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摘要:

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

關(guān)鍵詞:

復(fù)合材料;進(jìn)氣道;模具設(shè)計(jì);工藝方案

 無(wú)人機(jī)具有重量輕、尺寸小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在科研及國(guó)防領(lǐng)域所發(fā)揮的作用越來(lái)越重要，成為當(dāng)下各國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的對(duì)象。隨著無(wú)人機(jī)性能的提升，對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)材質(zhì)的要求也越來(lái)越高。復(fù)合材料因具有高比強(qiáng)、高比模、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)異特性，兼具明顯的減重效果及隱身性能，可滿足無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)材質(zhì)的屬性要求。復(fù)合材料在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用，使無(wú)人機(jī)具有更優(yōu)異的性能。進(jìn)氣道是無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的重要組件，據(jù)資料顯示，進(jìn)氣道及其唇口的雷達(dá)反射波占整體的40%［1］，為使進(jìn)氣道能夠保證可靠的進(jìn)氣效率及更加優(yōu)秀的隱身性能，進(jìn)氣道通常設(shè)計(jì)成S彎形變截面結(jié)構(gòu)［2］，進(jìn)氣道內(nèi)型面不能拼接，需要整體成型，且對(duì)尺寸精準(zhǔn)度要求很高［3］。本文以一種埋入式進(jìn)氣道為例，簡(jiǎn)要介紹目前國(guó)內(nèi)主要的幾種模具設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)闡述一種改進(jìn)的復(fù)合材料進(jìn)氣道成型工藝方案。結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖如圖1所示。該進(jìn)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(shè)計(jì)

由于進(jìn)氣道為變截面的S彎形結(jié)構(gòu)，需要采用陽(yáng)模整體成型。考慮到進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，進(jìn)氣道兩側(cè)口框大，過(guò)渡段細(xì)長(zhǎng)，脫模成為整體成型的難點(diǎn)，對(duì)于成型方案提出較高的要求。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先的幾家工程應(yīng)用企業(yè)的技術(shù)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(duì)這兩種模具方案進(jìn)行介紹，并介紹改進(jìn)后的組合式復(fù)合材料模具方案。

1.1組合式金屬模具方案根據(jù)進(jìn)氣道口框及過(guò)渡段形狀，將金屬陽(yáng)模分塊，各活塊之間采用螺釘及定位銷等進(jìn)行機(jī)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(jié)構(gòu)如圖2所示。組合式金屬模具的優(yōu)點(diǎn)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(fù)雜，且反復(fù)使用后活塊之間可能存在縫隙，使陽(yáng)模尺寸精度下降，導(dǎo)致內(nèi)腔尺寸精度無(wú)法保證，同時(shí)活塊間縫隙滲入膠液后，在脫模時(shí)會(huì)導(dǎo)致無(wú)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(guò)配料、毛坯成型、固化、機(jī)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(guò)機(jī)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(jìn)氣道內(nèi)腔形狀較為復(fù)雜，使用水溶性模具需要的機(jī)加工難度較大，機(jī)加工環(huán)節(jié)后進(jìn)行的表面處理可能會(huì)降低尺寸精度。

1.3復(fù)合材料組合式模具方案本方案結(jié)合組合式金屬模具及水溶性模具的優(yōu)點(diǎn)，可得到高精度、高光潔度的進(jìn)氣道模具，模具不需要額外的機(jī)加工及表面處理工序，產(chǎn)品成型后模具拆卸便利。以進(jìn)氣道內(nèi)腔面制備陰模，使用金屬芯模作為結(jié)構(gòu)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(fù)合材料，脫模后得到復(fù)合材料組合式陽(yáng)模，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。將陽(yáng)模包裹增強(qiáng)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(fù)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(jìn)氣道。對(duì)三種方案進(jìn)行評(píng)比后，最終選擇使用組合式復(fù)合材料模具方案進(jìn)行進(jìn)氣道的制備。由于無(wú)人機(jī)的進(jìn)氣道屬于埋入式進(jìn)氣道，對(duì)內(nèi)外型面都有嚴(yán)格的要求，因此選用RTM閉模成型［15］。

2成型工藝方案

復(fù)合材料進(jìn)氣道以及組合式復(fù)合材料模具方案中所使用的原材料均為MFE-2乙烯基樹(shù)脂/萘酸鈷/過(guò)氧化甲乙酮樹(shù)脂體系。增強(qiáng)材料為400g/m2的高強(qiáng)纖維玻璃布。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及使用要求，使用RTM工藝制作組合式復(fù)合材料陽(yáng)模及進(jìn)氣道產(chǎn)品。

2.1組合式復(fù)合材料模具的制備(1)將金屬芯模進(jìn)行定位組裝；(2)加入增強(qiáng)材料后裝配金屬芯模到圖4中的陰模并合模。灌注復(fù)合材料陽(yáng)模。圖4中所用陰模為數(shù)控機(jī)加工制備;(3)固化后，脫模得到組合式復(fù)合材料陽(yáng)模，如圖3所示。組合式復(fù)合材料模具方案有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn):一是在進(jìn)氣道RTM成型過(guò)程中，組合式陽(yáng)模復(fù)合材料層不應(yīng)發(fā)生形變;二是進(jìn)氣道在脫模時(shí)可順利脫出。因此復(fù)合材料易碎層的強(qiáng)度是組合式復(fù)合材料模具成功與否的關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示，當(dāng)復(fù)合材料易碎層的纖維含量在10%～15%時(shí)，可同時(shí)滿足以上的兩點(diǎn)要求。復(fù)合材料易碎殼中的少量增強(qiáng)材料可提高韌性，在操作過(guò)程中保證易碎殼的完整，不僅會(huì)明顯提高復(fù)合材料陽(yáng)模的強(qiáng)度，同時(shí)也便于進(jìn)氣道脫模時(shí)易碎殼的破壞。另外，由于金屬芯?？芍貜?fù)使用，在滿足便于拆卸的基本要求之外，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(fù)合材料的用量。由于易碎層需要一定強(qiáng)度，厚度不能過(guò)薄，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用得出結(jié)論:易碎層厚度應(yīng)不小于2mm。

2.2RTM工藝制備復(fù)合材料進(jìn)氣道(1)在組合式復(fù)合材料陽(yáng)模上鋪覆設(shè)計(jì)規(guī)定的增強(qiáng)材料鋪層并合模，模具組合示意圖如圖5所示。開(kāi)啟真空后，開(kāi)始灌注。樹(shù)脂在增強(qiáng)材料預(yù)制體中流動(dòng)且到達(dá)各個(gè)部位，浸潤(rùn)其中的增強(qiáng)材料、排出空氣、填滿模腔;(2)樹(shù)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(jiǎn)單的切邊后，完成復(fù)合材料進(jìn)氣道的制備。

3結(jié)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(fù)合材料模具方案制備變截面進(jìn)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(fù)合材料易碎殼結(jié)構(gòu)，并確定了易碎殼的成型工藝，最終成功制備了變截面的進(jìn)氣道。制備的進(jìn)氣道尺寸精準(zhǔn)、表面光潔度高，滿足進(jìn)氣道的各項(xiàng)使用要求。該方案為復(fù)雜型面復(fù)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(shè)備軍事代表室 北京玻鋼院復(fù)合材料有限公司