工程材料第10章

第10章非金屬材料成形10.2陶瓷材料的成形210.1高分子材料的成形110.3復合材料的成形3目錄10.1高分子材料的成形1.工程塑料的成形工藝性能及影響因素1）收縮性塑料制品從模腔中取出冷卻至室溫后，其尺寸發(fā)生縮小的性能稱為收縮性。塑料制品尺寸收縮不僅是樹脂本身熱脹冷縮的結(jié)果，還與各種成形因素有關(guān)。因此，準確地說，成形后塑料制品的收縮應(yīng)稱為成形收縮。成形收縮包括線尺寸收縮、方向性收縮、后收縮和后處理收縮四種類型。10.1.1工程塑料的成形2）流動性影響流動性的因素主要包括溫度、壓力、模具和塑料品種等。（1）溫度的影響。塑料溫度升高，則流動性增大。但對于不同的塑料品種，其溫度的影響程度差異很大。（2）壓力的影響。壓力增大使塑料熔體所受剪力的作用增大，使熔體的表觀黏度下降，從而導致流動性增大。尤以聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯、ABS和有機玻璃等塑料有“剪切變稀”的顯著現(xiàn)象，因此，這些塑料在成形加工時宜使用低溫高壓的技術(shù)。（3）模具的影響。澆注系統(tǒng)的形式、尺寸、布置、冷卻系統(tǒng)設(shè)計、流速阻力等因素都直接影響了熔體在模腔內(nèi)的實際流動性。（4）塑料品種的影響。就熱固性塑料而言，如粒度細，濕度大，含水分及揮發(fā)物多，預(yù)熱及成形條件適當?shù)染欣诟纳屏鲃有裕环粗?，則流動性變差。3）熱敏性熱敏性是指某些熱穩(wěn)定性差的塑料，在塑料溫度高和受熱時間長的情況下，就會產(chǎn)生降解、分解、變色的現(xiàn)象，具有這種現(xiàn)象的塑料稱為熱敏性塑料。4）吸水性吸水性是塑料吸收水分的性質(zhì)。對于具有吸濕或黏附水分傾向的塑料，在成形過程中由于水分在高溫料筒中變?yōu)闅怏w，并促使塑料發(fā)生水解，導致塑料起泡和流動性下降，這不僅增加了塑料制品的成形難度，而且降低了塑料制品的表面品質(zhì)和力學性能。因此，對這一類塑料，在成形之前應(yīng)進行干燥，除去水分。一般水分應(yīng)控制在0.4%以下，ABS的含水量應(yīng)控制在0.2%以下。2.塑料成形方法1）注射成形注射成形又稱為注塑成形，是將顆粒狀或粉狀的塑料從注射機的料斗送進加熱的料筒中，經(jīng)過加熱熔融塑化成為黏流態(tài)熔體，在注射機柱塞或螺桿的高壓推動下，以很大的流速通過噴嘴注入模具型腔，經(jīng)一定時間的保壓冷卻定型后可保持模具型腔所賦予的形狀，然后開模分型獲得塑料制品的成形方法。這樣就完成了一次注射工作循環(huán)。注射成形是在專門的注射機上進行的，如圖10-1所示為螺桿式注射機結(jié)構(gòu)示意圖。圖10-1螺桿式注射機結(jié)構(gòu)示意圖1—注射液壓缸；2—料斗；3—螺桿；4—加熱器；5—噴嘴；6—定模固定板；7—模具；8—拉桿；9—動模固定板；10—合模機構(gòu)；11—合模液壓缸2）壓塑成形壓塑成形又稱為壓縮成形、模壓成形或壓制成形，是將粉狀、粒狀或片狀塑料放在金屬模具中，通過加熱—軟化—熔融，在壓力下使黏流態(tài)熔體充滿模具的成形方法。如圖10-2所示為壓塑成形的示意圖。圖10-2壓塑成形的示意圖1—上模座；2—上凸模；3—凹模；4—下凸模；5—下模板；6—下模座3）擠出成形擠出成形又稱為擠塑成形，是借助螺桿的旋轉(zhuǎn)推進力，將加熱或未經(jīng)加熱的塑料從?？字羞B續(xù)擠出，經(jīng)冷卻凝固后成為具有恒定截面的連續(xù)成形制品的成形方法。如圖10-3所示為管材擠出成形原理示意圖。圖10-3管材擠出成形原理示意圖1—螺桿冷卻水入口；2—料斗冷卻區(qū)；3—料斗；4—料筒；5—料筒加熱器；6—螺桿；7—多孔板；8—機頭(擠出模)；9—機頭加熱器；10—定徑套；11—冷卻裝置；12—壓縮空氣堵頭；13—牽引裝置；14—切斷裝置；15—管材4）壓延成形壓延成形是將加熱塑化的物料通過一系列相向旋轉(zhuǎn)的輥筒之間，受擠壓和延展作用成為平面狀連續(xù)材料的成形方法。壓延成形生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量好，且可直接制出各種花紋和圖案。但其設(shè)備龐雜，維修復雜，且制品寬度受限制。壓延成形可用于各類熱塑性塑料的成形，主要產(chǎn)品有薄膜、片材和人造革等。3.塑料制品的結(jié)構(gòu)設(shè)計1）形狀塑料制品的內(nèi)外表面形狀應(yīng)在滿足使用要求的情況下，盡可能易于成形，避免側(cè)孔與側(cè)凹，防止使用側(cè)抽芯或瓣合模使模具結(jié)構(gòu)復雜，制造成本提高，塑料制品修整量增加。如圖10-4所示為防止采用側(cè)抽芯或瓣合模的設(shè)計。圖10-4防止采用側(cè)抽芯或瓣合模的設(shè)計2）壁厚塑料制品的壁厚應(yīng)適當和均勻。壁厚過小難以滿足使用時的強度及剛度要求，熔體充滿型腔時流動阻力大，易出現(xiàn)缺料現(xiàn)象，大型復雜的塑料制品難以充滿型腔；壁太厚的塑料制品內(nèi)部會產(chǎn)生氣泡，易出現(xiàn)縮孔，且塑料制品外部易產(chǎn)生凹陷等缺陷；壁厚不均將造成收縮不一致，導致塑料制品變形或翹曲，如圖10-5所示圖10-5壁厚應(yīng)適當和均勻3）脫模斜度為了便于脫模和抽芯，防止塑料制品表面在脫模時劃傷，塑料制品與脫模方向平行的內(nèi)、外表面應(yīng)具有合理的脫模斜度，如圖10-6所示。4）加強筋加強筋的主要作用是加強塑料制品的強度和剛度，避免塑料制品翹曲變形，如圖10-7所示。合理布置加強筋還可以改善充模狀況，減少塑料制品內(nèi)應(yīng)力，避免產(chǎn)生氣孔、縮孔和凹陷等缺陷。圖10-6塑料制品的脫模斜度圖10-7采用加強筋避免塑料制品翹曲變形5）球形面或拱形面薄殼狀的寬底容器的底部剛性較差，應(yīng)設(shè)計成球面或拱形面，以增加剛性，減少翹曲變形，如圖10-8所示。對于薄壁容器的邊緣，可按如圖10-9所示的設(shè)計步驟來增強剛性，以減少翹曲變形。圖10-8容器底部剛性的增強圖10-9薄壁容器邊緣剛性的增強6）圓角在塑料制品的內(nèi)外表面轉(zhuǎn)彎處應(yīng)采用圓角過渡，以減少應(yīng)力集中，避免在受力或沖擊振動時發(fā)生破裂。如圖10-10所示，改為圓角過渡后，不僅避免了應(yīng)力集中，提高了強度，而且使塑料成形美觀，也有利于塑料充模時的流動。圓角半徑的大小主要取決于塑料制品的壁厚，如圖10-11所示。圖10-10塑料制品的圓角圖10-11塑料制品的圓角半徑7）孔塑料制品上常見的孔有通孔、不通孔、異形孔。在設(shè)計孔的位置時，應(yīng)盡量不削弱塑料制品的強度，不增加模具制造的復雜性。孔與孔之間、孔與壁之間應(yīng)留有足夠的距離。8）螺紋塑料制品上的螺紋可以直接用模具成形，也可以用機械加工成形。螺紋直徑不宜過小，螺紋的配合長度一般不大于8～10牙。為了增加塑料制品螺紋的強度，防止螺孔最外圈螺紋崩裂或變形，方便螺紋的擰入，螺紋的始端和末端均不應(yīng)突然開始和結(jié)束，在螺孔始端應(yīng)留有0.2～0.8mm的凹臺。機械加工機械加工是采用鉆、磨、銑、車削等機械加工方法的二次加工過程。連接加工連接加工是采用熱熔黏接(焊接)、黏接、機械連接等方法，使塑料型材或零件固定在一起的二次加工過程。表面加工表面加工是對塑料制品表層進行修整和裝飾，以改變塑料制品的表面性質(zhì)，提高其抗老化、耐腐蝕能力的二次加工方法。此外，它也可起著色裝飾作用。4.塑料加工的工藝過程塑料加工的工藝過程包括塑料成形和塑料加工。成形后的塑料制品或半成品，按產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及精度要求的不同，有的還要進行加工和修飾。塑料加工是塑料成形后的再加工，又稱為二次加工，是將成形后的塑料制品通過適當?shù)墓に嚪椒ㄖ瞥芍破?。常用的塑料加工方法可分為機械加工、連接加工和表面加工三種類型。10.1.2工業(yè)橡膠的成形1.橡膠的成形性能橡膠的成形性能包括流動性能、流變性能、硫化性能和熱物理性能四個方面。1）流動性能橡膠在一定的溫度、壓力作用下，能夠充滿型腔各個部分的性能稱為橡膠的流動性能。2）流變性能橡膠的黏度隨剪切速率的降低而減小的特性稱為流變性能。3）硫化性能硫化性能是橡膠通過硫化處理，獲得各種最佳的物理性能和力學性能的能力。4）熱物理性能熱物理性能的優(yōu)劣直接影響橡膠制品的性質(zhì)。影響熱物理性能的因素包括熱導率、熱擴散率和體積熱容。2.橡膠加工的工藝過程橡膠加工的工藝過程包括生膠的塑煉、膠料的混煉、橡膠的成形和橡膠的硫化等，如圖10-12所示。圖10-12橡膠加工的工藝過程1）塑煉天然橡膠和多數(shù)合成橡膠塑性太低，與橡膠配合劑不易混合均勻，也難以加工成形，所以生膠需要塑煉。塑煉是生膠在氧化(或塑解劑)和加熱情況下，在機械力(剪切)作用或化學作用下，適當降低高聚物的分子量，增加可塑性的過程。2）混煉混煉是將塑煉膠和各種配合劑用機械方法使其完全均勻分散的過程。混煉所得的膠坯稱為混煉膠。配合劑的作用是改善橡膠的加工性能及制品性能。常用的混煉設(shè)備主要有開放式煉膠機和密閉式煉膠機。密閉式煉膠機混煉的工藝過程如圖10-13所示。圖10-13密閉式煉膠機混煉的工藝過程1—轉(zhuǎn)子；2—上頂栓；3—膠料；4—下定栓3）成形成形是將混煉膠制成所需形狀、尺寸和性能的橡膠制品的過程。常用的橡膠成形方法有壓延成形、模壓成形、擠出成形和注射成形等。4）硫化硫化是通過改變橡膠的化學結(jié)構(gòu)(如交聯(lián))而賦予橡膠彈性，或改善、提高橡膠彈性，并使橡膠彈性擴展到更寬的溫度范圍的過程。硫化使橡膠各部位的組織不同程度地形成了空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使塑性的混煉膠變?yōu)楦邚椥缘牧蚧z或硬質(zhì)的硫化膠，從而獲得更完善的物理、化學和力學性能，提高了橡膠材料的使用價值，拓寬了橡膠材料的應(yīng)用范圍。3.橡膠的成形方法1）壓延成形壓延成形主要包括壓片、貼合、壓型、貼膠、擦膠等工藝過程。常用的壓延設(shè)備有三輥壓延機和四輥壓延機。如圖10-14所示為膠布的壓延工藝過程，當紡織物和膠片通過一對相向旋轉(zhuǎn)的輥筒間隙時，在輥筒的擠壓力作用下貼合在一起而制成膠布。圖10-14膠布的壓延工藝過程2）模壓成形模壓成形是將預(yù)先壓延好的橡膠半成品按一定規(guī)格下料后置于壓制模具中，合模后在液壓機上按規(guī)定的工藝條件壓制，在加熱、加壓的條件下，使膠料呈現(xiàn)塑性流動充滿型腔，經(jīng)一定的持續(xù)加熱時間后完成硫化，再經(jīng)脫模和修邊后得到制品的成形方法。橡膠的模壓成形過程包括加料、閉模、硫化、脫模及模具清理等工藝過程，其中最重要的是硫化過程。用模壓成形的方法生產(chǎn)橡膠制品的工藝流程如圖10-15所示。圖10-15用模壓成形的方法生產(chǎn)橡膠制品的工藝流程3）擠出成形擠出成形的主要設(shè)備是橡膠擠出機，其基本結(jié)構(gòu)與塑料擠出機相同。如圖10-16所示為膠料在橡膠擠出機機筒內(nèi)的運動情況。膠料自橡膠擠出機的加料口進入機筒后，在機筒和旋轉(zhuǎn)的螺桿間受到推擠、剪切和攪拌等作用，逐漸升溫塑化和熔融成為連續(xù)的黏流體，并被推擠至機頭?？滋帞D出成形。圖10-16膠料在橡膠擠出機機筒內(nèi)的運動情況1—螺桿；2—膠料；3—機筒4）注射成形注射成形是一種將膠料直接從機筒注入閉合模具硫化的成形方法，即先將膠料加熱塑化成熔融態(tài)，再高壓注射到模具的模腔中熱壓硫化成形。注射成形能一次成形外形復雜、帶有嵌件的橡膠制品，具有尺寸精確、質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高的特點，主要用于生產(chǎn)密封圈、減振墊和鞋類等。注射成形的主要設(shè)備是橡膠注射機，其基本結(jié)構(gòu)與塑料注射機相同。橡膠注射成形的工藝主要包括喂料塑化、注射保壓、硫化、出模等。10.2陶瓷材料的成形陶瓷作為一種重要的結(jié)構(gòu)材料，具有高強度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點，無論在傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域，還是在高新技術(shù)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。然而陶瓷所固有的高強度、高硬度等優(yōu)點卻同時給陶瓷制品的成形、加工帶來了很多困難，因此使得研究各種陶瓷成形技術(shù)變得至關(guān)重要。陶瓷材料成形就是將分散體系（粉料、塑性物料、漿料）轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢◣缀涡螤詈蛷姸鹊膲K體，也稱為素坯。10.2.1陶瓷材料成形基礎(chǔ)10.2.2陶瓷材料成形方法1.注漿成形法1）常用注漿成形法（1）空心注漿成形法?？招淖{成形法是將泥漿注入多孔模型內(nèi)，當附著于模壁的泥漿失水形成泥層達到要求的厚度時，傾倒出多余的泥漿而形成空心注件的成形方法，如圖10-17所示。圖10-17空心注漿成形法的示意圖（2）實心注漿成形法。實心注漿成形法是將泥漿注入有內(nèi)外兩層模的夾縫中，泥漿中的水分被模型從兩面吸收，在內(nèi)外兩層模之間形成注件，而沒有多余的泥漿排出的成形方法，如圖10-18所示。圖10-18實心注漿成形法的示意圖真空注漿成形法真空注漿成形法是在模型外邊抽取真空，或?qū)⒕o固的模型放在處于負壓的真空室中的成形方法。其目的是造成模型內(nèi)外的壓力差，提高注漿成形的推動力。離心注漿成形法離心注漿成形法是向旋轉(zhuǎn)的模型中注入泥漿，在離心力的作用下，使泥漿緊靠模型脫水而形成坯體的成形方法。壓力注漿成形法壓力注漿成形法是通過提高泥漿壓力來增大注漿過程的推動力，加速水分擴散的成形方法。2）強化注漿成形法強化注漿成形法是在注漿過程中人為地施加外力，加速注漿過程的進行，使吸漿速度和坯體強度得到明顯改善的成形方法。強化注漿成形法包括真空注漿成形法、離心注漿成形法和壓力注漿成形法三種類型。2.可塑成形法1）滾壓成形法滾壓成形法是將盛放著泥料的石膏模型和滾壓頭分別繞自己的軸線以一定的速度和方向旋轉(zhuǎn)，滾壓頭在轉(zhuǎn)動的同時，逐漸靠近石膏模型，并對泥料進行滾壓的成形方法，如圖10-19所示。圖10-19滾壓成形法的示意圖2）塑壓成形法塑壓成形法是將可塑泥料放在模型內(nèi)在常溫下壓制成坯的成形方法。塑壓成形法的工藝過程如圖10-20所示。其中，“＋”表示送壓縮空氣，“－”表示抽真空。圖10-20塑壓成形法的工藝過程3.模壓成形法模壓成形法主要包括壓制成形法和等靜壓成形法兩種類型。1）壓制成形法壓制成形法是利用壓力將置于模具內(nèi)的粉料壓緊至結(jié)構(gòu)緊密，形成具有一定形狀和尺寸的坯體的成形方法。壓制成形的坯體水分含量低，致密，干燥收縮小，形狀尺寸準確，質(zhì)量高。此外，壓制成形法的成形過程簡單，生產(chǎn)量大，便于機械化的大規(guī)模生產(chǎn)，對具有規(guī)則幾何形狀的扁平坯體尤為適宜。由于坯體各向受壓均勻，坯體在燒成時的變形和收縮減小，不至于因密度差而產(chǎn)生應(yīng)力導致在制品上燒成裂紋。可以壓制形狀復雜、大件及細而長的制品，而且成形質(zhì)量高。可以不增加操作難度，且比較方便地提高成形壓力。模具制作方便，壽命長，成本較低。12345可以少用或不用黏結(jié)劑。2）等靜壓成形法等靜壓成形法又稱為靜水壓成形法，是利用液體介質(zhì)的不可壓縮性和均勻傳遞壓力性的一種成形方法。等靜壓成形法具有以下特點：10.3復合材料的成形10.3.1樹脂基復合材料的成形1.手糊成形法手糊成形法是指用手工或在機械輔助下，將增強材料和熱固性樹脂鋪覆在模具上，樹脂固化形成復合材料的成形方法。手糊成形法制造復合材料制品的工序為原材料準備—模具準備—涂刷脫模劑—噴涂膠衣—糊制成形—固化—脫模—修邊—裝配—制品驗收。圖10-21手糊成形法的示意圖1—模具；2—增強材料；3—壓輥；4—樹脂2.噴射成形法噴射成形法是利用噴槍將短纖維及樹脂同時噴到模具上并壓實固化成制品的成形方法。如圖10-22所示為噴射成形法的示意圖。噴射成形法要求樹脂黏度低，易于霧化，主要用于不需加壓、室溫固化的不飽和聚酯樹脂。大多數(shù)噴射設(shè)備的噴射速度為2～10kg/min。圖10-22噴射成形法的示意圖1—粗紗；2—模具；3—樹脂+引發(fā)劑；4—樹脂+促進劑；5—輥子；6—制品3.拉擠成形法拉擠成形法是將浸漬了樹脂膠液的連續(xù)纖維，通過成形模具在模腔內(nèi)加熱固化成形，在牽引機構(gòu)的拉力作用下，連續(xù)拉拔出制品的成形方法。如圖10-23所示為拉擠成形法的示意圖。圖10-23拉擠成形法的示意圖1—纖維；2—樹脂槽；3—預(yù)成形模；4—固化模；5—牽引機構(gòu)；6—切割鋸4.層壓成形法層壓成形法是將一定層數(shù)的浸膠布(紙)疊在一起，送入多層液壓機，在一定的溫度和壓力下壓制成板材的成形方法。層壓成形法是復合材料的一種主要成形方法。5.模壓成形法模壓成形法是將模壓料置于金屬對模中，在一定的溫度下，加壓固化為復合材料制品的成形方法，是一種對熱固性樹脂和熱塑性樹脂都適用的纖維增強復合材料的成形方法。6.纏繞成形法纏繞成形法是將連續(xù)纖維或帶浸漬樹脂膠液后的纖維，按照一定的規(guī)律纏繞到芯模上，然后在加熱或常溫下固化，制成一定形狀制品的成形方法。10.3.2金屬基復合材料的成形1.固態(tài)法1）擴散黏結(jié)法擴散黏結(jié)法是一種在較長時間、較高溫度和較高壓力下，通過固態(tài)焊接工藝，使同類或不同類金屬在高溫下相互擴散而黏結(jié)在一起的成形方法。如圖10-24所示為擴散黏結(jié)法的示意圖。圖10-24擴散黏結(jié)法的示意圖2）形變法形變法是利用金屬具有塑性成形的工藝特點，通過熱軋、熱拉、熱擠壓等加工手段，使已復合好的顆粒、晶須、短纖維增強金屬基復合材料進一步加工成板材的成形方法。3）粉末冶金法粉末冶金法是一種用于制造、成形顆粒增強(非連續(xù)增強型)金屬基復合材料的傳統(tǒng)固態(tài)成形方法。如圖10-25所示為粉末冶金法的示意圖。圖10-25粉末冶金法的示意圖2.液態(tài)法（1）擠壓鑄造法。擠壓鑄造法是通過壓機將液態(tài)金屬強行壓入增強材料的預(yù)制件中制造復合材料的成形方法。（2）真空壓力浸漬法。真空壓力浸漬法是在真空和高壓惰性氣體的共同作用下，