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1结构形式
某梁采用复合材料制造，约长2m，变截面并带理论外形，零件腹板部分主体为平面，包含有台阶面，侧面与壁板外形相应曲面一致，外形公差为±0.1mm，装配要求高;为“U”形结构，侧面角度闭角结构(＜90°)。该构件在热压罐成型过程中脱模困难，如果强行取出会损坏构件和模具，无法保证型面公差，这对成型模具的结构设计提出了较高的要求。
2模具设计要求
复合材料成型模具直接影响着产品的质量，在设计时应满足:①模具要有足够的刚度、强度，以保证模具型面基准不变;②热容量小，热膨胀小，热稳定性好;③加工精度高，表面光度高，模具自身协调性好;④施工便捷，操作安全可靠;重量轻，运输方便;⑤可维护性好，制造成本低;⑥具有良好气密性。根据复合材料U形梁的结构特点，在设计中需要解决以下技术难点:成型模具的结构形式如何保证构件的型面公差，如何满足脱模要求并解决U形梁的回弹问题。
3模具选材
3.1模具材料
复合材料成型模具用料要求热变形小、热膨胀系数小以及导热系数高，大多采用普通钢、INVAR钢、碳/环氧复合材料和铝合金。普通碳钢适用于型面曲率不大的模具，当产品批量生产、尺寸精度要求较高时，选择钢制模具最为经济、实用;铝合金适用于平板类、尺寸精度要求不高的模具;INVAR钢适用于结构复杂、曲率大、尺寸大的模具。不同模具材料对复合材料构件变形的影响主要体现在两个方面，一方面是不同的材料热导率会影响与其直接接触的复合材料构件固化温度场的分布，从而影响最终构件内残余应力的大小及分布，引起不同的构件变形;另一方面就是不同材料的热膨胀系数不同，模具与构件之间的相互作用程度不一样，因此导致构件的变形不同。在固化过程中，模具与复合材料构件之间的热膨胀系数不匹配会引起模具与构件接触处的层间应力，包括层间剪切应力和沿构件厚度方向的力，这主要是由于模具与构件在固化压力的作用下始终粘贴在一起，随着模具受热膨胀，靠近模具的构件层比远离模具的构件层受到的约束张力要大，因此沿构件厚度方向形成一定的应力梯度，在固化过程中这部分应力被“冻结”在构件中，在脱模以前都没有得到释放，固化完成后冷却至室温脱模，这部分应力将被释放，脱模后的复合材料构件必须通过变形来维持应力的平衡。
3.2模具型面补偿修正
模具设计时要考虑复合材料与模具热膨胀系数的差异，INVAR钢和复合材料模具受热膨胀的影响很小，可忽略不计;但对于普通碳钢和铝合金模具影响比较大，对于大尺寸的复合材料构件需要采取补偿措施，根据计算公式和生产经验。考虑到制造成本和构件精度要求，本文设计的模具选用Q235钢制造，根据上述公式计算缩尺KS为－0.65‰，结合生产经验和复合材料梁的结构形式，提取整个构件的理论型面并按适当缩尺进行缩小，模具设计时按照缩小后构件提取的型面作为模具的设计型面，以减小构件的变形或抵消变形的影响作用。
4模具结构设计
4.1模具回弹角的补偿
复合材料在热固化成型过程中由于材料本身的各向异性、铺层方向引起的力学性能差异、结构的不对称性和基体的固化收缩效应等因素，在构件内经应力梯度和温度梯度耦合作用导致固化时的内应力积聚，一部分应力在构件中以残余应力的形式长久存在，另一部分应力在构件脱模后释放，这两部分应力存在的形式共同导致回弹变形。对于梁、长桁类有大夹角的构件，固化成型过程中在拐角处的回弹变形会导致夹角变化，即构件在固化脱模后，夹角因收缩而小于模具角度，此差值为回弹角。这将给制件间的装配带来容差、超差等问题，翼梁缘条回弹使其外形偏离了设计要求而导致蒙皮与翼梁间螺栓连接装配孔错位，若对装配件进行强制装配将会引起残余应力、密封不好等问题，这样会降低结构的强度和疲劳寿命，甚至造成制件报废。在模具设计时，通过调整模具型面来补偿构件回弹，即构件夹角加上回弹角等于模具夹角，使构件在脱模回弹后符合工程数模要求。国内外专家学者都在积极研究复合材料结构固化变形的预测及控制方法。GFG公司在复合材料工形梁的成型模具设计时，考虑工形梁缘条的回弹，采用经验的方法在模具的缘条型面上加入修正值(约1°)以抵消构件回弹。国内贾丽杰等人针对复合材料典型C形结构的回弹变形进行研究，通过对回弹角的预测结果进行修正，确定C形梁回弹角度在1°左右。本文涉及的复合材料U形梁为闭角结构，成型模具设计时需要进行回弹补偿，结合以往生产经验和国内外学者的研究结果，在两侧缘条各设置1°回弹补偿角，提取补偿后的两侧缘条型面为模具的型面。
4.2模具结构形式
复合材料梁一般为细长结构，常用模具结构形式为阴模、阳模和阴阳模组合，分析构件是否有气动面、装配面、胶接面等，一般情况下可确定这些面为贴膜面。根据U形梁的结构特点，采用CATIAV5R18建模，模具为框架式阳模结构，采用Q235钢焊接制造，模具包括模胎、支撑框架(支板组件和框架)、盖板、工具球套。根据产品设计部门所提供的产品零件数模提取成型曲面作为模胎的理论型面，将该曲面偏移10mm切割实体，获得“Ω”型模胎;创建支板组件，输入单个支板尺寸创建实体并设计散热孔，通过阵列命令创建其他支板;框架为长方体结构，采用的方钢管为标准型材，根据彼此之间的位置约束关系通过阵列偏移命令进行设置。这种框架式模具结构厚度均匀，通风好，升温快，有利于模具各点温度均匀，可以减少模具在升温和降温过程中因各部位温度不一样而引起的模具变形。(1)模胎模胎是“Ω”型一体式结构，采用10mm等厚的钢板，在保证气密性前提下允许拼接焊接。在模胎上需要留有一定距离用于打真空袋，通常手工铺贴模具的余量区在100～200mm。模胎的型面轮廓度公差小于0.2mm，数控加工后按数模中模胎线数据集划线，深0.5mm、宽0.3mm，并在余量线外打出标记，所有划线位置的偏差不大于0.2mm。构件轮廓线用于非数控切边时使用，决定构件外形尺寸的精度，设计时应考虑模具材料的膨胀因素作适当缩放处理。铺贴线用于无激光投影时手工铺贴定位，以控制铺贴余量，防止由于铺贴不完全齐整、流胶、挡胶条等因素导致固化后产品边缘质量不高，通常铺贴线到产品轮廓线可留20mm余量。(2)支撑框架框架与支板组件主要起支撑作用，保证整个模具的强度和刚度。框架取消了传统的薄板格栅结构，采用方钢管焊接，具有成本低、加工周期短的优点，有效实现模具减重，又使得空气流在模具体上下表面任意流动，加热更均匀。在支板组件上设计散热孔，尽量在同一直线上保证成型过程中空气的流通性，有利于整个成型的复合材料构件温度均匀，保证成型产品的质量。同时在支板两端设计80×50×10mm的加强块，防止模具在吊装时沿长度方向产生变形。(3)盖板和工具球梁腹板平面处采用2mm铝盖板与阳模配套使用，使构件表面加热均匀，同时在抽真空的过程中传力均匀，保证构件外表面的平面度。工具球用于定位找正，在设计时要覆盖构件的最高点和最低点，长度方向间隔不超过1m。各工具球孔按数模制造，并在模胎上打出所有工具球实际坐标值及孔位序号，用于手动铺贴时放置激光投影的靶标，以定位铺层区域。(4)后续处理模具焊接完成后进行2～3次退火，消除焊接和机加应力，减少模具的变形;对模具型面进行激光测量，型面精度符合图纸要求;加工完毕做气密试验，保证模具气密性。
4.3工艺验证
在复合材料U形梁的热压罐成型工艺中，采用本文设计的成型模具进行铺叠成型，生产的复合材料构件易于脱模，表面光滑平整，型面公差符合要求，U形梁两侧缘条的角度变形控制在技术要求范围以内，满足了后续与壁板及其他组件的装配要求。
5结论
(1)采用CATIA三维软件对复合材料U形梁成型模具进行数字化设计，综合考虑了模具材料热膨胀系数差异、结构形式、回弹角以及脱模等因素，对模具成型曲面进行补偿修正，从而减小或者消除热压罐成型过程中构件的变形，对两侧缘条各设置1°回弹补偿角以保证U形梁的尺寸精度和脱模要求;(2)该成型模具为框架式阳模结构，采用Q235钢制造，成本低，结构合理，可加工性好，型面公差符合要求，具有良好的刚度和气密性。通过工艺验证，该模具可操作性强，脱模简单，生产的复合材料构件满足技术条件和后续装配要求。
作者：韩培培 孟庆杰 单位：中航工业沈阳飞机工业集团有限公司
