第十章非金屬材料成形

1、第十章 非金屬材料成形10.1 高分子材料的成形10.2 陶瓷材料的成形10.3 復(fù)合材料的成形了解非金屬材料的成型的過程實質(zhì)；了解高分子材料的加工過程。掌握塑料的成型方法、工藝特點、應(yīng)用范圍。了解橡膠的生產(chǎn)過程；以及高分材料的其它加工工藝。了解陶瓷材料及復(fù)合材料的生產(chǎn)過程、特點及其未來發(fā)展方向。學(xué)習(xí)目標學(xué)習(xí)目標10.1 高分子材料的成形高分子材料：工程塑料和工業(yè)橡膠。高分子材料的成形：將原材料加熱塑化成黏流態(tài)，然后注入模腔內(nèi)成形固化得到制品，因此也稱為黏流態(tài)成形。 由于非金屬材料與金屬材料在結(jié)構(gòu)和性能上有較大差異，其成形特點也不同，與金屬材料的成形相比，非金屬材料成形有以下特點:1）非金屬材

2、料可以是流態(tài)成形，也可以是固態(tài)成形，成形方法靈活多樣，可以制成形狀復(fù)雜的零件。2）非金屬材料的成形通常是在較低溫度下成形，成形工藝較簡便。3）非金屬材料的成形一般要與材料的生產(chǎn)工藝相結(jié)合。10.1.1 10.1.1 工程塑料的成形工程塑料的成形工程塑料的主要特性有：1）密度??；2）耐腐蝕；3）良好的電絕緣性和較小的介電損耗；4）耐磨和減摩性好；5）良好的成形性。1、工程塑料的成形工藝性能及影響因素 塑料制品的主要不足之處在于： 耐熱性差，強度、硬度較低，剛性和尺寸穩(wěn)定性差，易老化，易蠕變等，使其應(yīng)用受到一定限制。 1）收縮性 塑料制品從模具中取出冷卻到室溫后，發(fā)生尺寸收縮的特性稱為收縮性。成形

3、后塑料制品的收縮應(yīng)稱為成形收縮。10011mLLLk 塑料收縮率； 模具在室溫時的尺寸（mm）； 塑件在室溫時的尺寸（mm）。kmL1L式中成形收縮的類型：線尺寸收縮：熱脹冷縮方向性收縮：分子的取向作用，各向異性后收縮：應(yīng)力松弛后處理收縮：熱處理方式使其尺寸穩(wěn)定2）流動性 塑料在一定的溫度和壓力下填充模具型腔的能力稱為塑料的流動性。 與金屬的流動性類似。流動性對成型的影響： ：溢料過多，填充不密實，塑件組織疏松，樹脂與填料混合不均，易粘模，脫模和清理困難及早硬化等缺陷； ：填充不足，不易成型，成型壓力增大。 熱塑性塑料的流動性用熔融指數(shù)(又稱熔融流動率)表示，熔融指數(shù)越大，流動性也越好，熔融指

4、數(shù)與塑料的粘度有關(guān)，粘度愈小熔融指數(shù)愈大，塑料的流動性也愈好。 熱固性塑料的流動性指標一般用拉西格流動性表示。 第一級：拉西格流動值為100130mm，用于壓制無嵌件、形狀簡單的一般厚度塑件。 第二級：拉西格流動值為131150mm，用于壓制中等復(fù)雜程度的塑件。 第三級：拉西格流動值為151180mm，用于壓制結(jié)構(gòu)復(fù)雜、型腔很深、嵌件較多的薄壁塑件，或用于傳遞（壓注）成形。 影像流動性的因素：溫度、壓力、模具和塑料品種等3）熱敏性熱敏性是指塑料對熱降解的敏感性。如塑料在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。4）吸水性吸水性是塑料吸收水分的性質(zhì)。5）毒性、刺激性和腐蝕性成形

5、加工塑料時，必須嚴格掌握工藝規(guī)程，防止有害氣體危害人體和腐蝕模具及加工設(shè)備。 除上述工藝性能外，還有結(jié)晶性、粘膜性、可塑性、壓縮性、均勻性和相交聯(lián)傾向等。 2、塑料成型方法四種類型：注射成形、壓塑成形、擠出成形和壓延成形1）注射成形也稱注塑，是將熔融塑料，在柱塞或螺桿推壓下，快速壓入也稱注塑，是將熔融塑料，在柱塞或螺桿推壓下，快速壓入閉合模具，經(jīng)冷卻定型得到各種塑料制品的成型方法。閉合模具，經(jīng)冷卻定型得到各種塑料制品的成型方法。注射成形工藝過程是將塑料經(jīng)過預(yù)干燥處理，通過注射機的注射過程使塑料在模具中成形，開模后取出塑件并進行后處理。 其中注射過程是獲得合格塑件的關(guān)鍵，完整的注射過程包括加料、

6、塑化、注射、保壓、冷卻定型和脫模等幾個步驟。1定位環(huán) 2主流道 3定模底板 4定模板 5動模板 6動模墊板7模腳 8推桿固定板 9推桿固定底板 10拉料桿 11推桿 12導(dǎo)柱 13凸模 14凹模 15冷卻水道2）壓塑成形 模壓成形又稱壓縮成形、壓塑成形，是塑料成形加工中較為傳統(tǒng)的工藝方法。模壓成形主要用于熱固性塑料。與擠塑和注塑相比，壓塑設(shè)備、模具和生產(chǎn)過程控制較為簡單，并易于生產(chǎn)大型制品，但生產(chǎn)周期長、效率低，較難實現(xiàn)自動化，工人勞動強度大，難于成形厚壁制品及形狀復(fù)雜的制品。 壓塑模結(jié)構(gòu)1上加熱板 2上模板 3承壓板 4凸模 5加熱器 6凹模 7推桿 8彈簧 9導(dǎo)向杠 10推桿 11支架 1

7、2下模底板模壓成形工藝過程 模壓成形工藝是將經(jīng)過預(yù)制的熱固性塑料原料，直接加入敞開的模具加料室，然后合模，并對模具加熱加壓，塑料在熱和壓力的作用下呈熔融流動狀態(tài)并充滿型腔，隨后由于塑料分子發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)逐漸硬化成形。 工藝過程為：預(yù)壓成形和預(yù)熱處理加料閉模加熱加壓塑化排氣和保壓硬化脫模取出塑件清理模具和對塑件后期處理。 為了使模壓成形順利進行，關(guān)鍵應(yīng)控制好成形溫度和壓力。動畫演示3）擠出成形 又稱擠塑，使受熱熔化的高分子材料在擠壓作用下，強又稱擠塑，使受熱熔化的高分子材料在擠壓作用下，強行通過出口模，而成為具有某種截面的連續(xù)型材的一種塑料行通過出口模，而成為具有某種截面的連續(xù)型材的一種塑料成型方

8、法。成型方法。 擠出成形一般由擠出機、擠出模具、牽引裝置、冷卻定型裝置、切割或卷曲裝置、控制系統(tǒng)組成。工藝過程總體可分為兩個階段： 第一階段是使固態(tài)塑料塑化(即使塑料轉(zhuǎn)變成粘流態(tài))，并在加壓情況下使其通過特殊形狀的口模而成為截面與口模形狀相似的連續(xù)體； 第二階段是用適當(dāng)?shù)奶幚矸椒ㄊ箶D出具有粘流態(tài)的連續(xù)體轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)的連續(xù)體，即得到所需型材或制品。動畫演示4）壓延成形 壓延成型是將熔融塑化的熱塑性塑料通過兩個以上的平行異向旋轉(zhuǎn)輥筒間隙，使熔體受到輥筒擠壓延展、拉伸而成為具有一定規(guī)格尺寸和符合質(zhì)量要求的連續(xù)片狀制品，最后經(jīng)自然冷卻成型的方法。 壓延成型工藝常用于塑料薄膜或片材的生產(chǎn)。壓延機輥筒排列

9、方式吹塑成形、反應(yīng)注塑成形、吸塑成形、傳遞成形3、塑料制品的結(jié)構(gòu)設(shè)計是塑件對成型加工的適應(yīng)性塑件工藝性設(shè)計包括工藝性設(shè)計包括 :塑料材料選擇塑料材料選擇、 尺寸精度尺寸精度和表面粗糙度表面粗糙度 塑件結(jié)構(gòu)塑件結(jié)構(gòu)塑件工藝性設(shè)計的特點工藝性設(shè)計的特點： 滿足使用性能使用性能和成形工藝成形工藝要求，結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)合理合理、造型美觀造型美觀、便于制造便于制造。形狀、壁厚、脫模斜度、加強筋、球形面或拱形面、圓角、孔和螺紋等。1）.表面形狀塑件的內(nèi)外表面形狀應(yīng)盡可能保證有利于成型、脫模壁厚過小壁厚過大強度及剛度不足，塑料流動困難原料浪費，冷卻時間長，易產(chǎn)生缺陷2）.壁厚改善壁厚典型實例改善壁厚典型實例：3）.

10、脫模斜度 為了便于塑件脫模，防止脫模時擦傷塑件，必須在塑件內(nèi)外表面脫模方向上留有足夠的斜度，在模具上稱為。 脫模斜度取決于塑件的形狀、壁厚及塑料的收縮率，一般取30 30 1 13030。4）.加強筋u 加強筋作用作用：在不增加壁厚的情況下，提高制件的強度、防止和避免塑料變形和翹曲。 加強筋厚度小于壁厚加強筋與支承面間留有間隙平板類零件加強筋方向與料流方向平行設(shè)計注意要點：設(shè)計注意要點：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。6）.圓角 在滿足使用要求的前提下,制件的所有的轉(zhuǎn)角盡可能設(shè)計成圓角，或者用圓弧過渡。 u 圓角作用：圓角作用：圓角可避免應(yīng)力集中，提高

11、制件強度 圓角可有利于充型和脫模圓角有利于模具制造，提高模具強度 注意：兩個特殊地方須用尖角，不用圓角注意：兩個特殊地方須用尖角，不用圓角 a、塑件外觀的分型面處； b、塑件內(nèi)形采用鑲拼的地方。7）.孔u 設(shè)計原則 不能影響和削弱塑件的強度，塑件有孔間距的限制不能影響和削弱塑件的強度，塑件有孔間距的限制熱固性塑件孔間距、孔邊距 孔 徑 1.51.533661010181830孔間距、孔邊距11.51.5223344557 塑件上固定用孔和受力孔的周圍可設(shè)計凸臺加強塑件上固定用孔和受力孔的周圍可設(shè)計凸臺加強 u 常見孔的設(shè)計 通孔 ：用于淺孔，結(jié)構(gòu)簡單，但有橫向飛邊。：用于深孔。：型芯有較好的強

12、度和剛度，精度高，軸向飛邊，容 易清理，但制造麻煩，用于精度高的孔u 常見孔的設(shè)計 盲孔 d d1.5: h 1.5: h （3 35 5）d d d1.5d1.5 ：h h 3d 3d 孔不宜過深 異形孔異形孔 盡量采用拼合成形，以避免側(cè)向抽芯 8）.螺紋：直接用模具成形，或者采用機械加工都可4、塑料加工的工藝過程包括塑料成形和塑料加工。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(dāng)?shù)墓に嚪椒ㄖ瞥芍破贰３Ｓ玫乃芰霞庸し椒ㄓ校簷C械加工連接加工表面加工10.1.2 10.1.2 工業(yè)橡膠的成形工業(yè)橡膠的成形橡膠橡膠制品的組成制品的組成 生膠：未加配合劑、骨架材料的天然

13、膠或合成膠。 配合劑：為改善成形加工的工藝性能和使用性能而添加的 一些特殊物質(zhì)。如硫化劑和硫化促進劑，增塑劑，防老化劑 等等。 骨架材料：為了提高橡膠制品的承載能力，限制變形，常加 入各種纖維，織品、金屬絲或金屬編織品作為骨架材料。 橡膠模具成形的模型制品是橡膠制品中應(yīng)用最廣，品種最多 的一類制品。 各種橡膠制品的工藝流程基本相同，都須經(jīng)過塑煉、混煉、 成形、硫化這幾個基本工序（過程）。橡膠制品的成形特點橡膠制品的成形特點1、橡膠的成形性能流動性能 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。 表示：黏度和可塑性流變性能 橡膠的黏度隨剪切速率的降低而減小的特性。硫化性能 橡膠通過

14、硫化處理，獲得各種最佳的物理性能和力學(xué)性能的能力。 “ 硫化”一詞有其歷史性，因最初的天然橡膠制品用硫磺作交聯(lián)劑進行交聯(lián)而得名，隨著橡膠工業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)在可以用多種非硫磺交聯(lián)劑進行交聯(lián)。因此硫化的更科學(xué)的意義應(yīng)是“交聯(lián)”或“架橋”，即線性高分子通過交聯(lián)作用而形成的網(wǎng)狀高分子的工藝過程。熱物理性能2、橡膠加工的工藝過程生膠塑煉混煉制坯片材、管材、型材裁切模壓硫化修邊檢驗成品關(guān)鍵工序：1）塑煉。在一定的溫度下利用機械擠壓、輥軋等方法，使生膠分子鏈斷鏈，使其由強韌的彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿彳?、具有可塑性的狀態(tài)的加工工藝過程。2）混煉。為了提高橡膠制品的使用性能，改進橡膠的工藝性能和降低成本，將各種配合劑混入生

15、膠中，制成質(zhì)量均勻的混煉膠的工藝過程。3）成形。壓延成形、模壓成形、擠出成形和注射成形3）模壓硫化。它包括加料、閉模、硫化、起模和模具清理等步驟。膠料經(jīng)閉模加熱加壓后成形，經(jīng)過硫化使膠料分子交聯(lián)，成為具有高彈性的橡膠制品。3、橡膠的成形方法1） 壓延成形 壓延成形是利用一對或數(shù)對相對旋轉(zhuǎn)的加熱滾筒，使物料在滾筒間隙被壓延而連續(xù)形成一定厚度和寬度的薄型材料。 壓延機的主體是一組加熱的輥筒。按輥筒數(shù)目可分為兩輥、三輥或更多；以排列方式分為I型、倒L型、L型、Z型、T型、M型等。壓延機的不同輥筒排列方式及壓延過程如圖所示。 在壓延過程中，必須協(xié)調(diào)輥溫和轉(zhuǎn)速，控制每對輥的速比，保持一定的輥隙存料量，調(diào)

16、節(jié)輥間距，以保證產(chǎn)品外觀及有關(guān)性能。 如在最后一對輥間同時通過已經(jīng)處理的紙張或織物，使熱的塑料或橡膠膜片在輥筒壓力下與這些基材貼合在一起，可制造出復(fù)合制品。如人造革、地板革、壁紙等。2） 模壓成形 壓鑄成形亦稱傳遞式模壓成形或擠膠法成形。它是將混煉過的、形狀簡單的、限量一定的膠條或膠塊半成品放入壓鑄模料腔中，通過壓鑄塞的壓力擠壓膠料，并使膠料通過澆注系統(tǒng)進模具型腔中硫化定型。 模壓成形過程有：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處理。3） 擠出成形 橡膠壓出成形又稱擠出成形。它是在壓出機(或稱擠出機)中對膠料加熱和塑化，通過螺桿或柱塞推動連續(xù)不斷地向前傳送，然后借助于

17、橡膠壓出成形模具(簡稱口型模)，壓出各種所需形狀半成品(型材，模制品)以完成造型或其它作業(yè)的工藝過程。4） 注射成形 橡膠注射成形是在專門的橡膠注射機上進行的。橡膠注射成形的工藝過程主要包括膠料的預(yù)熱塑化、注射、保壓、硫化、脫模和修邊等工序。10.2 陶瓷材料的成形區(qū)別傳統(tǒng)陶瓷新型陶瓷原料天然礦物原料人工精制合成原料（氧化物和非氧化物兩大類）成型注漿、可塑成型為主注漿、壓制、熱壓注、注射、軋膜、等靜壓成型為主燒結(jié)溫度一般在1350以下，燃料以煤、油、氣為主結(jié)構(gòu)陶瓷常需1600左右高溫?zé)Y(jié)；功能陶瓷需精確控制燒結(jié)溫度。燃料以電、氣、油為主加工一般不需加工常需切割、打孔、研磨和拋光性能以外觀效果為

18、主以內(nèi)在質(zhì)量為主，常呈現(xiàn)耐溫、耐磨、耐腐蝕和各種特殊性能用途炊、餐具、陳設(shè)品主要用于宇航、能源、冶金、交通、電子、家電等行業(yè)10.2.1 10.2.1 陶瓷材料成形基礎(chǔ)陶瓷材料成形基礎(chǔ) 陶瓷制品的生產(chǎn)過程主要包括坯體成形前的坯料準備、坯體成形、燒結(jié)及坯體的后續(xù)加工等內(nèi)容。 1.坯體成形前的準備 首先是利用物理、化學(xué)等方法對粉料進行處理獲得所需要規(guī)格的粉體；然后按照瓷料的成分，將各種原料進行稱量配料，配料后根據(jù)不同的成形方法，混合制備成不同形式的坯料。2.坯體成形 成形是將坯料制成具有一定形狀和規(guī)格的坯體?？刹捎脻沧⒎ǔ尚?、擠壓成形、壓制成形。3.燒結(jié) 燒結(jié)是對成形坯體進行低于熔點的高溫加熱，使

19、其內(nèi)部的粉體產(chǎn)生粘結(jié)，經(jīng)過物質(zhì)遷移導(dǎo)致致密化和高強度的過程。4.后續(xù)加工 陶瓷經(jīng)成形、燒結(jié)后，還可根據(jù)需要進行后續(xù)精密加工，使之符合表面粗糙度、形狀、尺寸等精度要求，如磨削加工、研磨與拋光、超聲波加工、激光加工，甚至切削加工等。 10.2.2 10.2.2 陶瓷材料成形方法陶瓷材料成形方法 陶瓷制品的成形，就是將坯料制成具有一定形狀和規(guī)格的坯體。成形方法主要有澆注成形、可塑法成形、壓制成形等。1、注漿成形法 注漿成形是將陶瓷懸浮料漿注入多孔質(zhì)模型內(nèi)，借助模型的吸水能力將料漿中的水吸出，從而在模型內(nèi)形成坯體。其工藝過程包括懸浮料漿制備、模型制備、料漿澆注、起模取件、干燥等階段。 1）懸浮料漿的制

20、備。 料漿是陶瓷原料粉體和水組成的懸浮液。料漿應(yīng)具有良好的流動性，足夠小的粘度，盡可能少的含水量，弱的觸變性(靜止時粘度變化小),良好的穩(wěn)定性(懸浮性)及良好的滲透(水)性等性能。2）常用注漿成形法 空心注漿 料漿注入模型后，由模型單面吸漿，當(dāng)注件達到要求的厚度時，排出多余料漿而形成空心注件。 實心注漿 料漿注入模型后，料漿中的水分同時被模型的兩個工作面吸收，注件在兩模之間形成，沒有多余料漿排出。3）強化注漿成形法 強化注漿 在注漿過程中，人為地對料漿施加外力，以加速注漿過程進行，提高注漿速度，使坯體致密度與強度得到提高。強化注漿法有真空注漿、離心注漿和壓力注漿等。2、可塑成形法 可塑法成型是

21、用各種不同的外力對具有可塑性的坯料（泥團）進行加工，迫使坯料在外力作用下發(fā)生可塑變形而制成生坯的成型方法。1 1）滾壓成形法）滾壓成形法工藝原理和特點：工藝原理和特點：成型時盛放著泥料的石膏模型和滾壓頭成型時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同方向旋轉(zhuǎn)。滾壓頭在旋分別繞自己的軸線以一定的速度同方向旋轉(zhuǎn)。滾壓頭在旋轉(zhuǎn)的同時逐漸靠近石膏模型，對泥料進行滾壓成型。轉(zhuǎn)的同時逐漸靠近石膏模型，對泥料進行滾壓成型。2 2）塑壓成形法）塑壓成形法 將可塑泥料放在模型中在常溫下壓制成型的方法。將可塑泥料放在模型中在常溫下壓制成型的方法。 模型：蒸壓型的模型：蒸壓型的半水石膏，內(nèi)部盤繞多孔

22、性纖半水石膏，內(nèi)部盤繞多孔性纖維管，用以通壓縮空氣或抽真空。成型壓力與坯泥的含水量維管，用以通壓縮空氣或抽真空。成型壓力與坯泥的含水量有關(guān)。坯體的致密度較旋坯法、滾壓法都高。因此，需要提有關(guān)。坯體的致密度較旋坯法、滾壓法都高。因此，需要提高模型強度：采用多孔性樹脂模、多孔金屬模。高模型強度：采用多孔性樹脂模、多孔金屬模。3、模壓成形法 模壓成型（又稱壓制成型或壓縮成型）是先將粉狀，粒狀或纖維狀的塑料放入成型溫度下的模具型腔中，然后閉模加壓而使其成型并固化的作業(yè)。模壓成型可兼用于熱固性塑料，熱塑性塑料和橡膠材料。1 1）壓制成形法）壓制成形法 利用壓力裝置將置于模具內(nèi)的粉料壓緊至結(jié)構(gòu)緊密，形成具

23、有一定形狀和尺寸的胚體的成形方法。2 2）等精壓成形法）等精壓成形法 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。10.3 復(fù)合材料的成形復(fù)合材料成形特點1）材料的復(fù)合過程與制品的成形過程同時完成；2）復(fù)合材料具有的可設(shè)計性以及材料和制品一致性的特點，都是由不同的成形工藝賦予的，因此應(yīng)當(dāng)根據(jù)制品的結(jié)構(gòu)形狀和性能要求來選擇成形方法。 復(fù)合材料的成形工藝主要取決于復(fù)合材料的基體。般情況下，其基體材料的成形工藝方法也常常適用于以該類材料為基體的復(fù)合材料，特別是以顆粒、晶須及短纖維為增強體的復(fù)合材料。 10.3.1 10.3.1 樹脂基復(fù)合材料的成形樹脂基復(fù)合材料的成形1、

24、手糊成形法該法以手工作業(yè)為主，其工藝流程如下：樹脂基體配制增強材料裁剪模具涂脫模劑干燥手糊成形脫模修整固化制品 手糊成形可用于制造船體、儲罐、儲槽、大口徑管道、風(fēng)機葉片、汽車殼體、機翼、火箭外殼等大中型制件。2、噴射成形法 該法是將調(diào)配好的樹脂膠液與短切纖維通過噴射機的噴槍均勻噴射到模具上沉積，每噴一層，即用棍子滾壓，使之壓實、浸漬并排出氣泡，再繼續(xù)噴射，直至完成坯件制作，最后固化成制品，如圖所示。 噴射法可用于成形船體、容器、汽車車身、機器外罩、大型板等制品。3、拉擠成形法 將浸漬過樹脂膠液的連續(xù)纖維束或帶，在牽引機構(gòu)拉力作用下，通過成形模定形，再進行固化，連續(xù)引拔出長度不受限制的復(fù)合材料管、棒、方形、工字形、槽形，以及非對稱形的異形截面等型材。4、 層壓成形法 將紙、棉布、玻璃布等片狀增強材料，在浸膠機中浸漬樹脂，經(jīng)干燥制成浸膠材料，然后按層壓制品的大小，對浸膠材料進行裁剪，并根據(jù)制品要求的厚度(或質(zhì)量)計算所需浸膠材料的張數(shù)，逐層疊放在多層壓機上，進行加熱層壓固化，脫模獲得層壓制品。 5、 模壓成形法 模塑料、預(yù)浸料以及纏繞在芯模上的纏繞坯料等