袋壓工藝復(fù)材壓輥的模具研究

王玉凱 郭紅軍 尚安陽(yáng) 侯偉 張佳衛(wèi) 張達(dá)

（常州啟賦安泰復(fù)合材料科技有限公司，江蘇常州 213000）

袋壓成型[1]工藝是最早及最廣泛用于預(yù)浸料成型[2]的工藝之一，該工藝是將纖維預(yù)制件鋪放在模具中，蓋上柔軟的隔離膜，在熱壓下固化，經(jīng)過(guò)所需的固化周期后，材料形成具有一定結(jié)構(gòu)的構(gòu)件。

壓輥組成如圖1 所示。壓輥[3]是巖棉設(shè)備中的關(guān)鍵零件，其重量是制約設(shè)備產(chǎn)能的因素之一，重量增加后，壓輥的擺動(dòng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)設(shè)備整體的剛強(qiáng)度造成額外負(fù)擔(dān)，從而影響設(shè)備運(yùn)行速度，故其需要通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方式盡可能地減重，增加設(shè)備擺動(dòng)的幅度，以達(dá)到提高設(shè)備生產(chǎn)效率的目的。采用碳纖維復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造壓輥，是解決客戶(hù)問(wèn)題的有效途徑之一。

圖1 壓輥組成

壓輥成型過(guò)程采用袋壓成型工藝，其變形要求特別高，所以說(shuō)對(duì)于壓輥成型模具的剛度要求也特別高，模具的剛度直接影響復(fù)合材料產(chǎn)品的變形[4]，因此對(duì)于影響壓輥剛度因素的研究至關(guān)重要。

1 壓輥模具剛度分析

為了保證模具剛度，通常采取的方式有加大模具的厚度、模具上添加縱橫筋、增加鎖模螺栓等措施，但各種方式對(duì)剛度影響不一，所設(shè)計(jì)壓輥模具如圖2 所示。

圖2 壓輥模具結(jié)構(gòu)圖

1.1 筒體厚度

筒體厚度t，模具內(nèi)徑a，模具外徑b，內(nèi)壓P，泊松比μ，應(yīng)變?chǔ)牛畲罄瓚?yīng)力σ1，最小拉應(yīng)力σ3，楊氏模量E。

根據(jù)廣義胡克定律：

可見(jiàn)，筒體厚度越大，變形越小，剛度越大。

1.2 螺栓數(shù)量

螺栓數(shù)量n，模具長(zhǎng)度L,單個(gè)螺栓受力F1。

可見(jiàn)在螺栓型號(hào)及大小一定的情況下，螺栓數(shù)量越多，單個(gè)螺栓受力越小，模具剛度越大。

1.3 筋條數(shù)量、厚度和側(cè)板厚度

筋條數(shù)量、厚度和側(cè)板厚度等均對(duì)模具剛度有不同程度的影響，但目前尚無(wú)具體理論計(jì)算公式。

以上各種方式均可用于設(shè)計(jì)控制模具剛度，本文將通過(guò)有限元軟件，采用控制變量的方法，對(duì)壓輥的成型模具剛度進(jìn)行分析，得出保證模具剛度的最佳方式，有助于同類(lèi)模具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)于后續(xù)采取相應(yīng)措施來(lái)防止模具變形產(chǎn)生積極的作用[5]。

2 壓輥模具計(jì)算

2.1 模型建立關(guān)鍵點(diǎn)

2.1.1 材料特征參數(shù)

45 號(hào)鋼：彈性模量E=2.1×105MPa，密度ρ=7800 kg/m3，泊松比μ=0.31，屈服強(qiáng)度[σs]=215 MPa。

螺栓：上下模連接采用M16的六角頭螺栓，等級(jí)為12.9級(jí)。

2.1.2 單元類(lèi)型的選擇

根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特征和分析目標(biāo)選擇合適的單元類(lèi)型，本壓輥模具寬厚比較大，采用二維殼單元來(lái)模擬，連接上下模的緊固螺栓采用PBUSH 單元模擬[6]。

2.1.3 載荷處理

壓輥主要承受的是內(nèi)部氣體膨脹壓力，將其單元受有均布載荷向節(jié)點(diǎn)移置，即非節(jié)點(diǎn)的載荷換算成作用在節(jié)點(diǎn)上的效果相當(dāng)?shù)募休d荷，這樣的做法稱(chēng)為等效節(jié)點(diǎn)載荷。

2.1.4 約束條件的處理

約束條件是建立模型的重點(diǎn)，運(yùn)用不恰當(dāng)?shù)募s束將會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與真實(shí)的結(jié)果出現(xiàn)較大的出入，甚至導(dǎo)致計(jì)算失敗。

2.2 載荷及邊界條件

2.2.1 載荷的取值

壓輥采用袋壓成型，內(nèi)部充氣，充壓壓力為5 個(gè)大氣壓，固化溫度為150℃，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，pV=nRT，T 為熱力學(xué)溫度，T（K）=273.15+t(℃)，推算出其固化壓力約為7 個(gè)大氣壓，再添加一定的安全系數(shù)，取計(jì)算壓力為0.8 MPa，即在壓輥模具內(nèi)表面施加0.8 MPa 的均布載荷，垂直于壓輥模具筒體內(nèi)表面。

2.2.2 邊界約束條件

所有節(jié)點(diǎn)采用固支，即約束相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的6 個(gè)自由度，最終建立有限元模型。

2.3 模擬結(jié)果

根據(jù)壓輥成型模具的主要受力特點(diǎn)及剛度保證的要求，設(shè)置了筋條厚度、筋條數(shù)量、側(cè)板厚度、筒體厚度、螺栓數(shù)量等一系列變量，其余以筋條厚度10 mm、筋條數(shù)量9 個(gè)、側(cè)板厚度15 mm、筒體厚度8 mm、螺栓數(shù)量32 個(gè)為定量，得出螺栓載荷、模具強(qiáng)度、剛度均滿(mǎn)足要求，具體如下。令外改變其余量來(lái)計(jì)算模具剛度，其最終的壓輥模具變形結(jié)果如表1 所示。

2.3.1 螺栓載荷

通過(guò)仿真模擬，螺栓受到的最大拉伸力為F1=15200 N，最大剪力為2727 N，螺栓主要受拉伸載荷，剪切載荷可忽略不計(jì)。上下模連接采用M16 的六角頭螺栓，等級(jí)為12.9 級(jí)，即σ=1080 MPa，最大承載為F=ΠR2×σ=217146 N ＞15200 N=F1，滿(mǎn)足工況要求。

2.3.2 壓輥模具強(qiáng)度

通過(guò)仿真模擬，壓輥模具的最大應(yīng)力為187 MPa，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

2.3.3 壓輥模具剛度

通過(guò)仿真模擬，壓輥模具的最大變形為0.3 mm，滿(mǎn)足剛度要求。

3 結(jié)論

本文以材料力學(xué)、理論力學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)和有限元計(jì)算，采用控制變量的方法，對(duì)壓輥的成型模具剛度進(jìn)行了分析。通過(guò)分析結(jié)果，得出以下結(jié)論：

表1 壓輥模具變形結(jié)果

（1）對(duì)于袋壓工藝壓輥模具來(lái)說(shuō)，筋條厚度、筋條數(shù)量、側(cè)板厚度、筒體厚度、螺栓數(shù)量均不同程度影響模具剛度，筋條厚度越厚、筋條數(shù)量越多、側(cè)板厚度越厚、筒體厚度越厚、螺栓數(shù)量越多，模具剛度越大；反之，模具剛度越小。

（2）相比較來(lái)說(shuō)，筋條數(shù)量和厚度、筒體厚度對(duì)于模具的整體剛度影響較小，而側(cè)板厚度和螺栓數(shù)量對(duì)于模具的整體剛度影響較大，所以對(duì)于類(lèi)似工藝的模具，可優(yōu)先考慮增加側(cè)板厚度和螺栓數(shù)量來(lái)保證模具的剛度要求。

通過(guò)上述研究，合理選擇模具剛度加強(qiáng)方式，不僅可以滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)需求，而且可以降低模具的設(shè)計(jì)制造成本，為合理設(shè)計(jì)模具提供了理論依據(jù)。