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1、第6章 高分子材料与复合材料成形,6.1 高分子材料的成形,6.2 工业陶瓷的成形,6.3 复合材料成形,返回,6.1 高分子材料的成形,6.1 高分子材料的成形,由于非金属材料与金属材料在结构和性能上有较大差异，其成形特点也不同，与金属材料的成形相比，非金属材料成形有以下特点: 1）非金属材料可以是流态成形，也可以是固态成形，成形方法灵活多样，可以制成形状复杂的零件。 2）非金属材料的成形通常是在较低温度下成形，成形工艺较简便。 3）非金属材料的成形一般要与材料的生产工艺相结合。,第1节 高分子材料的成形,6.1.1 工程塑料的成形 工程塑料的主要特性有： 1）密度小； 2）耐腐蚀； 3）良
2、好的电绝缘性和较小的介电损耗； 4）耐磨和减摩性好； 5）良好的成形性。,塑料制品的主要不足之处在于： 耐热性差，强度、硬度较低，刚性和尺寸稳定性差，易老化，易蠕变等，使其应用受到一定限制。,1.塑料形变与温度的关系 1）热塑性塑料形变与温度的关系 形变与温度的关系曲线如图6-1所示，可分为玻璃态、高弹态、粘流态。,图6-1 塑料的形变与温度的关系,6.1.1.1工程塑料的成形性能,2）热固性塑料在加热加压下状态：热固性塑料在加热过程中存在稳定态、塑化态、固态，如图6-2所示。 2.塑料的流变性能 塑料在成形过程中，除少数工艺外，都要求塑料处于粘流态(或塑化态)成形，塑料聚合物熔体是非牛顿流体
3、(或称粘流体)，其粘度随流动中的剪切速率、温度、压力的变化而有较大的变化。如图6-3是几种常用塑料的粘度与温度变化曲线。当温度一定时，塑料熔体流动剪切速率愈高，其粘度愈低。,图6-2热固性塑料受热后的状态,图6-3 塑料粘度与温度变化曲线,3.塑料的成形工艺性 塑料的成形工艺性是塑料在成形加工中表现出的特有性质，主要表现在以下几个方面 。 1）流动性。 塑料在一定的温度和压力下填充模具型腔的能力称为塑料的流动性。 热塑性塑料的流动性用熔融指数(又称熔融流动率)表示，熔融指数越大，流动性也越好，熔融指数与塑料的粘度有关，粘度愈小熔融指数愈大，塑料的流动性也愈好。 热固性塑料的流动性指标一般用拉西
4、格流动性表示。 第一级：拉西格流动值为100130mm，用于压制无嵌件、形状简单的一般厚度塑件。 第二级：拉西格流动值为131150mm，用于压制中等复杂程度的塑件。,第三级：拉西格流动值为151180mm，用于压制结构复杂、型腔很深、嵌件较多的薄壁塑件，或用于传递（压注）成形。 2）收缩性。 塑料制品从模具中取出冷却到室温后，发生尺寸收缩的特性称为收缩性。塑料制件的成形收缩值可用收缩率表示:,塑料收缩率； 模具在室温时的尺寸（mm）； 塑件在室温时的尺寸（mm）。,式中,3）结晶性。按照聚集态结构的不同，塑料可以分为结晶型和无定型两类。高聚物中晶区所占的比例称为结晶度，结晶度大，塑料的硬度和
5、刚度提高，力学性能和耐磨性增高，耐热性、电性能及化学稳定性亦有所提高；反之，结晶度低的，柔韧性、耐折性、伸长率及冲击强度等较大，透明度也较高。 4）热敏性和水敏性。热敏性是指塑料对热降解的敏感性。水敏性是指塑料对水降解的敏感性，也称吸湿性。 5）毒性、刺激性和腐蚀性。成形加工塑料时，必须严格掌握工艺规程，防止有害气体危害人体和腐蚀模具及加工设备。 除上述工艺性能外，还有吸气性、粘膜性、可塑性、压缩性、均匀性和相交联倾向等。,6.1.1.2 注射成形,塑料注射成形又称注塑成形或注射法，是热塑性塑料成形的主要加工方法。其生产周期短，生产效率高，能一次成形空间几何形状复杂、尺寸精度高、带有各种嵌件的
6、塑料制品，适应性强，生产过程易于实现自动化。 1.注射成形工艺过程 注射成形工艺过程是将塑料经过预干燥处理，通过注射机的注射过程使塑料在模具中成形，开模后取出塑件并进行后处理。 其中注射过程是获得合格塑件的关键，完整的注射过程包括加料、塑化、注射、保压、冷却定型和脱模等几个步骤。,注射成形的工艺条件主要有温度、压力和时间等。 1）温度。在注射成形时需控制的温度有料筒温度、喷嘴温度、模具温度等。 2）压力。包括塑化压力和注射压力两种。塑化压力又称背压，是注射机螺杆顶部熔体在螺杆转动后退时受到的压力。注射压力是指柱塞或螺杆头部注射时对塑料熔体施加的压力。 3）时间。注射时间是一次注射成形所需的时间
7、，又称成形时间。 2. 注射机与模具 1）注射机。注射机是注射成形的主要设备，按其外形可分为立式、卧式、角式三种。基本由注射系统、合模锁模系统、操作控制系统三部分组成，如图6-4所示。,2）注射模。注射成形模具是注射成形工艺的主要工艺装备，称为注射模。注射模一般由定模部分和动模部分组成，如图6-5所示。 根据模具上各种零部件的作用，塑料注射模一般有以下几部分： 成形部分：组成模具型腔的零件，主要由凸模、凹模、型芯、嵌件和镶块等组成。 浇注系统：熔融塑料从喷嘴进入模具型腔流经的通道称为浇注系统。它一般由主流道、分流道、浇口和冲料井等组成。 导向机构：为了使动模与定模在合模时能准确对中，以及防止推
8、件板歪斜而设置的机构。主要有导柱、导套等。,侧向抽芯机构：塑件的侧向有凹凸形状的孔或凸台时，在塑件被推出的必须先拔出侧向凸模或抽出侧向型芯。侧向抽芯机构一般由活动型芯、锁紧楔、斜导柱等组成。 推出机构：又称脱模机构。它是在开模时将塑件推出的零部件。它主要由推板、推杆、主流道拉料杆等组成。 在注射模上还有加热、冷却系统和排气系统等。,6.1.1.3 模压成形 模压成形又称压缩成形、压塑成形，是塑料成形加工中较为传统的工艺方法。模压成形主要用于热固性塑料。与挤塑和注塑相比，压塑设备、模具和生产过程控制较为简单，并易于生产大型制品，但生产周期长、效率低，较难实现自动化，工人劳动强度大，难于成形厚壁制
9、品及形状复杂的制品。,1.模压成形工艺过程 模压成形工艺是将经过预制的热固性塑料原料，直接加入敞开的模具加料室，然后合模，并对模具加热加压，塑料在热和压力的作用下呈熔融流动状态并充满型腔，随后由于塑料分子发生交联反应逐渐硬化成形。 工艺过程为：预压成形和预热处理加料闭模加热加压塑化排气和保压硬化脱模取出塑件清理模具和对塑件后期处理。 为了使模压成形顺利进行，关键应控制好成形温度和压力。 2.模压设备及模具 主要设备是液压机，它由机架（包括上下横梁、立柱、机座等）、活动横梁、工作液压缸、顶出机构、液压传动和电器控制系统等部分组成，如图6-6所示。,模压成形模具如图6-7所示。与注射模不同的是，模
10、压模没有浇注系统，只有一段加料室。注射成形模具处于闭合状态成形，而模压模成形是靠凸模对凹模中的原料施加压力，使塑料在型腔内成形。因此，模压模成形零件的强度要比注射模高。 6.1.1.4 其他成形方法 1.传递成形 传递成形又称压注成形，它是在模压成形的基础上发展起来的热固性塑料成形方法。其工艺类似于注射成形，所不同的是塑料在模具的加料室内塑化，再经过浇注系统进入型腔，而注射成形是在注射机料筒内塑化。 传递成形所用设备与压塑成形相同，不同的是所需压力比压塑成形的压力大。传递成形模具如图6-8所示。,工艺过程为：预处理闭模加料加热软化（若是下加料室应先加料，后闭模加热）柱塞挤压熔融塑料挤入型腔继续
11、受热受压而固化开模清理。 传递成形的优点：成形周期短；塑件飞边小，易于清理；能成形薄壁多嵌件的复杂塑料制品；塑件的精度和质量较压塑件高，但加料室内总会留有余料，塑料损耗较大；模具结构较压塑模复杂，制造成本较高。 2.挤出成形 挤出成形也称为挤塑成形或吹塑成形，是热塑性塑料的重要生产方法之一，主要用于生产棒、管等型材和薄膜等，也是中空成形的主要制坯方法。 挤出成形一般由挤出机、挤出模具、牵引装置、冷却定型装置、切割或卷曲装置、控制系统组成。如图6-9所示。,工艺过程总体可分为两个阶段： 第一阶段是使固态塑料塑化(即使塑料转变成粘流态)，并在加压情况下使其通过特殊形状的口模而成为截面与口模形状相似
12、的连续体； 第二阶段是用适当的处理方法使挤出具有粘流态的连续体转变为玻璃态的连续体，即得到所需型材或制品。如图6-10是挤出中空吹塑成形过程及挤出吹塑模具。 3.吸塑成形 吸塑成形也称真空成形。成形时将热塑性塑料板材或片材夹持起来，固定在模具上，用辐射加热器加热，当加热到软化温度时，用真空泵抽去板材与模具之间的空气，在大气压力作用下，板材拉伸变形贴合到模具表面，冷却后定形成为制品。吸塑成形生产设备简单，效率高，模具结构单、效率高，能加工大尺寸的薄壁塑件，生产成本低。,常见的吸塑成型方法有凹模真空成形、凸模真空成形、凹凸模真空成形等方法。 凸模真空成形方法如图6-11所示。一般用于内表面精度要求
13、较高。有凸起形状的薄壁塑件。凸模真空成形方法较凹模真空成形方法塑件壁厚稍均匀。 吸塑成形可用于包装制品，如药品包装、一次性餐盒、电子产品如钮扣电池包装等。常用的材料为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、ABS、聚碳酸酯等材料。 4.反应注射成形 反应注射成形把两种发生反应的塑料原料分别加热软化后，由计量系统进入高压混合器，经混合发生塑化反应，再注射到模具型腔中，它们在型腔中继续发生化学反应，并伴有膨胀、固化的加工工艺。,反应注射成形适合加工聚氨酯、环氧树脂等热固性塑料，也可以用于生产尼龙、ABS、聚酯等热塑性塑料。例如，轿车仪表盘、转向盘、飞机和汽车的座椅及椅垫、家具和鞋类、仿大理石浴缸浴盆等。,6.1
14、.2 橡胶材料的成形 6.1.2.1 橡胶的压制成形 1.压制成形工艺流程 塑炼混炼制坯片材、管材、型材裁切模压硫化修边检验成品,关键工序： 1）塑炼。在一定的温度下利用机械挤压、辊轧等方法，使生胶分子链断链，使其由强韧的弹性状态转变为柔软、具有可塑性的状态的加工工艺过程。 2）混炼。为了提高橡胶制品的使用性能，改进橡胶的工艺性能和降低成本，将各种配合剂混入生胶中，制成质量均匀的混炼胶的工艺过程。 3）模压硫化。它包括加料、闭模、硫化、起模和模具清理等步骤。胶料经闭模加热加压后成形，经过硫化使胶料分子交联，成为具有高弹性的橡胶制品。,2.压制工艺 橡胶压制成形工艺的关键是控制模压硫化过程。硫化
15、过程控制的主要参数是硫化温度、压力和时间等。 1）硫化温度。 橡胶发生硫化反应的基本条件。硫化温度高，硫化速度快，生产效率就高。但是硫化温度过高会使橡胶高分子链裂解，从而使橡胶的强度、韧度下降，因此硫化温度不宜过高。 2）硫化时间。 在硫化过程中，硫化胶的各项物理、力学性能达到或接近最佳点时，此种硫化程度称为正硫化或最宜硫化。在一定温度下达到正硫化所需的硫化时间称为正硫化时间，一定的硫化温度对应有一定的正硫化时间。硫化时间决定硫化程度，通常制品的尺寸越大或越厚，所需硫化的时间越长。,3）硫化压力。 为使胶料能够流动充满型腔，并使胶料中的气体排出，应有足够的硫化压力 。增加压力能提高橡胶的力学性
16、能，延长制品的使用寿命。但是，过高的压力会加速分子的降解作用，反而会使橡胶的性能降低。对硫化压力的选取应考虑胶料的配方、可塑性、产品的结构等因素。 3.压制模具 橡胶压制模与一般塑料压塑模结构相同。但橡胶模有自身特殊的要求,在设计时要注意： 1）测温孔。 硫化温度的误差应控制在+2范围，在压制模型腔附近必须设置测温孔。 2）流胶槽。 由于在加料时一般有5%10%的余量，为保证制品精度，在型腔周围设置流胶槽，使多余的胶料排出。,6.1.2.2 橡胶注射成形 1.橡胶注射成形工艺过程 橡胶注射成形是在专门的橡胶注射机上进行的。橡胶注射成形的工艺过程主要包括胶料的预热塑化、注射、保压、硫化、脱模和修边等工序。 2.注射成形工艺条件 注射成形工艺条件主要有料筒温度、注射温度、注射压力、模具温度和成形时间。 1）料筒温度。 胶料在料筒中加热塑化，在一定温度范围内，提高料筒温度可以使胶料的粘度下降，流动性增加，有利于胶料的成形。,
