王猛，陳超，楊威

（中航工業(yè)沈陽飛機(jī)設(shè)計研究所，遼寧　沈陽　110035）

淺談模塑工藝在航空裝備制造中的應(yīng)用

王猛，陳超，楊威

（中航工業(yè)沈陽飛機(jī)設(shè)計研究所，遼寧沈陽110035）

闡述了模塑工藝的技術(shù)特點和發(fā)展趨勢，詳細(xì)分析了在航空裝備制造中增強(qiáng)改性塑料所具有的工藝優(yōu)勢和應(yīng)用前景。對裝備制造中的典型工藝問題進(jìn)行了分析，給出實踐中行之有效的工藝解決方案。

航空裝備；模塑工藝；比強(qiáng)度；比剛度；熔接痕；翹曲；強(qiáng)度下降

當(dāng)前各國對航空裝備制造新技術(shù)、新工藝的需求十分迫切。航空設(shè)備零部件所選用的材料要求強(qiáng)度更高、重量更輕、更耐用、多功能和復(fù)合化。機(jī)體結(jié)構(gòu)和航空裝備上，雖仍以鋁合金為主，但非金屬復(fù)材的大量應(yīng)用將是時代發(fā)展的趨勢。不僅功能陶瓷材料、隱身材料、智能材料為代表的新技術(shù)被投入使用，以玻纖增強(qiáng)塑料、碳纖維、合成樹脂、改性橡膠為代表的復(fù)材在零部件制造上均得到了廣泛應(yīng)用。高比強(qiáng)度、比剛度、高韌性、高損傷容限、抗腐蝕、耐環(huán)境應(yīng)力等綜合性能優(yōu)異的新型材料已是航空產(chǎn)業(yè)的時代新寵。新材料的不斷涌現(xiàn)，也為飛機(jī)設(shè)計提供了更廣闊的選材空間和設(shè)計基礎(chǔ)，促進(jìn)了新一代飛機(jī)的問世。

1　模塑工藝的發(fā)展現(xiàn)狀

模具加工憑借效率高、質(zhì)量穩(wěn)定、互換性好、勞動強(qiáng)度低、易于實現(xiàn)機(jī)械化和自動化等優(yōu)點，已經(jīng)占據(jù)一個國家現(xiàn)代工業(yè)的中堅地位。可以說“模具工業(yè)是美國工業(yè)的基石”。模具稱得上是“金屬加工業(yè)的帝王”。相比于金屬材料沖壓拉伸模具，塑料工業(yè)與塑料模具是近年來發(fā)展最為迅速的模具產(chǎn)業(yè)。塑件的加工過程包括：塑料成型，機(jī)械再加工，修飾處理以及裝配。整個過程最重要的，也是最能影響塑件質(zhì)量性能的，就是成型工序?，F(xiàn)已發(fā)展出的成型工藝方法有擠出、注射、壓縮、中空吹塑、材料層壓和壓延等等。

隨著產(chǎn)量的增加，合成改性品種的增多，工藝技術(shù)的提升，及模具設(shè)備的發(fā)展，促使塑料工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮出更大的作用。當(dāng)前模塑工藝和模具制造的發(fā)展正呈現(xiàn)出如下特征：

（1）深入研究和創(chuàng)新成型工藝過程，完善加工技術(shù)原理，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，形成較為完善的塑料模具加工理論體系。

（2）塑料制品向著大型化、微型化、高精度、特殊性能等多方向發(fā)展，引領(lǐng)塑料模具也朝著大型化、微型化、高精度加工等方向發(fā)展。

（3）得益于工藝流程的梳理簡化，模具的優(yōu)化設(shè)計，加工設(shè)備自動控制，配套設(shè)施完善等眾多舉措，成型過程呈現(xiàn)高效率、自動化趨勢。

（4）高精度數(shù)控機(jī)床投入使用，特種加工技術(shù)不斷推廣，熱處理和表面處理的技術(shù)創(chuàng)新，使得模具硬度更高、壽命更長、精度更精、生產(chǎn)周期大幅縮短?，F(xiàn)如今已專業(yè)化生產(chǎn)，初具標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)模。

（5）計算機(jī)輔助設(shè)計/制造。UG、MicroStation、Pro/E、AutoCAD等軟件的應(yīng)用，將三維圖模擬裝配，再輸出到加工設(shè)備完成制造，使得整個過程變得更加高效。

2　塑料的材料特性和工藝優(yōu)勢

2.1出色的力學(xué)性能

在設(shè)計師心中都有著共同的信念，為減少飛機(jī)的每一克重量而奮斗！維持設(shè)備性能不變的前提下，盡可能減輕重量是至關(guān)重要的。高比強(qiáng)度、高比剛度的新材料的應(yīng)用，為減輕機(jī)體結(jié)構(gòu)和設(shè)備重量開辟了廣闊前景。復(fù)材家族中雖不乏碳纖維、碳化硅、特種陶瓷等前沿材料，但其技術(shù)門檻高，工藝復(fù)雜難以掌握。而有廣泛工業(yè)基礎(chǔ)、經(jīng)濟(jì)性良好的塑料、玻纖增強(qiáng)塑料、合成樹脂等材料已然成為航空裝備和地勤設(shè)備的不錯選擇。

即便塑料的強(qiáng)度不如鋼、鋁等，但比強(qiáng)度（σb/ρ）、比剛度（E/ρ）卻是較高的。例如PA66、PC、PET、PPS、PPA等等，填入玻璃纖維、碳纖維、硼纖維，增強(qiáng)改良后，其力學(xué)性能優(yōu)異。有的比強(qiáng)度甚至超過了鋼的水平。擁有高比強(qiáng)度和比剛度，又重量輕，可以說塑料著實適合航空工業(yè)領(lǐng)域的推廣使用。常用塑料的性能指標(biāo)見表1。

表1　常用塑料的性能指標(biāo)

玻璃纖維為基礎(chǔ)的增強(qiáng)劑，以及其它添加劑的使用，已使得增強(qiáng)塑料的力學(xué)性能大為提高，使用性能得到顯著改善。表2中給出了增強(qiáng)塑料與某些金屬的性能比較。

2.2良好的化學(xué)性能

表2　增強(qiáng)塑料與某些金屬的性能比較

通常戰(zhàn)斗機(jī)工作在上萬米高空，從赤道至兩極地區(qū)。既有海洋環(huán)境又有酷熱的沙漠，面臨暴風(fēng)雨雪又要忍受紫外線輻射。這些無疑對戰(zhàn)斗機(jī)及航空設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)能力提出了近乎苛刻的要求。需要戰(zhàn)斗機(jī)適應(yīng)環(huán)境應(yīng)力的能力主要包括：可靠地工作在零下幾十度至零上近百度的溫度場中；面對濕熱、酸堿性的環(huán)境而不產(chǎn)生明顯的銹蝕；承受在數(shù)分鐘內(nèi)變化幾十度的劇烈溫度沖擊；能夠抵御高鹽高濕的海洋環(huán)境而不被腐蝕；處于細(xì)菌環(huán)境下卻可以抑制各種霉菌的滋生和破壞。

增強(qiáng)改性后的復(fù)合塑料，在上述各方面均表現(xiàn)優(yōu)異。首先，塑料化學(xué)性能穩(wěn)定，具備耐受酸堿性、鹽類，各類溶劑等物質(zhì)的能力。塑料暴露在日光、紫外線、自然氣候條件下，仍保持其性能不發(fā)生大的變化，而且老化過程比較緩慢。塑料還具備很好的抗霉性，對霉菌滋生有較強(qiáng)的抵抗能力。因此，它是符合航空設(shè)備的性能需求的，作為航空設(shè)備的選材也是十分適合的。

2.3電學(xué)性能

戰(zhàn)斗機(jī)的供電系統(tǒng)主要由AC115/200 V，400 Hz的交流供電系統(tǒng)和DC28.5 V的直流供電系統(tǒng)組成。受電源系統(tǒng)瞬態(tài)變化影響，航電、飛控、機(jī)電各系統(tǒng)設(shè)備時刻承受著瞬時尖峰信號，及過壓/欠壓浪涌信號的干擾。干擾信號VP-P值可達(dá)到 VE值的數(shù)十倍，對設(shè)備構(gòu)成了不小的考驗。塑料的絕緣電阻很大，能夠保持較高的絕緣狀態(tài)。其有著理想的介電常數(shù)，能承受發(fā)生的電荷沖擊，實現(xiàn)足夠的絕緣介電強(qiáng)度。有較好的耐電弧性，抗擊穿燒結(jié)。通過各項驗證試驗發(fā)現(xiàn)，科學(xué)合理地應(yīng)用塑料制成的零部件，可提高設(shè)備防電弧、抗擊穿、防靜電的能力。

2.4使用局限

當(dāng)然塑料也有它自身的缺陷，耐熱性不好，不能承受過高的溫度，否則會發(fā)生加速老化、降解的情況。這使得工作在發(fā)動機(jī)艙的各設(shè)備應(yīng)用塑料及其衍生材料制成零部件將變得幾乎不可能。

3　航空裝備制造中常暴露的工藝問題

3.1存在熔接痕

熔接痕是塑料制品加工中繞不開的話題。熔接痕是指融熔塑料以較高的速度注入模具流道，料流前鋒的熱量迅速散失，料流前鋒和模具內(nèi)表面形成了一個冷凝層。冷凝層使不同熔流不能徹底和均勻地混合，導(dǎo)致了微觀上的結(jié)構(gòu)不同。在宏觀上表現(xiàn)為一條或平直或彎曲的痕跡線。痕跡線附近的塑料組織在內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能上是不同于其它部位的，構(gòu)成了產(chǎn)品的質(zhì)量缺陷，這是我們不希望看到的。

飛機(jī)在空中飛行，機(jī)體面臨大頻率范圍的隨機(jī)振動載荷，很強(qiáng)的沖擊載荷。這對零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度會是比較大的考驗。如果存在熔接痕，強(qiáng)度必然會降低。在交變應(yīng)力作用下，塑件會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)失效，造成航空設(shè)備的功能失效或質(zhì)量故障。因此應(yīng)針對熔接痕的產(chǎn)生機(jī)理，選擇有效的工藝手段，避免熔接痕的出現(xiàn)。

（1）溫度太低，塑料流動性較差。應(yīng)提升模具和熔體的溫度，加速聚合物的熔融過程，減少分子鏈纏結(jié)時間，加強(qiáng)流料前端分子的充分熔合、纏結(jié)，提高熔接痕區(qū)域的強(qiáng)度。

（2）提高注射壓力有助于克服流道阻力，把壓力傳遞到熔體前端，使熔體在熔接痕處以高壓熔合，增加熔接痕處的密度，從而使熔接痕強(qiáng)度得到提高。

（3）提高注射速度，熔體通過澆口和型腔的流速增大，減少了匯合前的流動時間，降低熱損耗。溫度的上升，熔體黏度下降，流動性增加，從而提高了熔接痕強(qiáng)度。

（4）采用真空引氣或設(shè)計排氣結(jié)構(gòu)，避免殘余氣體被排擠到熔合部位，產(chǎn)生夾層而阻礙料流融合，可能燒傷制品還會導(dǎo)致出現(xiàn)熔接痕，降低熔接痕處的強(qiáng)度。

3.2成品翹曲

塑件翹曲也是生產(chǎn)加工的又一難題。在驗證試驗或飛機(jī)使用中，面對復(fù)雜的載荷沖擊，很難說翹曲后的塑件不會因疲勞失效而斷裂，甚至導(dǎo)致成品報廢。造成了經(jīng)濟(jì)損失、時間損失，及質(zhì)量成本的攀升。究其原因，不外乎以下幾點。

（1）塑料的固化程度不足，應(yīng)采用預(yù)壓的錠料，進(jìn)行充分預(yù)熱，提高成型溫度，增加加壓時間，可以加快固化速度。對于注射成型，要求在塑化、充模階段化學(xué)反應(yīng)要慢，而在充滿型腔后，則應(yīng)加快固化速度。

（2）熔體流動性太大，流動距離過長，致使熔體內(nèi)應(yīng)力增大而產(chǎn)生翹曲。應(yīng)改變澆口位置，增加澆口數(shù)量，縮短流動時間，內(nèi)應(yīng)力降低，翹曲變形也會大為減少。

（3）應(yīng)控制凸凹模溫差不超過±3 ℃，避免因凸凹模溫差大，擴(kuò)大塑件上下表面溫差，引起各部位熱應(yīng)力和熱變形，收縮不均勻最終導(dǎo)致翹曲現(xiàn)象。

（4）壁厚與形狀過分地不規(guī)則時，壓力和流速過高或突變，引起分子的方向性差異。產(chǎn)生“凍結(jié)效應(yīng)”和凍結(jié)應(yīng)力，造成收縮的不一致產(chǎn)生了彎曲力矩，導(dǎo)致發(fā)生翹曲。盡量保證制件的壁厚均勻，結(jié)構(gòu)合理，不產(chǎn)生明顯的內(nèi)應(yīng)力和收縮差異。表3中列舉了常見的幾種塑料的壁厚和加工工藝條件。

（5）對于金屬嵌件，因塑料的收縮率要遠(yuǎn)大于金屬，收縮差異容易導(dǎo)致制品扭曲變形，甚至出現(xiàn)開裂。為了減少該現(xiàn)象的發(fā)生，一定要先將金屬件預(yù)熱。預(yù)熱溫度一般不宜超過100 ℃。再將預(yù)熱后的金屬嵌件裝入模具內(nèi)，投入塑件的生產(chǎn)。

表3　幾種常見塑料的壁厚和工藝條件

3.3制品強(qiáng)度下降

飛機(jī)在承受靜力條件下的應(yīng)力、扭矩和彎矩以外，還要承受較大的氣動載荷、振動載荷、沖擊載荷，有時需面臨高達(dá)6~7 G的過載。因此航空設(shè)備部件均要通過嚴(yán)苛的振動試驗、沖擊試驗和加速度試驗，才被允許裝配到飛機(jī)上。零部件的強(qiáng)度直接關(guān)系到設(shè)備的功能實現(xiàn)，也關(guān)系到飛機(jī)的飛行安全。

前面講到，模具溫度低、進(jìn)料溫度低、熔接不良、澆口位置不當(dāng)、有銳角缺口等工藝問題將導(dǎo)致制品存在強(qiáng)度缺陷。還需考慮如塑件有開孔，則孔與制件的邊緣距離不可過小，否則強(qiáng)度同樣會降低，需適當(dāng)增加開孔處厚度來補(bǔ)充強(qiáng)度。在材料選擇上，通過聚合兩種以上的組織，可綜合多種聚合物的性能。超高分子量的聚合物，可以吸收更大的沖擊能量，展現(xiàn)更大的韌性，顯著提高材料的沖擊強(qiáng)度。

在成型工序或機(jī)械加工后，還可及時地對內(nèi)應(yīng)力大的制件進(jìn)行后期處理，降低或消除內(nèi)應(yīng)力，減弱應(yīng)力集中，進(jìn)一步提高塑件的強(qiáng)度。后期處理的主要手段是對塑件進(jìn)行熱處理。即溫度升至略低于該塑料熱變形溫度約10~20 ℃的區(qū)間，將塑件在此溫度中保持一段時間，再緩慢冷卻至室溫。當(dāng)然溫度保持的時間應(yīng)與具體的塑料材料相適應(yīng)。

3.4設(shè)備標(biāo)識的工藝考慮

航空設(shè)備上存在許多提醒警示標(biāo)識。實踐發(fā)現(xiàn)，許多標(biāo)識是用油漆涂在材料表面，會隨時間逐漸脫落，標(biāo)識難以辨識，給操作人員帶來困擾，也增大了誤操作的風(fēng)險。塑件上面的標(biāo)識可設(shè)計成三種形式，各有其不同的優(yōu)缺點，建議考慮第三種形式。

第一種標(biāo)識為凸字。模具加工簡便，采用機(jī)械加工、電火花成型等方法來實現(xiàn)。這種標(biāo)識使用過程中會逐漸磨損，減弱了提示效果。第二種標(biāo)識為凹字，可在字符中填入油漆，字符更為顯眼，加強(qiáng)了提示效果。由于模具字符需要凸出，使模具的加工變得困難，經(jīng)濟(jì)成本也相應(yīng)增加。第三種標(biāo)識為凸字，在凸起字符周圍形成凹陷的裝飾框，形成凹坑凸字。先加工成單個字符的小凹模，利用鑲拼結(jié)構(gòu)裝配到大模具中。不僅模具加工難度降低，字符不凸出于塑件表面，標(biāo)識清晰又不易磨損。即使標(biāo)識需要更改，也只需更換鑲拼模塊即可，整體模具可繼續(xù)使用，節(jié)省了經(jīng)濟(jì)成本和時間成本。

4　總結(jié)

飛機(jī)的發(fā)展呈現(xiàn)出機(jī)動性更強(qiáng)、隱身性更高、壽命更長、可靠性提升等趨勢。這些離不開新材料、新工藝的創(chuàng)新和應(yīng)用。近年來，合成改性塑料的不斷開發(fā)，塑料成型工藝、成型設(shè)備、塑料模具技術(shù)發(fā)展迅猛。綜合性能優(yōu)異的新塑料材料，模具結(jié)構(gòu)合理優(yōu)化，先進(jìn)的成型工藝，一定能生產(chǎn)出符合航空裝備使用需求的合格制品，也一定能夠在航空工業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮更大的力量。

[1] 曹宏深，趙仲治. 塑料成型工藝與模具設(shè)計，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

[2] 唐志玉，徐佩弦. 塑料制品設(shè)計師指南，北京：國防工業(yè)出版社，1993.

[3] 馬金駿. 塑料模具設(shè)計，北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，1994.

Application of molding process in the manufacture of aviation equipment

TQ320.6

1009-797X(2015)12-0041-05

B DOI:10.13520/j.cnki.rpte.2015.12.007

王猛（1980-），男，工程師，主管檢驗師，研究方向：航空裝備的質(zhì)量控制，試驗驗證和檢驗技術(shù)研究。

2015-04-17