图1复合材料筒体形状及截面尺寸
表1薄壁筒体规格型号(mm)
筒体采用玻璃纤维布增强环氧树脂基复合材料成型，成型流程如图2所示。要求筒体直线度≤0.1mm，表面粗糙度为Ra3.2μm，弯曲强度≥MPa，绝缘性能电压≥0.5kV/mm。图2筒体成型工艺流程1.2模具设计要点分析筒体塑件的壁厚较薄（t1＜1mm），内、外表面设计有均布的凸棱，塑件与模具的接触面较大，厚度尺寸要求也相对较高，且直径/厚度＞、长度/厚度＞，属于超薄壁件，易造成脱模困难、脱模力使塑件开裂等现象。因此，需要进行合理的模具结构设计，在提高模具定位精度和刚度的同时，应着重考虑脱模方式。2模具结构设计和制造特点2.1模具零件材料模具结构反映了零件的截面尺寸、表观状态、性能等特点。因此，模具零件材料应具备热稳定性好、不易变形、加工方便、简单和使用安全、可靠等特点，保证成型的塑件质量稳定。薄壁管类塑件型芯一般选用45#、40Cr、GCr15、65Mn等材料，经过热处理后精加工、表面镀铬工艺再抛光，保证模具零件的刚度、耐磨性、粗糙度达到要求，有效降低脱模力。当采用RTM、模压等工艺生产要求较高的塑件时，凸、凹模一般选用P20、H、H、S等模具钢，因其具有优良的抛光性、防锈性、耐磨性。2.2模具结构及脱模方式根据塑件的特征及成型工艺，模具采用组合式模具，主要由凸模、凹模、定位环、芯轴、销钉、螺栓、密封环等组成，如图3所示。图3模具整体结构为减小模具和复合材料的结合力，凸模从结构上分两段，通过芯轴、定位销和螺母连接。根据凹模和塑件接触的表面积大小，凹模分5~8瓣式镶件结构，各凹模之间通过螺栓和定位销连接。凸模和凹模通过螺钉连接，轴向通过定位销定位，径向用限位环定位，控制塑件的厚度。塑件在成型后，为防止熔料进入螺钉、销钉及配合面处，在模具的端面、环面上用O形硅橡胶密封圈进行密封，如图4所示。图4模具密封结构及两端脱模台阶结构复合材料超薄壁件在成型后均存在脱模困难现象，该模具结构可有效避免脱模时对塑件的损伤。脱模时先卸掉左端的螺母，将芯轴抽出，再拆掉限位环处的螺钉和销钉，通过机械反推的方式将限位环推出，再用脱模机将两段凸模分别从两端脱出。由于在凹模两端设计了脱模工艺台阶，塑件在成型时两端补有脱模阶梯，能保证在抽出凸模时塑件保留在凹模上，如图4局部放大所示。最后松动凹模各瓣处连接螺栓，依此用铁锤、铜棒、橡胶锤敲震凹模的外表面，再通过凹模脱模气孔导入0.1MPa的干燥空气，使塑件与凹模分离，松开螺栓及销钉，卸下第1瓣凹模镶件，按照上述方法依次卸下其他几瓣凹模镶件。2.3凸模与凹模的制造为保证模具的耐磨性和成型面粗糙度，在制造模具零件时，凸模采用40Cr热处理，通过车削、铣削、磨削、抛光、镀铬、抛光加工，使凸模表面粗糙度值≤Ra0.4μm；凹模采用热作模具钢P20，P20硬度为30~42HRC，无需热处理，可直接用于模具零件加工，且尺寸稳定性好，具有良好的切削性及抛光性。凹模抛光后表面粗糙度值≤Ra0.8μm，保证塑件能顺利地脱模。图5所示为mm×mm试验平板和筒体在不同粗糙度下的脱模力。图5表面粗糙度对脱模力的影响3合模力及脱模力的分析与计算3.1合模力的试验分析与有限元计算图6所示为T-01号塑件凹模合模预紧力对塑件厚度的影响，实践证明当合模力为2kN时，成型的塑件厚度满足要求。图6凹模合模预紧力对塑件厚度的影响在上述试验的基础上，通过Abaqus有限元分析软件对筒体在成型后凹模合模应力、变形进行了仿真。P20钢的密度取7.kg/m3，弹性模量设置为GPa，泊松比为0.25。安全系数取1.5，模具许用应力为MPa，成型模具极限挠曲变形量取0.08mm。该工况主要是考察复合材料件在完成铺层后，组装凹模时复合材料层对模具的反作用力。具体实施：将模具两端螺纹孔处固定，凹模工作表面上逐渐施加到2.1kN的总压力。经计算最大应力值为30.8MPa，如图7所示，小于许用应力MPa；最大变形发生在模具中部，且变形由两端向中间逐渐增大，最大变形量为0.mm，如图8所示，小于极限挠曲变形量0.08mm，结构刚度满足要求。图7凹模合模应力云图图8凹模合模变形云图3.2脱模力计算筒体成型过程中，由于纤维布张力、凹模的合紧力和固化冷却收缩而包紧凸模，产生对凸模的粘附力，筒体脱出凸模的脱模力必须克服粘附力和摩擦阻力。影响塑件与模具零件工作表面粘附力的因素较多，与模具零件的截面形状、塑件的壁厚、塑件的收缩率、对成型零件的摩擦系数等有关，在实际生产中只考虑主要因素，按如下公式计算脱模力：式中：Qk——塑件脱模力（未考虑空气阻力），kN；A——凸模工作表面断面周长，mm；h——凸模工作表面长度，mm；α——脱模斜度，（°）；f—摩擦系数，取0.1~0.2；P—粘附力，取0.06~0.1MPa；F——凹模合紧力（5瓣），kN。选取其中一种复合材料筒体规格尺寸计算粘附力P，并计算其脱模力，与实际脱模力进行对比。复合材料筒体的力学性能服从虎克定律：式中：σ——拉应力，kN；E——材料弹性模量；ε——弹性应变。如图1所示塑件截面图，其周向成型收缩：式中：S——塑件收缩率。收缩变形转化为周向弹性应变：其中，L≈2πR。由式（3）、（4）得：ε≈S。根据其在径向合力∑Fy=0得：2Thσ=其中，T为塑件厚度，mm。简化上式得粘附力计算公式:将式（6）代入式（1）式可得：式中：Q——总脱模力，kN；K——安全系数，考虑脱模力为确保脱模动作稳定可靠，需要足够脱模驱动力，一般取2~3。选取表1中编号T-01的筒体按式（7）计算，因塑件尺寸要求较严，模具脱模斜度微小、α值可忽略，即α=0，根据已有试验数据E=10GPa，S=0.04%，L=/2=mm，F=2.1kN，计算得Qk=4.6kN，Q=8.9kN；与实测值7.53kN接近，但计算值是在两倍可靠性系数时计算所得，分析产生的偏差可能由于模具零件的表面平整度与粗糙度不均匀、不一致所致。4模具制造与筒体生产4.1模具制造按照设计的模具结构进行加工制造，严格按材料的热处理工艺、模具加工工艺实施，并通过千分尺测量法、压铅丝法对模具进行了检验，如图9所示。凹模分瓣后的模具及平板试验件如图10所示。图9模具检验及组装图10分瓣凹模及试验平板4.2薄壁筒体生产和检验按预先排定好的复合管工艺生产脱模后，塑件表面光滑、无褶皱现象，凹模分瓣处无多余的凸棱，塑件圆角饱满、无缺陷，如图11所示。脱模后的塑件通过车床切掉两端的脱模工艺台，去除飞边后用卡尺测量塑件的厚度，并用通环测量塑件的内、外径，均满足要求，如图12所示。该模具结构可广泛应用于类似塑件的生产制造。图11薄壁筒体塑件图12筒体塑件检验▍原文作者：南无疆1王礼先2成子兴1于成3▍作者单位：1.太原科技大学重型机械教育部工程研究中心；2.青岛泓捷模具有限公司，；3.北玻电力复合材料有限公司转载请注明：http://www.0431gb208.com/sjszlfa/6239.html
