先进模具材料invar钢制造技术研究

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1、先进模具材料Invar钢制造技术研究黄钢华张冬梅晏冬秀杨霓虹刘卫平（上海飞机制造有限公司航空制造技术研究所，上海200436）摘要：本文对Invar钢焊接性能与切削性能进行研究，试验结果表明坡口间隙2mm，堆焊电流170A、保护气体15L/min可得到良好的焊接接头；对Invar钢进行切削试验，试验表明粗加工采用转速1400r/min、进给速度400mm/min、切深2.5mm机床无异常,刀具未见磨损，精加工转速为2400r/min、进给速度480mm/min、切深0.5mm可得到良好的切削表面。关键词：复合材料模具材料Invar钢制造中图分类号：TG7文献标识码：B1引言[1]复合

2、材料自20世纪70年代就以比重小、强度高、疲劳性能好等优点受到飞机设计师的青睐。在航空航天领域，热压罐固化工艺被广泛应用于复合材料层压板结构、蜂窝夹层结构、金属或复合材料胶接结构的制造，而复合材料零件固化后型面几乎不再做任何加工，其表面质量、外表尺寸主[2]要由成型模具来保证。因此复合材料成型模具的优劣对制品的外形及表面质量起着重要作用。在国内，现有技术中复合材料成型模具大多采用普通碳钢、铝合金，存在的问题是成型模具的热膨胀系数与复合材料的热膨胀系数相差悬殊，这种差异可能致使复合材料零件在固化温度下成型后回复到常温自然条件过程中产生不可控制的变形。在国外，已大量采用Invar钢制作复

3、合材料成型模具。Invar钢的热膨胀系数与复合材料相近，采用Invar钢作为复合材料制件的成型模具可很好解决以上问题。本文首先对Invar钢、复合材料和传统模具材料如普通碳钢、铝合金的性能进行了对比，然后就Invar钢焊接工艺、切削工艺进行了分析。2模具材料性能比较目前，复合材料制件的模具材料除选用Invar钢外，也常采用普通碳钢、铝合金及复合材料。为获知模具材料准确的热膨胀系数，本文采用GB/T4339-1999标准测试了多种模具材料的热膨胀系数，结果如图1所示。表1给出了各种模具材料的性能，可以看出Invar钢模具热膨胀系数与复合材料相匹配，表面粗糙度与气密性好，模具使用寿命长，

4、适用于复合材料批量生产，对零件尺寸精度与型面精度高、有复杂型面或加筋壁板结构的场合。表1材料的基本性能模具材料复合材料基本性能普通碳钢铝合金Invar钢（碳纤维/环氧）热膨胀系数-6-6-6-6[3]12×1026×102.5×103.6×10（/℃,RT-200℃）[2]弹性模量（GPa）21071142120[2]泊松比0.30.3340.250.2-1-1[2]比热（J×kg×K）434960515862热传导率60.512010.70.5-1-1[2]（w×m×K）电弧焊+数MIG/TIG焊+制造方法MIG焊+数控铺贴+固化控数控表面粗糙度好一般好一般[3]气密性好一般好好[

5、3]制造难度较高低高高材料成本低较高高高制造成本低低高高制造周期3月2.5月4月3.5月使用寿命500次以上200次500次以上100～200次第一作者：黄钢华，男，江苏海门人，从事复合材料成型工装方面的研究，Tel：15221588485，E-mail：huangganghua@comac.cc。图1不同模具材料的热膨胀系数图2坡口图3Invar钢模具制造工艺焊接设备：WSME-500逆变交直流方波脉冲氩弧焊机，99.99%纯度氩气。材料：250mm×100mm×20mm的Invar钢8块，Φ2.4mm×50mmInvar焊丝若干为节省熔敷金属和减少焊接变形，采用60°“X”型焊接

6、坡口（如图2），焊前用酒精将焊丝表面、焊接坡口及坡口两侧擦拭干净，待酒精蒸发干燥后，采用非熔化极氩弧焊（以下简称TIG焊）方式焊接，焊接工艺参数见表2。为了消除制造过程中产生的不均匀分布内应力，在焊接后，以每小时小于200℃的升温速率加温至850℃，保温两小时后随炉冷却至300℃，最后开炉冷却；在粗加工/精加工之间，试样以每小时50～100℃的升温速率加温至350℃，保温2小时后随炉冷却至150℃，最后开炉冷却。表2焊接工艺参数材料电流（A）间隙t（mm）保护气体流量（L/min）方案1010方案2015Invar钢170A方案3210方案4215为了测试焊接性能，采用ASTME8标

7、准对焊接区进行拉伸试验，就屈服强度、抗拉强度和断口形貌进行分析，表3为焊接接头试验结果，可见屈服强度实测值均高于理论值，方案一与方案二的抗拉强度分别仅为理论值73%、77%，而且断口出现明显的未焊合区（图3），说明坡口未留间隙很容易引起未焊透现象，影响焊接性能。表3焊接接头性能参数屈服强度抗拉强度项目断口形貌（MPa）（MPa）接头断口未焊方案1276379实测透值断口未焊方案2279358透方案3313450出现气孔方案4318461质量完好[4]理论值