RTM 工装进/出胶口流畅性的工艺研究与应用

陈明英，邹震宇，张 毅

（成都飞机工业（集团）有限责任公司，四川成都 610092）

0 引言

复合材料具有低密度、高比强度以及较强的可设计性等优点，且随着其制造技术的不断发展，复合材料用量在航空航天、民用领域的应用越来越多。近年来，复合材料在现代飞机制造中的用量不断增大，已经逐渐成为继铝、钢、钛之外的第四大航空结构材料。A380 客机复合材料用量达总重量的25%，B787 客机复合材料用量达到了50%，A350XWB 客机复材结构件用量达到了52%[1]。RTM（Resin Transfer Molding，树脂传递模塑成型）技术作为纤维增强树脂基复合材料液体成型技术中最具有发展前景的技术，在军用、民用飞机及汽车制造领域获得了越来越广的应用。随着以高精度、低成本、柔性化、数字化、绿色环保、快速化为特征的制造业高速发展，对产品质量性能信息的统一性和交互性的要求越来越高。

传统的树脂基复合材料成型技术主要为手糊成型、纤维缠绕成型、拉挤成型、模压成型、真空成型、喷射成型和RTM 成型工艺。RTM 成型工艺制品具有表面质量高、精度高，原材料利用率高，成型及固化工艺简单且对人体和环境伤害小，产品周期短的优势，这种制造工艺将是纤维增强树脂基复合材料制造的发展趋势。RTM 成型工艺是一种先进的复合材料制造方法，但这种加工工艺技术难度较高，设计及制造过程的工艺稳定性较差，次品率较高。RTM 成型工艺需要通过高压将高温树脂从工装的进胶口注入型腔，并通过出胶口将多余树脂排出，因此对进/出胶口的结构强度以及抗疲劳强度要求非常高。在反复成型过程中，进/出胶口极易因高压树脂的冲击造成磨损失效，导致树脂进/出胶不流畅，影响零件的成型效果。

根据生产现场RTM 工装胶口的实际使用情况，刚性RTM工装在每次成型零件后需对型腔及胶口进行清理，胶口的流畅性将直接影响产品质量。现场传统清理胶口的方法常导致胶口连接螺纹壁损坏，从而影响胶口的流畅性和工装的密闭性以及产品壁厚的均匀性。RTM 成型工艺及胶口位置的计算机模拟研究已取得了很大的发展，其计算方法和实验手段已获得广泛认可。但是在众多的文献中，针对RTM 胶口流畅性的研究却不多见，基于浇口流畅性的重要性，本文通过改进胶口清理方式从而达到低成本保证胶口的流畅性。

1 胶口连接工艺性分析

1.1 工艺流程及存在的问题

通常情况下，RTM 成型工装中进/出胶管路与工装主体的连接主要是通过主体上的螺纹进/出胶口依次连接转换接头、黄铜球阀、宝塔接头和进/出胶管连接。零件成型时，通过进胶口将高温高压树脂注入工装型腔，树脂充满型腔后从出胶口压出。待零件升温固化后，拆除转换接头、黄铜球阀、宝塔接头、注/出胶管部分，零件完全冷却后开模取出零件。此时工装胶口位置存在已经固化的残余胶体，因此需要人工干预，对胶口的积胶进行清理，以保证下次使用时进/出胶口的流畅性。

目前，RTM 成型工装进/出胶口的积胶主要通过人工方式去除。现场操作人员用细长钻头对准胶口位置中心，凭经验用力向下压钻头，通过钻头高速旋转下移清除模具进/出胶口螺纹孔中的积胶。RTM 工装在多次使用以后，胶口中心由于钻头多次清胶会发生一定程度的偏移，且胶口表面界面不清晰，造成现场操作人员再次采用钻头清胶时，无法准确判断胶口中心位置，导致钻头向下清胶时切削力没有垂直于底面，细长钻头工作中会产生径向抖动，导致进/出胶口螺纹壁损坏（图1）。

图1 损伤的螺纹口壁

1.2 原因及后果分析

通过理论分析及现场调研，对目前采用的RTM 工装进/出胶口与进出胶管路的连接方式进行工艺性分析。

（1）转换接头与进/出胶口处的螺纹孔多次连接易导致螺纹滑丝，每次使用时对胶口各孔清胶，钻孔会对工装造成一定的损坏（图2），损坏严重的，甚至会造成RTM 成型工装的密封性降低，影响零件的成型质量，工装存在频繁返修的风险。

图2 使用后的胶口

（2）通常情况下，单套RTM 成型工装有几个甚至几十个进/出胶口，采用此类连接方式时，工装清胶过程繁琐，工装每次使用后的维护保障工作效率低，严重降低了模具的有效使用率。

（3）进胶口与工装底面的垂直度会影响树脂注入质量，若不垂直注射会使树脂碰到注胶口反射到型腔中，破坏树脂在型腔内的流动规律，造成型腔内聚集大量汽包形成产品缺陷，导致注胶失败。螺纹损坏会影响工装气密性，影响树脂在型腔内的流动速度，导致产品壁厚不均匀，使产品存在缺陷甚至报废。

综上所述，现有一般类型的RTM 成型工装进/出胶口与管路的连接方式无法有效保证产品质量的持续可靠性，且工装的耐用性较差，生产效率低。

2 胶口连接工艺研究与改进

通过胶口连接工艺分析发现，在注胶口与出胶口之前有转换接头与模具螺纹孔连接，清理余胶时，钻头是先通过一段螺纹孔再进入胶口，最易损伤的是螺纹近孔口的壁部，只要清理胶口的长钻头避开胶口的螺纹，就可以满足不伤螺纹的要求。为此，设计辅助接头来优化进/出胶口与管路的连接方式。辅助接头螺纹比RTM 工装进/出胶口螺纹长3～4 mm，中心制光孔直径大于钻头直径1～2 mm（图3），辅助接头用45#钢棒料加工并淬火处理以保证硬度。

图3 进/出胶口辅助螺纹接头

与当前复合材料的特性相结合，不断提升系统运行中的非均匀性与脆性，由此增强复合材料的连接性和与金属材料的连接有效性。由于孔边容易出现高应力集中现象，因此系统运行中的连续效率不高，因此在工艺运行中要求不断优化工艺运行制件的连接。在工艺制件连接中要求不断胶接固化连接方式，综合采用螺接、铆接等机械连接方式以及混合连接方式，并综合运用复合材料成型试板与制作工作的具体要求相结合，据此开展试验验证方式是采用机械连接中的螺接方法。螺接方法的运用具有显著的应用优势，在装配拆卸过程中应不断优化部件的制造、更换与维修作业，增强连接方式的系统性与稳定性。

采用辅助接头，可以直接将接头螺纹旋入工装进/出胶口螺纹中，再通过辅助接头连接进/出胶口管路。工装使用后清胶时，可利用辅助接头的导向孔引入细长钻头，沿着辅助接头的中心孔延伸至工装的进/出胶口进行清胶工作。在清胶过程中，钻头作用力中心与胶口同轴且与底面垂直，辅助接头的螺纹比RTM工装进/出胶口螺纹长3～4 mm，钻头在清胶过程中避开了模具螺纹，保证工装进/出胶口螺纹完好无损，从而有效保证了浇口的流畅性、工装的气密性，提高了RTM 工装的有效使用率，保证零件制造质量的稳定性。此外，辅助接头经过淬火处理，硬度较高不易损坏，使用寿命长且具有通用性，可以运用在各类的RTM 成型工装上，具有一定的经济性。

3 使用效果

将辅助接头应用到生产实际后，对改进前后胶口清理效果流畅性工艺模拟效果进行比较，从模拟图中可以看出，进/出胶口工艺优化后，注胶的流畅性与注胶的稳定性都有了一定程度的提高。改进后的产品质量稳定性较高，零件出现缺陷的概率明显降低。

与当前不同产品工艺要求相结合，不断优化胶口工装的各项工序，最终生产出合格的产品。通过现场的长期应用实践证明，本文所设计的辅助接头制造简单、成本低、互换性强，完全满足使用要求。

4 结语

分析传统RTM 成型工装进胶口/出胶口的连接及清胶方法的现状，发现传统的清胶方式在每次零件成型完成后对进/出胶口各孔清胶时，存在细长钻头损伤模具接头连接螺纹、清胶过程中高速旋转的钻头擦伤浇道壁等严重缺陷。这些缺陷将导致模具气密性降低，液体树脂流动不均匀、渗透性差，频繁返修模具等问题，严重影响产品质量的稳定性及工装的使用寿命。经过对胶口连接方式的工艺分析，找到胶口连接处易损关键部位，并进行工艺研究与改进，研制一种低成本、互换性强的辅助接头，解决了关键缺陷问题，保证工装气密性，胶口垂直性、流畅性及浇道壁完整性，保证产品质量的稳定性，延长工装的使用寿命。