大型復合材料箱體成型模具設計

葉 青 陳 博 倪 恒 寇 晨

（1 西京學院機電技術系，西安 710021）

（2 咸陽師范學院物理與電子工程學院，咸陽 712000）

文 摘 為了制造合格的大型復合材料箱體，本文制定了箱體成型模具的設計和制造方案。某復合材料箱體屬于大型長軸類產品，其成型模具撓曲變形及脫模力大。模具主體采用通長軸、周向輻板、軸向筋板和蒙皮組合的結構形式。模具通過無縫鋼管、模具骨架及蒙皮形成的三維網狀結構有效保證模具剛度，通過帶斜度工作平面及變圓角設計大大降低脫模力，通過在頂出端使用更厚的鋼板提升其在脫模時的可靠性。仿真結果表明，簡支工況下模具最大應力值為42.9 MPa，最大變形量為0.51 mm；脫模工況下模具最大應力值為188.6 MPa，最大變形量為0.5 mm。根據模具結構制定了分別組焊、整體裝配的加工工藝路線并完成了模具制造。仿真及模具實際使用結果表明，該模具滿足復合材料箱體的生產需求。

0 引言

某箱體是某儲運發射系統的關鍵組成部分，肩負著儲存、運輸、起豎、發射等重要作用，能夠有效提升儲運發射系統機動性，延長系統使用壽命，提高系統可靠性［1-2］，該類型箱體通常采用金屬材料或復合材料制成。相對于傳統的金屬材料箱體，復合材料箱體具有輕質高強、耐腐蝕及燒蝕性能好、無焊接變形、可設計性好等諸多優勢［3-7］，因此，復合材料已成為該類型箱體設計制造的優選材料［8-10］。但不同于金屬材料箱體采用多件焊接成型，復合材料箱體往往采用纏繞［11-12］或真空導入［13-14］等成型方法在模具上一體化成型，并采用機械脫模的方法將箱體和成型模具分離。因此，設計制造滿足產品尺寸精度和工藝需求的成型模具是生產復合材料箱體的關鍵。

本文提出了一種可行的大型復合材料箱體成型模具設計及制造方案，針對某大型復合材料箱體的產品結構及工藝特性設計了箱體成型模具，集中解決了模具在使用過程中撓度大、脫模力大等問題，針對相應工況進行了仿真驗證。并制定了大型復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 復合材料箱體及模具特性分析

1.1 復合材料箱體特性分析

某復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筋和箱內的一條導軌組成。

圖1 復合材料箱體外形及截面尺寸Fig.1 Shape and section dimensions of container

箱體總長8 370 mm，截面為方形，內腔截面尺寸810 mm×810 mm，蒙皮厚度10 mm，周向加強筋高度20 mm。箱體采用玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料制成，理論質量758.4 kg。要求箱體直線度≤2.5 mm。該箱體蒙皮采用真空導入成型，周向加強筋采用連續纖維纏繞成型，周向加強筋固化后借助油缸使用機械脫模方式將模具從箱體內腔中頂出。

1.2 模具設計要點分析

由于箱體屬于大型長軸類產品，長度與截面尺寸的比值更是達到了10.3，這會使模具在兩端簡支情況下發生較大的撓曲變形。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度較大，箱體內腔與模具的接觸面積較大，達到了5.5 m2，因此，脫模難度大，機械頂出脫模力大，對于模具的強度和剛度要求都較高；應重點考慮通過合理的模具結構設計降低脫模力。此外，纏繞設備極限載重9×103kg，模具質量控制在8×103kg以內為宜。

2 箱體成型模具設計

2.1 模具總體設計

大型復合材料箱體模具通常采用周向輻板、軸向筋板和蒙皮的結構形式，模具質量輕，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造成蒙皮變形量過大，進而導致加工后蒙皮某些位置厚度大大低于設計厚度，影響其使用壽命甚至導致模具報廢。為此，增加脫模時的脫模力傳遞途徑，本模具考慮沿模具軸向設置一根通長軸，采用通長軸、周向輻板、軸向筋板和蒙皮組合的結構形式。

模具需要承受較大的脫模力，對材料屈服強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 高強度鋼。模具主體結構如圖2所示，模具總長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行真空導入成型。模具骨架用于模具蒙皮的支撐和前后端軸的連接，是模具剛度設計的關鍵。前后端軸用于模具與設備的連接、自身的吊裝和脫模。模具骨架及蒙皮長度8.4 m，模具設計載重7.54×103kg。

圖2 復合材料箱體成型模具主體結構Fig.2 Main structure of mold

模具骨架見圖3，沿模具軸向布置一根長度8 400 mm，外徑560 mm，壁厚20 mm 的無縫鋼管，無縫鋼管前后端有厚度30 mm 的前后端板，外部沿軸向和周向分布有10 mm 厚的加強筋板，軸向加強筋板、周向加強筋板和無縫鋼管斷續焊接形成模具骨架。四面蒙皮依次焊接在模具骨架上，蒙皮設計厚度15 mm。由于箱體蒙皮采用真空導入成型，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。

圖3 成型模具骨架結構示意Fig.3 Diagrammatic skeleton of mold

模具前后端軸如圖4所示，由外徑168 mm，厚度30 mm 的無縫鋼管、厚度20 mm 的加強筋板、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。模具骨架無縫鋼管內部設置有外徑φ520 mm，內徑420 mm，厚度為40 mm端軸支撐環，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16枚螺釘進行連接，便于拆卸和更換。

圖4 成型模具前后端軸結構示意Fig.4 Diagrammatic of mold for front/rear shaft

選用的螺釘為M16×90 mm 的內六角圓柱頭螺釘，其材質為A2-70 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。

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 skeleton

2.2 模具剛度設計

模具整體剛度設計重點考慮兩個方面，一方面是減小因為自重引起的撓曲變形，另一方面是由于脫模力引起的變形。

在模具骨架設計時，考慮沿模具軸向設置通長的無縫鋼管和軸向加強筋能夠顯著提高模具軸向的抗撓曲變形能力。同時蒙皮、軸向加強筋板、周向加強筋板和無縫鋼管形成三維網狀結構，能夠顯著提高模具的承載能力和沿各個方向的載荷傳遞能力，具有很高的剛度。

對于后端軸，各零件間焊接為一體，無縫鋼管在受到脫模的頂出力時能夠有效地將載荷傳遞至整個模具；且后端軸工況較為嚴苛，采用較厚的鋼板對后端軸作加強處理。

2.3 脫模結構設計

為了安全高效地頂出模具，得到復合材料箱體產品，需根據復合材料成型特性對模具進行設計。脫模結構設計主要考慮兩個方面，一方面是減小模具和復合材料的結合力和機械咬合力，另一方面是減小模具和復合材料的接觸面積。

對于模具工作面，即蒙皮外表面要求加工后表面粗糙度≤Ra1.6 μm，良好的表面質量能夠有效降低模具和復合材料的機械咬合力。模具使用時要求在工作面上涂覆復合材料用脫模劑［18］。

由圖1箱體輪廓尺寸可知，箱體內腔上下面間距精度要求高，而左右側面精度要求低，同時，箱體導軌側面為非工作面，無較高精度要求。因此，可在模具側面和導軌槽側面設置斜度。本模具兩側面后端間距尺寸要求為mm，兩側面前端間距尺寸要求為mm，側面斜度1 mm，導軌槽側面斜度2 mm，詳見圖6。方形復合材料制品纏繞成型時，纏繞張力主要集中在方形模具圓角處［15-17］，模具平面位置受力較小，需對模具圓角進行脫模結構設計。本模具一方面將圓角設計為變圓角，前端R10 mm，后端R15 mm，另一方面要求模具加工后精拋圓角部位，使其達到鏡面效果，以減少模具圓角位置與制品的摩擦。通過帶斜度面及變圓角設計，模具在頂出過程中與箱體內腔接觸面積逐漸減小，能夠有效減小箱體脫模力。

圖6 箱體模具脫模結構示意圖Fig.6 Diagrammatic structures of demolding for mold

3 模具結構仿真

3.1 計算模型

本文通過Abaqus有限元分析軟件對模具的簡支工況和脫模工況進行了靜力學仿真。Q390B 鋼的密度、彈性模量和泊松比分別設置為7.85×103kg/m3，206 GPa 和0.28。安全系數取1.5，模具許用應力為260 MPa。根據箱體直線度≤2.5 mm，取成型模具極限撓曲變形量為1 mm。

簡支工況主要考察模具在工作時由于自身和箱體重力引起的撓曲變形。仿真時將模具通過焊接連接的零件實施綁定約束，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 倍箱體設計質量對應重力）。

脫模工況主要考察模具在脫模時發生的變形和破壞。仿真時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 仿真計算結果

簡支工況仿真結果見圖7，在模具前后兩端簡支工況下，其應力最大處位于端軸部位，這是由于前后端軸與設備機械連接應力無法及時釋放，最大應力值為42.9 MPa，遠小于許用應力260 MPa，結構強度滿足要求。模具最大變形發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，結構剛度滿足要求。

圖7 簡支工況下成型模具的應力和變形的仿真結果Fig.7 Stress and displacement simulation results of mold in simply-supported condition

圖8 脫模工況下成型模具的應力和變形的仿真結果Fig.8 Stress and displacement simulation results of mold in demolding condition

脫模工況仿真結果如圖8所示。在脫模工況下，模具最大應力和變形都發生在后端軸。最大應力值為188.6 MPa，小于許用應力260 MPa，結構強度滿足要求。最大變形量為0.5 mm，不影響產品尺寸和模具使用。

綜上所述，模具在簡支工況和脫模工況下剛度、強度滿足使用要求，結構安全。

4 模具制造

箱體成型模具實際加工工藝路線如圖9所示。首先，根據設計要求準備無縫鋼管、加強筋板、端軸支撐環和蒙皮等材料。先將軸向無縫鋼管校直并加工至設計長度，再與軸向及周向加強筋板、端軸支撐環等零件進行焊接。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部焊接，第四面蒙皮開孔塞焊。焊后進行退火消除焊接應力，并加工蒙皮及端面至設計尺寸。模具骨架加工的同時，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 ℃/h的加熱速度將其加熱到600 ℃，保溫5 h，然后隨爐冷卻至200 ℃后空冷至室溫。前后端軸焊接后的熱處理制度如下:以150 ℃/h 的加熱速度將其加熱到600 ℃，保溫2 h，然后隨爐冷卻至200 ℃后空冷至室溫。

最后，前后端軸和模具骨架通過螺釘進行連接，連接裝配后檢測模具的同心度。如同心度較差，可對端軸無縫鋼管與設備連接位置在同一基準下進行加工，以提高前后端軸同心度，減小模具使用時的轉動慣量。

圖9 復合材料箱體成型模具加工工藝路線Fig.9 Processing route of mold

根據以上加工工藝路線對模具進行制造。模具總質量7.84×103kg。通過該模具順利完成了大型復合材料箱體的成型及脫模過程，所生產產品符合設計要求。

5 結論

（1）為保證整體剛性，有效傳遞脫模力，降低加工難度和風險，復合材料箱體成型模具主體采用通長軸、周向輻板、軸向筋板和蒙皮組合的結構形式。

（2）復合材料箱體成型模具通過采用通長的無縫鋼管、模具骨架和蒙皮形成的三維網狀結構有效保證模具剛度，通過帶斜度工作平面及變圓角設計大大降低脫模力，通過采用裝配式的前后端軸以便于拆卸和更換，通過使用更厚的鋼板加強模具頂出端顯著提升模具在脫模時的可靠性。

（3）仿真結果表明，簡支工況下模具最大應力值為42.9 MPa，最大變形量為0.51 mm；脫模工況下模具最大應力值為188.6 MPa，最大變形量為0.5 mm。模具在簡支工況和脫模工況下剛度、強度滿足使用要求，結構安全。

（4）制定了復合材料箱體成型模具分別組焊、整體裝配的加工工藝路線，并順利完成了模具制造及復合材料箱體生產。