钢背PEEKCFPTFE自润滑复合材料螺母制备

钢背PEEK/CF/PTFE自润滑复合材料螺母制备摘要复合材料是近年来国内外蓬勃发展的一种新型复合材料。作为新型材料，一般由木材或植物纤维组成，预处理后与热塑性树脂或其他材料混合。这种复合材料可以充分发挥材料多样性的特点，只选用一种材料往往难以满足要求。复合材料在材料的物理机械性能和加工性能加强的同时，还降低了成本，材料的附加值和应用范围都大大增加与扩大。采用钢背PEEK/CF/PTFE自润滑复合材料压制模具制备螺母。结果表明，开发出了碳纤维织物增强复合材料螺母。通过比较复合螺母与传统螺母的传动效率值，结果表明新型复合螺母具有优异的耐磨性能。碳纤维针织面料作为强化材料，短碳纤维为增强相。以CF/PTFE滑石粉等为自润滑组分，并采用压制模具成型制备的传动螺母，它不仅克服了复杂制造工艺的缺点，而且提高了机械强度。它还具有承载力大、摩擦性能好、传动效率高等特点。这种新型PEEK/CF/PTFE自润滑复合衬板传动螺母的顺利研制，对提高机械成形设备的使用寿命、节能减排具有深远的意义。压模广泛用于实际工业生产中。压模自动送料技术亦能投入现实作业中，使得劳动生产效率的提高效果明显，减少工人负担，具有重要的技术进步意义和经济价值。在本次设计中，首先利用CAD软件的二维平面函数对零件进行二维模具设计。对零件进行工艺分析，绘制零件二维图，加深对零件的理解。制定零件的工艺计划，比较工艺计划，确定工艺计划。了解固定式的半溢式压塑模的模具结构，进行模具结构设计并选择压制设备。关键词：材料性能分析、工艺方案、模具设计、加工工艺

ABSTRACTCompositematerialisanewkindofcompositematerialwhichisdevelopedrapidlyathomeandabroadinrecentyears.Itisanewkindofcompositematerialwhichiscomposedofwoodfiberorplantfiberafterpretreatmentwiththermoplasticresinorothermaterials.Thecompositehastheadvantagesofgivingfullplaytothecomponentsofthematerialandovercomingtheshortcomingsofthesinglematerial.Itnotonlyimprovesthephysicalandmechanicalpropertiesandprocessingpropertiesofthematerial,reducesthecost,expandsthescopeofapplication,butalsoincreasestheaddedvalueofthematerial.ThenutwaspreparedbypressingmouldofsteelbackPEEK/CF/PTFEself-lubricatingcomposite,andthecarbonfiberknittedfabricreinforcedcompositenutwasobtained.Bycomparingthetransmissionefficiencybetweencompositenutandcoppernut,theresultsshowthatthenewcompositenuthasexcellentwearresistanceandwearresistance.Usingcarbonfiberknittedfabricreticulatedframeworkasreinforcement,cuttingcarbonfiberassecondaryreinforcementphase,CF/PTFEtalcpowderasself-lubricatingcomponent,andpressingmouldasdrivingnut,Itnotonlyovercomesthedisadvantageofcomplexmanufacturingprocessbutalsoimprovesitsmechanicalstrength.Italsoretainsthecharacteristicsoflargebearingcapacity,excellentfrictionperformanceandhightransmissionefficiency.ThesuccessfuldevelopmentofthisnewtypeofsteelbackPEEK/CF/PTFEself-lubricatingcompositelinerdrivenuthasfar-reachingsignificanceforthelifeimprovementandenergysavingandemissionreductionofthemechanicalmoldingequipment.Pressingdieiswidelyusedinpracticalindustrialproduction.Theautomaticfeedingtechnologyofpressingdieisalsoputintopracticalproduction.Pressingdiecangreatlyimprovetheefficiencyoflaborproductionandlightentheburdenofworkers.Ithasimportanttechnologicalprogresssignificanceandeconomicvalue.Inthisdesign,wefirstusethetwo-dimensionalplanefunctionofCADsoftwaretodesignthetwo-dimensionaldieoftheparts.Analyzetheprocessofthepartanddrawthetwo-dimensionaldrawingoftheparttodeepentheunderstandingofthepart.Setuptheprocessplanofthepart,comparetheprocessplananddeterminetheprocessplan.Understandthemouldstructureoffixedsemi-spillwaymouldanddesignthemouldstructureAndselectthepressingequipment.Keywords:materialperformanceanalysis,processscheme,diedesign,processingtechnology

目录摘要 1ABSTRACT错误!未定义书签。绪论41.1复合材料的概念.41.2复合材料的组成及分类51.3复合材料的各种性能51.4复合材料的发展现状61.5复合材料的应用71.6课题研究目的及意义12钢背PEEK/CF/PTFE自润滑复合材料的性能分析132.1钢背性能分析142.2PEEK性能分析142.3CF/PTFE性能分析152.4CF/PTFE/PEEK复合材料性能分析15第三章复合材料螺母制备163.1压制件工艺分析163.2工艺方案确定16第四章模具的概念及确定174.1模具技术发展与应用174.2模具发展趋势184.3确定选用的模具19第五章模具总体设计205.1型芯、型腔设计205.2主要模板设计215.3卸料装置设计225.4模具导向设计235.5模具紧固方式245.6选择压力机26第六章加工工艺296.1制造加工工艺流程306.2钢背螺母定位板加工工艺30第七章结论31参考文献32致谢34

第一章绪论1.1复合材料的概念复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。1.2复合材料的组成及分类复合材料系统组合分散相连续相金属材料无机非金属材料有机高分子材料金

属

材

料金属纤维（丝）纤维金属基复合材料钢丝/水泥复合材料增强橡胶金属晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶瓷基复合材料金属片材//金属/塑料板无

机

非

金

属

材

料陶瓷纤维纤维/金属基复合材料纤维/陶瓷基复合材料/晶须晶须/金属基复合材料晶须/陶瓷基复合材料/颗粒弥散强化合金材料粒子填充塑料玻璃纤维//纤维/树脂基复合材料粒子//碳纤维碳纤维/金属基复合材料纤维/陶瓷基复合材料纤维/树脂基复合材料炭黑//颗粒/橡胶

颗粒/树脂基复合有

机

高

分

子

材

料有机纤维//纤维/树脂基复合材料塑料金属/塑料//橡胶///1.3复合材料的各种性能基本性能：展现出各种材料的优点，并根据材料性能的要求进行设计和制备。它可以制成任何形状的产品，赋予材料各种天然材料所不具备的性能。复合材料最重要的就是如何通过可行的设计达到性能最优化。1.3.1金属基体材料基质选择准则，金属基结构/功能复合材料复合基体准则：金属基复合材料的应用条件;金属基复合材料的成分特征;金属材料和增强材料之间的结构容纳性。。金属基结构复合材料基体一般由轻金属基体和耐热合金基体组成。功能复合材料的基质则是纯铝和铝合金，纯铜和铜合金，银，铅，锌等。。。1.3.2无机胶凝材料  主要包括水泥、石膏、菱苦土和水玻璃等。研究和应用最多的是纤维增强水泥基增强塑料 与树脂相比，水泥基体材料的特征 特征： 水泥基体为多孔体系，其孔隙尺寸可由十分之几纳米到数十纳米； 纤维与水泥的弹性模量比不大； 水泥基材的断裂延伸率较低； 水泥基材种含有复合材料或颗粒状的物料，与纤维呈点接触，故纤维的掺量受到很大的限制。水泥基材呈碱性，对金属纤维可起保护作用，但对大多数矿物纤维不利。1.3.3陶瓷材料常用陶瓷/氧化物陶瓷/非氧化物陶瓷基体：玻璃，玻璃陶瓷，氧化物陶瓷，非氧化物陶瓷。 1.4复合材料的发展现状1.4复合材料的发展现状如今亚洲已经成为复合材料行业的新焦点。亚洲地区复合材料生产的快速增长成为了行业发展的最大动力。预计到15年产量会达到千万吨级别。同时亚洲在全球市场的份额预计将与本世纪初相比增长近一倍，增长速度也冠绝全球。到了2009年，全世界的复合材料出产量约为九百万吨。亚欧与美洲北部地区成为生产和应用领域的前三位。树脂基复合材料的全球年均增长率超过百分之五。目前，复合材料产业在全世界约有45万名员工，总产值约为1000亿欧元。2009年，中国的产量达到323万吨，超过德国和日本，位居世界第二，接近美国的世界第一。随着风能和航空航天等先进技术的发展，复合材料将在高附加值领域得到更广泛的应用。中国将成为世界上最活跃，发展最快的复合材料领域。随着中国经济结构改革，升级和群众经济的不断成长，复合材料产业在中国的开拓还有很多空间与机会。同时印度在这方面也有着无可限量的发展机遇，以载具为主的产业作为最大动力不断推动印度复合材料产业的进步。许多别的亚洲国家同样如此。碳纤维由有机纤维经固态反应转化而成。例如：聚丙烯腈基/沥青基纤维是在对应环境下中热处理后具有很高碳含量的连续长丝集合而成的丝束状纤维。加工之后其材料特性大增，所以在航天，载具，运动产品等很多行业都能见到它的身影。主要表现为：（1）机械性能。碳纤维具有低密度，高比强度和模量，以及低断裂伸长率。另外，弹性模量是金属的两倍，拉伸强度是普钢的四倍。一15-20mm细钢丝形碳纤维可以抬起十吨级的货物，比重约也均十余倍与钢和铝。（2）热力学性质。它具有良好的耐高温和低温性能。在180℃时仍能保持柔软，在惰性气体保护下，能保持一定的强度和弹性模量在2000℃以上，即使在1900℃以上的高温下也能发生永久变形。随着温度的升高，热导率由高到低下降，线膨胀系数近乎可忽略不计，在温度急剧变化的情况下其各方面稳定性表现十分优异。（3）电化学性能。碳纤维耐腐蚀性优于玻璃纤维。其导电性也可与铜相媲美，通过控制炭化温度可控制其电阻。环氧树脂俗称EP，是通过固化剂固化以形成结构如三维网状固体的环氧低聚物。因存在（活性）环氧基，羟基和醚基，增强纤维可以紧紧结合，在面对外部压力时表现优异。交联密度值高，固化收缩率低（少于百分之二），强度和模量高，有利于提高先进复合材料的力学性能;良好的成型工艺，耐腐蚀性和低热膨胀性。缺点是耐候性不佳，特别是对环境温度和湿度敏感，冲击后的抗压强度低，抗冲击性不突出，因此环氧树脂的增韧改性特别重要。目前，对于碳纤维增强树脂基复合材料有几种不同的制备方案：1．手糊法将剥离用纸或刷洗剥离剂涂在模具上，涂上橡胶层，按设计尺寸切割并铺设所需的形状钢筋材料，再涂上树脂胶，然后用手压辊除去空气，保证层间密度，最终固化成型。通过手糊法制备的复合材料具有低孔隙率，均匀的纤维分布，抗弯和抗拉强度分别为1400MPa与1900MPa，76MPa的剪切强度也非常不错。黄角丹2是一种以黄麻布和碳纤维为增强材料的新型复合材料。其抗拉弯和抗冲击表现出色。可以说减少了木材作为材料的缺点，价值也得以充分发挥。2．2.真空袋热压法通过用真空袋密封产品并将其置于高热压罐中以在加热和尾矿条件下固化产品。碳纤维复合材料是生产优质碳纤维布产品的主要方法之一，尤其是大构件。真空成型产品的低孔隙率是其最典型的优点之一。潘立健，中国商飞上海飞机制造公司，等。讨论了真空辅助成形工艺和注射时间对复合材料零件厚度的影响。结果表明，当树脂溢出时间为40分钟左右时，纤维的厚度较小，体积分数较高。3．缠绕法缠绕法是利用芯模上的连续长丝或带状物，通过数控缠绕机制作缠绕模。所需的元件形状一般可分为湿绕组和普通绕组。工作程序大致如下：选择纤维、树脂、固化剂、清洗芯模、刷脱模剂。输入缠绕工序：加热固化；脱模（型芯机拔管机）。4.树脂转移模型/成型，俗称RTM。首先将增强纤维/预制件放入，把加入了固化剂的树脂胶体注进模腔，同时抽出空气以达到真空。操作顺序如下：①将树脂体系放入②利用工具涂脱模剂以及胶衣树脂；③预制品放入模腔内夹紧④模具加温到一定温度；⑤注入树脂，并出去多余气体；⑥保持压力一会儿，以减少孔隙的存在；⑦固化后取下复合材料部件。目前，除了叠层复合材料和正交3D结构这种通常的结构外，3D曲面织物和3D织物在RTM成型工艺中效果更佳。哈工大学生通过RTM工艺制备了3D四向编织复合材料板试件，并对于其中的压缩性能的力学破坏机理表现进行了探讨。试验表明，不同的编织角在编织复合材料的压缩破坏机理表现上是有着直接的联系与影响。5，拉挤成型法拉挤是将持续增长的丝状物或浸有树脂的织物挤出，通过合适的牵引外力下于成形模具中挤出之后，固化为各种诸如实芯/空心管/异形材料的加工过程。其因其高强低密、不易腐蚀、绝缘表现优异、产品尺寸精确、表面加工性能好、能够用于工业中的各种机器间的连接等而在我们生活中的很多地方例如家电，运动用品以及电工业产品都能发现。对于碳纤维以及环氧树脂基这种复合材料的力学表现，全世界的研究人员们付出大量心血专研。HetnarskiP等人采用沉积法希望能够改变碳纤维与基体的界面梯度，让碳纤维与基体间剪弯强度表现提升。而张教授在研究碳玻纤维共同提高环氧树脂基材料的力学性能表现中。最后的结果中，材料达45。30kJ·m2的冲击强度与最高可达417。8m帕的抗压强度表现．而且我们发现如果降低碳纤维与玻璃纤维的比例，冲强和抗压强就会明显降低。哈工大的唐教授通过研究相异的切口或开口编织复合型材料的静态拉伸实验中的性能表现差异。在实验中不同缺口或开孔的试件在拉伸外力下均出现脆性断裂同时在应力松弛范围中，对缺口/开孔处都不具有很强的敏感性。而再通过研究了不同针织碳纤维复合材料弯曲性能，研究了不同针织碳纤维复合材料的弯曲性能。链式缝合织物优于扁平缝合织物，同时，发生变化的纤维变形区宽度小。树脂的范围和空间间隙相对来说少了不少。环氧树脂是常见的热固性材料。优异的粘性、硬度、抗腐蚀表现、机械性能以及稳定的产品表现是其固化产物的特点。成为了工业生产制造区域以及于涂剂、复杂成型领域的重要工艺材料。同时，在复合材料加工后后，对于纤维处的加强物质，性能上不会收到影响。然而，固化环氧树脂基体的收缩现象在加工过程有着比较大的影响。因此，如何实现工件的脱模顺利并且保证好工件的精度和产品质量达到标准，并且让固化加工后的零件具有合格的性能表现，合适的脱模工艺是非常关键的。假如在拆模过程中，操作不当则会造成拆模顶出力过大，使得零件的综合性能表现无法达到预期效果。为了保证产品出厂质量，我们一般会采用的脱模方法有：1．手动脱出模法对于形状简单的复合材料制品，通常采用手工脱模的方法。由于粘着程度不大，用质地不太硬的小锤子让产品的局部部位和模具在敲打振动的过程中分离。同时，从敲打的声音可以判断脱离程度大致有多少，以便缩小或者扩大冲击力度与范围。最后，于凸起的一端敲出即可。虽然这个方法简单且不需要大量其他复杂装置，但是因为多次敲打使得成品往往品相较差并且摸具易磨损。2。机械法以压力引射器和启闭机的拉力或顶出模实现脱模。如果复合管的结构由芯摸摸具组成，并且缠绕管材，则一端可以定位并与脱模装置的尾架连接，并且在尾座的驱动力的作用下可以以恒定速度拉出，此时分离操作完成。另外，在复合成形模上还可以安装一个可拆卸的螺杆驱动装置，该装置通常由颈座、螺杆、支架和手柄组成。在脱模操作中，通过简单地转动车把以实现脱模，可以将螺钉推出组件。3．气压脱模法因为空气强大的流动性和渗透能力，我们能利用气压来脱模，只需在制品与模具之间的间隙中通入高密度高压的空气，通过膨胀力完成脱模工作。该方法的优点是压缩空气具有渗透性，在较大的膨胀力的作用下，磨具与材料之间的空隙出现并不断扩大完成分离。并且没有固体或者液体与材料接触，不仅能让脱模轻松顺利，还能在很大程度上，减小脱模对产品的损伤，在未来这种方法是非常值得进一步研究并利用于以后日常的脱模作业中。在郭玉华等研究人员的分析报告中，他们认为，在热压工艺的脱模中主要是在两个方面处收到脱出模具力的影响：1.冷却过程中不同的收缩时间及范围使得摸具和材料基底接触处的应力产生；2.在表面肉眼无法观察到的，在微观中的粘附力，从而材料与摸具产生的的摩剪力。而当采用离子溅射法——一层聚四氟乙烯通过喷溅，附在摸具表面处，并加入防粘剂，此时模具的脱离摸具力带来摩擦影响减弱，模具的脱模效果也更好。2007年研究人员曾希望通过低速，大扭矩液压马达来让螺纹部件脱模，旋转运动产生动力驱动链条，链轮以及齿轮传动，让螺纹芯旋转，后退，最后完成产品顶出。易控制稳定性高是这套装置的最大特点。中国科技大学张鹏在改进模具材料的基础上，研制了一种用于微结构脱模的自润滑镍聚四氟乙烯模具，可以降低平均表面自由能和摩擦系数，获得较好的脱模效果。北京源通管道制造公司H2I还采用离心清蜡工艺实现了管材的清蜡，具有简化制管工艺、降低劳动强度、提高生产效率、提高产品质量，有利于实现机械化生产，工艺过程的更多材料可以回收再利用等优点。

1.5复合材料的应用复合材料的四大主要实际利用领域有：1.载具领域。由于独特的优良避振特性，在降振和减噪上起到作用，同时还能抗材料疲劳。同时易于修整并且聚形成一体。可用于制造车身、强受力部件、传动轴承部件、发动机的机架。2.航空航天工业。由于热稳定性能表现好，比强度与刚强度优，常在飞机机翼和机身、卫星天线、太阳能电池外部部件、大型运载火箭与其发动机壳体、航天飞机结构件等重要航空零件上看到复合材料的运用。3.化工领域。例如，碳纤维作为复合材料，抗腐蚀能力出众，工厂里的各种化学工艺设备、纺织布与染色机械、造纸机、日常生活中的复印机，打印机等都是复合材料的用武之地4.医疗以及各种医疗机械。复合材料除了具有优异的力学性能，对于非X射线以及各种射线有不俗的吸收性能，可用于生产X射线机。除此之外，碳纤维复合材料生物相容性和血液相容性同样出色，在复杂环境中具有稳定表现，亦能作为生科材料。此外，复合材料还用于制造体育器材和建筑材料。

1.6课题研究目的及意义传统的螺旋齿轮传动存在很多问题：机械效率低、摩擦磨损情况严重且无法有效改善以及在工作过程中大量无用功耗能，浪费能源；我们需要提出了一种新的高效螺旋传动方案。在满足高效、在低速和重载条件下能有效配对、工序简单易操作、摩擦性能优于传统螺旋齿轮的同时,还要尽可能的承载更重和减少成本低。在提出采用新型纤维编织工艺并辅以短切纤维作为二次增强相，研究了复合材料的基本力学性能和压缩、冲击等摩擦性能。研制了一种适用于低速重载运行、制造简单、动态性能好、自润滑性好的高效自润滑传动螺杆副。编织整体成形和半干成形工艺由螺纹碳纤维网骨架支撑，以解决复杂螺旋成形工艺和强度不连续的缺点，这对工业应用是不利的。通过传动效率试验和动态性能研究，最终得到了一种新型的钢背/碳纤维针织物自润滑复合衬里驱动螺杆副。在易操作节约动力的同时，传输表现与承重能力并不打折扣。这种高效重载螺杆传动技术的发展，不仅有助于解决伺服压力机的关键技术问题，而且在装备制造业节能减排领域具有重要的现实意义。

第二章钢背PEEK/CF/PTFE自润滑复合材料的性能分析2.1钢背性能分析钢背的用途主要是用于固定摩擦材料，弥补了传统模板加固体系的施工难题与技术缺陷，钢背耐腐蚀，弹性大，坚固不可能变形。2.2PEEK性能分析PEEK结构分子聚醚醚酮，又名polyetheretherketone（如上图所示），通过结构图可以知道，它是一种线性芳香族高分子聚合物物并且在其主链中还含有链。其组成单元为氧-对-苯撑-氧-羰基-对-苯撑，为半结晶热塑性材料。产品名称：聚醚醚酮是一种特别的优质工程塑料。不同于一般的工程塑料PEEK树脂的各项性能都非常优异。良好的机械性代表着良好的韧性和刚性，能让它与合金材料相媲美。PEEK常常在高精机械及产品、核电与核工业、航空科学技术等领域。热膨胀系数小，良好的自润滑性、抗剥落性、耐磨性、耐化学腐蚀性、阻燃性、不耐强硝酸、浓硫酸、抗辐射性。聚醚醚酮PEEK         基本数值       密度(p)  1.5 g/cm3  ,吸水率 ISO 62 % 0.1 0.06 0.1 连续使用温度(不承受强力学荷载的情况）      温度上限℃260温度下限  ℃-40力学性能      屈服抗拉强度(QS)  ISO  527 Mpa  屈服拉应变 ISO 527 % 4.9 ﹣ 3 极限抗拉强度 527 Mpa ﹣ 极限应变 ISO 527 % ≧60 3 2.7 抗冲击韧度 ISO 179 Kj/m2 0.B 27.5 40 缺口冲击韧度 ISO 179 Kj/m2 8.2 6.3 8.9 洛氏法球压硬度(Hk)/rockwell）ISO 2039 Mpa M99 ﹣ M 103 2.3CF/PTFE性能分析聚四氟乙烯基三层复合材料是一种新型的自润滑复合材料，在无油润滑和无油供给的情况下，具有优异的摩擦磨损性能，因此得到了广泛的应用。本文研究了聚四氟乙烯基三层复合材料。用石墨(GR)、二硫化钼(MoS2)、聚酰亚胺(PT)、聚苯硫醚(PPS)等作为填料，通过改变表面材料的组成，研究了不同填料组合的聚四氟乙烯基三层复合材料的摩擦磨损性能，并对其磨损机理进行了分析。结果表明，填充Gr的聚四氟乙烯基三层复合材料的磨损量减小，但对摩擦系数影响不大。当MoS2填充量在一定范围内时，材料的磨损损失随填充量的增加而减小。与GR相比，MAS2的减摩效果更好。浸油处理后试样的摩擦磨损性能有不同程度的提高，表明浸在润滑油中也是改善材料摩擦学性能的有效措施。不同填料对聚四氟乙烯复合填料的填充效果优于沈-1填料。它不仅使每种填料发挥各自的优势，而且使填料之间具有一定的耦合和协同作用，效果更好。2.4CF/PTFE/PEEK复合材料性能分析采用成型过滤和高温真空熔融法制备了具有汗润滑和耐磨性的多孔CF/PTFE/PEEK复合材料。研究了氯化钠、聚四氟乙烯含量和碳纤维层间距对多孔PEEK复合材料结构和摩擦学性能的影响。结果表明，当聚四氟乙烯含量为20%（质量分数，下同）时，氯化钠含量为30%，碳纤维层间距为0。在4mm处获得的多孔CF/PTFE/PEEK复合材料的摩擦系数和磨损率最低，在200N时摩擦系数和磨损率分别为0。0192，3.47x10-16m3/nm，比经典的CF/PEEK复合材料低9倍，耐磨性高25倍。其原因是聚四氟乙烯能在复合材料中形成连续的转移膜，降低了材料的摩擦系数。氯化钠形成的多孔结构可储存一定量的润滑脂，在摩擦过程中在载荷和温度的作用下可形成稳定的润滑油膜，明显降低了材料的磨损。碳纤维布作为支撑骨架，与聚四氟乙烯、氯化钠配合，改善了多孔PEEK复合材料的摩擦磨损性能。2.5本章小结本章主要了解以下四部分内容：1）碳纤维针织物复合材料力学性能研究在前人研究的基础上，整体形成单层碳纤维针织物，并以短碳纤维作为二次添加。基体试样的强相成型。力学性能主要包括冲击强度和抗压强度。通过比较真空处理前后短切纤维的添加量，研究了满足一定摩擦性能要求的具有良好力学性能的针织物复合材料。2)钢背衬碳针织物复合材料摩擦性能研究研究了碳纤维针织环氧树脂基复合材料在稀油润滑和油脂润滑下的摩擦磨损性能。比较了复合材料在不同转速和载荷下的摩擦磨损性能，分析了复合材料在大载荷下的磨损机理。预计在重载条件下能获得摩擦系数稳定、耐磨性优异、综合性能最佳的螺旋衬自润滑复合材料。3）复合衬板工件的脱模工艺研究。针对聚合物复合衬板工件难以脱模的问题，通过对比三种脱模方案：无脱模剂、油脂脱模和高强度铸造石蜡脱模，研究了复合衬板的单位脱模力、孔径收缩率和表面质量。通过试验研究，优化了易于脱模、表面质量好、孔径收缩小的除膜工艺，为后续的衬板螺母的制备提供了有效的参考。4）钢背碳针织物自润滑复合螺母的制备工艺及工作性能研究在现有制备工艺的基础上，采用碳纤维编织物半干法固化，使其成为一个完整的螺纹壳，并设置了钐背螺母。通过对内衬织物的固化，制备了含钐背衬针织物复合材料螺母。采用自行设计的滑动丝杆副效能测试装置，对钢铜丝杆副和碳纤维针织物自润滑复合丝杆副的摩擦性能和传动效率进行了测试。研究了不同载荷下摩擦系数和传动效率的变化趋势，为研制高效重型螺旋副提供了理论依据。

复合材料螺母制备3.1压制件工艺分析钢背PEEK/CF/PTFE自润滑复合材料的螺母主要由钢制成。对于TR32X6复合工艺螺母，内螺纹表面留有约2mm的加工余量。以碳纤维针织物和短切碳纤维为增强材料，将自润滑复合材料压入螺母上的螺旋套中，高温固化。对针织物的力学性能和摩擦性能的研究表明，新型螺旋副具有较高的承载能力和良好的耐磨性。工艺流程示意图3.2成型工艺方案确定根据上述工艺分析，可用压制模具对普通螺母进行注入自润滑复合材料得到，利用普通螺母作为压制模的型腔。利用M32螺杆外层加入一层脱剂作为型芯，考虑螺母做为型芯不能固定在模具上，所以下模部分动模板上做快速定位来定位普通螺母的位置。型芯设计在上模利用固定板板固定。

模具的概念及确定4.1模具介绍和发展现状压制模具由于生产效率高、压制产品互换性好、模具操作简单、模具可以进行自动化生产、板材利用率高等优点被大批量使用。随着我国改革开放40多年的发展，国民经济水平迅速发展。市场对模具的需求越来越多，近些来了，我国的模具发展速度一直保持着百分之十五的增长速度，模具产业集群相对集中，规模较大。我国模具生产企业主要集中在长三角和珠江三角洲。长江三角洲主要是江苏、浙江、上海一带，珠江三角洲主要是广州和珠海地区，这些地区都被称为模具之乡。我国现在是模具制造大国，但在模具制造方面不是一个强大的国家。我国冲压模具在质量、性能、技术、数量等方面都有了很大的发展。但绝大部分企业是从事简单的模具加工，这种简单的模具产品，在我国，市场供过于求。对于长寿命模具、大型模具、精密模具和复杂模具，仍然严重依赖进口。根据模具的工艺要求，压缩模具可分为移动式和半固定式两种。压力模具广泛应用于汽车、机械、电子信息、飞机制造、国防、建筑等行业。压制模具行业中，汽车模具占有非常大的比重，约占到模具百分之四十以上。在“十三五”规划中，明确提出，到2020年，中国要实现强国的目标。缩短与国外模具行业的技术差距，加大对模具新技术的研发和投资。压模行业应向精密化、专业化、标准化方向发展。我国很多做模具的工厂都是小型模具厂，这些小型模具厂数量众多，我国大型的模具厂数量不多，压制模具是属于技术密集性的行业，从我国整体模具厂的规模来看，绝对部分模具厂都是规模比较小，模具企业没有形成大规模和产业化。各种小模具厂应形成一种集成化，小模具厂在往小而专，小而精的方向进行发展。

4.2模具的发展趋势加大对零件成形领域的研究和推广，模具工艺和冲模设计都不离冲压变形原理，由于不同的材料组成，不同的板料对模具的成形效果是完全不同的。现在市面上使用板材种类非常多，冷轧板、热轧板、高强度板、镀锌板、高拉深板等，在零件产品设计和冲压模具设计中，必须了解板料的性能和成形工艺。成形过程直接影响零件的质量和模具的生产成本。应研究冲压成形的基本原理。板料成形性能研究、板材冲压过程中应力变形分析、板材变形规律等方面进行深入研究。模具向高精密模具、多工位级进模具、高效生产模具方向发展，另一个方向就是为了适应新产品快速成形和生产，各种快速成形模具，简易模具得到快速发展。我国模具信息和计算机领域的发展严重依赖于国外技术。特别是近年来，CAE/CAD/CAM集成技术的发展。我国在这个领域需要有进行相关研究和推广，但整体的使用效果和使用数量不够多，与国外这种软件还存在非常明显差距，这也是我国工业发展过程中需要加强和解决问题。模具零件需要用先进的加工设备进行加工、成形和检验。高精度的产品是通过高精密的模具来进行冲压成形，而且模具的精度等级要高于产品的精度等级，才能满足模具冲压出来的产品达到零件图纸精度等级，近些年来高速数控加工技术、五轴加工技术、精密磨削技术、电火花放电加工技术、慢走丝线切割技术、现有三次元和在线检测设备等在国内得到广泛使用，这些先进的加工和检测设备也促进了模具工业的发展。但我国在这些基础设备上都是严重依赖于国外进口，自主研究能力不足。冲压设备和冲压自动化方面发展，模具最终都需要安装到冲压机上进行生产，冲压设备的生产效率、精度和速度应满足模具的要求。这也要求压力机往高效、高精、安全方向进行发展，现在这种机械手和自动化冲压设备都纷纷投入生产，我国还采用了冲压柔性制造系统和冲压柔性制造单元。模具的标准化生产、标准化专业化生产，可以大大缩短模具的开发周期，降低模具开发成本，提高模具质量。但不完全统计，我国模具标准化零件不足百分之三十，这跟国外先进模具厂百分之七十和八十相对差距还很大。

4.3确定选用的模具4.3.1模具类型1．按固定方式分类（1）移动式压制模。移动式压制模的结构如图下所示。上、下模都不固定在压机上，成型前在机外加料、合模，然后上机压制，成型后移出压机，利用专门的卸模工具（如卸模架）开模取出制品。（2）半固定式压制模。如下图所示为半固定式压塑模。这类模具的上、下模的开、合在压缩机上进行，依靠导向机构导向。

按上、下模的配合结构特征分类（1）溢式压制模。图为溢式压制模的结构。这种模具没有单独的加料腔，型腔本身就是加料腔，制品高度等于型腔深度（2）半溢式压制模。图为半溢式压制模的结构。这种模具在型腔上方设有加料腔，其截面尺寸大于型腔截面尺寸，凸模下压到挤压面接触为止，所以，容易保证制品的高度尺寸。根据上述的模具类型，钢背PEEK/CF/PTFE自润滑复合材料的螺母的压制模比较合适溢式压制模，这种模具没有单独的加料腔，型腔本身就是加料腔，制品高度等于型腔深度，本次设计以钢背螺母为型腔，M32螺杆为型芯，大致结构如下图：

第五章模具总体设计5.1型芯、型腔设计型腔以钢背螺母为主体，本文设计的是M32螺距为6的复合材料螺母，起型腔设计成里面掏空2mm进行复合材料衬层，型腔由外形固定板固定于下模。以M32螺杆为型芯，放置在动模上，以成型压实以后取出制件。设计如下图所示：型腔型芯

5.2主要模板设计5.2.1型腔定位块设计型腔定位块主要用于定位型腔位置，保证钢背螺母Ø32与型芯同轴，如此才能保证复合材料均匀压制在螺母。型腔定位块设计使用Cr12、热处理52-58度。四颗M10螺钉固定在动模上，加两颗起Ø10销钉定位。设计图如下：5.2.2压实块设计压实块主要作用于压实复合材料，设计在上模，固定部分设计为5mm的台阶式挂台，使用上模固定板固定于上模。材质：CR12MOV、热处理52-58度。

5.3卸料装置设计5.3.1钢背螺母卸料当制件压制完成后，钢背螺母需自动脱离模具，该卸料方式利用机床顶出机构进行卸料。其中卸料组件为顶针、顶针固定板、垫板。当模具打开后，机床顶杆顶出顶到垫板，垫板推动顶针往上移顶出钢背螺母。起结构如下图：如上图所示：15顶出推动03、04.14固定在04上，当15往上移动后14顶出钢背螺母。5.3.2复合材料衬层工件脱模本脱模实验设计了钢背材料为15#无缝钢管的钢背/复合材料衬层环形试件，以cD14.96mm低碳钢圆柱芯轴为成型模具，分别对比无脱模剂、润滑脂脱模和铸造石蜡脱模。实验在WAW-300型万能试验机上进行，记录最大脱模力，测量脱模后得到钢背/复合材料衬层样品内孔直径并观察表面质量，脱模装置示意图见图如下图。制件脱模困难主要是型芯与压制后的复合材料之间的粘附力，即型芯与复合材料衬层之间的摩擦力。摩擦力F大小主要是以下几种系数有关。1、摩擦系数u。摩擦力与摩擦系数为正比，既当摩擦系数越大时，脱模力就增大，增加了脱模难度。2、表面粘附力H。表面粘附力指的是型芯与压制件制件的粘附力，当型芯与复合材料压制件粘附力越大时，脱模力也随着增大。则摩擦力可以用公式F=UH表示。查阅资料粘附力其中式中r为接触面有效半径、k为等效弹性模量、y为接触面表面能、y1和y2分别为两界面的表面能。y12为界面能。e、e2、v1、v2分别为两种表面材料的弹性模量和泊松比。对于已知的压制复合衬层材料，可以通过降低摩擦系数、接触面有效半径、表面能，以达到减小脱模力。对型芯做热处理并做平滑抛光，以保证型芯的光滑程度既保证有效半径的稳定。复合材料固化前后的径向尺寸会受到热胀冷缩的影响，其释放力也有所变化。1.脱模剂对衬层表面质量的影响模具与衬层复合材料之间不放脱模剂时，则型芯与制件的接触面积大，脱模过程中相对滑动产生的摩擦力大，导致衬片开裂、无法脱模现象，大部分样品质量报废。采用润滑脂作为脱模剂时，型芯表面形成一层薄薄的润滑油膜，有效地减小了摩擦力。所得到的样品合格提高，表面光滑，无明显损伤。采用石蜡浇铸脱模时，由于石蜡中引入了细小杂质颗粒，内衬层中存在局部不平，表面质量存在凹陷，但样品合格率也大幅度的提升。2.脱模剂类型对脱模力的影响非脱膜剂组最大单位脱模力F为10.65N/mm2，油脂为脱模剂时中间位置最大单位脱模力F为2.51N/mm2，石蜡脱模单位脱模力仅为0.21N/mm2。剥离前后孔径收缩率分别为2.47%、1.07%和0.40%。石蜡的释放力比不释放剂和油脂分别降低91.6%和98.0%，收缩率分别降低83.8%和62.6%。石蜡脱模制件内径d比同条件下润滑脂的大，计算出的收缩率小于后者，这可能是由于以下三个原因造成的：1）芯轴凝固后石蜡有一定的硬度，导致复合衬层局部凹陷，尚未同化。2）部分石蜡在高温固化后没有流出模具。再凝固后，在脱模过程中造成内衬局部微区剥落，导致测量内衬内径d增大。3）蜡层本身的厚度大于油脂的厚度，固化后衬板的收缩得到补偿。3.蜡层厚度与脱模力及收缩率关系随着蜡层厚度的增加，单位脱模力和孔径收缩率均较低。减小的趋势是厚度在0.12mm左右时，收缩率和脱模力同时减小。在高温固化过程中，蜡层逐渐熔化形成局部间隙，同时对接触面进行一定程度的润滑，降低了脱模力。随着蜡层厚度的增加，衬板孔径d增大，脱模后孔收缩减小。5.4模具导向设计导向的作用是保证模具上下模能顺利对接的主要辅助作用，其设计如下图所示。

5.5绘制模具总装图模具主视图模具俯视图5.6本章小结复合材料压制的主要工具。它关系到复合材料冶金制品生产的质量、成本、安全和生产率等问题，对复合材料冶金工艺和零件有极其重要的影响。由于复合材料压制方法很多，复合材料压制模具也多种多样。按压制方法不同可分为:压制模、精整模、复压模、锻造模等等。表中列出了复合材料压制模具的分类结构示意图和变形特点。复合材料冶金模具设计的基本原则是:充分发挥复合材料冶金少、无切削加工和近形成形的工艺特点，保证坯件达到几何形状和尺寸、精度和表面粗糙度、密度及其分布等3项基本要求，无论是压制模、精整模、复压模、锻造模都要求如此。其中，特别是压制坯和锻造坯的密度及其分布问题是模具设计中的主要技术指标;合理地设计模具结构和选择模具材料，使模具零件具有足够高的强度、刚度和硬度，具有高的耐磨性和使用寿命，以满足高压工作容器安全可靠和便于操作的要求;同时要注意模具结构和模具零件的可加工性和互换性，并降低模具制造成本。其设计步骤和基本方法如下:首先了解和掌握有关设计资料，作为模具设计的重要依据;其次是根据产品要求进行材质设计和工艺设计，按产品图纸进行压坯设计或预成形坯设计，并选择压力机及压制方式，设计模具结构草图;再以坯件尺寸为基本依据，考虑到工艺过程中的尺寸变化，分别计算主要模具零件尺寸，一般先计算与模腔直接相关的尺寸，然后按照模具装配关系计算其他模具零件尺寸;最后绘制模具装配图和零件图，根据各类模具不同的工作要求，标注尺寸偏差和形位公差，并选择模具材料及技术要求。

第六章加工工艺6.1制造加工工艺流程图在制定零件的机械加工工艺流程时，首先要先识读该零件的零件图，对零件的工艺性进行全面分析，具体包括：1.零件的材质、生产批量、结构特点、和技术要求；2、需要加工的表面、具体的尺寸精度、表面粗糙度、形位公差要求等。

6.2钢背螺母定位板加工工艺6.2.1零件图分析定位板如上图所示,定位块是以直径为120mm，高度为20mm的圆柱形结构为基本主体。主体中心为钢背螺母的定位位置，起尺寸以钢背螺母的外形尺寸为基准，则里面为正六边形，为了保证钢背螺母能自如拆装，其46尺寸的公差为。四周布置四颗沉头孔及两颗定位销孔，用于固定与定位零件在动模上。零件材质：Cr12热处理：淬火HRC58-626.2.2定制加工方案加工表面精度等级标面粗糙度Raum加工方案直径120IT7Ra3.2车厚度20IT7Ra1.6车沉头孔IT7Ra3.2钻销钉孔IT8Ra0.8钻-铰正六面型IT8Ra0.8线割6.2.3选择设备选用CA6140卧式车床。CA6140是一种普通的车床，性能优良，结构先进，操作方便，通用性强，加工范围广。台式钻床ZJ4116中走丝线切割型号TL40326.2.4加工工艺卡工序号工序名称工序内容设备工艺装备1模锻2车削车合直径120尺寸CA6140卧式车床游标卡尺、工艺夹具3车削车合厚度20尺寸，留0.5mm磨合CA6140卧式车床游标卡尺、工艺夹具4划线钻孔1、钻直径11通孔2、钻直径18沉头孔3、钻直径10销钉孔，留0.3慢慢铰4、铰合直径10mm销钉孔5、钻穿丝孔台式钻床ZJ4116游标卡尺、工艺夹具5热处理淬火HRC58-606线割线割6面型型号TL40327磨磨合厚度尺寸磨床游标卡尺8终检游标卡尺

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