王猛，陳超，楊威

（中航工業(yè)沈陽飛機設計研究所，遼寧　沈陽　110035）

淺談模塑工藝在航空裝備制造中的應用

王猛，陳超，楊威

（中航工業(yè)沈陽飛機設計研究所，遼寧沈陽110035）

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

航空裝備；模塑工藝；比強度；比剛度；熔接痕；翹曲；強度下降

當前各國對航空裝備制造新技術、新工藝的需求十分迫切。航空設備零部件所選用的材料要求強度更高、重量更輕、更耐用、多功能和復合化。機體結構和航空裝備上，雖仍以鋁合金為主，但非金屬復材的大量應用將是時代發(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被投入使用，以玻纖增強塑料、碳纖維、合成樹脂、改性橡膠為代表的復材在零部件制造上均得到了廣泛應用。高比強度、比剛度、高韌性、高損傷容限、抗腐蝕、耐環(huán)境應力等綜合性能優(yōu)異的新型材料已是航空產業(yè)的時代新寵。新材料的不斷涌現(xiàn)，也為飛機設計提供了更廣闊的選材空間和設計基礎，促進了新一代飛機的問世。

1　模塑工藝的發(fā)展現(xiàn)狀

模具加工憑借效率高、質量穩(wěn)定、互換性好、勞動強度低、易于實現(xiàn)機械化和自動化等優(yōu)點，已經(jīng)占據(jù)一個國家現(xiàn)代工業(yè)的中堅地位?？梢哉f“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業(yè)。塑件的加工過程包括：塑料成型，機械再加工，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。

隨著產量的增加，合成改性品種的增多，工藝技術的提升，及模具設備的發(fā)展，促使塑料工業(yè)在國民經(jīng)濟中發(fā)揮出更大的作用。當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，完善加工技術原理，優(yōu)化模具結構，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)化設計，加工設備自動控制，配套設施完善等眾多舉措，成型過程呈現(xiàn)高效率、自動化趨勢。

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

（5）計算機輔助設計/制造。UG、MicroStation、Pro/E、AutoCAD等軟件的應用，將三維圖模擬裝配，再輸出到加工設備完成制造，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出色的力學性能

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

即便塑料的強度不如鋼、鋁等，但比強度（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，增強改良后，其力學性能優(yōu)異。有的比強度甚至超過了鋼的水平。擁有高比強度和比剛度，又重量輕，可以說塑料著實適合航空工業(yè)領域的推廣使用。常用塑料的性能指標見表1。

表1　常用塑料的性能指標

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

2.2良好的化學性能

表2　增強塑料與某些金屬的性能比較

通常戰(zhàn)斗機工作在上萬米高空，從赤道至兩極地區(qū)。既有海洋環(huán)境又有酷熱的沙漠，面臨暴風雨雪又要忍受紫外線輻射。這些無疑對戰(zhàn)斗機及航空設備的環(huán)境適應能力提出了近乎苛刻的要求。需要戰(zhàn)斗機適應環(huán)境應力的能力主要包括：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)境而不產生明顯的銹蝕；承受在數(shù)分鐘內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；處于細菌環(huán)境下卻可以抑制各種霉菌的滋生和破壞。

增強改性后的復合塑料，在上述各方面均表現(xiàn)優(yōu)異。首先，塑料化學性能穩(wěn)定，具備耐受酸堿性、鹽類，各類溶劑等物質的能力。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，對霉菌滋生有較強的抵抗能力。因此，它是符合航空設備的性能需求的，作為航空設備的選材也是十分適合的。

2.3電學性能

戰(zhàn)斗機的供電系統(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、機電各系統(tǒng)設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值可達到 VE值的數(shù)十倍，對設備構成了不小的考驗。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)足夠的絕緣介電強度。有較好的耐電弧性，抗擊穿燒結。通過各項驗證試驗發(fā)現(xiàn)，科學合理地應用塑料制成的零部件，可提高設備防電弧、抗擊穿、防靜電的能力。

2.4使用局限

當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)動機艙的各設備應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，導致了微觀上的結構不同。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部結構和力學性能上是不同于其它部位的，構成了產品的質量缺陷，這是我們不希望看到的。

飛機在空中飛行，機體面臨大頻率范圍的隨機振動載荷，很強的沖擊載荷。這對零部件的結構強度和疲勞強度會是比較大的考驗。如果存在熔接痕，強度必然會降低。在交變應力作用下，塑件會產生結構失效，造成航空設備的功能失效或質量故障。因此應針對熔接痕的產生機理，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，減少分子鏈纏結時間，加強流料前端分子的充分熔合、纏結，提高熔接痕區(qū)域的強度。

（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度。

（4）采用真空引氣或設計排氣結構，避免殘余氣體被排擠到熔合部位，產生夾層而阻礙料流融合，可能燒傷制品還會導致出現(xiàn)熔接痕，降低熔接痕處的強度。

3.2成品翹曲

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

（1）塑料的固化程度不足，應采用預壓的錠料，進行充分預熱，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、充模階段化學反應要慢，而在充滿型腔后，則應加快固化速度。

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

（3）應控制凸凹模溫差不超過±3 ℃，避免因凸凹模溫差大，擴大塑件上下表面溫差，引起各部位熱應力和熱變形，收縮不均勻最終導致翹曲現(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。產生“凍結效應”和凍結應力，造成收縮的不一致產生了彎曲力矩，導致發(fā)生翹曲。盡量保證制件的壁厚均勻，結構合理，不產生明顯的內應力和收縮差異。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大于金屬，收縮差異容易導致制品扭曲變形，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熱。預熱溫度一般不宜超過100 ℃。再將預熱后的金屬嵌件裝入模具內，投入塑件的生產。

表3　幾種常見塑料的壁厚和工藝條件

3.3制品強度下降

飛機在承受靜力條件下的應力、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6~7 G的過載。因此航空設備部件均要通過嚴苛的振動試驗、沖擊試驗和加速度試驗，才被允許裝配到飛機上。零部件的強度直接關系到設備的功能實現(xiàn)，也關系到飛機的飛行安全。

前面講到，模具溫度低、進料溫度低、熔接不良、澆口位置不當、有銳角缺口等工藝問題將導致制品存在強度缺陷。還需考慮如塑件有開孔，則孔與制件的邊緣距離不可過小，否則強度同樣會降低，需適當增加開孔處厚度來補充強度。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度。

在成型工序或機械加工后，還可及時地對內應力大的制件進行后期處理，降低或消除內應力，減弱應力集中，進一步提高塑件的強度。后期處理的主要手段是對塑件進行熱處理。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。當然溫度保持的時間應與具體的塑料材料相適應。

3.4設備標識的工藝考慮

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

第一種標識為凸字。模具加工簡便，采用機械加工、電火花成型等方法來實現(xiàn)。這種標識使用過程中會逐漸磨損，減弱了提示效果。第二種標識為凹字，可在字符中填入油漆，字符更為顯眼，加強了提示效果。由于模具字符需要凸出，使模具的加工變得困難，經(jīng)濟成本也相應增加。第三種標識為凸字，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，利用鑲拼結構裝配到大模具中。不僅模具加工難度降低，字符不凸出于塑件表面，標識清晰又不易磨損。即使標識需要更改，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)濟成本和時間成本。

4　總結

飛機的發(fā)展呈現(xiàn)出機動性更強、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、成型設備、塑料模具技術發(fā)展迅猛。綜合性能優(yōu)異的新塑料材料，模具結構合理優(yōu)化，先進的成型工藝，一定能生產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計，北京：機械工業(yè)出版社，1993.

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

[3] 馬金駿. 塑料模具設計，北京：中國科學技術出版社，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：航空裝備的質量控制，試驗驗證和檢驗技術研究。

2015-04-17