飛機有機玻璃新型加工工藝方法研究

楊國武 連超 楊亞鵬 王安寧 劉軍峰

摘 要：通過進(jìn)行有機玻璃成形工藝流程分析，引入無余量成形技術(shù)，調(diào)整工藝流程，改進(jìn)機械加工方法，提高有機玻璃下陷銑切及外輪廓表面銑切質(zhì)量。探索了飛機駕駛艙有機玻璃機械加工尺寸超差解決的新思路。

關(guān)鍵詞：飛機;有機玻璃;機械加工;無余量成形

1引言

飛機駕駛艙有機玻璃是飛機重要的結(jié)構(gòu)功能部件，作為機身的一部分，駕駛艙玻璃要保持流線形外形，能承受各種飛行狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)載荷和沖擊。同時，駕駛艙玻璃要為駕駛員提供清晰的視界和良好的光學(xué)性能。光學(xué)性能指標(biāo)包括：透光度、霧度、光學(xué)角偏差、雙目視差、副像偏離、眩光性能，對于大尺寸、曲面外形結(jié)構(gòu)的駕駛艙玻璃來說，制造難度很大。

國內(nèi)成形工藝流程一般為，有機玻璃加熱并保溫，出爐后在室溫下用模具壓制成形。缺點是模具沒有預(yù)熱，板材貼膜后溫度下降較快，成形過程易產(chǎn)生殘余應(yīng)力。

國外較先進(jìn)的方法是，模具與玻璃同時加熱，實現(xiàn)方法有兩種，一種是模具在加熱爐中預(yù)熱，另一種是模具內(nèi)置電阻絲加熱。成形過程對溫度、壓力等控制比較嚴(yán)格，可減少成形引起的應(yīng)力集中。

2 駕駛艙有機玻璃機械加工問題現(xiàn)狀

飛機駕駛艙側(cè)窗有機玻璃成形后機械加工過程中存在下陷厚度不均勻，局部超差;外輪廓邊緣不光滑加工質(zhì)量不符合驗收標(biāo)準(zhǔn)等問題。其中，玻璃下陷厚度尺寸為4mm公差參照HB 5800為±0.26mm。外輪廓公差為±1mm。針對上述問題，經(jīng)分析、論證認(rèn)為駕駛艙側(cè)窗有機玻璃機械加工尺寸超差的主要原因為：

駕駛艙側(cè)窗玻璃機械加工設(shè)備為銑床，銑削工序是加工有機玻璃的重要工序。要求銑削精度高，加工表面光滑平整，不分層不崩邊，銑削表面粗糙度不大于6.3um。同時在銑削過程中銑削應(yīng)平穩(wěn)勻速，緩慢進(jìn)刀，工作臺一般不能中途停止進(jìn)給，以免使銑刀空轉(zhuǎn)造成加工表面形成凹坑。但生產(chǎn)現(xiàn)場主要機械加工設(shè)備為小形自制銑床、帶銑刀風(fēng)鉆。在銑切下陷過程中，因自制銑床不能確定的銑切基準(zhǔn)平面，進(jìn)而不能調(diào)節(jié)銑削深度。故操作人員只能通過手動調(diào)節(jié)固定于工作臺面上銑輪的凸出量（存在誤差），依靠手工轉(zhuǎn)動成形后的玻璃進(jìn)行機械加工，導(dǎo)致下陷厚度局部超差±1mm。同時因進(jìn)給量、切削速度等相關(guān)重要參數(shù)不能準(zhǔn)確的控制與調(diào)節(jié)，造成下陷表面加工不均勻、外輪廓邊緣不光滑加工質(zhì)量不符合驗收標(biāo)準(zhǔn)等問題;帶銑刀風(fēng)鉆屬于基礎(chǔ)性機械加工設(shè)備，操作過程中需介入大量人力因素，并且只能根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)銑輪轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、切削量進(jìn)行玻璃表面機械加工。這種粗放的機械加工方法會導(dǎo)致在生產(chǎn)過程中存在一些不穩(wěn)定因素。綜上分析，傳統(tǒng)的機械加工工藝是造成玻璃下陷厚度尺寸超差、外輪廓表面不均勻的主要原因。

3、有機玻璃工藝方法分析

3.1、成形方法

飛機駕駛艙側(cè)窗有機玻璃采用聚甲基丙烯酸甲酯（YB-2航空增塑有機玻璃）材料，該有機玻璃在Tg（玻璃化溫度）以下為剛性固體，具有結(jié)構(gòu)強度、呈彈性變形特征，是有機玻璃的可使用狀態(tài)。Tg（玻璃化溫度）以上，稍加外力，材料則產(chǎn)生大的可逆變形，呈高彈性變形特征，有機玻璃可在高彈狀態(tài)下，施加一個具有一定形式的持續(xù)外力，使玻璃內(nèi)部分子鏈沿我們所希望的形面進(jìn)行屈服，從而完成成形過程。

航空澆注有機玻璃零件的成形方法主要有下面幾種：

1、陽膜接觸成形法

2、陰模真空接觸成形法

3、?？蛘婵兆杂沙尚?/p>

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5、對模成形法

3.2、機械加工

航空有機玻璃的機械加工主要包括鋸切、鉆孔、銑削和精加工。有機玻璃與金屬相比，熱敏感性和熱膨脹系數(shù)大，導(dǎo)熱性差，加工中必須進(jìn)行充分冷卻。不恰當(dāng)?shù)臋C械加工方法會對玻璃產(chǎn)生額外的內(nèi)應(yīng)力，影響有機玻璃的光學(xué)性能和物理機械性能。例如：銑削過程中進(jìn)刀不平穩(wěn)、不均勻就會使銑刀空轉(zhuǎn)造成加工表面形成凹坑、銀紋、分層崩邊等問題出現(xiàn)。由于澆注有機玻璃的表面抗裂紋性較低，在拉伸應(yīng)力的作用下，表面容易開裂而產(chǎn)生銀紋，使材料強度產(chǎn)生不同程度下降。有機玻璃制件對缺口敏感，抗沖擊和抗裂紋擴展的能力也較差。因此，機械加工工藝的選取對航空玻璃制品的光學(xué)性能、物理機械性能及其使用壽命有著至關(guān)重要的影響。

4、生產(chǎn)制造工藝分析

4.1先對模壓制成形后機械加工

飛機駕駛艙側(cè)窗玻璃采取先對模壓制成形后機械加工工藝。該工藝成形方法操作簡單、易于控制。但因成形后零件具有雙曲弧度特征，后續(xù)機械加工銑切過程中需介入大量手工操作，降低了加工精度，造成玻璃制造加工后存在下陷銑切狀態(tài)不穩(wěn)定及外輪廓表面質(zhì)量不達(dá)標(biāo)等問題。

下陷位置實測數(shù)據(jù)如圖1所示：

4.2先機械加工后應(yīng)力松弛成形

該成形工藝方法采取將預(yù)熱的經(jīng)機械加工后的玻璃板材置于真空薄膜與陰膜形成的真空袋之間，在一定溫度下通過抽真空使玻璃板材緊貼磨具，經(jīng)過長時間保溫，應(yīng)力釋放，材料出現(xiàn)松弛，達(dá)到成形目的。該方法基本消除了玻璃成形過程中的應(yīng)力。從而保證有機玻璃零件的貼胎度與外形輪廓。但該工藝方法的缺點在于工藝設(shè)計相對復(fù)雜、成本較高。同時模體材料的選擇、模胎形式、模胎結(jié)構(gòu)都要特殊要求，增加了制造成本。

4.3先機械加工后陽膜接觸成形方案研究

該方案融入“無余量成形”的理念。無余量成形的特點是成形前的毛料尺寸已經(jīng)過精確的計算，其重點在于對制件展開料尺寸的測算與修正。該工藝方法相較于傳統(tǒng)工藝方法的優(yōu)勢在于無需在成形之后在對制件進(jìn)行銑削、修邊、精加工等操作。這樣可以有效地消除對玻璃進(jìn)行機械加工而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，保證有機玻璃零件的光學(xué)性能、強度及使用壽命。

4.3.1有機玻璃零件的機械加工

首先根據(jù)零件特征尺寸逆向建模，計算出零件在展開狀態(tài)下的外輪廓尺寸，即玻璃毛料尺寸。然后通過數(shù)控銑床對玻璃進(jìn)行精確的機械加工，完成成形前對玻璃的機械加工工序。其中銑削工序是有機玻璃機械加工的重要工序。要求銑削精度高，加工面光滑平整，不分層、不崩邊，銑削表面粗糙度Ra不大于6.3um。因此對于銑刀切削部分的幾何參數(shù)要求非常精確，以避免產(chǎn)生裂紋、崩邊、銀紋等缺陷。我們通過實驗探究，針對有機玻璃這種特殊材料選取了專用刀具及加工冷卻方式，確定了切削速度、進(jìn)給量、銑削深度等相關(guān)參數(shù)。經(jīng)樣板試驗，能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。銑削狀態(tài)對比如表1所示銑削參數(shù)如表2所示

4.3.2玻璃零件的成形

有機玻璃成形最重要的參數(shù)是加溫溫度及保溫時間。對玻璃成形的研究也就主要集中在對這兩個參數(shù)的探索上。經(jīng)多次試驗論證，我們確定加溫速度為5℃/min，成型溫度135±2℃保溫時間90min。接觸成形時時，為防止零件產(chǎn)生印痕，加熱后的毛坯在放置于模胎之前，可在室溫下保持片刻，使材料表面稍稍變硬。成形必須在毛坯冷卻到最低成形溫度之前完成，避免由于材料溫度過低時零件產(chǎn)生大的內(nèi)應(yīng)力，造成外形不穩(wěn)定或產(chǎn)生銀紋。

4.3.3玻璃零件成形實驗方案

駕駛艙側(cè)窗有機玻璃工藝流程如下：

在工藝方法可行性驗證的基礎(chǔ)上，用有機玻璃板材成形駕駛艙玻璃再次進(jìn)行研究與實驗。通過多次試驗，積累加溫溫度、加溫時間等成形參數(shù)，以及對展開料尺寸的反復(fù)修正與調(diào)整，最終形成如下成形工藝：

1、揭掉保護(hù)層，用清潔的溫水（40-50℃）沖洗有機玻璃表面，以除去灰塵。用中性肥皂水（3-5%）或中性清洗劑（5-20%）水溶液清洗整個表面，然后用清潔溫水清洗。最后用用脫脂棉輕輕擦凈。

2、清洗干凈的毛胚用金屬夾子夾持，垂直懸掛在加熱至成形溫度的加熱箱內(nèi)，如不能垂直懸掛時，可以水平放置加熱，但必須放置在鋪有數(shù)層潔凈的軟絨布上，防止有機玻璃產(chǎn)生印痕。按規(guī)定的成形溫度規(guī)范加熱后，目視法檢查其耐加熱性，如板材表面的耐熱點和光學(xué)質(zhì)量。

3、按圖紙尺寸下料（避開缺陷部位），并測量玻璃厚度、平整度。取12組測量點位，記錄測量數(shù)據(jù)。

4、銑切下陷及外輪廓，確定銑切基準(zhǔn)平面，取12組測量點位分別測量下陷厚度、外輪廓厚度。測量并記錄有效光學(xué)區(qū)域2組對角線尺寸， 2組對角線尺寸。

5、恒溫135±2℃加熱90min，分兩組對照試驗。一組為平鋪至于爐內(nèi)加熱，一組用夾具加緊吊于爐內(nèi)加熱。加熱完成后取出玻璃板材室溫情況下靜置45s-240s。

6、將加熱軟化的無余量玻璃板材至于陽模上，彎曲至與模胎形面貼合，用夾陽模將玻璃板材工藝余量部分壓緊。

7、成形零件緩慢地、均勻地在模具中冷卻，直至其表面溫度降至40℃以下。必要時可在成形件表面覆蓋數(shù)層干凈的軟絨布，防止冷卻過快或不均引起玻璃制件撓曲變形。

8、將回火爐升溫至70±3℃，將回火模放入爐內(nèi)預(yù)熱30-40min后，把玻璃放在回火模上夾緊，然后將夾持好的玻璃零件放回爐內(nèi)加溫。保溫時間為6h，回火完畢，帶玻璃制件隨爐冷卻至室溫后啟模，做好溫度、時間的記錄。

下陷位置實測數(shù)據(jù)如圖2所示：

結(jié)論

對有機玻璃機械加工尺寸超差的分析表明，解決有機玻璃尺寸超差的途徑在于加工工藝思路的調(diào)整以及機械加工過程的控制。采用先對模壓制成形后機械加工的傳統(tǒng)工藝方法相對操作過程簡單、設(shè)備維護(hù)成本較低。但不可避免的影響到玻璃制件的強度、使用壽命，同時機械加工尺寸不能滿足設(shè)計要求;先機械加工后應(yīng)力松弛成形方法制造的玻璃樣件雖能在表面質(zhì)量與光學(xué)性能兩個方面能夠滿足設(shè)計部門的要求，但該工藝方法需改造現(xiàn)有工藝設(shè)備、購置新設(shè)備，因此產(chǎn)生設(shè)備維護(hù)成本相對較高、操作難度大、工裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜等新的問題;通過對先機械加工后陽膜接觸成形方案研究及進(jìn)展情況的了解，我們發(fā)現(xiàn)該工藝方法兼具上述兩種工藝方法的優(yōu)點。在我公司現(xiàn)有加工條件下汲取新的加工技術(shù)打破傳統(tǒng)加工工藝方法。提高了生產(chǎn)效率，降低制造成本，克服了成形后對玻璃制件進(jìn)行機械加工所產(chǎn)生額外內(nèi)應(yīng)力的問題。確保了玻璃制件良好的光學(xué)性能 ，提升了玻璃制件的物理機械性能、延長了玻璃制件的使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓煒.新式成型法在有機玻璃零件制造中的應(yīng)用. 中國航空學(xué)會2007 年學(xué)術(shù)年會 制造專題13