新型工程塑料在某機載雷達中的應用研究

王亞鋒，李 磊，張 輝，李 直

(1.中國電子科技集團公司第38研究所，安徽 合肥 230088；2.國家工業設計中心，安徽 合肥 230088)

引言

機載雷達電子系統輕量化的要求越來越高，對輕質材料的需求顯得尤為迫切[1]。纖維增強的工程塑料具有輕質、高強和易加工等特點，在雷達系統中使用塑料件代替過去的鋁合金制件，可解決機載雷達設計中有限重量、能量與高數據率、大作用距離之間的矛盾，降低對平臺的要求，提高系統的可實現性。本文主要介紹基于特種工程塑料的機載雷達多接頭連接板的成型制造過程，涵蓋材料選擇、模具設計、注塑成型和機械加工等方面的工藝技術，為項目的實施提供了較為完整的工藝技術保證。

1 結構特點與要求

某多功能轉接板是一個多內腔、高精度、細長薄壁的機載產品結構件，外形尺寸為726 mm×40 mm×30 mm，單件重量＜240 g。安裝面均布16個連接器安裝接口，中間分布與鋁合金框連接的3組6個貫穿孔。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），且須滿足機載環境要求。

圖1 連接板模型圖

2 材料選擇

“剛度好、質量輕”是機載材料的基本要求，材料選用時需綜合考慮密度、強度和可制造性等指標。同時，由于要與鋁合金框架配合安裝，要求材料的熱脹系數與鋁合金材料相匹配，否則在溫度變化可能會發生變形、開裂等現象，影響產品可靠性。常用材料的基本性能參數見表1。

表1 材料的基本性能對比[2-3]

鋁合金材料的缺點在于重量大、機械加工量大；碳纖維材料[4]的熱脹系數低，與鋁合金框匹配安裝時存在一定的風險，整體成型后需機械加工時易出現分層、撕裂、拉絲、崩塊等缺陷。考慮到連接板的結構特點和設計需求，經調研論證，決定選用纖維增強型聚苯硫醚（PPS）和聚醚醚酮（PEEK）特種工程塑料。PPS和PEEK材料均是當今應用較廣泛的高性能特種工程塑料，具有密度小、強度高、可加工性能優越等優點，在航空航天等眾多領域可以替代傳統金屬、陶瓷等材料，具有廣闊的應用前景。

3 機載剛強度分析

3.1 機載振動載荷

1）頻率范圍：15～2 000 Hz；

2）功能試驗量值見表2；

表2 功能試驗量值

3）艙內和罩內設備功率譜密度圖見下頁圖2；

圖2 功率譜密度圖

3.2 剛強度分析

開展鋁合金、PPS、PEEK不同材料體系多功能轉接板抗力學仿真分析，分析結果如下：

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應力為80.3 MPa，但重量不滿足設計指標，經減重設計，最大應力響應達到140 MPa，安全裕度不滿足設計要求；而PPS和PEEK材料最大振動響應應力分別為41.5 MPa、50.8 MPa，滿足設計裕度要求，同時重量滿足設計指標，因此選擇PPS和PEEK聚合物開展后續工藝方案。

4 制造工藝

4.1 工藝流程

為了實現大批量、輕量化、高強度以及高精度等技術要求，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計，制造高精度、輕量化的毛胚件，并通過數控加工技術，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尺寸穩定性好，成型收縮率低，在熔融狀態下流動性好，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。下面分別從結構設計優化、模具設計以及注塑工藝優化等方面進行說明。

圖4 連接板成型工藝過程圖

4.2.1 結構優化設計

連接板的結構優化設計應注意以下幾點：

一是采用過渡圓角設計，盡量避免出現尖角、直角結構。由于PPS、PEEK樹脂的脆性結晶或半晶結構，成型后在尖角處容易出現應力集中現象，影響制件質量；二是產品的壁厚應保持一致。厚度不均會導致注塑成型過程中收縮不一致，產生內應力；三是對于薄壁結構，在不影響結構功能的情況下，可增加加強筋提高剛性，避免應力集中導致制品的變形。

圖5 注塑模具圖

4.2.2 模具設計

與其它工程塑料類似，注塑模具的設計要考慮以下幾點：

一是成型收縮率。PPS和PEEK的成型收縮率均小于1%，模具尺寸應在多次試模后進行適當調整；二是模具溫度。模具溫度對產品性能影響非常大，PEEK的熔點高于PPS，注塑時兩種材料的模具溫度分別為：PPS 125～150 ℃，PEEK 170～200 ℃。采用油循環加熱方式，自帶精確控溫裝置，以保持溫度的穩定性。三是注塑模具的優化。先加工基礎模，根據試模結果多次修模，以保證制品的尺寸精度滿足設計要求。

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量。結合物料的性質和制件的結構特點，采取先試模打樣，再根據初品的外觀及材料性能優化參數的方法。經過大量的注塑工藝試驗，優化后的注塑工藝參數如表3所示。

表3 注塑工藝參數

料筒溫度：過低或過高的料筒溫度都會影響制件的質量。溫度過低，不利于塑料融化，易導致分層和連接縫的產生；溫度過高，可能會導致物料的分解、黏結，導致物料變色，影響順利進料。料筒溫度由前到后應有一個逐漸升高的過程，以實現塑料的逐漸升溫，達到良好的熔融狀態。

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，經試驗得出的最佳溫度為：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量的關鍵工藝參數之一。注塑過程中，合適的壓力有助于熔融物料的壓實，提高制品的表面品質、塑化均勻度和尺寸穩定性；過高的壓力會導致物料漏流，出現飛邊、翹曲等現象。PPS和PEEK最優的注射壓力分別為100 MPa和140 MPa。

注射速度：注射速度直接影響毛坯件的質量和生產效率。注射速度太慢，熔體填充模具的時間過長，導致制件密度不均勻和冷接縫的形成，內應力也會增大；注射速度太快，易形成熔體不規則的流動，影響產品表面質量，且造成溢邊和排氣不良等現象。因此，要得到密度均勻、表面質量良好應力小的毛坯件，須嚴格控制注射速度。PPS和PEEK最優的注射速度為95～97 mm/s。

制品的后處理：退火處理可消除產品的內應力，提高結晶度，保持尺寸穩定。毛坯件的后處理工藝為：溫度 160～180 ℃，時間 24 h。

4.3 機加工藝研究

制件上精度部分特征要求較高，需要在毛坯件基礎上對孔和臺階面進行加工。特種工程塑料可進行各種形式的切削加工，加工性能較好。與金屬材料相比，塑料制件機械加工的特點主要表現在：第一，導熱性能差，應避免局部過熱導致的加工件變形；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，應注意以下三個方面：

第一，為避免出現局部過熱現象，在鉆削時應使用水溶性的冷卻液，并及時去除切削碎屑；第二，為延長刀具壽命和達到最佳的表面光潔度，須使用抗磨損能力較強且切削力小的硬質合金刀具，采用較低切削速度和較小進給量；第三，由于毛坯件的薄壁細長結構導致剛度較差，為避免裝夾和加工過程中發生應力破裂，須制作專用模具，以內腔為基準墊實并裝夾牢固后進行加工。

圖6 多功能連接器振動試驗安裝圖

采取以上措施后，制品質量狀態穩定，加工后所得尺寸一致性好，制品外形尺寸公差小，符合設計要求。

5 試驗驗證

根據產品環境試驗大綱，對產品進行水平方向（X、Y）和垂直方向（Z）的功能振動和沖擊試驗。結果顯示：連接板未發生開裂等破壞現象。試驗前后試驗件固有頻率無變化，可判斷試驗件內部結構無損傷，可以承受試驗載荷。

6 結語

本文從新型輕質材料應用的角度，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驗證工作，以實現在機載雷達產品中的應用。根據工藝試驗和驗證試驗的結果，兩種材料的性能對比和實施效果如下：

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，注塑模具設計時需根據材料不同的成型收縮性能調整尺寸。PEEK材料流動性較差、熔點更高，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）可為系統減重約6.0 kg，減重效果非常可觀；

5）PEEK材料強度更高。根據試驗實測數據，PEEK材料具有更優越的拉伸性能，成型的結構件強度更高，可有效降低在裝配、使用過程中因應力變化產生變形、開裂的風險。

[1]黃瀟.機載雷達天線座結構優化設計[J].電子機械工程，2015，31（5）：35-37.

[2]賀捷，齊暑華.高性能聚醚醚酮/長玻璃纖維復合材料的研制及應用[J].工程塑料應用，2009，37（7）：50-52.

[3]饒先花,曹民等.國內外特種工程塑料聚芳醚酮的生產、應用及發展前景[J].塑料工業，2012，40（9）：18-22.

[4]殷東平，王亞鋒.某復合材料機載構件制造工藝研究[J].電子機械工程，2010，26（5）：43-45.

[5]薛偉鋒,胡江華.機載電子產品上復合材料輕量化設計與應用[J].電子工藝技術，2013，34（3）：174-177.