高鐵軍，劉 青，許夢(mèng)龍，呂陽(yáng)杰

1 引言

聚醚酰亞胺（PEI）是一種琥珀色透明的熱塑性樹(shù)脂，具有優(yōu)良的機(jī)械性能、電絕緣性能、耐輻射性能及耐磨性能，可在（-160～170）℃下長(zhǎng)期使用，已在航空、航天、機(jī)械、電子等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前，對(duì)于這種材料制件多采用注射方法進(jìn)行加工，注塑溫度為（350～425）℃，注塑壓力為（150～200）MPa，注射溫度較高、所需壓力較大、工藝過(guò)程復(fù)雜。對(duì)于一些形狀較為復(fù)雜、尺寸精度要求高、生產(chǎn)批量較小的薄壁零件（類(lèi)似于鈑金件），如果采用注射方法，模具制造難度大、單件生產(chǎn)成本高、并且成形質(zhì)量也不易保證[1-2]。

如果選用事先制備好的樹(shù)脂板材，在一定溫度及壓力條件下進(jìn)行成形，那么零件的生產(chǎn)周期將會(huì)大幅度縮短，生產(chǎn)成本也將會(huì)大幅度降低，從而受到航空、航天企事業(yè)及相關(guān)高校科研工作者的重視，并已在PC、PEEK、ABS制件的成形中得到了較好應(yīng)用。文獻(xiàn)[3]進(jìn)行了PC板材多點(diǎn)成形的研究，通過(guò)對(duì)PC板材多點(diǎn)成形的數(shù)值模擬，分析了成形溫度、成形壓力、凸凹模圓角半徑等成形工藝參數(shù)對(duì)零件成形質(zhì)量的影響，綜合以上數(shù)值模擬結(jié)果確定了最佳的成形工藝參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了PC板材多點(diǎn)成形試驗(yàn)，驗(yàn)證了PC板材多點(diǎn)成形的可行性；文獻(xiàn)[4]通過(guò)不同溫度和應(yīng)變速率下的單向拉伸實(shí)驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)，建立了PEEK材料的Johnson-Cook模型，同時(shí)利用ABAQUS顯式動(dòng)態(tài)分析理論模擬，分析了PEEK在高溫條件下的力學(xué)行為，為PEEK板材熱成形的研究提供了一定的參考；文獻(xiàn)[5]確定了PC板材的本構(gòu)方程參數(shù)，建立了PC板材多點(diǎn)成形的有限元模型，分析了多點(diǎn)成形對(duì)PC成形試件表面壓痕的影響，研究結(jié)果表明減小多點(diǎn)模具的基本尺寸以及增加基本體的球頭半徑可以有效地抑制成形零件表面的壓痕，提高成形零件的精度；文獻(xiàn)[6]通過(guò)有限元模擬軟件DEFORM模擬分析了PC板材熱態(tài)氣壓脹形過(guò)程，并從幾何形狀變化、應(yīng)力、應(yīng)變及壁厚分布等方面對(duì)其成形工藝進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著熱氣壓脹形壓力均勻增加至某特定值時(shí)，PC板材會(huì)有一個(gè)突然的變形，突變后的形狀與模具的貼合度較高。

粘性介質(zhì)溫?zé)岢尚问沁x用在一定溫度條件下具有良好熱穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性能的半固態(tài)、可流動(dòng)和較高粘度的高分子聚合物代替?zhèn)鹘y(tǒng)的凸（或凹）模的一種成形新方法。與傳統(tǒng)的溫?zé)岢尚畏椒ㄏ啾容^，粘性介質(zhì)能夠自適應(yīng)于成形板材形狀的變化，有效緩解板材的局部變形、劇烈減薄和頸縮等質(zhì)量缺陷的產(chǎn)生，可以較大幅度提高材料的成形性能；同時(shí)，粘性介質(zhì)屬于半固態(tài)的粘性流體，成形過(guò)程不會(huì)對(duì)PEI板材表面造成劃痕或劃傷，具有成形試件質(zhì)量好、尺寸精度高等優(yōu)點(diǎn)。因此，粘性介質(zhì)溫?zé)岢尚畏椒蔀樾∨?、薄壁?lèi)PEI制件的高質(zhì)量、低成本制造提供一種新的途徑[7-10]。通過(guò)單向拉伸實(shí)驗(yàn)確定了不同溫度條件下PEI板材的力學(xué)性能，采用脹形方法進(jìn)行了粘性介質(zhì)溫?zé)岢尚蔚目尚行匝芯?，并?duì)脹形試件壁厚分布、變形規(guī)律、表面質(zhì)量等進(jìn)行了分析和討論。

2 試驗(yàn)材料及方案

2.1 試驗(yàn)材料

PEI分子結(jié)構(gòu)式，如圖1所示。是由雙酚A、間苯二胺、4-羥基-1，2-苯二甲酸按1：2：2的摩爾比縮合而成。試驗(yàn)選用的PEI板材厚度為1.7mm，考慮到材料的耐熱溫度和使用條件，分別在20℃、50℃、100℃、150℃和 180℃條件下進(jìn)行了拉伸實(shí)驗(yàn)，拉伸速度為5mm/min。不同溫度條件下拉伸試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，如圖2所示。從圖中可以看出，成形溫度對(duì)PEI板材拉伸性能影響較大，隨著溫度的升高，PEI板材彈性變形區(qū)間逐漸減少，從而有利于減小成形試件回彈，提高成形試件的貼模性；同時(shí)，隨著溫度的升高，材料的屈服應(yīng)力逐漸下降，而且材料延伸率先增加后減小，并在150℃時(shí)達(dá)到最大；當(dāng)溫度為180℃時(shí)，聚醚酰亞胺拉伸試件出現(xiàn)了明顯的發(fā)白現(xiàn)象，從而導(dǎo)致材料延伸率也有所減小，一定條件下影響了PEI板材的使用性能和成形性能。

圖1 聚醚酰亞胺分子結(jié)構(gòu)式Fig.1 Molecular Structural Formula of PEI

圖2 不同溫度下拉伸試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.2 Stress-Strain Curves of Tensile Specimens at Different Temperatures

試驗(yàn)用的粘性介質(zhì)為甲基乙烯基硅膠，該材料是由二甲基硅氧烷與少量乙烯基硅氧烷共聚而成的無(wú)色透明、粘滯塑性直鏈高分子聚合物。本次試驗(yàn)選擇的甲基乙烯基硅膠分子量為（60×104）g/mol，剪切粘度為 25000Pa·s，耐熱溫度為 250℃。當(dāng)成形溫度超過(guò)耐熱溫度后，甲基乙烯基硅橡膠將會(huì)發(fā)生降解和老化，形成硅氧烷的低聚物環(huán)體及其它小分子。

2.2 試驗(yàn)方案

PEI板材粘性介質(zhì)溫?zé)崦浶卧囼?yàn)裝置，如圖3所示。主要由模具、加熱裝置及溫度控制系統(tǒng)三部分組成?？紤]到模具和粘性介質(zhì)的導(dǎo)熱性能和傳熱效率，選擇的試驗(yàn)凹模內(nèi)徑為60mm、外徑為120mm、凹模圓角半徑為8mm；同時(shí)，選用功率為3kW的半開(kāi)放式加熱圈進(jìn)行加熱，溫度精度為±3℃。成形時(shí)，通過(guò)熱加圈將模具、PEI板材和粘性介質(zhì)加熱到既定溫度后保溫30min，從而使試驗(yàn)裝置及PEI板材的溫度趨于均勻。而后通過(guò)100t液壓機(jī)的頂出缸向上運(yùn)動(dòng)壓縮粘性介質(zhì)迫使PEI板材成形，液壓機(jī)頂出缸的頂出速度為5mm/min?？紤]到PEI板材的力學(xué)性能，脹形溫度分別為20℃、50℃、100℃和150℃。

圖3 粘性介質(zhì)溫?zé)崦浶卧囼?yàn)裝置Fig.3 Equipment of Viscous Warm Pressure Bulging Experiment

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

對(duì)于脹形試驗(yàn)，通常采用極限脹形高度Hmax來(lái)衡量板材的成形性能。試驗(yàn)過(guò)程板材的極限脹形高度越高，其成形性能就越好。此外，對(duì)于PEI板材，還需要考慮傳力介質(zhì)對(duì)試件表面質(zhì)量及光澤度的影響，如果變形后表面出現(xiàn)劃傷或者光澤度發(fā)生變化，也將會(huì)影響PEI制件的使用性能。不同溫度條件下極限脹形試件及高度的對(duì)比，如圖4所示。20℃、50℃、100℃、150℃條件下PEI板材的極限脹形高度分別為17.4mm、25.3 mm、31.6 mm和36.3 mm。隨著成形溫度的升高，試件極限脹形高度不斷增加。與20℃條件下相比較，150℃時(shí)PEI板材的極限脹形高度增加了2.1倍。同時(shí)，從圖4中還可以看出，極限脹形試件表面沒(méi)有出現(xiàn)劃痕或老化現(xiàn)象，試件表面光澤和透光性也沒(méi)有因?yàn)椴牧系淖冃味l(fā)生變化。從而說(shuō)明，選用PEI板材，在粘性介質(zhì)溫?zé)釛l件下可以成形出形狀復(fù)雜、表面質(zhì)量好的薄壁類(lèi)零件。

圖4 不同溫度下極限脹形試件及高度的對(duì)比Fig.4 Comparison of Limit Bulging Heights and Specimens at Different Temperatures

采用關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)得到的不同溫度下的極限脹形試件中心截面形狀及壁厚減薄率變化情況，如圖5所示。從圖5中可以看出，隨著溫度的升高，極限脹形試件輪廓均勻向外擴(kuò)展，試件壁厚減薄率逐漸增大，最大壁厚減薄率從20℃時(shí)的40.9%增加到150℃時(shí)的71.5%，均出現(xiàn)在試件的中心區(qū)域，并沿著半徑方向壁厚減薄率逐漸降低。此外，從圖5中還可以看出，不同于傳統(tǒng)金屬材料的脹形過(guò)程，在一定溫度條件下PEI板材脹形試件的最大壁厚減薄率在脹形試件中心呈現(xiàn)出區(qū)域性分布，并且最大壁厚減薄率區(qū)域面積隨著溫度的增加而增大。在20℃時(shí)，試件最大壁厚減薄率區(qū)域在脹形試件中心±1.5mm范圍內(nèi)，當(dāng)溫度提高到150℃，最大壁厚減薄率的范圍增加到了距離中心±15mm范圍內(nèi)。也就是說(shuō)在20℃時(shí)，極限脹形試件在距離中心±1.5mm范圍內(nèi)的最大減薄率均為40.9%；而在150℃時(shí)，極限脹形試件在距離中心±15mm范圍內(nèi)的最大減薄率均為71.5%。

圖5 不同溫度下脹形試件中心截面輪廓及壁厚減薄率Fig.5 Central Section Profile and Wall Thickness Reduction Rate of Specimens at Different Temperatures

對(duì)于板材而言，其受力狀態(tài)不同，材料的成形性能也會(huì)發(fā)生較大變化。為了分析受力狀態(tài)對(duì)PEI板材成形性能的影響，對(duì)極限拉伸試件和極限脹形條件下的試件最大減薄率進(jìn)行了測(cè)量和對(duì)比分析。不同溫度下單向拉伸實(shí)驗(yàn)與粘性介質(zhì)溫?zé)崦浶卧囼?yàn)的試件最大減薄率的對(duì)比結(jié)果，如圖6所示。20℃、50℃、100℃、和150℃條件下PEI板材極限拉伸試件的減薄率分別為17.5%、20.8%、20.9%和20.9%，可見(jiàn)在單向拉伸時(shí)，當(dāng)成形溫度超過(guò)50℃后，拉伸試件最大減薄率變化較小。而脹形時(shí)，20℃、50℃、100℃、和150℃條件下PEI板材極限脹形試件的減薄率分別為40.9%、55.0%、64.3%和71.5%。相比于單向應(yīng)力狀態(tài)，PEI板材在雙向拉應(yīng)力狀態(tài)下試件的最大減薄率出現(xiàn)了明顯的增大，這說(shuō)明相比于單向應(yīng)力狀態(tài)，PEI板材在雙向受拉應(yīng)力狀態(tài)下具有更好成形性能。

圖6 不同溫度下拉伸試件與脹形試件最大減薄率的對(duì)比Fig.6 Comparison of the Maximum Thickness Reduction Rate Between Tensile and Bulging Specimens at Different Temperatures

4 結(jié)論

（1）在（20～180）℃范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，PEI板材的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度降低，延伸率和變形能力提高，并在150℃條件下達(dá)到了最優(yōu)。（2）PEI板材粘性介質(zhì)極限脹形高度隨著溫度的升高而增大，脹形試件的最大壁厚減薄率在脹形試件中心，呈現(xiàn)區(qū)域性分布，區(qū)域面積隨著變形溫度和變形量的增大而增加。（3）粘性介質(zhì)溫?zé)岢尚畏椒軌驖M(mǎn)足PEI板材成形的需要，具有成形質(zhì)量好、對(duì)試件表面光澤及透光性無(wú)影響等優(yōu)點(diǎn)。（4）對(duì)比極限拉伸和脹形試件的最大減薄率，說(shuō)明PEI板材在雙向受拉應(yīng)力狀態(tài)下具有更好成形性能。