新型工程塑料在某機(jī)載雷達(dá)中的應(yīng)用研究

王亞鋒，李 磊，張 輝，李 直

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所，安徽 合肥 230088；2.國家工業(yè)設(shè)計(jì)中心，安徽 合肥 230088)

引言

機(jī)載雷達(dá)電子系統(tǒng)輕量化的要求越來越高，對輕質(zhì)材料的需求顯得尤為迫切[1]。纖維增強(qiáng)的工程塑料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)和易加工等特點(diǎn)，在雷達(dá)系統(tǒng)中使用塑料件代替過去的鋁合金制件，可解決機(jī)載雷達(dá)設(shè)計(jì)中有限重量、能量與高數(shù)據(jù)率、大作用距離之間的矛盾，降低對平臺的要求，提高系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)性。本文主要介紹基于特種工程塑料的機(jī)載雷達(dá)多接頭連接板的成型制造過程，涵蓋材料選擇、模具設(shè)計(jì)、注塑成型和機(jī)械加工等方面的工藝技術(shù)，為項(xiàng)目的實(shí)施提供了較為完整的工藝技術(shù)保證。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與要求

某多功能轉(zhuǎn)接板是一個(gè)多內(nèi)腔、高精度、細(xì)長薄壁的機(jī)載產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件，外形尺寸為726 mm×40 mm×30 mm，單件重量＜240 g。安裝面均布16個(gè)連接器安裝接口，中間分布與鋁合金框連接的3組6個(gè)貫穿孔。連接板的安裝口和框架連接面需要良好接觸和可靠密封，對平面度要求較高（＜0.1 mm），且須滿足機(jī)載環(huán)境要求。

圖1 連接板模型圖

2 材料選擇

“剛度好、質(zhì)量輕”是機(jī)載材料的基本要求，材料選用時(shí)需綜合考慮密度、強(qiáng)度和可制造性等指標(biāo)。同時(shí)，由于要與鋁合金框架配合安裝，要求材料的熱脹系數(shù)與鋁合金材料相匹配，否則在溫度變化可能會發(fā)生變形、開裂等現(xiàn)象，影響產(chǎn)品可靠性。常用材料的基本性能參數(shù)見表1。

表1 材料的基本性能對比[2-3]

鋁合金材料的缺點(diǎn)在于重量大、機(jī)械加工量大；碳纖維材料[4]的熱脹系數(shù)低，與鋁合金框匹配安裝時(shí)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，整體成型后需機(jī)械加工時(shí)易出現(xiàn)分層、撕裂、拉絲、崩塊等缺陷。考慮到連接板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)需求，經(jīng)調(diào)研論證，決定選用纖維增強(qiáng)型聚苯硫醚（PPS）和聚醚醚酮（PEEK）特種工程塑料。PPS和PEEK材料均是當(dāng)今應(yīng)用較廣泛的高性能特種工程塑料，具有密度小、強(qiáng)度高、可加工性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天等眾多領(lǐng)域可以替代傳統(tǒng)金屬、陶瓷等材料，具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 機(jī)載剛強(qiáng)度分析

3.1 機(jī)載振動載荷

1）頻率范圍：15～2 000 Hz；

2）功能試驗(yàn)量值見表2；

表2 功能試驗(yàn)量值

3）艙內(nèi)和罩內(nèi)設(shè)備功率譜密度圖見下頁圖2；

圖2 功率譜密度圖

3.2 剛強(qiáng)度分析

開展鋁合金、PPS、PEEK不同材料體系多功能轉(zhuǎn)接板抗力學(xué)仿真分析，分析結(jié)果如下：

圖3 不同材料體系抗振動分析

如圖3所示，鋁合金最大振動響應(yīng)應(yīng)力為80.3 MPa，但重量不滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，經(jīng)減重設(shè)計(jì)，最大應(yīng)力響應(yīng)達(dá)到140 MPa，安全裕度不滿足設(shè)計(jì)要求；而PPS和PEEK材料最大振動響應(yīng)應(yīng)力分別為41.5 MPa、50.8 MPa，滿足設(shè)計(jì)裕度要求，同時(shí)重量滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，因此選擇PPS和PEEK聚合物開展后續(xù)工藝方案。

4 制造工藝

4.1 工藝流程

為了實(shí)現(xiàn)大批量、輕量化、高強(qiáng)度以及高精度等技術(shù)要求，連接板采用精密注塑的成型方式，通過專用工裝和合理的模具設(shè)計(jì)，制造高精度、輕量化的毛胚件，并通過數(shù)控加工技術(shù)，滿足各安裝接口的位置和精度要求[5]。工藝過程如圖4所示。

4.2 成型工藝研究

PPS和PEEK尺寸穩(wěn)定性好，成型收縮率低，在熔融狀態(tài)下流動性好，正壓下易填充模具，具有高剛性、高抗蠕變性。這些特性決定了可使用精密注塑工藝成型。下面分別從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、模具設(shè)計(jì)以及注塑工藝優(yōu)化等方面進(jìn)行說明。

圖4 連接板成型工藝過程圖

4.2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

連接板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

一是采用過渡圓角設(shè)計(jì)，盡量避免出現(xiàn)尖角、直角結(jié)構(gòu)。由于PPS、PEEK樹脂的脆性結(jié)晶或半晶結(jié)構(gòu)，成型后在尖角處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，影響制件質(zhì)量；二是產(chǎn)品的壁厚應(yīng)保持一致。厚度不均會導(dǎo)致注塑成型過程中收縮不一致，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力；三是對于薄壁結(jié)構(gòu)，在不影響結(jié)構(gòu)功能的情況下，可增加加強(qiáng)筋提高剛性，避免應(yīng)力集中導(dǎo)致制品的變形。

圖5 注塑模具圖

4.2.2 模具設(shè)計(jì)

與其它工程塑料類似，注塑模具的設(shè)計(jì)要考慮以下幾點(diǎn)：

一是成型收縮率。PPS和PEEK的成型收縮率均小于1%，模具尺寸應(yīng)在多次試模后進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整；二是模具溫度。模具溫度對產(chǎn)品性能影響非常大，PEEK的熔點(diǎn)高于PPS，注塑時(shí)兩種材料的模具溫度分別為：PPS 125～150 ℃，PEEK 170～200 ℃。采用油循環(huán)加熱方式，自帶精確控溫裝置，以保持溫度的穩(wěn)定性。三是注塑模具的優(yōu)化。先加工基礎(chǔ)模，根據(jù)試模結(jié)果多次修模，以保證制品的尺寸精度滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2.3 注塑工藝及過程控制

精密注塑是毛坯件成型的關(guān)鍵工藝，注塑過程的料筒溫度、注射壓力和速度等因素直接決定制品的質(zhì)量。結(jié)合物料的性質(zhì)和制件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采取先試模打樣，再根據(jù)初品的外觀及材料性能優(yōu)化參數(shù)的方法。經(jīng)過大量的注塑工藝試驗(yàn)，優(yōu)化后的注塑工藝參數(shù)如表3所示。

表3 注塑工藝參數(shù)

料筒溫度：過低或過高的料筒溫度都會影響制件的質(zhì)量。溫度過低，不利于塑料融化，易導(dǎo)致分層和連接縫的產(chǎn)生；溫度過高，可能會導(dǎo)致物料的分解、黏結(jié)，導(dǎo)致物料變色，影響順利進(jìn)料。料筒溫度由前到后應(yīng)有一個(gè)逐漸升高的過程，以實(shí)現(xiàn)塑料的逐漸升溫，達(dá)到良好的熔融狀態(tài)。

PPS和PEEK的熔融溫度分別為 285℃和343℃，在保證流動性的前提下，防止物料分解、變色，經(jīng)試驗(yàn)得出的最佳溫度為：PPS 270～320℃，PEEK 340～390℃。

注射壓力：精密注塑成型過程中，注射壓力是影響零件質(zhì)量的關(guān)鍵工藝參數(shù)之一。注塑過程中，合適的壓力有助于熔融物料的壓實(shí)，提高制品的表面品質(zhì)、塑化均勻度和尺寸穩(wěn)定性；過高的壓力會導(dǎo)致物料漏流，出現(xiàn)飛邊、翹曲等現(xiàn)象。PPS和PEEK最優(yōu)的注射壓力分別為100 MPa和140 MPa。

注射速度：注射速度直接影響毛坯件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。注射速度太慢，熔體填充模具的時(shí)間過長，導(dǎo)致制件密度不均勻和冷接縫的形成，內(nèi)應(yīng)力也會增大；注射速度太快，易形成熔體不規(guī)則的流動，影響產(chǎn)品表面質(zhì)量，且造成溢邊和排氣不良等現(xiàn)象。因此，要得到密度均勻、表面質(zhì)量良好應(yīng)力小的毛坯件，須嚴(yán)格控制注射速度。PPS和PEEK最優(yōu)的注射速度為95～97 mm/s。

制品的后處理：退火處理可消除產(chǎn)品的內(nèi)應(yīng)力，提高結(jié)晶度，保持尺寸穩(wěn)定。毛坯件的后處理工藝為：溫度 160～180 ℃，時(shí)間 24 h。

4.3 機(jī)加工藝研究

制件上精度部分特征要求較高，需要在毛坯件基礎(chǔ)上對孔和臺階面進(jìn)行加工。特種工程塑料可進(jìn)行各種形式的切削加工，加工性能較好。與金屬材料相比，塑料制件機(jī)械加工的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在：第一，導(dǎo)熱性能差，應(yīng)避免局部過熱導(dǎo)致的加工件變形；第二，彈性模量較小，夾具或刀具施加過大的壓力，會導(dǎo)致工件變形從而影響加工精度；第三，加工過程中，塑料屑遇冷即硬化，粘附在刀具上，加快刀具的磨損。

綜上所述，在對毛坯件的孔和臺階面加工時(shí)，應(yīng)注意以下三個(gè)方面：

第一，為避免出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象，在鉆削時(shí)應(yīng)使用水溶性的冷卻液，并及時(shí)去除切削碎屑；第二，為延長刀具壽命和達(dá)到最佳的表面光潔度，須使用抗磨損能力較強(qiáng)且切削力小的硬質(zhì)合金刀具，采用較低切削速度和較小進(jìn)給量；第三，由于毛坯件的薄壁細(xì)長結(jié)構(gòu)導(dǎo)致剛度較差，為避免裝夾和加工過程中發(fā)生應(yīng)力破裂，須制作專用模具，以內(nèi)腔為基準(zhǔn)墊實(shí)并裝夾牢固后進(jìn)行加工。

圖6 多功能連接器振動試驗(yàn)安裝圖

采取以上措施后，制品質(zhì)量狀態(tài)穩(wěn)定，加工后所得尺寸一致性好，制品外形尺寸公差小，符合設(shè)計(jì)要求。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)大綱，對產(chǎn)品進(jìn)行水平方向（X、Y）和垂直方向（Z）的功能振動和沖擊試驗(yàn)。結(jié)果顯示：連接板未發(fā)生開裂等破壞現(xiàn)象。試驗(yàn)前后試驗(yàn)件固有頻率無變化，可判斷試驗(yàn)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)無損傷，可以承受試驗(yàn)載荷。

6 結(jié)語

本文從新型輕質(zhì)材料應(yīng)用的角度，開展PPS和PEEK兩種材料連接板的成型和加工等方面的探索和試驗(yàn)驗(yàn)證工作，以實(shí)現(xiàn)在機(jī)載雷達(dá)產(chǎn)品中的應(yīng)用。根據(jù)工藝試驗(yàn)和驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果，兩種材料的性能對比和實(shí)施效果如下：

1）同為特種工程塑料，兩種材料的加工性能非常接近，制造過程中注塑成型、機(jī)加等工藝過程基本一致；

2）兩種材料物理性能略有差異，注塑模具設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)材料不同的成型收縮性能調(diào)整尺寸。PEEK材料流動性較差、熔點(diǎn)更高，毛胚件的注射壓力由100 MPa提高至140 MPa，注塑溫度由320℃提高至410℃；

3）PEEK與鋁合金的熱膨脹系數(shù)更為接近，裝配過程中的匹配性更好；

4）PEEK更輕，PPS和PEEK單件重量分別為220 g和 200 g，單件減重20 g，一套（300件）可為系統(tǒng)減重約6.0 kg，減重效果非?？捎^；

5）PEEK材料強(qiáng)度更高。根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)，PEEK材料具有更優(yōu)越的拉伸性能，成型的結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度更高，可有效降低在裝配、使用過程中因應(yīng)力變化產(chǎn)生變形、開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

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