纤维增强复合材料在模具上的应用动态

纤维增强复合材料在模具上的应用动态

邵秀甜

身份证号码44068219751116xxxx528300

摘要：随复合材料制品越来越多的应用，在复合材料制成的模具也逐渐出现，模具作为工业生产中重要的工艺装备，模具形状、尺寸精准质量直接决定制品生产质量与外形美观度。面对纤维增强复合材料日益增加的应用需求，相关企业部门应当重视此类材料的发展，科学地开展设计、生产工作，根据相关规定对其应用动态进行分析，规范制作流程，提高纤维增强复合材料在模具的应用水平。

关键词：纤维增强；复合材料；模具

随着工业的迅猛发展，企业要求模具制造时间尽量短，随着复合材料制品应用越来越广，对应的复合材料模具也正从航空航天领域越来越多地进入一般工业领域，为新产品的快速开发与投产、为适应“高效、精密、寿命长”等特点，模具制造已经进入一个新技术时期[1]。纤维增强复合材料模具制作技术的应用，需求企业予以高度重视，以保证对结构复杂的模具进行合理的规划设计，转变传统金属模具加工制作观念和方式，拓展模具的适应性并提升其工作质量。

一、纤维增强复合材料在模具中的应用重要性

目前，适用于模具制作的材料主要包括：传统金属材料、新型金属复合材料、纤维增强复合材料等。对于传统金属材料而言，固然拥有其加工便利、成本较低、模具使用寿命长的优点，但在实际制造过程中则存在模具生产周期长、重量较大等局限性，这不利于小批量产品的模具制作与使用。新型金属复合材料由于是用两种或以上的金属复合而成，不同金属基材各自膨胀系数普遍不同，致使很大部分的新型金属复合材料应用在实际制作时容易出现不匹配而降低模具制作精度；有些新型金属材料虽可保证复合基材的良好匹配，却因生产成本较高，很难提高企业的经济效益；也有些新型金属材料制造技术来自欧美发达国家，但对中国引进有一定限制，于是也难以对其进行有效的应用；在使用新型金属复合材料制作模具时，因材料复合后的质地变化，会出现机械加工难度增大的问题，且金属复合材料多会带有导热性能较差特性，这不利于开展模具加工。总体上，金属复合材料更适合在产品制作上的应用。相比之下，纤维增强复合材料在制作大型复杂型面制品和小批量产品模具的应用上凸显其优势：可随环境需求设计材料、易制造、精度高、重量轻。但是此类材料成本仍较传统金属材料高，因此，企业在应用该类型材料时，需要对其优化设计才能进行全面的创新、应用与推广。

纤维增强复合材料是由纤维增强体与基体材料按一定复合工艺组合成的多相高性能新材料，具有高强度、高模量等综合力学、物理性能。此类材料可经设计使原组成基材优点互补，从而令其拥有出色的综合性能。作为对传统材料的补充，这种新兴材料在模具制造上的应用优势明显。

首先，纤维增强复合材料可设计为具有明显提高基体材料某种所需特性的性能，如高的比强度、比模度或高导热性、耐热性、耐磨性、低热膨胀性，使之容易满足现有传统模具材料所欠缺的特性，从而提高模具的生产精确度与可靠性。增强体一般都具有良好的化学相容性，在制作复合材料过程其组织结构和性能不会发生明显变化，与基材有良好的浸润性，可以减少复合材料固化残余应力，避免出现零部件变形的现象。

其次，采用纤维增强复合材料有利于对大型复杂型面的模具进行加工，可以减少因应用传统金属材料制作需要繁琐工艺才能完成的局限性。例如：曾有复杂型面铸造产品其多个加强筋的尺寸要求较高，需将加强筋厚度控制在15mm，然而，利用传统金属材料制作模具时合理的铸造工艺则最少厚度只能控制在30mm，必须通过后继数控加工去除多余的材料以解决由此产生的尺寸精度问题，而应用纤维增强复合材料代替传统金属材料，则直接制作出需求量尺寸即可，既保证模具生产制作精确度符合要求，又减少了因增加后继辅助工序的成本和时间。

最后，应用纤维增强复合材料，有利于优化传统模具生产的固化流程，改良固化流程的便利性，缩短工作周期。同时，此类模具的重量较低，有利于对其进行生产与管理，降低生产难度和管理成本。

由此可见，在模具生产中，企业应当重视纤维增强复合材料的应用，此类材料可以保证提升模具制造的工作效率与工作质量，减少模具生产中的问题。适当摒弃传统的生产模式，创新生产方案，提高其工作质量[2]，是未来重要的方向。

二、纤维增强复合材料在模具上的应用动态

自上个世纪以来，在模具制造业中纤维增强复合材料的应用开始受到越来越多的关注，首先应用较多的有航天航空、先进武器、游船、汽车等高性能核心构件，其次电子、仪器、天线反射体等高值工业品，再逐步发展到水箱、小型游泳池日用品制作。纤维增强复合材料除了可以应用到制品上，也同样可应用到对应制品的模具制作上，提升模具制作可靠性与安全性及整体质量，有利于增强复合材料的整体发展体系。例如：欧美国家在复合材料应用上，先用相应的纤维增强复合材料制作出工装成型发射器流罩模具，如B-1B轰炸机镜面机翼成型夹具、A320垂尾装配夹具等，再用该模具、夹具制作对应的复合材料构件，由于模具和制品材质相近，最大可能地保证了最终制品外形、尺寸、性能的质量。近几年，有资料显示，纤维增强复合材料也已被应用于制作飞机机身壁板模具中，使用美国某公司的新型碳纤维复合材料，它可以在高温度下实现固化，并且在机械加工之后，精确度可以满足相关要求，误差范围甚至可达到0.5mm左右，该材料能满足相关制作和使用要求，大大提升了产品的表面加工质量[3]。

目前，由于我国对纤维增强复合材料制品的应用仍是较少，故还没有对复合材料模具生产技术进行大范围的推广。有一些企业已经尝试应用复合材料，在设计与制造过程中却面对种种困难：未能很好的利用复合材料提高模具的精确度，使得生产零部件时出现较为严重的尺寸精度问题，甚至会出现大量报废，无法提高其工作质量。归根到底的主要原因就是未能配备高素质专业人才指导生产，在应用复合材料制作模具时，缺乏工作经验，无法科学设计、制作各类材料，也有一些企业对于纤维增强复合材料的应用存在误区，或是长期依赖金属模具制作技术，导致无法提升复合材料应用技术水平、制作质量，难以提高企业经济效益[4]。

三、纤维增强复合材料模具在我国的发展必要性和紧迫性

在我国，模具制造业应用纤维增强复合材料还存在不少难以解决的问题，为解决这些问题也表明其发展潜力很大。在未来发展中，纤维增强复合材料模具制造技术的发展既必要也紧迫，总的方向将会向着更好的趋势发展，具体观点如下：

（一）向着高精度方向进步

尽管纤维增强复合材料综合性能优异，但普遍存在塑性较差问题。目前，我国纤维增强复合材料模具在成型后，常会出现精确度不够的问题，塑性差也成为阻碍此类复合材料进一步开发的原因之一。但复合材料在弹性模量、线膨胀系数和材料强度等方面具有明显的各向同性性质，虽分析工作复杂了，但又提供了可根据不同方向进行特殊设计的契机，因而企业在实际制作中，需求积极创新工艺应用形式，提升材料的应用质量，优化设计方案，全面了解各类加工参数，及时发现、修正固化后成型的精度，对工艺进行改革，保证其精度满足相关要求[5]。

（二）向着寿命延长的方向发展

我国纤维增强复合材料模具制作技术的应用，会逐渐向着延长寿命的方向发展。复合材料具有不同层次的宏观、细观和微观结构，随着宏观力学理论的不断完善，计算机模糊控制、数值模拟技术等软科学的指导，微观监控技术和设备的快速发展都有助于对纤维增强复合材料的进一步开发与实际应用。目前我国存在复合材料模具寿命较短的问题有望通过大量数据分析、实际应用数据相结合，对其进行有效改善处理，保证可以延长模具制作寿命[6]。另外，相关技术人员应继续积极引进其他国家的先进技术和经验，例如：与ACG公司相互合作，采用先进的纳米技术对复合材料进行处理，提升材料的耐久性，以此延长模具的使用寿[7]。

（三）向着降低成本的方向发展

我国在应用纤维增强复合材料模具技术，会向着降低成本的方向发展。现代计算机技术的进步使得虚拟仿真设计成为优化方案的主要手段。由于复合材料结构具有很强的尺寸效应，结合先进的实验技术和数值分析方法，采用“模拟设计-实验验证-分析数据-生产应用”的方法，可以有效提高制作成功率，从而降低盲目摸索试验的成本。也可以利用母模翻制方式开展相关工作，在模具成型数量增多的情况下，将成本分摊到每个母模制造费用中，并对其进行严格的控制，保证可以将成本降低最低。同时，技术人员还可以应用国外开发的新型母模材料，积极借鉴其生产经验，最终达到降低生产成本、提高企业的经济效益的目的。

结语：

纤维增强复合材料在新材料应用上有着不容忽视的重要性，需要企业在实际生产制作过程中，全面创新材料应用方式，积极借鉴其他发达国家的先进经验，延长模具的使用寿命，提高其精确度，降低制作成本，使其向着更好的方向进步。

参考文献：

[1]许洪斌，文琍等.模具制造技术[M].北京：化学工业出版社2007.8

[2]王霖,苏佳智,晏冬秀等.纤维增强复合材料在模具上的应用动态[J].航空工程进展,2015,6(1):13-17,25.

[3]李豪.超声外场作用下GF/PP复合材料注塑成形特性的实验研究[D].大连理工大学,2014.

[4]邓建锐.结构用FRP型材的力学性能研究及其在桥梁中的应用[D].华中科技大学,2014.

[5]刘双双,田伟,胡丹峰等.丙纶基纤维增强复合材料的成型工艺探讨[J].浙江理工大学学报（自然科学版）,2014,31(6):631-635.

[6]刘滢.FRP网格-钢筋混凝土组合柱基本性能研究[D].东南大学,2015.

[7]刘夏慧.纤维长度以及排向对喷射成型复合材料力学性能的影响[D].东华大学,2015.