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1結構形式
某梁采用復合材料制造，約長2m，變截面并帶理論外形，零件腹板部分主體為平面，包含有臺階面，側面與壁板外形相應曲面一致，外形公差為±0.1mm，裝配要求高;為“U”形結構，側面角度閉角結構(＜90°)。該構件在熱壓罐成型過程中脫模困難，如果強行取出會損壞構件和模具，無法保證型面公差，這對成型模具的結構設計提出了較高的要求。
2模具設計要求
復合材料成型模具直接影響著產品的質量，在設計時應滿足:①模具要有足夠的剛度、強度，以保證模具型面基準不變;②熱容量小，熱膨脹小，熱穩定性好;③加工精度高，表面光度高，模具自身協調性好;④施工便捷，操作安全可靠;重量輕，運輸方便;⑤可維護性好，制造成本低;⑥具有良好氣密性。根據復合材料U形梁的結構特點，在設計中需要解決以下技術難點:成型模具的結構形式如何保證構件的型面公差，如何滿足脫模要求并解決U形梁的回彈問題。
3模具選材
3.1模具材料
復合材料成型模具用料要求熱變形小、熱膨脹系數小以及導熱系數高，大多采用普通鋼、INVAR鋼、碳/環氧復合材料和鋁合金。普通碳鋼適用于型面曲率不大的模具，當產品批量生產、尺寸精度要求較高時，選擇鋼制模具最為經濟、實用;鋁合金適用于平板類、尺寸精度要求不高的模具;INVAR鋼適用于結構復雜、曲率大、尺寸大的模具。不同模具材料對復合材料構件變形的影響主要體現在兩個方面，一方面是不同的材料熱導率會影響與其直接接觸的復合材料構件固化溫度場的分布，從而影響最終構件內殘余應力的大小及分布，引起不同的構件變形;另一方面就是不同材料的熱膨脹系數不同，模具與構件之間的相互作用程度不一樣，因此導致構件的變形不同。在固化過程中，模具與復合材料構件之間的熱膨脹系數不匹配會引起模具與構件接觸處的層間應力，包括層間剪切應力和沿構件厚度方向的力，這主要是由于模具與構件在固化壓力的作用下始終粘貼在一起，隨著模具受熱膨脹，靠近模具的構件層比遠離模具的構件層受到的約束張力要大，因此沿構件厚度方向形成一定的應力梯度，在固化過程中這部分應力被“凍結”在構件中，在脫模以前都沒有得到釋放，固化完成后冷卻至室溫脫模，這部分應力將被釋放，脫模后的復合材料構件必須通過變形來維持應力的平衡。
3.2模具型面補償修正
模具設計時要考慮復合材料與模具熱膨脹系數的差異，INVAR鋼和復合材料模具受熱膨脹的影響很小，可忽略不計;但對于普通碳鋼和鋁合金模具影響比較大，對于大尺寸的復合材料構件需要采取補償措施，根據計算公式和生產經驗。考慮到制造成本和構件精度要求，本文設計的模具選用Q235鋼制造，根據上述公式計算縮尺KS為－0.65‰，結合生產經驗和復合材料梁的結構形式，提取整個構件的理論型面并按適當縮尺進行縮小，模具設計時按照縮小后構件提取的型面作為模具的設計型面，以減小構件的變形或抵消變形的影響作用。
4模具結構設計
4.1模具回彈角的補償
復合材料在熱固化成型過程中由于材料本身的各向異性、鋪層方向引起的力學性能差異、結構的不對稱性和基體的固化收縮效應等因素，在構件內經應力梯度和溫度梯度耦合作用導致固化時的內應力積聚，一部分應力在構件中以殘余應力的形式長久存在，另一部分應力在構件脫模后釋放，這兩部分應力存在的形式共同導致回彈變形。對于梁、長桁類有大夾角的構件，固化成型過程中在拐角處的回彈變形會導致夾角變化，即構件在固化脫模后，夾角因收縮而小于模具角度，此差值為回彈角。這將給制件間的裝配帶來容差、超差等問題，翼梁緣條回彈使其外形偏離了設計要求而導致蒙皮與翼梁間螺栓連接裝配孔錯位，若對裝配件進行強制裝配將會引起殘余應力、密封不好等問題，這樣會降低結構的強度和疲勞壽命，甚至造成制件報廢。在模具設計時，通過調整模具型面來補償構件回彈，即構件夾角加上回彈角等于模具夾角，使構件在脫模回彈后符合工程數模要求。國內外專家學者都在積極研究復合材料結構固化變形的預測及控制方法。GFG公司在復合材料工形梁的成型模具設計時，考慮工形梁緣條的回彈，采用經驗的方法在模具的緣條型面上加入修正值(約1°)以抵消構件回彈。國內賈麗杰等人針對復合材料典型C形結構的回彈變形進行研究，通過對回彈角的預測結果進行修正，確定C形梁回彈角度在1°左右。本文涉及的復合材料U形梁為閉角結構，成型模具設計時需要進行回彈補償，結合以往生產經驗和國內外學者的研究結果，在兩側緣條各設置1°回彈補償角，提取補償后的兩側緣條型面為模具的型面。
4.2模具結構形式
復合材料梁一般為細長結構，常用模具結構形式為陰模、陽模和陰陽模組合，分析構件是否有氣動面、裝配面、膠接面等，一般情況下可確定這些面為貼膜面。根據U形梁的結構特點，采用CATIAV5R18建模，模具為框架式陽模結構，采用Q235鋼焊接制造，模具包括模胎、支撐框架(支板組件和框架)、蓋板、工具球套。根據產品設計部門所提供的產品零件數模提取成型曲面作為模胎的理論型面，將該曲面偏移10mm切割實體，獲得“Ω”型模胎;創建支板組件，輸入單個支板尺寸創建實體并設計散熱孔，通過陣列命令創建其他支板;框架為長方體結構，采用的方鋼管為標準型材，根據彼此之間的位置約束關系通過陣列偏移命令進行設置。這種框架式模具結構厚度均勻，通風好，升溫快，有利于模具各點溫度均勻，可以減少模具在升溫和降溫過程中因各部位溫度不一樣而引起的模具變形。(1)模胎模胎是“Ω”型一體式結構，采用10mm等厚的鋼板，在保證氣密性前提下允許拼接焊接。在模胎上需要留有一定距離用于打真空袋，通常手工鋪貼模具的余量區在100～200mm。模胎的型面輪廓度公差小于0.2mm，數控加工后按數模中模胎線數據集劃線，深0.5mm、寬0.3mm，并在余量線外打出標記，所有劃線位置的偏差不大于0.2mm。構件輪廓線用于非數控切邊時使用，決定構件外形尺寸的精度，設計時應考慮模具材料的膨脹因素作適當縮放處理。鋪貼線用于無激光投影時手工鋪貼定位，以控制鋪貼余量，防止由于鋪貼不完全齊整、流膠、擋膠條等因素導致固化后產品邊緣質量不高，通常鋪貼線到產品輪廓線可留20mm余量。(2)支撐框架框架與支板組件主要起支撐作用，保證整個模具的強度和剛度?？蚣苋∠藗鹘y的薄板格柵結構，采用方鋼管焊接，具有成本低、加工周期短的優點，有效實現模具減重，又使得空氣流在模具體上下表面任意流動，加熱更均勻。在支板組件上設計散熱孔，盡量在同一直線上保證成型過程中空氣的流通性，有利于整個成型的復合材料構件溫度均勻，保證成型產品的質量。同時在支板兩端設計80×50×10mm的加強塊，防止模具在吊裝時沿長度方向產生變形。(3)蓋板和工具球梁腹板平面處采用2mm鋁蓋板與陽模配套使用，使構件表面加熱均勻，同時在抽真空的過程中傳力均勻，保證構件外表面的平面度。工具球用于定位找正，在設計時要覆蓋構件的最高點和最低點，長度方向間隔不超過1m。各工具球孔按數模制造，并在模胎上打出所有工具球實際坐標值及孔位序號，用于手動鋪貼時放置激光投影的靶標，以定位鋪層區域。(4)后續處理模具焊接完成后進行2～3次退火，消除焊接和機加應力，減少模具的變形;對模具型面進行激光測量，型面精度符合圖紙要求;加工完畢做氣密試驗，保證模具氣密性。
4.3工藝驗證
在復合材料U形梁的熱壓罐成型工藝中，采用本文設計的成型模具進行鋪疊成型，生產的復合材料構件易于脫模，表面光滑平整，型面公差符合要求，U形梁兩側緣條的角度變形控制在技術要求范圍以內，滿足了后續與壁板及其他組件的裝配要求。
5結論
(1)采用CATIA三維軟件對復合材料U形梁成型模具進行數字化設計，綜合考慮了模具材料熱膨脹系數差異、結構形式、回彈角以及脫模等因素，對模具成型曲面進行補償修正，從而減小或者消除熱壓罐成型過程中構件的變形，對兩側緣條各設置1°回彈補償角以保證U形梁的尺寸精度和脫模要求;(2)該成型模具為框架式陽模結構，采用Q235鋼制造，成本低，結構合理，可加工性好，型面公差符合要求，具有良好的剛度和氣密性。通過工藝驗證，該模具可操作性強，脫模簡單，生產的復合材料構件滿足技術條件和后續裝配要求。
作者：韓培培 孟慶杰 單位：中航工業沈陽飛機工業集團有限公司
