探究复合材料Invar模具制造技术

安兴华

摘要：本文介绍了復合材料模具的背景与特点，并围绕复合材料Invar钢模具的制造加工工艺进行探讨与分析，希望能够从理论层面上为复合材料Invar模具制造技术的发展提供一点支持与指导。

关键词：复合材料；模具；Invar；制造技术

一、概述

复合材料的密度低，强度高，具有较强的可塑性与可设计性，因此在工业模具制造中具有较高的应用价值，并逐渐取代了一些传统材料，在世界范围内逐渐得到推广与发展，这一点在飞机零件制造中十分突出。

在复合材料构件不断发展的背景下，关于飞机主承力构件的尺寸逐渐增加，这就要求对复合材料成型用模具材料进行改进与优化。在加热加压生产条件下，复合材料对基体塑脂高硬化温度与变化温度具有比较稳定的性能；在膨胀系数方面，其应与成型复合材料具有一致性；在真空中复合材料还需具有较强的稳固性；复合材料的尺寸应保持相对稳定；复合材料在成本上应具有突出优势。

现阶段，在模具使用中有几种材料都具有较强的适用性，而作为设计人员必须平衡材料性能，促使模具能够生产出更高质量的复合材料零件。

现阶段，Invar钢模具有较大的尺寸，想要一次成型存在较大难度，在Inavr连接中，焊接最为常用，例如熔化极气体保护焊、焊条电弧焊、激光焊以及钨极气体保护焊等等。其中气体保护焊在Invar钢焊接中的应用比较广泛，然而这种方法也存在一定的缺陷，即在焊接中缺乏金属流动性，浸润效果不甚理想，如果不对焊接技巧加以合理运用，那么就可能出现一些质量问题，例如气孔、开裂等等，对模具气密性检验与模具表面质量造成影响。因此，必须围绕Invar钢材料的焊接缺陷控制工艺进行研究与分析。与此同时，有的焊接结构规模较大，且复杂程度高，对于此类构件，要求严格控制焊后形变与残余应力分布问题。目前我国民用Invar钢模具焊接制造在很多方面并不成熟，在生产实践中需要面临诸多问题，尤其是Invar钢模具的焊接缺陷与形变控制最为突出。

此外，Invar钢具有活泼的化学性质，在热传导性能方面并不突出，在机械加工的过程中，这种材料具有较强的韧性与塑性，存在严重的加工硬化问题，断屑难度较大，在短时间内会导致接触面温度过高且不易散发，而且刀刃上还可能沾上加工中的断屑，进而影响到刀具使用寿命。但是，Invar钢材料相对特殊，并且在航空航天等国防领域中有着重要应用价值，现阶段关于Invar钢切削加工的研究与结论并不多，因此，围绕Invar钢的切削加工视乎的研究势在必行，必须针对复合材料制造的综合技术水平的提升进行分析。

二、复合材料Invar钢模具的制造加工工艺

（一）Invar钢焊接工艺

通常情况下，Invar钢焊接主要采用气体保护焊工艺，Invar合金液态焊缝金属缺乏流动性。采用与钢焊缝金属一般的增加焊接电流来实现焊缝金属流动性的改进显然是这种镍基合金无法实现的，甚至会产生负面作用，因此，在焊接时需要考虑对电流方式进行控制。

此外，还需保持较短的焊接电弧，并且在焊件厚度的选择上应优先对坡口形式与坡口角度予以考虑。在焊接时，需要考虑层间温度控制问题，避免持续高温作用下热影响区金属晶粒粗大问题出现。在焊接速度方面，应以板材厚度为依据进行设计，使溶深、焊缝宽度以及焊缝的致密性得到保障。如果焊接速度不合适，就可能产生相应缺陷，例如气孔等等。

在打底焊、堆焊以及盖面焊的过程中，焊缝质量在很大程度上取决于焊接电流，例如打底焊需要对焊接填充材料直径与焊接间隙予以考虑，基于此来调整电流，才能够使焊接质量得到保障。

为了控制焊接裂纹，还需要在焊接前清除掉焊件与焊丝表面含硫与含铅污物，并对装焊工艺顺序进行合理选择。相较于低碳钢与低合金钢焊缝，镍和镍基合金对气孔产生更为敏感，不仅会有氢气孔产生，也存在一氧化碳气孔与水蒸汽孔产生的可能。镍基合金产生氢气主要是由于在高温液态表，焊接熔池溶解了大量的氢，在焊接过程中一旦焊丝与焊接表面存在氢源，那么就会溶解大量的氢。在温度下降时就会降低氢气溶解度，进而析出氢。受到镍基合金固溶相温度间距的影响，熔池缺乏流动性，在冷却凝固结晶时熔池中往往无法溢出氢气，进而形成请气孔的产生。为了使气孔得到有效控制，在焊前需要交焊丝与焊件表面的污物予以清除。与此同时，根据有无背保护措施的焊接试验件对比，可以看出在没有背保护措施的情况下，焊接试验件背面焊缝凸起，并且存在显著的背面氧化现象，由此可见，在焊接时需要考虑在打底焊时通过气体进行背保护。

关于Invar钢焊接工艺的研究，为了使焊接质量与效率得到提升，需要推动Invar钢模具焊接生产的自动化发展，并对自动化焊接平台进行建设。

（二）Invar钢机械加工工艺

Invar合金具有较高的含镍量，因此钢的淬透性与可淬性较高，进而提升了钢的耐气性、耐腐蚀性以及耐久性。基于对Invar各方面性能的分析，Invar合金的切削加工性类似于奥氏体不锈钢，然而相较之下，Invar加工难度更高，因此Invar合金在加工时的特点以大切削力、高切削温度以及大刀具磨损为主，进而导致软、粘以及塑形大等现象十分普遍，切屑折断难度大，切屑与前刀面摩擦增加，使刀具磨损加剧，对刀具耐用度与工件加工精度造成影响，因此在加工Invar合金的过程中，需要优先考虑硬质合金涂层刀具，这种刀具具有优异性能，此外还需要对加工方法加以合理运用。

参考文献：

[1]刘招娣.大型薄壁Invar钢复合材料模具制造技术[J].电加工与模具，2009，（1）：4750.

[2]王玉华，陈洁，占小红，等.复合材料Invar模具制造技术分析[J].航空制造技术，2014，（11）：9395，99.

[3]黄钢华，张冬梅，晏冬秀，等.Invar钢模具制造工艺研究[J].航空工程进展，2011，02（4）：485488.

[4]顾轶卓，李敏，李艳霞，等.飞行器结构用复合材料制造技术与工艺理论进展[J].航空学报，2015，36（8）：27732797.