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復(fù)合材料方桿纏繞成型模具及設(shè)計(jì)及工藝研究

2020-09-28 08:55:09索秀江
裝備維修技術(shù) 2020年36期
關(guān)鍵詞:模具設(shè)計(jì)復(fù)合材料工藝

索秀江

摘 要:相較于普通的金屬材料而言,碳纖維復(fù)合材料的性能高,在諸多高端領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。在傳統(tǒng)的碳纖維復(fù)合材料加工成型中,一般采用的是預(yù)浸料鋪層與纏繞相結(jié)合的方式,這種纏繞方式所生產(chǎn)的復(fù)合材料方桿的性能有限。由此,本文通過(guò)相應(yīng)的實(shí)踐性研究,對(duì)傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合材料的方桿纏繞方法及生產(chǎn)工藝進(jìn)行了改進(jìn),具體以全纏繞的方式改良傳統(tǒng)小角度纏繞方法的不足,并且設(shè)計(jì)了新型的八瓣模具,由此生產(chǎn)出性能更好,質(zhì)量更優(yōu)的復(fù)合碳纖維材料方桿。

關(guān)鍵詞:復(fù)合材料;纏繞成型;模具設(shè)計(jì);工藝

引言:實(shí)踐研究證明,碳纖維度和材料的比強(qiáng)度、比模量等指標(biāo)在整體上比傳統(tǒng)的金屬材料更高。同時(shí),碳纖維復(fù)合材料還有較高的耐熱性、抗輻射性、抗腐蝕性等性能,由此被運(yùn)用于尖端領(lǐng)域之中,如飛行器的制造等。具體而言,纏繞成型是通過(guò)專(zhuān)門(mén)的設(shè)備,將浸過(guò)樹(shù)脂配方料的組織化纖維按照一定的規(guī)律將其纏繞于特定形狀的芯模之上,而后經(jīng)過(guò)加熱成型、脫除模具后形成碳纖維復(fù)合材料制品。在當(dāng)前碳纖維復(fù)合材料的制造中采用的主要是纏繞成型—合模制袋—熱壓抽空—打壓固化的流程,其中的模具設(shè)計(jì)與工藝方法仍具有一定的改進(jìn)空間,本文所提出的八瓣模具與小角度纏繞的方式能夠有效降低工藝成本,提升碳纖維復(fù)合材料方桿性能,具有一定的創(chuàng)新意義。

1復(fù)合材料方桿纏繞成型的模具設(shè)計(jì)

1.1模具的標(biāo)準(zhǔn)要求

模具與其所代表零件的形狀尺寸、外表形態(tài)、結(jié)構(gòu)性能等具有緊密聯(lián)系,在復(fù)合材料的模具成型生產(chǎn)過(guò)程中,要以零件的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)模具。具體來(lái)說(shuō),模具的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足以下標(biāo)準(zhǔn)及要求:一是模具材料要耐熱且不易變形,防止在熱加工時(shí)出現(xiàn)變形并影響零件的形狀及質(zhì)量;二是模具要合理地輕便、制作與使用簡(jiǎn)單,有效提升零件生產(chǎn)的效率;三是模具要具有極高的安全性能,為操作人員提供可靠的安全保障;四是模具的質(zhì)量穩(wěn)定且精度較高,保證所生產(chǎn)出的零件達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

1.2模具的材料要求

一般來(lái)說(shuō),復(fù)合材料的纏繞成型對(duì)于模具的材料也具有較高的要求,其模具的材料也主要以復(fù)合型材料為主,如碳鋼、45#鋼、INVAR鋼等,并且對(duì)這些材料具有特定的參數(shù)要求。其中,碳鋼材料的密度較低,其熱膨脹系數(shù)較大,加熱后容易發(fā)生明顯的形變,從而使得模具的穩(wěn)定性不足,從而影響零件加工的質(zhì)量;INVER鋼的密度超過(guò)碳鋼的三倍,且其熱膨脹系數(shù)較低,制作出的模具在受熱過(guò)程中的穩(wěn)定也就更好,但是這種復(fù)合材料的成本極高,適用于對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、曲率變化大的零件的加工;45#鋼的密度與熱膨脹系數(shù)介于碳鋼與INVER兩者之間,其密度始終卻熱膨脹系數(shù)與INVER鋼接近,且成本也相對(duì)較低,質(zhì)量適中,比較適合作為方桿模具的制作材料。

1.3模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在該復(fù)合材料的方桿纏繞成型的模具設(shè)計(jì)中,模具使用八瓣形結(jié)構(gòu),在八瓣結(jié)構(gòu)的兩側(cè)以固定板固定芯模,并且凸輪與其端部齒輪具有可活動(dòng)性。在方桿成型的固化過(guò)程中,其會(huì)產(chǎn)生約1/5—1/3的壓縮量,需要以調(diào)節(jié)模具的方式適應(yīng)該壓縮形變。該模具設(shè)計(jì)為5檔限位,在真空袋外部轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪軸,則就會(huì)帶動(dòng)其他軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)具體方桿制作的需求,在生產(chǎn)時(shí)調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)狞h委,可以有效地保證碳纖維復(fù)合材料在正式打壓溫度之前不受到干擾力的影響,由此最大限度地減少流膠,從而保證產(chǎn)品的性能,提升產(chǎn)品的質(zhì)量。同時(shí),其壓力來(lái)源主要依靠真空抽取,即通過(guò)抽取空氣擠壓真空袋內(nèi)的拼塊,使其合模到位并且進(jìn)一步固化成型,從而完成方桿的制造。

2復(fù)合材料方桿纏繞成型的工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1方桿材料的選擇

由于復(fù)合材料的方桿一般作桁架或其他結(jié)構(gòu)中的主要受力構(gòu)件,因此必須保證其具有較好的抗壓、抗拉等性能。而碳鋼纖維是含碳量超過(guò)90%的高強(qiáng)度、高模量纖維,因此選用碳鋼纖維作為方桿的制造材料。

2.2全纏繞法

相較于傳統(tǒng)的纏繞方法,全纏繞法不需要排布環(huán)節(jié),同時(shí)也不需要手工鋪層,工藝流程更為簡(jiǎn)便且自動(dòng)化程度較高,同時(shí)還能更好地保證方桿的性能。相關(guān)研究表明,采用全纏繞法所制作出的方桿的性能、質(zhì)量都優(yōu)于傳統(tǒng)小角度纏繞法制作的方桿。在實(shí)施全纏繞法時(shí),采用FWA1/4/1型號(hào)的數(shù)控找繞機(jī),將碳鋼纖維與環(huán)氧樹(shù)脂按照一定的纏繞順序進(jìn)行環(huán)向纏繞(90°)、螺旋纏繞(±45°、±2°、±4°、±6°),而后經(jīng)過(guò)敞晾后固化,脫模成型。

2.3固化工藝流程

在固化環(huán)節(jié)正式開(kāi)始時(shí),要將模具的限位檔調(diào)節(jié)至1.5,而后迅速將空氣溫度升高至150℃左右。在模具升溫到100℃時(shí),將限位檔調(diào)整至0.3,115℃時(shí),調(diào)整至0,并合模到位。后續(xù)將模具溫度升高至177℃左右并保持3小時(shí)后出爐。同時(shí)需要指出的是,固化流程全程抽真空操作。

2.4外觀及無(wú)損檢驗(yàn)

在脫模前后對(duì)方桿進(jìn)行外觀檢驗(yàn),要求方桿在外觀山的纖維條理一致,紋路清晰,R角圓滑飽滿(mǎn)并且無(wú)屈曲問(wèn)題。在外觀檢驗(yàn)完成后,通過(guò)超聲波探傷儀GJB1038.1A—2004的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)方桿進(jìn)行無(wú)損探傷;通過(guò)噴水穿透脈沖法進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn),要求沒(méi)有雜波存在且若存在缺陷,缺陷尺寸不大于10mm,整體質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果達(dá)到GJB2895—97標(biāo)準(zhǔn)中的A級(jí)。

中 A 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

3結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)研究,提出了改良后的復(fù)合材料方桿纏繞成型模具及工藝設(shè)計(jì)的方法。其中,在模具材料選用45#鋼,模具結(jié)構(gòu)為八瓣型;工藝設(shè)計(jì)為方桿材料選擇碳鋼纖維,并且給出了全纏繞方法及固化工藝、外觀及無(wú)損檢驗(yàn)的方法,有效地提升了碳鋼復(fù)合纖維方桿制作的效率及產(chǎn)品性能,同時(shí)也在一定程度上降低了生產(chǎn)制作的成本。

參考文獻(xiàn):

[1]郭凱特,文立華,校金友,張承雙,李正道.多角度纖維纏繞復(fù)合材料圓筒張力設(shè)計(jì)[J].固體火箭技術(shù),2020,43(04):458-467.

[2]單毫,陳宇,李俊杰,姚錢(qián),周曉東.紅外加熱纏繞成型工藝參數(shù)對(duì)CF/PEEK復(fù)合材料層間剪切性能的影響[J].復(fù)合材料科學(xué)與工程,2020(01):39-46.

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