透明件注射成型技術的淺析

鄭吉煥

摘 要：傳統的飛機透明件因維修技術難度大、服役壽命低、投入成本高等缺點，已無法滿足現代化戰斗機的發展需求，新的注射成型技術已成為目前研究熱點問題。本文通過對比分析傳統熱彎成型技術與飛機透明件注射成型技術，探討了國內外大尺寸透明注射成型技術的發展歷程和研究進展，并概述了我國飛機透明件的研究成果。

關鍵詞：飛機透明件；注射成型技術；大尺寸；無骨架設計

1 引言

飛機透明件屬于大尺寸構件類型，板材熱彎成型技術為制作傳統飛機透明件的常用方法。在成型過程中存在30多項關鍵工序，整個生產過程比較復雜且各個工序具有生產周期長、勞動密集等特征，從而使得制作成型投入成本較大；另外，透明件的力學性能和光學性能在多個復雜工序生產過程中容易受到不利影響，如骨架連接時的鉆孔引進集中力和熱彎成型過程中壓、拉應力，均可造成透明件失效，并對降低其使用壽命[1]。傳統的飛機透明件因維修技術難度大、成型工藝復雜、服役壽命低、投入成本高等缺點，已無法滿足現代化戰斗機的發展需求，新的成型技術已成為目前研究熱點。在此時代背景下，新的透明件注射成型技術應運而生并得到一定的發展。該技術是通過成型模具和注塑機將樹脂粒料直接制作成型，具有設計自由度大、生產速度快、自動化程度高、投入成本低以及制作周期短等特點，可以滿足尺寸精度要求高、成型結構復雜的帶鑲嵌件的構件。本文結合已有研究資料和實踐經驗，探討了基礎性注射成型的技術應用現狀，并認為在國內現有技術條件下，可利用注射成型技術可制作完成全尺寸聚碳酸酯透明件，在飛機透明件成型方面縮短了與國外技術的差距。

2 注射成型技術理論簡介

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飛機透明件生產的主要工藝，在制作平板過程中應首先澆鑄或擠出板材配件，然后對航空級板材進行拋光植被，整個過程投入成本高、勞動密集大并且工藝技術復雜[3]。在生產過程中，還存在很多能夠影響透明件服役壽命與工作性能的因素，如構件制作過程中，會因彎曲作用產生壓縮和拉伸變形；裂紋源缺陷極易在邊緣制件鉆孔時形成。并且，在工藝技術上無法制成能夠改變厚度的透明件，平板熱彎成型工藝不易實現邊緣厚、中間薄的理想構建，對于尺寸精度要求高、外形結構要求復雜的構件也不易成型。

注射成型可通過成型模具和注塑機有效解決傳統方法中存在的影響因素多、工藝復雜的難題，不僅可提高飛機透明件的使用壽命和工作性能，而且具有較快的生產效率，降低投入成本。在成型過程中利用注射成型技術可顯著降低參與應力，有利于實現輕量化生產，能夠制造出厚度變化、重復性良好且外形復雜的高質量邊緣鎖緊的透明件，從而滿足現代化戰斗機的發展需求。傳統的熱彎成型與透明件的注射成型制作特點、工藝流程對比分析，如表1所示。

雖然在透明件制作過程中注射成型具有明顯的優勢，但是注塑壓力在成型時通常較大，并容易使得凝聚態結構的不均勻和分子取向的形成，從而對質量均勻的光學透明件的生產存在較大困難。通常情況下，傳統的注射成型方法僅僅適用于對光學性能要求低、成型尺寸小、壁薄的制件，而具有光學級制件的大尺寸、壁厚、殘余應力小的飛機透明件，通常需要的注射周期較長，所以飛機透明件的注射成型是一種具有獨特的模溫控制系統、注射周期長、注塑壓力低且殘余應力小的厚壁制件。相對于傳統的熱彎透明件的成型，制作飛機透明件具有較短的注射周期，并可顯著降低生產成本縮短生產時間。

2.2 無骨架設計

無骨架技術的應用可制造出帶有鑲嵌件的制件并已成為注射成型技術的核心，該項技術可內置鑲嵌件并設計成邊緣加厚的結構，并且不需要增設骨架體系，相對于傳統的熱彎透明件需要將其他不同材料與透明板結合起來組成骨架的方法，具有明顯的優勢，并且設計的鑲嵌件具有“插銷”的功能并可提高機身與透明件的連接強度。

無骨架設計無需使用機身與骨架、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成本和構件重量；另外，對于傳統透明件的整修、檢查、安裝等過程，需要花費數天時間方可完成透明件的更換，而無骨架設計僅需要幾個小時即可，通過將機身與注射鑲嵌件的直接連接可大大降低維修時間和成本。另外，在邊緣附近傳統透明件存在鉆孔，并對材料的整體性與連續性造成一定的破壞，從而減弱了機身的沖擊性能并容易造成材料出現裂紋；無骨架設計可不考慮骨架與鉆孔的作用，有效避免了應力集中的出現，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有效降低了制件質量風險概率并且操作簡單、生產成本低，可顯著提高透明件的服役壽命和工作性能。采用無骨架設計還可降低殘余應力，還可制造出高質量、厚度變化和外形復雜的透明件，從而滿足現代化戰斗機的發展需求。

3 注射成型技術研究進展

3.1 發展階段

目前，美國新一代透明技術的核心為聚碳酸酯透明件技術的研究應用[4]。對透明件注射成型技術的研究美國于1985年就開始了研究，并最先應用于美國軍用飛機領域，根據不同的發展特征和研究進展可將其劃分為FTP和NGT兩個發展階段[5]，各階段的特征和目的如表2所示。

經過20多年的發展，飛機透明件注射成型技術作為一種典型的低成本、高性能革命性技術，已得到廣泛的研究和應用并成為下一代透明技術研究的核心，在未來使用階段必將得到更好的發展。

3.2 飛機透明件研究

目前，采用板材形成技術仍為我國飛機透明件制備的常用方法，其中北京航空材料研究院對飛機透明件注射成型技術的研究較早且比較成熟。該院于“九五”期間就開始了一些列的基礎性探索試驗，并制作了邊緣厚18mm、主視區厚7mm的無骨架特征曲面樣件，由此表明我國在模具加工、材料應用、工藝手段等方面均可滿足無骨架透明注射成型技術要求。隨后，許多研究院和科研機構開展了一些列的研究并提出大尺寸聚碳酸酯透明件技術，通過利用計算機模擬技術先后成型出全尺寸玻璃遮擋構件、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題，并且在光學性能方面還做了一些探討。

4 結論

飛機透明件注射成型技術是一項典型的低成本、高性能的革命性技術，并成為下一代透明技術的發展核心和關鍵內容。經過長期的研究探索，已成功應用于飛機裝在試驗并將進入使用階段。然而，目前在該方面的研究還比較薄弱，無骨架技術和光學改進透明件技術是未來研究的重點方向。透明件注射成型技術是一項將計算機模擬技術、光學及注塑模具加工技術和大型注射成型技術相結合的復雜系統技術。國內外對此已取得理想的研究緊張，未來仍需要抓住機遇深入研究，并將推動我國透明技術進入一個新的發展時代。

參考文獻：

[1]伍寶峰.光學塑料元件注射成型CAE的研究[D].北京：北京理工大學碩士論文，1999.

[2]Forrest Day.Injection molding Microsoft transparencies[C].31st Annual Conference and Design Recognition of the SPI Structural Plastics Division，2003.

[3]鑫企明.改善塑料光學零件成型質量的幾個問題[J].光學技術，1998，（3）：86-87.