近年來，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)的樹脂基復(fù)合材料，簡稱先進(jìn)復(fù)合材料。其突出特點(diǎn)是構(gòu)件在成型過程中，需要加熱、加壓和抽真空等工藝條件，材料成型和構(gòu)件成型同時完成，其形位精度主要依靠相應(yīng)的模具和工裝來保證。市場對先進(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)計技術(shù)

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

    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)計時，重點(diǎn)要考慮熱匹配問題，鋼和鋁的熱膨脹系數(shù)比大多數(shù)碳/石墨復(fù)合材料約大出一個數(shù)量級，當(dāng)從固化峰值溫度向下冷卻時，金屬模具的收縮會在構(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)計時，如果不能通過尺寸修正，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，把整個制件按式（1）縮小。按照縮小后的制件作為工程設(shè)計輸入[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。

    對于簡單的角度回彈問題，在模具設(shè)計時，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，使制件脫模回彈后符合工藝數(shù)模要求。
 

    對于復(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、溫度場分布等效果，為模具溫度補(bǔ)償和回彈修正設(shè)計提供依據(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：

    （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。

    對較小尺寸的復(fù)材制件，或采用石墨等材料制造模具時，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、樹脂傳遞模塑成型和注射模成型。組合模通常由上下2個半模構(gòu)成，其加熱方式可以通過模具的上下壓盤傳導(dǎo)加熱，也可以通過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)包括了樹脂轉(zhuǎn)移模塑（RTM），及由RTM發(fā)展出來的真空輔助成型（VARTM），樹脂模溶滲成型（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個端蓋，對形狀復(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個端蓋處設(shè)計注射口及排氣口，同時考慮樹脂分流道。
 

    （4）自容式模具系統(tǒng)。

    自容式模具（圖3）系統(tǒng)，加熱和加壓是模具的一部分，熱源可以是電、熱油或蒸汽，能夠解決一些熱壓罐的不足之處，可以用來生產(chǎn)大于現(xiàn)有設(shè)備的零部件，且具有成本低、升壓速度快、溫度控制精確的優(yōu)點(diǎn)。

    （5）彈性體模具。

    彈性體模具系統(tǒng)，用于整體加強(qiáng)壁板的共固化制造中，可成型如方向舵、水平安定面、擾流板、副翼以及小型翼盒等盒形結(jié)構(gòu)。彈性體模具系統(tǒng)的一個變種是膨脹芯模或氣囊芯模。用外面的充氣源給它們充氣使其膨脹，并將壓力傳遞到層合板的表面。

    （6）易變形模具。

    易變形模具是指這種模具在某一種物理狀態(tài)下保持一定模具形狀，在另一種物理狀態(tài)下變成另外的模具形狀。比較有代表性的易變形模具是形狀記憶高分子模具，這種模具通常由記憶成型構(gòu)件原始形狀的固定相和隨溫度變化能發(fā)生可逆軟化與硬化變化的可逆相組成。固定相的作用是記憶與回復(fù)成型構(gòu)件原始形狀，而可逆相的作用則是發(fā)生與固定形變。

    （7）連續(xù)成型模具。

    主要有拉擠成型模具和擠壓成型模具。

    拉擠加工過程是將浸有樹脂的纖維連續(xù)通過一定型面的加熱口模，擠出多余的樹脂，在牽引條件下進(jìn)行固化。

    連續(xù)擠壓是一種多工步過程，其成型模具為組合式，多運(yùn)動部件組成。首先多層熱塑性帶在模具中加熱并壓成層合板，而后將層合板壓入成型模具并加熱壓成所需截面的型材，最后將型材通過連續(xù)壓模壓成所需的彎曲形狀，這種方法可以成型彎曲甚至扭轉(zhuǎn)和變截面的型材零件，是一種新型的成型工藝。圖4為其成型模具和設(shè)備。