复合材料金属对模成型工艺参数尺寸链设计与应用

秦闯 邹志伟 曹延君 孟凡壹 王宏禹

摘 要 为解决目前预浸料铺放—金属对模加压成型工艺参数的设计无标准、无规范问题，分析和提取与尺寸相关的8项工艺参数，基于各工艺参数对5项设计指标的影响关系，建立工艺参数尺寸链，并提出工艺参数设计原则与设计流程。应用尺寸链为一项工程实例设计出工艺参数，满足设计要求与工艺要求，证明方法的可行有效。为工程实践参数选择提供了便利与理论依据，为后续对所有参数量化选择与形成工艺设计标准、规范奠定了基础。

关键词 工艺参数尺寸链；金属对模成型；复合材料；工艺压缩量

ABSTRACT  Eight process parameters related to size are analyzed and extracted to solve the problem that there are no standards and regulations in the design of the process parameters for prepreg laying and matched mould pressing technology. Based on the influence of process parameters on five design indexes， the dimension chain of process parameters is established， and the design principle and design flow of process parameters are put forward. The dimension chain is applied for a project case to design the process parameters which meet the requirements of design and process. The feasibility and effectiveness of the method are demonstrated. It provides convenience and theoretical basis for the selection of parameters in engineering practice， and lays a foundation for the quantitative selection of all parameters and the formation of process design standards and specifications.

KEYWORDS  process parameters dimension chain; matched mould pressing technology; composite material; process compression amount

1 引言

近年来，航天技术发展迅速，复合材料因其自身轻质、高强、高模量的优点，在航天产品结构中被大量采用。作为复合材料成型的主要工艺之一，模压成型工艺具有生产效率高、成型内部质量易于保证、尺寸精度高、制品表面光洁等优点，在航天产品生产中广泛使用[1]。由于航天领域产品具有定制化设计、单件小批量生产、多品种等特点，相对于以压机为主的模压成型工艺，以螺栓机械加压方式为主的预浸料铺放—金属对模加压成型工艺灵活性更强、适用性更广，所以使用更为频繁。

复合材料的成型工艺实施包含一系列复杂的物理、化学过程，碳纤维增强复合材料模压成型是多参数耦合体系，伴随着传热、化学反应、基体熔融流动、热膨胀、应力松弛等相互影响及耦合扰动，对产品质量的影响规律极其复杂[2]。为保证产品质量，合理选择合适工艺参数尤为关键，路明坤[3]等人对树脂基复合材料模压工艺加压时机进行了优化研究，开发出优化程序，针对给定纤维体积分数值的树脂体系，计算出满足设计要求的加壓时刻的粘度值。朱楠[4]等人通过研究，总结出影响模压制品成型质量的因素主要为：预浸料性能（包括树脂含量、纤维体积含量等技术指标）、成型模具精度、环境条件（包括温度、相对湿度及环境的洁净度等）、铺放过程控制、铺放质量、热压机的工作状态、合模间隙控制及固化过程控制（温度、压力、保温时间）。沃西源[5]等人分析了温度、模压压力、时间、挥发份等因素对模压成型过程的影响。现有对工艺参数的研究往往针对于以压机为核心加压措施的模压工艺，对于以螺杆机械式提供加压压力的金属对模成型工艺，由于压力无法准确量化控制，研究较少。

在工艺实施过程与尺寸相关的工艺参数较多，往往基于尺寸计算，通过精准的投料与控制模具加压后的拼装间隙（合模缝隙）保证加压有效。工艺参数包含固化温度、固化时间、热合模温度、投料量、压缩量、模具尺寸、加压时机、预浸料厚度等。为了保证产品成型后内部质量、尺寸精度、重量、热力学性能等指标满足要求，需要综合控制各工艺参数，变量较多且关系复杂，在参数选择与设计上，目前尚未有成熟的执行标准与规范，工程实践对于工艺设计人员的经验依赖性较大[6]。

因此，本文针对性地对金属对模工艺的部分尺寸相关工艺参数进行分析提取，基于各参数相互关系，建立工艺参数尺寸链，给出可用于不同构型、厚度产品的尺寸链规划模型，便于工程实践对工艺参数进行设计，并通过实例验证模型在实际应用中的有效性。

2 设计指标与基本工艺参数

为建立尺寸链规划模型，需选定参数并设定公差范围。工艺参数的设计目的是保证成型后的各项指标满足要求，由于工艺参数变量较多且关系复杂，因此，选定与尺寸相关的工艺参数，结合各工艺参数影响到的设计指标，并将设计指标作为边界约束条件设定各参数的范围。

2.1 设计指标

2.1.1 纤维体积含量Vf

复合材料制品内部质量可通过纤维体积含量、孔隙率、密度等参数表征，是复合材料能否发挥出性能的关键，工艺参数设计过程，工艺压缩量的设计是保证产品内部质量的成型核心工艺环节，为量化工艺压缩量的设计，主要选取了纤维体积含量作为主要设计指标之一。航天产品纤维体积含量要求一般为Vf制品=（60±3）% [7]。

2.1.2 重量M

为充分发挥复合材料轻质高强、高模的优势，产品重量指标在航天产品设计中与设计成本息息相关。其受工艺设计环节的投料量（铺层数及预浸料单层厚）影响，因此，选取重量作为设计指标之一。

2.1.3 外形尺寸E与壁厚尺寸D

产品的尺寸精度包含外形尺寸精度与壁厚尺寸精度，作为宏观参数，是尺寸链模型的基础，作为尺寸链建立的设计指标。

2.1.4 热、力学性能

复合材料产品的热、力学性能是产品材料选择、结构设计、铺层设计的综合结果，材料与结构一体化设计，铺层信息既是设计参数又是工艺参数，在工艺参数设计与工艺实施过程参数存在一定的差异时，需结合具体情况进行分析。因此，将热、力学性能作为主要设计指标之一。

2.2 工艺参数

2.2.1 工艺压缩量A

预浸料铺放—金属对模加压成型工艺的基本原理为：外模与内模组合，形成封闭模具腔如图1所示，实际铺放预浸料的体积（投料量）V投料多于实际模具型腔体积V实际，将A=V投料-V实际定义为工艺压缩量，将工艺压缩量与实际型腔体积的比值定义为工艺压缩比α，即α=（V投料-V实际）/V实际×100%。工艺压缩量的作用是在组合内模与外模过程对预浸料产生压力，预浸料制备过程树脂含量高于制品，通过升温，预浸料中的树脂粘度降低被挤压后充分流动，与纤维充分结合，溢出模具型腔过程带走气体以形成致密的复合材料后固化，纤维体积含量随之提高[8]。

为确定工艺压缩比的取值范围，在忽略工艺损耗的前提下，成型前后纖维体积含量不变，则有V投料×Vf预浸料= V实际×Vf制品。代入压缩比公式，可得到压缩比与纤维体积含量有如下关系V实际×（1+α）× Vf预浸料= V实际 ×Vf制品，可得到公式（1）。

α=Vf制品/Vf预浸料-1                      （1）

按照航天产品纤维体积含量要求Vf制品=（60±3）%，预浸料纤维体积含量应略低于制品，一般制备为Vf预浸料=（57±3）%，代入公式（1）。

计算压缩比公差范围：

αmax=Vf制品max/Vf预浸料min-1=16.7%

αmin=Vf制品min/Vf预浸料max-1

由于成型过程加压挤出胶液，制品的纤维体积含量一定大于预浸料， 即Vf制品＞Vf预浸料，因此αmin>0。为保证有足够的压力促使树脂流动，工程上取值αmin=5%。据此，工艺压缩比的取值范围为α=[5%，16.7%]。

2.2.2 合模缝隙F

合模缝隙是金属对模工艺特有工艺参数，指模具拼装后模具板之间的缝隙，如图2所示，金属对模加压过程即是使模具之间的缝隙逐步减小、型腔逐步接近理论型腔的过程。按金属对模工艺流程，在拼装模具完成后，在放入固化炉升温前后进行两次加压合模过程，分别称为冷合模与热合模，冷合模后预留一定的合模缝隙以便在热合模胶液粘度适宜的条件下进行二次加压，以利于胶液流动。理想状态下的热合模后的合模缝隙为0，保证模具尺寸与产品尺寸相同。实际情况受模具结构复杂程度、合模压力、合模时机选择的影响，热合后会存在一定的缝隙，为合理的工艺偏差，需结合产品外形的要求、模具的复杂程度设计合理的参数范围。一般合模缝隙要求越小，合模工艺实施难度越大。

2.2.3 外模尺寸W 与内模尺寸S

为保证模具的强度与加工精度，金属对模工艺外模通常为金属模具，内模可选择有水溶性模具、金属件模具等，模具与复合材料热胀系数有差别。复合材料在高温下固化，常常在设计过程对模具尺寸缩放以补偿温度的影响[9]。为简化研究，本文不考虑温度影响，仅讨论不缩放的模具尺寸。模具尺寸公差由产品尺寸公差要求及合模缝隙决定。

2.2.4 铺层信息Χ

铺层信息包含铺层角度Φ、铺层顺序及铺层比。预浸料铺放工艺是由单向预浸带铺叠并固化而形成的层压结构，而单向带呈现强烈的正交异性（沿纤维方向的性能与垂直方向的性能差别很大）。可以在不同方向铺设不同比例的单向带（预浸料），满足结构平面内所需方向性能的要求。因此铺层信息作为基本工艺参数之一，常根据产品结构的热、力学等性能要求，结合仿真计算与理论分析，对铺层进行设计。由于仿真模型对结构铺层信息的简化方式为产品结构各面独立设定，棱边采用共节点约束，纤维连续性无法模拟，而实际工程中预浸带连续铺放，因此在执行铺层的设计信息的过程需结合具体性能要求进行优化，综合保证铺层角度与连续性，实际铺层与理论铺层信息会有所差别。

2.2.5 铺层数N

铺层数理论上通过预浸料单层厚度与产品壁厚计算而得，在铺层设计过程对铺层角度Φ、铺层顺序及铺层比进行规划时，可在理论基础上增加层数，以提供压缩量。但需考虑是否影响热、力学性能以及能否满足产品重量要求。

2.2.6 预浸料单层料厚度T

预浸料是用树脂基体浸渍连续纤维或织物制成的树脂基体与增强体组合物，是制造复合材料的中间材料。单位面积纤维质量（面密度）是表征预浸料性能的物理参数之一[10]，在指定纤维体积含量的要求下，面密度与预浸料厚度呈确定比例关系，对于金属对模工艺，预浸料单层厚是更直接的工艺参数，因此工程上更常使用。理论上可通过预浸料制备过程上纱团数及胶膜厚度的调节，制得满足纤维体积含量要求的任意厚度的预浸料。为了便于依据产品厚度进行铺层设计，常用预浸料厚度有0.1mm，0.125mm，0.2mm，厚度偏差可控制在±5%。

2.2.7 铺放累积误差C

铺放累积误差产生原因如下：受手工铺放力度的影响，在棱边拐角处预浸料折弯弧度与理论弧度有偏差，受铺放精度影响，两张预浸料对接处会有接缝或重叠，随着铺放层数增加，这种偏差会逐步累积，最终会导致实际预浸料与理论预浸料堆叠量具有偏差（通常为实际多于理论），这种局部的偏差在高温固化树脂流动过程会均分在各个面上，形成铺放累积误差。工程上采取在预浸料铺放一定厚度后进行预压的方式控制铺放累积误差，误差范围一般可控制在铺放厚度的1%～2%。

综上所述，确定了内部质量、外形尺寸精度、壁厚尺寸精度、热/力学性能和重量5项设计指标，确定了工艺压缩量、铺层数、预浸料单层厚、外模尺寸精度、内模尺寸精度、合模缝隙、铺放误差和铺层信息8项工艺参数，如表1所示。

3 尺寸链建立

3.1 尺寸链建立

在产品某一尺寸方向上，包含外模、内模、复合材料，由于面内方向的变化对体积影响很小，因此可将工艺压缩量与压缩比计算简化为厚度方向。可得出：

HA=H投料-H實际；α=（H投料-H实际）/H实际×100%。

HA代表厚度方向工艺压缩量，H投料代表投料厚度，H实际代表实际型腔厚度，以此为尺寸链建立基础。为便于表达与分析，规定大写字母代表参数公称值，小写字母代表参数公差值。

实际模腔厚度H实际与外模尺寸W，内模尺寸S，合模缝隙F关系为：H实际=W-S+F；

实际投料量厚度H投料由铺层数N、预浸料厚度T、铺放累积误差C求得：H投料=T×N+C；

3.2 工艺参数设计原则

尺寸链建立后，由于参数众多且关系复杂，需分清主次关系，结合设计指标，确定各参数类型与设计原则，以便设计各工艺参数。

压缩比α是影响产品内部质量的关键，是保证产品性能的重要参数之一，将其作为目标变量。合模缝隙f、外模模具尺寸公差w、铺放累积误差c与设计指标的关联性较单一，因此可直接进行设计，将其作为设计变量。铺层数公差n、预浸料单层料厚度公差t与内模模具尺寸公差s的可设计性比较强，且对设计指标的影响关系较复杂，因此将此3项作为控制变量。

参数类型确定后，依据各参数与设计指标的关系，确立参数取值范围设计原则，总结各参数类型及设计原则如表2所示。

3.3 工艺参数设计流程

通过尺寸链的建立关联了各参数，工艺参数设计原则给出工艺参数与设计指标的关系，即确定了参数设计的边界条件，再通过目标变量与控制变量的设置，即可建立工艺参数设计流程，如图4所示。首先，依据产品外形尺寸精度要求，确定合模缝隙与外模模具尺寸公差。其次，考虑产品重量指标，如果指标要求为5%范围内，无法通过增加铺层数及增加预浸料厚度的方式提供压缩量，则将内模模具尺寸作为主要控制变量。如果重量指标大于5%，判断铺层信息是否可更改，如果可更改，将铺层数作为主要控制变量，如果铺层不可更改，将预浸料单层厚作为主要控制变量。确定主要控制变量后，其他控制变量按理论值计算，对主要控制变量初步赋值，然后计算累积误差，最后将已知数据代入尺寸链计算公式，即可求得压缩量，如果求得的压缩比在5%～16.7%范围内，则各参数确认完成。否则，重新修正主要控制参数，代入计算公式，直至压缩比满足要求。特殊情况，如果单一控制变量赋值无法计算得到满足要求的压缩量，则可在主要控制变量赋值后，再将其他1个或2个控制变量作为主要控制变量进行多变量赋值，以满足要求。

4 工艺参数尺寸链应用

以某产品工艺设计过程为例，阐述工艺参数尺寸链的应用方法。

4.1 产品要求

产品结构形式如图5所示，主体为立体封闭腔网格筋结构，内部具有6条纵筋，1条横筋，在长度方向具有8处壁厚，宽度方向3处壁厚，高度方向2处壁厚。产品各参数指标如表3所示。

单层厚H=0.1mm 结构面内热胀系数及模量要求苛刻，铺层信息不可更改

按此产品构型，设计模具结构形式如图6所示，长度方向7个内模，宽度方向2个内模，高度方向1个内模。

4.2工艺参数设计

接下来，应用工艺尺寸链，按3.3所制定的工艺参数设计流程设计各工艺参数，由于三个方向累积壁厚不同，各个方向分别计算。

（1）根据产品指标要求，产品外形尺寸公差为e1，e2，e3=[-0.2，+0.2]，由于产品尺寸<1000m，且构型简单，将三个方向合模缝隙要求设计为f1，f2，f3=[0，0.2]，则可求得模具外形尺寸公差为w1，w2，w3=[-0.2，0]。

（2）根据产品指标要求，产品重量公差m=[-10%，10%]且铺层信息不可更改。按设计流程，确定预浸料单层厚H作为主要控制变量。

（3）选定H作为主要控制变量后，铺层数N与内模模具尺寸S公差即可按理论确定。由于产品壳体及筋壁厚均为8mm，铺层设计采用单层0.1mm的预浸料，因此铺层数N=8/0.1=80，铺层数公差n=[0，0]，根据产品内筋结构，三个方向的累积铺层数分别为：

计算所得各压缩比在合格范围内。至此，采用尺寸链及工艺参数设计流程设计出了满足指标要求及工艺要求的工艺参数，如表4所示。

5 结语

本文分析、提取出工艺压缩量、铺层数、预浸料单层厚、外模尺寸精度、内模尺寸精度、合模缝隙、铺放误差和铺层信息8项工艺参数，基于各工艺参数对纤维体积含量、外形尺寸精度、壁厚尺寸精度和热/力学性能5项设计指标影响关系，建立出针对金属对模成型工艺的工艺参数尺寸链，并提出工艺参数设计原则与设计流程。应用尺寸链对一项工程实例进行工艺参数设计，所设计的工艺参数满足设计指标与工艺要求。虽然尺寸链中的参数未覆盖所有工艺参数（如温度，时间，压力等），但已基本建立出部分工艺参数之间的关联及对设计指标的影响关系，工艺参数设计更加方便，并为后续工艺设计所有参数的量化选择形成设计标准及设计规范奠定了基础。

参考文献

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