浅谈模塑工艺在航空装备制造中的应用

王猛，陈超，杨威

（中航工业沈阳飞机设计研究所，辽宁　沈阳　110035）

浅谈模塑工艺在航空装备制造中的应用

王猛，陈超，杨威

（中航工业沈阳飞机设计研究所，辽宁沈阳110035）

阐述了模塑工艺的技术特点和发展趋势，详细分析了在航空装备制造中增强改性塑料所具有的工艺优势和应用前景。对装备制造中的典型工艺问题进行了分析，给出实践中行之有效的工艺解决方案。

航空装备；模塑工艺；比强度；比刚度；熔接痕；翘曲；强度下降

当前各国对航空装备制造新技术、新工艺的需求十分迫切。航空设备零部件所选用的材料要求强度更高、重量更轻、更耐用、多功能和复合化。机体结构和航空装备上，虽仍以铝合金为主，但非金属复材的大量应用将是时代发展的趋势。不仅功能陶瓷材料、隐身材料、智能材料为代表的新技术被投入使用，以玻纤增强塑料、碳纤维、合成树脂、改性橡胶为代表的复材在零部件制造上均得到了广泛应用。高比强度、比刚度、高韧性、高损伤容限、抗腐蚀、耐环境应力等综合性能优异的新型材料已是航空产业的时代新宠。新材料的不断涌现，也为飞机设计提供了更广阔的选材空间和设计基础，促进了新一代飞机的问世。

1　模塑工艺的发展现状

模具加工凭借效率高、质量稳定、互换性好、劳动强度低、易于实现机械化和自动化等优点，已经占据一个国家现代工业的中坚地位。可以说“模具工业是美国工业的基石”。模具称得上是“金属加工业的帝王”。相比于金属材料冲压拉伸模具，塑料工业与塑料模具是近年来发展最为迅速的模具产业。塑件的加工过程包括：塑料成型，机械再加工，修饰处理以及装配。整个过程最重要的，也是最能影响塑件质量性能的，就是成型工序。现已发展出的成型工艺方法有挤出、注射、压缩、中空吹塑、材料层压和压延等等。

随着产量的增加，合成改性品种的增多，工艺技术的提升，及模具设备的发展，促使塑料工业在国民经济中发挥出更大的作用。当前模塑工艺和模具制造的发展正呈现出如下特征：

（1）深入研究和创新成型工艺过程，完善加工技术原理，优化模具结构，形成较为完善的塑料模具加工理论体系。

（2）塑料制品向着大型化、微型化、高精度、特殊性能等多方向发展，引领塑料模具也朝着大型化、微型化、高精度加工等方向发展。

（3）得益于工艺流程的梳理简化，模具的优化设计，加工设备自动控制，配套设施完善等众多举措，成型过程呈现高效率、自动化趋势。

（4）高精度数控机床投入使用，特种加工技术不断推广，热处理和表面处理的技术创新，使得模具硬度更高、寿命更长、精度更精、生产周期大幅缩短。现如今已专业化生产，初具标准化规模。

（5）计算机辅助设计/制造。UG、MicroStation、Pro/E、AutoCAD等软件的应用，将三维图模拟装配，再输出到加工设备完成制造，使得整个过程变得更加高效。

2　塑料的材料特性和工艺优势

2.1出色的力学性能

在设计师心中都有着共同的信念，为减少飞机的每一克重量而奋斗！维持设备性能不变的前提下，尽可能减轻重量是至关重要的。高比强度、高比刚度的新材料的应用，为减轻机体结构和设备重量开辟了广阔前景。复材家族中虽不乏碳纤维、碳化硅、特种陶瓷等前沿材料，但其技术门槛高，工艺复杂难以掌握。而有广泛工业基础、经济性良好的塑料、玻纤增强塑料、合成树脂等材料已然成为航空装备和地勤设备的不错选择。

即便塑料的强度不如钢、铝等，但比强度（σb/ρ）、比刚度（E/ρ）却是较高的。例如PA66、PC、PET、PPS、PPA等等，填入玻璃纤维、碳纤维、硼纤维，增强改良后，其力学性能优异。有的比强度甚至超过了钢的水平。拥有高比强度和比刚度，又重量轻，可以说塑料着实适合航空工业领域的推广使用。常用塑料的性能指标见表1。

表1　常用塑料的性能指标

玻璃纤维为基础的增强剂，以及其它添加剂的使用，已使得增强塑料的力学性能大为提高，使用性能得到显著改善。表2中给出了增强塑料与某些金属的性能比较。

2.2良好的化学性能

表2　增强塑料与某些金属的性能比较

通常战斗机工作在上万米高空，从赤道至两极地区。既有海洋环境又有酷热的沙漠，面临暴风雨雪又要忍受紫外线辐射。这些无疑对战斗机及航空设备的环境适应能力提出了近乎苛刻的要求。需要战斗机适应环境应力的能力主要包括：可靠地工作在零下几十度至零上近百度的温度场中；面对湿热、酸碱性的环境而不产生明显的锈蚀；承受在数分钟内变化几十度的剧烈温度冲击；能够抵御高盐高湿的海洋环境而不被腐蚀；处于细菌环境下却可以抑制各种霉菌的滋生和破坏。

增强改性后的复合塑料，在上述各方面均表现优异。首先，塑料化学性能稳定，具备耐受酸碱性、盐类，各类溶剂等物质的能力。塑料暴露在日光、紫外线、自然气候条件下，仍保持其性能不发生大的变化，而且老化过程比较缓慢。塑料还具备很好的抗霉性，对霉菌滋生有较强的抵抗能力。因此，它是符合航空设备的性能需求的，作为航空设备的选材也是十分适合的。

2.3电学性能

战斗机的供电系统主要由AC115/200 V，400 Hz的交流供电系统和DC28.5 V的直流供电系统组成。受电源系统瞬态变化影响，航电、飞控、机电各系统设备时刻承受着瞬时尖峰信号，及过压/欠压浪涌信号的干扰。干扰信号VP-P值可达到 VE值的数十倍，对设备构成了不小的考验。塑料的绝缘电阻很大，能够保持较高的绝缘状态。其有着理想的介电常数，能承受发生的电荷冲击，实现足够的绝缘介电强度。有较好的耐电弧性，抗击穿烧结。通过各项验证试验发现，科学合理地应用塑料制成的零部件，可提高设备防电弧、抗击穿、防静电的能力。

2.4使用局限

当然塑料也有它自身的缺陷，耐热性不好，不能承受过高的温度，否则会发生加速老化、降解的情况。这使得工作在发动机舱的各设备应用塑料及其衍生材料制成零部件将变得几乎不可能。

3　航空装备制造中常暴露的工艺问题

3.1存在熔接痕

熔接痕是塑料制品加工中绕不开的话题。熔接痕是指融熔塑料以较高的速度注入模具流道，料流前锋的热量迅速散失，料流前锋和模具内表面形成了一个冷凝层。冷凝层使不同熔流不能彻底和均匀地混合，导致了微观上的结构不同。在宏观上表现为一条或平直或弯曲的痕迹线。痕迹线附近的塑料组织在内部结构和力学性能上是不同于其它部位的，构成了产品的质量缺陷，这是我们不希望看到的。

飞机在空中飞行，机体面临大频率范围的随机振动载荷，很强的冲击载荷。这对零部件的结构强度和疲劳强度会是比较大的考验。如果存在熔接痕，强度必然会降低。在交变应力作用下，塑件会产生结构失效，造成航空设备的功能失效或质量故障。因此应针对熔接痕的产生机理，选择有效的工艺手段，避免熔接痕的出现。

（1）温度太低，塑料流动性较差。应提升模具和熔体的温度，加速聚合物的熔融过程，减少分子链缠结时间，加强流料前端分子的充分熔合、缠结，提高熔接痕区域的强度。

（2）提高注射压力有助于克服流道阻力，把压力传递到熔体前端，使熔体在熔接痕处以高压熔合，增加熔接痕处的密度，从而使熔接痕强度得到提高。

（3）提高注射速度，熔体通过浇口和型腔的流速增大，减少了汇合前的流动时间，降低热损耗。温度的上升，熔体黏度下降，流动性增加，从而提高了熔接痕强度。

（4）采用真空引气或设计排气结构，避免残余气体被排挤到熔合部位，产生夹层而阻碍料流融合，可能烧伤制品还会导致出现熔接痕，降低熔接痕处的强度。

3.2成品翘曲

塑件翘曲也是生产加工的又一难题。在验证试验或飞机使用中，面对复杂的载荷冲击，很难说翘曲后的塑件不会因疲劳失效而断裂，甚至导致成品报废。造成了经济损失、时间损失，及质量成本的攀升。究其原因，不外乎以下几点。

（1）塑料的固化程度不足，应采用预压的锭料，进行充分预热，提高成型温度，增加加压时间，可以加快固化速度。对于注射成型，要求在塑化、充模阶段化学反应要慢，而在充满型腔后，则应加快固化速度。

（2）熔体流动性太大，流动距离过长，致使熔体内应力增大而产生翘曲。应改变浇口位置，增加浇口数量，缩短流动时间，内应力降低，翘曲变形也会大为减少。

（3）应控制凸凹模温差不超过±3 ℃，避免因凸凹模温差大，扩大塑件上下表面温差，引起各部位热应力和热变形，收缩不均匀最终导致翘曲现象。

（4）壁厚与形状过分地不规则时，压力和流速过高或突变，引起分子的方向性差异。产生“冻结效应”和冻结应力，造成收缩的不一致产生了弯曲力矩，导致发生翘曲。尽量保证制件的壁厚均匀，结构合理，不产生明显的内应力和收缩差异。表3中列举了常见的几种塑料的壁厚和加工工艺条件。

（5）对于金属嵌件，因塑料的收缩率要远大于金属，收缩差异容易导致制品扭曲变形，甚至出现开裂。为了减少该现象的发生，一定要先将金属件预热。预热温度一般不宜超过100 ℃。再将预热后的金属嵌件装入模具内，投入塑件的生产。

表3　几种常见塑料的壁厚和工艺条件

3.3制品强度下降

飞机在承受静力条件下的应力、扭矩和弯矩以外，还要承受较大的气动载荷、振动载荷、冲击载荷，有时需面临高达6~7 G的过载。因此航空设备部件均要通过严苛的振动试验、冲击试验和加速度试验，才被允许装配到飞机上。零部件的强度直接关系到设备的功能实现，也关系到飞机的飞行安全。

前面讲到，模具温度低、进料温度低、熔接不良、浇口位置不当、有锐角缺口等工艺问题将导致制品存在强度缺陷。还需考虑如塑件有开孔，则孔与制件的边缘距离不可过小，否则强度同样会降低，需适当增加开孔处厚度来补充强度。在材料选择上，通过聚合两种以上的组织，可综合多种聚合物的性能。超高分子量的聚合物，可以吸收更大的冲击能量，展现更大的韧性，显著提高材料的冲击强度。

在成型工序或机械加工后，还可及时地对内应力大的制件进行后期处理，降低或消除内应力，减弱应力集中，进一步提高塑件的强度。后期处理的主要手段是对塑件进行热处理。即温度升至略低于该塑料热变形温度约10~20 ℃的区间，将塑件在此温度中保持一段时间，再缓慢冷却至室温。当然温度保持的时间应与具体的塑料材料相适应。

3.4设备标识的工艺考虑

航空设备上存在许多提醒警示标识。实践发现，许多标识是用油漆涂在材料表面，会随时间逐渐脱落，标识难以辨识，给操作人员带来困扰，也增大了误操作的风险。塑件上面的标识可设计成三种形式，各有其不同的优缺点，建议考虑第三种形式。

第一种标识为凸字。模具加工简便，采用机械加工、电火花成型等方法来实现。这种标识使用过程中会逐渐磨损，减弱了提示效果。第二种标识为凹字，可在字符中填入油漆，字符更为显眼，加强了提示效果。由于模具字符需要凸出，使模具的加工变得困难，经济成本也相应增加。第三种标识为凸字，在凸起字符周围形成凹陷的装饰框，形成凹坑凸字。先加工成单个字符的小凹模，利用镶拼结构装配到大模具中。不仅模具加工难度降低，字符不凸出于塑件表面，标识清晰又不易磨损。即使标识需要更改，也只需更换镶拼模块即可，整体模具可继续使用，节省了经济成本和时间成本。

4　总结

飞机的发展呈现出机动性更强、隐身性更高、寿命更长、可靠性提升等趋势。这些离不开新材料、新工艺的创新和应用。近年来，合成改性塑料的不断开发，塑料成型工艺、成型设备、塑料模具技术发展迅猛。综合性能优异的新塑料材料，模具结构合理优化，先进的成型工艺，一定能生产出符合航空装备使用需求的合格制品，也一定能够在航空工业的发展中发挥更大的力量。

[1] 曹宏深，赵仲治. 塑料成型工艺与模具设计，北京：机械工业出版社，1993.

[2] 唐志玉，徐佩弦. 塑料制品设计师指南，北京：国防工业出版社，1993.

[3] 马金骏. 塑料模具设计，北京：中国科学技术出版社，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，工程师，主管检验师，研究方向：航空装备的质量控制，试验验证和检验技术研究。

2015-04-17