摘要:
针对复合材料发射箱产品大尺寸、高精度的技术特点，结合真空导入成型工艺整体成型、整体脱模的工艺特点，通过有限元分析计算，优化确定了拱门筋加辐板筋钢制模具设计方案。利用CAD/CAE技术进行发射箱模具设计及优化，采取变圆角设计解决模具脱模问题，成功制造了发射箱的样件，满足了产品设计技术要求，为大型长轴类复合材料产品的模具设计技术探索出了一套可行的技术方案。
关键词:
复合材料;发射箱;模具设计;变圆角设计
发射箱以钢制、铝制金属箱体［1］为主，近些年来由于复合材料箱体具有减重、比强度高、耐腐蚀、电磁屏蔽性能［2］、吸波隐身性能［3］、隔热、抗烧蚀、便于整体成型等优点，已成为世界各国先进结构材料研究的首选材料，在某些领域，复合材料已在逐步替代金属材料，故以复合材料为主的零部件制造技术已成为航空航天领域零部件制造技术的关键技术之一。某型发射箱采用了全复合材料的结构设计［4］。经过对国内复合材料行业的细致调研，本发射箱采用整体真空导入成型工艺方案［5］。模具是复合材料产品成型制造的主要工艺装备，它对产品的成型工艺方式、型面形状、结构形式、尺寸精度及稳定性、表面质量等方面有重大影响，随着对产品及成型模具的CAD/CAE协同设计技术［6］越来越成熟及普及，本文将利用CAD/CAE技术，结合研发的实际需求，进行发射箱模具的设计。通过独特的变圆角模具设计，采用拱门筋加辐板筋的模具结构设计，成功制备了缩比样件，并满足了产品的设计技术要求。此次发射箱样件的制备成功，也为大型长轴类复合材料产品的模具设计探索了一套可行的技术方案。
1成型工艺方案简述
上述发射箱产品采用全复合材料结构设计，外轮廓尺寸为7500mm×600mm×600mm，外部有加强筋以及安装、发射支架的安装筋，内部带有四条全复合材料轨道。发射箱的技术要求有:①内形尺寸精度高，±2mm;②内部轨道尺寸精度高，1.5mm以内，表面质量要求高;③整体结构满足力学性能要求，局部结构满足过载要求;④整体要求密封;⑤箱体承载变形小于1.5mm;⑥减重，等。为了满足以上要求，本次发射箱的成型方案论证为真空导入整体成型工艺方案。该方案的优点为:整体结构强度好，内型面尺寸统一性和稳定性好，降低了泄露风险，工艺路线短，节约了制造成本;缺点为脱模难和挠曲变形大。这些缺点将会通过提升工艺装备来解决，后面将具体论述该整体成型方案模具的CAD/CAE设计。
2模具设计
上述发射箱产品采用整体真空导入成型工艺方案，即在模具上按照预定的尺寸进行单向布/正交缝边毡铺层设计，包覆真空袋真空导入成型。此方案的难点之一是模具设计，即如何保证顺利脱模和挠曲变形量小。产品长度为7.5m，模具长度将近10m，整体脱模需要巧妙的模具设计以及专业的脱模设备，两端支起，中间挠曲变形小于1.5mm，要求模具有非常好的刚度。
2.1脱模解决方案
对于需要脱模的产品来说，一般的方法就是模具两端设计成大小端，拔模斜度设计为0.5～3°［7］，通过辅助工装或者脱模机就能顺利脱模。但由于本发射箱模具长约10m，如果拔模斜度设计成常规值的最小值0.5°的话，大小端能相差87.27mm，这显然已经超出了产品的技术要求，需另辟蹊径进行本发射箱模具的设计。经过对国内模具制造商、复合材料行业的调研，结合以往生产同类产品的经验，以及截面为矩形的产品在缠绕时所发生张力现象等实践经验，即截面为矩形的产品在缠绕时，在缠绕张力不变的情况下，矩形的四个角的尺寸比较符合设计尺寸，而四条直边部分则出现往外鼓包、尺寸明显偏大的现象，将缠绕完成的试验件在矩形截面剖开，可以发现矩形的四个角的玻璃钢组成致密、纤维含量高、成型质量好，而矩形的四条直边部分则出现树脂聚集、成型质量较差的现象，为此设计了变圆角模具。变圆角模具示意图变圆角模具，顾名思义就是在矩形发射箱模具的四个圆角上采取渐变的圆角，而其他大平面上不给定拔模斜度，只要不出现倒拔稍即可，这与以往常规的拔模斜度设计方法刚好相反。之所以这么设计，是因为在生产实践过程中，发现此类矩形产品的脱模，往往在四个角容易出现脱模划痕，而整个大面上的表面质量一般较好。综上所述，利用产品技术要求的内型尺寸公差±2mm，将大端设计尺寸取+1mm、小端设计尺寸取－1mm，保证模具10m长度上的无倒拔稍，这虽然对模具制造商提出了更高的要求，但12m加工行程的龙门数控铣床平面度能达到0.08mm，加工精度能达到0.2mm，故此模具设计精度要求、加工制造是可行的。
2.2挠曲变形解决方案
针对发射箱产品的特点，本次模具设计全长为9.6m，本来此次模具方案还有分体模具和整体模具方案两种思路，但由于分体模具方案的挠曲变形更严重，制造可行性以及维护更困难，在论证阶段直接放弃了分体模具方案。下面就整体的发射箱模具方案依托CAD/CAE技术进行结构优化［8，9］，该模具的力学模型类似于简支梁［10］。
2.2.1通轴加辐板筋结构
通轴加辐板筋结构模具的剖面示意图，模具采用焊接性能好、强度高的钢板和无缝钢管焊接而成，厚度为12～30mm不等。
2.2.2十字筋加辐板筋结构
十字筋加辐板筋结构模具的剖面示意图，模具采用焊接性能好、强度高的钢板和无缝钢管(端头轴部分)焊接而成，厚度为12～30mm不等。
2.2.3拱门筋加辐板筋结构
拱门筋加辐板筋结构模具的剖面示意图，模具采用焊接性能好、强度高的钢板和无缝钢管焊接而成，厚度为12～30mm不等。对上述三种发射箱模具结构进行CAE分析，由此可以得出结论:第三种方案拱门筋加辐板筋的模具结构的自重最小、挠曲变形量最小，为1.041mm，小于技术要求的1.5mm，并为产品的收缩变形预留了一定的公差空间，满足设计要求，故采用拱门筋加辐板筋进行任务研制。
2.3其他设计要点
根据既定的真空导入成型工艺路线，该模具的设计要点主要有:①由于该模具脱模力较大，模具两端的端头轴需要加强，可以将大端一侧的端头轴伸入模具主体的部分加长一点，以保证在脱模时，模具整体不会变形;②由于模具是由钢板拼焊而成的，需制订好焊接工艺，包括焊接方式、焊接参数、钢板的焊接顺序、钢板的焊接坡口设置、辅助工装设备的设计和使用以及热处理等，以便控制焊接变形;③由于模具需要气密，焊接时必须满焊，并选择合适的钢板厚度，避免在用机加工对焊接变形进行补偿时出现泄露现象;④模具上需要设计定位和加工基准，便于后续工艺实现。
3应用
通过对上述的变圆角模具设计、三种模具结构的CAE优化设计，同时基于发射箱产品的研制周期、研制成本及可行性等方面的考虑，最终采用拱门筋加辐板筋以及变圆角的整体模具结构来进行该产品的制作。通过细致铺层设计、加强筋铺层设计、真空导入成型工艺方案设计，一次性试制成功发射箱缩比样件，尺寸为4000mm×400mm×400mm，经检验，发射箱内型面尺寸公差在±0.5mm以内，外型面尺寸公差在±1mm以内，平面度在0.2/1m以内，其他性能指标均能满足设计要求。
4结论
(1)采用变圆角的模具设计，解决了长轴类复合材料产品的整体脱模问题;(2)采用拱门筋加辐板筋的模具设计，提高了长轴类模具的刚度，减小了简支梁模具中间的挠曲变形。以上两点解决问题的方法为此类复合材料产品的研制提供了一种新的思路。
作者：刘海鑫 唐泽辉 刘归 陈雨林 单位：北京玻钢院复合材料有限公司
参考文献
［1］蔡建，詹永福，罗俊杰．发射箱复合材料箱体的设计与选材［J］．四川兵工学报，2010，31(8):36-38．
［2］刘刚，马文君，安学锋，等．单壁碳纳米管无纺布/环氧树脂复合材料的电磁屏蔽性能［J］．新型碳材料，2012，27(2):100-104．
［3］胡爱军，王志媛，金诤，等．泡沫夹芯吸波隐身结构复合材料的发展趋势［J］．宇航材料工艺，2009，39(1):1-4．
［4］安国锋，吕胜利，赵庆兰，等．无人机全复合材料机翼的结构有限元分析［J］．强度与环境，2009，36(2):40-44．
［5］王翾．计算机仿真辅助复合材料RTM工艺模具设计［J］．航空制造技术，2011(10):45-47．
［6］姜年朝，张志清，戴勇，等．基于ANSYS的无人机复合材料机身模具设计［J］．中国制造业信息化，2008(24):58-59．
［7］马金骏．塑料模具设计［M］．北京:中国科学技术出版社，1994:9．
［8］张彦考，张铎．大型复合材料结构优化设计方法研究［J］．固体火箭技术，2003，26(3):69-71．
［9］张黎明，张长平．基于ANSYS的变截面悬臂梁形状优化设计［J］．牡丹江大学学报，2009，18(9):111-115．
［10］吕凯，张文辉．基于ANSYS有限元法的简支梁力学计算与优化设计［J］．丽水学院学报，2014，36(2):51-55
