进气道模具设计及工艺方案研究范文

摘要:

对现有的金属模具及水溶性模具方案进行研究，在此基础上设计出组合式复合材料模具方案，确定了方案中复合材料易碎层的工艺参数，并制备了复合材料进气道，为复合材料进气道及其他复杂型面产品的整体成型技术提供了一定的参考。

关键词:

复合材料;进气道;模具设计;工艺方案

 无人机具有重量轻、尺寸小、成本低等优点，在科研及国防领域所发挥的作用越来越重要，成为当下各国重点发展的对象。随着无人机性能的提升，对机体结构材质的要求也越来越高。复合材料因具有高比强、高比模、可设计性强等优异特性，兼具明显的减重效果及隐身性能，可满足无人机结构材质的属性要求。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。进气道是无人机动力系统的重要组件，据资料显示，进气道及其唇口的雷达反射波占整体的40%［1］，为使进气道能够保证可靠的进气效率及更加优秀的隐身性能，进气道通常设计成S弯形变截面结构［2］，进气道内型面不能拼接，需要整体成型，且对尺寸精准度要求很高［3］。本文以一种埋入式进气道为例，简要介绍目前国内主要的几种模具设计方案，并详细阐述一种改进的复合材料进气道成型工艺方案。结构示意简图如图1所示。该进气道尺寸为500mm×300mm，内腔最大尺寸为100mm，最小处约为600mm。

1模具设计

由于进气道为变截面的S弯形结构，需要采用阳模整体成型。考虑到进气道结构复杂，进气道两侧口框大，过渡段细长，脱模成为整体成型的难点，对于成型方案提出较高的要求。根据目前国内技术领先的几家工程应用企业的技术调研及归纳分析，得知目前主要的模具方案有组合式金属模具及水溶性模具成型方案［4-9］。现对这两种模具方案进行介绍，并介绍改进后的组合式复合材料模具方案。

1.1组合式金属模具方案根据进气道口框及过渡段形状，将金属阳模分块，各活块之间采用螺钉及定位销等进行机械连接，从而使各活块能够按一定的脱模次序逐块脱出，其结构如图2所示。组合式金属模具的优点是具有优异的加工精度及表面光洁度，但其组装及脱模较为复杂，且反复使用后活块之间可能存在缝隙，使阳模尺寸精度下降，导致内腔尺寸精度无法保证，同时活块间缝隙渗入胶液后，在脱模时会导致无法脱模。

1.2水溶性模具方案水溶性模具是选用满足产品成型工艺要求的水溶性材料，经过配料、毛坯成型、固化、机加工及表面处理等步骤完成的［10-13］。水溶性模具在产品成型后，使用水溶解掉，完成产品的脱模环节。水溶性模具需要的生产周期短，适用于研发阶段的不定型产品试制及生产。经过机加工及表面处理后，水溶性模具的表面光洁度较高［14］。由于进气道内腔形状较为复杂，使用水溶性模具需要的机加工难度较大，机加工环节后进行的表面处理可能会降低尺寸精度。

1.3复合材料组合式模具方案本方案结合组合式金属模具及水溶性模具的优点，可得到高精度、高光洁度的进气道模具，模具不需要额外的机加工及表面处理工序，产品成型后模具拆卸便利。以进气道内腔面制备阴模，使用金属芯模作为结构支撑骨架，装配固定在阴模内，在金属芯模表面制备一层易碎复合材料，脱模后得到复合材料组合式阳模，其结构如图3所示。将阳模包裹增强材料后，装入产品阴模灌注成型。产品成型后，先将金属芯模拆除，再使用工具将复合材料易碎层去除，可得到满足尺寸精度、表面光洁度要求的进气道。对三种方案进行评比后，最终选择使用组合式复合材料模具方案进行进气道的制备。由于无人机的进气道属于埋入式进气道，对内外型面都有严格的要求，因此选用RTM闭模成型［15］。

2成型工艺方案

复合材料进气道以及组合式复合材料模具方案中所使用的原材料均为MFE-2乙烯基树脂/萘酸钴/过氧化甲乙酮树脂体系。增强材料为400g/m2的高强纤维玻璃布。根据产品结构特点及使用要求，使用RTM工艺制作组合式复合材料阳模及进气道产品。

2.1组合式复合材料模具的制备(1)将金属芯模进行定位组装；(2)加入增强材料后装配金属芯模到图4中的阴模并合模。灌注复合材料阳模。图4中所用阴模为数控机加工制备;(3)固化后，脱模得到组合式复合材料阳模，如图3所示。组合式复合材料模具方案有两个关键点:一是在进气道RTM成型过程中，组合式阳模复合材料层不应发生形变;二是进气道在脱模时可顺利脱出。因此复合材料易碎层的强度是组合式复合材料模具成功与否的关键。经过反复试验，结果如表1所示，当复合材料易碎层的纤维含量在10%～15%时，可同时满足以上的两点要求。复合材料易碎壳中的少量增强材料可提高韧性，在操作过程中保证易碎壳的完整，不仅会明显提高复合材料阳模的强度，同时也便于进气道脱模时易碎壳的破坏。另外，由于金属芯模可重复使用，在满足便于拆卸的基本要求之外，设计时应尽量贴近组合式模具的边缘，以降低易碎层的厚度，降低易碎层复合材料的用量。由于易碎层需要一定强度，厚度不能过薄，结合实际应用得出结论:易碎层厚度应不小于2mm。

2.2RTM工艺制备复合材料进气道(1)在组合式复合材料阳模上铺覆设计规定的增强材料铺层并合模，模具组合示意图如图5所示。开启真空后，开始灌注。树脂在增强材料预制体中流动且到达各个部位，浸润其中的增强材料、排出空气、填满模腔;(2)树脂在室温环境下固化，固化完全后脱模;(3)脱模后产品经简单的切边后，完成复合材料进气道的制备。

3结论

相比于组合式金属模具及水溶性模具方案，使用组合式复合材料模具方案制备变截面进气道，从表面精度、尺寸精度及脱模难易程度上都有很大提高，是一种便利可行的新式模具方案。方案中提出复合材料易碎壳结构，并确定了易碎壳的成型工艺，最终成功制备了变截面的进气道。制备的进气道尺寸精准、表面光洁度高，满足进气道的各项使用要求。该方案为复杂型面复合材料产品的模具方案提供了一定的参考。

作者：石磊 徐晋伟 柴朋军 单位：海军驻北京地区舰船设备军事代表室 北京玻钢院复合材料有限公司