黃鳳軍 李秀文 閆云飛 張雅靜

（1.山西平陽機(jī)械廠代表室，侯馬 043000；2.山西平陽機(jī)械廠，侯馬 043000）

以高性能碳纖維復(fù)合材料為典型代表的先進(jìn)復(fù)合材料，相對(duì)于傳統(tǒng)金屬來說比強(qiáng)度比模量較高，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、優(yōu)良的減振性、耐腐蝕性強(qiáng)、抗疲勞特性好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，但由于成本、設(shè)備、技術(shù)方面的限制，前期其應(yīng)用主要在航空航天方面，其制件一般有外形跨度大、曲面過度平緩的特性，復(fù)合材料層厚度一般為3～5mm，表面受力小且分布均勻，雖然結(jié)構(gòu)尺寸大但型式相對(duì)簡單。本文研究的某舵類零件原為鋁合金材質(zhì)，由于減重、耐腐蝕等要求需用復(fù)合材料進(jìn)行優(yōu)化。相比之下，本制件具有截面面積小且為變截面、厚度變化大（3～20mm）、受力大、形位精度要求高等特點(diǎn)，給制作工藝設(shè)計(jì)、過程控制及模具設(shè)計(jì)提出了較高要求。

1 研制工作情況

1.1 產(chǎn)品情況簡介

某產(chǎn)品舵為操縱和控制航向的重要零件，由舵板和舵桿組成，如圖1所示。為了減輕該產(chǎn)品重量，減少能耗，從而提高產(chǎn)品性能，新型舵采用碳纖維復(fù)合材料，舵桿仍選用馬氏體時(shí)效鋼材料，舵桿部分鑲嵌在復(fù)合材料舵板中。舵板縱向截面為上下對(duì)稱結(jié)構(gòu)、由于舵的加工、安裝精度直接影響到產(chǎn)品航向精確度。因此舵板的型值面與舵桿的相對(duì)位置等精度要求高，成形難度大，同時(shí)與目前其它行業(yè)已應(yīng)用的成熟零件相比，該舵厚度及厚度變化大，最大厚度超過20mm，最小厚度不足3mm，受力要求高，內(nèi)部質(zhì)量不易控制，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）舵桿與舵板裝配時(shí)，舵桿方頭與舵板兩者中心面對(duì)稱度為0.24mm。

（2）方頭中軸線和舵板中軸線夾角不大于±0.6°。

（3）舵面型值成型要求不低于90%，測量點(diǎn)統(tǒng)計(jì)偏差為±0.25mm。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

1.2 工藝方案

本文所研究的舵結(jié)構(gòu)，成型工藝采用上下對(duì)模、碳纖維預(yù)浸料鋪層工藝，舵的尺寸、形位精度主要靠模具進(jìn)行保證。

1.3 模具方案

模具結(jié)構(gòu)采用閉合式結(jié)構(gòu)，分型面位置在舵板中線。為保證模具加工精度且易損件便于更換，舵整體采用了上下框架式、上下舵面板成型的結(jié)構(gòu)，同時(shí)上下舵面板與四周框架間隙留有溢膠槽，上下框、上框與上模板、下框與下模板之間采用兩銷定位結(jié)構(gòu)。

模具精度取產(chǎn)品精度的三分之一，上下舵面板型值面尺寸偏差為±0.08mm。為保證舵桿與舵板裝配精度，舵桿方頭與舵板兩者中心面的對(duì)稱度為0.24mm，上框與上模板、下框與下模板裝配和尺寸裝配的尺寸相差不超過0.06mm，模具裝配完成后上下面平行度不大于0.03mm。舵桿方頭中軸線和舵板中軸線夾角不大于±0.6°。

1.4 鋪層及工藝過程設(shè)計(jì)

為保證纖維力學(xué)性能傳遞良好，并提升曲面型值偏差精度，型面曲線纖維需整體連續(xù)搭接，開口處在舵板尾部，上下端面及尾部為加工面。通過在上下模板型腔內(nèi)采取鋪層遞減的方式進(jìn)行搭接。為防止鋪層剝離，采用兩步成型法，即先鋪制預(yù)成型體，然后進(jìn)行整布鋪層，保證外表面鋪層連續(xù)性。

舵板鋪層設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括舵板鋪層層數(shù)確定、每層預(yù)浸料形狀設(shè)計(jì)以及具體尺寸設(shè)計(jì)，借助設(shè)計(jì)軟件按碳纖維預(yù)浸料參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行鋪層特性參數(shù)分析，得到舵板理論鋪層層數(shù)、每層預(yù)浸料形狀以及具體尺寸，舵板的鋪層根據(jù)其所受外載荷來確定，舵板在調(diào)整過程中主要受扭力的作用，橫向?yàn)橹魇芰Ψ较?，舵板結(jié)構(gòu)為中線對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故鋪層角度可設(shè)計(jì)為均衡對(duì)稱層壓。

舵板實(shí)際鋪層層數(shù)確定后，乘以經(jīng)驗(yàn)系數(shù)獲得初始實(shí)際鋪層層數(shù)，由于舵受力大，且內(nèi)部質(zhì)量要求高，后續(xù)要根據(jù)成形后內(nèi)部質(zhì)量檢測和扭矩試驗(yàn)情況進(jìn)行分析并調(diào)整，確定最終鋪層層數(shù)。

2 成型過程質(zhì)量控制措施

編制成型工藝操作過程中，要嚴(yán)格按工藝規(guī)定執(zhí)行。操作環(huán)境需要做到干凈無塵，從低溫箱中取出的預(yù)浸料，必須放在常溫下晾置6h以上，待晾置的預(yù)浸料密封袋外無冷凝水出現(xiàn)時(shí)，方可啟袋使用，這樣做是避免低溫回潮影響預(yù)浸料質(zhì)量。上述操作過程中，要通過控制卡片記錄產(chǎn)品圖號(hào)、過程控制參數(shù)以及操作者信息，以便進(jìn)行跟蹤。鋪層過程中，角度偏差≤±3%，層間要做到壓實(shí)、無氣泡、無皺褶，每鋪貼3層抽真空壓實(shí)一次，真空壓力控制在0.08MPa以上，時(shí)間持續(xù)至少15min。

3 尺寸檢測情況

成型完成的碳纖維復(fù)合材料舵零件需要進(jìn)行四個(gè)方面的檢測。

3.1 外觀

經(jīng)外觀檢查符合產(chǎn)品外觀要求，表面光順、連續(xù)，過度均勻，手觸摸沒有凸凹感，表面無裂紋、氣泡、氣孔、劃痕以及腐蝕斑點(diǎn)等，無卷邊、凹陷等缺陷。

3.2 型值

用Global9128高精度三坐標(biāo)測量儀進(jìn)行采點(diǎn)測量，采點(diǎn)數(shù)為252個(gè)，90%測量點(diǎn)數(shù)據(jù)偏差在±0.25mm內(nèi)，滿足圖紙要求。

3.3 對(duì)稱度、夾角

用Global9128高精度三坐標(biāo)測量儀檢測，舵桿方頭與舵板兩者中心面對(duì)稱度為0.08，不超過0.2；經(jīng)專用舵檢測規(guī)檢查，舵桿和舵板中軸線夾角符合圖紙要求。

3.4 力學(xué)性能試驗(yàn)

在垂直于整體面基準(zhǔn)的平面基準(zhǔn)點(diǎn)上加載靜載荷1kN，在該載荷作用下，舵板結(jié)構(gòu)件上方頭、翼角等各處檢測點(diǎn)變形量滿足力學(xué)性能要求。

4 結(jié)論

本文介紹的某產(chǎn)品舵復(fù)合材料成型工藝方案和模具方案，經(jīng)檢測和實(shí)際應(yīng)用后證明該模具結(jié)構(gòu)合理、操作方便，鋪層設(shè)計(jì)合理，成型加工零件滿足圖紙技術(shù)要求，可廣泛適用于樹脂基復(fù)合材料舵類零件的工藝設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)和加工中，為樹脂基復(fù)合材料舵類預(yù)浸料層壓零件鋪層工藝及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。