復(fù)合材料薄壁件成型模具設(shè)計(jì)

0 引言

穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)試驗(yàn)裝置為科學(xué)研究提供穩(wěn)定的強(qiáng)磁場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)境，滿足國(guó)內(nèi)多學(xué)科前沿發(fā)展對(duì)于強(qiáng)磁場(chǎng)試驗(yàn)條件的需求，而穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁超導(dǎo)裝置用絕緣材料作為該裝置的重要組成部分也成為開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵點(diǎn)。其中混合磁體的復(fù)合材料水冷線圈作為其組成部分，關(guān)系磁體及裝備設(shè)置的可靠運(yùn)行，能確保為科研工作者提供方便的試驗(yàn)測(cè)試與分析環(huán)境。

絕緣筒體是混合磁體水冷線圈的重要部件，采用增韌環(huán)氧樹(shù)脂/無(wú)堿沃蘭布浸料纏繞成型，然后機(jī)械加工至外形尺寸。由于筒體壁厚較薄和性能要求較高，在纏繞成型的過(guò)程中控制纏繞張力和壓輥壓力來(lái)提升塑件的綜合力學(xué)性能，同時(shí)也導(dǎo)致樹(shù)脂的含量不足、塑件脫模困難等問(wèn)題。為解決此類問(wèn)題，針對(duì)超薄壁筒體成型模具的結(jié)構(gòu)展開(kāi)研究、設(shè)計(jì)，并輔以試驗(yàn)、生產(chǎn)加以驗(yàn)證。

伴隨我國(guó)建筑裝飾裝修行業(yè)的大力發(fā)展，清潔能源與綠色能源的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，通過(guò)不斷加強(qiáng)清潔能源的應(yīng)用，利用清潔能源進(jìn)行建筑室內(nèi)裝飾裝修，能夠提升大氣污染與二氧化碳的控制水平，為居民營(yíng)造一個(gè)更為健康的居住環(huán)境。清潔能源的合理應(yīng)用，不僅能夠推動(dòng)我國(guó)建筑行業(yè)的可持續(xù)化發(fā)展，而且有效滿足國(guó)家綠色發(fā)展需求，將其運(yùn)用到建筑裝飾裝修當(dāng)中，能夠減少生態(tài)環(huán)境污染，推動(dòng)建筑室內(nèi)裝飾裝修設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)生態(tài)化發(fā)展目標(biāo)[4]。

興民煤礦礦區(qū)地貌屬溶蝕剝蝕中低山地貌，北部灰?guī)r分布區(qū)屬峰叢洼地；礦區(qū)所在的煤系地層分布區(qū)屬淺切脊?fàn)钌綔瞎?。一般?biāo)高1 350～1 500 m，最高1 582.5 m(營(yíng)盤)，最低1 277.6 m(紫馬河)。相對(duì)高差一般30～150 m，最大高差304.9 m。一條北西—南東向(大體沿興仁與晴隆縣之間的縣界)延伸的地表分水嶺橫亙礦區(qū)北緣。

1 絕緣筒體及模具特性分析

1.1 絕緣筒體特性分析

絕緣筒體外形及尺寸如圖1 所示，規(guī)格型號(hào)如表1所示，絕緣筒體由柱形筒體、內(nèi)圈凸棱和外圈凸棱組成。

筒體采用玻璃纖維布增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料成型，成型流程如圖2 所示。要求筒體直線度≤0.1 mm，表面粗糙度為

3.2 μm，彎曲強(qiáng)度≥400 MPa，絕緣性能電壓≥0.5 kV/mm。

1.2 模具設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

筒體塑件的壁厚較薄（

＜1 mm），內(nèi)、外表面設(shè)計(jì)有均布的凸棱，塑件與模具的接觸面較大，厚度尺寸要求也相對(duì)較高，且直徑/厚度＞100、長(zhǎng)度/厚度＞700，屬于超薄壁件，易造成脫模困難、脫模力使塑件開(kāi)裂等現(xiàn)象。因此，需要進(jìn)行合理的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在提高模具定位精度和剛度的同時(shí)，應(yīng)著重考慮脫模方式。

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造特點(diǎn)

2.1 模具零件材料

思遠(yuǎn)就鉆進(jìn)廚房，與楚墨嘀嘀咕咕，兩個(gè)男人發(fā)出一陣怪笑。思蓉問(wèn)他們：“嘀咕什么呢？”思遠(yuǎn)從廚房里探出腦袋，說(shuō)：“我在向楚墨請(qǐng)教韭菜炒雞蛋的做法。”思蓉說(shuō)：“韭菜炒雞蛋很可笑？”思遠(yuǎn)的腦袋剛剛縮回廚房，思蓉就聽(tīng)到他極力壓抑的“哧哧“的笑聲。思蓉問(wèn)念蓉：“韭菜炒雞蛋怎么讓兩個(gè)男人笑成這樣？”念蓉說(shuō)：“壯陽(yáng)唄?！彼既仄财沧?，說(shuō)：“那也不至于笑得嘴巴咧到耳朵后面?。　?/p>

依米珠單抗皮下注射吸收半衰期為 （1．7±1）d，皮下注射1 mg·kg-1的絕對(duì)生物利用度為80．4% ～93．1%，腹部、上臂和大腿不同部位皮下注射的絕對(duì)生物利用度相近，表觀分布體積11．4 L，表觀消除率 0．24 L·d-1， 消除半衰期為 （27．8 ± 8．1） d，依米珠單抗的表觀消除率和分布體積隨患者體重增加而增大[9]。依米珠單抗的藥動(dòng)學(xué)特性不受年齡、種族、體內(nèi)FⅧ抑制物水平及輕、中度肝損傷的影響[9]。

2.2 模具結(jié)構(gòu)及脫模方式

根據(jù)塑件的特征及成型工藝，模具采用組合式模具，主要由凸模、凹模、定位環(huán)、芯軸、銷釘、螺栓、密封環(huán)等組成，如圖3所示。

在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)Abaqus有限元分析軟件對(duì)筒體在成型后凹模合模應(yīng)力、變形進(jìn)行了仿真。P20鋼的密度取7.810 3 kg/m

，彈性模量設(shè)置為207 GPa，泊松比為0.25。安全系數(shù)取1.5，模具許用應(yīng)力為250 MPa，成型模具極限撓曲變形量取0.08 mm。

其中，

≈2π

。由式（3）、（4）得：

≈

。

2.3 凸模與凹模的制造

為保證模具的耐磨性和成型面粗糙度，在制造模具零件時(shí)，凸模采用40Cr 熱處理，通過(guò)車削、銑削、磨削、拋光、鍍鉻、拋光加工，使凸模表面粗糙度值≤

0.4 μm；凹模采用熱作模具鋼P(yáng)20，P20硬度為30～42 HRC，無(wú)需熱處理，可直接用于模具零件加工，且尺寸穩(wěn)定性好，具有良好的切削性及拋光性。凹模拋光后表面粗糙度值≤

0.8 μm，保證塑件能順利地脫模。圖5所示為100 mm×100 mm試驗(yàn)平板和筒體在不同粗糙度下的脫模力。

白云山風(fēng)速年變化趨勢(shì)如圖6a所示,不同海拔月平均風(fēng)速白云山頂最高(7.6 m/s),實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)最低(2.8 m/s),這與林場(chǎng)周邊植被茂密,下墊面風(fēng)阻較大有一定關(guān)系。白云山頂植被較為稀疏,地勢(shì)空曠,風(fēng)速變化受下墊面的影響較小,比較有代表性,山頂風(fēng)速隨月份主要表現(xiàn)為“先增大,后減小”的趨勢(shì),形成“兩峰兩谷”的分布特征,3—8月風(fēng)速相對(duì)較大,其中6月風(fēng)速最大(9.0 m/s),次峰值在4月(8.5 m/s),2月和9月風(fēng)速最小(均為6.7 m/s)。而其他幾個(gè)海拔風(fēng)速受白云山森林公園茂密樹(shù)林分布的影響較大,風(fēng)速隨月份波動(dòng)變化為主,變化幅度不一致,風(fēng)速峰值和谷值出現(xiàn)時(shí)間也不一致。

3 合模力及脫模力的分析與計(jì)算

3.1 合模力的試驗(yàn)分析與有限元計(jì)算

簡(jiǎn)化上式得粘附力計(jì)算公式:

運(yùn)用八綱辨證理論開(kāi)展中藥用藥咨詢的實(shí)踐體會(huì)…………………………………………………… 徐良輝等（11）：1569

為減小模具和復(fù)合材料的結(jié)合力，凸模從結(jié)構(gòu)上分兩段，通過(guò)芯軸、定位銷和螺母連接。根據(jù)凹模和塑件接觸的表面積大小，凹模分5～8 瓣式鑲件結(jié)構(gòu)，各凹模之間通過(guò)螺栓和定位銷連接。凸模和凹模通過(guò)螺釘連接，軸向通過(guò)定位銷定位，徑向用限位環(huán)定位，控制塑件的厚度。塑件在成型后，為防止熔料進(jìn)入螺釘、銷釘及配合面處，在模具的端面、環(huán)面上用O 形硅橡膠密封圈進(jìn)行密封，如圖4所示。

該工況主要是考察復(fù)合材料件在完成鋪層后，組裝凹模時(shí)復(fù)合材料層對(duì)模具的反作用力。具體實(shí)施：將模具兩端螺紋孔處固定，凹模工作表面上逐漸施加到2.1 kN的總壓力。經(jīng)計(jì)算最大應(yīng)力值為30.8 MPa，如圖7 所示，小于許用應(yīng)力250 MPa；最大變形發(fā)生在模具中部，且變形由兩端向中間逐漸增大，最大變形量為0.049 5 mm，如圖8 所示，小于極限撓曲變形量0.08 mm，結(jié)構(gòu)剛度滿足要求。

3.2 脫模力計(jì)算

收縮變形轉(zhuǎn)化為周向彈性應(yīng)變：

式中：

Q

——塑件脫模力（未考慮空氣阻力），kN；

——凸模工作表面斷面周長(zhǎng)，mm；

——凸模工作表面長(zhǎng)度，mm；

——脫模斜度，（°）；

—摩擦系數(shù)，取0.1～0.2；

—粘附力，取0.06～0.1 MPa；

——凹模合緊力（5瓣），kN。

模具結(jié)構(gòu)反映了零件的截面尺寸、表觀狀態(tài)、性能等特點(diǎn)。因此，模具零件材料應(yīng)具備熱穩(wěn)定性好、不易變形、加工方便、簡(jiǎn)單和使用安全、可靠等特點(diǎn)，保證成型的塑件質(zhì)量穩(wěn)定。薄壁管類塑件型芯一般選用45#、40Cr、GCr15、65Mn 等材料，經(jīng)過(guò)熱處理后精加工、表面鍍鉻工藝再拋光，保證模具零件的剛度、耐磨性、粗糙度達(dá)到要求，有效降低脫模力。當(dāng)采用RTM、模壓等工藝生產(chǎn)要求較高的塑件時(shí)，凸、凹模一般選用P20、718H、738H、S136 等模具鋼，因其具有優(yōu)良的拋光性、防銹性、耐磨性。

選取其中一種復(fù)合材料筒體規(guī)格尺寸計(jì)算粘附力

，并計(jì)算其脫模力，與實(shí)際脫模力進(jìn)行對(duì)比。復(fù)合材料筒體的力學(xué)性能服從虎克定律：

式中：

——拉應(yīng)力，kN；

——材料彈性模量；

——彈性應(yīng)變。

如圖1所示塑件截面圖，其周向成型收縮：

式中：

——塑件收縮率。

關(guān)于我國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)法院體系建設(shè)的幾個(gè)問(wèn)題.............................................................................................李明德 03.14

筒體成型過(guò)程中，由于纖維布張力、凹模的合緊力和固化冷卻收縮而包緊凸模，產(chǎn)生對(duì)凸模的粘附力，筒體脫出凸模的脫模力必須克服粘附力和摩擦阻力。影響塑件與模具零件工作表面粘附力的因素較多，與模具零件的截面形狀、塑件的壁厚、塑件的收縮率、對(duì)成型零件的摩擦系數(shù)等有關(guān)，在實(shí)際生產(chǎn)中只考慮主要因素，按如下公式計(jì)算脫模力：

復(fù)合材料超薄壁件在成型后均存在脫模困難現(xiàn)象，該模具結(jié)構(gòu)可有效避免脫模時(shí)對(duì)塑件的損傷。脫模時(shí)先卸掉左端的螺母，將芯軸抽出，再拆掉限位環(huán)處的螺釘和銷釘，通過(guò)機(jī)械反推的方式將限位環(huán)推出，再用脫模機(jī)將兩段凸模分別從兩端脫出。由于在凹模兩端設(shè)計(jì)了脫模工藝臺(tái)階，塑件在成型時(shí)兩端補(bǔ)有脫模階梯，能保證在抽出凸模時(shí)塑件保留在凹模上，如圖4 局部放大所示。最后松動(dòng)凹模各瓣處連接螺栓，依此用鐵錘、銅棒、橡膠錘敲震凹模的外表面，再通過(guò)凹模脫模氣孔導(dǎo)入0.1 MPa的干燥空氣，使塑件與凹模分離，松開(kāi)螺栓及銷釘，卸下第1 瓣凹模鑲件，按照上述方法依次卸下其他幾瓣凹模鑲件。

其中，

為塑件厚度，mm。

圖6所示為T-01號(hào)塑件凹模合模預(yù)緊力對(duì)塑件厚度的影響，實(shí)踐證明當(dāng)合模力為2 kN 時(shí)，成型的塑件厚度滿足要求。

將式（6）代入式（1）式可得：

式中：

總脫模力，kN；

——安全系數(shù)，考慮脫模力為確保脫模動(dòng)作穩(wěn)定可靠，需要足夠脫模驅(qū)動(dòng)力，一般取2～3。

選取表1中編號(hào)T-01的筒體按式（7）計(jì)算，因塑件尺寸要求較嚴(yán)，模具脫模斜度微小、

值可忽略，即

=0，根據(jù)已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)

=10 GPa，

=0.04%，

=600/2=300 mm，

=2.1 kN，計(jì)算得

Q

=4.6 kN，

=8.9 kN；與實(shí)測(cè)值7.53 kN 接近，但計(jì)算值是在兩倍可靠性系數(shù)時(shí)計(jì)算所得，分析產(chǎn)生的偏差可能由于模具零件的表面平整度與粗糙度不均勻、不一致所致。

4 模具制造與筒體生產(chǎn)

4.1 模具制造

按照設(shè)計(jì)的模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工制造，嚴(yán)格按材料的熱處理工藝、模具加工工藝實(shí)施，并通過(guò)千分尺測(cè)量法、壓鉛絲法對(duì)模具進(jìn)行了檢驗(yàn)，如圖9 所示。凹模分瓣后的模具及平板試驗(yàn)件如圖10所示。

主動(dòng)繪制“環(huán)境地圖”。檢察機(jī)關(guān)作為“正義之眼”，要善于做黨委政府的眼睛，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并通報(bào)重大環(huán)境污染問(wèn)題，這既是公益訴訟履職的要求，也能幫助相關(guān)行政部門及時(shí)整改，避免重大環(huán)境責(zé)任事故的發(fā)生。通過(guò)組織檢察干警日常走訪、開(kāi)展定期不定期巡查等方式，加強(qiáng)對(duì)轄區(qū)內(nèi)山水林田湖草底數(shù)、污染源、危險(xiǎn)源情況的了解，繪制“環(huán)境地圖”，主動(dòng)向地方黨委提供服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的檢察方案。

4.2 薄壁筒體生產(chǎn)和檢驗(yàn)

按預(yù)先排定好的復(fù)合管工藝生產(chǎn)脫模后，塑件表面光滑、無(wú)褶皺現(xiàn)象，凹模分瓣處無(wú)多余的凸棱，塑件圓角飽滿、無(wú)缺陷，如圖11 所示。脫模后的塑件通過(guò)車床切掉兩端的脫模工藝臺(tái)，去除飛邊后用卡尺測(cè)量塑件的厚度，并用通環(huán)測(cè)量塑件的內(nèi)、外徑，均滿足要求，如圖12 所示。該模具結(jié)構(gòu)可廣泛應(yīng)用于類似塑件的生產(chǎn)制造。

5 結(jié)束語(yǔ)

為保證薄壁塑件順利脫模，減小脫模時(shí)單工序模具零件的工作表面，模具的凸、凹模采用分體結(jié)構(gòu)，能有效減小脫模力。復(fù)合材料薄壁筒體成型模具設(shè)計(jì)了凸模脫模工藝臺(tái)，且凸模的表面粗糙度比凹模好，保證了脫模過(guò)程中筒體能有效附著在凹模上，凹模相對(duì)于凸模更易脫模，且不易損壞塑件；凹模與塑件通過(guò)敲震、氣頂?shù)姆绞椒蛛x，顯著提升模具脫模的可靠性。

通過(guò)有限元軟件分析塑件在成型后模具合模時(shí)應(yīng)力與變形，模具變形微小，滿足塑件的精度要求。并用公式計(jì)算了脫模力，在實(shí)際生產(chǎn)中測(cè)試了塑件的脫模力，實(shí)踐證明模具的脫模結(jié)構(gòu)形式和模具零件工作表面的粗糙度是塑件脫模力的主要影響因素。該模具結(jié)構(gòu)也存在一定的不足之處，用機(jī)械反推裝置脫模效率低，且容易損壞模具，后期在大批量生產(chǎn)中可用液壓推出裝置替代機(jī)械反推裝置，使脫模更趨于平穩(wěn)。

[1]OLIVA A B,BILTCLIFFE M,DAY A,et al.Investigation of ramp-rate limitation on the superconducting magnet for the grenoble 40-T hybrid system[J].IEEE Transactions on Ap?plied Superconductivity,2006,16(2):940-944.

[2]SCHACHT J,NIEDERMEYER H,LAQUA H,et al.Tasks and structure of the WENDELSTEIN 7-X control system[J].Fusion Engineering and Design,2006,81:1799-1806.

[3]吳仲城,沈春山,申 飛,等.穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)裝置中央控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[R].合肥:中國(guó)科學(xué)院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心,2008.

[4]黃文煜,楊 浩,周 棟,等.復(fù)合材料方桿纏繞成型模具設(shè)計(jì)及工藝研究[J].航天制造技術(shù),2021(2):40-43.

[5]王興忠,薄東海,馬吉川.基于RTM 工藝的復(fù)合材料成型模具設(shè)計(jì)研究[J].纖維復(fù)合材料,2021,38(3):47-51.

[6]李思良.塑件對(duì)型芯包緊力和脫模力的計(jì)算[J].模具工業(yè),1996,22(11):32-35.

[7]袁 楠,李 聰,駱偉興.復(fù)合材料成型模具的設(shè)計(jì)[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2020(3):122-123.

[8]葉 青,陳 博,倪 恒,等.大型復(fù)合材料箱體成型模具設(shè)計(jì)[J].宇航工藝,2021,51(2):97-102.

[9]肖 遙,李東升,吉 康,等.大型復(fù)合材料航空件固化成型模具技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2022,39(3):907-925.

[10]閆竹輝,劉 斌.汽車燈罩殼體注射模設(shè)計(jì)[J].模具工業(yè),2020,46(12):64-67.

[11]黃菊華,錢應(yīng)平.注射模具初始脫模力的計(jì)算[J].塑料工業(yè),2007(S1):196-200.

[12]李 超,丘哲明,劉建超.用混編布帶纏繞薄壁圓筒的研究[J].纖維復(fù)合材料,2003(3):40-43.

[13]劉馨陽(yáng),趙海濤,袁明清,等.模具對(duì)復(fù)合材料層合板固化成型影響的數(shù)值分析[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2021,38(6):1974-1983.

[14]岳廣全,張博明,戴福洪,等.固化過(guò)程中模具與復(fù)合材料構(gòu)件相互作用分析[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2010,27(6):167-171.

[15]楊曉波,湛利華,蔣成標(biāo),等.模具材料對(duì)復(fù)合材料制件固化過(guò)程應(yīng)變的影響分析[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2018,50(1):24-29.

[16]KRAVCHENKO O G,KRAVCHENKO S G,PIPES R B.Cure history dependence of residual deformation in a ther?mosetting laminate[J].Composites Part A:Applied Science and Manufacturing,2017,99:186-197.

[17]何 凱,李成龍,龔志紅,等.航空復(fù)合材料構(gòu)件精確制造技術(shù)探討及應(yīng)用[J].航空制造技術(shù),2017(9):101-105.

[18]LIAN J Y,XU Z B,RUAN X D.Analysis and control of cured deformation of fiber-reinforced thermosetting com?posites:a review[J].Journal of Zhejiang University-Science A,2019,20(5):311-333.

[19]王 雯,鮑益東,樊勝寶,等.框架式復(fù)材成型模具輕量化設(shè)計(jì)方法[J].航空制造技術(shù),2018,61(Z2):82-86.

[20]丁安心,李書(shū)欣,倪愛(ài)清,等.熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料固化變形和殘余應(yīng)力數(shù)值模擬研究綜述[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2017,34(3):471-485.