先进复合材料构件成型模具和工装技术分析

先进复合材料构件成型模具和工装技术分析

郑德裕、施希曼、彭祖兵、李小鹏

建达电气有限公司 浙江温州 325000

摘要：科技的进步，给复合材料的应用提供了更加广阔的空间，当今社会对复合材料的市场需求量逐年增加。在这样的背景下，需要以复合材料的构成机理作为研究对象，并在此基础上，对构件成型模具开展深入分析，掌握相关的工装技术，从而推动复合材料的发展。

关键词：复合材料；工装技术；构件成型模具

引言：在经济发展和科技进步的背景下，先进复合材料得到了广泛的应用，在多个领域都可以看到复合材料的身影，相关研究工作也取得了实质性的进展。就目前的研究成果来看，先进复合材料凭借其优越的性能在飞机制造领域中占有一席之地，获得了业界的一致好评，逐渐发展成为第四大航空材料，其发展潜力巨大。

一、构件成型模具的结构形式

（一）组合模具

金属作为组合模具的主要材料，其性能较为稳定，组合模具主要是由两部分构成，分别是上下两个半模，一般情况下，组合模具在模压成型方面应用较多，除此之外，组合模具在注射模成型中优势也较为突出，并且还有利于压机成型等，在上述成型方式中组合模具应用较多。从目前的应用情况来看，按照模具的加热方式进行划分，组合模具可以划分成三种：第一种是比较常见的压盘传导加热；第二种热源加热；第三种内置模具加热。在实际的应用中，需要相关技术人员结合实际的复合材料性能灵活选择最为合理的加热方式^[1]。

（二）框架性模具

除了组合模具外，框架性模具也应用较多，在制造构件成型模具阶段，需要掌握每一种模具的应用范围，采用框架性模具形式可以从根本上提升构件整体或者是局部结构刚度，确保其满足实际应用需求，达到避免模具变形的最终目的。与此同时，采用框架性模具可以极大限度提升模具的加热效率，起到保障材料质量的作用。

（三）其他模具

除了上述两种模具外（框架性模具以及组合模具），还存在其他模具，例如：连续成型模具、易变形模具以及整体式模具等。在这些类型的模具中，连续成型模具的应用范围最广，其加工方式较为便捷，主要借助拉挤的方式或者是挤压手段实现，从而完成材料加工。而相比于连续成型模具，整体式模具是制造尺寸较小的先进复合材料的最佳模具选择^[2]。易变形模具的适用范围也比较广泛，主要是指当处于不同物理状态时，该模具可以变换出不同类型的模具，其形态的多变性是易变形模具的最大优势。

二、先进复合材料的工装设计分析

站在设计的角度，先进复合材料的工装设计不同于以往，和传统用具相比存在较大的差别，在设计阶段，必须要考虑热匹配问题，只有将热匹配问题考虑充分，才可以在此基础上进行精准的设计，提高设计的科学性以及精确度。例如：在一些常规金属材料中，该材料的热膨胀系数要比碳石墨类材料的热膨胀系数更高些，因此在设计阶段，需要时刻关注温度变化，并采取应对措施，避免不可控的情况出现，最终损坏模具。在应用复合材料前，首先需要了解复合材料的使用性能以及安全系数，具体可以通过模拟实验来实现，通过实验所得数据对热膨胀系数进行科学有效的评估，并在此基础上，正确选取合适材料完成模具设计的相关工作。在材料选择中，应该选择系数较低的环保材料。其中较为典型也最为有效的方法就是比例实验法。比例实验就是按照一定比例对模具进行缩小操作，这样做的目的是为了方便实验，在收获了一系列参数后完成模拟扩大。通过这种方法，可以得到纠正模具膨胀变化系数的公式，公式如下：

在上述公式中，字母 X指代的是纠正系数；字母A表示热膨胀系数（模具成型后的）；字母B同样表示的也是热膨胀系数，但却是指的材料。 是指温度差异（特指模具制成时的温差以及常规态势下的温差）。计算结果X，就是我们要求证的纠正系数，在实际设计环节，需要计算出准确的纠正系数，并将纠正系数作为具体参照，对模具比例进行适当调整，确保模具可以满足实际应用需要。除此之外，在进行复合材料的工装设计时，还需要将角度回弹问题考虑进去，在现阶段应用的复合材料中，通过有效的措施可以将物理性能合理控制，并且将热膨胀系数优化，在较小范围内进行控制，如果弹回角较小，在设计过程中，可以采用小幅修正的方法进行调整。倘若需要制备相对复杂的工件，传统的技术无法保证其精确度，此时需要借助数字模拟技术，提高设计的精准性以及科学性，对回弹角的实际大小进行科学计算，确保其满足制作的具体要求。通常情况下，可以通过CAE技术完成模拟实验，参照一定的刚度以及温度要求，将其作为主要限制条件，站在不同维度完成多次模拟，将模拟数据作为设计基础，完成工件的制备。另外，实际测试也是必不可少的，通过测试可以全方面了解补充需要，获得修正设计的准确数据，在此基础上完善设计工作。

三、新型工装材料

（一）殷钢

殷钢作为一种新型工装材料，其成分中铁和镍占据重要比例，除此之外，还包含多种稀有金属物质，将这些物质进行混合制造，从而形成一种合金，这就是殷钢，其中镍金属含量大约在33%左右。这种新型工装材料的使用性能十分优越，在加热过程中，膨胀系数较低。从现阶段已知的金属中，殷钢膨胀系数是最低的。与此同时，利用回火技术以及延展处理后，膨胀系数可以长期保持降低的状态，膨胀系数可以始终接近于0的数值。殷钢的应用以及推广，可以有效改善碳钢在受热状态下易变形的问题，提高先进复合材料的应用契合度。

（二）泡沫碳

泡沫碳本身属性和碳纤维材料大体相同，也可以将其看作是碳材料的一种。泡沫碳和其他工装材料相比优势比较明显，主要体现在以下几个层面。首先，该材料具有超强的热膨胀匹配度，并且具有相对较高的尺寸稳定性。其次，成型度很高，具有快速成型的优势，比较适用于胶接成型中。最后，重量相对较轻，可以用于大尺寸复合材料构件的生产中。

结论：综上所述，针对先进复合材料的应用来说，其构件成型模具的研究以及掌握相关的工装技术是十分重要的，从目前的应用程度来看，先进复合材料的应用前景广阔。通过上述的分析可以得出，先进复合材料的工装技术已经趋于成熟，但是依然存在较大的进步空间，需要进一步加强和完善，相关技术人员应该继续加强这方面的研发力度，满足相关行业的生产需求。

参考文献：

[1]彭继康.先进复合材料构件成型模具和工装技术的研究[J].山东工业技术,2019(03):49.

[2]唐久昌.基于先进技术的复合材料构件成型模具及其工装技术研究[J].中国新技术新产品,2016(14):62-63.