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摘要：以某型无人机S形变截面复合材料进气道为研究对象，详细阐述进气道的模具设计方案及成型方案，开展基于橡胶软模+水溶性芯模组合模具的S形变截面复合材料进气道成型工艺研究，研究结果表明，橡胶软模+水溶性芯模组合模具能够实现S形变截面复合材料进气道的精确成型和脱模，且能够大幅降低水溶性芯模的制造周期和成本，该模具类型及成型方法对此类典型异形变截面复合材料管状结构件的制造具有重要指导意义。
关键字：S形变截面复合材料进气道、橡胶软模+水溶性芯模组合模具
1.引言
先进复合材料具有密度低、比强度高、比模量高、可设计性强、抗疲劳性能好、耐腐蚀性能优越、隐身性能优异以及便于大面积整体成型等显著优点，显示出比传统钢、铝合金结构材料更优越的综合性能，在飞机上已获得大量应用，可实现飞机结构相应减重25％-30％，提高飞机的运载能力，延长飞机航程，提高飞机结构的使用寿命，降低飞机维护要求。复合材料在无人机领域的应用，使无人机具有更优异的性能。进气道是现代超音速战斗机动力装置的主要组成部分之一，其气动性能和结构强度是保证战斗机正常飞行的关键。许多学者研究发现, S形进气道拥有完美的气动性能。近代以来,碳纤维复合材料因其轻质高强的特点被广泛地应用到航空航天领域,而整体成型无拼接的S形变截面结构复合材料进气道可以大幅提高进气效率，降低进气道的雷达反射波，从而提高无人机的隐身性能。某型无人机就采用了S形变截面复合材料进气道，其结构示意图如图1所示。
图1 某型无人机S形变截面复合材料进气道结构示意图
目前S形变截面复合材料进气道通常采用树脂基碳纤维复合材料热压罐成型工艺，对内型面要求高，但由于进气道形状复杂，采用常规的金属芯模无法顺利脱模。
本文以某型无人机S形变截面复合材料进气道为研究对象，详细阐述进气道的模具设计方案及成型方案，研究结果对此类典型异形变截面复合材料管状结构零部件的制造具有重要指导意义。
2.模具设计
2.1.模具方案对比分析
目前热固性树脂基纤维增强复合材料主承力结构件大多数还采用传统的热压罐成型工艺，该工艺通常需要金属模具提供零件成型所需的型面。针对某型无人机S形变截面复合材料进气道，因内型面要求高，因此采用阳模成型方案。现有的公知技术表面，目前大多数先进复合材料制造企业通常采用的芯模方案有金属组合模具和水溶性芯模。但两种方案各有利弊，主要体现在如下方面：
1）金属组合模具：设计周期长、结构形式复杂，尤其是模具各组成部分存在复杂的连接配合关系，配合精度高，制造难度大且成本高，各组成部分存在间隙，在固化过程中容易被树脂填充，造成脱模困难；优点在于此类模具型面精度高，耐用，适用于批量生产；
2）水溶性芯模：水溶性芯模所用的水溶性材料，是指用水溶性胶粘剂将填料粘结在一起，并根据产品制成具有一定形状，在使用温度范围内具有一定的力学性能并能保持其形状，脱模时使用水使芯模溃散，获得产品的一种材料。目前较多使用的是盐芯模、尿素芯模、石膏模、聚乙二醇芯模；但盐芯模和尿素芯模耐温较低，常用于中温固化（120-150℃）复材零件制造，不适合用于高温固化（≥180℃）复材零件制造；陶瓷型芯模必须采用热压注法成形，且设备昂贵，生产工艺不易控制，成本较高，一般只在航空航天业和军事领域中应用，而一般的精铸厂和民用产品中却少用；以盐为粘结剂的可溶性芯模，其吸潮性大、型芯表面质量低和尺寸精度不易保证；石膏芯模易成型，且能制出复杂的芯模，尺寸精度较高，但其表面粗糙度较高，弯曲强度低、脆性大且不易溃散溶解；聚乙二醇芯模水溶性较好，但成型后的芯模需要通过机加得到所需模具型面，由于材质脆性较大，内部孔隙较多，机加时容易崩裂，表面孔洞较多，后期表面处理工作量大；美国Advanced Ceramics Research Inc.公司制造的Aquacore 系列材料为普遍被认可的加工性能好的水溶性材料，但其依然需要后续机加加工，且机加后的表面仍有些孔洞或裂痕等缺陷，需要进一步采用Aquafill进行表面填充后打磨光亮，最后采用Aquaseal3818进行密封。综上所述，现有的水溶性芯模制造工艺较为复杂，通过机加得到芯模外形的方法可行性高，但制造成本较高，适合于科研项目。
因此，寻求一种能够满足S形变截面复合材料进气道成型要求，方便脱模，且制造成本低的模具结构是实现S形变截面复合材料进气道成型的关键。
本文创新发明了一种兼具水溶性芯模的可水解脱模及金属模具表面质量好等特点的经济型复合材料模具——橡胶软模+水溶性芯模组合模具。本文在水溶性芯模研究的基础上，拓展进行了橡胶软模成型工艺研究、橡胶软模及水溶性芯模组合成型研究及基于橡胶软模+水溶性芯模组合模具的S形变截面复合材料进气道成型工艺研究。
2.2.橡胶软模+水溶性芯模组合模具工艺原理
根据S形变截面复合材料进气道的结构特征，以进气道的内型面为组合芯模的外型面，即橡胶软模的外型面。当橡胶软模成型后，在橡胶软模内腔填充成型水溶性材质，形成橡胶软模+水溶性芯模组合模具，其结构示意图如图2所示
橡胶软模铺叠过程：分别在上、下半模内铺贴1层橡胶+2层织物预浸料+1层橡胶，且在上下半模对接处留出25mm拼接余量，放置有孔隔离膜、透气毡、真空袋，并粘贴密封胶条，组装封袋形成密闭的真空系统，抽真空预压实以消除橡胶与模具、预浸料与橡胶间的气泡和间隙。预压实分别在橡胶及预浸料铺叠完成后进行。将附有橡胶软模坯料的上下半模对合，对合前将上下半模对合处的坯料余量向内翻，在上下半模对合且用螺钉紧固连接后将坯料余量搭接，重新放置无孔隔离膜、透气毡、真空袋，粘贴密封胶条，组装封袋形成密闭的真空系统，检测真空系统气密性满足要求后即可整体放置在热压罐内固化。固化时施加真空、压力和温度，使橡胶硫化且预浸料固化完全。
由于有织物预浸料作为定型织物，固化后的橡胶软模的外形完全和进气道内表面一致，且外形轮廓不易在脱模作用力下拉扯变形，但整个橡胶软模保持一定的柔韧性，能够向型腔内侧收缩后从进气道产品中脱出。
为方便后续水溶性芯模成型，在橡胶软模固化完成后可继续保留在橡胶软模成型模中。
2.3.橡胶软模+水溶性芯模组合模具成型工艺研究
当橡胶软模成型后，直接以橡胶软模内腔为型腔，在橡胶软模成型模一端安装端板和支撑杆并做密封处理，将混合均匀的水溶性芯模材料浇筑至橡胶软模型腔中，安装另一端的端板和支撑杆后整体放置在烘箱中高温烘烤成型。橡胶软模+水溶性芯模组合模具成型流程如图5所示。
图5 橡胶软模+水溶性芯模组合模具
水溶性芯模主要以聚乙烯醇(PVAL)水溶液与聚乙烯吡咯烷酮(PVP)水溶液的混合溶液作为基体材料，以石英砂或玻璃微珠为增强材料，经过高温烘干工艺制作而成。橡胶软模+水溶性芯模组合模具制造流程如图6所示。
图6 橡胶软模+水溶性芯模组合模具制造流程图
3.S形变截面复合材料进气道成型工艺研究
S形变截面复合材料进气道的内型面为气动型面，其尺寸精度及表面质量要求高，且由于进气道形状复杂，经上述分析，采用基于橡胶软模+水溶性芯模组合模具的预浸料手工铺叠热压罐整体一次成型的工艺方法，能够满足进气道的精确成型和脱模。进气道的制造工艺流程如图7所示。
图7 S形变截面复合材料进气道的制造工艺流程
制造工艺流程详述：
1)模具准备：以支撑杆为支撑点，将模具吊装在托架上，以便于后续铺叠时将模具翻转；在模具表面粘贴聚四氟乙烯带胶脱模布，脱模布允许对接，不允许搭接；
2)材料准备：将进气道的主体材料碳纤维预浸料解冻至袋内无水汽产生，在自动下料机上调取采用CATIA软件CPD模块或Fibersim软件设计好的下料程序进行下料；
3)铺叠：在模具表面按照铺层方案逐层铺叠预浸料，在铺叠过程中采用抽真空预压实形式消除预浸料与模具及预浸料层间气泡，保证预浸料层间质量；预压实实施过程如下：在零件预浸料坯料上放置有孔隔离膜、透气毡、真空袋，并采用密封胶条密封真空，放置真空接头，抽真空至袋内压力≤-0.90bar；通常在第一层料片及后续每隔三层进行一次预抽；
4)组装封袋：在零件坯料上放置无孔隔离膜、透气毡、真空袋，并采用密封胶条密封真空，放置真空接头，抽真空至袋内压力≤-0.90bar；
5)固化：在模具、进气道产品、托架整体放置在热压罐内，通过施加真空、压力和温度，使预浸料得以固化；
6)水溶性材料去除：将固化好的零件上的真空袋、透气毡、隔离膜等辅助材料去除，并将产品整体放置水槽中浸泡半小时，然后用高压水冲刷直至水溶性材料完全去除；
7)脱模：将橡胶软模向型腔内侧收缩后取出，脱模；
8)机加：采用气动切割工具按照零件外形轮廓线去除余量，得到最终进气道产品。
4.结论：
1)本文创新发明了一种S形变截面复合材料进气道精确成型且脱模便利的成型模具-橡胶软模+水溶性芯模组合模具；
2)进行了橡胶软模成型工艺研究、水溶性芯模成型工艺研究及S形变截面复合材料进气道成型工艺研究，验证了橡胶软模+水溶性芯模组合模具用于S形变截面复合材料进气道成型的可行性，该模具类型及成型工艺方法可推广应用于异形变截面复合材料管状结构件的制造；
3)采用了可重复使用、外形精度高的橡胶软模，使水溶性芯模的整体质量要求降低，且无需二次机械加工成型和表面处理，大幅缩短水溶性芯模的制造周期和制造成本。
5.参考文献
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论文作者:李书军
论文发表刊物:《科技新时代》2019年4期
论文发表时间:2019/6/20
标签：水溶性论文; 橡胶论文; 复合材料论文; 气道论文; 截面论文; 模具论文; 模组论文; 《科技新时代》2019年4期论文;