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摘要:
針對復合材料發射箱產品大尺寸、高精度的技術特點，結合真空導入成型工藝整體成型、整體脫模的工藝特點，通過有限元分析計算，優化確定了拱門筋加輻板筋鋼制模具設計方案。利用CAD/CAE技術進行發射箱模具設計及優化，采取變圓角設計解決模具脫模問題，成功制造了發射箱的樣件，滿足了產品設計技術要求，為大型長軸類復合材料產品的模具設計技術探索出了一套可行的技術方案。
關鍵詞:
復合材料;發射箱;模具設計;變圓角設計
發射箱以鋼制、鋁制金屬箱體［1］為主，近些年來由于復合材料箱體具有減重、比強度高、耐腐蝕、電磁屏蔽性能［2］、吸波隱身性能［3］、隔熱、抗燒蝕、便于整體成型等優點，已成為世界各國先進結構材料研究的首選材料，在某些領域，復合材料已在逐步替代金屬材料，故以復合材料為主的零部件制造技術已成為航空航天領域零部件制造技術的關鍵技術之一。某型發射箱采用了全復合材料的結構設計［4］。經過對國內復合材料行業的細致調研，本發射箱采用整體真空導入成型工藝方案［5］。模具是復合材料產品成型制造的主要工藝裝備，它對產品的成型工藝方式、型面形狀、結構形式、尺寸精度及穩定性、表面質量等方面有重大影響，隨著對產品及成型模具的CAD/CAE協同設計技術［6］越來越成熟及普及，本文將利用CAD/CAE技術，結合研發的實際需求，進行發射箱模具的設計。通過獨特的變圓角模具設計，采用拱門筋加輻板筋的模具結構設計，成功制備了縮比樣件，并滿足了產品的設計技術要求。此次發射箱樣件的制備成功，也為大型長軸類復合材料產品的模具設計探索了一套可行的技術方案。
1成型工藝方案簡述
上述發射箱產品采用全復合材料結構設計，外輪廓尺寸為7500mm×600mm×600mm，外部有加強筋以及安裝、發射支架的安裝筋，內部帶有四條全復合材料軌道。發射箱的技術要求有:①內形尺寸精度高，±2mm;②內部軌道尺寸精度高，1.5mm以內，表面質量要求高;③整體結構滿足力學性能要求，局部結構滿足過載要求;④整體要求密封;⑤箱體承載變形小于1.5mm;⑥減重，等。為了滿足以上要求，本次發射箱的成型方案論證為真空導入整體成型工藝方案。該方案的優點為:整體結構強度好，內型面尺寸統一性和穩定性好，降低了泄露風險，工藝路線短，節約了制造成本;缺點為脫模難和撓曲變形大。這些缺點將會通過提升工藝裝備來解決，后面將具體論述該整體成型方案模具的CAD/CAE設計。
2模具設計
上述發射箱產品采用整體真空導入成型工藝方案，即在模具上按照預定的尺寸進行單向布/正交縫邊氈鋪層設計，包覆真空袋真空導入成型。此方案的難點之一是模具設計，即如何保證順利脫模和撓曲變形量小。產品長度為7.5m，模具長度將近10m，整體脫模需要巧妙的模具設計以及專業的脫模設備，兩端支起，中間撓曲變形小于1.5mm，要求模具有非常好的剛度。
2.1脫模解決方案
對于需要脫模的產品來說，一般的方法就是模具兩端設計成大小端，拔模斜度設計為0.5～3°［7］，通過輔助工裝或者脫模機就能順利脫模。但由于本發射箱模具長約10m，如果拔模斜度設計成常規值的最小值0.5°的話，大小端能相差87.27mm，這顯然已經超出了產品的技術要求，需另辟蹊徑進行本發射箱模具的設計。經過對國內模具制造商、復合材料行業的調研，結合以往生產同類產品的經驗，以及截面為矩形的產品在纏繞時所發生張力現象等實踐經驗，即截面為矩形的產品在纏繞時，在纏繞張力不變的情況下，矩形的四個角的尺寸比較符合設計尺寸，而四條直邊部分則出現往外鼓包、尺寸明顯偏大的現象，將纏繞完成的試驗件在矩形截面剖開，可以發現矩形的四個角的玻璃鋼組成致密、纖維含量高、成型質量好，而矩形的四條直邊部分則出現樹脂聚集、成型質量較差的現象，為此設計了變圓角模具。變圓角模具示意圖變圓角模具，顧名思義就是在矩形發射箱模具的四個圓角上采取漸變的圓角，而其他大平面上不給定拔模斜度，只要不出現倒拔稍即可，這與以往常規的拔模斜度設計方法剛好相反。之所以這么設計，是因為在生產實踐過程中，發現此類矩形產品的脫模，往往在四個角容易出現脫模劃痕，而整個大面上的表面質量一般較好。綜上所述，利用產品技術要求的內型尺寸公差±2mm，將大端設計尺寸取+1mm、小端設計尺寸?。?mm，保證模具10m長度上的無倒拔稍，這雖然對模具制造商提出了更高的要求，但12m加工行程的龍門數控銑床平面度能達到0.08mm，加工精度能達到0.2mm，故此模具設計精度要求、加工制造是可行的。
2.2撓曲變形解決方案
針對發射箱產品的特點，本次模具設計全長為9.6m，本來此次模具方案還有分體模具和整體模具方案兩種思路，但由于分體模具方案的撓曲變形更嚴重，制造可行性以及維護更困難，在論證階段直接放棄了分體模具方案。下面就整體的發射箱模具方案依托CAD/CAE技術進行結構優化［8，9］，該模具的力學模型類似于簡支梁［10］。
2.2.1通軸加輻板筋結構
通軸加輻板筋結構模具的剖面示意圖，模具采用焊接性能好、強度高的鋼板和無縫鋼管焊接而成，厚度為12～30mm不等。
2.2.2十字筋加輻板筋結構
十字筋加輻板筋結構模具的剖面示意圖，模具采用焊接性能好、強度高的鋼板和無縫鋼管(端頭軸部分)焊接而成，厚度為12～30mm不等。
2.2.3拱門筋加輻板筋結構
拱門筋加輻板筋結構模具的剖面示意圖，模具采用焊接性能好、強度高的鋼板和無縫鋼管焊接而成，厚度為12～30mm不等。對上述三種發射箱模具結構進行CAE分析，由此可以得出結論:第三種方案拱門筋加輻板筋的模具結構的自重最小、撓曲變形量最小，為1.041mm，小于技術要求的1.5mm，并為產品的收縮變形預留了一定的公差空間，滿足設計要求，故采用拱門筋加輻板筋進行任務研制。
2.3其他設計要點
根據既定的真空導入成型工藝路線，該模具的設計要點主要有:①由于該模具脫模力較大，模具兩端的端頭軸需要加強，可以將大端一側的端頭軸伸入模具主體的部分加長一點，以保證在脫模時，模具整體不會變形;②由于模具是由鋼板拼焊而成的，需制訂好焊接工藝，包括焊接方式、焊接參數、鋼板的焊接順序、鋼板的焊接坡口設置、輔助工裝設備的設計和使用以及熱處理等，以便控制焊接變形;③由于模具需要氣密，焊接時必須滿焊，并選擇合適的鋼板厚度，避免在用機加工對焊接變形進行補償時出現泄露現象;④模具上需要設計定位和加工基準，便于后續工藝實現。
3應用
通過對上述的變圓角模具設計、三種模具結構的CAE優化設計，同時基于發射箱產品的研制周期、研制成本及可行性等方面的考慮，最終采用拱門筋加輻板筋以及變圓角的整體模具結構來進行該產品的制作。通過細致鋪層設計、加強筋鋪層設計、真空導入成型工藝方案設計，一次性試制成功發射箱縮比樣件，尺寸為4000mm×400mm×400mm，經檢驗，發射箱內型面尺寸公差在±0.5mm以內，外型面尺寸公差在±1mm以內，平面度在0.2/1m以內，其他性能指標均能滿足設計要求。
4結論
(1)采用變圓角的模具設計，解決了長軸類復合材料產品的整體脫模問題;(2)采用拱門筋加輻板筋的模具設計，提高了長軸類模具的剛度，減小了簡支梁模具中間的撓曲變形。以上兩點解決問題的方法為此類復合材料產品的研制提供了一種新的思路。
作者：劉海鑫 唐澤輝 劉歸 陳雨林 單位：北京玻鋼院復合材料有限公司
參考文獻
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