复合材料进气道模具设计研究范文

摘要：针对无人机S型复合材料进气道的成型，设计了一种可循环利用高效的组合模具，其模具由硅橡胶模具与金属组合模组成。材料体系选用高强碳纤维环氧树脂预浸料。成型工艺选择热压罐固化工艺，对比了不同铺层层数对壁厚的影响。利用此成型工艺成功制备出了内外型面、内部质量满足要求的进气道。

关键词：模具；S型进气道；热压罐；成型工艺

相较于金属材料，复合材料具有的高比强度、高比模量、密度低、较好的抗震性、抗疲劳性，同时还具有可设计性，在航空航天以及军工领域有了大量的应用。其中树脂基复合材料具有的优异性能，使得其在航空领域的应用仅次于铝合金、钢、钛合金。目前航空领域发展对材料要求也进一步提高，复合材料的可设计性、密度低等特性更加进一步奠定了其在航空领域的地位[1~3]。无人机具有尺寸小、重量轻、用途广等优点，在国防及民用领域发挥越来越重要的作用。其对材料的要求也越来越高，复合材料可设计性、密度低等特性能够满足无人机应用要求。S型进气道是无人机气动系统的关键部件，为变截面结构，需满足气动要求，其中内型面必须满足气流无阻碍流通，外型面满足与机身壳体配合。研究人员在制备内外型面满足要求且无拼接结构的复合材料进气道做了大量的探索[4~6]。S型进气道特殊结构及型面要求，使得复合材料成型存在较大的难题，为了保证产品的结构，模具设计应为阴阳模组合结构，但是其为S型变截面结构，最终导致产品脱模困难。目前S型复合材料进气道成型阳模一般为金属组合模、可溶性模具或可破坏模具，阴模为组合钢模[7~9]。但是这类模具存在成本高及使用效率低等缺点，本文提出一种的可重复、高效使用的组合模，在工艺控制下成型出满足要求的进气道产品，进气道结构示意图如图1所示。

1实验

1.1材料及设备原材料：

碳纤维环氧树脂预浸料（T700/603），航天材料及工艺研究所设备：热压罐：Φ1.5m×2.5m、真空泵碳纤维环氧树脂预浸料（T700/603）采用热熔法制备而成，单向预浸料的含胶量为34±3%，纤维面密度165±5g/m2,挥发物含量＜1%，复合材料的制备采用热压罐工艺成型，选用阶梯加压和升温的固化方式。

2结果与讨论

2.1材料的选择

进气道作为无人机产品气动系统的关键部件，为发动机提供气流，在无人机运行过程中，有很强的气流进入，对进气道形成很强的内压，同时进气道与发动机连接还需要一定的耐温性使用温度大于100℃。在此选择航天材料及工艺研究所生产的T700/603,其拉伸强度达到2000MPa,弯曲强度1500MPa，层间剪切强度＞75MPa[10~11]，具体力学性能测试表见表1，能够满足气动要求的强度刚度，其Tg＞180℃，可以在高温下稳定的运作，该材料还有良好的耐湿热性、优异的抗疲劳性，适用于无人机进气道制件。

2.2模具设计

目前传统的S型进气道模具设计分为两种，第一种为阳模金属组合模具组合而成，阴模为组合钢模，此设计大大提高了模具的设计成本，且过多的阳模组合模块，在频繁使用模具后，存在模具型面偏移现象，在成本和使用周期方面存在较多弊端；第二种阳模为可溶性模具或可破坏模具，阴模为组合钢模，此种设计做一次产品就需要重新对阳模进行制作，大大降低了产品制备的效率[12~15]。为了保证产品容易脱模，生产成本低，模具设计为阴阳模组合，阳模为中空硅胶结构，阴模为组合钢模。模具结构见图2、3。模具保证了产品的外形尺寸、型面精度以及内型面的光滑，通过过程中预浸料的层数用量来控制产品的壁厚，从而制备出内外型面满足要求的产品。

2.3成型工艺

复合材料的成型根据产品的结构特点、性能、成本要求和生产数量形式，选择热压罐、缠绕、RTM等工艺，此种结构产品不适合缠绕工艺成型，RTM对于产品模具要求较高，需要制备闭合型腔模具，造价成本高，相较于其他工艺，热压罐成型工艺在模具设计及制造、产品性能稳定性有明显优势，热压罐内温度控制、压力精准对于产品壁厚控制、产品外观质量、产品内部质量都有明显的优势，因此选择热压罐成型工艺。

2.4固化工艺

产品铺层后进行包覆，进入热压罐进行固化，在130℃保温1h，180保温3h，然后进行降温，当温度小于70℃停机出罐，固化参数见图4。

2.5铺层层数与壁厚影响

工艺设计为阴模保外型尺寸，通过工艺过程控制产品壁厚，从而得到满足气动要求的内型面。在此对比了在同一工艺过程控制下，不同预浸料层数对产品壁厚的影响，尺寸对比见表2。由不同铺层层数成型后产品厚度对比，得出在铺层层数为20层时，壁厚稳定能够很好的满足内型面的要求。

3结束语

本文分析了不同S型进气道成型模具成型产品的优缺点，提出了一种中空硅胶模具与钢模阴模配合的组合模具，在工艺过程控制下铺层20层时，能够制备出内外型面满足要求的进气道，本文设计不仅对S型进气道成型有指导作用，为同种类型结构的产品也提供借鉴意义。

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作者：马腾飞 李伟明 许向彦 单位：航天长征睿特科技有限公司