近年來(lái)，先進(jìn)復(fù)合材料在現(xiàn)代飛機(jī)上的用量不斷擴(kuò)大，已經(jīng)成為鋁、鋼、鈦之外的第4大航空結(jié)構(gòu)材料。復(fù)合材料在A380中用量達(dá)總重量的25%，在B787中更是達(dá)到了50%，在A350XWB結(jié)構(gòu)上的用量達(dá)到了52%。其中應(yīng)用最多的仍然是玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、硼纖維等高性能纖維增強(qiáng)的樹(shù)脂基復(fù)合材料，簡(jiǎn)稱先進(jìn)復(fù)合材料。其突出特點(diǎn)是構(gòu)件在成型過(guò)程中，需要加熱、加壓和抽真空等工藝條件，材料成型和構(gòu)件成型同時(shí)完成，其形位精度主要依靠相應(yīng)的模具和工裝來(lái)保證。市場(chǎng)對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)量、性能、成本、周期等要求的不斷提高，促進(jìn)了先進(jìn)復(fù)合材料工藝技術(shù)及其模具和工裝技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展。

模具和工裝的設(shè)計(jì)技術(shù)

在CAD技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，復(fù)合材料成型模具和工裝廣泛采用數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)，許多常用的結(jié)構(gòu)采用模塊化和參數(shù)化設(shè)計(jì)，以提高設(shè)計(jì)效率。

復(fù)合材料模具與常規(guī)鈑金成型模具的不同之處在于：對(duì)累積公差的要求更加嚴(yán)格；模具與零件貼合面尺寸的差異取決于模具的類(lèi)型及其熱膨脹特性；復(fù)合材料零件的最后尺寸是基體最高固化溫度下的尺寸[1]。

在進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)要考慮熱匹配問(wèn)題，鋼和鋁的熱膨脹系數(shù)比大多數(shù)碳/石墨復(fù)合材料約大出一個(gè)數(shù)量級(jí)，當(dāng)從固化峰值溫度向下冷卻時(shí)，金屬模具的收縮會(huì)在構(gòu)件中引起嚴(yán)重的殘余應(yīng)變或固有應(yīng)變。在進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)，如果不能通過(guò)尺寸修正，則需要使用熱膨脹系數(shù)較低的復(fù)合材料模具。一般采取一定的熱膨脹補(bǔ)償方法，按經(jīng)驗(yàn)公式及試驗(yàn)驗(yàn)證，以制件質(zhì)心為中心，把整個(gè)制件按式（1）縮小。按照縮小后的制件作為工程設(shè)計(jì)輸入[2]。

F=1/ [（T-P）×△T +1]，（1）式中，F(xiàn) 為熱膨脹糾正系數(shù)；T 為模具的熱膨脹系數(shù)；P 為復(fù)合材料制件的熱膨脹系數(shù)；△T 為固化溫度和室溫的差值。

對(duì)于簡(jiǎn)單的角度回彈問(wèn)題，在模具設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)先把回彈角考慮進(jìn)去，即制件夾角加上回彈角等于模具的角度，使制件脫?；貜椇蠓瞎に嚁?shù)模要求。

對(duì)于復(fù)雜的制件，采用CAE技術(shù)模擬分析模具和工裝的結(jié)構(gòu)剛度、熱膨脹、溫度場(chǎng)分布等效果，為模具溫度補(bǔ)償和回彈修正設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

模具和工裝結(jié)構(gòu)形式

復(fù)合材料成型工藝方法較多，相的模具結(jié)構(gòu)形式多種多樣，先進(jìn)復(fù)合材料成型模具結(jié)構(gòu)形式主要分為如下幾類(lèi)：

（1）框架式模具。

為了增強(qiáng)模模具局部和整體剛度，提高模具型面加熱效率，減少模具變形，采用隔柵結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)制造模具骨架。圖1為框架式模具實(shí)物照片。

（2）整體式模具。

對(duì)較小尺寸的復(fù)材制件，或采用石墨等材料制造模具時(shí)，可采用整體式模具，便于機(jī)械加工。

（3）組合式模具。

組合模具（圖2）通常采用金屬制造，主要用于壓機(jī)成型、模壓成型、樹(shù)脂傳遞模塑成型和注射模成型。組合模通常由上下2個(gè)半模構(gòu)成，其加熱方式可以通過(guò)模具的上下壓盤(pán)傳導(dǎo)加熱，也可以通過(guò)附近的熱源給模具加熱，或內(nèi)置的模具加熱系統(tǒng)加熱。

液態(tài)成型技術(shù)包括了樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模塑（RTM），及由RTM發(fā)展出來(lái)的真空輔助成型（VARTM），樹(shù)脂模溶滲成型（RFI）等。RIM模具結(jié)構(gòu)通常分為3部分，1部分為型體，其余2部分為2個(gè)端蓋，對(duì)形狀復(fù)雜的或尺寸大的制品可將型體部分再分割組合，分型面分別做出凸舌與凹溝，并在2個(gè)端蓋處設(shè)計(jì)注射口及排氣口，同時(shí)考慮樹(shù)脂分流道。