摘要：樹(shù)脂傳遞成型（RTM）作為聚合物復(fù)合材料低成本高效制造的核心工藝，廣泛應(yīng)用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料構(gòu)件的生產(chǎn)，其制品的連接裝配精度直接決定整體使用性能。針對(duì)傳統(tǒng)RTM 工藝螺栓連接采用二次打孔攻絲安裝絲桿存在的位置度誤差累積、預(yù)埋板厚度適配難、絲桿易脫落或頂漏產(chǎn)品等技術(shù)難題，本文提出一種 RTM 工藝螺栓預(yù)埋一體化成型方法。該方法通過(guò)帶磁性鑲塊、定制化預(yù)埋螺栓座與預(yù)埋螺栓的協(xié)同配合，實(shí)現(xiàn)螺栓的一次預(yù)埋成型，省去后期二次加工步驟。研究詳細(xì)闡述了該成型方法的核心設(shè)計(jì)思路、關(guān)鍵部件制作要求及完整實(shí)施工藝，并明確了各工序的控制要點(diǎn)。實(shí)踐表明，該方法有效提升了預(yù)埋螺栓的位置度精度，解決了預(yù)埋板厚度與產(chǎn)品外形尺寸、連接強(qiáng)度的矛盾問(wèn)題，顯著提高了 RTM 復(fù)合材料制品的裝配效率與整體質(zhì)量，為 RTM 工藝在高精度連接需求復(fù)合材料構(gòu)件生產(chǎn)中的應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：樹(shù)脂傳遞成型；復(fù)合材料；螺栓預(yù)埋；一體化成型；位置度精度

引言

樹(shù)脂傳遞成型（Resin Transfer Molding，RTM）是復(fù)合材料成型工藝中極具產(chǎn)業(yè)化前景的技術(shù)之一，憑借高效、制件質(zhì)量穩(wěn)定、尺寸精度高、受環(huán)境影響小且可成型帶夾芯、加筋及預(yù)埋件的大型復(fù)雜構(gòu)件等優(yōu)勢(shì)，在航空航天、軌道交通、汽車(chē)制造等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。RTM 復(fù)合材料制品多作為結(jié)構(gòu)覆蓋件，需與其他零部件通過(guò)卡扣或螺栓方式連接，其中螺栓連接因連接強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好，成為重載及高精度配合場(chǎng)景的首選方式。

在傳統(tǒng)RTM 工藝螺栓連接制作中，通常采用在增強(qiáng)材料中預(yù)埋與螺栓軸向平行的鐵板，制品成型后再根據(jù)模具定位點(diǎn)在預(yù)埋鐵板上打孔、攻絲并安裝絲桿的二次加工方式。該工藝存在顯著技術(shù)缺陷：其一，二次安裝定位過(guò)程中易產(chǎn)生誤差累積，導(dǎo)致螺栓位置度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，影響制品與其他零件的裝配精度；其二，預(yù)埋鐵板厚度需精準(zhǔn)匹配，厚度不足易造成絲桿脫落、灌注或使用過(guò)程中頂漏產(chǎn)品，厚度過(guò)大則會(huì)改變制品設(shè)計(jì)外形尺寸，破壞整體結(jié)構(gòu)合理性；其三，二次打孔攻絲工序增加了生產(chǎn)流程，降低了生產(chǎn)效率，同時(shí)易對(duì)預(yù)埋鐵板周邊復(fù)合材料造成損傷，影響構(gòu)件局部強(qiáng)度。

為解決上述問(wèn)題，本文研發(fā)了一種RTM 工藝螺栓預(yù)埋一體化成型技術(shù)，通過(guò)設(shè)計(jì)帶磁性鑲塊、定制化預(yù)埋螺栓座等核心部件，優(yōu)化預(yù)埋螺栓與增強(qiáng)層的配合工藝，實(shí)現(xiàn)螺栓在 RTM 制品成型過(guò)程中的一次預(yù)埋成型，從根源上消除二次加工帶來(lái)的誤差與質(zhì)量問(wèn)題，提升 RTM 復(fù)合材料構(gòu)件的連接精度與生產(chǎn)效率，推動(dòng) RTM 工藝在高精度復(fù)合材料制品生產(chǎn)中的進(jìn)一步應(yīng)用。

1 工藝設(shè)計(jì)思路與核心部件組成

1.1 整體設(shè)計(jì)思路

本 RTM 工藝螺栓預(yù)埋一體化成型方法的核心設(shè)計(jì)思路為模具集成化、預(yù)埋部件定制化、成型一體化，通過(guò)在上模中嵌入帶磁性的鑲塊，作為預(yù)埋螺栓組件的定位與固定基礎(chǔ)；設(shè)計(jì)與預(yù)埋螺栓精準(zhǔn)匹配的預(yù)埋螺栓座，實(shí)現(xiàn)預(yù)埋螺栓的預(yù)固定；在預(yù)埋螺栓與螺栓座之間增設(shè)增強(qiáng)布并預(yù)制增強(qiáng)層，保證預(yù)埋螺栓的連接強(qiáng)度；合模時(shí)將帶增強(qiáng)層的預(yù)埋螺栓與螺栓座組件通過(guò)磁性吸附固定在模具鑲塊上，隨RTM 常規(guī)工藝完成灌注、固化，最終實(shí)現(xiàn)螺栓與制品的一體化成型，省去后期二次加工步驟。

1.2 核心部件組成

該成型方法的核心部件包括帶磁性鑲塊、預(yù)埋螺栓座、預(yù)埋螺栓及增強(qiáng)纖維，各部件功能相互協(xié)同，構(gòu)成完整的預(yù)埋成型體系：

(1) 帶磁性鑲塊：作為預(yù)埋組件的模具定位基礎(chǔ)，與預(yù)埋螺栓座精準(zhǔn)配合并通過(guò)磁性實(shí)現(xiàn)組件的快速固定，保證成型過(guò)程中預(yù)埋螺栓的位置穩(wěn)定性；

(2) 預(yù)埋螺栓座：作為預(yù)埋螺栓與模具鑲塊、制品本體的連接中介，實(shí)現(xiàn)預(yù)埋螺栓的預(yù)定位，同時(shí)為成型后螺栓座的拆卸提供操作基礎(chǔ)；

(3) 預(yù)埋螺栓：作為制品連接的核心部件，其尺寸與精度直接決定后續(xù)裝配效果，與螺栓座通過(guò)絲孔精準(zhǔn)配合（如圖1）；

圖1 預(yù)埋螺栓

(4) 增強(qiáng)纖維：包括預(yù)埋螺栓增強(qiáng)層及螺栓與螺栓座間的加強(qiáng)布，用于提升預(yù)埋螺栓與復(fù)合材料本體的結(jié)合強(qiáng)度，保證螺栓連接的力學(xué)性能。

2 關(guān)鍵部件制作工藝與技術(shù)要求

2.1 預(yù)埋螺栓座制作

預(yù)埋螺栓座為定制化部件，需根據(jù)預(yù)埋螺栓的尺寸、預(yù)埋角度及模具設(shè)計(jì)要求進(jìn)行加工，其制作工藝與技術(shù)要求直接影響預(yù)埋螺栓的定位精度與拆卸便利性（如圖2）：

圖2 預(yù)埋螺栓座

(1) 材質(zhì)與加工方式：選用普通鋼或模具鋼作為制作材質(zhì)，保證部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與加工性能，采用機(jī)床銑削方式進(jìn)行精密加工，確保尺寸精度；

(2) 核心尺寸匹配：螺栓座中間開(kāi)設(shè)絲孔，絲孔孔徑與預(yù)埋螺栓外徑精準(zhǔn)匹配，保證二者配合的緊密性；螺栓與螺栓座組裝后，螺栓頭需略露出螺栓座 2~3mm，為后續(xù)連接提供操作空間；

(3) 輔助拆卸結(jié)構(gòu)：螺栓座周圈預(yù)留至少 3 個(gè)輔助拆卸孔（圖3），也可根據(jù)實(shí)際需求增加孔數(shù)，實(shí)現(xiàn)多角度拆卸；輔助孔孔徑與專用拆卸扳手配套，孔深不超過(guò)螺栓座厚度，避免破壞螺栓座與制品本體的結(jié)合面；

圖3 拆卸預(yù)埋螺栓扳手

(4) 角度適配設(shè)計(jì)：當(dāng)預(yù)埋螺栓的軸向方向與模具起模方向存在夾角時(shí)，需根據(jù)角度調(diào)整預(yù)埋螺栓座的外形尺寸，保證螺栓座與模具鑲塊的精準(zhǔn)配合及預(yù)埋螺栓的設(shè)計(jì)角度。

2.2 帶磁性鑲塊制作

帶磁性鑲塊是預(yù)埋組件在模具中的定位與固定核心，其制作需與預(yù)埋螺栓座高度適配，同時(shí)保證磁性吸附強(qiáng)度與模具整體兼容性（如圖4）：

圖4 鑲塊與兩種不同角度的預(yù)埋螺栓座配合使用的示意圖

(1) 材質(zhì)與磁性要求：鑲塊材質(zhì)與預(yù)埋螺栓座一致，保證二者配合的貼合性，避免因材質(zhì)差異導(dǎo)致的配合間隙過(guò)大；鑲塊需具備穩(wěn)定的磁性，確保在合模過(guò)程中能將預(yù)埋螺栓座緊密吸附，起到一個(gè)穩(wěn)定預(yù)埋螺栓座的輔助作用；

(2) 配合精度控制：鑲塊的外形尺寸根據(jù)預(yù)埋螺栓座的尺寸及預(yù)埋角度設(shè)計(jì)，可適配不同角度的螺栓座，實(shí)現(xiàn)與螺栓座的無(wú)縫配合；鑲塊與螺栓座配合后，鑲塊上部需預(yù)留 4~5mm 的間隙（如圖5），為樹(shù)脂流動(dòng)與固化預(yù)留空間，避免因間隙不足導(dǎo)致的局部樹(shù)脂填充不充分。

圖5 鑲塊與預(yù)埋螺栓座剖視圖

2.3 預(yù)埋螺栓增強(qiáng)層制備

預(yù)埋螺栓的連接強(qiáng)度是保證制品使用性能的關(guān)鍵，通過(guò)在預(yù)埋螺栓上預(yù)制增強(qiáng)層，提升螺栓與復(fù)合材料本體的結(jié)合強(qiáng)度，其鋪層工藝遵循上大下小原則（如圖6）：增強(qiáng)層采用增強(qiáng)纖維制備，從螺栓與螺栓座的配合端向自由端逐漸增大鋪層面積，使預(yù)埋螺栓與樹(shù)脂復(fù)合材料形成漸變式結(jié)合結(jié)構(gòu)，避免因應(yīng)力集中導(dǎo)致的螺栓根部開(kāi)裂，保證成型后螺栓在拉伸、剪切等工況下的強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

圖6 預(yù)埋螺栓鋪設(shè)增強(qiáng)層

3 RTM 工藝螺栓預(yù)埋一體化成型完整實(shí)施步驟

本成型方法基于常規(guī)RTM 工藝進(jìn)行優(yōu)化，下模制作與常規(guī) RTM 工藝一致，核心優(yōu)化集中在上模制作、預(yù)埋組件裝配及合模灌注環(huán)節(jié)，完整實(shí)施步驟如下：

3.1 上模模具集成制作

常規(guī)RTM 工藝下模按設(shè)計(jì)要求正常制作，無(wú)額外調(diào)整；上模制作時(shí)，在預(yù)埋螺栓的設(shè)計(jì)位置精準(zhǔn)嵌入已制作完成的帶磁性鑲塊，保證鑲塊與上模模具的一體化結(jié)合，無(wú)松動(dòng)、偏移；同時(shí)在模具上對(duì)應(yīng)預(yù)埋螺栓的位置預(yù)留出增強(qiáng)層鋪設(shè)空間，確保增強(qiáng)層與制品本體增強(qiáng)材料的銜接順暢。圖7為上模模具制作完成后局部剖視圖。

圖7 上模模具局部剖視圖

3.2 預(yù)埋螺栓增強(qiáng)層鋪設(shè)

根據(jù)預(yù)埋螺栓的設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，在預(yù)埋螺栓表面按上大下小的鋪層原則鋪設(shè)增強(qiáng)纖維增強(qiáng)層，增強(qiáng)層的鋪層層數(shù)、纖維類(lèi)型根據(jù)制品的使用工況確定；鋪設(shè)完成后對(duì)增強(qiáng)層進(jìn)行初步定型，避免后續(xù)裝配過(guò)程中增強(qiáng)層脫落、移位。

3.3 預(yù)埋螺栓與螺栓座組裝

將預(yù)制好增強(qiáng)層的預(yù)埋螺栓與定制化預(yù)埋螺栓座通過(guò)絲孔進(jìn)行配合連接，組裝時(shí)控制緊固力度，不宜過(guò)緊，防止因緊固力過(guò)大擠壓增強(qiáng)層，導(dǎo)致樹(shù)脂在增強(qiáng)層間的流動(dòng)通道受阻，影響灌注過(guò)程中樹(shù)脂的充分填充，保證增強(qiáng)層與螺栓座、預(yù)埋螺栓之間的樹(shù)脂浸潤(rùn)性。

3.4 預(yù)埋組件模具定位

將組裝完成的帶增強(qiáng)層預(yù)埋螺栓- 螺栓座組件，通過(guò)磁性吸附作用固定在上模的帶磁性鑲塊上，利用鑲塊與螺栓座的精準(zhǔn)配合及磁性吸附的穩(wěn)定性，保證預(yù)埋組件在模具中的位置精度，確保預(yù)埋螺栓的軸向方向、空間位置符合設(shè)計(jì)要求。

3.5 合模與 RTM 常規(guī)灌注固化

將已完成預(yù)埋組件定位的上模與預(yù)鋪好增強(qiáng)材料的下模進(jìn)行合模，按常規(guī)RTM 工藝要求進(jìn)行合模保壓，保證模具的密封性能；隨后進(jìn)行樹(shù)脂灌注，樹(shù)脂在壓力作用下充分填充模具型腔，浸潤(rùn)所有增強(qiáng)材料（包括預(yù)埋螺栓增強(qiáng)層、制品本體增強(qiáng)材料）；灌注完成后按設(shè)計(jì)的固化制度進(jìn)行加熱固化，使樹(shù)脂與增強(qiáng)纖維充分結(jié)合，實(shí)現(xiàn)預(yù)埋螺栓與 RTM 復(fù)合材料制品的一體化成型。

3.6 脫模與螺栓座拆卸

制品固化完成后，按常規(guī)RTM 工藝進(jìn)行脫模；脫模后利用預(yù)埋螺栓座周圈的輔助拆卸孔，配合專用扳手從多角度對(duì)螺栓座進(jìn)行拆卸，拆卸完成后預(yù)埋螺栓與制品本體形成一體化結(jié)構(gòu)，可直接進(jìn)行后續(xù)裝配使用。

4 工藝優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用效果

本RTM 工藝螺栓預(yù)埋一體化成型方法在傳統(tǒng) RTM 工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行了針對(duì)性優(yōu)化，通過(guò)取消二次加工步驟、優(yōu)化預(yù)埋部件設(shè)計(jì)與配合工藝，展現(xiàn)出顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與良好的應(yīng)用效果：

4.1 提升預(yù)埋螺栓位置度精度

通過(guò)帶磁性鑲塊與預(yù)埋螺栓座的精準(zhǔn)配合，實(shí)現(xiàn)預(yù)埋螺栓在模具中的一次定位，從根源上消除了傳統(tǒng)二次打孔攻絲帶來(lái)的誤差累積問(wèn)題，預(yù)埋螺栓的位置度精度完全由模具加工精度保證，大幅提升了制品的裝配精度，解決了傳統(tǒng)工藝中螺栓配合不良的問(wèn)題。

4.2 解決預(yù)埋板厚度適配矛盾

本工藝取消了傳統(tǒng)的預(yù)埋鐵板結(jié)構(gòu)，采用定制化預(yù)埋螺栓座替代，螺栓座的厚度根據(jù)預(yù)埋螺栓尺寸及連接強(qiáng)度設(shè)計(jì)，無(wú)需考慮打孔攻絲的額外要求，既保證了螺栓連接的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，避免了絲桿脫落、產(chǎn)品頂漏問(wèn)題，又不會(huì)因預(yù)埋部件厚度過(guò)大破壞制品的外形尺寸，實(shí)現(xiàn)了連接強(qiáng)度與外形精度的雙重保障。

4.3 提高生產(chǎn)效率與制品整體質(zhì)量

一體化成型工藝省去了傳統(tǒng)工藝的二次打孔、攻絲、絲桿安裝等工序，縮短了生產(chǎn)流程，提升了生產(chǎn)效率。經(jīng)車(chē)間對(duì)標(biāo)實(shí)測(cè)：傳統(tǒng)常規(guī)單件制品單孔對(duì)位精準(zhǔn)打孔、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范攻絲、配套絲桿對(duì)位加裝閉環(huán)全流程人工聯(lián)動(dòng)實(shí)操作業(yè)，單人單工位標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)作業(yè)時(shí)長(zhǎng)約60分鐘/孔，對(duì)標(biāo)試驗(yàn)核算核驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，疊加批量量產(chǎn)多件聯(lián)動(dòng)測(cè)算，綜合生產(chǎn)節(jié)拍提速增效85%以上。

同時(shí)一體化成型避免了二次加工對(duì)制品復(fù)合材料本體的損傷，預(yù)埋螺栓增強(qiáng)層的設(shè)計(jì)提升了螺栓與制品的結(jié)合強(qiáng)度。φ45的預(yù)埋螺栓底座一體成型后的垂直拉拔力可達(dá)到5377N，有效改善了制品的局部力學(xué)性能，提升了整體質(zhì)量穩(wěn)定性。

4.4 具備良好的工藝適配性

該成型方法可根據(jù)預(yù)埋螺栓的不同角度、尺寸進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，預(yù)埋螺栓座與鑲塊均可適配不同的預(yù)埋角度要求，適用于各類(lèi)具有螺栓連接需求的RTM 復(fù)合材料構(gòu)件生產(chǎn)，且工藝優(yōu)化基于常規(guī) RTM 工藝進(jìn)行，無(wú)需對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行大規(guī)模改造，具備良好的工藝兼容性與產(chǎn)業(yè)化推廣前景。

5 結(jié)論與展望

針對(duì)傳統(tǒng)RTM 工藝螺栓連接二次加工帶來(lái)的定位誤差、質(zhì)量缺陷及效率低下等問(wèn)題，本文提出的 RTM 工藝螺栓預(yù)埋一體化成型技術(shù)，通過(guò)帶磁性鑲塊、定制化預(yù)埋螺栓座的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，結(jié)合增強(qiáng)層優(yōu)化鋪層工藝，實(shí)現(xiàn)了預(yù)埋螺栓與 RTM 復(fù)合材料制品的一次成型。該技術(shù)有效提升了預(yù)埋螺栓的位置度精度，解決了預(yù)埋部件厚度適配矛盾，提高了生產(chǎn)效率與制品整體質(zhì)量，且工藝適配性強(qiáng)、改造成本低，為 RTM 工藝在高精度連接需求復(fù)合材料構(gòu)件生產(chǎn)中的應(yīng)用提供了切實(shí)可行的技術(shù)方案。

隨著復(fù)合材料在高端制造領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深入，對(duì)RTM 制品的精度、強(qiáng)度及生產(chǎn)效率提出了更高的要求，未來(lái)可從以下方面對(duì)該工藝進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化：其一，開(kāi)展磁性鑲塊的磁性衰減規(guī)律研究，優(yōu)化鑲塊的材質(zhì)與磁性處理工藝，提升其使用壽命與定位穩(wěn)定性；其二，結(jié)合有限元仿真技術(shù)，對(duì)預(yù)埋螺栓增強(qiáng)層的鋪層方式、層數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)預(yù)埋螺栓連接強(qiáng)度的精準(zhǔn)調(diào)控；其三，開(kāi)發(fā)自動(dòng)化的預(yù)埋組件裝配與定位裝置，進(jìn)一步提升工藝的自動(dòng)化水平，降低人工操作誤差，推動(dòng)該技術(shù)的規(guī)模化產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

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稿件來(lái)源：山東雙一科技股份有限公司  山東省德州市 253000

作者：趙宏策、王秋生、高占朝、劉虎

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