袋压工艺复材压辊的模具研究

王玉凯 郭红军 尚安阳 侯伟 张佳卫 张达

（常州启赋安泰复合材料科技有限公司，江苏常州 213000）

袋压成型[1]工艺是最早及最广泛用于预浸料成型[2]的工艺之一，该工艺是将纤维预制件铺放在模具中，盖上柔软的隔离膜，在热压下固化，经过所需的固化周期后，材料形成具有一定结构的构件。

压辊组成如图1 所示。压辊[3]是岩棉设备中的关键零件，其重量是制约设备产能的因素之一，重量增加后，压辊的摆动产生的转动惯量对设备整体的刚强度造成额外负担，从而影响设备运行速度，故其需要通过结构优化的方式尽可能地减重，增加设备摆动的幅度，以达到提高设备生产效率的目的。采用碳纤维复合材料设计制造压辊，是解决客户问题的有效途径之一。

图1 压辊组成

压辊成型过程采用袋压成型工艺，其变形要求特别高，所以说对于压辊成型模具的刚度要求也特别高，模具的刚度直接影响复合材料产品的变形[4]，因此对于影响压辊刚度因素的研究至关重要。

1 压辊模具刚度分析

为了保证模具刚度，通常采取的方式有加大模具的厚度、模具上添加纵横筋、增加锁模螺栓等措施，但各种方式对刚度影响不一，所设计压辊模具如图2 所示。

图2 压辊模具结构图

1.1 筒体厚度

筒体厚度t，模具内径a，模具外径b，内压P，泊松比μ，应变ε，最大拉应力σ1，最小拉应力σ3，杨氏模量E。

根据广义胡克定律：

可见，筒体厚度越大，变形越小，刚度越大。

1.2 螺栓数量

螺栓数量n，模具长度L,单个螺栓受力F1。

可见在螺栓型号及大小一定的情况下，螺栓数量越多，单个螺栓受力越小，模具刚度越大。

1.3 筋条数量、厚度和侧板厚度

筋条数量、厚度和侧板厚度等均对模具刚度有不同程度的影响，但目前尚无具体理论计算公式。

以上各种方式均可用于设计控制模具刚度，本文将通过有限元软件，采用控制变量的方法，对压辊的成型模具刚度进行分析，得出保证模具刚度的最佳方式，有助于同类模具的结构优化，对于后续采取相应措施来防止模具变形产生积极的作用[5]。

2 压辊模具计算

2.1 模型建立关键点

2.1.1 材料特征参数

45 号钢：弹性模量E=2.1×105MPa，密度ρ=7800 kg/m3，泊松比μ=0.31，屈服强度[σs]=215 MPa。

螺栓：上下模连接采用M16的六角头螺栓，等级为12.9级。

2.1.2 单元类型的选择

根据结构的受力特征和分析目标选择合适的单元类型，本压辊模具宽厚比较大，采用二维壳单元来模拟，连接上下模的紧固螺栓采用PBUSH 单元模拟[6]。

2.1.3 载荷处理

压辊主要承受的是内部气体膨胀压力，将其单元受有均布载荷向节点移置，即非节点的载荷换算成作用在节点上的效果相当的集中载荷，这样的做法称为等效节点载荷。

2.1.4 约束条件的处理

约束条件是建立模型的重点，运用不恰当的约束将会导致计算结果与真实的结果出现较大的出入，甚至导致计算失败。

2.2 载荷及边界条件

2.2.1 载荷的取值

压辊采用袋压成型，内部充气，充压压力为5 个大气压，固化温度为150℃，根据理想气体状态方程，pV=nRT，T 为热力学温度，T（K）=273.15+t(℃)，推算出其固化压力约为7 个大气压，再添加一定的安全系数，取计算压力为0.8 MPa，即在压辊模具内表面施加0.8 MPa 的均布载荷，垂直于压辊模具筒体内表面。

2.2.2 边界约束条件

所有节点采用固支，即约束相应节点的6 个自由度，最终建立有限元模型。

2.3 模拟结果

根据压辊成型模具的主要受力特点及刚度保证的要求，设置了筋条厚度、筋条数量、侧板厚度、筒体厚度、螺栓数量等一系列变量，其余以筋条厚度10 mm、筋条数量9 个、侧板厚度15 mm、筒体厚度8 mm、螺栓数量32 个为定量，得出螺栓载荷、模具强度、刚度均满足要求，具体如下。令外改变其余量来计算模具刚度，其最终的压辊模具变形结果如表1 所示。

2.3.1 螺栓载荷

通过仿真模拟，螺栓受到的最大拉伸力为F1=15200 N，最大剪力为2727 N，螺栓主要受拉伸载荷，剪切载荷可忽略不计。上下模连接采用M16 的六角头螺栓，等级为12.9 级，即σ=1080 MPa，最大承载为F=ΠR2×σ=217146 N ＞15200 N=F1，满足工况要求。

2.3.2 压辊模具强度

通过仿真模拟，压辊模具的最大应力为187 MPa，满足强度要求。

2.3.3 压辊模具刚度

通过仿真模拟，压辊模具的最大变形为0.3 mm，满足刚度要求。

3 结论

本文以材料力学、理论力学为基础，结合实际生产和有限元计算，采用控制变量的方法，对压辊的成型模具刚度进行了分析。通过分析结果，得出以下结论：

表1 压辊模具变形结果

（1）对于袋压工艺压辊模具来说，筋条厚度、筋条数量、侧板厚度、筒体厚度、螺栓数量均不同程度影响模具刚度，筋条厚度越厚、筋条数量越多、侧板厚度越厚、筒体厚度越厚、螺栓数量越多，模具刚度越大；反之，模具刚度越小。

（2）相比较来说，筋条数量和厚度、筒体厚度对于模具的整体刚度影响较小，而侧板厚度和螺栓数量对于模具的整体刚度影响较大，所以对于类似工艺的模具，可优先考虑增加侧板厚度和螺栓数量来保证模具的刚度要求。

通过上述研究，合理选择模具刚度加强方式，不仅可以满足实际生产需求，而且可以降低模具的设计制造成本，为合理设计模具提供了理论依据。