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 复合材料模具设计

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产品介绍

  复合材料做为先进材料应用到各种产品之中,在号称工业之母的模具的生产中所占的比例逐步扩大。准确、快速的设计制作复合材料模具,有效降低成本是每个设计师遵循的准则。

  1 引言

  复合材料从20世纪40年代出现玻璃纤维增强塑料,开辟现代复合材料之先河。到80年代,则建立起了丰富的设计、制造、测试知识体系。其后又开发了大量新型基体材料和增强材料,随之进入高性能复合材料阶段。复合材料的最大特点就是其性能可设计性、优异的物理化学特性,其根据需要可展现多重特性,例如轻质高强、耐化学腐蚀、抗疲劳性、减震性、耐磨、绝缘、导电、导热或者隔热等等。

  复合材料成型时由于材料本身的特点,需要采用适当的模具来保证其产品尺寸及质量。其模具根据成型方式的不同可分为手糊成型模具、模压模具、真空注入模具、缠绕模具、挤压模具等等,每种成型工艺都有自己独特的模具制作要求。

  2 模具按照材质分类

  2.1 金属模具

  模具采用模具钢来制作,适合大批量生产。模压模具制作精度高,制作周期长,制作成本较高,同时受制于产品生产机械约束模压模具体量不可过大。

  2.2 非金属模具

  在小批量、大外形、异型产品制作中大量使用。根据产品要求、数量等选择不同的模具材料。可使用石膏、水泥、石蜡、木材、硅胶等制作简易模具,也可采用复合材料来制作多次使用的产品模具。

  3 复合材料模具

  复合材料模具与产品在同材料构成上属同类,有效地解决了模具与制品在热膨胀系数匹配上的问题,较好的保证了产品尺寸和外形要求。在复合材料生产中占有重要地位。随着现代碳纤维产品的大量使用,复合材料模具将是理想的选择。现阶段大型模具例如船艇、风电叶片、风电机舱壳及飞机大型构件等等都是采用复合材料来制作产品模具。

  复合材料模具多半采用玻璃纤维或(和)碳纤维复合材料制成,其寿命长、整体轻便、制作时间短、表面可修复,耐腐蚀性好,是高品质复合材料生产的重要保证。

  采用复合材料模具,与生产复合材料一样需要严谨的工艺保证和准确的结构设计。复合材料产品其实是其模具的复制品,模具的重要性由此可见。

  3.1 复合材料模具特点

  (1)准确稳定的尺寸

  (2)优质的表面质量

  (3)足够的强度及韧性

  (4)良好的刚性

  (5)操作简便,安全可靠。

  3.2 模具制造流程

  (1)准确消化产品图纸,了解产品各部构成,明确产品尺寸参数,掌握产品性能、外观要求。结合产品数量和生产时间要求确定产品的成型工艺。

  (2)根据工艺开展模具结构设计。确定模具的工艺结构、机械结构、强度结构。

  (3)选择合适的模具基材。根据模具设计时各项指标的要求确定胶衣层树脂、表面层、增强层及加固层树脂以及各层增强纤维。

  3.3 模具检测

  模具主体制作完成后根据设计要求全面进行检测。

  (1)目视。通过细致的观察,找出气泡、裂纹、沙眼等外观缺陷。

  (2)仪器检测。通过超声波、红外线、X射线等检测仪器,检测产品内部缺陷,例如分层、固化不完全、厚度不足等。

  (3)尺寸检测。通过钢尺、三维坐标测量仪、三维扫描仪等设备对产品尺寸进行检测。其可对主体尺寸、圆弧、曲线面等部位进行准确测量。

  3.4 模具使用

  复合材料模具具有诸多优点,但也存在部分不足,在使用和存放时应尽量避免损伤模具,使其处于正确、良好的使用状态。

  (1)由于其表面层硬度较高但较脆,所以使用过程中注意避免撞击、磕碰。

  (2)起模时避免锋利铁器划伤表面。

  (3)模具表面禁止沾染具有腐蚀性液体,防止影响表面光洁度。

  (4)模具使用存放时避免过高或过低温度环境,以免影响模具寿命。

  4 结语

  模具在工业化生产中占有举足轻重的地位。如何快速、准确、低成本制造模具是我们的追寻目标。现在新兴材料和加工设备不断推陈出新,但是核心的设计和制作流程没有丢弃。在掌握新的知识的同时如何利用已有经验,快速掌握运用将是摆在各为设计人员面前的必由之路。