模压成型制作玻璃钢球阀要点

1、061100117 范鹏毕业设计：以模压工艺生产玻璃钢球阀的工厂设计1 .前言1.1 模压成型工艺模压成型工艺是复合材料生产中最古老而又富有无限活力的一种成型方法。 它是将一定量的预混料或预浸料加入金属对模内， 经加热、加压固化成型的方法。 模压成型工艺的主要特点： 生产效率高，便于实现专业化和自动化生产；产品尺寸精度高，重复性好；表面光洁，无需二次修饰；能一次成型结构复杂的制品； 因为批量生产，价格相对低廉； 加热加压成型，制品结构致密，固化程度高。模压成型的不足之处在于模具制造复杂，投资较大，加上受压机限制，最适合于批量生产中小型复合材料制品。 随着金属加工技术、压机制造水平及合成树 脂工

2、艺性能的不断改进和发展，压机吨位和台面尺寸不断增大，模压料的成型温 度和压力也相对降低，使得模压成型制品的尺寸逐步向大型化发展， 目前已能生 产大型汽车部件、浴盆、整体卫生间组件等。模压成型工艺按增强材料物态和模压料品种可分为如下几种： 纤维料模压法是将经预混或预浸的纤维状模压料，投入到金属模具 内，在一定的温度和压力下成型复合材料制品的方法。该方法简便易 行，用途广泛。根据具体操作上的不同，有预混料模压和预浸料模压 法。 碎布料模压法将浸过树脂胶液的玻璃纤维布或其它织物，如麻布、有 机纤维布、石棉布或棉布等的边角料切成碎块，然后在金属模具中加 温加压成型复合材料制品。 织物模压法将预先织成所

3、需形状的两维或三维织物浸渍树脂胶液，然 后放入金属模具中加热加压成型为复合材料制品。 层压模压法将预浸过树脂胶液的玻璃纤维布或其它织物，裁剪成所需 的形状，然后在金属模具中经加温或加压成型复合材料制品。 缠绕模压法 将预浸过树脂胶液的连续纤维或布（带），通过专用缠绕机提供一定的张力和温度，缠在芯模上，再放入模具中进行加温加压 成型复合材料制品。 片状塑料（SMC）模压法 将SMC片材按制品尺寸、形状、厚度等要求裁剪下料，然后将多层片材叠合后放入金属模具中加热加压成型制 品。 预成型坯料模压法先将短切纤维制成品形状和尺寸相似的预成型坯 料，将其放入金属模具中，然后向模具中注入配制好的粘结剂（树脂

4、 混合物），在一定的温度和压力下成型。模压料的品种有很多，可以是预浸物料、预混物料，也可以是坯 料。当前所用的模压料品种主要有：预浸胶布、纤维预混料、 BMC、 DMC、HMC、SMC、XMC、TMC 及 ZMC 等品种。1.1.1. 材料1.1.1.1 合成树脂复合材料模压制品所用的模压料要求合成树脂具有：对增强材料有良 好的浸润性能，以便在合成树脂和增强材料界面上形成良好的粘结；有适 当的粘度和良好的流动性，在压制条件下能够和增强材料一道均匀地充满整 个模腔；在压制条件下具有适宜的固化速度，并且固化过程中不产生副产 物或副产物少，体积收缩率小；能够满足模压制品特定的性能要求。按以 上的选材

5、要求，常用的合成树脂有：不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、 乙烯基树脂、吠喃树脂、有机硅树脂、聚丁二烯树脂、烯丙基酯、三聚鼠胺 树脂、聚酰亚胺树脂等。为使模压制品达到特定的性能指标，在选定树脂品 种和牌号后，还应选择相应的辅助材料、填料和颜料。1.1.1.2 增强材料模压料中常用的增强材料主要有玻璃纤维开刀丝、无捻粗纱、有捻粗纱、 连续玻璃纤维束、玻璃纤维布、玻璃纤维毡等，也有少量特种制品选用石棉 毡、石棉织物（布）和石棉纸以及高硅氧纤维、碳纤维、有机纤维（如芳纶 纤维、尼龙纤维等）和天然纤维（如亚麻布、棉布、煮炼布、不煮炼布等） 等品种。有时也采用两种或两种以上纤维混杂料作增强材料。1.1

6、.1.3 辅助材料一般包括固化剂（引发剂）、促进剂、稀释剂、表面处理剂、低收缩添加 齐I、脱模剂、着色剂（颜料）和填料等辅助材料。1.1.2. 模压料的制备以玻璃纤维（或玻璃布）浸渍树脂制成的模压料为例，其生产工艺可分为预 混法和预浸法两种。（1）预混法 先将玻璃纤维切割成3050mm的短切纤维，经蓬松后在捏合 机中与树脂胶液充分捏合至树脂完全浸润玻璃纤维，再经烘干（晾干）至适当粘度即可。其特点是纤维松散无定向，生产量大，用此法生产的模压料比容大，流 动性好，但在制备过程中纤维强度损失较大。（2）预浸法纤维预浸法是将整束连续玻璃纤维（或布）经过浸胶、烘干、 切短而成。其特点是纤维成束状，比较紧

7、密，制备模压料的过程中纤维强度损失 较小，但模压料的流动性及料束之间的相容性稍差。1.1.3. 模压成型工艺的流程1.1.3.1 .模压料预热模压料预热目的主要有三个，一是提高物料流动性，可预压成型，便于装模; 二是用一去除物料中大部分的水分和挥发物， 提高制品性能；三是可以降低模压 压力，减少对型腔的磨损，延长模具的使用寿命。1.1.3.2 模具预热模具预热目的模具温度与物料预热温度基本相同， 因此两者之间不会产生温 度差；降低模压压力，减少对型腔的磨损，延长模具的使用寿命；缩短固化周期, 提高生产效率。以下是预热对线型酚醛模压料制品性能的影响的一个表格：压制温度 (V )读热情次冲击强度

8、(kJ/mi)弯曲强度 (kPa)马丁新热 (V )24h吸水率 (%)1乃未1蛆9898 Gr iooP 100» 然109107 511074190未跳111103101.761R 热118115124 3501.1.3.3 模压料的计量物料量直接影响制品的尺寸精度，量过多，模具无法闭合，制品增厚；量过少，可能无法压制出所要求的形状或制品不致密。目前对模压料的计量普遍的做法是预先对模具尺寸进行粗略的估算，然后通过试压，通过性能试验考核，找出相对合适的装料量。装料量等于模压料制品的密度X制品的体积， 再加上3- 5%的挥发物、毛刺 等损耗。制品的体积粗略估算法：i、形状、尺寸简化法

9、：将复杂形状的制品凭经验简化成一系列的标准几何 形状，同时将尺寸也作相应变更后再进行计算。ii、密度比较法：当模压料制品有相对应的金属或其它材料零件时。以如下P金属制品="金属制品公式计算:其中w分别为模压制品和金属制品的重量，p分别为模压制品和金属制品 的密度，而a是经验系数。iii、铸型比较法：先在成型制品的金属模具中，用树脂、石蜡等铸型材料， 铸成制品形状并称其质量，再按铸型材料的质量及密度与模压料密度比较， 求出 模压料制品质量。1.1.3.4 排气在模具闭合后，再将模具开启一段时间，以排除模内的空气、水气及挥发物排气一定要在物料尚未塑化时完成。 排气可以缩短固化时间，提高制

10、品的力学性 能和电性能。1.1.3.5 保压时间树脂在模内固化的过程始终处于高温高压之下，从开始升温、加压到固化至 降温、降压所需要的时间或称为保持温度和压力的时间。根据树脂性能制定适当的保压时间，过长过短均不适宜。过长，延长生产周 期，使树脂交联过大，导致物料收缩过大，密度增加，树脂与填料间产生内应力， 严重时会使制品破裂；过短，导致树脂固化不完全，降低制品性能，同时制品在 脱模后会继续收缩而出现翘曲现象。制品热受涔患度与保持时阿的关系曲域1.1.4. 模压工艺参数模压工艺参数：将模压料压制成合格制品所需要的适宜外部条件（温度、压 力、时间），在生产上称为压制制度，包含温度制度和压力制度。1

11、.1.4.1 温度制度温度制度包括装模温度、升温速度、最高模压温度和恒温、降温及后固化温 度等。装模温度：模压料的挥发物含量高，不溶性树脂含量低时，装模温度低， 反之则高；升温速度：由装模温度到最高压制温度的升温速率。对快速模压，装 模温度=压制温度，无升温速度；慢速模压，应选择适宜的升温速度。一般来说, 最高模压温度主要依树脂放热曲线确定。1.1.4.2 压力制度压力制度包括成型压力、加压时机、放气等。成型压力：其作用是克服模压料的内摩擦及物料与模腔间的外摩擦， 使物料充满模腔；克服物料挥发物的抵抗 力及压紧制品以保证精确的形状和尺寸。 成型压力决定因素：模压料的种类及质 量指标；制品结构形

12、状尺寸；薄壁制品大于厚壁制品；圆柱形制品大于圆锥形制 品；制品结构复杂度。成型压力高，有利于制品质量提高。但过大的成型压力， 容易损伤纤维降低制品强度。加压时机的作用是克服模压料的内摩擦及物料与模 腔间的外摩擦，使物料充满模腔；克服物料挥发物的抵抗力及压紧制品以保证精 确的形状和尺寸。1.2 玻璃钢简介玻璃钢学名玻璃纤维增强塑料。它是以玻璃纤维及其制品（玻璃布、带、 毡、纱等）作为增强材料，以合成树脂作基体材料的一种复合材料。复合材 料的概念是指一种材料不能满足使用要求，需要由两种或两种以上的材料复 合在一起，组成另一种能满足人们要求的材料，即复合材料。例如，单一种 玻璃纤维，虽然强度很高，但

13、纤维间是松散的，只能承受拉力，不能承受弯 曲、剪切和压应力，还不易做成固定的几何形状，是松软体。如果用合成树 脂把它们粘合在一起，可以做成各种具有固定形状的坚硬制品，既能承受拉 应力，又可承受弯曲、压缩和剪切应力。这就组成了玻璃纤维增强的塑料基 复合材料。由于其强度相当于钢材，又含有玻璃组分，也具有玻璃那样的色 泽、形体、耐腐蚀、电绝缘、隔热等性能，象玻璃那样，历史上形成了这个 通俗易懂的名称“玻璃钢”。1.2.1 玻璃钢的理化性质1.2.1.1 玻璃钢的优点（1）轻质高强。相对密度在 1.52.0之间，只有碳钢的1/41/5 ,可是拉 伸强度却接近，甚至超过碳素钢，而比强度可以与高级合金钢相

14、比。因此， 在航空、火箭、宇宙飞行器、高压容器以及在其他需要减轻自重的制品应用中，都具有卓越成效。某些环氧玻璃钢的拉伸、弯曲和压缩强度均能达到400Mpa以上。（2）耐腐蚀性能好。玻璃钢是良好的耐腐材料，对大气、水和一 般浓度的酸、碱、盐以及多种油类和溶剂都有较好的抵抗能力。已应用到化 工防腐的各个方面，正在取代碳钢、不锈钢、木材、有色金属等。（3）电性能好是优良的绝缘材料，用来制造绝缘体。高频下仍能保护良好介电性。微波 透过性良好，已广泛用于雷达天线罩。（4）热性能良好玻璃钢热导率低，室温下为1.251.67kJ/ （mhK）,只有金属的 1/1001/1000 ,是优良的绝热 材料。在瞬时

15、超高温情况下，是理想的热防护和耐烧蚀材料，能保护宇宙飞 行器在2000c以上承受高速气流的冲刷。 （5）可设计性好。可以根据需要， 灵活地设计出各种结构产品，来满足使用要求，可以使产品有很好的整体性； 也可以充分选择材料来满足产品的性能。（6）工艺性优良。可以根据产品的形状、技术要求、用途及数量来灵活地选择成型工艺；也工艺简单，可以一 次成型，经济效果突出，尤其对形状复杂、不易成型的数量少的产品，更突 出它的工艺优越性。1.2.1.2 玻璃钢的不足（1）弹性模量低。玻璃钢的弹性模量比木材大两倍，但比钢小10倍，因此在产品结构中常感到刚性不足，容易变形。可以做成薄壳结构、夹层结构， 也可通过高模

16、量纤维或者做加强筋等形式来弥补。（2）长期耐温性差。一般玻璃钢不能在高温下长期使用， 通用聚酯玻璃钢在 50 C以上强度就明显下降， 一般只在100c以下使用；通用型环氧玻璃钢在60c以上，强度有明显下降。但可以选择耐高温树脂，使长期工作温度在200300c是可能的。（3）老化现象。老化现象是塑料的共同缺陷，玻璃钢也不例外，在紫外线、风沙雨雪、 化学介质、机械应力等作用下容易导致性能下降。（4）层间剪切强度低。层问剪切强度是靠树脂来承担的，所以很低。可以通过选择工艺、使用偶联剂 等方法来提高层间粘结力，最主要的是在产品设计时，尽量避免使层间受剪。 1.2.2玻璃钢的应用玻璃钢又称复合材料，玻璃

17、钢材料因其独特的性能优势，已在航空航天、 铁道铁路、装饰建筑、家居家具、广告展示、工艺礼品、建材卫浴、游艇泊 船、体育用材、环卫工程等等相关十多个行业中广泛应用，并深受赞誉，成 为材料行业中新时代商家的需求宠儿。玻璃钢制品也不同于传统材料制品， 在性能、用途、寿命属性上大大优于传统制品。具易造型、可定制、色彩随 意调配的特点，深受商家和销售者的青睐，占有越来越大的市场比分，前景 广阔。具体有如下这些行业：黑色冶金业、有色冶金业、电力行业、煤炭业、 石油化工、化学工业、机电工业、纺织工业、汽车及摩托车制造业、铁路业、 船舶工业、建筑业、轻工业、食品工业、电子工业、邮电业、文化、体育及娱乐业、农业

18、、商业、医药卫生业，及军工及民用应用等各个方面的应用领 域。涉及这些产业部门应用的主要玻璃钢产品类别，有：矿山通风设备、炼 焦及相关设备、稀土冶炼及铁合金冶炼相关设备、冷轧及电镀设备，输变电 设备、风力发电设备、火力发电用水管、冷却水设备、电力管理及维修工器 具，煤矿凤筒、隔爆水袋、防爆装置，石油开采相关部件及设备、石油化工 设备，化工设备、化工建筑用材、矿山通风设备，电动机部件、零配件、电 镀设备、风力发电机及部件，纺织印染设备、设施及部件，汽车制造用材及 部件、汽车维修用材、摩托车制造用材及部件，铁路机车车辆用材及相关设 施、铁路信号系统用材及相关部件，各种各类江河湖海船艇、大型钢船艇配

19、套零部件及附属设施，建筑设施及用材、卫生间、厨房、门窗、波形瓦、冷 却塔、建筑通风空调设施、建筑模板等。1.3 本次设计的内容本次设计的内容是一种水阀门的内置开关芯。在本次设计中，该工件的材料 为玻璃钢，具体为以中碱 45支的玻璃纤维增强的酚醛树脂。其中选择中碱 45 支的玻璃纤维的理由如下：耐酸性好；价格合理且具有一定的强度。而选择酚醛 树脂的理由则是因为其价格便宜，且适用于大量生产。但其缺点为固化后较脆， 所以需要用PVB树脂进行改性。生产方式为预浸料模压。模压过程中的模具使用5铭锲铝钢材制造。232 .工件及其模具的工程图2.1 工件三视图该工件是一个需要在水管阀门中转动的转子。所以将其

20、做成球状，是方便其 在阀门中的转动。主视图正中央的方块是与门阀开关卡销的接触部。 用以连接水 管开关与此转子。如前所述，该工件为阀门转子。俯视图中的半径为37.7的圆柱通路即为此转子的功能部分。该转子可由阀门开关控制，在阀门中转动。当旋 转至此圆柱通路与水管平行时，则阀门处于水流量最大的打开状态。 当旋转至此 圆柱通路与水管垂直时，则阀门处于关闭状态。2.1.1 工件主视图1202.1.2工件俯视图422.2 模具三视图该工件的模具由4部分组成：上模具，下模具，外模具和芯模。其中上模具 与下模具闭合直接构成该工件的形状， 芯模用以在工件中制造出圆柱通路。 而外 模具的作用则是固定上模具，下模具

21、和芯模。在生产过程中，现将下模具套入外模具，且芯模插入外模具上所预留的孔洞 中，形成一个半开放式的杯状；再往此杯中放入足量的预浸料； 在将上模具套入 外模具中并施压即可。2.2.1 上模具三视图上模具主视图上模具左视图上模具仰视图2.2.2 下模具三视图下模具主视图下模具左视图下模具俯视图2.2.3 外模具三视图外模具主视图外模具俯视图外模具左视图2.2.4 芯模三视图此芯模为了在脱模时能够更加方便的操作， 所以在圆柱的两端实际上是有一 个半径差的，即一端的半径比另一端小一些，且是在整个圆柱体上呈逐渐递减的 趋势。但是由于尺寸过小，所以在主视图上很难体现出来， 故没有在主视图上画 出此一状态。

22、芯模主视图芯模左视图芯模俯视图3 .具体生产过程，成本控制及收益3.1 具体生产过程前期准备：租用厂房，招聘工人，购买设备，定制模具，购进原料。厂房大小，工人以及大型设备数量可视资金情况而定。具体设备为100吨的四柱万能压机，要求如下：公称压力 100吨，回程 压力27吨，顶出压力25吨，行程距离600毫米，工作台面积630X 630,立 柱中心距左右800,前后460,电机功率10KW主机有机身，主缸，顶出缸 组成。动力机构由油箱，油泵，操纵阀，压力控制阀，压力表，电动机组成。 另配有上下电热板，加热电热棒功率上模板 3KW下用S板5.4KW模具数量同样视资金而定，与厂房，工人数量以及设备数

23、量配套。在本次设计中：厂房面积设定为 3000平方米。其中2000平方米用以生 产，另外1000平方米用以存放原料以及成品。大型压机 20台。初始定制模 具25套（20套应用于生产，5套备用）。工人生产采用两班倒制度，参与生 产的工人数量30人，每一班15人。其中每3人为一组，负责4台压机的生 产工作。原料采用固定供应商制度，生产多少，购进多少。原料种类为中碱 45支的玻璃纤维增强的酚醛树脂。生产过程中：每天厂房开工 16小时。每一个成功生产出来的球阀约重 230克，除去生产过程中产生的飞边，则工人在生产时需要往模具中放入至 少240g的原料，且此为下偏差，即只能多不能少。平均后认为每生产一个 球阀消耗250g的