索秀江

摘 要：相较于普通的金属材料而言，碳纤维复合材料的性能高，在诸多高端领域发挥了重要作用。在传统的碳纤维复合材料加工成型中，一般采用的是预浸料铺层与缠绕相结合的方式，这种缠绕方式所生产的复合材料方杆的性能有限。由此，本文通过相应的实践性研究，对传统碳纤维复合材料的方杆缠绕方法及生产工艺进行了改进，具体以全缠绕的方式改良传统小角度缠绕方法的不足，并且设计了新型的八瓣模具，由此生产出性能更好，质量更优的复合碳纤维材料方杆。

關键词：复合材料;缠绕成型;模具设计;工艺

引言：实践研究证明，碳纤维度和材料的比强度、比模量等指标在整体上比传统的金属材料更高。同时，碳纤维复合材料还有较高的耐热性、抗辐射性、抗腐蚀性等性能，由此被运用于尖端领域之中，如飞行器的制造等。具体而言，缠绕成型是通过专门的设备，将浸过树脂配方料的组织化纤维按照一定的规律将其缠绕于特定形状的芯模之上，而后经过加热成型、脱除模具后形成碳纤维复合材料制品。在当前碳纤维复合材料的制造中采用的主要是缠绕成型—合模制袋—热压抽空—打压固化的流程，其中的模具设计与工艺方法仍具有一定的改进空间，本文所提出的八瓣模具与小角度缠绕的方式能够有效降低工艺成本，提升碳纤维复合材料方杆性能，具有一定的创新意义。

1复合材料方杆缠绕成型的模具设计

1.1模具的标准要求

模具与其所代表零件的形状尺寸、外表形态、结构性能等具有紧密联系，在复合材料的模具成型生产过程中，要以零件的质量标准为基础设计模具。具体来说，模具的设计应当满足以下标准及要求：一是模具材料要耐热且不易变形，防止在热加工时出现变形并影响零件的形状及质量;二是模具要合理地轻便、制作与使用简单，有效提升零件生产的效率;三是模具要具有极高的安全性能，为操作人员提供可靠的安全保障;四是模具的质量稳定且精度较高，保证所生产出的零件达到标准。

1.2模具的材料要求

一般来说，复合材料的缠绕成型对于模具的材料也具有较高的要求，其模具的材料也主要以复合型材料为主，如碳钢、45#钢、INVAR钢等，并且对这些材料具有特定的参数要求。其中，碳钢材料的密度较低，其热膨胀系数较大，加热后容易发生明显的形变，从而使得模具的稳定性不足，从而影响零件加工的质量;INVER钢的密度超过碳钢的三倍，且其热膨胀系数较低，制作出的模具在受热过程中的稳定也就更好，但是这种复合材料的成本极高，适用于对结构复杂、曲率变化大的零件的加工;45#钢的密度与热膨胀系数介于碳钢与INVER两者之间，其密度始终却热膨胀系数与INVER钢接近，且成本也相对较低，质量适中，比较适合作为方杆模具的制作材料。

1.3模具结构的设计

在该复合材料的方杆缠绕成型的模具设计中，模具使用八瓣形结构，在八瓣结构的两侧以固定板固定芯模，并且凸轮与其端部齿轮具有可活动性。在方杆成型的固化过程中，其会产生约1/5—1/3的压缩量，需要以调节模具的方式适应该压缩形变。该模具设计为5档限位，在真空袋外部转动齿轮轴，则就会带动其他轴的转动。根据具体方杆制作的需求，在生产时调节适当的党委，可以有效地保证碳纤维复合材料在正式打压温度之前不受到干扰力的影响，由此最大限度地减少流胶，从而保证产品的性能，提升产品的质量。同时，其压力来源主要依靠真空抽取，即通过抽取空气挤压真空袋内的拼块，使其合模到位并且进一步固化成型，从而完成方杆的制造。

2复合材料方杆缠绕成型的工艺优化设计

2.1方杆材料的选择

由于复合材料的方杆一般作桁架或其他结构中的主要受力构件，因此必须保证其具有较好的抗压、抗拉等性能。而碳钢纤维是含碳量超过90%的高强度、高模量纤维，因此选用碳钢纤维作为方杆的制造材料。

2.2全缠绕法

相较于传统的缠绕方法，全缠绕法不需要排布环节，同时也不需要手工铺层，工艺流程更为简便且自动化程度较高，同时还能更好地保证方杆的性能。相关研究表明，采用全缠绕法所制作出的方杆的性能、质量都优于传统小角度缠绕法制作的方杆。在实施全缠绕法时，采用FWA1/4/1型号的数控找绕机，将碳钢纤维与环氧树脂按照一定的缠绕顺序进行环向缠绕（90°）、螺旋缠绕（±45°、±2°、±4°、±6°），而后经过敞晾后固化，脱模成型。

2.3固化工艺流程

在固化环节正式开始时，要将模具的限位档调节至1.5，而后迅速将空气温度升高至150℃左右。在模具升温到100℃时，将限位档调整至0.3，115℃时，调整至0，并合模到位。后续将模具温度升高至177℃左右并保持3小时后出炉。同时需要指出的是，固化流程全程抽真空操作。

2.4外观及无损检验

在脱模前后对方杆进行外观检验，要求方杆在外观山的纤维条理一致，纹路清晰，R角圆滑饱满并且无屈曲问题。在外观检验完成后，通过超声波探伤仪GJB1038.1A—2004的相关标准对方杆进行无损探伤;通过喷水穿透脉冲法进行质量检验，要求没有杂波存在且若存在缺陷，缺陷尺寸不大于10mm，整体质量检验结果达到GJB2895—97标准中的A级。

中 A 级标准。

3结语

本文通过研究，提出了改良后的复合材料方杆缠绕成型模具及工艺设计的方法。其中，在模具材料选用45#钢，模具结构为八瓣型;工艺设计为方杆材料选择碳钢纤维，并且给出了全缠绕方法及固化工艺、外观及无损检验的方法，有效地提升了碳钢复合纤维方杆制作的效率及产品性能，同时也在一定程度上降低了生产制作的成本。

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