环氧胶砂拉形模制造的工艺研究

陈星 蔡健

摘 要：本文主要介绍了环氧胶砂拉形模生产制造的工艺流程，通过对环氧胶砂拉形模在生产、使用过程中出现的一些问题的分析总结，得出环氧胶砂拉形模常见结构及特殊结构在工艺制造时应该注意事项，以及环氧胶砂拉形模还需进一步研究解决的工艺问题，最终通过工艺分析选取合适的工艺流程加工制造工装拉形模。

关键词：环氧树脂；环氧胶砂；工艺装备；拉形模

中图分类号：TG76 文献标识码：A

拉形模用于在拉形机上成型表面积大、曲度变化缓、外表光滑、质量要求高的单、双曲度蒙皮零件，蒙皮零件指构成飞机气动力外形的薄板件和内部结构的包皮，工装拉形模的加工质量好与坏直接影响飞机蒙皮产品的质量，所以拉形模是成型飞机蒙皮零件的重要工艺装备之一。拉形模结构简单，一般只有凸模或凹模，除少数为金属材料外，大部分都是用樟松、环氧胶砂等非金属材料制造的，这些材料制造周期短，协调性好，便于科研生产初级阶段成熟度不高的设计更改，节约了一定的生产制造成本。

拉形模的制造依据通常有切面样板、正反模型、标准实样和数学模型，随着数字化技术的发展，拉形模的制造依据主要转变为数学模型（以下简称数模）。依据的改变，生产过程中也出现了一些新的问题，对拉形模制造工艺的研究及不断完善可解决各类拉形模在生产过程中常见的一些问题，提高拉形模产品质量及生产效率，从而保证飞机产品的快速发展。

1 数模加工拉形模的生产工艺

设计部门提供拉形模数模为实体模型，不能直接用来作为生产依据，通过工艺分析对该实体模型进行分解，需提供以下制造依据及工艺流程。

1.1 依据数模制作拉形模基体木框架

拉形模是由木质框架和基体环氧胶砂两部分组成，拉形模基体木质框架是依据数模剖切基体侧框及端面纸样板，依据纸样板制作木框架，框板樟松30mm～50mm厚，含水率8%～15%。框架带胶卯榫连接并用圆钉加固，框架内口上侧倒45°斜角。在胎长大于1.5m时，沿横向加一根拉筋（钢带），胎长每增加1m加一根拉筋，防止填充胶砂时框架胀裂。根据拉形模的类别（横向拉形模、纵向拉形模）在非拉伸方向的两侧、胎体重心面之上设置吊环，防止零件拉伸成型的干涉。拉形模拉伸方向的转角一定要加工制造出来，防止拉伸时出现尖角损坏成型零件。拉形模典型木框架结构如图1所示。

1.2 和制填充基体胶砂

平台涂刷脱模剂，拉形模木框架置于平台上，底面、内侧表面涂刷环氧胶，待环氧胶初凝不粘手时，和制填充胶砂，胶砂和制均匀，无胶块或干砂，开始逐层夯实填充，防止拉形模基体松动产生空隙影响拉形模自身的强度。若拉形模外形尺寸较大（胎长1.5m以上）或长宽比较大时，基体胶砂内需填埋槽钢或钢骨架加强，为保证拉形模基体的强度采用整体钢骨架结构加强基体的强度。基体胶砂型面按数模剖切横向纸样板制作反切内木样板来控制，使拉形模胶砂型面能够随拉形模表面的形状。

1.3 塑制型面环氧胶层

待基体环氧胶砂固化后，开始塑制型面环氧胶层，和制型面环氧胶层时内加滑石粉作为填料，滑石粉含量占表面环氧胶层的60%，塑制型面环氧胶层时，逐层按压塑制，每层厚度不大于10mm，进行逐层填补环氧树脂层是防止由于环氧树脂凝固时放出的热量过多，表面层内部产生气泡缺陷。塑制时，首先将涂有脱模剂的型面反切内木样板、周边四框切内木样板（留出数控加工余量10mm）定位、固定于拉形模胎体上，然后用环氧胶层依据样板塑制出样板位置条，最后依据样板位置条，用刮板刮制出环氧层型面。这样可较好的控制型面环氧层厚度，保证其较均匀，不会出现缺肉或胶层过厚现象。样板定位示意如图2所示。

1.4 拉形模型面数控加工

按数模编制数控程序铣切型面，并对数控铣后型面缺陷（气孔、干砂、未凝固环氧胶）等进行修复，由于表面环氧层的制造是在开放的环境下进行，导致型面气孔数量较多，为便于修补，修补用环氧胶内滑石粉填料可降为10%～20%，以便于刮制修补型面，最终水磨砂纸打磨型面至光滑流线。

2 拉形模制作及使用过程存在的问题

2.1 制作过程中存在的问题及解决方法

拉形模型面在数控铣后易出现胶砂外露、气孔、内层环氧胶未凝固等现象。胶砂外露可通过多道胶砂表面层反切内木样板控制型面，复杂形状的型面可采用多道反切内木样板严格控制型面的形状，进而控制表面环氧胶型面厚度；环氧胶未凝固跟车间环境湿度、温度及固化剂、促进剂等的配比有关系，如化学试剂的配比用量的多少直接影响拉形模基体强度，间接影响飞机零件的质量，所以拉形模基体环氧胶砂的调制是拉形模制造的主要工艺问题。表面环氧层数控铣后的最大缺陷是大量气孔的外露，气孔的出现增加了后续型面修补的工作量，甚至影响型面公差。如何减少甚至消除气孔的数量是制造表面环氧层的主要问题。通过对比试验后发现，在表面环氧胶充分和制均匀的基础上，将填料滑石粉的比例降为40%～50%，表面环氧胶流动较好，气孔易排出，但因环氧胶流动，型面不易控制，且滑石粉填料的减少会降低型面润滑效果，影响拉形模表面质量；在填料为50%～60%时，环氧胶较粘稠，流动性小不易和制，但滑石粉填料的增加可改善拉形模表面加工性能，并可提高润滑性，表面质量良好。

综合以上原因，可在塑制底层时填料控制在40%～50%，塑制表面层时控制在50%～60%，并在塑制表面层时逐层按压塑制，每层厚度控制在10mm以下，以便将胶内气体最大可能的排除。拉形模型面环氧层填补时，均匀控制每层环氧层，并进行逐层填补排除凝固时产生的热量。

2.2 使用过程中存在的问题及解决方法

窄长型拉形模，如机翼前缘蒙皮拉形模在搬运及使用过程中易出现横向断裂或表面环氧胶层开裂等严重质量问题。分析原因主要是：（1）拉形模本身结构特殊，拉伸时作用力集中导致局部受力过大导致胎体发生断裂。拉形模自身结构特殊和重量较沉，搬运时自重较大引起横向断裂；（2）胶砂未和制均匀，因干砂或胶块导致局部强度不够；（3）刮制表面环氧胶层时，环氧胶内部热量未充分散发，导致数控铣时就出现开裂现象。

经过长期生产制造，得出以下解决方法：该类拉形模在胶砂充分和制均匀的基础上，基体添加整体钢骨架结构进行加强基体强度；同时通过对比试验后发现，在逐层塑制环氧层型面时，应该等待前一层环氧树脂充分固化放热彻底后，才能可塑制下一层。每层厚度不超过10mm，可确保充分固化散热，避免环氧层过厚，基体内部热量不能充分散发造成环氧层开裂现象的发生。

结语

拉形模工艺流程较简单、易操作，但容易忽视细节，极易产生产品质量问题。对拉形模常见问题的分析、试验，找出解决方法，并将其贯穿于生产制造工艺规程中，可有效控制生产流程，提高拉形模质量，对提高飞机产品的质量奠定良好基础，从而可以促进国家飞机行业更好更快的发展。在不具備真空搅拌设备的情况下，如何减少甚至消除环氧胶层内的气孔，是按数模加工拉形模急需解决的问题；在数控加工制造拉形模时，铣切环氧树脂型面产生大量的粉尘，对数控加工人员身体产生一定的危害，除了现有操作方法外，还需要进一步研究新型材料在拉形模的制造工艺。

参考文献

[1]工艺装备设计制造—中航工业沈阳飞机工业（集团）有限公司.工艺员手册（第三分册）[Z].