第２期２６ 纤维复合材料 Ｎｏ．２ ２０１４年６月 ＦＩＢＥＲ ＣｏＭＰｏＳＩＴＥＳ Ｊｕｎ．，２０１４ 复合熔芯用于复合材料模压成型的研究 董鹏，刘甲秋 （哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨１５００３６） 摘要以低熔点合金与钢芯嵌件组成的复合熔芯，通过模压成型工艺，可以制造不易于脱模的结构复杂的复合 材料件。针对传统熔芯模压成型工艺的缺点，提出了复合熔芯模压成型的基本原理，介绍熔芯材料的选择以及复 合熔芯的特点和结构设计准则。结果表明，采用复合熔芯可行，工艺可靠、减少耗能，有效地提高了低熔点合金的 使用效率和产品的生产效率。 关键词复合熔芯；低熔点合金；模压成型；复合材料模具；脱模 Ｔｈｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｆｕｓｉｂｌｅ Ｃｏｒｅ ｉｎ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ ＤＯＮＧ Ｐｅｎｇ，ＬＩＵ Ｊｉａｑｉｕ （Ｈａｒｂｉｎ ＦＲＰ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈａｒｂｉｎ １５００３６） ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｆｕｓｉｂｌｅ ｃｏｒｅ ｍａｄｅ ｆｒｏｍ ｌｏｗ—ｍｅｌｔｉｎｇ ａｌｌｏｙ ａｎｄ ｓｔｅｅｌ ｃｏｒｅ，ｂｙ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｍｏｌｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ， ｃａｎ ｂｅ ｍａｄｅ ｉｎｔｏ ｃｏｍｐｌｅｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｎｏｔ ｅａｓｙ ｔｏ ｂｒｅａｋ ａｗａｙ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｍｏｌｄ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｏ ｏｖｅｒｃｏｍｅ ｔｈｅ ｓｈｏ￣ａｇｅ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｍｏｌｄｉｎｇ ｗｉｔｈ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｆｕｓｉｂｌｅ ｃｏｒｅ，ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｆｕｓｉｂｌｅ ｃｏｒｅ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｓｔａｎｄａｒｄ ｏｆ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｆｕｓｉｂｌｅ ｃｏｒｅ ｉｓ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｂｕｔ ａｌｓｏ ｒｅｌｉａｂｌｅ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ—ｅｆｉｆｃｉｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ｉｔ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｕｓａｇｅ ｏｆ ｌｏｗ—ｍｅｌｔｉｎｇ ａｌｌｏｙ ａｎｄ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｅｖｉｄｅｎｔｌｙ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｆｕｓｉｂｌｅ ｃｏｒｅ；ｌｏｗ－ｍｅｌｔｉｎｇ ａｌｌｏｙ；ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｍ０ｌｄｉｎｇ；ｃ０ｍｐｏｓｉｔｅ ｔｏｏｌｉｎｇ；ｓｔｒｉｐｐｉｎｇ １ 引言 点合金浇铸制成整体熔芯嵌件，然后在熔芯嵌件上， 通过缠绕或铺放等成型方式将复合材料件成型，再 熔芯模压成型是将传统的铸造成型工艺与复合 放人模压模具中进行模压固化成型。固化后脱去外 材料模压成型技术结合在一起，利用低熔点合金作 模，取出含有熔芯嵌件的复合材料件，再加热使低熔 为型芯来生产形状复杂的中空复合材料制品的新工 点合金熔化分离获得复合材料制品。此工艺所需的 艺。主要应用于进气岐管、结构支架的角连接管、中 低熔点合金材料较多，生产成本较高；同时模压成型 空球拍框、阀门等复合材料制品¨］，为复合材料的 时，内部受到的压力较高，而低熔点合金具有熔点 应用开辟了新的领域。目前，熔芯模压成型已发展 低、硬度小、拉伸强度低（小于９０ ＭＰａ）的特点，难以 成为传统模压成型工艺的分支，特别适用于成型形 满足定位精度的刚性要求。 状复杂、中空和不宜机械加工的复合材料制品。其 要克服整体熔芯的缺点，必须改变熔芯结构，采 特点是：①产品设计的自由度大；②减少了传统模压 用复合熔芯。复合熔芯模压成型工艺的基本原理 成型中由于制件二次组装带来的费用、周期和质量 是；先将低熔点合金和模具型芯基体预制成复合熔 问题；③与传统模压成型相比，增加了制造可熔性模 芯嵌件，再将复合熔芯嵌件放入模具中进行模压成 具型芯和熔化型芯的设备，工艺较复杂，生产效率 型，获得含有复合型熔芯嵌件的复合材料件，加热使 低，成本较高 ｊ。 低熔点合金熔化，分离出复合材料件和型芯基体，其 ２复合熔芯模压成型工艺的 中低熔点合金和型芯基体可回收反复使用。图１所 基本原理与特点 示为复合熔芯模压成型工艺原理图。 实现复合熔芯模压成型工艺的过程大致分３个 传统的熔芯模压成型工艺是：通过模具将低熔 阶段： ２期 董鹏，等：复合熔芯用于复合材料模压成型的研究 ２７ （１）复合熔芯的制备先将模具型芯金属基体 放人预制的铸造母模中定位好，然后浇注低熔点合 金，成形后作外形修整至精度要求，备用； （２）熔芯模压成型 利用已制备的复合熔芯作 嵌件，成型复合材料件； （３）熔芯加热分离 低熔点合金、嵌件与复合 材料件加热分离的过程也称为脱熔，常用的脱熔方 法很多 Ｊ，例如①感应加热法（有可能导致金属氧 化）；②恒温炉红外线加热法；③浴熔法（将制件和 复合型芯浸入热流体中脱熔）；④热流体诱导加热 法（在熔芯内通人循环热流体）等。脱熔过程中要 注意加热温度应低于复合材料件的玻璃化转变温 度，预防复合材料件变形。 图１ 复合熔芯模压成型工艺原理图 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｓｋｅｔｃｈ ｄｒａｗｉｎｇ ｏｆ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｍｏｌｄｉｎｇ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｆｕｓｉｂｌｅ ｃｏｒｅ 与整体熔芯相比，复合熔芯的优点有以下几个 方面： （１）由于低熔点合金的收缩率较大，制备整体 低熔点合金熔芯时，很难确保其在模具中的定位精 度，甚至需要二次加工获得。使用复合熔芯可提高 安装定位的互换性精度，而且型芯嵌件可反复使用； （２）型芯嵌件增加复合熔芯的整体刚性，防止 熔芯在模压压力下产生变形； （３）熔芯制备的工艺简单，提高效率； （４）熔芯制备所需的合金减少，制备熔芯所需 的能量降低 Ｊ。 ３复合熔芯材料选择 ３．１熔芯材料的性能要求 在熔芯模压成型工艺中，选择合适的低熔点合 金材料是技术的关键。一方面要求熔芯合金材料具 有适当的熔融温度（应高于复合材料件的固化温 度，应低于复合材料件的玻璃化转变温度），以保证 复合材料件在型芯脱熔温度下不发生变形。另一方 面要求熔芯具有一定的强度和硬度，能够在成型过 程的压力作用下维持较高的形状精度和定位精度。 ３．２熔芯材料的选用 目前常选用的熔芯材料是低熔点合金如：Ｓｎ— Ｓｂ—Ｐｂ、ｓｎ—Ｂｉ和Ｓｎ—Ｐｂ等。低熔点合金的熔点 依据合金成分的不同而有很大变化，但均不超过锡 的熔点（２３１．９￣Ｃ）。在低熔点合金中，布兰特合金 的熔点最低，为３８￣Ｃ。典型低熔点合金的成分和熔 点见表１ 。 表１ 典型低熔点合金的成分和熔点 Ｔａｂ．１ Ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｎｃｈｉｎｇ ｏｆ ｔｙｐｉｃａｌ ｌｏｗ—ｍｅｈｉｎｇ ａｌｌｏｙ 本文选用的为熔点为１８３￣Ｃ的低熔点合金，其 物理性能与常用的芯模材料对比见表２。 表２几种芯模材料物理性能 Ｔａｂ．２ Ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔａｂｌｅ ４ 复合熔芯的结构设计 复合熔芯由型芯嵌件１和低熔点合金体２两部 分组成，模型如图２所示，实物如图３所示。其中型 芯嵌件１材质为４５号钢。低熔点合金体２外表面 用于成型制品的内表面。 型芯嵌件１的上端长圆柱直接与外模配合，负 责与外模水平方向的定位；下端的短圆柱中心有螺