航天服頭盔面窗注塑殘余應(yīng)力控制與檢測技術(shù)研究

馬加爐， 劉春太， 甘書峰， 黃慶偉， 楊才華， 劉冀念

(1.中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100094；2.鄭州大學(xué)橡塑模具國家工程研究中心， 鄭州 450002)

1 引言

艙外航天服是航天員空間軌道出艙活動(dòng)時(shí)的必備裝備[1-2]，服裝頭盔面窗是著服航天員直接觀察外界的窗口，屬于高性能透明光學(xué)器件、承壓結(jié)構(gòu)器件及多功能防護(hù)器件。

艙外服頭盔面窗構(gòu)型為由橫截面R140 mm圓弧沿縱截面R160 mm 圓弧段掃描而成的2.0＋0.050 mm 均勻壁厚透明件，具有大曲率、大深度、薄壁等厚、端口弧線封閉、非規(guī)則曲面等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。 面窗基材選用具有高強(qiáng)度(σb≥65 MPa)、高抗沖擊性(簡支梁沖擊強(qiáng)度≥650 kJ/m2)、高光學(xué)性(可見光透光率≥90%)、耐極端環(huán)境溫度性(低溫≤-110 ℃、高溫≥＋120 ℃)的高性能聚碳酸酯粒料精密注塑成型而成。 面窗注塑產(chǎn)生的殘余應(yīng)力不僅關(guān)系到面窗的最終幾何形態(tài)與尺寸精度、光學(xué)性能、結(jié)構(gòu)承載能力，而且關(guān)系到面窗二次可加工能力及裝配后的性能，進(jìn)而直接影響到艙外航天服整體性能、可靠性和壽命。 因此，必須采取有效措施，對面窗注塑殘余應(yīng)力進(jìn)行控制，盡可能地降低面窗的最終殘余應(yīng)力最大閾值，改善面窗內(nèi)部的殘余應(yīng)力分布狀況，減緩殘余應(yīng)力集中。

目前，關(guān)于航天服頭盔面窗注塑殘余應(yīng)力問題，未見公開發(fā)表的文獻(xiàn)，因此，只能借鑒其他透明件的研究情況來開展艙外服頭盔面窗殘余應(yīng)力研究。 陳樂平[3]研究表明:殘余應(yīng)力直接涉及注塑制品應(yīng)力痕、應(yīng)力開裂、翹曲變形和后變形等注塑件典型缺陷。 應(yīng)力分布不均是導(dǎo)致薄壁件注塑成型翹曲變形這一突出問題的首要原因[4-6]。 聚碳酸酯材料因分子鏈剛性大，注塑加工溫度高、熔體粘度大、流動(dòng)性差[7-8]等因素(在300 ℃/1.2 kgf條件下，所選聚碳酸酯熔體流動(dòng)指數(shù)低于7.5 g/10 min、成型收縮率達(dá)0.6%～0.7%)，注塑成型易產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力。 目前，在注塑件殘余應(yīng)力預(yù)測控制上，通用措施就是仿真分析＋試制的迭代優(yōu)化。 對于具有高性能注塑產(chǎn)品，還需對注塑產(chǎn)品進(jìn)行注塑后退火處理，以進(jìn)一步釋放改善制品內(nèi)部殘余應(yīng)力。

要想降低和改善面窗注塑殘余應(yīng)力，就須具備有效測試手段和方法以掌握面窗內(nèi)的應(yīng)力狀況，這是航天服透明頭盔面窗工程研制的重點(diǎn)和難點(diǎn)。 一些在金屬甚至是非金屬上廣泛使用的檢測方法，如盲孔法、磁性法、脆性涂層法等，很難在透明件上得到應(yīng)用。 綜合文獻(xiàn)[9-12]，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字圖像技術(shù)的光彈法是透明結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力檢測技術(shù)研究的重點(diǎn)方向，但要真正獲得被測透明件的整體應(yīng)力分布情況還存在應(yīng)力分量求解繁瑣、光彈條紋分離與自動(dòng)處理等技術(shù)問題，還難以在工程應(yīng)用上推廣。 此外，采用溶劑浸漬法進(jìn)行應(yīng)力預(yù)測和防止塑料環(huán)境應(yīng)力開裂(Environmental Stress Cracking，ESC)[13]也是目前的研究方向之一。 迄今為止，尚未見到特別成熟的方法在透明件上推廣應(yīng)用的報(bào)道，還無法建立起一種哪怕只是針對一類材料或一種工藝條件的殘余應(yīng)力值進(jìn)行比較可靠估計(jì)并普遍適用的模型和測試方法[5]。

針對聚碳酸酯注塑成型的高性能航天服頭盔面窗透明件，本文從面窗制品殘余應(yīng)力指標(biāo)設(shè)定、注塑過程殘余應(yīng)力仿真分析、殘余應(yīng)力檢測方法等方面出發(fā)，系統(tǒng)開展研究，找到有效降低和改善面窗殘余應(yīng)力的途徑方法，建立將有損鉆孔法、有損CCL4溶劑浸漬法與無損光彈法三者有機(jī)結(jié)合的航天服頭盔面窗透明件殘余應(yīng)力綜合檢測方法。

2 殘余應(yīng)力控制指標(biāo)設(shè)定

殘余應(yīng)力是注塑件質(zhì)量控制的關(guān)鍵要素[14]，也是表征薄壁塑件質(zhì)量的重要指標(biāo)[15]。 面窗殘余應(yīng)力過大引起的面窗銀紋開裂(圖1)等缺陷將嚴(yán)重影響安全性，因此，對面窗殘余應(yīng)力控制目標(biāo)值的設(shè)定是關(guān)鍵。 殘余應(yīng)力控制閾值設(shè)定過高，既增加了研制技術(shù)難度，又增加了研制成本；殘余應(yīng)力控制閾值設(shè)定過低，不僅生產(chǎn)出來的產(chǎn)品性能質(zhì)量難以達(dá)到要求，還可能導(dǎo)致產(chǎn)品后期應(yīng)用過程中的工程安全隱患，造成難以估量的損失。金祖銓等[16]研究表明聚碳酸酯100 ℃下短時(shí)間的最大許用負(fù)荷為21 MPa，常溫、1800 Hz 頻率循環(huán)張力作用下的疲勞極限為7 MPa。 對具有高剛強(qiáng)度、高抗沖擊性、高光學(xué)性、高尺寸穩(wěn)定性、耐極端環(huán)境溫度性的艙外服頭盔面窗，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算表明:當(dāng)面窗注塑殘余應(yīng)力≤7 MPa 時(shí)，其在使用工況下頭盔整體結(jié)構(gòu)具有≥3 倍的安全系數(shù)。 因此，本文將面窗注塑制品的殘余應(yīng)力最大閾值設(shè)定為7 MPa，并據(jù)此開展面窗注塑殘余應(yīng)力控制與檢測研究。

圖1 殘余應(yīng)力導(dǎo)致面窗銀紋(左)、開裂(右)Fig. 1 Residual stress induced crazing(left) and cracking(right)

3 注塑成型殘余應(yīng)力仿真分析

3.1 模具澆口對殘余應(yīng)力的影響

注塑件大部分成型缺陷是由于注塑模具澆口不合理造成的[17]。 針對艙外服頭盔面窗注塑模具澆口，采用基于Hele-shaw 模型中面網(wǎng)格類型，運(yùn)用hypermesh 網(wǎng)格處理軟件進(jìn)行網(wǎng)格均一化處理和劃分，并采用基于Navier-Stokes 模型的3D 實(shí)體網(wǎng)格進(jìn)行驗(yàn)證，最后利用聚合物流動(dòng)有限元分析軟件Moldflow 對比了2 種澆口位置布局的注塑成型仿真分析(圖2)。 初步仿真分析結(jié)果表明:小曲率一側(cè)的澆口進(jìn)料可縮短注塑過程熔體流長，熔體能更好地對模腔進(jìn)行充填，澆口處有較小剪切速率，不僅能有效降低注塑殘余應(yīng)力，制品殘余應(yīng)力分布更趨均衡，而且制品脫模后可獲得較小的變形量。 同長流長殘余應(yīng)力最高值24.64 MPa、脫模體積收縮率最大值8.233%相比，短流長殘余應(yīng)力最高值21.20 MPa，脫模體積收縮率最大值6.605%，殘余應(yīng)力最高值下降了近14%，脫模體積收縮率最大值降低了近23.8%。

圖2 濾光面窗的兩種澆口位置注塑仿真分析Fig.2 Simulation analysis of two injection gates to visors (Volumetric shrinkage and residual stress after demould)

PC 熔體經(jīng)澆口快速流入模腔時(shí)，澆口附近有較大殘余應(yīng)力并產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。 為進(jìn)一步降低澆口處殘余應(yīng)力，模具澆口優(yōu)化后成圖3 所示二次澆口，該澆口利用膨脹效應(yīng)使得熔體經(jīng)由第一澆口后在第二澆口處得到擴(kuò)張、減速，從而使得熔體最終呈層流狀態(tài)進(jìn)入型腔，有利于降低制品殘余應(yīng)力，改善產(chǎn)品質(zhì)量。

圖3 澆口結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果Fig.3 Effects of injection gate optimization

3.2 工藝參數(shù)對殘余應(yīng)力的影響

影響殘余應(yīng)力的注塑工藝參數(shù)有熔體溫度、模具溫度、注射壓力/時(shí)間、保壓壓力/時(shí)間、冷卻時(shí)間等[5，18]。 面窗成型工藝參數(shù)仿真分析表明:面窗注塑過程中，因高性能聚碳酸酯材料的分子鏈剛性大、熔體流動(dòng)性差以及面窗大曲率、薄壁、均勻壁厚的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，導(dǎo)致不僅面窗注塑成型溫度高，而且為確保注塑過程中的充分填充，所需注射速度和壓力也相對較高。 這些因素不僅導(dǎo)致面窗注塑殘余應(yīng)力偏大，而且導(dǎo)致注塑過程面窗體積收縮不均。

圖4 是脫模后面窗體積收縮率云圖，顯示的是每個(gè)單元被頂出冷卻到25 ℃室溫時(shí)的體積收縮百分比。 圖5 是脫模后面窗總體變形圖(采用10 倍放大比例因子)，該翹曲變形趨勢為模具優(yōu)化及注塑保壓工藝曲線優(yōu)化提供了指引。 圖6 是脫模后面窗的殘余應(yīng)力分布云圖。 經(jīng)對工藝參數(shù)優(yōu)化:脫模后面窗體積收縮低于5%，且整體收縮較為均勻；殘余應(yīng)力最大值略小于12 MPa(處于澆口邊緣)，離7 MPa 指標(biāo)要求尚有一定距離，后續(xù)可通過模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化、注塑后退火處理來進(jìn)一步降低。

圖4 濾光面窗制品脫模后體積收縮率云圖Fig.4 Volumetric shrinkage of visors after demould

圖5 濾光制品脫模后總體形變Fig.5 Bulk deformation of visors after demould

圖6 濾光制品脫模后殘余應(yīng)力分布云圖Fig.6 Residual stress nephogram of visors after demould

3.3 模具溢流槽對殘余應(yīng)力的影響

溢流槽不僅可以減小產(chǎn)品末端較高殘余應(yīng)力給制品帶來的危險(xiǎn)，還能更好地控制熔體平衡充填，有效改善制品內(nèi)殘余應(yīng)力分布均勻性。

在上述基礎(chǔ)上，通過對面窗模具數(shù)模溢流槽的仿真分析與優(yōu)化，增大了溢流槽面積，并將頂桿設(shè)置在溢流槽處，這既增加了產(chǎn)品脫模頂出時(shí)的平穩(wěn)性，又大大減低了產(chǎn)品頂出出模殘余應(yīng)力。圖7 為在保持工藝參數(shù)一致情況下，未添加溢流槽與添加溢流槽后的產(chǎn)品注塑末端出模殘余應(yīng)力仿真計(jì)算比較圖，可以看出:增加溢流槽后，面窗注塑末端的殘余應(yīng)力最大值已經(jīng)降到10 MPa 以內(nèi)，已較為接近7 MPa 指標(biāo)要求，雖仍略高于7 MPa，但可通過對注塑制品退火處理來進(jìn)一步降低，以達(dá)到指標(biāo)要求。

圖7 溢流槽導(dǎo)致的殘余應(yīng)力變化Fig.7 Changes of residual stress by overflow chutes

注塑仿真分析為工藝設(shè)計(jì)提供了依據(jù)和參考，但仿真分析與實(shí)際成型吻合度尚有差別。 此外，PC 分子鏈剛性大且屬熱敏性高分子材料、面窗性能要求高(包括結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度、光學(xué)性能、尺寸精度等)，導(dǎo)致PC 面窗注塑成型工藝窗口較窄。因此，在仿真基礎(chǔ)上還需通過試制進(jìn)一步驗(yàn)證確定，確保生產(chǎn)出滿足要求的產(chǎn)品。 通過試制，對模具溢流槽進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整，增加了溢料口數(shù)量及溢流槽面積。 圖8 是濾光面窗模具溢流槽調(diào)整情況，通過試制，模具澆口對面的溢料口由1個(gè)增加到7 個(gè)，且澆口兩側(cè)各增加了1 個(gè)，使得溢料口總數(shù)變?yōu)? 個(gè)，并相應(yīng)擴(kuò)展了溢流槽面積，降低了面窗制品殘余應(yīng)力極值，改善了應(yīng)力均衡性，有效解決了面窗注塑過程中應(yīng)力痕、視覺光畸變以及裹氣等缺陷。

圖8 濾光面窗模具溢料口調(diào)整優(yōu)化Fig.8 Adjustment of overflow chutes to visors mould

4 面窗殘余應(yīng)力檢測方法研究與驗(yàn)證

4.1 技術(shù)難點(diǎn)

高性能透明結(jié)構(gòu)件的注塑殘余應(yīng)力檢測是十分必要的。 由于艙外服頭盔面窗為薄壁透明件，無法采用具有破壞性的盲孔法或打孔應(yīng)力釋放法對面窗逐件進(jìn)行注塑殘余應(yīng)力檢查。 此外，面窗的高強(qiáng)度、高光學(xué)性能要求也決定了難以采用脆性涂層法這類方法進(jìn)行檢測，一方面，窗基體PC材料本身對許多化學(xué)涂層具有先天敏感性，面窗與這些化學(xué)涂層的接觸可能會(huì)導(dǎo)致面窗高分子鏈的斷裂及降解，從而影響到面窗的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；另一方面，即使所采用的涂層對面窗具有無損性，會(huì)給后期的涂層清除帶來較大麻煩，污染面窗表面，影響面窗的視覺工效。 而目前在飛機(jī)風(fēng)擋、座艙蓋等大型航空結(jié)構(gòu)透明件殘余應(yīng)力檢測上研究較多的光彈法，因其技術(shù)復(fù)雜、解算繁瑣、系統(tǒng)研制費(fèi)時(shí)費(fèi)力等原因，也很難在艙外航天服頭盔面窗注塑制品殘余應(yīng)力檢測上得到有效應(yīng)用。

艙外航天服頭盔面窗具有注塑生產(chǎn)節(jié)奏緊湊、成型工藝窗口較窄、注塑工藝參數(shù)多且精確控制難度大等特點(diǎn)，因此，如何對注塑成型進(jìn)行在線殘余應(yīng)力檢測并實(shí)現(xiàn)檢測過程的快速簡便以及結(jié)果明確、費(fèi)效合理等是高性能透明頭盔面窗工程研制的重點(diǎn)和難點(diǎn)，同時(shí)也是確保面窗制品質(zhì)量穩(wěn)定可靠的關(guān)鍵。

4.2 方法與驗(yàn)證

針對面窗注塑殘余應(yīng)力檢測的技術(shù)難點(diǎn)，本文根據(jù)面窗工程研制的實(shí)際需求與客觀情況，綜合考慮有損鉆孔法、有損CCL4溶劑浸漬法、無損光彈法這3 種應(yīng)力檢測方法的優(yōu)缺點(diǎn)，在大量試驗(yàn)摸索的基礎(chǔ)上，將有損鉆孔法、有損CCL4溶劑浸漬法、無損光彈法三者相結(jié)合，建立了CCL4溶劑浸漬法在線檢測殘余應(yīng)力閾值＋鉆孔法測定殘余應(yīng)力具體量值＋光彈法判斷批次面窗的殘余應(yīng)力一致性的艙外航天服頭盔面窗殘余應(yīng)力檢測方法，解決了面窗注塑生產(chǎn)殘余應(yīng)力檢測難題。 具體如下:

1)利用CCL4溶劑浸漬法，對面窗注塑在線進(jìn)行抽檢，以初步判斷面窗制品殘余應(yīng)力的最大閾值是否滿足要求。 同時(shí)，通過CCL4溶劑浸漬法，還可對注塑工藝參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性、生產(chǎn)過程工藝參數(shù)的穩(wěn)定性等進(jìn)行判讀。

聚碳酸材料對CCL4等化學(xué)溶劑具有應(yīng)力敏感性。 當(dāng)聚碳酸酯制品內(nèi)應(yīng)力達(dá)到某一值后，在適當(dāng)溶劑與溫度下浸泡一定時(shí)間后可發(fā)生破裂，破裂時(shí)的內(nèi)應(yīng)力值即為某一溫度下聚碳酸酯對某溶劑的極限應(yīng)力，因此，通過溶劑浸漬法可有效判斷聚碳酸酯制品的最大殘余應(yīng)力閾值。 表1 列出了20 ℃下聚碳酸酯對幾種溶劑的極限應(yīng)力[13，19]。 因CCL4溶劑浸漬法屬于破壞性有損檢測方法，所以不可能對每件面窗制品進(jìn)行檢測，只能采用抽檢。

表1 聚碳酸酯對幾種溶劑的極限應(yīng)力Table 1 Utmost stress of PC to several kinds of impregnant

試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)聚碳酸酯面窗殘余應(yīng)力超過7 MPa 時(shí)，以自然形態(tài)(即無任何外加載荷)浸入到濃度≥99.5%的CCL4溶劑中，1 ～2 min 內(nèi)便能快速、直觀觀察到面窗浸漬開裂現(xiàn)象(圖9)。因此，CCL4溶劑浸漬法對面窗注塑在線檢測具有快速、直觀、簡便、時(shí)效性好等優(yōu)點(diǎn)。

圖9 CCL4 溶劑浸漬后面窗開裂Fig.9 Visor crack after CCL4 solvent-impregnanting

此外，因CCL4化學(xué)溶劑具有毒性，人體若長時(shí)間接觸或暴露于高濃度CCL4溶劑(包括蒸汽)中，危及生命。 為此，研制配備了專用的浸漬試驗(yàn)臺，以確保安全，見圖10。

圖10 面窗CCL4 溶劑浸漬試驗(yàn)臺Fig.10 Test-bed of CCL4 solvent-impregnanting for visors

2)在CCL4溶劑浸漬檢測同時(shí)，抽檢一定數(shù)量制品進(jìn)行鉆孔法檢測，以確定殘余應(yīng)力的具體量值。 鉆孔法同樣也屬于破壞性有損檢測方法。因鉆孔法在實(shí)施上需要一定時(shí)間，故在簡便性、快速性、時(shí)效性上不如CCL4 溶劑浸漬法，但在測量結(jié)果上更為具體，因此，二者可優(yōu)勢互補(bǔ)。 鉆孔法對退火后面窗殘余應(yīng)力檢測見圖11。 測試統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明:退火后面窗的最終殘余應(yīng)力最大值為5.9 MPa，完全滿足注塑殘余應(yīng)力≤7 MPa 的指標(biāo)要求。

圖11 面窗制品鉆孔法殘余應(yīng)力測試Fig.11 Residual stress testing of visors by hole-drilling

3)采用光彈法來判斷評價(jià)批次面窗的殘余應(yīng)力一致性。

CCL4溶劑浸漬法、鉆孔法的測試結(jié)果實(shí)際反映的是被抽檢測面窗的殘余應(yīng)力情況，雖對同批次其他面窗產(chǎn)品有參考意義，但還不能直接被認(rèn)定為就是同批次其他未參測面窗產(chǎn)品的殘余應(yīng)力，因此，還需借助其他方法手段建立參測面窗—同批次未參測面窗二者之間的殘余應(yīng)力表征聯(lián)系。

光彈法為非接觸式測量法，主要原理是利用透明材料在應(yīng)力作用下的雙折射現(xiàn)象，通過偏振光場來呈現(xiàn)、提取與透明件應(yīng)力場有關(guān)的干涉條紋圖像，并求解處理后直觀呈現(xiàn)被測件的應(yīng)力狀況，包括應(yīng)力閾值及應(yīng)力分布狀況等，故成為本方案中對批次面窗應(yīng)力是否穩(wěn)定一致的檢測最優(yōu)項(xiàng)。

利用光彈法獲得被測透明件的應(yīng)力狀況仍需繁瑣的實(shí)驗(yàn)手段和數(shù)值方法。 本文從工程實(shí)際出發(fā)，考慮經(jīng)濟(jì)投入、技術(shù)難度、研制周期等實(shí)際問題，借助商用光彈儀來獲取條紋圖像，并通過對條紋圖像的對比判讀(含條紋數(shù)、條紋寬度、條紋密度、條紋形狀等信息)，從而對被檢批次面窗之間的殘余應(yīng)力一致性做出分析，再結(jié)合CCL4溶劑浸漬法、鉆孔法，最終對批次面窗的殘余應(yīng)力水平做出評價(jià)。 圖12 是同批次不同面窗的光彈條紋情況。

圖12 同批次不同面窗試樣的光彈條紋圖Fig.12 Comparison of photoelastic fringes of different visors in the same batch

5 結(jié)論

1)針對聚碳酸酯注塑成型的高性能艙外服頭盔面窗透明件，分析確定并提出了注塑殘余應(yīng)力≤7 MPa 的控制指標(biāo)要求，并通過對注塑過程殘余應(yīng)力狀況的仿真分析及殘余應(yīng)力檢測方法的研究，確保了這一指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)與可控，保障了艙外航天服頭盔面窗的服役性。

2)模具澆口是影響面窗注塑殘余應(yīng)力的主要因素，合理的模具澆口可大幅降低面窗制品殘余應(yīng)力最大閾值，改善殘余應(yīng)力分布均衡性；適當(dāng)增加模具溢料口數(shù)量、增大溢流槽面，能有效解決面窗注塑過程中的應(yīng)力痕等缺陷。

3)突破了面窗注塑生產(chǎn)的在線殘余應(yīng)力檢測難題，建立了將有損CCL4溶劑浸漬法、有損鉆孔法及無損光彈法三者有機(jī)結(jié)合的航天服頭盔面窗殘余應(yīng)力綜合測試方法，為工程產(chǎn)品質(zhì)量保障提供了有效方法。