空的形式保证产品合模固化[10]。

4.2 表观、尺寸及无损探伤情况

脱模前后，实物表观按附图4所示，纤维纹路清晰，无屈曲，产品R角较饱满。按照GJB1038.1A—2004超声无损探伤，要求内部质量符合GJB2895—97中A级标准，采用喷水式脉冲穿透法，无明显杂波，缺陷的尺寸小于10mm[11]。

图4 杆件实物表观图示

本次试验共成型了5件杆件，其具体表观、尺寸及无损探伤情况如表4所示。

表4 表观、尺寸及无损探伤情况

4.3 产品理化性能测试

将成型后的杆件实物按标准取样，理化性能测试按表5，得到以下数据。纤维体积含量、固化度、孔隙率均能满足使用要求。

表5 理化性能测试数据

为进一步确定产品探伤情况与层间孔隙的关系，选取其中1件杆件进行超声相控阵多晶片探头扫描，探测结果如图5所示。

图5 超声相控阵扫描结果

由表3以及图5可以看出，杆件实物固化度达到98%以上，孔隙层间气孔较小，存在少量微小气孔，整体成型质量较好，满足使用要求。

综上所述：针对现有型腔尺寸，采取90℃、100℃和115℃分三档进行1.5-0.5-0.3-0调节合模固化，产品固化后外形为40.5～40.8mm，壁厚为1.15～1.35mm，探伤合格，表观无明显缺陷，产品满足使用要求，该模具成型的杆件质量好，成型成本低，后续该模具可广泛应用于类似零件的制造。

5 结束语

本文提出了一种新型的复合材料杆件成型模，该模具采用烘箱固化，使用机械限位成型模成型方法，取代热压罐成型，降低成型成本，且所生产出的杆件产品的尺寸、表观及探伤及理化性能均能满足使用要求。此新型复合材料杆件成型方法不仅对复合材料杆件的生产具有指导作用，也为同类型产品的生产提供借鉴意义。

1 罗成果，夏伟龙. 碳纤维增强热固性塑料研究进展[J]. 河南化工，2018，35(9)：11～12

2 闫照明. 复合材料桁架结构热变形分析[J]. 科技创新导报，2013(15)：123～124

3 於永红，杨静文，刘兆朋，等. 分瓣金属模辅助缠绕工艺成型舱段缩比件[J]. 玻璃钢/复合材料，2018(12)：78～79

4 安兴华. 探究复合材料Invar 模具制造技术[J] . 工程技术，2018(4)：114

5 张鑫玉，高婷，朱坤，等. 复合材料螺旋桨整体模压成型模具设计技术研究[J]. 玻璃钢/复合材料，2019(6)：111

6 魏海旭. 碳纤维/氰酸脂树脂复合材料缠绕工艺与性能研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015

7 王淑娟. 碳纤维/环氧树脂复合材料的制备及性能研究[D]. 长春：吉林大学，2013

8 乌云其其格. 成型工艺对中温固化环氧树脂碳纤维复合材料性能影响[J]. 高科技纤维与应用. 2018(6)：46～47

9 陈磊. 复合材料热压罐成型固化回弹变形预测及其优化[D]. 长沙：湖南大学，2017

10 江天，刘卫平，李会民，等. 不同工艺过程下整体化复合材料结构固化变形的预报与验证[C]. 第十四届中国科协年会第11分会场：低成本、高性能复合材料发展论坛论文集，2012

11 高晓进. 金属夹心CFRP 复合材料超声检测方法[J]. 声学技术，2019，38(5)：527～528

Design and Process Research of Composite Material Square Rod Winding Molding Mold

Huang Wenyu Yang Hao Zhou Dong Zhang Juanjuan Chen Wanxin

(Shanghai Composite Material Technology Co., Ltd., Shanghai 201112)

Aiming at the composite square bar forming die, a new type of eight valve mold structure with limit system was designed. The change of molding pressure was controlled by limiting cam and end gear. T700-12k-50c carbon fiber was selected as material system. And oven curing method was selected as molding process. Through this molding process, we successfully fabricated a composite square rod.Its appearance and internal quality meet the requirements of use.It provides a reference for the production of the same type of products.

composite material rod；forming die；octapetal mold；mechanical pressurization；limit cam

V261

A

黄文煜（1995），助理工程师，复合材料科学与工程专业；研究方向：复合材料航天方向。

2020-12-16