工程材料第10章

第10章非金属材料成形10.2陶瓷材料的成形210.1高分子材料的成形110.3复合材料的成形3目录10.1高分子材料的成形1.工程塑料的成形工艺性能及影响因素1）收缩性塑料制品从模腔中取出冷却至室温后，其尺寸发生缩小的性能称为收缩性。塑料制品尺寸收缩不仅是树脂本身热胀冷缩的结果，还与各种成形因素有关。因此，准确地说，成形后塑料制品的收缩应称为成形收缩。成形收缩包括线尺寸收缩、方向性收缩、后收缩和后处理收缩四种类型。10.1.1工程塑料的成形2）流动性影响流动性的因素主要包括温度、压力、模具和塑料品种等。（1）温度的影响。塑料温度升高，则流动性增大。但对于不同的塑料品种，其温度的影响程度差异很大。（2）压力的影响。压力增大使塑料熔体所受剪力的作用增大，使熔体的表观黏度下降，从而导致流动性增大。尤以聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯、ABS和有机玻璃等塑料有“剪切变稀”的显著现象，因此，这些塑料在成形加工时宜使用低温高压的技术。（3）模具的影响。浇注系统的形式、尺寸、布置、冷却系统设计、流速阻力等因素都直接影响了熔体在模腔内的实际流动性。（4）塑料品种的影响。就热固性塑料而言，如粒度细，湿度大，含水分及挥发物多，预热及成形条件适当等均有利于改善流动性；反之，则流动性变差。3）热敏性热敏性是指某些热稳定性差的塑料，在塑料温度高和受热时间长的情况下，就会产生降解、分解、变色的现象，具有这种现象的塑料称为热敏性塑料。4）吸水性吸水性是塑料吸收水分的性质。对于具有吸湿或黏附水分倾向的塑料，在成形过程中由于水分在高温料筒中变为气体，并促使塑料发生水解，导致塑料起泡和流动性下降，这不仅增加了塑料制品的成形难度，而且降低了塑料制品的表面品质和力学性能。因此，对这一类塑料，在成形之前应进行干燥，除去水分。一般水分应控制在0.4%以下，ABS的含水量应控制在0.2%以下。2.塑料成形方法1）注射成形注射成形又称为注塑成形，是将颗粒状或粉状的塑料从注射机的料斗送进加热的料筒中，经过加热熔融塑化成为黏流态熔体，在注射机柱塞或螺杆的高压推动下，以很大的流速通过喷嘴注入模具型腔，经一定时间的保压冷却定型后可保持模具型腔所赋予的形状，然后开模分型获得塑料制品的成形方法。这样就完成了一次注射工作循环。注射成形是在专门的注射机上进行的，如图10-1所示为螺杆式注射机结构示意图。图10-1螺杆式注射机结构示意图1—注射液压缸；2—料斗；3—螺杆；4—加热器；5—喷嘴；6—定模固定板；7—模具；8—拉杆；9—动模固定板；10—合模机构；11—合模液压缸2）压塑成形压塑成形又称为压缩成形、模压成形或压制成形，是将粉状、粒状或片状塑料放在金属模具中，通过加热—软化—熔融，在压力下使黏流态熔体充满模具的成形方法。如图10-2所示为压塑成形的示意图。图10-2压塑成形的示意图1—上模座；2—上凸模；3—凹模；4—下凸模；5—下模板；6—下模座3）挤出成形挤出成形又称为挤塑成形，是借助螺杆的旋转推进力，将加热或未经加热的塑料从模孔中连续挤出，经冷却凝固后成为具有恒定截面的连续成形制品的成形方法。如图10-3所示为管材挤出成形原理示意图。图10-3管材挤出成形原理示意图1—螺杆冷却水入口；2—料斗冷却区；3—料斗；4—料筒；5—料筒加热器；6—螺杆；7—多孔板；8—机头(挤出模)；9—机头加热器；10—定径套；11—冷却装置；12—压缩空气堵头；13—牵引装置；14—切断装置；15—管材4）压延成形压延成形是将加热塑化的物料通过一系列相向旋转的辊筒之间，受挤压和延展作用成为平面状连续材料的成形方法。压延成形生产效率高，产品质量好，且可直接制出各种花纹和图案。但其设备庞杂，维修复杂，且制品宽度受限制。压延成形可用于各类热塑性塑料的成形，主要产品有薄膜、片材和人造革等。3.塑料制品的结构设计1）形状塑料制品的内外表面形状应在满足使用要求的情况下，尽可能易于成形，避免侧孔与侧凹，防止使用侧抽芯或瓣合模使模具结构复杂，制造成本提高，塑料制品修整量增加。如图10-4所示为防止采用侧抽芯或瓣合模的设计。图10-4防止采用侧抽芯或瓣合模的设计2）壁厚塑料制品的壁厚应适当和均匀。壁厚过小难以满足使用时的强度及刚度要求，熔体充满型腔时流动阻力大，易出现缺料现象，大型复杂的塑料制品难以充满型腔；壁太厚的塑料制品内部会产生气泡，易出现缩孔，且塑料制品外部易产生凹陷等缺陷；壁厚不均将造成收缩不一致，导致塑料制品变形或翘曲，如图10-5所示图10-5壁厚应适当和均匀3）脱模斜度为了便于脱模和抽芯，防止塑料制品表面在脱模时划伤，塑料制品与脱模方向平行的内、外表面应具有合理的脱模斜度，如图10-6所示。4）加强筋加强筋的主要作用是加强塑料制品的强度和刚度，避免塑料制品翘曲变形，如图10-7所示。合理布置加强筋还可以改善充模状况，减少塑料制品内应力，避免产生气孔、缩孔和凹陷等缺陷。图10-6塑料制品的脱模斜度图10-7采用加强筋避免塑料制品翘曲变形5）球形面或拱形面薄壳状的宽底容器的底部刚性较差，应设计成球面或拱形面，以增加刚性，减少翘曲变形，如图10-8所示。对于薄壁容器的边缘，可按如图10-9所示的设计步骤来增强刚性，以减少翘曲变形。图10-8容器底部刚性的增强图10-9薄壁容器边缘刚性的增强6）圆角在塑料制品的内外表面转弯处应采用圆角过渡，以减少应力集中，避免在受力或冲击振动时发生破裂。如图10-10所示，改为圆角过渡后，不仅避免了应力集中，提高了强度，而且使塑料成形美观，也有利于塑料充模时的流动。圆角半径的大小主要取决于塑料制品的壁厚，如图10-11所示。图10-10塑料制品的圆角图10-11塑料制品的圆角半径7）孔塑料制品上常见的孔有通孔、不通孔、异形孔。在设计孔的位置时，应尽量不削弱塑料制品的强度，不增加模具制造的复杂性。孔与孔之间、孔与壁之间应留有足够的距离。8）螺纹塑料制品上的螺纹可以直接用模具成形，也可以用机械加工成形。螺纹直径不宜过小，螺纹的配合长度一般不大于8～10牙。为了增加塑料制品螺纹的强度，防止螺孔最外圈螺纹崩裂或变形，方便螺纹的拧入，螺纹的始端和末端均不应突然开始和结束，在螺孔始端应留有0.2～0.8mm的凹台。机械加工机械加工是采用钻、磨、铣、车削等机械加工方法的二次加工过程。连接加工连接加工是采用热熔黏接(焊接)、黏接、机械连接等方法，使塑料型材或零件固定在一起的二次加工过程。表面加工表面加工是对塑料制品表层进行修整和装饰，以改变塑料制品的表面性质，提高其抗老化、耐腐蚀能力的二次加工方法。此外，它也可起着色装饰作用。4.塑料加工的工艺过程塑料加工的工艺过程包括塑料成形和塑料加工。成形后的塑料制品或半成品，按产品结构及精度要求的不同，有的还要进行加工和修饰。塑料加工是塑料成形后的再加工，又称为二次加工，是将成形后的塑料制品通过适当的工艺方法制成制品。常用的塑料加工方法可分为机械加工、连接加工和表面加工三种类型。10.1.2工业橡胶的成形1.橡胶的成形性能橡胶的成形性能包括流动性能、流变性能、硫化性能和热物理性能四个方面。1）流动性能橡胶在一定的温度、压力作用下，能够充满型腔各个部分的性能称为橡胶的流动性能。2）流变性能橡胶的黏度随剪切速率的降低而减小的特性称为流变性能。3）硫化性能硫化性能是橡胶通过硫化处理，获得各种最佳的物理性能和力学性能的能力。4）热物理性能热物理性能的优劣直接影响橡胶制品的性质。影响热物理性能的因素包括热导率、热扩散率和体积热容。2.橡胶加工的工艺过程橡胶加工的工艺过程包括生胶的塑炼、胶料的混炼、橡胶的成形和橡胶的硫化等，如图10-12所示。图10-12橡胶加工的工艺过程1）塑炼天然橡胶和多数合成橡胶塑性太低，与橡胶配合剂不易混合均匀，也难以加工成形，所以生胶需要塑炼。塑炼是生胶在氧化(或塑解剂)和加热情况下，在机械力(剪切)作用或化学作用下，适当降低高聚物的分子量，增加可塑性的过程。2）混炼混炼是将塑炼胶和各种配合剂用机械方法使其完全均匀分散的过程。混炼所得的胶坯称为混炼胶。配合剂的作用是改善橡胶的加工性能及制品性能。常用的混炼设备主要有开放式炼胶机和密闭式炼胶机。密闭式炼胶机混炼的工艺过程如图10-13所示。图10-13密闭式炼胶机混炼的工艺过程1—转子；2—上顶栓；3—胶料；4—下定栓3）成形成形是将混炼胶制成所需形状、尺寸和性能的橡胶制品的过程。常用的橡胶成形方法有压延成形、模压成形、挤出成形和注射成形等。4）硫化硫化是通过改变橡胶的化学结构(如交联)而赋予橡胶弹性，或改善、提高橡胶弹性，并使橡胶弹性扩展到更宽的温度范围的过程。硫化使橡胶各部位的组织不同程度地形成了空间网状结构，使塑性的混炼胶变为高弹性的硫化胶或硬质的硫化胶，从而获得更完善的物理、化学和力学性能，提高了橡胶材料的使用价值，拓宽了橡胶材料的应用范围。3.橡胶的成形方法1）压延成形压延成形主要包括压片、贴合、压型、贴胶、擦胶等工艺过程。常用的压延设备有三辊压延机和四辊压延机。如图10-14所示为胶布的压延工艺过程，当纺织物和胶片通过一对相向旋转的辊筒间隙时，在辊筒的挤压力作用下贴合在一起而制成胶布。图10-14胶布的压延工艺过程2）模压成形模压成形是将预先压延好的橡胶半成品按一定规格下料后置于压制模具中，合模后在液压机上按规定的工艺条件压制，在加热、加压的条件下，使胶料呈现塑性流动充满型腔，经一定的持续加热时间后完成硫化，再经脱模和修边后得到制品的成形方法。橡胶的模压成形过程包括加料、闭模、硫化、脱模及模具清理等工艺过程，其中最重要的是硫化过程。用模压成形的方法生产橡胶制品的工艺流程如图10-15所示。图10-15用模压成形的方法生产橡胶制品的工艺流程3）挤出成形挤出成形的主要设备是橡胶挤出机，其基本结构与塑料挤出机相同。如图10-16所示为胶料在橡胶挤出机机筒内的运动情况。胶料自橡胶挤出机的加料口进入机筒后，在机筒和旋转的螺杆间受到推挤、剪切和搅拌等作用，逐渐升温塑化和熔融成为连续的黏流体，并被推挤至机头模孔处挤出成形。图10-16胶料在橡胶挤出机机筒内的运动情况1—螺杆；2—胶料；3—机筒4）注射成形注射成形是一种将胶料直接从机筒注入闭合模具硫化的成形方法，即先将胶料加热塑化成熔融态，再高压注射到模具的模腔中热压硫化成形。注射成形能一次成形外形复杂、带有嵌件的橡胶制品，具有尺寸精确、质量稳定、生产效率高的特点，主要用于生产密封圈、减振垫和鞋类等。注射成形的主要设备是橡胶注射机，其基本结构与塑料注射机相同。橡胶注射成形的工艺主要包括喂料塑化、注射保压、硫化、出模等。10.2陶瓷材料的成形陶瓷作为一种重要的结构材料，具有高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀等优点，无论在传统工业领域，还是在高新技术领域都有着广泛的应用。然而陶瓷所固有的高强度、高硬度等优点却同时给陶瓷制品的成形、加工带来了很多困难，因此使得研究各种陶瓷成形技术变得至关重要。陶瓷材料成形就是将分散体系（粉料、塑性物料、浆料）转变为具有一定几何形状和强度的块体，也称为素坯。10.2.1陶瓷材料成形基础10.2.2陶瓷材料成形方法1.注浆成形法1）常用注浆成形法（1）空心注浆成形法。空心注浆成形法是将泥浆注入多孔模型内，当附着于模壁的泥浆失水形成泥层达到要求的厚度时，倾倒出多余的泥浆而形成空心注件的成形方法，如图10-17所示。图10-17空心注浆成形法的示意图（2）实心注浆成形法。实心注浆成形法是将泥浆注入有内外两层模的夹缝中，泥浆中的水分被模型从两面吸收，在内外两层模之间形成注件，而没有多余的泥浆排出的成形方法，如图10-18所示。图10-18实心注浆成形法的示意图真空注浆成形法真空注浆成形法是在模型外边抽取真空，或将紧固的模型放在处于负压的真空室中的成形方法。其目的是造成模型内外的压力差，提高注浆成形的推动力。离心注浆成形法离心注浆成形法是向旋转的模型中注入泥浆，在离心力的作用下，使泥浆紧靠模型脱水而形成坯体的成形方法。压力注浆成形法压力注浆成形法是通过提高泥浆压力来增大注浆过程的推动力，加速水分扩散的成形方法。2）强化注浆成形法强化注浆成形法是在注浆过程中人为地施加外力，加速注浆过程的进行，使吸浆速度和坯体强度得到明显改善的成形方法。强化注浆成形法包括真空注浆成形法、离心注浆成形法和压力注浆成形法三种类型。2.可塑成形法1）滚压成形法滚压成形法是将盛放着泥料的石膏模型和滚压头分别绕自己的轴线以一定的速度和方向旋转，滚压头在转动的同时，逐渐靠近石膏模型，并对泥料进行滚压的成形方法，如图10-19所示。图10-19滚压成形法的示意图2）塑压成形法塑压成形法是将可塑泥料放在模型内在常温下压制成坯的成形方法。塑压成形法的工艺过程如图10-20所示。其中，“＋”表示送压缩空气，“－”表示抽真空。图10-20塑压成形法的工艺过程3.模压成形法模压成形法主要包括压制成形法和等静压成形法两种类型。1）压制成形法压制成形法是利用压力将置于模具内的粉料压紧至结构紧密，形成具有一定形状和尺寸的坯体的成形方法。压制成形的坯体水分含量低，致密，干燥收缩小，形状尺寸准确，质量高。此外，压制成形法的成形过程简单，生产量大，便于机械化的大规模生产，对具有规则几何形状的扁平坯体尤为适宜。由于坯体各向受压均匀，坯体在烧成时的变形和收缩减小，不至于因密度差而产生应力导致在制品上烧成裂纹。可以压制形状复杂、大件及细而长的制品，而且成形质量高。可以不增加操作难度，且比较方便地提高成形压力。模具制作方便，寿命长，成本较低。12345可以少用或不用黏结剂。2）等静压成形法等静压成形法又称为静水压成形法，是利用液体介质的不可压缩性和均匀传递压力性的一种成形方法。等静压成形法具有以下特点：10.3复合材料的成形10.3.1树脂基复合材料的成形1.手糊成形法手糊成形法是指用手工或在机械辅助下，将增强材料和热固性树脂铺覆在模具上，树脂固化形成复合材料的成形方法。手糊成形法制造复合材料制品的工序为原材料准备—模具准备—涂刷脱模剂—喷涂胶衣—糊制成形—固化—脱模—修边—装配—制品验收。图10-21手糊成形法的示意图1—模具；2—增强材料；3—压辊；4—树脂2.喷射成形法喷射成形法是利用喷枪将短纤维及树脂同时喷到模具上并压实固化成制品的成形方法。如图10-22所示为喷射成形法的示意图。喷射成形法要求树脂黏度低，易于雾化，主要用于不需加压、室温固化的不饱和聚酯树脂。大多数喷射设备的喷射速度为2～10kg/min。图10-22喷射成形法的示意图1—粗纱；2—模具；3—树脂+引发剂；4—树脂+促进剂；5—辊子；6—制品3.拉挤成形法拉挤成形法是将浸渍了树脂胶液的连续纤维，通过成形模具在模腔内加热固化成形，在牵引机构的拉力作用下，连续拉拔出制品的成形方法。如图10-23所示为拉挤成形法的示意图。图10-23拉挤成形法的示意图1—纤维；2—树脂槽；3—预成形模；4—固化模；5—牵引机构；6—切割锯4.层压成形法层压成形法是将一定层数的浸胶布(纸)叠在一起，送入多层液压机，在一定的温度和压力下压制成板材的成形方法。层压成形法是复合材料的一种主要成形方法。5.模压成形法模压成形法是将模压料置于金属对模中，在一定的温度下，加压固化为复合材料制品的成形方法，是一种对热固性树脂和热塑性树脂都适用的纤维增强复合材料的成形方法。6.缠绕成形法缠绕成形法是将连续纤维或带浸渍树脂胶液后的纤维，按照一定的规律缠绕到芯模上，然后在加热或常温下固化，制成一定形状制品的成形方法。10.3.2金属基复合材料的成形1.固态法1）扩散黏结法扩散黏结法是一种在较长时间、较高温度和较高压力下，通过固态焊接工艺，使同类或不同类金属在高温下相互扩散而黏结在一起的成形方法。如图10-24所示为扩散黏结法的示意图。图10-24扩散黏结法的示意图2）形变法形变法是利用金属具有塑性成形的工艺特点，通过热轧、热拉、热挤压等加工手段，使已复合好的颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合材料进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种用于制造、成形颗粒增强(非连续增强型)金属基复合材料的传统固态成形方法。如图10-25所示为粉末冶金法的示意图。图10-25粉末冶金法的示意图2.液态法（1）挤压铸造法。挤压铸造法是通过压机将液态金属强行压入增强材料的预制件中制造复合材料的成形方法。（2）真空压力浸渍法。真空压力浸渍法是在真空和高压惰性气体的共同作用下，