复合材料热压罐成型模具设计研究

通过对复合材料热压罐成型模具的设计、制造、转运及使用验证等工程研究及分析，结合复材模具设计的经验方法，归纳出以下几点模具设计原则。

      满足制件结构及工艺要求

      在设计复合材料成型模具前，要对制件的设计输入进行充分分析，以产生模具结构的初步概念。

    （1）分析制件的工程结构。通常有壁板、梁、肋、长桁、接头、以及整体盒段等结构形式。根据制件结构形式，可对模具有个大致概念，壁板常为大型框架结构；梁一般较长，常有阴模、阳模形式（图1、图2）；长桁一般为细长结构；整体盒段一般需上下合模。

（2）分析制件的工程界面。是否有气动面、装配面、胶接面等，一般情况下可确定这些面为贴膜面；但如果这些面结构较复杂时，设计可考虑在工程界面侧添加补偿层，此时贴膜面可设计在工程界面的背面。

     （3）分析制件的质量要求。制件的外形轮廓尺寸精度直接影响到模具的质量要求及成本，可通过设计合理的模具结构、定位方法及加工方法来达到精度要求。

     （4）分析制件的成型工艺方法，是共固化、共胶接还是二次交接（图3）。共固化中，所有层为湿铺层一次进罐，需要较多模具组合到一起同时使用，通常整套模 具较复杂；共胶接为干湿件进罐固化，需要一部分零件的成型模具，及已固化零件与湿铺层二次进罐固化的模具；二次胶接时所有零件已固化，通过胶膜把他们固化 到一起，需要所有零件的成型模以及二次胶接的定位模具。

  模具材料的选择

         用作复合材料成型模具的材料主要有普通钢、INVAR钢、复合材料（双马和环氧树脂）、铝等。通常根据材料的性能（主要是高温下的热膨胀系数）、成本、周期及使用次数来选择，见表1。

 对于机身、翼面、舵面等大尺寸、大曲率的模具，通常选择INVAR钢，对于一些配合要求高的梁、肋、长桁等也常选择INVAR钢；对于铺丝需要回转的工 装，考虑到重量因素，复合材料模具是一个不错的选择；对于形状不是太复杂、曲率很小或是等截面的制件结构，通常选择普通钢或铝以降低成本，但膨胀和变形因 素需要在设计时得到补偿。不同模具材料的性能特点及使用范围如表1所示。

       模具热膨胀的补偿

       当模具与预浸料进热压罐固化时，随着温度的升高，模具会膨胀而使尺寸增大，达到保温状态时最大，此时预浸料反应固化，与模具尺寸一致。在固化完成后降温的 过程中，模具和固化好的制件都会收缩，但如果模具材料与复合材料制件的热膨胀系数不一致，收缩量也就不一致，从而导致制件尺寸和模具尺寸有偏差。根据表1 中材料的热膨胀系数，INVAR钢和复合材料模具受热膨胀对制件的影响很小，可忽略不计；但普通钢和铝则有影响，特别是当尺寸大时，必须要考虑膨胀量，否 则产品尺寸会随模具的膨胀而偏大。

       模具热膨胀可采取一定的补偿方法，按经验公式及试验验证，以制件质心为中心，把整个制件按如下纠正系数缩小，在模具设计时按照缩小后的制件作为工程输入。

       F=1/[(T-P)×△T+1]，式中，F为热膨胀纠正系数；T为模具的热膨胀系数；P为复合材料制件的热膨胀系数；△T为固化温度和室温的差值。

       另一方面，模具热膨胀还将影响到制件的变形及脱模等问题。在设计模具时要把这些因素考虑进去。如收缩变形是否能通过模具结构的对称性来抵消，或后处理来消 除；凸模的收缩可能会有助于脱模，特别是对于有微小闭角的零件，凹模的收缩将增加脱模的难度。通过考虑这些因素，结合复材制件的产品要求，来选择合适的模 具材料及模具的结构形式。同时，也可以通过数字模拟，结合试验件的验证来优化模具设计。