進氣道模具設計及工藝方案研究范文

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摘要:

對現(xiàn)有的金屬模具及水溶性模具方案進行研究，在此基礎上設計出組合式復合材料模具方案，確定了方案中復合材料易碎層的工藝參數(shù)，并制備了復合材料進氣道，為復合材料進氣道及其他復雜型面產(chǎn)品的整體成型技術提供了一定的參考。

關鍵詞:

復合材料;進氣道;模具設計;工藝方案

 無人機具有重量輕、尺寸小、成本低等優(yōu)點，在科研及國防領域所發(fā)揮的作用越來越重要，成為當下各國重點發(fā)展的對象。隨著無人機性能的提升，對機體結構材質(zhì)的要求也越來越高。復合材料因具有高比強、高比模、可設計性強等優(yōu)異特性，兼具明顯的減重效果及隱身性能，可滿足無人機結構材質(zhì)的屬性要求。復合材料在無人機領域的應用，使無人機具有更優(yōu)異的性能。進氣道是無人機動力系統(tǒng)的重要組件，據(jù)資料顯示，進氣道及其唇口的雷達反射波占整體的40%［1］，為使進氣道能夠保證可靠的進氣效率及更加優(yōu)秀的隱身性能，進氣道通常設計成S彎形變截面結構［2］，進氣道內(nèi)型面不能拼接，需要整體成型，且對尺寸精準度要求很高［3］。本文以一種埋入式進氣道為例，簡要介紹目前國內(nèi)主要的幾種模具設計方案，并詳細闡述一種改進的復合材料進氣道成型工藝方案。結構示意簡圖如圖1所示。該進氣道尺寸為500mm×300mm，內(nèi)腔最大尺寸為100mm，最小處約為600mm。

1模具設計

由于進氣道為變截面的S彎形結構，需要采用陽模整體成型?？紤]到進氣道結構復雜，進氣道兩側口框大，過渡段細長，脫模成為整體成型的難點，對于成型方案提出較高的要求。根據(jù)目前國內(nèi)技術領先的幾家工程應用企業(yè)的技術調(diào)研及歸納分析，得知目前主要的模具方案有組合式金屬模具及水溶性模具成型方案［4-9］。現(xiàn)對這兩種模具方案進行介紹，并介紹改進后的組合式復合材料模具方案。

1.1組合式金屬模具方案根據(jù)進氣道口框及過渡段形狀，將金屬陽模分塊，各活塊之間采用螺釘及定位銷等進行機械連接，從而使各活塊能夠按一定的脫模次序逐塊脫出，其結構如圖2所示。組合式金屬模具的優(yōu)點是具有優(yōu)異的加工精度及表面光潔度，但其組裝及脫模較為復雜，且反復使用后活塊之間可能存在縫隙，使陽模尺寸精度下降，導致內(nèi)腔尺寸精度無法保證，同時活塊間縫隙滲入膠液后，在脫模時會導致無法脫模。

1.2水溶性模具方案水溶性模具是選用滿足產(chǎn)品成型工藝要求的水溶性材料，經(jīng)過配料、毛坯成型、固化、機加工及表面處理等步驟完成的［10-13］。水溶性模具在產(chǎn)品成型后，使用水溶解掉，完成產(chǎn)品的脫模環(huán)節(jié)。水溶性模具需要的生產(chǎn)周期短，適用于研發(fā)階段的不定型產(chǎn)品試制及生產(chǎn)。經(jīng)過機加工及表面處理后，水溶性模具的表面光潔度較高［14］。由于進氣道內(nèi)腔形狀較為復雜，使用水溶性模具需要的機加工難度較大，機加工環(huán)節(jié)后進行的表面處理可能會降低尺寸精度。

1.3復合材料組合式模具方案本方案結合組合式金屬模具及水溶性模具的優(yōu)點，可得到高精度、高光潔度的進氣道模具，模具不需要額外的機加工及表面處理工序，產(chǎn)品成型后模具拆卸便利。以進氣道內(nèi)腔面制備陰模，使用金屬芯模作為結構支撐骨架，裝配固定在陰模內(nèi)，在金屬芯模表面制備一層易碎復合材料，脫模后得到復合材料組合式陽模，其結構如圖3所示。將陽模包裹增強材料后，裝入產(chǎn)品陰模灌注成型。產(chǎn)品成型后，先將金屬芯模拆除，再使用工具將復合材料易碎層去除，可得到滿足尺寸精度、表面光潔度要求的進氣道。對三種方案進行評比后，最終選擇使用組合式復合材料模具方案進行進氣道的制備。由于無人機的進氣道屬于埋入式進氣道，對內(nèi)外型面都有嚴格的要求，因此選用RTM閉模成型［15］。

2成型工藝方案

復合材料進氣道以及組合式復合材料模具方案中所使用的原材料均為MFE-2乙烯基樹脂/萘酸鈷/過氧化甲乙酮樹脂體系。增強材料為400g/m2的高強纖維玻璃布。根據(jù)產(chǎn)品結構特點及使用要求，使用RTM工藝制作組合式復合材料陽模及進氣道產(chǎn)品。

2.1組合式復合材料模具的制備(1)將金屬芯模進行定位組裝；(2)加入增強材料后裝配金屬芯模到圖4中的陰模并合模。灌注復合材料陽模。圖4中所用陰模為數(shù)控機加工制備;(3)固化后，脫模得到組合式復合材料陽模，如圖3所示。組合式復合材料模具方案有兩個關鍵點:一是在進氣道RTM成型過程中，組合式陽模復合材料層不應發(fā)生形變;二是進氣道在脫模時可順利脫出。因此復合材料易碎層的強度是組合式復合材料模具成功與否的關鍵。經(jīng)過反復試驗，結果如表1所示，當復合材料易碎層的纖維含量在10%～15%時，可同時滿足以上的兩點要求。復合材料易碎殼中的少量增強材料可提高韌性，在操作過程中保證易碎殼的完整，不僅會明顯提高復合材料陽模的強度，同時也便于進氣道脫模時易碎殼的破壞。另外，由于金屬芯?？芍貜褪褂茫跐M足便于拆卸的基本要求之外，設計時應盡量貼近組合式模具的邊緣，以降低易碎層的厚度，降低易碎層復合材料的用量。由于易碎層需要一定強度，厚度不能過薄，結合實際應用得出結論:易碎層厚度應不小于2mm。

2.2RTM工藝制備復合材料進氣道(1)在組合式復合材料陽模上鋪覆設計規(guī)定的增強材料鋪層并合模，模具組合示意圖如圖5所示。開啟真空后，開始灌注。樹脂在增強材料預制體中流動且到達各個部位，浸潤其中的增強材料、排出空氣、填滿模腔;(2)樹脂在室溫環(huán)境下固化，固化完全后脫模;(3)脫模后產(chǎn)品經(jīng)簡單的切邊后，完成復合材料進氣道的制備。

3結論

相比于組合式金屬模具及水溶性模具方案，使用組合式復合材料模具方案制備變截面進氣道，從表面精度、尺寸精度及脫模難易程度上都有很大提高，是一種便利可行的新式模具方案。方案中提出復合材料易碎殼結構，并確定了易碎殼的成型工藝，最終成功制備了變截面的進氣道。制備的進氣道尺寸精準、表面光潔度高，滿足進氣道的各項使用要求。該方案為復雜型面復合材料產(chǎn)品的模具方案提供了一定的參考。

作者：石磊 徐晉偉 柴朋軍 單位：海軍駐北京地區(qū)艦船設備軍事代表室 北京玻鋼院復合材料有限公司