透明件注射成型技術(shù)的淺析

鄭吉煥

摘 要：傳統(tǒng)的飛機(jī)透明件因維修技術(shù)難度大、服役壽命低、投入成本高等缺點(diǎn)，已無(wú)法滿足現(xiàn)代化戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)展需求，新的注射成型技術(shù)已成為目前研究熱點(diǎn)問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)比分析傳統(tǒng)熱彎成型技術(shù)與飛機(jī)透明件注射成型技術(shù)，探討了國(guó)內(nèi)外大尺寸透明注射成型技術(shù)的發(fā)展歷程和研究進(jìn)展，并概述了我國(guó)飛機(jī)透明件的研究成果。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)透明件；注射成型技術(shù)；大尺寸；無(wú)骨架設(shè)計(jì)

1 引言

飛機(jī)透明件屬于大尺寸構(gòu)件類型，板材熱彎成型技術(shù)為制作傳統(tǒng)飛機(jī)透明件的常用方法。在成型過(guò)程中存在30多項(xiàng)關(guān)鍵工序，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程比較復(fù)雜且各個(gè)工序具有生產(chǎn)周期長(zhǎng)、勞動(dòng)密集等特征，從而使得制作成型投入成本較大；另外，透明件的力學(xué)性能和光學(xué)性能在多個(gè)復(fù)雜工序生產(chǎn)過(guò)程中容易受到不利影響，如骨架連接時(shí)的鉆孔引進(jìn)集中力和熱彎成型過(guò)程中壓、拉應(yīng)力，均可造成透明件失效，并對(duì)降低其使用壽命[1]。傳統(tǒng)的飛機(jī)透明件因維修技術(shù)難度大、成型工藝復(fù)雜、服役壽命低、投入成本高等缺點(diǎn)，已無(wú)法滿足現(xiàn)代化戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)展需求，新的成型技術(shù)已成為目前研究熱點(diǎn)。在此時(shí)代背景下，新的透明件注射成型技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到一定的發(fā)展。該技術(shù)是通過(guò)成型模具和注塑機(jī)將樹(shù)脂粒料直接制作成型，具有設(shè)計(jì)自由度大、生產(chǎn)速度快、自動(dòng)化程度高、投入成本低以及制作周期短等特點(diǎn)，可以滿足尺寸精度要求高、成型結(jié)構(gòu)復(fù)雜的帶鑲嵌件的構(gòu)件。本文結(jié)合已有研究資料和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，探討了基礎(chǔ)性注射成型的技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，并認(rèn)為在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)條件下，可利用注射成型技術(shù)可制作完成全尺寸聚碳酸酯透明件，在飛機(jī)透明件成型方面縮短了與國(guó)外技術(shù)的差距。

2 注射成型技術(shù)理論簡(jiǎn)介

2.1 注射成型

平板制造、層合、熱彎成型、成型件、鉆孔、骨架安裝與密封、邊緣修正等流程為傳統(tǒng)飛機(jī)透明件生產(chǎn)的主要工藝，在制作平板過(guò)程中應(yīng)首先澆鑄或擠出板材配件，然后對(duì)航空級(jí)板材進(jìn)行拋光植被，整個(gè)過(guò)程投入成本高、勞動(dòng)密集大并且工藝技術(shù)復(fù)雜[3]。在生產(chǎn)過(guò)程中，還存在很多能夠影響透明件服役壽命與工作性能的因素，如構(gòu)件制作過(guò)程中，會(huì)因彎曲作用產(chǎn)生壓縮和拉伸變形；裂紋源缺陷極易在邊緣制件鉆孔時(shí)形成。并且，在工藝技術(shù)上無(wú)法制成能夠改變厚度的透明件，平板熱彎成型工藝不易實(shí)現(xiàn)邊緣厚、中間薄的理想構(gòu)建，對(duì)于尺寸精度要求高、外形結(jié)構(gòu)要求復(fù)雜的構(gòu)件也不易成型。

注射成型可通過(guò)成型模具和注塑機(jī)有效解決傳統(tǒng)方法中存在的影響因素多、工藝復(fù)雜的難題，不僅可提高飛機(jī)透明件的使用壽命和工作性能，而且具有較快的生產(chǎn)效率，降低投入成本。在成型過(guò)程中利用注射成型技術(shù)可顯著降低參與應(yīng)力，有利于實(shí)現(xiàn)輕量化生產(chǎn)，能夠制造出厚度變化、重復(fù)性良好且外形復(fù)雜的高質(zhì)量邊緣鎖緊的透明件，從而滿足現(xiàn)代化戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)展需求。傳統(tǒng)的熱彎成型與透明件的注射成型制作特點(diǎn)、工藝流程對(duì)比分析，如表1所示。

雖然在透明件制作過(guò)程中注射成型具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但是注塑壓力在成型時(shí)通常較大，并容易使得凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)的不均勻和分子取向的形成，從而對(duì)質(zhì)量均勻的光學(xué)透明件的生產(chǎn)存在較大困難。通常情況下，傳統(tǒng)的注射成型方法僅僅適用于對(duì)光學(xué)性能要求低、成型尺寸小、壁薄的制件，而具有光學(xué)級(jí)制件的大尺寸、壁厚、殘余應(yīng)力小的飛機(jī)透明件，通常需要的注射周期較長(zhǎng)，所以飛機(jī)透明件的注射成型是一種具有獨(dú)特的模溫控制系統(tǒng)、注射周期長(zhǎng)、注塑壓力低且殘余應(yīng)力小的厚壁制件。相對(duì)于傳統(tǒng)的熱彎透明件的成型，制作飛機(jī)透明件具有較短的注射周期，并可顯著降低生產(chǎn)成本縮短生產(chǎn)時(shí)間。

2.2 無(wú)骨架設(shè)計(jì)

無(wú)骨架技術(shù)的應(yīng)用可制造出帶有鑲嵌件的制件并已成為注射成型技術(shù)的核心，該項(xiàng)技術(shù)可內(nèi)置鑲嵌件并設(shè)計(jì)成邊緣加厚的結(jié)構(gòu)，并且不需要增設(shè)骨架體系，相對(duì)于傳統(tǒng)的熱彎透明件需要將其他不同材料與透明板結(jié)合起來(lái)組成骨架的方法，具有明顯的優(yōu)勢(shì)，并且設(shè)計(jì)的鑲嵌件具有“插銷”的功能并可提高機(jī)身與透明件的連接強(qiáng)度。

無(wú)骨架設(shè)計(jì)無(wú)需使用機(jī)身與骨架、骨架與透明件之間連接所需要的墊片、螺母、螺栓緊固元件以及密封性材料，從而降低了透明件的生產(chǎn)成本和構(gòu)件重量；另外，對(duì)于傳統(tǒng)透明件的整修、檢查、安裝等過(guò)程，需要花費(fèi)數(shù)天時(shí)間方可完成透明件的更換，而無(wú)骨架設(shè)計(jì)僅需要幾個(gè)小時(shí)即可，通過(guò)將機(jī)身與注射鑲嵌件的直接連接可大大降低維修時(shí)間和成本。另外，在邊緣附近傳統(tǒng)透明件存在鉆孔，并對(duì)材料的整體性與連續(xù)性造成一定的破壞，從而減弱了機(jī)身的沖擊性能并容易造成材料出現(xiàn)裂紋；無(wú)骨架設(shè)計(jì)可不考慮骨架與鉆孔的作用，有效避免了應(yīng)力集中的出現(xiàn)，在提高制件服役壽命和工作性能方面具有重要作用。

總而言之，透明件注射成型技術(shù)有效降低了制件質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)概率并且操作簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低，可顯著提高透明件的服役壽命和工作性能。采用無(wú)骨架設(shè)計(jì)還可降低殘余應(yīng)力，還可制造出高質(zhì)量、厚度變化和外形復(fù)雜的透明件，從而滿足現(xiàn)代化戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)展需求。

3 注射成型技術(shù)研究進(jìn)展

3.1 發(fā)展階段

目前，美國(guó)新一代透明技術(shù)的核心為聚碳酸酯透明件技術(shù)的研究應(yīng)用[4]。對(duì)透明件注射成型技術(shù)的研究美國(guó)于1985年就開(kāi)始了研究，并最先應(yīng)用于美國(guó)軍用飛機(jī)領(lǐng)域，根據(jù)不同的發(fā)展特征和研究進(jìn)展可將其劃分為FTP和NGT兩個(gè)發(fā)展階段[5]，各階段的特征和目的如表2所示。

經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，飛機(jī)透明件注射成型技術(shù)作為一種典型的低成本、高性能革命性技術(shù)，已得到廣泛的研究和應(yīng)用并成為下一代透明技術(shù)研究的核心，在未來(lái)使用階段必將得到更好的發(fā)展。

3.2 飛機(jī)透明件研究

目前，采用板材形成技術(shù)仍為我國(guó)飛機(jī)透明件制備的常用方法，其中北京航空材料研究院對(duì)飛機(jī)透明件注射成型技術(shù)的研究較早且比較成熟。該院于“九五”期間就開(kāi)始了一些列的基礎(chǔ)性探索試驗(yàn)，并制作了邊緣厚18mm、主視區(qū)厚7mm的無(wú)骨架特征曲面樣件，由此表明我國(guó)在模具加工、材料應(yīng)用、工藝手段等方面均可滿足無(wú)骨架透明注射成型技術(shù)要求。隨后，許多研究院和科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展了一些列的研究并提出大尺寸聚碳酸酯透明件技術(shù)，通過(guò)利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)先后成型出全尺寸玻璃遮擋構(gòu)件、大尺寸鏡面及注縮模具等。有效解決了透明件大尺寸注射成型問(wèn)題，并且在光學(xué)性能方面還做了一些探討。

4 結(jié)論

飛機(jī)透明件注射成型技術(shù)是一項(xiàng)典型的低成本、高性能的革命性技術(shù)，并成為下一代透明技術(shù)的發(fā)展核心和關(guān)鍵內(nèi)容。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究探索，已成功應(yīng)用于飛機(jī)裝在試驗(yàn)并將進(jìn)入使用階段。然而，目前在該方面的研究還比較薄弱，無(wú)骨架技術(shù)和光學(xué)改進(jìn)透明件技術(shù)是未來(lái)研究的重點(diǎn)方向。透明件注射成型技術(shù)是一項(xiàng)將計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)、光學(xué)及注塑模具加工技術(shù)和大型注射成型技術(shù)相結(jié)合的復(fù)雜系統(tǒng)技術(shù)。國(guó)內(nèi)外對(duì)此已取得理想的研究緊張，未來(lái)仍需要抓住機(jī)遇深入研究，并將推動(dòng)我國(guó)透明技術(shù)進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展時(shí)代。

參考文獻(xiàn)：

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