一种用于成形槽形件的模具型面的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及槽形件成形领域，具体是一种用于复合材料槽形件的模具型面的设计 方法。
【背景技术】
[0002] 先进复合材料是适应航空、航天等高科技领域的需要而发展起来的一种高性能材 料，它具有轻质、高强度和可设计性强等优越的性能。近年来，航天、航空领域对先进复合材 料的需求日益增长，用作承力的结构件，解决了单一材料无法解决的技术难关，广泛应用于 飞机的垂直安定面、机身、机翼等结构。
[0003] 热压罐成形技术是目前航空航天用先进复合材料结构广泛采用的成形方法之一， 其优点是罐体内的压力和温度均匀，成形后的复合材料构件孔隙率低，树脂含量均匀，力学 性能稳定，并且一次可以同时成形多种结构，适用范围广，效率高。然而，和一般的金属材料 相比，复合材料零件在成形过程中，由于其与成形模具之间热膨胀系数不匹配、复合材料自 身的热化学反应及材料的各向异性等因素，导致复合材料零件脱模后发生固化变形，严重 影响零件的尺寸稳定性和后续装配使用。传统解决固化变形的方法是在已有经验和工艺试 验的基础上对零件的成形模具型面进行反复的调整及修正加工，以控制变形程度或抵消变 形的影响作用。这种传统的方法耗时、费料，增加了制造成本，特别是对于尺寸较大、结构复 杂的结构件，这种"试错法"将带来人力和物力的大量浪费。
[0004] 中国专利201110451986. 0公布了一种复合材料构件热压罐成形工装设计技术， 该发明基于通用有限元平台开发程序，根据模拟得到构件的变形量，通过程序反复迭代的 方法来进行模具修正，相对于实际生产过程，节约了生产成本，提高了制造效率。但由于其 需要人工有限元建模以及软件的二次开发过程，建模工作量大，并且迭代次数多，计算工作 量大。
[0005] 采用传统的试错法进行模具修正，劳动成本高、生产效率低；基于有限元仿真的方 法虽然可以减少实际劳动量，但是其建模工作繁琐，迭代次数多，计算量大，专业知识要求 太尚。
【发明内容】
[0006] 为克服现有技术中存在的建模工作繁琐，迭代次数多，计算量大，专业知识要求太 高的不足，本发明提出了一种用于成形槽形件的模具型面的设计方法。
[0007] 本发明的具体过程如下：
[0008] 步骤一，提取复合材料零件内型面M;
[0009] 步骤二，制作复合材料零件内型面M的截面线IV制作所述零件内型面M的截面线 Pj时，沿所述复合材料零件内型面M的长度方向依次做垂直平面Npi= 1~n，分别得到各 垂直平面与内型面M的截面线h，j= 1~n;各垂直平面之间的间隔为待成形零件的长度 L/n;所述各个垂直平面与所述待成形零件的长度方向的中心线之间的夹角均为90°。
[0010] 步骤三，确定各截面线Pj上的各修正基点：在确定所述各截面线pj上的各修正基 点时，在各截面线Pj处的一侧侧壁板上自下而上确定修正基点K，所述Kj，d中的下标j代 表第j条截面线Pj，j= 1~n;所述Kj，d中的下标d为第j条截面线上P」上的第d个修正 基点K，d= 1~n;所述各个相邻的修正基点之间的间距均等，并使每条截面线的第n个修 正基点M立于侧壁板的圆角与底板相切处。
[0011] 步骤四，通过修正各截面线Pj确定修正后的各截面线Qj:
[0012] 在确定修正后的各截面线Qj时，依次通过各修正基点修正各截面线Pj，得到新的 各截面线％，具体过程是：
[0013] 第一步，作截面线Pi上的修正基点K在该侧壁板上的切线，并使该切线与底板 的水平延长线相交，得到交点\"/2;设所述的一个侧壁板的圆角与底板相切处为A点；所述 的A点第与n个修正基点Ki，n重合；
[0014] 第二步，作切点A与交点的连线，得到线段ABw;作交点\n/2与修正基点 K1:n/2的连线，得到线段;将线段民,25；^,25与线段ABU5的夹角作为模具底板与 侧壁板的初始角度0 1>25;
[0015] 对所述零件底板与侧壁板的初始角度01>25进行修正，修正的角度为A01>25;所 述A01>25即为零件成形后侧壁板回弹收缩的角度；
[0016] 根据公式（1)确定A0 1>25:
[0017]
(1)
[0018] 式中：0 1;25为复合材料零件底板与侧壁板的初始角度，A0为修正角度，AT为 成形过程温度变化范围，复合材料纤维方向热膨胀系数，aT为复合材料厚度方向热膨 胀系数，外为复合材料纤维方向化学收缩系数，Pr为复合材料厚度方向化学收缩系数；
[0019] 第三步，将线段Bu2SKu2?以交点\25为圆心顺时针旋转0. 86 °，得到线段 Bh25K'li25;所述线段士25：^，25中的点K'i，25即为待成形槽形件模具型面的一个侧壁板上的 修正点；
[0020] 第四步，不断重复所述的第一步至第三步，依次得到截面线Pi模具一侧侧壁板上 的修正点K'U1~K'
[0021] 第五步，按照步骤三中的方法，在截面线Pi处的另一侧侧壁板上自下而上确定50 个修正基点Kw;所述d为第d个修正基点K，d= 1~50 ;所述各相邻的修正基点之间的间 距均等；
[0022] 第六步，按照本步骤中所述第一步至第四步的方法，依次作出模具另一侧侧壁板 上第一个截面线修正点K'U1~K' 至此确定了垂直截面、的截面线Pil的各修 正点；
[0023] 第七步，对得到的垂直截面&的截面线？:两侧侧壁板上的各修正点进行曲线拟 合，得到两侧侧壁板的新的截面线％，并使得到两侧侧壁板的新的截面线％的圆角端分别 与截面线中的底板光滑过渡；
[0024] 第八步，按照步骤三中确定的分别位于各截面线？」处的两侧侧壁板上的各修正基 点Kj，d，按照本步骤第一步至第六步所述的方法，依次确定各截面线Pj的各修正点，j= 2~ n；
[0025] 第九步，按照本步骤第七步所述的方法，对得到的其余垂直截面队的截面线P』两 侧侧壁板上的各修正点进行曲线拟合，得到两侧侧壁板的新的截面线％，并使得到各两侧 侧壁板的新的截面线Qi的圆角端分别与各截面线中的底板光滑过渡；所述的i= 2~n;所 述的j= 2~n;
[0026] 至此，确定了垂直截面队上的新的截面线Qi;所述i=1~n;
[0027] 步骤五，确定模具最终外型面札
[0028] 对得到的各截面线％利用UG7. 0软件中的拟合曲线组的方法进行曲面拟合，得 到新的模具外型面札;所述i= 1~50 ;
[0029] 步骤六，加工模具
[0030] 按照得到的新的模具外型面札加工模具；
[0031] 实验验证表明，利用本发明确定的模具外型面札成形的槽形件的最大变形量由 1. 5mm减小到0. 2mm，满足了零件设计要求。
[0032] 现有技术中设计的复合材料成形模具的型面通常与零件理论型面一致，但是由于 固化变形，使得成形后的零件实际形状与模具理论型面不符，影响零件后续装配与使用。针 对这些问题，本发明提出一种复合材料槽型零件成形模具型面的设计新方法，与传统方法 相比，能够提高零件的成形精度，减少模具后续的修模次数，从而降低生产成本。
[0033] 复合材料槽形件在成形过程中需要经历高温高压过程，由于材料的各向异性、树 脂基体的化学反应收缩以及复合材料与成形模具之间热膨胀系数的不同，将导致复合材料 零件成形后发生回弹变形，这会大大提高零件后续的加工及装配难度，甚至导致零件报废。 传统的复合材料槽形件在模具设计时并没有考虑到这种回弹变形，因此生产出的零件往往 尺寸不符合设计要求，从而需要进行后续的模具修模工作，生产成本高，效率低。本发明与 传统技术相比，由于在模具型面设计时将零件成形后的回弹变形考虑在内，避免了传统方 法直接提取复合材料槽型零件内形面作为模具型面进行复合材料零件制造时所带来的零 件尺寸不满足设计要求的问题，减少了后续模具的修模次数，从而降低了生产制造成本，提 高了生产效率。与有限元仿真迭代的方法相比，只需要进行简单的公式计算，避免了复杂模 型建模时的繁琐工作量与后续的迭代求解过程。
[0034] 本发明适用于热压罐成形复合材料槽型零件，通过在设计模具型面初期就将零件 的回弹变形考虑在内，提高零件制造精度。与传统试错法相比，减少了生产上人力物力的投 入；与有限元仿真迭代的方法相比，减少了繁琐的建模工作量与迭代次数。
【附图说明】
[0035]图1是实施例中复合材料槽型零件结构示意图。
[0036]图2是实施例中复合材料槽型零件内型面示意图，图中M为槽形件内型面，&到 N5(l为内型面M上的50个垂直平面。
[0037] 图3是实施例中截面线修正过程示意图，图中1(1;1到K1;25为内型面侧壁板上的50 个修正基点，A为侧壁板的圆角与底板相切处的切点，Bi，25为修正基点K:，25在该侧壁板上的 切线与底板的水平延长线相交的交点，K'i，25为修正基点Ki，25修正后对应的点。
[0038]图4是实施例中修正后的截面线示意图，PiS内型面M上的某截面线，Qi为模具 最终型面上的一条截面线，该截面线％与所述Pi对应。
[0039] 图5是实施例中修正后的模具型面，为模具最终型面。
[0040] 图6是本发明的流程图。
【具体实施方式】
[0041] 实施例是一种用于成形槽形件的模具型面的设计方法。
[0042] 如图1所示，通过所述模具成形的复合材料槽形件的横截面为凹形，该凹形的凹 槽面为内型面。
[0043] 待成形零件的材质为复合材料。所述复合材料槽型零件材料选为预浸料 AS4/8552,复合材料纤维方向热膨胀系数\为0XKT6,复合材料厚度方向热膨胀系数^为 32. 6XKT6,复合材料纤维方向化学收缩系数外为0,复合材料厚度方向化学收缩系数 为0.0048。成形温度AT变化范围为160 °C。
[0044] 所述待成形零件的长度L为1000mm，凹槽的宽度300mm，两侧壁板的高度为100mm; 所述待成形零件内表面两侧壁板与底板过渡处为圆角，该圆角的半径为24mm。
[0045] 本实施例根据对待成形槽形件的设计要求，提出了一种用于该槽形件模具型面的 设计方法。具体实施步骤如下：
[0046] 步骤一，利用UG7. 0软件提取复合材料零件内型面M。
[0047] 步骤二，沿所述复合材料零件内型面M的长度方向依次做垂直平面队，所述的下标 i为该垂直平面N的数量，i= 1~n;本实施例中n= 50,共计50个垂直平面，分别得