碳纤维复合材料主传力典型结构试验件模压模具设计

严岳胜，尹红灵，危干军

(1. 中国航发湖南动力机械研究所，湖南 株洲 412002；2. 上海交通大学材料科学与工程学院，上海 200030)

0 引言

作为先进复合材料之一的碳纤维复合材料，在承力结构件上的应用广泛[1]。减速器机匣作为直升机传动系统的关键零部件，在实际工作中承受了复杂多样的载荷[2-3]，以前是采用高强度金属材料，但这些金属材料易被腐蚀，需要停机维修更换，消耗大量人力、时间成本[4]。现在采用碳纤维复合材料来制造直升机减速器机匣，以提高其性能，降低制造、运行成本。而主传力典型结构试验件的研制是碳纤维复合材料的机匣的轻量化设计制造研究的重要基础[5]。

由于复合材料结构目前还缺乏成熟的分析方法和足够的设计与使用经验，为保证其结构完整性，开发先进复合材料结构零件比金属结构更依赖于试样、元件、细节件、结构件、全尺寸部件等多个层次的积木式验证试验。积木式验证也有助于使复杂的环境效应在较低层次上得到验证，避免增加全尺寸部件试验的复杂性。特别是对于广泛采用的复合材料/金属混合结构的主承力部件，有时必须在结构件及元件等低层次试验中完成对复合材料结构的耐久性和损伤容限验证。全尺寸试验验证内容可能并不完整，但积木式验证试验的总体内容必须是完整的。

先进复合材料的成型方式多种多样[6]，包括手糊工艺、层压工艺、模压工艺及缠绕工艺等。工业生产上多是利用模压模具[7-8]，采用SMC模压工艺进行纤维增强复合材料制件的生产。由于主传力典型结构试验件具有形状复杂、有加强筋等特征，且制品要求尺寸精确、表面光洁，采用层压模压法比较合适。层压模压是介于层压与模压之间的一种工艺[6]，就是将预浸渍的纤维布或其他织物裁剪成所需形状，在金属对模中层叠铺设压制成异形制品。这种工艺的主要不足是模压模具的设计与制造比较复杂，但是为了保证典型结构试验件对全尺寸制件的可靠性，采用模压工艺是必须的，因此模压模具的设计就非常关键。

1 零件特征分析及成型工艺分析

图1为碳纤维复合材料主传力典型结构试验件的几何模型，该试验件由两种材料制作： 碳纤维复合材料和金属衬套嵌件。零件属回转体，含有多个加强筋结构特征，该结构承受较大的轴向载荷和径向轴承载荷。试验件将来要为全尺寸机匣作参考，这种结构的零件适合选用层压模压工艺制作。

图1 碳纤维复合材料主传力试验件三维结构

2 模压模具设计

2.1 模具材料的选择

模具材料的选择需要根据工艺要求、使用要求以及成本费用多角度综合考虑，由于模具与复合材料构件热膨胀系数差异较大，复合材料构件在冷却时存在收缩，因此在进行复合材料模具设计时，模具型腔的尺寸要根据材料的收缩率进行放大。常用的模具钢有碳钢、铬钢、铸铁、超殷钢等，这些材料的线膨胀系数如表1所示。不同材料热膨胀系数差别比较大，为了减少模具的补偿量，尽可能选用和零件材料之间热膨胀系数相差较小的模具材料。综合考虑原材料及成本，针对机匣主承力典型结构试验件的制造目的，选用碳钢作为模具材料。

表1 不同材料的线膨胀系数[7]

2.2 模具分型面的确定

根据零件结构的复杂程度，考虑保证制品的尺寸、制品顺利出模、有效压力传递以及便于碳纤维预浸布的铺设等因素，主传力典型结构试验件用一个分型面无法顺利实现零件出模，因此选用图2所示的Z方向作为主出模方向，也是施加压力的方向，分型面1作为主分型面，负X方向为侧抽芯方向，分型面2为侧向抽芯的分型面。

图2 主传力典型结构件模具分型面

2.3 模具关键结构

模具的设计在NX软件[9]里实现，模具关键结构如图3所示，其中左侧为模具的装配图，右侧为模具的爆炸图，整个模具关键部件由五大部分组成，分别是上模、下模镶块、下模、侧抽芯镶块和侧抽芯模。镶块与上下模之间是通过螺钉连接的。下模设计成镶块是便于模具加工和碳纤维复合材料铺层以及方便放置金属嵌件，侧抽芯模设计成镶块的形式也是基于上述考虑。模具上还设计了一圈溢料槽，便于加压过程中排气和容纳多余的树脂材料。根据设计的结构进行加工，主传力典型结构试验件模具如图4所示。

由于模具存在侧抽芯，为了保证成型过程中侧面的压力施加，设计了如图3左侧图中黑色圈内所示的L形锁扣结构。

1—上模；2—侧抽芯模；3—下模；4—下模镶块；5—侧抽芯镶块图3 主传力典型结构试验件模具三维模型

(a) 模具部件

(b) 模具工作状态图4 主传力典型结构试验件模具实物

3 主传力典型结构试验件制作

在进行主传力典型结构试验件制作时，先将主传力典型结构试验件模具预热至设定温度，根据铺层设计在模具上将裁切好的碳纤维复合材料预浸布铺贴好合模，保证预浸布与模具紧密贴合，然后再升温加压，成型过程中通过模具结构上的排气孔排出纤维缝隙内的气泡和多余的树脂，工艺曲线如图5所示。冷却后开模就得到图6所示的主传力典型结构试验件，该零件为首件试验件，实物质量为12 kg，满足设计要求。

图5 主传力典型结构试验件成型温度曲线

图6 主传力典型结构试验件实物

4 结论

根据直升机主传力典型结构试验件的特征，选用层压模压的方法试制，采用镶块加侧抽芯的模具结构，成功实现了试验件的层压模具的分型与分块设计。采用L形锁扣结构实现了压力传递，试验件在制作过程中顺利出模，证明模具结构设计的合理性，为后续的全尺寸机匣层压模压模具的设计打下了基础。