第6章_非金属材料成形

第6章非金属材料成形 6 1高分子材料成形基础高分子材料又称为聚合物 其成形工艺简单 材料损耗少 能耗低 生产效率高 且可方便地通过切削加工 焊接 胶接等方法进行二次加工 6 1 1聚合物的链状结构 线型高分子支链型高分子体型高分子 线型高分子 分子链呈细长链状的高分子化合物 具有此类分子链的聚合物可以溶解 受热软化或熔融 易于流动成形 冷却则固化 且可反复进行 具有线型高分子结构的聚合物称为热塑性聚合物 支链型高分子 主链旁带有一些短支链的高分子化合物 使聚合物更容易溶解 受热软化或熔融 冷却则固化 且可反复进行 具有支链型高分子结构的聚合物也属于热塑性聚合物 体型高分子 多个线型高分子通过交联反应彼此联结形成的 呈三维网状结构 具有体型高分子结构的聚合物通常整块就是一个大分子 不能溶解 受热软化或熔融 故又称为热固性聚合物 包括热固性塑料和硫化橡胶等 6 1 2聚合物的力学状态按受力时形变特性的不同 聚合物的力学状态可分为玻璃态 高弹态和粘流态等三种 玻璃态 受力时只能产生很小的弹性变形 塑料即为常温下处于玻璃态的聚合物 高弹态 受力时可产生很大的弹性变形 晶态聚合物一般不会出现高弹态这对扩大塑料的使用温度范围十分有利 粘流态 受力时产生粘性流动称为粘流态或熔融态 常温下处于粘流态的聚合物通常用作胶粘剂或涂料 聚合物的成形加工如挤压 注射等也必须在粘流态下进行 6 1 3聚合物粘流态的主要特征 聚合物粘流态的主要特征是 流动单元是链段聚合物的流动单元不是整个大分子而是链段 是通过链段的相继跃迁来实现整个分子流动的 粘度大 流动困难由于大分子流动不仅需克服分子的热运动 还要克服分子链间的相互 缠结 作用 故粘度远大于小分子液体 流动要困难得多 流动中伴随有高弹形变在外力作用下流动时 聚合物分子链不仅发生相对位移 且沿外力方向伸展 产生高弹形变 外力去除后 分子链又卷曲起来 使弹性变形得以恢复 6 1 4聚合物的成形性能 1 聚合物的流动性聚合物熔体受力变形和流动的性能 流动性取决于聚合物的结构和成形条件 采用分子量较小的聚合物 提高成形温度或降低成形压力等 均有利于减小分子间的作用力 从而降低熔体粘度 提高流动性 2 聚合物的收缩性在凝固和冷却过程中 体积和尺寸缩小的现象 收缩不仅影响制品精度 还会使制品出现缩孔 凹陷和翘曲变形等缺陷 由成形收缩引起的线尺寸变化率称为成形收缩率 一般为1 5 提高成形压力 降低成形温度等有利于减小聚合物的收缩 3 熔体弹性 在聚合物熔体粘性流动过程中伴随有可逆的弹性变形 称为熔体弹性 成形时的弹性恢复使制品的精度和表面质量降低 在模具设计时必须考虑到 提高成形温度 采用分子量较小的聚合物或降低应变速率等 均有利于减小熔体弹性 6 2塑料成形 6 2 1物料 聚合物塑料的主要成分 决定了塑料的基本性能 添加剂 增塑剂提高加工性 柔韧性和延展性常用邻苯二甲酯 磷酸酯和氯化石蜡等 交联剂显著提高制品的强度和耐热耐磨性能 主要是有机过氧化物 如双苯 过氧化异丙苯等 填料改善强度 耐久性 工作性能或其它性能 或降低成本的相对惰性的固体材料 常用品种有碳酸钙 陶土 滑石粉和炭黑等 6 2 2塑料成形工艺过程 1 原料准备 2 配混料 一种或几种聚合物与其它组分如填料 增塑剂 催化剂和着色剂等的均匀掺混料 3 塑炼 使物料在熔融状态下进一步混合渗透并去除水分和挥发物 4 粉碎或切粒 塑炼好的物料需经粉碎或切成粒状 以便于成形加工时机械化输送和加料操作 1 物料配制 图6 7密闭式塑炼机工作原理 图6 8切碎机结构 2 塑料成形方法 1 挤出成形 用于生产具有一定断面形状的连续材料 如管材 板材 薄膜和中空制品等 还常用于物料的塑炼和着色等 生产效率高 工艺适应性强 设备结构简单 但制品断面形状较简单且精度较低 适用于几乎各类热塑性塑料和部分热固性塑料 2 注塑成形 注塑成形适用于几乎所有品种的热塑性塑料和部分热固性塑料 制品外形可较复杂 精度和生产效率较高 目前注塑制品产量约占塑料制品总产量的20 30 3 压塑成形 模具结构简单 制品性能较均匀 并可成形流动性很差的物料及大面积的薄壁制品 压塑成形多用于热固性塑料 几乎所有的热固性塑料都适于压塑成形 生产效率低 劳动强度大 制品精度难以控制且模具易于磨损 能耗较大 4 压延成形 使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 生产效率高 产品质量好 且可直接制出各种花纹和图案 设备庞杂 维修复杂 制品宽度受限制 压延成形可用于各类热塑性塑料 主要产品有薄膜 片材和人造革等 5 其它成形方法 1 注坯吹塑成形2 反应注塑成形 用于各类热塑性塑料的瓶体生产 用于薄壁和大型件的成形 如浴盆 家具 座椅等 3 塑料的二次加工通过二次加工 可进一步提高制品的精度 表面质量和使用性能 单件小批生产时 还有利于节省制模费用 1 机械加工夹紧力和切削力不宜过大 刀具刃口应保持锋锐 2 连接加工塑料焊接生产效率高 但只适用于同类热塑性塑料的连接加工 胶接既可用于连接加工 也可用于修补残缺件 且在塑料与其它材料的连接上正逐步取代原用的机械连接方法 3 修饰加工对塑料制品表层进行修整和装饰 以提高精度和表面质量的二次加工 6 2 3塑料零件结构的工艺性选用成形性能较好且价廉的聚合物 制品的形状 结构应力求简单 精度和表面质量要求也不应过高 1 壁厚应适当和均匀 通常取1 6mm 2 应避免肋板交叉 以免局部过厚而出现缩孔和气泡 3 宽底容器的底部应设计成拱形面 4 内孔形状应利于抽出型芯 5 与脱模方向平行的内 外表面应具有结构斜度 以利于脱模和抽芯 6 侧孔轴线应与脱模方向一致 以简化模具和便于抽出型芯 6 3橡胶成形橡胶是具有高弹性的材料 伸长率可达100 1000 未硫化的橡胶有一定的塑性 掺混配合剂后经过成形和硫化 即可获得具有所需性能 包括各种特殊性能 的橡胶制品 6 3 1橡胶原料 1 生胶 没有加工过的原料橡胶2 再生胶 通常指用废旧橡胶制品和硫化胶边角料经再生处理制成的能重新加工的橡胶 主要用作橡胶稀释剂 增量剂等配合剂 3 配合剂 加到橡胶或胶乳中以形成混合物的物质 用以提高橡胶的某些性能 增塑剂 用于提高特别是在低温下提高橡胶制品柔软性的配合剂常用石蜡 重油 松香和煤焦油等 交联剂 又称硫化剂 是在橡胶中引起交联的配合剂 常用硫黄 含硫化合物和金属氧化物等 塑解剂 少量可因其化学作用而加速橡胶软化的配合剂常用苯硫酚 过氯化苯甲酰和硬脂酸铁等 填料 为了技术或经济目的 可以相对大比例加入橡胶或胶乳中的粒状固体配合剂常用的有炭黑 白炭黑和陶土等 配合剂 二 橡胶成形工艺过程 配料 配料 塑炼 混炼 成形 硫化 4 橡胶成形方法 1 压延成形 生产效率高 厚度尺寸精确 表面光滑 内部紧实 但其工艺条件控制严格 操作技术要求较高 2 挤出成形 操作简便 生产率高 工艺适应性强 设备结构简单 但制品断面形状较简单且精度较低 3 注射成形将胶料从密闭室压入闭合模具的工艺 注射成形能一次成形外形复杂 带有嵌件的橡胶制品 尺寸精确 质量稳定 生产效率高 主要用于生产密封圈 减震垫和鞋类等 4 模压成形模压成形是橡胶制品生产中应用最早且最多的生产方法 将预先压延好的胶坯按一定规格下料后加入到压制模中 合模后按规定的工艺条件压制 使胶料在加热 加压下塑性流动充填模腔 再经一定时间完成硫化后脱模 橡胶压制模结构与一般塑料压塑模相同 但需设置测温孔 以便通过温度计控制硫化温度 模腔周围也应设置流胶槽 以排出多余胶料 5 橡胶的硫化通过改变橡胶的化学结构 例如交联 而赋予橡胶弹性 或改善 提高并使橡胶弹性扩展到更宽温度范围的工艺过程 硫化的影响 硫化使橡胶的强度 硬度和弹性升高而塑性降低 此外 橡胶的耐磨性 耐热性和抗溶胀性 即浸入液体或在蒸汽中体积不易胀大的性能 也将得到改善 硫化是橡胶制品加工的主要工艺过程之一 且须安排在制品成形后进行 2 硫化条件 1 硫化压力 消除气泡和提高制品的致密性 促进胶料充模和提高制品的物理 力学性能 硫化压力一般为0 1 15MPa 2 硫化温度 提高硫化温度有利于促进硫化 但高温还增加厚制品的内外温差 使内外硫化程度不一致 硫化温度一般为140 180 3 硫化时间 时间过长会产生过硫 时间过短会产生欠硫 都会使制品性能下降 通常 硫化温度越高 制品的尺寸越大 所需的硫化时间也越长 硫化剂一般在混炼时即已加入到胶料中 通常是在胶料充模后通过继续升温和保压进行硫化的 硫化还可利用饱和蒸汽 过热蒸汽 热空气或热水等介质加热 在常压情况下进行 6 4陶瓷成形 陶瓷原料 天然矿物原料 生产传统陶瓷的主要原料 合成粉料 成分有TiO2 Al2O3 Si3N4 SiC等纯度高 粒度细 适用于生产精细陶瓷 化工原料 用作添加剂的各类化工产品 以改善坯料的成形性能 结合剂 增加可塑性 改善瘠性物料的成形性能 塑化剂 能吸附在瘠性物质表面使其呈现塑性的制剂 悬浮剂 能通过吸附在固体颗粒表面从而改变其表面状态 使其能在一定介质中悬浮的制剂 2 陶瓷坯料由多种原料混合和加工后制备的用于制作陶瓷坯体的物料 泥浆 水分含量 质量分数 为28 35 的陶瓷坯料 流动性较好 适用于浇注成形和流延成形 可塑泥料 水分含量 质量分数 为12 25 的陶瓷坯料 塑性较好 适用于各类塑性成形方法 粉料 水分含量 质量分数 为3 12 的陶瓷坯料 流动性差 适用于在较高的压力下压制成形 6 4 2陶瓷坯料的成形性 泥浆流动性 良好的流动性使泥浆浇注时易于充满模具 加热浆料及加入适当的电解质使泥浆粘度下降等方法可提高泥浆流动性 泥浆稳定性 良好的稳定性使浆料易于输送 且注浆成形时不易产生分层或开裂 加入少量水玻璃 腐植酸钠等钠盐及适量的有机胶体有效地防止聚沉 有机胶体还使固体颗粒聚沉的阻力增大 坯料可塑性 良好的可塑性使坯料受力时易于成形且有足够的强度 加入一些高粘性粘土或其它粘结剂以及控制泥料含水量等措施可提高可塑性 6 4 3陶瓷成形工艺过程1 坯料的制备配料 粉碎 混合 练泥 制浆 塑化和造粒等 2 坯体的成形 1 浆料流动成形 通过浆料流动注模或涂覆获得坯体的成形方法 1 浇注成形 将泥浆注入具有吸水能力的模具中得到坯体的成形方法流动注浆设备简单 投资较少 但制品质量差 生产效率低 压力注浆和离心注浆利用离心力均有效地提高了注浆速度和坯体质量 浇注成形适用于制造大型 薄壁及形状复杂的制品 2 热压铸成形 把煅烧制备的瓷粉同熔化的蜡类塑化剂迅速搅合成具有一定性能的料浆 在热压铸机中用压缩空气将热熔的料浆注满金属模 使料浆在金属模中凝固成形操作简便 表面光洁度好 但坯体含有机物 10 20 密度低 且大型薄壁制品难于成形 热压铸成形常用于形状复杂的中 小型制品的生产 3 流延成形 将具有一定流动性的陶瓷浆料 以一定的厚度涂覆在基体薄膜上 形成光滑表面 待其干燥 固化后从基带上揭下即成生坯带的工艺方法 生坯带可继续加工 如切片 层合和印刷等 而后烧结获得所需制品 流延成形是目前制造厚度小于0 2mm的超薄型制品的主要方法 在集成电路 电子元件制造中应用很广 2 塑性成形 利用泥料的可塑性将泥料塑造成各种形状的坯体的工艺过程 1 挤出成形 用挤管机将塑性泥料挤成棒状 管状等长条形坯体的成形方法 挤出成形生产效率高 污染小 但挤嘴结构复杂 制造精度要求高 常用于挤制棒 管及片状制品 2 轧膜成形 通过一对轧辊的间隙卷入原料进行辊轧 取出薄板后对薄板进行冲切 即可得到所需坯体 原料通常是粉料加上可塑性树脂与增塑剂 坯体密度高且均匀 但存在各向异性 干燥和烧结时易出现变形和裂纹 适合制备厚度0 2 1mm的板材 3 滚压成形 用滚压头将可塑泥料在旋转的模型上制成坯体的成形方法 阳模成形用于浅而面积大的制品 阴模成形用于深而面积小的制品 制品均为回转体形状 3 加压成形 经过加工的陶瓷泥料或泥片 在模具中受压形成一定形状和尺寸的陶瓷生坯的过程 1 干压成形 含水率 8 的陶瓷泥料或泥片 在模具中受压形成一定形状和尺寸的陶瓷生坯的成形过程 不经干燥即可直接焙烧 操作简便 生产率高 坯体密度高 强度和精度较高 但坯体密度不均匀 焙烧时易产生分层 开裂等现象 且难于成形大型坯体 常用于中 小型坯体的成形 2 等静压成形 使陶瓷粉料在各个方向同时均匀受压的一种成形工艺 其传递压力的介质若为液体 称为湿式等静压 适用于生产形状较复杂 产量小的大型制品 若为气体或弹性体 称为干式等静压 适于生产形状较简单的长形 管状的薄壁制品 3 加压成形1 干压成形2 等静压成形3 陶瓷的烧结常压烧结热压烧结活化烧结4 后处理切削加工特种加工涂层 图6 38热压烧结1 加热炉2 上模冲3 粉料4 阴模5 下模冲 3 陶瓷的烧结 常压烧结 常引入添加剂以促进烧结常压烧结工艺简单 成本低 热压烧结 将粉末或成形体置于耐热模型内 在加压下加热 使成形和烧结同时进行的烧结法热压烧结制品的强度远高于常压烧结制品 可制造高强度陶瓷刀片 还广泛用于很难烧结的非氧化物陶瓷材料 活化烧结 采用某些物理或化学方法 使反应物的原子或分子处于高能状态 利用这种高能状态的不稳定性作为强化烧结的新的驱动力 活化烧结可