碳纤维复合材料弹翼模压成型模设计

汪洋，戈家荣，邹尚武，胡纪根，孙琦

（绍兴宝旌复合材料有限公司，浙江 绍兴312073）

0 引 言

飞航导弹的未来会朝着射程远、速度快、机动性好等特性方向发展，这决定了导弹必须走轻量化之路。弹翼是飞航导弹重要的增程部件，弹翼为导弹飞行提供升力，飞行过程中其翼面承受气动均布载荷，需满足一定强度要求和耐高温要求。

与其他材料相比，碳纤维复合材料具有较高的比强度和比模量，因而采用碳纤维复合材料是实现弹翼轻量化的重要途径之一。目前，碳纤维复合材料的成型技术较多，模压成型具有较高的生产效率，适于大批量生产，价格低廉，容易实现机械化和自动化，多数结构复杂的制品可一次成型，无需有损于制品性能的辅助加工，成型制品尺寸精确、表面光洁，可以有2个精制表面等优势。但是，复合材料模压成型模的设计与制造较复杂，而且制品在开模过程中容易受型腔限制，脱模困难。不合理的模具结构设计会造成成型制品受压不均，内部质量欠佳。

1 变截面弹翼工艺分析

某碳纤维变截面弹翼如图1所示，外形尺寸为875 mm×135 mm×9.8 mm，其整体型面要求偏差≤0.1 mm，特别是夹持区及加强区厚度要求分别为50-0.04mm和9.8+0.10mm。传统的导弹弹翼大多采用铝合金材料制作，碳纤维预浸料的密度大致为2 150 kg/m3，相同体积的碳纤维预浸料质量为铝合金的80%，现介绍材料为碳纤维预浸料的飞行弹翼的成型工艺及模具设计。

图1 变截面弹翼外形

2 成型工艺

变截面弹翼模压成型模由上、下模块组成，将变截面弹翼的一半铺设在下模型腔，另一半铺设在上模型腔，然后将上、下模闭合放入压力机加热固化。

由于变截面弹翼的形状不规则，需要按照强度计算结果采用不同纤维排列方向的预浸料错层铺设。变截面弹翼的铺层如图2所示，其中CD线为弹翼的对称中心面，01号线为弹翼的制品面，02～18号线为弹翼的加强区，19～35号线为弹翼的非加强区，36号阴影区域为碳纤维捻子条。

图2 变截面弹翼铺层（仅显示一半，另一半对称）

由于纤维布外形规则、模具的外形不规则，在铺层过程中会出现架桥的现象，容易造成纤维扭曲，并且将空气留在成型制品中，导致固化过程中每层的纤维粘接出现空隙，固化后的制品出现分层现象。为了避免这种情况的出现，每铺3～5层碳纤维就需要在表面铺盖一张真空袋，并用密封胶条将碳纤维层包裹在模具零件表面，最后将真空袋内的空气抽离，使每层碳纤维布压得更紧实。

3 模具结构

3.1 型腔设计

碳纤维复合材料弹翼模压成型模由上模和下模组成，由于弹翼在成型过程中需要加热至180℃以上，且压力达到1 000 kN，模具零件材料选用P20模具钢，并且进行淬火与低温回火处理，以保证模具的硬度和韧性，避免在180℃高温环境下变形。由于变截面弹翼形状不规则，在模压过程中会产生侧向力，为了消除侧向力对模压精度的影响，模具采用1模2腔结构，将型腔设计成对称形式，如图3所示，合模时左型腔会对模具产生向左的力，右型腔产生向右的侧向力，2个侧向力互相抵消，避免对模具产生损伤，影响合模精度。

图3 1模2腔结构

3.2 上模设计

上模结构如图4所示，因为目前的铺层技术多为手工铺层，所以碳纤维预浸料在铺层的过程中每层碳纤维布并不是非常整齐，固化后的制品需要将边缘切割，如图4所示的加粗点画线为制品的边缘线，需要在模具上刻线，刻线比模具零件型面单边缩进10 mm，制品固化后会在表面留下刻线痕迹，用于后续切割。

图4 上模结构

3.3 导柱设计

为了保证合模精度，模具设计了4根导柱，导柱采用过盈配合压入上模，导柱上装有钢珠套，钢珠套的目的是使上、下模开合方便。传统导柱导套在配合过程中都是滑动摩擦，由于导柱导套配合间隙通常在0.03 mm内，模具在高温高压下的轻微变形会导致导柱与导套单边卡死，增加模具开合的难度。通过采用钢球导柱组件，使导柱与导套的摩擦方式由滑动摩擦变为滚动摩擦，降低上、下模开合的难度。

3.4 上模镶件设计

模具零件型面不是采用整体式结构（见图4中I处放大），上模镶件通过螺钉5与上模紧固，镶件上设有螺钉孔用于镶件的拆卸，如图1中A-A截面所示，镶件处的制品厚度精度要求高，为50-0.04mm，由于制品成型中需要固化加热，且制品材料与模具材料不同，在加热和冷却过程中制品的最终尺寸存在波动，可通过拆卸镶件的方式调整此处制品的厚度。如果成型的制品该处偏厚，可以在镶件的安装面垫上铁皮，使合模后上、下模的镶件距离减小，减小制品该处厚度；如果成型的制品该处偏薄，可以将镶件的安装面磨低，增大合模后上、下模的镶件间距。通过这种调节方式使制品尺寸最终达到设计要求。

3.5 下模设计

下模结构如图5所示，下模型腔侧壁设有10个溢料槽，尺寸为10 mm×13.5 mm×2 mm，溢料槽的作用是将模压过程中多余的树脂通过溢料槽排出型腔，溢料槽后面设有一圈挡胶槽，挡胶槽的作用是为了存储溢出来的树脂，以防止树脂流入导套孔和限位块的螺钉孔。

图5 下模结构

3.6 限位块设计

下模周圈及中间设有限位块，所有的限位块都是在磨床上同时加工，保持统一厚度。制品在固化成型的过程中，上模压住限位块作为模具合模到位的最终标准，限位块的厚度也决定了上、下模合模后型腔的厚度。在制品正式生产前，应在型腔不同位置放入铅块，合模加压至理论压力，保压10～15 min后开模，测量各位置铅块厚度，此时需要关注镶件区的铅块厚度是否为50-0.04mm及镶件区两侧的铅块厚度是否为9.8+0.10mm，如果存在误差则先将镶件区两侧的型腔厚度调整至9.8+0.10mm，具体方法如下：如果型腔厚度偏薄则在限位块下面垫铁皮，增加合模后的型腔厚度；如果型腔厚度偏厚则将限位块拆卸，用磨床将其磨低，之后继续调整镶件区的铅块厚度。由于制品固化需要加热，会导致模具和制品产生热膨胀现象，碳纤维在冷却后不会随模具零件收缩，一般调整型腔厚度至稍小于理论厚度的状态。

3.7 导套设计

由于导套为薄壁结构，与下模安装孔设计成间隙配合。如果导套与安装孔配合过紧，安装过程中安装孔的侧壁会将导套挤变形，导致导套孔变小，增大与导柱的摩擦力，缩短导柱导套的使用寿命。导套与下模采用台阶和内六角无头螺钉固定，如图6所示，导套与安装孔通过φ60H7/g6的间隙配合，导套的壁厚为5 mm，在安装孔底部10 mm处将孔加工至φ52 mm，用于限制导套安装的深度。由于模具合模后，上、下模的空间比较小，无法通过盖板将导套紧固在下模，为了解决开模过程中导套可能被导柱带出下模的状况，导套插入安装孔后，导套与下模座的圆周接缝处均布3个φ5.2 mm孔，并加工M6 mm螺纹，然后拧上M6 mm的无头螺钉，通过该方法限制导套各个方向的自由度。由于模具在高温状态下需要开合，无法用机油润滑导柱导套，选用的导套材料为高力黄铜（CAC304）并镶嵌石墨，石墨起自润滑的作用。

图6 导套安装形式

3.8 组合块设计

组合块在前段和后段均刻有标尺，如图7所示，目的在于方便变截面弹翼的错层铺贴。

图7 组合块的刻度尺寸

如图8中D-D截面所示，为了方便组合块安装及脱模，2个组合块之间设计5°的配合面，且E-E截面中组合块与模座之间设计10°的拔模角，组合块上设有5个M12 mm的顶丝孔和4个M12 mm的紧固孔，紧固孔与顶丝孔周围设有深度为20 mm的存料槽，存料槽可以存储模压时产生的多余树脂，且防止其从组合块表面流入顶丝孔中。

图8 组合块

4 强度计算

通过HyperMesh软件模拟弹翼成型模在180℃的环境下受1 000 kN的压力，结果如图9所示。在高温高压的状态下，模具变形量最大的位置为上模的2个角，变形量约为0.15 mm，此时模具零件型面处的变形量为0.008 mm，且下模限位块所受应力最大，为290 MPa，限位块与模具零件材料为P20，其屈服强度为1 140 MPa，满足模具的使用要求。

图9 变形量及应力分布

5 模具生产过程

将组合块从下模座上拆卸，清理干净表面、螺钉孔和顶丝孔，擦涂3遍脱模剂。将上模和下模的镶件拆卸，所有镶件表面擦涂3遍脱模剂，擦涂完脱模剂后用螺钉紧固，12个镶件表面均匀涂覆一层硅脂膏。模具组合完成后检查镶件和组合块的安装位置是否正确，保证无组合间隙和阶差，组合块与模具零件型面齐平，2个组合块齐平，此时模具组装合格。上、下模镶件的顶丝孔使用堵孔螺栓加涂硅脂膏填充，组合块的顶丝孔使用硅脂膏填充，其目的是避免树脂流进顶丝孔内。

将上模和下模合模后置于压力机平台上，加压后压力缓慢升高，直至上模完全压住下模的限位块，保压10～15 min，最后卸压、开模。测量铅块的厚度，依据铅块厚度调节相应的2块内嵌镶件的垫片厚度，调整好后将碳纤维布按图2在型腔内铺层，最后合模在压力机上固化，待制品固化完成后开模取出成型制品，如图10所示。

图10 成型制品

6 结束语

经过变截面弹翼的实际生产表明，该模具设计合理，达到了使用要求，但模具在多次生产后还是不可避免地产生轻微变形，导致导柱导套摩擦力变大，模具开合困难，在后续同类型模压成型模的设计时可以考虑在模具4个角设计存放块。模具不使用时在上、下模之间放入存放块，减少导柱导套的配合量，以便模具开模，存放块可以通过链条与下模座侧壁连接以防丢失。