轻量化耐腐蚀复合材料铺叠模制造技术研究

谢飞舟，刘一凡，许春华，张勇兵

（航空工业成都飞机工业（集团）有限责任公司 技术装备公司，四川 成都 610092）

0 引言

近年来，高强度、耐高温和低密度的复合材料在航空领域得到了广泛应用，现代飞机中含有大量的复合材料结构件，甚至超过飞机总质量的50%[1-3]。

复合材料铺叠模是成型飞机结构件的重要模具之一，目前常用复合材料结构件的生产工艺为：采用手工将复合材料铺叠在模具零件上，整体进入热压罐，在一定温度和压力环境下经过一定时间的固化，脱模后得到复合材料结构件。该类模具制造材料采用Q235A，密度为7.85 g/cm3。目前使用这类模具的过程中主要存在2个问题：①模具质量较重，由于模具零件密度为7.85 g/cm3，虽然采用了减轻孔的设计，但单个模具质量依然达10～30 kg，铺叠过程不方便，如果模具掉下工作平台，易发生砸伤事故；②模具表面易生锈，图1所示为常用铺叠模的腐蚀情况。为保证成型的复合材料零件的表面质量，该种铺叠模表面粗糙度要求Ra≤3.2 μm，由于模具零件材料为Q235A，且使用环境较潮湿，使用一段时间后模具零件表面锈蚀，影响工作型面的表面质量，无法生产合格零件，需打磨模具零件表面，耽误生产进程。

以典型低温用复合材料铺叠模为例，针对其质量重、易腐蚀的缺点，选取密度更小的非金属为结构材料进行模具设计，开展数字化加工技术研究，制造新型低温用复合材料铺叠模，以减轻模具质量，避免模具零件腐蚀，延长模具零件使用寿命，减少生产返修的次数，降低工人劳动强度，提高生产效率。

图1 常用铺叠模的腐蚀情况

1 模具结构改进

为实现模具的轻量化和耐腐蚀，对于低温下使用的铺叠模，其使用温度不超过80℃，选择G48工程塑料（俗称可切削塑料）作为该类铺叠模的结构材料。该材料为PUR体系，由3种物质混合而成：①树脂A：BiresinG48，多元醇，不透明；②固化剂B：BiresinG55，MDI异类氰酸酯，无色；③填料C：氢氧化铝粉末，白色，粒径0～φ0.032 mm。材料耐受最高温度为90℃，因其具有良好的表面质量、强度高、可加工性强等优点而在飞机蒙皮拉形模上广泛使用[4,5]。该工程塑料是一种非金属材料，不会出现腐蚀现象，其物理参数如表1所示。

表1 G48工程塑料的物理参数

以典型的铺叠模为例，该模具由上述工程塑料G48制造而成，对其结构进行改进，图2所示为铺叠模结构改进方案。

图2 G48铺叠模改进方案

新型铺叠模的主体部分与原结构一致，为模体1与模体2，上下完全对称，上面刻有零件位置线和余量位置线。由于采用G48工程塑料，其强度低于Q235A，为保证模具零件的使用强度，取消原先减轻孔的设计，保证模体1和模体2为实心结构。为保证模具结构的稳定性，原结构左、右两端的耳片增厚10 mm，并在耳片销孔处增加固定衬套，模具共有4处需用到固定衬套。

2 模具制造过程

采用G48工程塑料制造新型复合材料铺叠模的主要工艺流程为：下料→浇注→数控→检测→标记→终检。

首先浇注得到毛坯，其浇注流程为：先通过木条样板和层板制备腔体结构，随后向型腔中浇注G48工程塑料，G48工程塑料的各组份必须先混合均匀，各成分质量比为：主剂（G48）∶固化剂（G55）∶填料=1∶1∶（1.2～1.5），其中主剂、固化剂为液态，填料为200目以下粉末（主剂、固化剂有效期为开封后70 min以内，应在有效期内使用，且填料应防潮避免结块）。各组份混合的顺序及相应的搅拌时间为：在G48工程塑料主剂中加入填料，用搅拌器搅拌5～6 min，随后缓慢加入固化剂，沿同一方向匀速搅拌4～5 min，使各组份原料混合均匀后，静置 10～15 min。静置之后，将该混合液体浇入事先制备的腔体，从浇口（最低处）缓慢匀速连续倒入，利用G48工程塑料的流淌性使其充满整个型腔，直到冒口（最高处）冒出为止。待G48工程塑料完全固化后去除封边层板、围边及多余物，型面光顺过渡。

随后对毛坯进行数控加工，数控加工过程中，精铣模体1、模体2上、下平面平行见光。保证台阶尺寸H1＞20 mm，各件的总厚度H2＞90 mm。在数控加工过程中，由于模具零件底面两端耳片强度较差，应选取切削力较小的数控铣削刀。对于未数控铣削的面进行砂磨至光顺，非工作边R5 mm可以取制木样板刮光流线。在模具零件上加工2个孔，各孔压入2×φ10 mm的衬套，应注意在压合过程中不能过紧，否则容易损坏模体，衬套外表面可通过涂胶帮助紧固。数控加工后刻零件外形位置线和零件余量位置线，保证线条清晰、粗细均匀。G48工程塑料的基本强度满足刻线的需求。最后，在模具零件做相应的标记。

模具零件数控加工完成后，对铺叠模型面进行测量，在型面上取数点测量其公差，测量数据如图3所示，公差范围为±0.1 mm。由图3可以看出，型面上所测量的点均在公差范围内，采用G48工程塑料制造的铺叠模型面尺寸合格。

图3 G48工程塑料铺叠模型面测量数据

图4所示为G48工程塑料铺叠模实物，模具整体结构完好无破损。模具零件型面光滑，表面粗糙度满足使用要求。零件位置线和余量位置线的线条清晰，粗细均匀。衬套压合紧密，未发生损伤。经测量，模具质量为2.75 kg，若采用材料Q235A制备，则其质量为11.11 kg。经对比，该轻量化模具质量减轻75%，实现了预期模具质量减轻50%的目标。

图4 G48工程塑料铺叠模实物

3 模具试用与后续测试

将模具交付客户进行试用，在模具上进行复合材料铺叠后进入热压罐加热保温。保温加热工艺：模具使用过程需2次进罐（45±15）℃保温1 h。由于G48工程塑料耐温90℃，在工艺规定的温度和保温时间后不发生变形，在模具出罐后也未发现有变形的情况。模具现场的使用效果良好，操作人员反映模具轻便好用、脱模方便，满足使用的强度需求，使用过程中无磕坏碰伤的情况。图5所示为实际铺叠效果，黑色部分为在模具型面铺叠的复合材料层。图6所示为脱模后的复合材料结构件，经过无损检测，该结构件合格。

图5 实际铺叠效果

图6 脱模后的复合材料结构件

由于模具采用非金属G48工程塑料制造，避免了模具的腐蚀情况，消除了模具零件因为腐蚀生锈而出现的返修情况，提高了生产效率。

为检测后续模具的稳定性，对试用一段时间的G48工程塑料铺叠模进行测量。图7所示为测量曲线，模具试用半年后，型面上的点公差为±0.1 mm。数据证明，G48工程塑料铺叠模具有一定的稳定性，G48工程塑料可以耐受模具使用过程中的温度和压力冲击。

图7 使用半年后G48工程塑料铺叠模的型面测量数据

4 结束语

以典型低温用复合材料铺叠模为例，针对其使用过程中质量重易腐蚀的特点，选取密度更小的非金属G48工程塑料作为模具材料。模具设计时取消减轻孔，耳片增厚，并在耳片销孔处加入固定衬套。随后开展了G48工程塑料铺叠模数字化加工技术研究。最后制造的模具质量减轻75%，也避免了模具腐蚀问题，降低了工人劳动强度，延长了模具使用寿命，减少生产返修的次数，提高了生产效率。