玻璃成型及其模具-4

玻璃成型及其模具

第四講報(bào)告人：孫德勤

常熟理工學(xué)院機(jī)械工程系玻璃瓶成形最為常見的十大缺陷

（１）裂紋

裂紋是玻璃瓶最普遍的缺點(diǎn)。它可能非常細(xì)，有些只有在反射光中才能發(fā)現(xiàn)。經(jīng)常產(chǎn)生的部位是瓶口、瓶頸和肩部，瓶身和瓶底部也常有裂紋產(chǎn)生。（２）厚薄不勻

這是指玻璃瓶上的玻璃分布不均勻。主要是玻璃料滴溫度不均勻，溫度高的部分黏度小，容易吹?。粶囟鹊偷牟糠肿枇Υ?，較厚。模型溫度不均勻，溫度高的一邊玻璃冷卻慢，容易吹薄，溫度低的一邊，因玻璃冷卻快而吹厚。（３）變形

料滴溫度和作用溫度過高，由成形模脫出的瓶子尚未完全定形，往往會(huì)下塌變形。有時(shí)瓶的底部尚軟會(huì)印上輸送帶的紋痕而使瓶底不平。（４）不飽滿

料滴溫度過低或模型過冷會(huì)使口部、肩部等處吹不飽滿，產(chǎn)生缺口、癟肩和花紋不清晰等缺陷。（５）冷斑

玻璃表面上不平滑的斑塊稱為冷斑。這種缺陷的產(chǎn)生原因主要是模型溫度過冷，多在開始生產(chǎn)或停機(jī)再生產(chǎn)時(shí)發(fā)生。（６）突出物

玻璃瓶合縫線突出或口部邊緣向外凸出的缺陷。這是由于模型部件制造不夠正確或安裝不夠吻合而產(chǎn)生的。模型損壞、合縫面上有污物、頂芯提起太晚未進(jìn)入位置前玻璃料已落入初形模中，就會(huì)使一部分玻璃從隙縫中壓出或吹出。（７）皺紋

皺紋有各種形狀，有的是折痕，有的是成片的很細(xì)的皺紋。皺紋產(chǎn)生的原因主要是由于料滴過冷，料滴過長(zhǎng)，料滴未落在初形模中間而粘連在模腔壁上而產(chǎn)生的。（８）表面缺點(diǎn)

瓶罐的表面發(fā)毛、不平，主要是由于模腔表不光滑而造成的。模型的潤(rùn)滑油不清潔或涂油的刷子過臟，也會(huì)使瓶罐表面質(zhì)量下降。（９）氣泡

在成形過程中產(chǎn)生的氣泡往往是幾個(gè)大氣泡或集中在一起的若干小氣泡，這和玻璃本身的均勻分布的小氣泡是有區(qū)別的。（１０）剪刀印

由于剪切不良而殘留在瓶罐上明顯的痕跡。一個(gè)料滴常有兩個(gè)剪刀印，上面的剪刀印留在底部，影響外觀。下面的剪刀印留在瓶口，常常是裂紋的發(fā)源

模具材料及其成形無論用現(xiàn)有的哪一種玻璃成型方法，就模且所處的作業(yè)條件來說都是很差的。鑒于熱玻璃成型和最終制成成品所發(fā)生的許多復(fù)雜購物理化學(xué)和機(jī)械過程，對(duì)模具材料所提出的要求是極其苛刻的。一般玻璃模材料應(yīng)具備下列一些最重要性質(zhì)：易于機(jī)械加工，耐碎裂，耐熱沖擊導(dǎo)熱熱性好，線膨脹系數(shù)小，抗生長(zhǎng)耐熱，耐磨組織致密均勻，粘附溫度高，成型表而光洽度好，耐腐蝕等模具是玻璃成型中不可缺少的裝備，玻璃生產(chǎn)的質(zhì)量與產(chǎn)量都和模具直接有關(guān)，因而模具材料的選用、加工、維修和檢驗(yàn)是確保模具質(zhì)量與成型質(zhì)量的重要措施。在玻璃成型過程中，要求模具能長(zhǎng)期經(jīng)受在高溫條件下工作，玻璃的入模溫度在900～1100℃問，出模溫度在500～600℃左右。模具中玻璃的停留時(shí)間一般為5～60s。如果模具材質(zhì)的耐熱性差，在使用過程中就很容易發(fā)生龜裂，導(dǎo)致制品表面產(chǎn)生較多的龜紋，這樣不僅影響制品的外觀質(zhì)量，同時(shí)也影響其熱穩(wěn)定性和強(qiáng)度。二、熱擴(kuò)散速率玻璃入模和出模的溫差為在400～500℃。玻璃在模具中的停留時(shí)間為幾秒到幾十秒。要求模具材質(zhì)也在這段時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散掉這部分熱量，而模具的熱擴(kuò)散速率將直接影響到制品的成型速度。不同規(guī)格的制品要求其熱擴(kuò)散速率的大小也不一樣，一般大規(guī)格制品，因成型速度慢，制品在模具中的停留時(shí)間也長(zhǎng)，相應(yīng)地要求熱擴(kuò)散速率就較低。反之，成型速度很快的制品，其在模具中的停留時(shí)間必然很短，因而希望模具能在較短的間隙時(shí)間內(nèi)盡快地得到冷卻，相應(yīng)地要求熱擴(kuò)散速率也較快。三、熱沖擊性為了便于制品出模和及時(shí)對(duì)制品固形，必須對(duì)模具和制品進(jìn)行風(fēng)冷。而當(dāng)制品出模后為使模具保持清潔和及時(shí)散熱，又必須對(duì)模具進(jìn)行風(fēng)冷，這一切措施都構(gòu)成了對(duì)模具的熱沖擊，若模具材質(zhì)不能經(jīng)受耐急冷急熱性能的沖擊，就會(huì)造成模具龜裂，影響制品質(zhì)量。四、膨脹與高溫變形性能當(dāng)材料的膨脹性能變化顯著時(shí)，不僅會(huì)造成成型與脫模等一系列困難，而且使制品在接合處有粗大的接合縫，造成在脫模過程中制品在該區(qū)域容易發(fā)生炸裂，模具也容易損壞，因此希望使用低熱膨脹性的材料來制造模具。由于模具長(zhǎng)期處于高溫負(fù)荷下工作，容易造成模具高溫變形，影響模具的精度，造成制品矯曲或公差不符要求等情況．嚴(yán)重的甚至影響入模與脫模的連貫性，因此要求模具的材質(zhì)必須高溫變形性能要優(yōu)越。一般選擇低膨脹系數(shù)的材質(zhì)，其高溫變形性能必然優(yōu)越。模具長(zhǎng)期在急冷與急熱的高速負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)與工作，因而要求模具能在這一惡劣工作環(huán)境下能連續(xù)使用較長(zhǎng)時(shí)間而不致有網(wǎng)絡(luò)裂紋(龜裂)等出現(xiàn)。故要求材質(zhì)能有較好的熱疲勞性能。六、抗氧化性由于模具直接接觸的玻璃液溫度均較高，故氧化過程就進(jìn)行得很快，但當(dāng)接觸溫度低于500℃時(shí)，鑄鐵材料的氧化進(jìn)行得很緩慢。大部分模具的損壞原因都是由氧化引起的，故在工藝允許的前提下適當(dāng)降低成型溫度，有利丁延長(zhǎng)模具的使用壽命。此外，當(dāng)鑄鐵材料結(jié)構(gòu)中存在片狀石墨體以及合金元素如Cr、Mo、Ni時(shí)，也能增加鑄鐵的抗氧化能力。模具材質(zhì)選用中，除了要求使用壽命長(zhǎng)外，還必須考慮易于加工、維修，返上率要低。有些材質(zhì)常因致密度不夠或有砂眼等，徒勞往返加工既耗工時(shí)又影響生產(chǎn)。而若材料過于堅(jiān)硬或韌性過大，造成加工困難，影響精度。因而在保證各項(xiàng)性能要求的前提下，選擇便于加工的材質(zhì)確實(shí)很有必要。一般常用鑄鐵來作為模具材料，這是一種價(jià)格低廉、易于加工、有較好強(qiáng)度的材料。玻璃模具材料介紹玻璃成形過程中會(huì)發(fā)生的許多復(fù)雜的物理化學(xué)和機(jī)械過程，對(duì)模具材料所提出的要求極其廣泛。模具材質(zhì)應(yīng)具備下列一些最主要性質(zhì)：易于機(jī)械加工，耐碎裂，耐熱沖擊，導(dǎo)熱性好，線膨脹系數(shù)小，抗生長(zhǎng)，耐熱，耐磨，組織致密均勻，粘附溫度高，耐腐蝕等等。但是，實(shí)際上迄今還沒有哪一種金屬全部具備這些良好性能。根據(jù)玻璃模具的服役條件和失效分析以及實(shí)際生產(chǎn)要求，對(duì)模具材料的主要要求是抗氧化、抗生長(zhǎng)及熱疲勞抗力等性能，其中以抗氧化性能為主要性能常用玻璃模具材質(zhì)1.普通低合金鑄鐵鑄鐵廣泛用作模具材料始于19世紀(jì)，鑄鐵具有優(yōu)良的鑄造性能、良好的加工性、成本低、熱而不粘的性能，適合中小型鑄造廠生產(chǎn)等，目前國內(nèi)外普遍都采用鑄鐵作為玻璃模具材料，合金鑄鐵在可預(yù)見的未來仍然是主要玻璃模具材質(zhì)。2.球墨和蠕墨鑄鐵球墨鑄鐵有較高的強(qiáng)度和韌性，并有良好的抗氧化性能，其抗熱疲勞性能優(yōu)于其他鑄鐵，但由于其石墨形態(tài)呈孤立的球狀，導(dǎo)熱性較差，不能適應(yīng)機(jī)械化生產(chǎn)要求，限制了它在玻璃模具中的使用，故大多工廠只用它制造小型的瓶模。蠕墨鑄鐵機(jī)械性能與球墨鑄鐵相近，具有較高的導(dǎo)熱性、抗氧化和抗生長(zhǎng)能力，又有像灰鑄鐵那樣良好的鑄造性能和機(jī)械加工性能，使蠕墨鑄鐵具有良好的綜合性能，而用于制造玻璃模具材料。片狀石墨F基體灰鑄鐵組織形態(tài)（一）片狀石墨P灰鑄鐵組織形態(tài)（二）球狀石墨F球墨鑄鐵蠕墨鑄鐵3.D型石墨鑄鐵D型石墨屬于片狀石墨一種，它是在奧氏體樹枝晶間生長(zhǎng)，奧氏體的連續(xù)性割裂了石墨片的連續(xù)性，且D型石墨與基體間的間隙比其它片狀石墨與基體間的間隙小。D型石墨細(xì)小、卷曲、端部較鈍的形態(tài)，決定了它對(duì)基體的切割作用小，不易引起較大的應(yīng)力集中，所以D型石墨鑄鐵具有較高的強(qiáng)度目前D型石墨鑄鐵用作玻璃模具材料已成熱點(diǎn)，國內(nèi)外已有許多研究，從國外進(jìn)口的模具分析表明，大都采用D型石墨鑄鐵材質(zhì)。通常采取加入元素鈦、采用金屬型等來獲得D型石墨。D型石墨4.合金鋼近年來開始采用合金鋼制模，合金鋼在大多數(shù)情況下比鑄鐵能更好地滿足對(duì)玻璃模具提出地要求。鋼的導(dǎo)熱性次于鑄鐵，因此使用時(shí)易出現(xiàn)過熱，產(chǎn)生粘附現(xiàn)象。因此必須采用強(qiáng)制冷卻、合理設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)、用硅酮脂潤(rùn)滑等方法。不銹鋼是一種耐腐蝕、強(qiáng)度高、耐氧化及韌性好的材質(zhì)，其導(dǎo)熱性較差，熱膨脹小，成分是各種各樣的，英國很早就用于制造沖頭、襯模等。美國用AISI430號(hào)(12～14Cr)和AISI310號(hào)(25Cr，20Ni)不銹鋼，用于制作某些模具零件。其他模具材料鎳基合金：這類合金耐熱性比鑄鐵好，所以用它制作的模具表面裂紋少、壽命長(zhǎng)、生產(chǎn)率高，并能提高玻璃制品的光潔度，但這類材料價(jià)格高。為了提高玻璃制品的表面光潔度或延長(zhǎng)模具零件的更換周期，仍常用這類材料制模銅基合金：這類合金導(dǎo)熱性很好，高速成型時(shí)仍能保證玻璃制品質(zhì)量，因此頗受人們的重視?，F(xiàn)主要有兩類：一類含有Cu、Al、Zn和Ni，這類合金對(duì)提高表面光潔度最為有效。這種合金抗氧化、導(dǎo)熱性、熱穩(wěn)定性和熱塑性都很好，顯著改善了成型機(jī)的操作條件。另一類含Cu、Al、Ni和Co，不含Zn，同鑄鐵相比可使機(jī)速提高15~25，能使模具工作面壽命延長(zhǎng)三倍左右，模具易于修復(fù)，制品質(zhì)量好。模具涂層：現(xiàn)在常在玻璃模具的棱角和沖頭與玻璃接觸的部分采用熱噴涂層，噴焊一層鎳鉻合金粉末，以提高接觸表面的高溫耐磨性、耐高溫、抗氧化。用灰鑄鐵制作的玻璃模具，熱噴涂鎳基自熔合金，可使模具壽命提高5倍以上，主要問題是需要重新加工以及模具成本較高。

金屬的成形方法可分為鑄造、塑性成形（或稱壓力加工）、切削加工、焊接和粉末冶金五大類。鑄造是液態(tài)成型過程，是生產(chǎn)金屬零件毛坯的主要工藝方法之一，與其它工藝方法相比，它具有成本低，工藝靈活性大，適合生產(chǎn)不同材料、形狀和重量的鑄件，并適合于批量生產(chǎn)。鑄造工藝及缺陷控制液態(tài)成型的優(yōu)點(diǎn)適于做復(fù)雜外形，特別是復(fù)雜內(nèi)腔的毛坯對(duì)材料的適應(yīng)性廣，鑄件的大小幾乎不受限制成本低，原材料來源廣泛，價(jià)格低廉,一般不需要昂貴的設(shè)備是某些塑性很差的材料(如鑄鐵等)制造其毛坯或零件的唯一成型工藝液態(tài)成型優(yōu)點(diǎn)液態(tài)成型的優(yōu)點(diǎn)工藝過程比較復(fù)雜，一些工藝過程還難以控制液態(tài)成形零件內(nèi)部組織的均勻性、致密性一般較差液態(tài)成形零件易出現(xiàn)縮孔、縮松、氣孔、砂眼、夾渣、夾砂、裂紋等缺陷，產(chǎn)品質(zhì)量不夠穩(wěn)定由于鑄件內(nèi)部晶粒粗大，組織不均勻，且常伴有缺陷，其力學(xué)性能比同類材料的塑性成形低液態(tài)成型缺點(diǎn)液態(tài)合金的工藝性能液態(tài)成型過程的工藝性能表征為液態(tài)合金的鑄造性能通常是指合金的流動(dòng)性、收縮性吸氣性及偏析等性能合金鑄造性能是選擇鑄造金屬材料，確定鑄件的鑄造工藝方案及進(jìn)行鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)二、鑄造工藝基礎(chǔ)

定義：鑄造是指將熔融態(tài)的金屬（或合金）澆注于特定型腔的鑄型中凝固成形的金屬材料成形方法。

鑄造的基本過程：液態(tài)金屬充型鑄件凝固收縮

實(shí)質(zhì)：液態(tài)金屬（或合金）充填鑄型型腔并在其中凝固和冷卻。砂型鑄造概略圖

主要影響因素鑄造的主要影響因素主要體現(xiàn)在二個(gè)方面：一是影響充型的主要因素和影響凝固收縮的主要因素。階段主要影響因素

鑄造充型金屬的流動(dòng)性澆注溫度充型壓力凝固收縮凝固方式冷卻速度

金屬的流動(dòng)性：改善金屬的流動(dòng)性加快凝固中液體的補(bǔ)縮排除內(nèi)部夾雜物和氣體形成薄壁復(fù)雜的鑄件有利于金屬流動(dòng)性測(cè)試實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)如右圖所示：

澆注溫度：T澆注↑t凝固↑流動(dòng)性↑δ粘度↓充填路徑↑充型能力↑

充型能力：P充型↑V流動(dòng)↑充型能力↑

鑄件的凝固方式：在鑄件凝固過程中，對(duì)鑄件質(zhì)量影響較大的主要是固液兩相并存的凝固區(qū)的寬窄。鑄件的“凝固方式”就是依據(jù)凝固區(qū)的寬窄來劃分的。逐層凝固純金屬和共晶成分的合金在凝固中因?yàn)椴淮嬖诠桃簝上嗖⒋娴哪虆^(qū)，所以固體與液體分界面清晰可見，一直向鑄件中心移動(dòng)。糊狀凝固鑄件在結(jié)晶過程中，當(dāng)結(jié)晶溫度范圍很寬，且鑄件截面上的溫度梯度較小，則不存在固相層，固液兩相共存的凝固區(qū)貫穿整個(gè)區(qū)域。中間凝固大多數(shù)合金的凝固是介于逐層凝固和糊狀凝固之間，稱為中間凝固。

鑄件的收縮：定義：收縮是指合金從澆注、凝固到冷卻至室溫的過程中，其體積或尺寸縮減的現(xiàn)象。分類：分為三類，液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮。鑄件溫度降低澆注溫度室溫凝固終止溫度開始凝固溫度液態(tài)收縮凝固收縮固態(tài)收縮

體積收縮線收縮收縮率：體積收縮是指單位體積的收縮量（體積收縮率）。線收縮是指單位長(zhǎng)度上的收縮量（線收縮率）。體積收縮率：線收縮率：其中V0，L0表示鑄件在高溫T0時(shí)的體積和一維方向的長(zhǎng)度；V1，L1表示鑄件在高溫T1時(shí)的體積和一維方向的長(zhǎng)度。注意：在鑄模尺寸設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮鑄件的收縮因素。即利用每種材料特定的收縮率和實(shí)際鑄件的尺寸，來換算成鑄模型腔的尺寸。合金的收縮給鑄模的設(shè)計(jì)和鑄件的精密成形等帶來較大困難，是多數(shù)鑄造缺陷產(chǎn)生的根源。3.3～4.20.13.614003.50灰口鑄鐵5.4～6.34.22.414003.00白口鑄鐵7.863.01.616100.35碳鋼固態(tài)收縮（％）凝固收縮（％）液態(tài)收縮（％）澆注溫度（℃）碳含量（％）合金種類典型合金的收縮率εV

縮孔：

鑄造缺陷定義：縮孔是指金屬液在鑄模中冷卻和凝固時(shí)，在鑄件的厚大部位及最后凝固部位形成一些容積較大的孔洞。產(chǎn)生原因：先凝固區(qū)域堵住液體流動(dòng)的通道，后凝固區(qū)域收縮所縮減的容積得不到補(bǔ)充。

疏松：定義：疏松是指金屬液在鑄模中冷卻和凝固時(shí)，在鑄件的厚大部位及最后凝固部位形成一些分散性的小孔洞。產(chǎn)生原因：

當(dāng)合金的結(jié)晶溫度范圍很寬或鑄件斷面溫度梯度較小時(shí)，凝固過程中有較寬的糊狀凝固兩相并存的區(qū)域。隨著樹枝晶長(zhǎng)大，該區(qū)域被分割成許多孤立的小熔池，各部分熔池內(nèi)剩余液態(tài)合金的收縮得不到補(bǔ)充，最后形成了形狀不一的分散性孔洞即縮松。

另外，疏松還可能由凝固時(shí)被截留在鑄件內(nèi)的氣體無法排除所致。不過，疏松內(nèi)表面應(yīng)該是光滑，近似球狀。危害：顯著降低鑄件的機(jī)械性能，造成鑄件滲漏等。防止措施：采取順序凝固的