大型復(fù)合材料箱體成型模具設(shè)計(jì)

1、大型復(fù)合材料箱體成型模具設(shè)計(jì)文摘為了制造合格的大型復(fù)合材料箱體，本文制定了箱體成型模具的設(shè)計(jì)和制 造方案。某復(fù)合材料箱體屬于大型長(zhǎng)軸類(lèi)產(chǎn)品，其成型模具撓曲變形及脫模力大。 模具主體采用通長(zhǎng)軸、周向輻板、軸向筋板和蒙皮組合的結(jié)構(gòu)形式。模具通過(guò)無(wú) 縫鋼管、模具骨架及蒙皮形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有效保證模具剛度，通過(guò)帶斜度工 作平面及變圓角設(shè)計(jì)大大降低脫模力，通過(guò)在頂出端使用更厚的鋼板提升其在脫 模時(shí)的可靠性。仿真結(jié)果表明，簡(jiǎn)支工況下模具最大應(yīng)力值為42.9 MPa，最大 變形量為0.51 mm ；脫模工況下模具最大應(yīng)力值為188.6 MPa，最大變形量為 0.5 mm。根據(jù)模具結(jié)構(gòu)制定了分別組焊、整體裝

2、配的加工工藝路線并完成了模 具制造。仿真及模具實(shí)際使用結(jié)果表明，該模具滿足復(fù)合材料箱體的生產(chǎn)需求。 關(guān)鍵詞復(fù)合材料，箱體，模具設(shè)計(jì)，仿真，工藝路線0引言某箱體是某儲(chǔ)運(yùn)發(fā)射系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，肩負(fù)著儲(chǔ)存、運(yùn)輸、起豎、發(fā)射 等重要作用，能夠有效提升儲(chǔ)運(yùn)發(fā)射系統(tǒng)機(jī)動(dòng)性，延長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命，提高系統(tǒng) 可靠性5,該類(lèi)型箱體通常采用金屬材料或復(fù)合材料制成。相對(duì)于傳統(tǒng)的金屬 材料箱體，復(fù)合材料箱體具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕及燒蝕性能好、無(wú)焊接變形、可 設(shè)計(jì)性好等諸多優(yōu)勢(shì)，因此，復(fù)合材料已成為該類(lèi)型箱體設(shè)計(jì)制造的優(yōu)選材3-7料8-10。但不同于金屬材料箱體采用多件焊接成型，復(fù)合材料箱體往往采用纏繞或真空導(dǎo)入等成型方法

3、在模具上一體化成型，并采用機(jī)械脫模的方法將 11-12 13-14箱體和成型模具分離。因此，設(shè)計(jì)制造滿足產(chǎn)品尺寸精度和工藝需求的成型模具 是生產(chǎn)復(fù)合材料箱體的關(guān)鍵。本文提出了一種可行的大型復(fù)合材料箱體成型模具設(shè)計(jì)及制造方案，針對(duì)某 大型復(fù)合材料箱體的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及工藝特性設(shè)計(jì)了箱體成型模具，集中解決了模具 在使用過(guò)程中撓度大、脫模力大等問(wèn)題，針對(duì)相應(yīng)工況進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。并制定 了大型復(fù)合材料箱體成型模具的制造工藝路線，完成了模具的制造。1復(fù)合材料箱體及模具特性分析1.1復(fù)合材料箱體特性分析某復(fù)合材料箱體外形及截面尺寸如圖1所示。箱體由蒙皮、蒙皮外部的多道 周向加強(qiáng)筋和箱內(nèi)的一條導(dǎo)軌組成。1工一1!

4、 ri持1.son卜圖1復(fù)合材料箱體外形及截面尺寸Fig.1 Shape and section dimensions of container箱體總長(zhǎng)8 370 mm，截面為方形，內(nèi)腔截面尺寸810 mmx810 mm，蒙皮厚度10 mm，周向加強(qiáng)筋高度20 mm。箱體采用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基 復(fù)合材料制成，理論質(zhì)量758.4 kg。要求箱體直線度2.5 mm。該箱體蒙皮采 用真空導(dǎo)入成型，周向加強(qiáng)筋采用連續(xù)纖維纏繞成型，周向加強(qiáng)筋固化后借助油 缸使用機(jī)械脫模方式將模具從箱體內(nèi)腔中頂出。1.2模具設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析由于箱體屬于大型長(zhǎng)軸類(lèi)產(chǎn)品，長(zhǎng)度與截面尺寸的比值更是達(dá)到了 10.3 ,這會(huì)使模具

5、在兩端簡(jiǎn)支情況下發(fā)生較大的撓曲變形。箱體直線度要求高，必須提 高模具的剛度。箱體的截面尺寸和長(zhǎng)度較大，箱體內(nèi)腔與模具的接觸面積較大，達(dá)到了 5.5 m,因此，脫模難度大，機(jī)械頂出脫模力大，對(duì)于模具的強(qiáng)度和剛度 2要求都較高；應(yīng)重點(diǎn)考慮通過(guò)合理的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)降低脫模力。此外，纏繞設(shè)備 極限載重9x103 kg，模具質(zhì)量控制在8x103 kg以?xún)?nèi)為宜。2箱體成型模具設(shè)計(jì)2.1模具總體設(shè)計(jì)大型復(fù)合材料箱體模具通常采用周向輻板、軸向筋板和蒙皮的結(jié)構(gòu)形式，模 具質(zhì)量輕，施工空間大，但其定位效果差，整體剛性差，脫模力不能被有效傳遞， 定位偏差和焊接變形往往會(huì)造成蒙皮變形量過(guò)大，進(jìn)而導(dǎo)致加工后蒙皮某些位置

6、厚度大大低于設(shè)計(jì)厚度，影響其使用壽命甚至導(dǎo)致模具報(bào)廢。為此，增加脫模時(shí) 的脫模力傳遞途徑，本模具考慮沿模具軸向設(shè)置一根通長(zhǎng)軸，采用通長(zhǎng)軸、周向 輻板、軸向筋板和蒙皮組合的結(jié)構(gòu)形式。模具需要承受較大的脫模力，對(duì)材料屈服強(qiáng)度及彈性模量要求高，不宜使用 非金屬材料，本模具材料采用Q390 B高強(qiáng)度鋼。模具主體結(jié)構(gòu)如圖2所示， 模具總長(zhǎng)9.6 m,由模具骨架、蒙皮、前后端軸組成。蒙皮外表面是模具的工作 面，織物鋪放在模具蒙皮外表面上后進(jìn)行真空導(dǎo)入成型。模具骨架用于模具蒙皮 的支撐和前后端軸的連接，是模具剛度設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。前后端軸用于模具與設(shè)備的 連接、自身的吊裝和脫模。模具骨架及蒙皮長(zhǎng)度8.4 m，模具

7、設(shè)計(jì)載重7.54x 103kg。前端軸 岑出圖2復(fù)合材料箱體成型模具主體結(jié)構(gòu)Fig.2 Main structure of mold模具骨架見(jiàn)圖3，沿模具軸向布置一根長(zhǎng)度8 400 mm,外徑560 mm，壁 厚20 mm的無(wú)縫鋼管，無(wú)縫鋼管前后端有厚度30 mm的前后端板，夕卜部沿 軸向和周向分布有10 mm厚的加強(qiáng)筋板，軸向加強(qiáng)筋板、周向加強(qiáng)筋板和無(wú)縫 鋼管斷續(xù)焊接形成模具骨架。四面蒙皮依次焊接在模具骨架上，蒙皮設(shè)計(jì)厚度15 mm。由于箱體蒙皮采用真空導(dǎo)入成型，必須保證蒙皮表面的氣密性，因此四面 蒙皮間采用滿焊方式。周向加慢筋板軸向加強(qiáng)筋板無(wú)輜鋼管圖3成型模具骨架結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Dia

8、grammatic skeleton of mold模具前后端軸如圖4所示，由外徑168 mm,厚度30 mm的無(wú)縫鋼管、 厚度20 mm的加強(qiáng)筋板、厚度20 mm的腹板、端軸支撐板及端軸連接板組 成，各件焊接在一起。模具骨架無(wú)縫鋼管內(nèi)部設(shè)置有外徑P 520 mm，內(nèi)徑420 mm，厚度為40 mm端軸支撐環(huán)，作為與前后端軸的連接件。如圖5所示，前 后端軸與模具骨架通過(guò)16枚螺釘進(jìn)行連接，便于拆卸和更換。端軸建接板圖4成型模具前后端軸結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Diagrammatic of mold for front/rear shaft選用的螺釘為M16x90 mm的內(nèi)六角圓柱頭螺釘，其材質(zhì)為A

9、2-70不銹鋼。前端軸端軸支撐板、端軸連接板厚度為30 mm。后端軸為頂出端，需要具有更好的剛度，選用比前端軸更厚的50 mm厚鋼板。oooooooOOO螺釘、平墊圈 蟬簧墊圈端軸連接板/端軸支撐環(huán)前f后端軸無(wú)縫鋼管oooo蒙皮圖5前/后端軸與模具骨架連接示意圖Fig.5 Diagrammatic of connection between front or rear shaft and skeleton2.2模具剛度設(shè)計(jì)模具整體剛度設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮兩個(gè)方面，一方面是減小因?yàn)樽灾匾鸬膿锨?形，另一方面是由于脫模力引起的變形。在模具骨架設(shè)計(jì)時(shí)，考慮沿模具軸向設(shè)置通長(zhǎng)的無(wú)縫鋼管和軸向加強(qiáng)筋能夠 顯

10、著提高模具軸向的抗撓曲變形能力。同時(shí)蒙皮、軸向加強(qiáng)筋板、周向加強(qiáng)筋板 和無(wú)縫鋼管形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能夠顯著提高模具的承載能力和沿各個(gè)方向的載 荷傳遞能力，具有很高的剛度。對(duì)于后端軸，各零件間焊接為一體，無(wú)縫鋼管在受到脫模的頂出力時(shí)能夠有 效地將載荷傳遞至整個(gè)模具；且后端軸工況較為嚴(yán)苛，采用較厚的鋼板對(duì)后端軸 作加強(qiáng)處理。2.3脫模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為了安全高效地頂出模具，得到復(fù)合材料箱體產(chǎn)品，需根據(jù)復(fù)合材料成型特 性對(duì)模具進(jìn)行設(shè)計(jì)。脫模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮兩個(gè)方面，一方面是減小模具和復(fù)合 材料的結(jié)合力和機(jī)械咬合力，另一方面是減小模具和復(fù)合材料的接觸面積。對(duì)于模具工作面，即蒙皮外表面要求加工后表面粗糙度Ra1

11、.6 pm，良好 的表面質(zhì)量能夠有效降低模具和復(fù)合材料的機(jī)械咬合力。模具使用時(shí)要求在工作 面上涂覆復(fù)合材料用脫模劑18。由圖1箱體輪廓尺寸可知，箱體內(nèi)腔上下面間距精度要求高，而左右側(cè)面精 度要求低，同時(shí)，箱體導(dǎo)軌側(cè)面為非工作面，無(wú)較高精度要求。因此，可在模具 側(cè)面和導(dǎo)軌槽側(cè)面設(shè)置斜度。本模具兩側(cè)面后端間距尺寸要求為 810：BIO；1 1 mm,兩側(cè)面前端間距尺寸要求為- mm,側(cè)面斜度1 mm，導(dǎo)軌槽側(cè)面斜度2 mm，詳見(jiàn)圖6。方形復(fù)合材料制品纏繞成型時(shí)， 纏繞張力主要集中在方形模具圓角處?kù)?7模具平面位置受力較小，需對(duì)模具圓 角進(jìn)行脫模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本模具一方面將圓角設(shè)計(jì)為變圓角，前端R10

12、mm,后端 R15 mm，另一方面要求模具加工后精拋圓角部位，使其達(dá)到鏡面效果，以減少 模具圓角位置與制品的摩擦。通過(guò)帶斜度面及變圓角設(shè)計(jì)，模具在頂出過(guò)程中與 箱體內(nèi)腔接觸面積逐漸減小，能夠有效減小箱體脫模力。圖6箱體模具脫模結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Diagrammatic structures of demolding for mold3模具結(jié)構(gòu)仿真3.1計(jì)算模型本文通過(guò)Abaqus有限元分析軟件對(duì)模具的簡(jiǎn)支工況和脫模工況進(jìn)行了靜 力學(xué)仿真。Q390B鋼的密度、彈性模量和泊松比分別設(shè)置為7.85x103kg/m3, 206 GPa和0.28。安全系數(shù)取1.5，模具許用應(yīng)力為260 MPa。根據(jù)

13、箱體直線 度2.5 mm，取成型模具極限撓曲變形量為1 mm。簡(jiǎn)支工況主要考察模具在工作時(shí)由于自身和箱體重力引起的撓曲變形。仿真 時(shí)將模具通過(guò)焊接連接的零件實(shí)施綁定約束，將模具前端軸端面固定約束，后端 軸限制周向的位移，對(duì)模具施加重力，并在模具上表面施加8.9188 kN總壓力 （1.2倍箱體設(shè)計(jì)質(zhì)量對(duì)應(yīng)重力）。脫模工況主要考察模具在脫模時(shí)發(fā)生的變形和破壞。仿真時(shí)將模具前端面邊 界位置固定，模具后端軸端面施加壓力1.96 MN，即總脫模壓力為2 MN。3.2仿真計(jì)算結(jié)果簡(jiǎn)支工況仿真結(jié)果見(jiàn)圖7，在模具前后兩端簡(jiǎn)支工況下，其應(yīng)力最大處位于 端軸部位，這是由于前后端軸與設(shè)備機(jī)械連接應(yīng)力無(wú)法及時(shí)釋放，

14、最大應(yīng)力值為 42.9 MPa，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力260 MPa，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。模具最大變形發(fā)生 在模具工作段中部，且變形由兩端至中部逐漸增大，最大變形量為0.51 mm , 小于極限撓曲變形量1 mm，結(jié)構(gòu)剛度滿足要求。L.074fr+3|(a)應(yīng)力UKriiixie+45W-0L+J.2flie-0L 阡 n853e-QL U- *5e傾H WJMIH71WI , +1 疏 Pl 成新知*02 心成 . *OiMe*00(h)變形Fig.7 Stress and displacement simulation results of mold in simply-supported cond

15、ition圖8脫模工況下成型模具的應(yīng)力和變形的仿真結(jié)果圖7簡(jiǎn)支工況下成型模具的應(yīng)力和變形的仿真結(jié)果Fig.8 Stress and displacement simulation results of mold in demolding condition脫模工況仿真結(jié)果如圖8所示。在脫模工況下，模具最大應(yīng)力和變形都發(fā)生 在后端軸。最大應(yīng)力值為188.6 MPa，小于許用應(yīng)力260 MPa，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足 要求。最大變形量為0.5 mm，不影響產(chǎn)品尺寸和模具使用。綜上所述，模具在簡(jiǎn)支工況和脫模工況下剛度、強(qiáng)度滿足使用要求，結(jié)構(gòu)安 全。4模具制造箱體成型模具實(shí)際加工工藝路線如圖9所示。首先，根據(jù)設(shè)

16、計(jì)要求準(zhǔn)備無(wú)縫 鋼管、加強(qiáng)筋板、端軸支撐環(huán)和蒙皮等材料。先將軸向無(wú)縫鋼管校直并加工至設(shè) 計(jì)長(zhǎng)度，再與軸向及周向加強(qiáng)筋板、端軸支撐環(huán)等零件進(jìn)行焊接。為了使模具骨 架和蒙皮焊接前能夠緊密接觸，模具骨架焊接后需要校形，并加工外輪廓。其次，將四面蒙皮依次焊接在模具骨架上，前三面蒙皮直接從內(nèi)部焊接，第 四面蒙皮開(kāi)孔塞焊。焊后進(jìn)行退火消除焊接應(yīng)力，并加工蒙皮及端面至設(shè)計(jì)尺寸。 模具骨架加工的同時(shí)，前后端軸也按要求焊接成型、退火處理，并加工到位。其 中，模具骨架和蒙皮焊接后的熱處理制度如下:以150 l/h的加熱速度將其加熱 到600 ，保溫5 h，然后隨爐冷卻至200 C后空冷至室溫。前后端軸焊接后 的熱

17、處理制度如下:以150 C/h的加熱速度將其加熱到600 C,保溫2 h ,然 后隨爐冷卻至200 C后空冷至室溫。最后，前后端軸和模具骨架通過(guò)螺釘進(jìn)行連接，連接裝配后檢測(cè)模具的同心 度。如同心度較差，可對(duì)端軸無(wú)縫鋼管與設(shè)備連接位置在同一基準(zhǔn)下進(jìn)行加工， 以提高前后端軸同心度，減小模具使用時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。圖9復(fù)合材料箱體成型模具加工工藝路線Fig.9 Processing route of mold根據(jù)以上加工工藝路線對(duì)模具進(jìn)行制造。模具總質(zhì)量7.84x103kg。通過(guò)該 模具順利完成了大型復(fù)合材料箱體的成型及脫模過(guò)程，所生產(chǎn)產(chǎn)品符合設(shè)計(jì)要求。5結(jié)論（1）為保證整體剛性，有效傳遞脫模力，降低加工難度和風(fēng)險(xiǎn)，復(fù)合材料 箱體成型模具主體采用通長(zhǎng)軸、周向輻板、軸向筋板和蒙皮組合的結(jié)構(gòu)形式。（2）復(fù)合材料箱體成型模具通過(guò)采用通長(zhǎng)的無(wú)縫鋼