复合材料制件钢模设计制造方法研究

第一篇：复合材料制件钢模设计制造方法研究

复合材料制件钢模设计制造方法研究

作者：龚强、吴茜

作者简介：中航工业洪都公司

摘要：目前国外的航空领域，特别是四代机均采用复合材料作为飞机的主要结构材料以及整体化设计技术。先进复合材料具有重量轻、比强度高、比刚度高、可设计性强、抗疲劳断裂性能好、耐腐蚀、尺寸稳定性好以及便于大面积整体成形等优点，在同等结构情况下比金属结构节省重量可高达40%，大大提高了燃油效率，改善了飞机整体性能。伴随复合材料制件的应用，复合材料模具的设计制造也体现的非常重要，而公务机零部件尺寸较小，采用钢结构金属模具具有造价低，加工周期短，寿命长等优点，本文就公司试验机新制模具设计制造技术相关方法进行分析和研究，对工程实践具有一定意义。

关键词：复合材料模具；设计制造；脱模；结构。引言

在航空工业中，随着复合材料的广泛应用和复合材料制件技术的发展，相应的模具设计制造也显得相当重要，就选材来言，复合材料模具需考虑的因素有：传热性，热膨胀系数、费用、制造周期等，就公司目前新制零件所需模具，考虑到周期、费用等原因最后选用钢制金属模具，钢制金属模具费用低，加工周期短、使用寿命长，虽然其热膨胀系数与碳纤维复合材料稍有差异，但这次大部分零件尺寸较小，个别大尺寸零件其外形由于在装配时需留装配余量，使用钢制模也可以满足精度要求。模具设计考虑的因素

1.1 结构简单

1.1.1 钢的密度较大，可达到7.85g/cm，用金属钢做复合材料制件模具在质量方面都会比较

3重，导致运输不便，操作困难，所以模具其支撑结构必须考虑合理的框架结构，支撑结构一般采用钢结构的型材，用中间均匀掏空的方式来固定型面结构，这样会有较好的热传导性，也会大大减重，节约成本，如图1。

图1 支撑框架结构

1.1.2 在采用以上支撑框架结构的情况下还需注意： 1）接缝要满焊焊死；

2）做好框架后要消除应力；

3）为了防锈剂美观支撑结构需喷铝色耐高温漆。

1.2 脱模性

1.2.1脱模性是在设计模具中考虑的关键因素之一，如果设计不合理制造出零件无法正常脱模，不仅会影响工作生产进度，也会造成模具返修，对成本进度等带来影响。脱模性设计不合理有两种情况：

1）设计缺陷，本身有负角的地方设计为整体模，导致负角把零件卡死，无法脱模，如在这次试验机制件中，发动机短舱下壁板唇口位置，通过数模投影是一个负角（见图2），但是模具设计成整体模，最后导致无法脱模，最终只能破坏零件，影响了生产进度也造成了浪费时间。合理的设计为在负角处沿轴线切开成组合模（见图3）。

图2 负角影响脱模

图3 合理设计

2）设计不合理，有些模具虽然没有负角，但是由于制件较大且型面复杂也会导致不好脱模，如试验机制件中的主起落架舱左右模具（见图4）都存在这样的问题，该零件虽然最后脱模，但是脱模难度大，花费时间久。合理设计是在模具底部开1-2个压缩空气口，用橡皮销子插

上，密封好，脱模的时候打开把压缩空气嘴插进去吹起制件。

图4模具

1.2.2 对于复杂零件，合理的组合模，会大大降低脱模的难度，如试验机制件中进气口盖（如图5），该零件型面复杂，必须采用多组合模的方式才能对其进行很好的脱模，该模具设计为三块组合模形式，先将橙色模块从端口拔出，然后零件和红色模块整体从上脱出，然后把红色模块拔出，具体组合形式详见图6,7。这次就是通过与外协方很好的沟通，协助设计，定出最佳的设计方案才保证了制件的脱模。

1.2.3 组合模在日常模具设计中比较常见且应用广泛，但是由于复合材料模具对气密有着严格的要求，所以在设计组合模考虑脱模性的同时还必须保证气密性，设计过程中往往采用整体底座的形式来保证组合模的气密性，如进气口盖模具的蓝色整体底座，在该底座上制袋，就可以保证良好的气密。

图5进气口盖

图6进气口盖模具

图7进气口盖模具组合形式

1.3 合模

合模在模具设计中也是很重要的，合理的合模可以方便工装的管理，也可以降低模具制造的成本，多个小零件模具合模还可以提高整体的模具刚度。如试验机制件的行李舱后上壁板左下角材、行李舱后上壁板右下角材及行李舱前壁板下支撑角材，三个零件合模（如图8），大大的降低了模具制造的成本，也便于模具的管理。图8

图8合模图

1.4 人性化

1.4.1 作为模具设计，制造出可以加工满足要求的制件是不够的，还需考虑工人师傅的可操作性以及安全性。

1.4.2 在较小的模具四周或两侧设计手柄，方便工人师傅移动模具，而且手柄要先平角后有一段上翘的角度，这样要把模具放置在空心的架车上项通过手柄末端放置的话，不容易让工人的手受伤，如图9。

图9 1.4.3 在框架模具配备叉车孔位（插孔要用矩形管，以不影响框架整体结构）以及20kg以上非框架结构的模具配吊环，方便质量较大模具的移动。

1.4.4 有一些组合模块，模块较重，工人师傅在拆模块的时候不方便抬举，很容易失手砸脚造成安全事故，如试验机发动机舱上罩壁板唇口处组合模（见图10）外形光滑，质量较大，极其容易在分离主模的时候不慎砸脚。合理的设计为在唇口组合模型面上攻丝，拆分时拧一手柄，制件时把手柄拆除。图10

图10 组合模块

1.4.5 由于一些组合模是通过很多标准件及插销等连接的，这些标准件及插销在工人操作过

程中易丢失，配备一工具小盒放置，可以避免丢失现象。

1.5 可检测性

在模具设计中，模具长期使用难免会有变形，为了便于检测模具变形，在模具三个角落刻出相对于零件的坐标系，以便于模具型面的检测。如图11。

图11 1.6 机加性

在金属模具设计过程中，要考虑设计的模具的机加性，根据现有的设备，是否可以加工出所设计的模具，即使可以加工出来，也要考虑机加的成本及周期，如果机加难度大、成本高，周期长，可以考虑采用组合模的方式，使加工简便，也可以考虑把阴模改成阳模等。模具制造考虑的因素

2.1 机加精度

为了保证零件的精度，首先要保证模具精度，而金属模具的精度是依靠数控设备保证的，必须采用满足精度的数控设备才可以加工出合格的模具，试验机模具要求机加精度为0.1mm。

2.2 原材料选择

2.2.1 钢制模具可采用铸件铣切加工，铸件需先设计木模，制造木模铸出铸件，然后用数控设备进行机加，这样铸件体积大，铸造周期长，且内部质量不佳，砂眼等会使模具表面质量粗糙，更有可能会发生漏气现象，不建议采用。2.2.2 钢制模具也可以用板材焊接后加工，板材焊接即将板材弯曲成模具大致的型面满焊焊接起来，然后用数控设备进行机加，板材制造的模具周期短、体积小，热分布好，表面质量好，且费用低。小的制件不需焊接直接整体板材机加即可满足，大型模具需几块板材

满焊后进行机加，焊接的板材模具需进行严格的气密试验来保证模具整体的气密性，建议采用。试验机模具都是选用该形式的金属模具。

2.3 气密检测

对于铸件机加模具和板材焊接机加模具需进行严格的气密试验，气密试验的方法是铺一层玻璃钢预浸料，制袋抽真空进固化炉加热固化，固化后玻璃钢制件上有发黄的区域该区域可能存在气密问题。

结束语

本文通过试验机制件过程中总结出模具设计制造需要考虑的六大因素1）结构简单，2）脱模性，3）合模，4）人性化，5）可检测性，6）机加性，分别用图片、文字，实例说明了各项因素的重要性及改进合理的方法，制造需要考虑的三大要素1）机床精度，2）原材料选择，3）气密检测。本文内容是生产过程中不断总结积累出来的，希望对以后的生产实践有所帮助。

参考文献

第二篇：SKD61用于压铸模具模芯制造用的常用热模钢材料

SKD61用于压铸模具模芯制造用的常用热模钢材料

SKD61是日立金属提供给客户用于压铸模具模芯制造用的常用热模钢材料，现在许多使用淬火注塑模的单位也使用此钢材制作注塑模具。该钢材有很好的强度、韧性及耐热平衡性，切削性能也很好。未进行热处理时的硬度在HRC25-HRC28之间，加工过程中和使用过程中如果工艺得当，产品外形合理，制作的压铸模具一般使用寿命可以达到10万模或以上。

首先谈采购过程。一般应到日立金属专卖店进货，要求购买电渣重熔真空冶炼的钢材。此种钢材比同样牌号的普通真空冶炼特种钢的性能更好，因为它的同向性好，不易变形。两者的价格相差人民币20元/KG左右。专卖店会提供钢材质量保证书，在条件具备时，应该将该材料的热处理也要求专卖店承担，同时要求给予三次回火的服务（热处理价格和运输费用一并包含在采购货款中）。

其次，谈设计。微信公众号：hcsteel我们现在的设计思路基本与日本的相同，即压铸模具的型腔基本上是采用镶嵌的方法进行制造，可以节省特种钢。但在设计时务必要计算好刚性平衡点，以免为节省特种钢而模具刚性不够，造成模具寿命大幅下降。在设计时应优先考虑冷却系统的设计和滑块的工作可靠性，以保证模具使用寿命。其次是进行模流分析，选择最合适的流向、进料口方案。在设计型腔时应尽量避免在压铸时型腔内应力汇聚在相对薄弱的部位。

接下来，谈加工过程。在加工过程中，首先是粗加工与半精加工。在此过程中，要注意加工过程的内应力积累。尤其是加工到后期，工件不应有严重摔、砸，以免引发内应力造成潜在的裂纹。

然后送去热处理。在真空炉内应该有较平缓的升温过程，当达到500-550℃时，有一个保温过程；一般为第一段升温时间的1.5倍。然后进入第二段升温，达到750-800℃时，应有第二段升温过程二倍的保温时间，以确保加工过程中内应力的较好消除。接下来，在第三段升温至1000-1050℃时，应有第三段升温的二倍的保温时间以确保被加工钢材的通体温度均衡。淬火后风冷至常温，然后进行第一次回火。当然，最好是油冷，其金相状态会适当增加使用寿命。油冷时淬火件应在不停流动的淬火油内冷却，以使其硬度均匀。

回火在二级升温后至600℃时保温，时间视工件大小及厚度而定。一般全过程为24小时或以上，出炉后油冷至常温。此时的材料硬度应该在HRC46-HRC52之间。

接下来是半精加工和精加工。完毕以后进行第二次回火，此时材料硬度应该在HRC44-HRC50之间。

第三篇：地铁预应力长轨枕钢模的设计论文

摘要:通过对国内常用的地铁预应力混凝土长轨枕钢模型的结构分析，结合郑州地铁2号线的技术要求和公司多年来生产普通预应力轨枕和高速岔枕的成功经验，研制成功并应用了新的钢模结构、气囊式横孔成孔器、橡胶复合铁挡板等工艺配件，解决了地铁长枕尺寸精度差、横孔周围和端部蜂窝麻面严重的现象，使地铁长枕尺寸精度和外观上都了一个档次，顺利通过了铁总质检中心的型式试验和业主的进场验收。

关键词:地铁长枕;钢模;工装;研制

1研究背景

地铁预应力长轨枕(以下简称地铁长枕)，作为地铁线路常用的基础部件，随着地铁建设里程的快速延长，需求量也日益增多，但目前在流水机组法地铁长枕的生产过程中，普遍存在套管位置精度超标、坡度不合格、外观质量差，特别是横孔周围和端部因为密封不严漏浆造成的外观质量差，有时甚至发生被施工单位退货的情况，影响地铁线路的正常施工。我公司有幸中标了郑州地铁2号线的地铁长枕、短轨枕和岔枕的供应。由于地铁和大铁的业主不同，所以对产品要求的理解也不尽相同，地铁相对于大铁对于产品的外形尺寸的要求基本相同，但外观要求更为严格一点。我公司在大铁普通预应力混凝土轨枕和高速岔枕钢模型的基础上，集各种钢模型的优点，研制出了一种新型地铁长枕钢模型，其主要创新在于:

①使用机加工的端平板和定位螺栓，保证其塑料套管的位置和承轨面坡度;

②利用橡胶复合铁挡板中橡胶的特性对轨枕端部进行密封;

;③利用充气后横孔成孔器的膨胀对钢模侧孔实现密封，放气后成孔器收缩又可顺利取出。

通过以上措施的实施，生产出的地铁长枕，外观基本没有气孔，非常漂亮。得到了同行和业主、监理的高度评价。研制出的一种橡胶成孔器已经申请了国家专利(专利号ZL201621326772.5)。

2地铁长枕的钢模研制

2．1地铁长枕简介

地铁长枕分2.1米和2.2米两种型号，由四根高强度螺旋肋钢筋、数道箍筋、4个塑料套管和C60混凝土组成。塑料套管根据扣件系统要求设置在轨枕中心线两侧，相对尺寸公差小于±1mm，两承轨面向内设1∶40的坡度，表面缺陷(气孔、粘皮、麻面等)的长度≤10、深度≤5，要求十分严格。

2．2国内生产工艺现状及存在的问题

目前国内生产地铁长枕的生产基本上全部采用流水机组法生产工艺，钢模为2×5的结构形式，为成本考虑，采用6mm的Q235钢板拼焊而成，塑料套管直接安装在上面，铁挡板与钢模壳体之间采用大间隙配合，横孔成孔器采用钢管加工而成，与钢模侧孔采用小间隙配合。这种结构的钢模生产出来的产品存在承轨部位平面度超标，套管位置不准确，外观蜂窝麻面多等诸多问题。

2．3钢模及工艺配件的方案设计

经过分析，承轨部位套管位置、坡度平面度超差的根本原因，在于钢模相应位置的刚度不足在焊接过程中变形所致，端部和横孔周围蜂窝麻面的主要原因在于钢模和工艺配件之间的缝隙过大，混凝土在振动过程漏浆严重造成的。为此，我们分别制定了如下技术方案并进行了深入讨论。

2．4方案研究和确定

2．4.1模壳设计

模壳提出了如下两种方案:①沿用国内通用的结构形式，采用6mm钢板拼焊而成，只是在承轨部位使用20mm厚的经过机械加工的钢板。②基于成本和质量的双重考虑，采用五段折弯模壳焊接成型，承轨部位结构同方案①。方案①的优点在于工艺成熟、成本较低，承轨部位尺寸保证率高，但缺点在于焊接和打磨工人技术参差不齐，难免出现模壳纵向拼焊处坑凹不平，产品在放松应力过程中造成掉角掉块，影响外观。方案②大大减少了纵向的焊缝长度，可有效避免方案①出现的问题，但难点在于模壳折弯时的精度控制。不过经过试验，技术熟练的工人使用数控弯折机可以轻松实现标准要求。为产品外观考虑，选择方案②。

2．4.2套管定位方式的设计

套管定位方式有三种方案:①涨套定位，即套管套在圆锥弹簧卡上，利用弹簧卡向外的涨力实现套管的定位。②橡胶螺栓定位，在灌注混凝土之前把套管旋转固定在钢模壳体的橡胶螺栓上面。③螺栓定位，也是在灌注混凝土之前，两人配合，将螺栓穿过钢模底板的定位套，一人固定螺栓，一人旋转固定套管，将套管固定在钢模上面。以上三种方案安装在20mm厚的钢板上都能保证套管的定位精度，但由于是流水机组法生产工艺，在放松应力时，轨枕会相对于钢模壳体沿纵向移动，所以方案①是行不通的。方案②的缺点在于脱模时需要通过产品自身重量和橡胶螺栓脱离，如果脱模困难，翻模机多次起降容易造成产品掉角掉块。方案③的缺点是施工过程复杂，需要两人配合。经过试验，单根橡胶螺栓要脱离套管，需要40kg的力量，所以使用方案②在脱模环节还有可能存在脱模困难的问题，故最终选择方案③。

2．4.3铁挡板的设计

通常，轨枕长模设计时在两节轨枕之间预留40－60mm的间隙，为避免混凝土在浇筑振动过程中漏浆，生产过程中使用铁挡板四周与模壳端部内侧进行密封。铁挡板则为中部钻有通过预应力钢丝孔的4mm钢板，地铁长枕在脱模后要使用钎子和锤子使铁挡板与轨枕脱离，清理完毕后，同预应力钢丝一起放入钢模，再次利用。经过多次反复，铁挡板势必发生变形，与钢模壳体之间产生缝隙，导致混凝土浆体在振动过程中外流，端部出现蜂窝麻面。经过反复讨论，决定在轨枕与轨枕之间采用全截断框加铁挡板复合橡胶的方案进行这个问题的解决，原理是用铁挡板靠近边部的部分紧贴轨枕模壳端部形成密封，密封面积大大增大，另外在铁挡板与模壳接触的一面复合上4mm厚的橡胶，利用橡胶的弹性和两铁挡板之间橡胶挡板向外的涨力，将铁挡板紧紧的顶在模壳端部，使铁挡板与模壳之间没有一点间隙。

2．4.4成孔器的设计

地铁长枕钢模在产品图纸相应位置，或钻或割加工有分别穿过钢模主梁、模壳等6块钢板的圆孔，生产地铁长枕的厂家全部都是在混凝土浇筑前使用钢管穿入钢模的圆孔中，这6个圆孔为了和钢管配合好，保证在混凝土振动过程中不漏浆或少漏浆，都要把配合间隙做的很小，这样就导致混凝土振动完毕后，钢管拔出困难或者拔不出来，再次穿入时也很困难的情况。随着生产的延续，就不得不把圆孔孔径扩大，导致漏浆，横孔周围出现大量的蜂窝麻面，外观十分难看。我们发明的充气气囊式橡胶棒，和自行车轮胎一样，但也具有一定强度，在插入横孔后，将气充到一定压力，橡胶棒把钢模上的孔密封起来，等到混凝土振动完毕，将气放掉，很容易就能把它从钢模内抽出来。即降低了劳动强度，由提高了产品质量和生产效率。

3地铁长枕钢模的主要技术特点

(1)使用经过机械加工的端平板和定位螺栓的套塑料套管定位方式，保证了承轨部位的平面度和塑料套管的定位精度;

(2)铁挡板复合了橡胶，解决了轨枕因端部漏浆产生的蜂窝麻面;

(3)发明的充气式橡胶棒，创新性的解决了地铁长枕生产过程中成孔器安装移出困难，周边漏浆严重的问题。

4生产工艺和注意事项

使用本钢模及工艺配件生产地铁长枕的生产过程和使用通用地铁长枕钢模的生产工艺基本相同，但应注意以下几点:①安装铁挡板前，需要检查铁挡板是否变形严重，复合的橡胶是否与铁挡板脱离，并在有橡胶的一面涂上脱模剂备用;②铁挡板安装时，把复合有橡胶的一面朝向模壳;③橡胶棒在班后要充气存放，使用前要检查其是否漏气。如果出现漏气，则不得使用。

5结论

通过新型地铁长枕钢模的成果研制，实现了塑料套管的精确定位，铁挡板与模壳端部及橡胶棒与横孔的良好密封，完全避免了因为混凝土漏浆原因产生的蜂窝麻面。使用新型钢模后，不仅产品质量得到了有效控制，生产效率明显提高，工人劳动强度明显降低，每套钢模的生产节奏从8分钟缩短到了5分钟。生产出的产品得到了业主、监理和施工单位的一致好评，使地铁长枕的产品质量迈上了一个新的台阶。经过相关单位的广为宣扬，许多兄弟厂家到我公司进行参观学习，此技术现已被广泛使用。

参考文献

［1］中铁二院工程集团有限责任公司．02100－S－GD－04－01郑州市轨道交通2号线整体道床轨枕［S］．

［2］中华人民共和国铁道部．TB/T2190－2013混凝土轨枕［S］．

［3］周光辉，李建设，常盼阳．一种充气型地铁枕模型:中国，ZL201621326772.5［P］．

作者：杨阳 单位：汝州郑铁三佳水泥制品有限公司

第四篇：基于设计的研究方法

三、请查找资料，论述什么是基于设计的研究方法，它对开展数字教学资源设计有什么意义 1.什么是基于设计的研究方法

基于设计的研究是一种为了解决现实教育问题, 管理者、研究者、实践者和设计者等共同努力, 在真实自然的情境下, 通过形成性研究过程和综合运用多种研究方法, 根据来自实践的反馈不断改进直至排除所有的缺陷, 形成可靠而有效的设计, 进而实现理论和实践双重发展的新兴研究范式, 其研究的核心要素是教育干预的设计、实施、评价和完善。教育干预是指为了优化教学和促进学习而设计开发的环境、课程、工具、模式等人造物系统, 它包括硬干预(实体层面)和软干预(方法层面)两种形式。

2.它对开展数字教学资源设计有什么意义

基于设计的研究方法强调不同的情境或背景，形成情境化的应用理论，为数字教学资源设计的开展提供参考和借鉴。这种演技联通了理论和实践，在理论与实践中真正搭起了一座桥，包括教学资源、学习资源等。

基于设计的研究方法注重对现有学习环境的改善，提高参与者的设计能力，积累相关知识，对于数字资源设计开发的研究人员有很好的锻炼价值。

理论、研究与IT产品的开发三者之间关系在基于设计的研究中的体现值得开展数字教学资源设计借鉴。在开发过程中，可能会出现我们预想不到的状况，以及我们预想得到但在开发过程中未能实现与满足的一些环节，这些都为数字教学资源设计的开展提供了对象和支持，对开发过程本身存在以及产生的问题进行针对性的研究。

基于设计的研究注重对研究过程的记录，使得整个研究过程清晰而完整，数字资源设计的演技相对欠缺对于过程的记录，但是往往过程中包含了很多在研究最初无法预测的因素，这些因素对于进一步开展研究与更改研究都很重要。

第五篇：教学设计与研究方法 2002

2002年招收硕士研究生入学考试试题

考试科目：教学设计与研究方法

一、教学设计部分40分

1、基本概念20分

（1）试述教学设计的定义，并简述教学设计的理论基础是什么？

（2）简述教学目标的分析过程，说明加涅的学习结果分类和布鲁姆的教学目标分类有何异同？

（3）什么是教学策略？试举出网络环境下常见的教学策略

（4）试述教学媒体选择的一般方法与步骤，并举例说明

2、基于信息技术环境下的教学设计应注意什么问题？5分

3、根据你的实际情况，请选择其中一项，论述其教学设计过程10分

（1）、利用多媒体教学平台进行的课堂组合教学；

（2）、利用多媒体网络进行的网络教学；

（3）多媒体教学软件的开发；

（4）网络课程的开发

（5）专题教学（学习）网站的开发。

4、介绍你所阅读的有关教学设计的论著，并分析教学设计理论的发展情况。5

二、研究方法部分60分

5什么是科学的研究方法？其特征是什么？5分

6．信息技术与课程整合是当前教育技术研究的热点，请选择一项有关的课题并按如下要求撰写一份研究方案15分

1)课题的陈述；

2)分析其自变量、因变量和干扰变量；

3)建立有关的研究假设

4)确定研究的预期目标

5)说明采用的实验模式

7、行动研究的特点是什么？试结合上述你所选择的课题，采用行动研究方法，设计一个行动研究的方案

8、设计一套关于多媒体教学软件的质量评价指标体系，要求：15分

1)评价指标体系应包括：指标项系统、权重、简单的标准说明等；

2)指标项（单指标项）不超过10项

3)说明获取权重的途径和方法；

9、学习反应信息包括几种类型？请利用S—P表分析方法，设计一项研究活动，以测试计算机辅助教学的 效果，要求：15分

1)说明测试的目的；

2)说明测试题目的设计方法；

3)说明教学效果的分析步骤（列出分析的项目及所利用的有关曲线或分析模型的名称）