復合材料進氣道模具設計研究范文

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摘要：針對無人機S型復合材料進氣道的成型，設計了一種可循環利用高效的組合模具，其模具由硅橡膠模具與金屬組合模組成。材料體系選用高強碳纖維環氧樹脂預浸料。成型工藝選擇熱壓罐固化工藝，對比了不同鋪層層數對壁厚的影響。利用此成型工藝成功制備出了內外型面、內部質量滿足要求的進氣道。

關鍵詞：模具；S型進氣道；熱壓罐；成型工藝

相較于金屬材料，復合材料具有的高比強度、高比模量、密度低、較好的抗震性、抗疲勞性，同時還具有可設計性，在航空航天以及軍工領域有了大量的應用。其中樹脂基復合材料具有的優異性能，使得其在航空領域的應用僅次于鋁合金、鋼、鈦合金。目前航空領域發展對材料要求也進一步提高，復合材料的可設計性、密度低等特性更加進一步奠定了其在航空領域的地位[1~3]。無人機具有尺寸小、重量輕、用途廣等優點，在國防及民用領域發揮越來越重要的作用。其對材料的要求也越來越高，復合材料可設計性、密度低等特性能夠滿足無人機應用要求。S型進氣道是無人機氣動系統的關鍵部件，為變截面結構，需滿足氣動要求，其中內型面必須滿足氣流無阻礙流通，外型面滿足與機身殼體配合。研究人員在制備內外型面滿足要求且無拼接結構的復合材料進氣道做了大量的探索[4~6]。S型進氣道特殊結構及型面要求，使得復合材料成型存在較大的難題，為了保證產品的結構，模具設計應為陰陽模組合結構，但是其為S型變截面結構，最終導致產品脫模困難。目前S型復合材料進氣道成型陽模一般為金屬組合模、可溶性模具或可破壞模具，陰模為組合鋼模[7~9]。但是這類模具存在成本高及使用效率低等缺點，本文提出一種的可重復、高效使用的組合模，在工藝控制下成型出滿足要求的進氣道產品，進氣道結構示意圖如圖1所示。

1實驗

1.1材料及設備原材料：

碳纖維環氧樹脂預浸料（T700/603），航天材料及工藝研究所設備：熱壓罐：Φ1.5m×2.5m、真空泵碳纖維環氧樹脂預浸料（T700/603）采用熱熔法制備而成，單向預浸料的含膠量為34±3%，纖維面密度165±5g/m2,揮發物含量＜1%，復合材料的制備采用熱壓罐工藝成型，選用階梯加壓和升溫的固化方式。

2結果與討論

2.1材料的選擇

進氣道作為無人機產品氣動系統的關鍵部件，為發動機提供氣流，在無人機運行過程中，有很強的氣流進入，對進氣道形成很強的內壓，同時進氣道與發動機連接還需要一定的耐溫性使用溫度大于100℃。在此選擇航天材料及工藝研究所生產的T700/603,其拉伸強度達到2000MPa,彎曲強度1500MPa，層間剪切強度＞75MPa[10~11]，具體力學性能測試表見表1，能夠滿足氣動要求的強度剛度，其Tg＞180℃，可以在高溫下穩定的運作，該材料還有良好的耐濕熱性、優異的抗疲勞性，適用于無人機進氣道制件。

2.2模具設計

目前傳統的S型進氣道模具設計分為兩種，第一種為陽模金屬組合模具組合而成，陰模為組合鋼模，此設計大大提高了模具的設計成本，且過多的陽模組合模塊，在頻繁使用模具后，存在模具型面偏移現象，在成本和使用周期方面存在較多弊端；第二種陽模為可溶性模具或可破壞模具，陰模為組合鋼模，此種設計做一次產品就需要重新對陽模進行制作，大大降低了產品制備的效率[12~15]。為了保證產品容易脫模，生產成本低，模具設計為陰陽模組合，陽模為中空硅膠結構，陰模為組合鋼模。模具結構見圖2、3。模具保證了產品的外形尺寸、型面精度以及內型面的光滑，通過過程中預浸料的層數用量來控制產品的壁厚，從而制備出內外型面滿足要求的產品。

2.3成型工藝

復合材料的成型根據產品的結構特點、性能、成本要求和生產數量形式，選擇熱壓罐、纏繞、RTM等工藝，此種結構產品不適合纏繞工藝成型，RTM對于產品模具要求較高，需要制備閉合型腔模具，造價成本高，相較于其他工藝，熱壓罐成型工藝在模具設計及制造、產品性能穩定性有明顯優勢，熱壓罐內溫度控制、壓力精準對于產品壁厚控制、產品外觀質量、產品內部質量都有明顯的優勢，因此選擇熱壓罐成型工藝。

2.4固化工藝

產品鋪層后進行包覆，進入熱壓罐進行固化，在130℃保溫1h，180保溫3h，然后進行降溫，當溫度小于70℃停機出罐，固化參數見圖4。

2.5鋪層層數與壁厚影響

工藝設計為陰模保外型尺寸，通過工藝過程控制產品壁厚，從而得到滿足氣動要求的內型面。在此對比了在同一工藝過程控制下，不同預浸料層數對產品壁厚的影響，尺寸對比見表2。由不同鋪層層數成型后產品厚度對比，得出在鋪層層數為20層時，壁厚穩定能夠很好的滿足內型面的要求。

3結束語

本文分析了不同S型進氣道成型模具成型產品的優缺點，提出了一種中空硅膠模具與鋼模陰模配合的組合模具，在工藝過程控制下鋪層20層時，能夠制備出內外型面滿足要求的進氣道，本文設計不僅對S型進氣道成型有指導作用，為同種類型結構的產品也提供借鑒意義。

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作者：馬騰飛 李偉明 許向彥 單位：航天長征睿特科技有限公司