大型復(fù)合材料箱體成型模具設(shè)計(jì)

葉 青 陳 博 倪 恒 寇 晨

（1 西京學(xué)院機(jī)電技術(shù)系，西安 710021）

（2 咸陽師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，咸陽 712000）

文 摘 為了制造合格的大型復(fù)合材料箱體，本文制定了箱體成型模具的設(shè)計(jì)和制造方案。某復(fù)合材料箱體屬于大型長軸類產(chǎn)品，其成型模具撓曲變形及脫模力大。模具主體采用通長軸、周向輻板、軸向筋板和蒙皮組合的結(jié)構(gòu)形式。模具通過無縫鋼管、模具骨架及蒙皮形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有效保證模具剛度，通過帶斜度工作平面及變圓角設(shè)計(jì)大大降低脫模力，通過在頂出端使用更厚的鋼板提升其在脫模時的可靠性。仿真結(jié)果表明，簡支工況下模具最大應(yīng)力值為42.9 MPa，最大變形量為0.51 mm；脫模工況下模具最大應(yīng)力值為188.6 MPa，最大變形量為0.5 mm。根據(jù)模具結(jié)構(gòu)制定了分別組焊、整體裝配的加工工藝路線并完成了模具制造。仿真及模具實(shí)際使用結(jié)果表明，該模具滿足復(fù)合材料箱體的生產(chǎn)需求。

0 引言

某箱體是某儲運(yùn)發(fā)射系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，肩負(fù)著儲存、運(yùn)輸、起豎、發(fā)射等重要作用，能夠有效提升儲運(yùn)發(fā)射系統(tǒng)機(jī)動性，延長系統(tǒng)使用壽命，提高系統(tǒng)可靠性［1-2］，該類型箱體通常采用金屬材料或復(fù)合材料制成。相對于傳統(tǒng)的金屬材料箱體，復(fù)合材料箱體具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕及燒蝕性能好、無焊接變形、可設(shè)計(jì)性好等諸多優(yōu)勢［3-7］，因此，復(fù)合材料已成為該類型箱體設(shè)計(jì)制造的優(yōu)選材料［8-10］。但不同于金屬材料箱體采用多件焊接成型，復(fù)合材料箱體往往采用纏繞［11-12］或真空導(dǎo)入［13-14］等成型方法在模具上一體化成型，并采用機(jī)械脫模的方法將箱體和成型模具分離。因此，設(shè)計(jì)制造滿足產(chǎn)品尺寸精度和工藝需求的成型模具是生產(chǎn)復(fù)合材料箱體的關(guān)鍵。

本文提出了一種可行的大型復(fù)合材料箱體成型模具設(shè)計(jì)及制造方案，針對某大型復(fù)合材料箱體的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及工藝特性設(shè)計(jì)了箱體成型模具，集中解決了模具在使用過程中撓度大、脫模力大等問題，針對相應(yīng)工況進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。并制定了大型復(fù)合材料箱體成型模具的制造工藝路線，完成了模具的制造。

1 復(fù)合材料箱體及模具特性分析

1.1 復(fù)合材料箱體特性分析

某復(fù)合材料箱體外形及截面尺寸如圖1所示。箱體由蒙皮、蒙皮外部的多道周向加強(qiáng)筋和箱內(nèi)的一條導(dǎo)軌組成。

圖1 復(fù)合材料箱體外形及截面尺寸Fig.1 Shape and section dimensions of container

箱體總長8 370 mm，截面為方形，內(nèi)腔截面尺寸810 mm×810 mm，蒙皮厚度10 mm，周向加強(qiáng)筋高度20 mm。箱體采用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料制成，理論質(zhì)量758.4 kg。要求箱體直線度≤2.5 mm。該箱體蒙皮采用真空導(dǎo)入成型，周向加強(qiáng)筋采用連續(xù)纖維纏繞成型，周向加強(qiáng)筋固化后借助油缸使用機(jī)械脫模方式將模具從箱體內(nèi)腔中頂出。

1.2 模具設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

由于箱體屬于大型長軸類產(chǎn)品，長度與截面尺寸的比值更是達(dá)到了10.3，這會使模具在兩端簡支情況下發(fā)生較大的撓曲變形。箱體直線度要求高，必須提高模具的剛度。箱體的截面尺寸和長度較大，箱體內(nèi)腔與模具的接觸面積較大，達(dá)到了5.5 m2，因此，脫模難度大，機(jī)械頂出脫模力大，對于模具的強(qiáng)度和剛度要求都較高；應(yīng)重點(diǎn)考慮通過合理的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)降低脫模力。此外，纏繞設(shè)備極限載重9×103kg，模具質(zhì)量控制在8×103kg以內(nèi)為宜。

2 箱體成型模具設(shè)計(jì)

2.1 模具總體設(shè)計(jì)

大型復(fù)合材料箱體模具通常采用周向輻板、軸向筋板和蒙皮的結(jié)構(gòu)形式，模具質(zhì)量輕，施工空間大，但其定位效果差，整體剛性差，脫模力不能被有效傳遞，定位偏差和焊接變形往往會造成蒙皮變形量過大，進(jìn)而導(dǎo)致加工后蒙皮某些位置厚度大大低于設(shè)計(jì)厚度，影響其使用壽命甚至導(dǎo)致模具報(bào)廢。為此，增加脫模時的脫模力傳遞途徑，本模具考慮沿模具軸向設(shè)置一根通長軸，采用通長軸、周向輻板、軸向筋板和蒙皮組合的結(jié)構(gòu)形式。

模具需要承受較大的脫模力，對材料屈服強(qiáng)度及彈性模量要求高，不宜使用非金屬材料，本模具材料采用Q390 B 高強(qiáng)度鋼。模具主體結(jié)構(gòu)如圖2所示，模具總長9.6 m，由模具骨架、蒙皮、前后端軸組成。蒙皮外表面是模具的工作面，織物鋪放在模具蒙皮外表面上后進(jìn)行真空導(dǎo)入成型。模具骨架用于模具蒙皮的支撐和前后端軸的連接，是模具剛度設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。前后端軸用于模具與設(shè)備的連接、自身的吊裝和脫模。模具骨架及蒙皮長度8.4 m，模具設(shè)計(jì)載重7.54×103kg。

圖2 復(fù)合材料箱體成型模具主體結(jié)構(gòu)Fig.2 Main structure of mold

模具骨架見圖3，沿模具軸向布置一根長度8 400 mm，外徑560 mm，壁厚20 mm 的無縫鋼管，無縫鋼管前后端有厚度30 mm 的前后端板，外部沿軸向和周向分布有10 mm 厚的加強(qiáng)筋板，軸向加強(qiáng)筋板、周向加強(qiáng)筋板和無縫鋼管斷續(xù)焊接形成模具骨架。四面蒙皮依次焊接在模具骨架上，蒙皮設(shè)計(jì)厚度15 mm。由于箱體蒙皮采用真空導(dǎo)入成型，必須保證蒙皮表面的氣密性，因此四面蒙皮間采用滿焊方式。

圖3 成型模具骨架結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Diagrammatic skeleton of mold

模具前后端軸如圖4所示，由外徑168 mm，厚度30 mm 的無縫鋼管、厚度20 mm 的加強(qiáng)筋板、厚度20 mm 的腹板、端軸支撐板及端軸連接板組成，各件焊接在一起。模具骨架無縫鋼管內(nèi)部設(shè)置有外徑φ520 mm，內(nèi)徑420 mm，厚度為40 mm端軸支撐環(huán)，作為與前后端軸的連接件。如圖5所示，前后端軸與模具骨架通過16枚螺釘進(jìn)行連接，便于拆卸和更換。

圖4 成型模具前后端軸結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Diagrammatic of mold for front/rear shaft

選用的螺釘為M16×90 mm 的內(nèi)六角圓柱頭螺釘，其材質(zhì)為A2-70 不銹鋼。前端軸端軸支撐板、端軸連接板厚度為30 mm。后端軸為頂出端，需要具有更好的剛度，選用比前端軸更厚的50 mm厚鋼板。

圖5 前/后端軸與模具骨架連接示意圖Fig.5 Diagrammatic of connection between front or rear shaft and skeleton

2.2 模具剛度設(shè)計(jì)

模具整體剛度設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮兩個方面，一方面是減小因?yàn)樽灾匾鸬膿锨冃?，另一方面是由于脫模力引起的變形?/p>

在模具骨架設(shè)計(jì)時，考慮沿模具軸向設(shè)置通長的無縫鋼管和軸向加強(qiáng)筋能夠顯著提高模具軸向的抗撓曲變形能力。同時蒙皮、軸向加強(qiáng)筋板、周向加強(qiáng)筋板和無縫鋼管形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能夠顯著提高模具的承載能力和沿各個方向的載荷傳遞能力，具有很高的剛度。

對于后端軸，各零件間焊接為一體，無縫鋼管在受到脫模的頂出力時能夠有效地將載荷傳遞至整個模具；且后端軸工況較為嚴(yán)苛，采用較厚的鋼板對后端軸作加強(qiáng)處理。

2.3 脫模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了安全高效地頂出模具，得到復(fù)合材料箱體產(chǎn)品，需根據(jù)復(fù)合材料成型特性對模具進(jìn)行設(shè)計(jì)。脫模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮兩個方面，一方面是減小模具和復(fù)合材料的結(jié)合力和機(jī)械咬合力，另一方面是減小模具和復(fù)合材料的接觸面積。

對于模具工作面，即蒙皮外表面要求加工后表面粗糙度≤Ra1.6 μm，良好的表面質(zhì)量能夠有效降低模具和復(fù)合材料的機(jī)械咬合力。模具使用時要求在工作面上涂覆復(fù)合材料用脫模劑［18］。

由圖1箱體輪廓尺寸可知，箱體內(nèi)腔上下面間距精度要求高，而左右側(cè)面精度要求低，同時，箱體導(dǎo)軌側(cè)面為非工作面，無較高精度要求。因此，可在模具側(cè)面和導(dǎo)軌槽側(cè)面設(shè)置斜度。本模具兩側(cè)面后端間距尺寸要求為mm，兩側(cè)面前端間距尺寸要求為mm，側(cè)面斜度1 mm，導(dǎo)軌槽側(cè)面斜度2 mm，詳見圖6。方形復(fù)合材料制品纏繞成型時，纏繞張力主要集中在方形模具圓角處［15-17］，模具平面位置受力較小，需對模具圓角進(jìn)行脫模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本模具一方面將圓角設(shè)計(jì)為變圓角，前端R10 mm，后端R15 mm，另一方面要求模具加工后精拋圓角部位，使其達(dá)到鏡面效果，以減少模具圓角位置與制品的摩擦。通過帶斜度面及變圓角設(shè)計(jì)，模具在頂出過程中與箱體內(nèi)腔接觸面積逐漸減小，能夠有效減小箱體脫模力。

圖6 箱體模具脫模結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Diagrammatic structures of demolding for mold

3 模具結(jié)構(gòu)仿真

3.1 計(jì)算模型

本文通過Abaqus有限元分析軟件對模具的簡支工況和脫模工況進(jìn)行了靜力學(xué)仿真。Q390B 鋼的密度、彈性模量和泊松比分別設(shè)置為7.85×103kg/m3，206 GPa 和0.28。安全系數(shù)取1.5，模具許用應(yīng)力為260 MPa。根據(jù)箱體直線度≤2.5 mm，取成型模具極限撓曲變形量為1 mm。

簡支工況主要考察模具在工作時由于自身和箱體重力引起的撓曲變形。仿真時將模具通過焊接連接的零件實(shí)施綁定約束，將模具前端軸端面固定約束，后端軸限制周向的位移，對模具施加重力，并在模具上表面施加8.9188 kN 總壓力（1.2 倍箱體設(shè)計(jì)質(zhì)量對應(yīng)重力）。

脫模工況主要考察模具在脫模時發(fā)生的變形和破壞。仿真時將模具前端面邊界位置固定，模具后端軸端面施加壓力1.96 MN，即總脫模壓力為2 MN。

3.2 仿真計(jì)算結(jié)果

簡支工況仿真結(jié)果見圖7，在模具前后兩端簡支工況下，其應(yīng)力最大處位于端軸部位，這是由于前后端軸與設(shè)備機(jī)械連接應(yīng)力無法及時釋放，最大應(yīng)力值為42.9 MPa，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力260 MPa，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。模具最大變形發(fā)生在模具工作段中部，且變形由兩端至中部逐漸增大，最大變形量為0.51 mm，小于極限撓曲變形量1 mm，結(jié)構(gòu)剛度滿足要求。

圖7 簡支工況下成型模具的應(yīng)力和變形的仿真結(jié)果Fig.7 Stress and displacement simulation results of mold in simply-supported condition

圖8 脫模工況下成型模具的應(yīng)力和變形的仿真結(jié)果Fig.8 Stress and displacement simulation results of mold in demolding condition

脫模工況仿真結(jié)果如圖8所示。在脫模工況下，模具最大應(yīng)力和變形都發(fā)生在后端軸。最大應(yīng)力值為188.6 MPa，小于許用應(yīng)力260 MPa，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。最大變形量為0.5 mm，不影響產(chǎn)品尺寸和模具使用。

綜上所述，模具在簡支工況和脫模工況下剛度、強(qiáng)度滿足使用要求，結(jié)構(gòu)安全。

4 模具制造

箱體成型模具實(shí)際加工工藝路線如圖9所示。首先，根據(jù)設(shè)計(jì)要求準(zhǔn)備無縫鋼管、加強(qiáng)筋板、端軸支撐環(huán)和蒙皮等材料。先將軸向無縫鋼管校直并加工至設(shè)計(jì)長度，再與軸向及周向加強(qiáng)筋板、端軸支撐環(huán)等零件進(jìn)行焊接。為了使模具骨架和蒙皮焊接前能夠緊密接觸，模具骨架焊接后需要校形，并加工外輪廓。

其次，將四面蒙皮依次焊接在模具骨架上，前三面蒙皮直接從內(nèi)部焊接，第四面蒙皮開孔塞焊。焊后進(jìn)行退火消除焊接應(yīng)力，并加工蒙皮及端面至設(shè)計(jì)尺寸。模具骨架加工的同時，前后端軸也按要求焊接成型、退火處理，并加工到位。其中，模具骨架和蒙皮焊接后的熱處理制度如下:以150 ℃/h的加熱速度將其加熱到600 ℃，保溫5 h，然后隨爐冷卻至200 ℃后空冷至室溫。前后端軸焊接后的熱處理制度如下:以150 ℃/h 的加熱速度將其加熱到600 ℃，保溫2 h，然后隨爐冷卻至200 ℃后空冷至室溫。

最后，前后端軸和模具骨架通過螺釘進(jìn)行連接，連接裝配后檢測模具的同心度。如同心度較差，可對端軸無縫鋼管與設(shè)備連接位置在同一基準(zhǔn)下進(jìn)行加工，以提高前后端軸同心度，減小模具使用時的轉(zhuǎn)動慣量。

圖9 復(fù)合材料箱體成型模具加工工藝路線Fig.9 Processing route of mold

根據(jù)以上加工工藝路線對模具進(jìn)行制造。模具總質(zhì)量7.84×103kg。通過該模具順利完成了大型復(fù)合材料箱體的成型及脫模過程，所生產(chǎn)產(chǎn)品符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

（1）為保證整體剛性，有效傳遞脫模力，降低加工難度和風(fēng)險(xiǎn)，復(fù)合材料箱體成型模具主體采用通長軸、周向輻板、軸向筋板和蒙皮組合的結(jié)構(gòu)形式。

（2）復(fù)合材料箱體成型模具通過采用通長的無縫鋼管、模具骨架和蒙皮形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有效保證模具剛度，通過帶斜度工作平面及變圓角設(shè)計(jì)大大降低脫模力，通過采用裝配式的前后端軸以便于拆卸和更換，通過使用更厚的鋼板加強(qiáng)模具頂出端顯著提升模具在脫模時的可靠性。

（3）仿真結(jié)果表明，簡支工況下模具最大應(yīng)力值為42.9 MPa，最大變形量為0.51 mm；脫模工況下模具最大應(yīng)力值為188.6 MPa，最大變形量為0.5 mm。模具在簡支工況和脫模工況下剛度、強(qiáng)度滿足使用要求，結(jié)構(gòu)安全。

（4）制定了復(fù)合材料箱體成型模具分別組焊、整體裝配的加工工藝路線，并順利完成了模具制造及復(fù)合材料箱體生產(chǎn)。