复合材料零件固化成型框架式模具制造技术

摘 "要：复合材料热压罐成型框架式模具在航空、航天等领域得到大量应用，其制造方法和成本成为研究的热点。本文根据框架式模具的特点，利用多点成型技术，分析框架式模具典型结构和制造难点，提出了多点成型制造方法，给出了制造流程。该方法不仅提高了模具制造精度，缩短了制造周期，而且降低了制造成本，是一种值得推广的方法。

关键词：多点成型；复合材料；固化成型；框架式模具；制造技术

中图分类号：V262.3+5 """""""文献标志码：A

Composite parts curing forming frame module manufacturing technology

YUE Ming， "WANG Xiaokai， LIU min， LIU Bingxin

（AVIC Xian Aircraft Industry （Group） Co. Ltd.， Xian， 710089， Shaanxi China）

Abstract： Composite autoclave molding frame die has been widely used in aviation， aerospace and other fields， and its manufacturing method and cost have become the focus of research. According to the characteristics of frame mold and multipoint forming technology， the typical structure and manufacturing difficulties of frame mold are analyzed， and the manufacturing method with multipoint forming is put forward. This method not only improves the mold manufacturing precision， shortens the manufacturing cycle， but also reduces the manufacturing cost， which has significant application value.

Key words： multipoint forming; composite parts; curing forming; frame module; manufacturing technology

0 "引 "言

复合材料在航空航天飞行器上大量应用，应用比例逐年提高，如在波音787中，复合材料的用量达50%［1-2］。近年来，热压罐成型技术是飞机复合材料的主要制造方法［3-5］，其中，影响复合材料件固化变形的因素很多，包括复合材料固化制度、铺层结构、结构和形状、工装材料和工装结构、固化环境温度分布，以及固化过程中复合材料压力分布等等。各种因素影响机理复杂，相互交叉，因此复合材料零件在固化过程中产生变形不可避免。为了实现复合材料零件的精准制造，减小装配应力，主要从三个方面进行控制：一是通过优化模具结构实现模具型面温差最小的目标，从而减小复合材料零件变形；二是对于曲度大且尺寸大的复合材料件尝试采用缩比件试验获取数据，再修正零件数模，或直接根据经验修正数模，再将修正的数模作为工装设计依据；三是减小复合材料零件固化成型模具本身的变形。前两个方面主要从模具设计依据和模具结构方面考虑，而第三种情况则是从模具材料和制造方面考虑。模具材料时优先使用热膨胀系数小且与复合材料接近的材料，例如碳纤维复合材料或殷钢。模具制造主要考虑制造过程中模具内部的应力和制造精度。

1 "复合材料零件固化成型模具制造中的难点

1.1 "复合材料零件固化成型模具典型结构

复合材料零件固化成型模具一般是框架式薄壳工装，具体结构形式如图1所示。薄壳型板是模具最关键的部分，它的变形直接影响复合材料零件的形状精度，同时薄壳型板上型面的温度均匀性也影响复合材料零件的变形。薄壳型板上型面分为两个区域，一个是工作区，也就是成型复合材料零件的部分，另一部分是非工作区，起到模具的辅助作用或用于成型试片。薄壳型板上型面上有三个数控加工基准孔和若干个靶标孔和靶标孔衬套，薄壳型板下型面与隔板通过焊接进行连接。横向隔板和纵向隔板与底板焊接在一起，隔板上有通风口和均风孔，通风口有四边形、对三角形、4个三角形等类型，垫板焊接在地板上、地脚轮和地脚轮支架一起用于支撑整个模具。

1.2 "复合材料零件固化成型模具制造中的难点

模具中的隔板、底板、垫板等均采用等厚的钢板，通过数控加工的方式完成制造，与型板接触的面具有足够的精度。薄壳型板的型面应符合设计依据，而设计依据是经过修形的工艺数模，也就是修形后的双曲面，因此薄壳型板的上型面需要足够的精度，且型板厚度的均匀性也很重要。传统制造方法是通过压力机或手工方法进行预成型，成型精度低，型板在压力作用下贴近隔框并进行焊接，然后采用数控加工的方法对型板上型面进行加工。该工艺造成很大的内应力，在模具的使用过程中，温度变化会带来较大的变形，同时预成型精度低也造成型板厚度不均匀，进而影响薄壳型板上型面温度的均匀性。因此，薄壳型板预成型精度的提高是复合材料成型模具制造的难点。

2 "复合材料零件固化成型模具薄壳型板制造

2.1 "复合材料零件固化成型模具薄壳型板毛坯确定

复合材料零件固化成型模具薄壳型板厚度的确定需要考虑模具的刚度和温升速率等因素，厚度一般取12mm。为了保证薄壳型板与隔板零应力装配，薄壳型板的下型面与隔板保持一致，需要将预成型的薄壳型板的下型面进行数控加工，选取厚度16mm的板作为毛坯，为上下型面各留2mm的加工余量，保证薄壳型板最终厚度为12mm，上下型面通过数控加工保证曲面的精度。

当零件较大时，展开的毛坯大于多点成型台面，需要将零件进行分块、展开，并在每个展开的部分添加余量，根据零件的曲度等实际情况将余量选择在100～200mm之间。如图2所示，零件被分成9块，图中黑线为一个部分展开的边界线，其外侧的等距边界线为余量线。按照添加余量的毛坯进行下料，分别成型9个件，在成型后按每块的实际边界进行切割，焊接成一个整体，进行整体型面的加工。

2.2 "基于多点成型的薄壳型板制造

模具薄壳型板属于厚板钣金成型，用常规的模具成型方法，成型模具的成本高、周期长。采用简易成型工装，虽然工装的成本有所降低，而且制造周期有所下降，但成型精度低。采用水火成型方法成本低，但精度难以控制。而多点成型方法是一种行之有效的方法［5-10］，如图3所示。

模具薄壳型板制造包括多点成型、在线测量、下型面数控加工、与隔框焊接，上型面数控加工，具体流程如图4所示。

3 "结 "论

本文提出并阐述总结了基于多点成型技术的模具制造方法，从根本上改变了传统的制造模式，获得如下结论：

（1） 多点成型技术避免了一个零件一套模具的情况，不仅降低了制造成本，而且缩短了制造周期；

（2） 成型后的厚板经过数控加工得到成型薄壳，不经保证了型面的精度，而且保证了薄壳厚度的均匀性；

（3） 结合激光切割技术，该制造方法充分利用了数字化制造的优势。

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作者简介：岳明，男，职高级工程师，主要从事模具制造方面的研究。

（中航工业西安飞机工业（集团）有限责任公司，陕西 "西安 "710089）