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：通過進行有機玻璃成形工藝流程分析，引入無余量成形技術，調整工藝流程，改進機械加工方法，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構功能部件，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下的結構載荷和沖擊。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性能。光學性能指標包括：透光度、霧度、光學角偏差、雙目視差、副像偏離、眩光性能，對于大尺寸、曲面外形結構的駕駛艙玻璃來說，制造難度很大。

國內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。缺點是模具沒有預熱，板材貼膜后溫度下降較快，成形過程易產生殘余應力。

國外較先進的方法是，模具與玻璃同時加熱，實現方法有兩種，一種是模具在加熱爐中預熱，另一種是模具內置電阻絲加熱。成形過程對溫度、壓力等控制比較嚴格，可減少成形引起的應力集中。

2 駕駛艙有機玻璃機械加工問題現狀

飛機駕駛艙側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量不符合驗收標準等問題。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，經分析、論證認為駕駛艙側窗有機玻璃機械加工尺寸超差的主要原因為：

駕駛艙側窗玻璃機械加工設備為銑床，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平穩勻速，緩慢進刀，工作臺一般不能中途停止進給，以免使銑刀空轉造成加工表面形成凹坑。但生產現場主要機械加工設備為小形自制銑床、帶銑刀風鉆。在銑切下陷過程中，因自制銑床不能確定的銑切基準平面，進而不能調節銑削深度。故操作人員只能通過手動調節固定于工作臺面上銑輪的凸出量（存在誤差），依靠手工轉動成形后的玻璃進行機械加工，導致下陷厚度局部超差±1mm。同時因進給量、切削速度等相關重要參數不能準確的控制與調節，造成下陷表面加工不均勻、外輪廓邊緣不光滑加工質量不符合驗收標準等問題;帶銑刀風鉆屬于基礎性機械加工設備，操作過程中需介入大量人力因素，并且只能根據經驗數據調節銑輪轉速、進給量、切削量進行玻璃表面機械加工。這種粗放的機械加工方法會導致在生產過程中存在一些不穩定因素。綜上分析，傳統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，具有結構強度、呈彈性變形特征，是有機玻璃的可使用狀態。Tg（玻璃化溫度）以上，稍加外力，材料則產生大的可逆變形，呈高彈性變形特征，有機玻璃可在高彈狀態下，施加一個具有一定形式的持續外力，使玻璃內部分子鏈沿我們所希望的形面進行屈服，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

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4、模框吹塑自由成形

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大，導熱性差，加工中必須進行充分冷卻。不恰當的機械加工方法會對玻璃產生額外的內應力，影響有機玻璃的光學性能和物理機械性能。例如：銑削過程中進刀不平穩、不均勻就會使銑刀空轉造成加工表面形成凹坑、銀紋、分層崩邊等問題出現。由于澆注有機玻璃的表面抗裂紋性較低，在拉伸應力的作用下，表面容易開裂而產生銀紋，使材料強度產生不同程度下降。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性能、物理機械性能及其使用壽命有著至關重要的影響。

4、生產制造工藝分析

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不穩定及外輪廓表面質量不達標等問題。

下陷位置實測數據如圖1所示：

4.2先機械加工后應力松弛成形

該成形工藝方法采取將預熱的經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，經過長時間保溫，應力釋放，材料出現松弛，達到成形目的。該方法基本消除了玻璃成形過程中的應力。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計相對復雜、成本較高。同時模體材料的選擇、模胎形式、模胎結構都要特殊要求，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工藝方法的優勢在于無需在成形之后在對制件進行銑削、修邊、精加工等操作。這樣可以有效地消除對玻璃進行機械加工而產生的內應力，保證有機玻璃零件的光學性能、強度及使用壽命。

4.3.1有機玻璃零件的機械加工

首先根據零件特征尺寸逆向建模，計算出零件在展開狀態下的外輪廓尺寸，即玻璃毛料尺寸。然后通過數控銑床對玻璃進行精確的機械加工，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要求非常精確，以避免產生裂紋、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、進給量、銑削深度等相關參數。經樣板試驗，能夠達到預期目標。銑削狀態對比如表1所示銑削參數如表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的探索上。經多次試驗論證，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生大的內應力，造成外形不穩定或產生銀紋。

4.3.3玻璃零件成形實驗方案

駕駛艙側窗有機玻璃工藝流程如下：

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

1、揭掉保護層，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，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層潔凈的軟絨布上，防止有機玻璃產生印痕。按規定的成形溫度規范加熱后，目視法檢查其耐加熱性，如板材表面的耐熱點和光學質量。

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，記錄測量數據。

4、銑切下陷及外輪廓，確定銑切基準平面，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區域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加熱，一組用夾具加緊吊于爐內加熱。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℃，將回火模放入爐內預熱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。

下陷位置實測數據如圖2所示：

結論

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工藝方法相對操作過程簡單、設備維護成本較低。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計要求;先機械加工后應力松弛成形方法制造的玻璃樣件雖能在表面質量與光學性能兩個方面能夠滿足設計部門的要求，但該工藝方法需改造現有工藝設備、購置新設備，因此產生設備維護成本相對較高、操作難度大、工裝結構復雜等新的問題;通過對先機械加工后陽膜接觸成形方案研究及進展情況的了解，我們發現該工藝方法兼具上述兩種工藝方法的優點。在我公司現有加工條件下汲取新的加工技術打破傳統加工工藝方法。提高了生產效率，降低制造成本，克服了成形后對玻璃制件進行機械加工所產生額外內應力的問題。確保了玻璃制件良好的光學性能 ，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：

[1]韓煒.新式成型法在有機玻璃零件制造中的應用. 中國航空學會2007 年學術年會 制造專題13