復(fù)合材料進(jìn)氣道模具設(shè)計(jì)研究范文

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摘要：針對(duì)無(wú)人機(jī)S型復(fù)合材料進(jìn)氣道的成型，設(shè)計(jì)了一種可循環(huán)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(qiáng)碳纖維環(huán)氧樹脂預(yù)浸料。成型工藝選擇熱壓罐固化工藝，對(duì)比了不同鋪層層數(shù)對(duì)壁厚的影響。利用此成型工藝成功制備出了內(nèi)外型面、內(nèi)部質(zhì)量滿足要求的進(jìn)氣道。

關(guān)鍵詞：模具；S型進(jìn)氣道；熱壓罐；成型工藝

相較于金屬材料，復(fù)合材料具有的高比強(qiáng)度、高比模量、密度低、較好的抗震性、抗疲勞性，同時(shí)還具有可設(shè)計(jì)性，在航空航天以及軍工領(lǐng)域有了大量的應(yīng)用。其中樹脂基復(fù)合材料具有的優(yōu)異性能，使得其在航空領(lǐng)域的應(yīng)用僅次于鋁合金、鋼、鈦合金。目前航空領(lǐng)域發(fā)展對(duì)材料要求也進(jìn)一步提高，復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性、密度低等特性更加進(jìn)一步奠定了其在航空領(lǐng)域的地位[1~3]。無(wú)人機(jī)具有尺寸小、重量輕、用途廣等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)防及民用領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。其對(duì)材料的要求也越來(lái)越高，復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性、密度低等特性能夠滿足無(wú)人機(jī)應(yīng)用要求。S型進(jìn)氣道是無(wú)人機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，為變截面結(jié)構(gòu)，需滿足氣動(dòng)要求，其中內(nèi)型面必須滿足氣流無(wú)阻礙流通，外型面滿足與機(jī)身殼體配合。研究人員在制備內(nèi)外型面滿足要求且無(wú)拼接結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料進(jìn)氣道做了大量的探索[4~6]。S型進(jìn)氣道特殊結(jié)構(gòu)及型面要求，使得復(fù)合材料成型存在較大的難題，為了保證產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，模具設(shè)計(jì)應(yīng)為陰陽(yáng)模組合結(jié)構(gòu)，但是其為S型變截面結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致產(chǎn)品脫模困難。目前S型復(fù)合材料進(jìn)氣道成型陽(yáng)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(diǎn)，本文提出一種的可重復(fù)、高效使用的組合模，在工藝控制下成型出滿足要求的進(jìn)氣道產(chǎn)品，進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1實(shí)驗(yàn)

1.1材料及設(shè)備原材料：

碳纖維環(huán)氧樹脂預(yù)浸料（T700/603），航天材料及工藝研究所設(shè)備：熱壓罐：Φ1.5m×2.5m、真空泵碳纖維環(huán)氧樹脂預(yù)浸料（T700/603）采用熱熔法制備而成，單向預(yù)浸料的含膠量為34±3%，纖維面密度165±5g/m2,揮發(fā)物含量＜1%，復(fù)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(jié)果與討論

2.1材料的選擇

進(jìn)氣道作為無(wú)人機(jī)產(chǎn)品氣動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，為發(fā)動(dòng)機(jī)提供氣流，在無(wú)人機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，有很強(qiáng)的氣流進(jìn)入，對(duì)進(jìn)氣道形成很強(qiáng)的內(nèi)壓，同時(shí)進(jìn)氣道與發(fā)動(dòng)機(jī)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(chǎn)的T700/603,其拉伸強(qiáng)度達(dá)到2000MPa,彎曲強(qiáng)度1500MPa，層間剪切強(qiáng)度＞75MPa[10~11]，具體力學(xué)性能測(cè)試表見表1，能夠滿足氣動(dòng)要求的強(qiáng)度剛度，其Tg＞180℃，可以在高溫下穩(wěn)定的運(yùn)作，該材料還有良好的耐濕熱性、優(yōu)異的抗疲勞性，適用于無(wú)人機(jī)進(jìn)氣道制件。

2.2模具設(shè)計(jì)

目前傳統(tǒng)的S型進(jìn)氣道模具設(shè)計(jì)分為兩種，第一種為陽(yáng)模金屬組合模具組合而成，陰模為組合鋼模，此設(shè)計(jì)大大提高了模具的設(shè)計(jì)成本，且過(guò)多的陽(yáng)模組合模塊，在頻繁使用模具后，存在模具型面偏移現(xiàn)象，在成本和使用周期方面存在較多弊端；第二種陽(yáng)模為可溶性模具或可破壞模具，陰模為組合鋼模，此種設(shè)計(jì)做一次產(chǎn)品就需要重新對(duì)陽(yáng)模進(jìn)行制作，大大降低了產(chǎn)品制備的效率[12~15]。為了保證產(chǎn)品容易脫模，生產(chǎn)成本低，模具設(shè)計(jì)為陰陽(yáng)模組合，陽(yáng)模為中空硅膠結(jié)構(gòu)，陰模為組合鋼模。模具結(jié)構(gòu)見圖2、3。模具保證了產(chǎn)品的外形尺寸、型面精度以及內(nèi)型面的光滑，通過(guò)過(guò)程中預(yù)浸料的層數(shù)用量來(lái)控制產(chǎn)品的壁厚，從而制備出內(nèi)外型面滿足要求的產(chǎn)品。

2.3成型工藝

復(fù)合材料的成型根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、性能、成本要求和生產(chǎn)數(shù)量形式，選擇熱壓罐、纏繞、RTM等工藝，此種結(jié)構(gòu)產(chǎn)品不適合纏繞工藝成型，RTM對(duì)于產(chǎn)品模具要求較高，需要制備閉合型腔模具，造價(jià)成本高，相較于其他工藝，熱壓罐成型工藝在模具設(shè)計(jì)及制造、產(chǎn)品性能穩(wěn)定性有明顯優(yōu)勢(shì)，熱壓罐內(nèi)溫度控制、壓力精準(zhǔn)對(duì)于產(chǎn)品壁厚控制、產(chǎn)品外觀質(zhì)量、產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量都有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此選擇熱壓罐成型工藝。

2.4固化工藝

產(chǎn)品鋪層后進(jìn)行包覆，進(jìn)入熱壓罐進(jìn)行固化，在130℃保溫1h，180保溫3h，然后進(jìn)行降溫，當(dāng)溫度小于70℃停機(jī)出罐，固化參數(shù)見圖4。

2.5鋪層層數(shù)與壁厚影響

工藝設(shè)計(jì)為陰模保外型尺寸，通過(guò)工藝過(guò)程控制產(chǎn)品壁厚，從而得到滿足氣動(dòng)要求的內(nèi)型面。在此對(duì)比了在同一工藝過(guò)程控制下，不同預(yù)浸料層數(shù)對(duì)產(chǎn)品壁厚的影響，尺寸對(duì)比見表2。由不同鋪層層數(shù)成型后產(chǎn)品厚度對(duì)比，得出在鋪層層數(shù)為20層時(shí)，壁厚穩(wěn)定能夠很好的滿足內(nèi)型面的要求。

3結(jié)束語(yǔ)

本文分析了不同S型進(jìn)氣道成型模具成型產(chǎn)品的優(yōu)缺點(diǎn)，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(guò)程控制下鋪層20層時(shí)，能夠制備出內(nèi)外型面滿足要求的進(jìn)氣道，本文設(shè)計(jì)不僅對(duì)S型進(jìn)氣道成型有指導(dǎo)作用，為同種類型結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品也提供借鑒意義。

參考文獻(xiàn):

[1]杜善義.先進(jìn)復(fù)合材料與航空航天[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2007(01):1~12.

[2]李勇，肖軍.復(fù)合材料纖維鋪放技術(shù)及其應(yīng)用[J].纖維復(fù)合材料，2002,19(3):39~41.

[3]肖軍，李勇，文立偉，等.樹脂基復(fù)合材料自動(dòng)鋪放技術(shù)進(jìn)展[J].中國(guó)材料進(jìn)展，2009,28(6):28~32.

[4]王正峰，周藝瑋.航空用先進(jìn)復(fù)合材料的主要種類與制造工藝[J].儀表技術(shù)，2018(03):40~43.[5]顧軼卓，李敏，李艷霞，等.飛行器結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料制造技術(shù)與工藝?yán)碚撨M(jìn)展[J].航空學(xué)報(bào),2015,36(08):2773~2797.

[6]杜龍，李朝光，王紅飛.先進(jìn)復(fù)合材料在無(wú)人機(jī)上的應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)[J].教練機(jī)，2017(02):10~17.

[7]何凱.飛機(jī)全復(fù)合材料進(jìn)氣道制造工藝[J].航空制造技術(shù)，2004(07):91~92.

[8]姜年朝，張志清，戴勇，等．基于ANSYS的無(wú)人機(jī)復(fù)合材料機(jī)身模具設(shè)計(jì)［J］．中國(guó)制造業(yè)信息化，2008(24):58~59．

[9]杜海洋.S形可變形進(jìn)氣道模具的設(shè)計(jì)，制備及應(yīng)用[A].中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)、上海交通大學(xué)(SHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITY).中國(guó)力學(xué)大會(huì)-2015論文摘要集[C].中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)、上海交通大學(xué)(SHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITY):2015:1.

[10]熊艷麗，凌輝，蔣，等.結(jié)構(gòu)復(fù)合材料用耐高溫環(huán)氧樹脂體系[J].宇航材料工藝，2011,41(02):64~67.

[11]臧千，樊孟金，白雪蓮，等.603樹脂體系及其熱熔預(yù)浸料室溫儲(chǔ)存期性能研究[J].固體火箭技術(shù)，2018,41(03):383~387.

[12]石磊，徐晉偉，柴朋軍.復(fù)合材料變截面進(jìn)氣道模具設(shè)計(jì)及工藝方案研究[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2016(05):91~93.

[13]楊鐵江，張明，張劍.復(fù)合材料進(jìn)氣道的模具設(shè)計(jì)及工藝方案研究[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2011(06):57-59+19.

[14]董鵬，石建軍，喬魯濱，等.非回轉(zhuǎn)體復(fù)合材料殼結(jié)構(gòu)件模具設(shè)計(jì)方案的探討[J].纖維復(fù)合材料，2008(03):39~40.

[15]陳宗雨，郭偉，曾建民.精密鑄造可溶性石膏芯的研究[J].航空精密制造技術(shù)，2002(03):25~28.

作者：馬騰飛 李偉明 許向彥 單位：航天長(zhǎng)征睿特科技有限公司