RTM 工艺螺栓预埋一体化成型技术研究与应用

摘要：树脂传递成型（RTM）作为聚合物复合材料低成本高效制造的核心工艺，广泛应用于大型复杂结构复合材料构件的生产，其制品的连接装配精度直接决定整体使用性能。针对传统RTM 工艺螺栓连接采用二次打孔攻丝安装丝杆存在的位置度误差累积、预埋板厚度适配难、丝杆易脱落或顶漏产品等技术难题，本文提出一种 RTM 工艺螺栓预埋一体化成型方法。该方法通过带磁性镶块、定制化预埋螺栓座与预埋螺栓的协同配合，实现螺栓的一次预埋成型，省去后期二次加工步骤。研究详细阐述了该成型方法的核心设计思路、关键部件制作要求及完整实施工艺，并明确了各工序的控制要点。实践表明，该方法有效提升了预埋螺栓的位置度精度，解决了预埋板厚度与产品外形尺寸、连接强度的矛盾问题，显著提高了 RTM 复合材料制品的装配效率与整体质量，为 RTM 工艺在高精度连接需求复合材料构件生产中的应用提供了技术支撑。

关键词：树脂传递成型；复合材料；螺栓预埋；一体化成型；位置度精度

引言

树脂传递成型（Resin Transfer Molding，RTM）是复合材料成型工艺中极具产业化前景的技术之一，凭借高效、制件质量稳定、尺寸精度高、受环境影响小且可成型带夹芯、加筋及预埋件的大型复杂构件等优势，在航空航天、轨道交通、汽车制造等领域得到广泛应用。RTM 复合材料制品多作为结构覆盖件，需与其他零部件通过卡扣或螺栓方式连接，其中螺栓连接因连接强度高、稳定性好，成为重载及高精度配合场景的首选方式。

在传统RTM 工艺螺栓连接制作中，通常采用在增强材料中预埋与螺栓轴向平行的铁板，制品成型后再根据模具定位点在预埋铁板上打孔、攻丝并安装丝杆的二次加工方式。该工艺存在显著技术缺陷：其一，二次安装定位过程中易产生误差累积，导致螺栓位置度达不到设计要求，影响制品与其他零件的装配精度；其二，预埋铁板厚度需精准匹配，厚度不足易造成丝杆脱落、灌注或使用过程中顶漏产品，厚度过大则会改变制品设计外形尺寸，破坏整体结构合理性；其三，二次打孔攻丝工序增加了生产流程，降低了生产效率，同时易对预埋铁板周边复合材料造成损伤，影响构件局部强度。

为解决上述问题，本文研发了一种RTM 工艺螺栓预埋一体化成型技术，通过设计带磁性镶块、定制化预埋螺栓座等核心部件，优化预埋螺栓与增强层的配合工艺，实现螺栓在 RTM 制品成型过程中的一次预埋成型，从根源上消除二次加工带来的误差与质量问题，提升 RTM 复合材料构件的连接精度与生产效率，推动 RTM 工艺在高精度复合材料制品生产中的进一步应用。

1 工艺设计思路与核心部件组成

1.1 整体设计思路

本 RTM 工艺螺栓预埋一体化成型方法的核心设计思路为模具集成化、预埋部件定制化、成型一体化，通过在上模中嵌入带磁性的镶块，作为预埋螺栓组件的定位与固定基础；设计与预埋螺栓精准匹配的预埋螺栓座，实现预埋螺栓的预固定；在预埋螺栓与螺栓座之间增设增强布并预制增强层，保证预埋螺栓的连接强度；合模时将带增强层的预埋螺栓与螺栓座组件通过磁性吸附固定在模具镶块上，随RTM 常规工艺完成灌注、固化，最终实现螺栓与制品的一体化成型，省去后期二次加工步骤。

1.2 核心部件组成

该成型方法的核心部件包括带磁性镶块、预埋螺栓座、预埋螺栓及增强纤维，各部件功能相互协同，构成完整的预埋成型体系：

(1) 带磁性镶块：作为预埋组件的模具定位基础，与预埋螺栓座精准配合并通过磁性实现组件的快速固定，保证成型过程中预埋螺栓的位置稳定性；

(2) 预埋螺栓座：作为预埋螺栓与模具镶块、制品本体的连接中介，实现预埋螺栓的预定位，同时为成型后螺栓座的拆卸提供操作基础；

(3) 预埋螺栓：作为制品连接的核心部件，其尺寸与精度直接决定后续装配效果，与螺栓座通过丝孔精准配合（如图1）；

图1 预埋螺栓

(4) 增强纤维：包括预埋螺栓增强层及螺栓与螺栓座间的加强布，用于提升预埋螺栓与复合材料本体的结合强度，保证螺栓连接的力学性能。

2 关键部件制作工艺与技术要求

2.1 预埋螺栓座制作

预埋螺栓座为定制化部件，需根据预埋螺栓的尺寸、预埋角度及模具设计要求进行加工，其制作工艺与技术要求直接影响预埋螺栓的定位精度与拆卸便利性（如图2）：

图2 预埋螺栓座

(1) 材质与加工方式：选用普通钢或模具钢作为制作材质，保证部件的结构强度与加工性能，采用机床铣削方式进行精密加工，确保尺寸精度；

(2) 核心尺寸匹配：螺栓座中间开设丝孔，丝孔孔径与预埋螺栓外径精准匹配，保证二者配合的紧密性；螺栓与螺栓座组装后，螺栓头需略露出螺栓座 2~3mm，为后续连接提供操作空间；

(3) 辅助拆卸结构：螺栓座周圈预留至少 3 个辅助拆卸孔（图3），也可根据实际需求增加孔数，实现多角度拆卸；辅助孔孔径与专用拆卸扳手配套，孔深不超过螺栓座厚度，避免破坏螺栓座与制品本体的结合面；

图3 拆卸预埋螺栓扳手

(4) 角度适配设计：当预埋螺栓的轴向方向与模具起模方向存在夹角时，需根据角度调整预埋螺栓座的外形尺寸，保证螺栓座与模具镶块的精准配合及预埋螺栓的设计角度。

2.2 带磁性镶块制作

带磁性镶块是预埋组件在模具中的定位与固定核心，其制作需与预埋螺栓座高度适配，同时保证磁性吸附强度与模具整体兼容性（如图4）：

图4 镶块与两种不同角度的预埋螺栓座配合使用的示意图

(1) 材质与磁性要求：镶块材质与预埋螺栓座一致，保证二者配合的贴合性，避免因材质差异导致的配合间隙过大；镶块需具备稳定的磁性，确保在合模过程中能将预埋螺栓座紧密吸附，起到一个稳定预埋螺栓座的辅助作用；

(2) 配合精度控制：镶块的外形尺寸根据预埋螺栓座的尺寸及预埋角度设计，可适配不同角度的螺栓座，实现与螺栓座的无缝配合；镶块与螺栓座配合后，镶块上部需预留 4~5mm 的间隙（如图5），为树脂流动与固化预留空间，避免因间隙不足导致的局部树脂填充不充分。

图5 镶块与预埋螺栓座剖视图

2.3 预埋螺栓增强层制备

预埋螺栓的连接强度是保证制品使用性能的关键，通过在预埋螺栓上预制增强层，提升螺栓与复合材料本体的结合强度，其铺层工艺遵循上大下小原则（如图6）：增强层采用增强纤维制备，从螺栓与螺栓座的配合端向自由端逐渐增大铺层面积，使预埋螺栓与树脂复合材料形成渐变式结合结构，避免因应力集中导致的螺栓根部开裂，保证成型后螺栓在拉伸、剪切等工况下的强度符合设计要求。

图6 预埋螺栓铺设增强层

3 RTM 工艺螺栓预埋一体化成型完整实施步骤

本成型方法基于常规RTM 工艺进行优化，下模制作与常规 RTM 工艺一致，核心优化集中在上模制作、预埋组件装配及合模灌注环节，完整实施步骤如下：

3.1 上模模具集成制作

常规RTM 工艺下模按设计要求正常制作，无额外调整；上模制作时，在预埋螺栓的设计位置精准嵌入已制作完成的带磁性镶块，保证镶块与上模模具的一体化结合，无松动、偏移；同时在模具上对应预埋螺栓的位置预留出增强层铺设空间，确保增强层与制品本体增强材料的衔接顺畅。图7为上模模具制作完成后局部剖视图。

图7 上模模具局部剖视图

3.2 预埋螺栓增强层铺设

根据预埋螺栓的设计强度要求，在预埋螺栓表面按上大下小的铺层原则铺设增强纤维增强层，增强层的铺层层数、纤维类型根据制品的使用工况确定；铺设完成后对增强层进行初步定型，避免后续装配过程中增强层脱落、移位。

3.3 预埋螺栓与螺栓座组装

将预制好增强层的预埋螺栓与定制化预埋螺栓座通过丝孔进行配合连接，组装时控制紧固力度，不宜过紧，防止因紧固力过大挤压增强层，导致树脂在增强层间的流动通道受阻，影响灌注过程中树脂的充分填充，保证增强层与螺栓座、预埋螺栓之间的树脂浸润性。

3.4 预埋组件模具定位

将组装完成的带增强层预埋螺栓- 螺栓座组件，通过磁性吸附作用固定在上模的带磁性镶块上，利用镶块与螺栓座的精准配合及磁性吸附的稳定性，保证预埋组件在模具中的位置精度，确保预埋螺栓的轴向方向、空间位置符合设计要求。

3.5 合模与 RTM 常规灌注固化

将已完成预埋组件定位的上模与预铺好增强材料的下模进行合模，按常规RTM 工艺要求进行合模保压，保证模具的密封性能；随后进行树脂灌注，树脂在压力作用下充分填充模具型腔，浸润所有增强材料（包括预埋螺栓增强层、制品本体增强材料）；灌注完成后按设计的固化制度进行加热固化，使树脂与增强纤维充分结合，实现预埋螺栓与 RTM 复合材料制品的一体化成型。

3.6 脱模与螺栓座拆卸

制品固化完成后，按常规RTM 工艺进行脱模；脱模后利用预埋螺栓座周圈的辅助拆卸孔，配合专用扳手从多角度对螺栓座进行拆卸，拆卸完成后预埋螺栓与制品本体形成一体化结构，可直接进行后续装配使用。

4 工艺优势与应用效果

本RTM 工艺螺栓预埋一体化成型方法在传统 RTM 工艺基础上进行了针对性优化，通过取消二次加工步骤、优化预埋部件设计与配合工艺，展现出显著的技术优势与良好的应用效果：

4.1 提升预埋螺栓位置度精度

通过带磁性镶块与预埋螺栓座的精准配合，实现预埋螺栓在模具中的一次定位，从根源上消除了传统二次打孔攻丝带来的误差累积问题，预埋螺栓的位置度精度完全由模具加工精度保证，大幅提升了制品的装配精度，解决了传统工艺中螺栓配合不良的问题。

4.2 解决预埋板厚度适配矛盾

本工艺取消了传统的预埋铁板结构，采用定制化预埋螺栓座替代，螺栓座的厚度根据预埋螺栓尺寸及连接强度设计，无需考虑打孔攻丝的额外要求，既保证了螺栓连接的结构强度，避免了丝杆脱落、产品顶漏问题，又不会因预埋部件厚度过大破坏制品的外形尺寸，实现了连接强度与外形精度的双重保障。

4.3 提高生产效率与制品整体质量

一体化成型工艺省去了传统工艺的二次打孔、攻丝、丝杆安装等工序，缩短了生产流程，提升了生产效率。经车间对标实测：传统常规单件制品单孔对位精准打孔、标准规范攻丝、配套丝杆对位加装闭环全流程人工联动实操作业，单人单工位标准合规作业时长约60分钟/孔，对标试验核算核验数据显示，叠加批量量产多件联动测算，综合生产节拍提速增效85%以上。

同时一体化成型避免了二次加工对制品复合材料本体的损伤，预埋螺栓增强层的设计提升了螺栓与制品的结合强度。φ45的预埋螺栓底座一体成型后的垂直拉拔力可达到5377N，有效改善了制品的局部力学性能，提升了整体质量稳定性。

4.4 具备良好的工艺适配性

该成型方法可根据预埋螺栓的不同角度、尺寸进行定制化设计，预埋螺栓座与镶块均可适配不同的预埋角度要求，适用于各类具有螺栓连接需求的RTM 复合材料构件生产，且工艺优化基于常规 RTM 工艺进行，无需对现有生产设备进行大规模改造，具备良好的工艺兼容性与产业化推广前景。

5 结论与展望

针对传统RTM 工艺螺栓连接二次加工带来的定位误差、质量缺陷及效率低下等问题，本文提出的 RTM 工艺螺栓预埋一体化成型技术，通过带磁性镶块、定制化预埋螺栓座的设计与应用，结合增强层优化铺层工艺，实现了预埋螺栓与 RTM 复合材料制品的一次成型。该技术有效提升了预埋螺栓的位置度精度，解决了预埋部件厚度适配矛盾，提高了生产效率与制品整体质量，且工艺适配性强、改造成本低，为 RTM 工艺在高精度连接需求复合材料构件生产中的应用提供了切实可行的技术方案。

随着复合材料在高端制造领域的应用不断深入，对RTM 制品的精度、强度及生产效率提出了更高的要求，未来可从以下方面对该工艺进行进一步优化：其一，开展磁性镶块的磁性衰减规律研究，优化镶块的材质与磁性处理工艺，提升其使用寿命与定位稳定性；其二，结合有限元仿真技术，对预埋螺栓增强层的铺层方式、层数进行优化设计，实现预埋螺栓连接强度的精准调控；其三，开发自动化的预埋组件装配与定位装置，进一步提升工艺的自动化水平，降低人工操作误差，推动该技术的规模化产业化应用。

参考文献

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[4] 李建明。复合材料成型工艺及设备 [M]. 北京：化学工业出版社，2015.

稿件来源：山东双一科技股份有限公司  山东省德州市 253000

作者：赵宏策、王秋生、高占朝、刘虎

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