复合材料构件成型模具数字化设计与制造技术

复合材料构件成型模具数字化设计与制造技术

车剑昭 张宇

中航西安飞机工业集团股份有限公司 710089

摘要：复合材料构件成型模具数字化设计与制造技术，在当代航空复合材料发展阶段具备重要意义,在该项技术帮助下，复合材料构件成型质量会大幅提升，帮助企业控制制造成本，让主体制造周期变得更短，促使我国航空制造技术朝着现代化方向发展。另外，复合材料具备比强度高、耐高温等特点，与航空航天技术发展需求一致。本文以实际工作开展情况为基础，对复合材料构件模具数字化设计与制造内容进行总结。

关键词：复合材料；模具：数字化

在数字化设计与制造发展过程中，能够为模具加工精度以及配合协调提供有利条件。复合材料成型模具数字化设计制造阶段，技术人员需要将模具外部形状、内部材料等信息整合到一起，根据模具数字化设计、数字化仿真分析等内容，执行模具设计和制造任务，此时，复合材料成型之后，便不需要进行过多加工便能满足具体设计需求。因此，企业和技术人员应提升复合材料构件模具数字化设计与制造技术重视程度，助力企业获得更多发展机会。

1.复合材料成型模具概述

相比于金属材料制造过程，复合材料制作的灵活性优势更加明显。例如，树脂基复合材料在成型制作时，涉及到的方式在30种以上。其中，最为常见的方式包括手工成型、缠绕成型以及真空袋成型等等。由于成型方式不同，对于模具结构形式以及模具材料要求也不一致，具备代表性的模具结构有缠绕成型模具、金属框架式模具以及RMT成型模具等。缠绕成型阶段，需要利用合适的芯模强化复合材料构件成型质量。为了让芯模设计更加合理，保证纤维损伤降低到最低状态，设计人员应尽可能控制好构件尺寸，将其内部残余应力尽可能消除。当艺模处于重复使用状态时，还需要确保证制件得到固话后，让构件和芯模处于完整状态，只有这样，才能保证芯模以及制件保持相互分离。另外，在金属框架式模具应用时，可完成复合材料热压罐成型任务，该过程对于模具型板尺寸精度以及表面质量等要求较高，同时还要将其传热优势展示出来。另外，RTM成型工艺在应用时，应保证上下模具配合精度较高，确定好注射口以及排气孔等位置所在，该过程对于模具密封性以及复合材料构件脱模装置要求很高[1]。

2. 复合材料构件成型模具数字化设计

2.1复合材料工艺数模设计

总的来说，复合材料工艺数模设计过程中，主要以模具数字化设计制造为基础，能够充当复合材料构件的原始数据，保证后续分析以及制造等环节能够有充足的数据参考。一般情况下，建模工作常见内容有贴模面设计、铺层坐标系建设以及铺层分块等。

2.2 复合材料成型模具设计

复合材料构件成型模具结构设计过程中，如果工艺方式不同，对应的模具结构也不一致，其中最为常见的应用当属在热压罐成型过程中的框架式模具。从构成角度来说，模具往往包括型板和支撑结构，在型板制造阶段，对其型面精度设计要求较高，表面质量同样需要满足相关条件，只有这样，才能保证复合材料构件成型后满足各项要求。反观支撑结构，主要是针对工作载荷状态下抑制型板变形，想要达到该效果，其刚度和强度需要达到相应要求。为提升构件成型质量，设计时会在支撑结构中设计通风口以及均风口，确保模具在热压罐内部具备良好的通风传热特点。为了确保复合材料模具设计的有效性，降低重复性设计工作数量，保证知识以及经济得到充分利用，缩短整个研发周期，复合材料成型模具数字化设计具备积极意义。近年来，我国数字化技术以及网络技术发展速度较高，国内外研究人员对于数字化复合材料成型模具设计的重视程度也得到了提升，促使其得到了更好更快的发展[2]。

2.3复合材料成型模具数字化仿真分析

复合材料成型阶段，涉及到的材料类型较多，从而产生不一致的膨胀系数，再加上模具与复合材料构件之间的相互作用，固化变形问题难以规避。受此影响，构件后续连接等操作很难正常进行。为了将上述问题规避，需制定了新的成型工艺以及型面修正方式，以消除型面变形问题。需要注意的时，该方式之中的模具设计效率有限。

针对框架式模具进行设计时，往往需要对工作荷载下变形情况，以及复合材料固化过程中温度场均匀性影响进行考虑，但却很难对模具结构进行优化分析。尤其是在大型复合材料构件制作阶段，模具体重量大、笨重感较强，制作时往往会耗费较多原材料，运输和使用等过程较为复杂。因此，模具数字化设计过程中，模具结构的轻量化设计尤为必要。在此过程中，设计人员可借助于计算机辅助技术等，对模具在不同情况下的变形情况进行模拟，做好模具拓扑结构优化操作，尤其是在满足刚度要求前提下，让模具重量保持在较低状态。

2.4复合材料成型模具CAPP技术

CAPP技术也被人们称之为连接计算机辅助设计和计算机辅助制造的桥梁，即CAD和CAM。模具CAPP系统内部涉及到的模块和功能较多，常见类型有系统管理模块、典型工艺生成模块以及工艺编辑模块等等。CAPP 系统应用过程中，可借助于工艺人员知识经验以及工艺数据制定相关决策，保证工艺结果得到优化，获得更高的工艺设计效率。一直以来，复合材料成型模具制造工艺编制大多依赖于手工操作，对应的模具种类较多，规范性不足。复合材料成型模具CAPP研究以及应用，能够让模具产品质量得到大幅提升，让整个模具制造周期缩短，控制好生产制造成本

[3]。

3.复合材料构件成型模具数字化制造

模具数字化制造过程，需要借助于各种形式的高精度数字化加工设备。总的来说，在这些先进制造技术帮助下，整个模具制造周期能够大幅缩短，获得更好的模具质量。

3.1数控加工技术

数控加工技术主要用于开展复合材料成型模具加工制造。一般来说，框架式模具型板、缠绕成型的芯模、RTM成型模具的型腔等内容，均需要依靠数控加工确保加工精度以及表面质量。近年来，随着数控铣削技术的不断发展，材料切除效率大幅提升，与此同时，切削表面质量也能进一步完善。现阶段，高速数控铣削技术能够呈现出更好的切削质量，并实现了以车代磨，在模具加工方面的应用越来越频繁。针对复合材料成型模具，高速数控铣削技术发展，能够让模具制造周期大幅缩短，在模具制造质量提升上具备积极意义。

3.2先进表面处理技术

依靠相关表面处理技术应用，能够让模具表层成分以及组织等内容得到改善，保证模具表现性能大幅提升，如硬度、耐磨性等。当前所应用的表面处理方式，常见的有表面覆层处理法、化学表面处理法以及物理表层处理法，其中，最具代表性的方式当属激光表面强化处理法。常见的激光强化加工系统包含三部分，即激光器系统、光束传输以及变换装置等。在复合材料热压罐成型模具型板制作过程中，首先需要执行激光表面强化操作，让模具表面质量得到大幅提升，通过上述操作过程，模具使用时间能够大幅延长[4]。

3.3加工过程中存在的问题

热压罐成型模具制作之中，型板与支撑结构的连接，大多依靠焊接操作，焊接残余变形以及残余应力，属于是焊接过程中比较常见的问题，相比之下，焊接物理过程的复杂程度较高，如果进行迅速不均匀加热与冷却，焊接残余应力也将不可避免。从以往工作过程中也能够看出，影响焊接的变形因素较多，如焊缝分布、焊缝太过集中等等。有些时候，为了更好的解决上述问题，可从焊件结构设计以及焊接工艺两个角度着手，将焊接残余变形问题彻底解决。首先，确定合适的设计方式，包括确定好构件结构、合理选择焊缝尺寸和布局等等。其次，根据实际情况制定合适的工艺措施，如焊接线能量的选择、确定好各项工艺参数等。

热压罐成型模具型板加工质量确定，主要是根据加工精度以及表面质量进行，其中，型板制作方面，大多依靠数控加工实现成形，虽然能够让型板加工质量得到提升，但涉及到的影响因素较多，这些因素能够藕合在一起，导致型板出现机加变形问题。常见的机加变形影响因素有毛坯初始残余应力、切削力以及走刀路径等等，这些对于机加变形以及表面质量均会产生影响。后续，控制好数控加工过程中的机加变形问题，是整个模具数字化制造阶段重点考虑的问题。

除此之外，复合材料构件在固化成型时，模具材料与复合材料之间的膨胀系数不同，同样会对复合材料成型质量产生影响。因此，设计人员在选择模具材料时，可重点关注热膨胀系数与复合材料相近的材料。

4.复合材料构件成型模具数字化检测

模具发展过程中，除了对制造设备提出了较高要求之外，还要结合专业性较高的检测设备。近年来，随着电子技术的不断发展，测量技术的应用更加高效、精准。尤其是激光、磁栅等技术应用后，数字化测量设备也会变得更加先进。现阶段，数字化检测技术已经成为数字化设计制造中不可或缺的一部分。过去十几年的时间内，出现了很多新的检测方式，可分为两大类，即接触式和非接触式。技术人员可根据实际情况，选择最佳的测量模式，在做好复合材料构件模具数字化制造的同时，为后续相关工作开展创造有利条件[5]。

5.结论

复合材料构件制造过程中，模具设计与制造对复合材料构件质量产生了极大影响。因此，在复合材料构件数字化设计技术应用阶段，设计人员可利用模块化规范、专家知识库等内容，做好数字化检测等工作，依靠并行工程让设计制造周期得到有效控制。

参考文献

[1]刘羽熙，徐慧珍，潘晨露等，热塑性聚氨酯/芳纶纤维柔性复合材料蒙皮的性质研究[J].当代化工研究，2023(06)：70-72.

[2]董宁娟，彭涛，燕群.低温环境下复合材料飞机壁板结构隔声特性研究[J].声学技术，2022,41(06)：887-893.

[3]宋旭鹏，宋显刚，郑凯，碳纤维复合材料车体电搭接设计与工艺验证[J].机车车辆工,2022(02):15-17.

[4]魏士礼，赵艳秦.民用飞机复合材料粥盒蒙皮损伤外补修理[J].机械工程师,2022(04):82-84+87.

[5]赵贵强，基于声振法的飞机复合材料构件损伤检测技术研究[J].电声技术，2022,46(03):90-92.