轻质复合材料模具在复杂曲率整流罩零件成型中的应用

成艳娜 张梦雨 庞新强 党晓丽

摘要：本文针对复杂曲率整流罩零件的专用成型模具，从模具选材、模具结构设计及制造、模具使用验证等方面展开研究。结果表明，采用轻质碳纤维复合材料框架式模具，可满足复杂曲率整流罩零件的成型质量要求。本文工装方案可为整流罩类复杂曲率结构的工装方案设计提供借鉴。

关键词：复杂曲率;整流罩;复合材料;模具选材

先进复合材料具有轻质、高强、良好的抗疲劳性、耐腐蚀、可设计性强、可整体化制造等优点，在航空产品上得到广泛应用。随着国内复合材料制造技術的不断发展和提高，飞机上出现越来越多的复杂异形复合材料构件，应用部位主要包括：翼身整流罩、滑轨整流罩、进风管道、翼梢小翼等。

复合材料构件的成型是材料与结构同时成型的过程，必须用专门设计和制造的模具同时实现材料的复合过程和构件的成型过程。因此成型模具是构件质量的重要保证，对构件的表面质量、外形尺寸及内部质量起着决定性作用[1]。对复合材料构件成型工装的通用要求一般包括耐高温、气密性好、热分布优良、高温不变形、可重复使用，易铺放、启模、清理等。随着复合材料零件结构复杂程度增大，对模具的型面精度、热分布均匀性、热膨胀系数匹配度等方面的要求更加严格，相应的成型模具设计及制造技术难度大福提升。

翼身整流罩为次承力构件，位于机身与机翼过渡部位，是保证飞机气动外形的重要零件。某型机翼身整流罩结构，外形尺寸大，曲率复杂，采用碳纤维预浸料手工铺贴，热压罐工艺固化成型。本文针对该类复杂曲率整流罩零件的专用成型模具，从模具选材、模具结构设计及制造、模具使用验证等方面开展研究，为整流罩类复杂曲率结构的工装方案设计提供借鉴。

一、模具选材

理想的复合材料成型模具应具备高精度、高刚度、抗高压、无渗漏、便于使用等特点。模具材料尽可能与构件的热膨胀系数相匹配，以保证生产出的产品变形小，尺寸稳定性好。对具有较大曲度的复杂构件，当模具与复合材料自身的热膨胀系数差异较大时，会导致固化后的复合材料制件的强度和外形精度严重降低。

常见的工装材料主要有铝、钢、殷钢、玻璃纤维或碳纤维复合材料。其中殷钢和碳纤维复合材料本身的热膨胀系数差异较小，非常适合航空结构件制造，但其制造成本和热压罐固化能耗较高。

复合材料工装热膨胀系数与所成型的复合材料制件基本一致，可有效降低制件因模具材质导致的变形问题，所制造的构件尺寸精确度高[2-3]。且碳纤维环氧树脂基复合材料模具质量轻，搬运周转都比较方便。因此，复杂异形整流罩零件模具材料选择碳纤维环氧树脂基工装预浸料。

二、模具结构设计及制造

制造复合材料模具需配套相应型面的过渡模，也称母模。过渡模材质与复合材料模具材质一致或膨胀系数接近。目前市面上常见的过渡模材质高密度代木、聚氨酯/环氧泡沫、石膏等。近年来为了实现高精度型面指标要求，过渡模也有殷钢材质的。过渡模表面带有复合材料工装所需要的基准线、轴线、边缘线、孔位等，并打标记。根据整流罩零件复合材料工装要求，过渡模选用凸模结构。

轻质复合材料模具主体包括型板和框架两部分。在过渡模表面铺贴复合材料工装预浸料，按照相应的材料规范固化，脱模切割后形成复合材料模具型板。型板多为等厚度铺层，在翻边或需要连接的部位增加铺层厚度进行加强。型面上带有激光投影靶标孔，孔位处配有衬套。铺贴时需在预浸料铺层中预埋金属件，固化后数控精制孔并埋衬套。框架为等厚度板材，一般采用复合材料板材数控铣切外形，采用角片形式机械连接组合而成。框板与型面之间一般采用角片机械连接。模具尺寸较大时，需对型面和框架的连接面进行数控铣切，以实现二者的高精度匹配，避免后续使用过程中的变形问题。

三、模具使用验证

采用复合材料模具制造整流罩零件，固化后的零件表面树脂分布均匀，无损合格，型面与复合材料模具贴合间隙小于0.8mm，满足制件制造技术指标要求。且由于复合材料模具加热快，模具和制件在热压罐中的固化周期比传统金属工装缩短约1小时，节约了生产资源。

铺贴时，操作工人习惯性会在模具余量区进行铺层余量裁剪，造成模具表面划痕，破坏表面密封性，影响复合材料模具寿命。为解决该问题，可在模具表面喷涂金属涂层，提高模具表面硬度，提升复合材料模具表面质量及使用寿命。

四、结论

本文针对复杂曲率整流罩零件的专用成型模具，从模具选材、模具结构设计及制造、模具使用验证等方面展开研究。结果表明：

1）采用轻质碳纤维复合材料框架式模具，可满足复杂曲率整流罩零件的型面精度要求，且可降低生产能耗。

2）为进一步延长复合材料模具寿命，可在模具表面喷涂金属涂层，提升模具表面质量，提高表面硬度。

参考文献

[1]何颖，蔡闻峰，赵鹏飞.热压罐成型中温固化复合材料模具[J].纤维复合材料，2006（1）：58-59.

[2]匡载平，梁宪珠，张西伟，李春林.复合材料模具技术[J].航空制造技术，2016（17）：86-89.

[3]柏洪武.复合材料模具设计制造工艺的探讨[J].河北农机，2014（12）：32-34.