模具回彈角的補(bǔ)償
除模具的膨脹對(duì)制件固化變形有影響外，復(fù)合材料制件因?yàn)殇亴雍徒Y(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，以及材料本身的固化特性，在固化時(shí)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力也將引起制件變形。而對(duì)于梁、長(zhǎng)桁類有大夾角的零件，固化變形最顯著的是回彈角，即制件在固化脫模后，夾角因收縮而小于模具角度，此差值為回彈角。如圖4所示，A1為模具夾角，A2為制件脫模后的夾角，θ為二者之差，即回彈角。在設(shè)計(jì)時(shí)，不考慮回彈角或考慮不當(dāng)，將對(duì)制件質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，特別是對(duì)裝配的影響。
回彈角因與模具材料，鋪層方向及結(jié)構(gòu)對(duì)稱性有關(guān)，可通過(guò)數(shù)字模擬及試驗(yàn)測(cè)試的方法得到，目前用的較多的是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)值結(jié)合試驗(yàn)值來(lái)獲得回彈角的大小，而數(shù)字模擬有待于提高對(duì)熱壓罐溫度場(chǎng)及復(fù)合材料反應(yīng)機(jī)理的精準(zhǔn)分析。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夾角，使制件在脫?；貜椇蠓瞎こ虜?shù)模要求。
應(yīng)力分析準(zhǔn)則
目前國(guó)內(nèi)的復(fù)合材料成型模具一般都是通過(guò)保守估計(jì)的方法設(shè)計(jì)，沒(méi)有通過(guò)強(qiáng)度分析優(yōu)化，這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的模具，特別是大型制件的模具，通常都非常笨重，不僅耗費(fèi)大量材料，因熱容量升高也可能影響到固化反應(yīng)，同時(shí)對(duì)運(yùn)輸、使用過(guò)程的相關(guān)設(shè)備噸位要求很高，大大增加了成本，甚至影響了制造能力。因此，減重是模具設(shè)計(jì)優(yōu)化的一個(gè)重要方面。減重的方法必須要通過(guò)合理的計(jì)算，否則會(huì)直接影響到模具的強(qiáng)度和剛度，導(dǎo)致使用過(guò)程中產(chǎn)生變形而影響制件質(zhì)量。同時(shí)，對(duì)于吊環(huán)、輪子、撐腳也需要進(jìn)行強(qiáng)度校核，以確保模具能夠安全地起吊和轉(zhuǎn)運(yùn)。
減重優(yōu)化可通過(guò)有限元分析模具在不同工況下的應(yīng)變、應(yīng)力情況（圖5、圖6），根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，最終使最嚴(yán)重工況下的應(yīng)力、應(yīng)變值小于材料許用值乘以某一安全系數(shù)（此安全系數(shù)一般為經(jīng)驗(yàn)值，為安全起見(jiàn)，可考慮大于1.5），并盡可能使各處的安全系數(shù)偏差不大，這樣才能有效減重。模具應(yīng)力分析考慮的工況通常包括以下幾個(gè)方面：
圖5 應(yīng)變分析
（1） 垂直起吊的情況。
整套模具加制件的重量作用在模具的所有吊點(diǎn)上。
（2） 垂直起吊過(guò)程緊急剎車情況。
整套模具加制件的重量，以及急剎車產(chǎn)生的沖擊載荷作用在模具的所有吊點(diǎn)上。
（3） 手動(dòng)鋪層使用情況。
鋪貼模具加鋪層重量作用在模具底座的支撐點(diǎn)上。
（4） 自動(dòng)鋪層使用情況。
鋪貼模具加鋪層重量，以及鋪帶頭的壓力作用在模具底座的支撐點(diǎn)上。
（5）工裝轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程。
整套模具加制件的重量作用在模具的輪子上。
（6） 工裝在熱壓罐里的情況。
圖6 應(yīng)力分析
在177℃時(shí)（此時(shí)的材料許用值小于常溫下的許用值），整套模具加制件的重量作用在模具底座的支撐點(diǎn)上。
細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)要求
復(fù)合材料模具設(shè)計(jì)中細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)非常重要，直接影響到模具使用的可操作性、方便性及自動(dòng)化程度，甚至影響復(fù)合材料制件的質(zhì)量。模具上的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)（圖7）包括但不限于以下內(nèi)容：
（1） 產(chǎn)品線：即產(chǎn)品的外形輪廓線，用于非數(shù)控切邊時(shí)使用，決定了產(chǎn)品的外形尺寸的精度；設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮模具材料的膨脹因素作適當(dāng)縮放處理，產(chǎn)品線的位置精度和寬度精度都需要根據(jù)復(fù)材制件外形尺寸精度要求定義在模具設(shè)計(jì)中。
（2） 鋪貼線：由于制件邊緣鋪貼不完全齊整，以及流膠、擋膠條、打真空袋等因素導(dǎo)致固化后產(chǎn)品邊緣質(zhì)量不高，需要在產(chǎn)品線外一定距離開(kāi)始鋪貼，在制件上將留有一定余量待加工掉。同時(shí)，鋪貼線用于無(wú)激光投影時(shí)手工鋪貼定位，以控制鋪貼余量，既不浪費(fèi)太多的料，又能保證產(chǎn)品質(zhì)量。通常鋪貼線到產(chǎn)品線可留20~30mm。
（3） 基準(zhǔn)孔：用于模具機(jī)加和檢測(cè)時(shí)作為基準(zhǔn)，精度要高，并保證可重復(fù)使用。基準(zhǔn)孔坐標(biāo)值通常刻于模具上便于使用。
（4） 靶標(biāo)孔：用于手動(dòng)鋪貼時(shí)放置激光投影的靶標(biāo)，以定位鋪層區(qū)域。靶標(biāo)孔按實(shí)測(cè)值即可，坐標(biāo)值刻于模具上。
（5） 自動(dòng)鋪帶十字刻線：十字刻線中心用于自動(dòng)鋪帶時(shí)目標(biāo)定位，十字線中心點(diǎn)的坐標(biāo)刻于模具上。
（6） 復(fù)材制件定位孔：也叫制件工藝耳片孔，用于復(fù)材制件在脫模后檢測(cè)、機(jī)加和裝配時(shí)作定位基準(zhǔn)，精度要求高。此孔需要有相應(yīng)的鉆模板來(lái)準(zhǔn)確定位，鉆孔需要在脫模前進(jìn)行，孔應(yīng)該在模具的法線方向。
（7） 余量區(qū)：在鋪貼線到模具邊緣需要留有一定距離用于打真空袋及自動(dòng)鋪帶退料。通常手工鋪貼模具的余量區(qū)在100~200mm，而自動(dòng)鋪帶則需要200~300mm。
（8） 人性化設(shè)計(jì)：模具設(shè)計(jì)時(shí)要考慮工裝使用安全、便利，比如工裝的高度要適于鋪貼、檢查；模具鋪貼、搬運(yùn)時(shí)要穩(wěn)，不會(huì)有砸到的危險(xiǎn)；當(dāng)重量超過(guò)人工搬運(yùn)的重量時(shí)，要設(shè)計(jì)輔助工裝協(xié)助模具轉(zhuǎn)運(yùn)。
特大型模具的約束因素
復(fù)材成型模具通常都非常笨重，如尾翼、機(jī)翼、機(jī)身等制件成型模具，動(dòng)則十幾噸，甚至幾十噸。如此大而重的模具，在制造、運(yùn)輸和使用過(guò)程中將大大增加難度。
設(shè)計(jì)過(guò)程：隨著尺寸的增大，保證模具加工精度、熱均勻性以及變形控制的難度將提高。在設(shè)計(jì)時(shí)，這些因素都應(yīng)考慮到，如基準(zhǔn)的設(shè)定、公差的分配，以及應(yīng)力計(jì)算，還有目前正在研究的考慮到熱壓罐的溫度場(chǎng)對(duì)模具熱分布的影響等。
制造過(guò)程：要保證大型模具的制造精度、氣密性等設(shè)計(jì)要求，對(duì)焊接、熱處理、數(shù)控機(jī)加及檢測(cè)技術(shù)等都提出了很高的要求，目前如激光焊接、氦氣檢漏等新工藝正逐步應(yīng)用到大型模具的制造中。
運(yùn)輸過(guò)程：重量過(guò)大則對(duì)橋梁、路基有更高的要求；尺寸增大對(duì)關(guān)卡、收費(fèi)站等寬度有要求，通常長(zhǎng)寬均超過(guò)3.5m時(shí)將受限，而達(dá)到5m以上時(shí)，將要對(duì)整個(gè)運(yùn)輸?shù)缆愤M(jìn)行考察，甚至改造。此情況下，需要考慮將模具分塊制造，運(yùn)輸?shù)街圃飕F(xiàn)場(chǎng)以后進(jìn)行焊接。
使用過(guò)程：對(duì)于大尺寸、大噸位的模具，通常需要在廠房規(guī)劃和設(shè)備采購(gòu)時(shí)就考慮轉(zhuǎn)運(yùn)空間、吊車噸位、設(shè)備行程等因素。
結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，模具設(shè)計(jì)不僅需要考慮工程、工藝輸入，還需要考慮制造加工能力、運(yùn)輸、使用及相關(guān)設(shè)備能力等因素，使設(shè)計(jì)出的模具不僅能制造出合格的復(fù)材制件，還能達(dá)到降低成本、方便使用的更高目標(biāo)。目前，減重、變形控制、人性化設(shè)計(jì)等是模具優(yōu)化的發(fā)展方向，利用不斷升級(jí)的設(shè)計(jì)工具，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，復(fù)材成型模具將會(huì)得到更好的優(yōu)化，從而促進(jìn)復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的發(fā)展
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