第十章--非金属材料成形

1、,第十章 非金属材料成形,10.1 高分子材料的成形 10.2 陶瓷材料的成形 10.3 复合材料的成形,了解非金属材料的成型的过程实质； 了解高分子材料的加工过程。掌握塑料的成型方法、工艺特点、应用范围。了解橡胶的生产过程；以及高分材料的其它加工工艺。 了解陶瓷材料及复合材料的生产过程、特点及其未来发展方向。,学习目标,10.1 高分子材料的成形,高分子材料：工程塑料和工业橡胶。 高分子材料的成形：将原材料加热塑化成黏流态，然后注入模腔内成形固化得到制品，因此也称为黏流态成形。,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

2、: 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。,10.1.1 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。,1、工程塑料的成形工艺性能及影响因素,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）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

3、性。 成形后塑料制品的收缩应称为成形收缩。,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,成形收缩的类型： 线尺寸收缩：热胀冷缩 方向性收缩：分子的取向作用，各向异性 后收缩：应力松弛 后处理收缩：热处理方式使其尺寸稳定,2）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。 与金属的流动性类似。,流动性对成型的影响：,流动性过大 ：溢料过多，填充不密实，塑件组织疏松，树脂与填料混合不均，易粘模，脱模和清理困难及早硬化等缺陷；,流动性过小 ：填充不足，不易成型，成型压力增大。,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，

4、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。,影像流动性的因素：温度、压力、模具和塑料品种等,3）热敏性,热敏性是指塑料对热降解的敏感性。 如塑料在温度高和受热时间长的情况下，就会产生降解、 分解、变色的现象。,4）吸水性,吸水性是塑料吸收水分的性

5、质。,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，还有结晶性、粘膜性、可塑性、压缩性、均匀性和相交联倾向等。,2、塑料成型方法,四种类型：注射成形、压塑成形、挤出成形和压延成形,1）注射成形,也称注塑，是将熔融塑料，在柱塞或螺杆推压下，快速压入闭合模具，经冷却定型得到各种塑料制品的成型方法。,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。,动模部分：

6、自动开、合模系统 自动推出系统 定模部分：自动加料、加热、 注射系统 自动控制系统,1定位环 2主流道 3定模底板 4定模板 5动模板 6动模垫板7模脚 8推杆固定板 9推杆固定底板 10拉料杆 11推杆 12导柱 13凸模 14凹模 15冷却水道,2）压塑成形,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，难于成形厚壁制品及形状复杂的制品。,压塑模结构 1上加热板 2上模板 3承压板 4凸模 5加热器 6凹模 7推

7、杆 8弹簧 9导向杠 10推杆 11支架 12下模底板,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。,动画演示,3）挤出成形,又称挤塑，使受热熔化的高分子材料在挤压作用下，强行通过出口模，而成为具有某种截面的连续型材的一种塑料成型方法。,挤出成形一般由挤出机、挤出模具、牵引装置、冷

8、却定型装置、切割或卷曲装置、控制系统组成。,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。,动画演示,4）压延成形,压延成型是将熔融塑化的热塑性塑料通过两个以上的平行异向旋转辊筒间隙，使熔体受到辊筒挤压延展、拉伸而成为具有一定规格尺寸和符合质量要求的连续片状制品，最后经自然冷却成型的方法。 压延成型工艺常用于塑料薄膜或片材的生产。,压延机辊筒排列方式,吹塑成形、反应注塑成形、吸塑成形、传递成形,3

9、、塑料制品的结构设计,塑件的工艺性 是塑件对成型加工的适应性,塑件工艺性设计包括 :塑料材料选择、 尺寸精度和表面粗糙度 塑件结构,塑件工艺性设计的特点： 满足使用性能和成形工艺要求，结构合理、造型美观、便于制造。,塑料的结构设计内容有：形状、壁厚、脱模斜度、加强筋、 球形面或拱形面、圆角、孔和螺纹等。,1）.表面形状,塑件的内外表面形状应尽可能保证有利于成型、脱模,壁厚过小,壁厚过大,强度及刚度不足，塑料流动困难,原料浪费，冷却时间长，易产生缺陷,2）.壁厚,改善壁厚典型实例：,3）.脱模斜度,为了便于塑件脱模，防止脱模时擦伤塑件，必须在塑件内外表面脱模方向上留有足够的斜度，在模具上称为脱模

10、斜度。,脱模斜度取决于塑件的形状、壁厚及塑料的收缩率，一般取30 130。,4）.加强筋,加强筋作用：,在不增加壁厚的情况下，提高制件的强度、防止和避免塑料变形和翘曲。,加强筋厚度小于壁厚,加强筋与支承面间留有间隙,平板类零件加强筋方向与料流方向平行,设计注意要点：,5）.球形面或拱形面,薄壳状的宽底容器的底部刚性较差，应设计成球面或拱形面。,6）.圆角,在满足使用要求的前提下,制件的所有的转角尽可能设计成圆角，或者用圆弧过渡。,圆角作用：,圆角可避免应力集中，提高制件强度,圆角可有利于充型和脱模,圆角有利于模具制造，提高模具强度,注意：两个特殊地方须用尖角，不用圆角 a、塑件外观的分型面处；

11、 b、塑件内形采用镶拼的地方。,7）.孔,设计原则,不能影响和削弱塑件的强度，塑件有孔间距的限制,热固性塑件孔间距、孔边距,塑件上固定用孔和受力孔的周围可设计凸台加强,常见孔的设计,通孔,：用于浅孔，结构简单，但有横向飞边。 ：用于深孔。 ：型芯有较好的强度和刚度，精度高，轴向飞边，容 易清理，但制造麻烦，用于精度高的孔,常见孔的设计,盲孔,d1.5: h （35）d d1.5 ：h 3d,孔不宜过深,异形孔,尽量采用拼合成形，以避免侧向抽芯,8）.螺纹：直接用模具成形，或者采用机械加工都可,4、塑料加工的工艺过程,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，又称为二次加工，是将成

12、形后的塑料制品通过适当的工艺方法制成制品。,常用的塑料加工方法有： 机械加工 连接加工 表面加工,10.1.2 工业橡胶的成形,橡胶制品的组成, 生胶：未加配合剂、骨架材料的天然胶或合成胶。 配合剂：为改善成形加工的工艺性能和使用性能而添加的 一些特殊物质。如硫化剂和硫化促进剂，增塑剂，防老化剂 等等。 骨架材料：为了提高橡胶制品的承载能力，限制变形，常加 入各种纤维，织品、金属丝或金属编织品作为骨架材料。, 橡胶模具成形的模型制品是橡胶制品中应用最广，品种最多 的一类制品。 各种橡胶制品的工艺流程基本相同，都须经过塑炼、混炼、 成形、硫化这几个基本工序（过程）。,橡胶制品的成形特点,1、橡胶

13、的成形性能,流动性能 橡胶在一定的温度、压力作用下，能够充满型腔各个部分的性能。 表示：黏度和可塑性 流变性能 橡胶的黏度随剪切速率的降低而减小的特性。 硫化性能 橡胶通过硫化处理，获得各种最佳的物理性能和力学性能的能力。 “ 硫化”一词有其历史性，因最初的天然橡胶制品用硫磺作交联剂进行交联而得名，随着橡胶工业的发展，现在可以用多种非硫磺交联剂进行交联。因此硫化的更科学的意义应是“交联”或“架桥”，即线性高分子通过交联作用而形成的网状高分子的工艺过程。 热物理性能,2、橡胶加工的工艺过程,生胶塑炼混炼制坯片材、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

14、、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）成形。压延成形、模压成形、挤出成形和注射成形 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。,3、橡胶的成形方法,1） 压延成形 压延成形是利用一对或数对相对旋转的加热滚筒，使物料在滚筒间隙被压延而连续形成一定厚度和宽度的薄型材料。 压延机的主体是一组加热的辊筒。按辊筒数目可分为两

15、辊、三辊或更多；以排列方式分为I型、倒L型、L型、Z型、T型、M型等。压延机的不同辊筒排列方式及压延过程如图所示。 在压延过程中，必须协调辊温和转速，控制每对辊的速比，保持一定的辊隙存料量，调节辊间距，以保证产品外观及有关性能。 如在最后一对辊间同时通过已经处理的纸张或织物，使热的塑料或橡胶膜片在辊筒压力下与这些基材贴合在一起，可制造出复合制品。如人造革、地板革、壁纸等。,2） 模压成形,压铸成形亦称传递式模压成形或挤胶法成形。它是将混炼过的、形状简单的、限量一定的胶条或胶块半成品放入压铸模料腔中，通过压铸塞的压力挤压胶料，并使胶料通过浇注系统进模具型腔中硫化定型。 模压成形过程有：加料、闭模

16、、硫化、脱模及模具清理等工艺过程，其中最重要的是硫化处理。,3） 挤出成形,橡胶压出成形又称挤出成形。它是在压出机(或称挤出机)中对胶料加热和塑化，通过螺杆或柱塞推动连续不断地向前传送，然后借助于橡胶压出成形模具(简称口型模)，压出各种所需形状半成品(型材，模制品)以完成造型或其它作业的工艺过程。,4） 注射成形,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。,10.2 陶瓷材料的成形,10.2.1 陶瓷材料成形基础,陶瓷制品的生产过程主要包括坯体成形前的坯料准备、坯体成形、烧结及坯体的后续加工等内容。,1.坯体成形

17、前的准备 首先是利用物理、化学等方法对粉料进行处理获得所需要规格的粉体；然后按照瓷料的成分，将各种原料进行称量配料，配料后根据不同的成形方法，混合制备成不同形式的坯料。 2.坯体成形 成形是将坯料制成具有一定形状和规格的坯体。可采用浇注法成形、挤压成形、压制成形。,3.烧结 烧结是对成形坯体进行低于熔点的高温加热，使其内部的粉体产生粘结，经过物质迁移导致致密化和高强度的过程。 4.后续加工 陶瓷经成形、烧结后，还可根据需要进行后续精密加工，使之符合表面粗糙度、形状、尺寸等精度要求，如磨削加工、研磨与抛光、超声波加工、激光加工，甚至切削加工等。,10.2.2 陶瓷材料成形方法,陶瓷制品的成形，就

18、是将坯料制成具有一定形状和规格的坯体。成形方法主要有浇注成形、可塑法成形、压制成形等。,1、注浆成形法,注浆成形是将陶瓷悬浮料浆注入多孔质模型内，借助模型的吸水能力将料浆中的水吸出，从而在模型内形成坯体。其工艺过程包括悬浮料浆制备、模型制备、料浆浇注、起模取件、干燥等阶段。,1）悬浮料浆的制备。 料浆是陶瓷原料粉体和水组成的悬浮液。料浆应具有良好的流动性，足够小的粘度，尽可能少的含水量，弱的触变性(静止时粘度变化小),良好的稳定性(悬浮性)及良好的渗透(水)性等性能。,2）常用注浆成形法,空心注浆 料浆注入模型后，由模型单面吸浆，当注件达到要求的厚度时，排出多余料浆而形成空心注件。,实心注浆

19、料浆注入模型后，料浆中的水分同时被模型的两个工作面吸收，注件在两模之间形成，没有多余料浆排出。,3）强化注浆成形法,强化注浆 在注浆过程中，人为地对料浆施加外力，以加速注浆过程进行，提高注浆速度，使坯体致密度与强度得到提高。强化注浆法有真空注浆、离心注浆和压力注浆等。,2、可塑成形法,可塑法成型是用各种不同的外力对具有可塑性的坯料（泥团）进行加工，迫使坯料在外力作用下发生可塑变形而制成生坯的成型方法。,1）滚压成形法,工艺原理和特点：成型时盛放着泥料的石膏模型和滚压头分别绕自己的轴线以一定的速度同方向旋转。滚压头在旋转的同时逐渐靠近石膏模型，对泥料进行滚压成型。,2）塑压成形法,将可塑泥料放在

20、模型中在常温下压制成型的方法。 模型：蒸压型的半水石膏，内部盘绕多孔性纤维管，用以通压缩空气或抽真空。成型压力与坯泥的含水量有关。坯体的致密度较旋坯法、滚压法都高。因此，需要提高模型强度：采用多孔性树脂模、多孔金属模。,3、模压成形法,模压成型（又称压制成型或压缩成型）是先将粉状，粒状或纤维状的塑料放入成型温度下的模具型腔中，然后闭模加压而使其成型并固化的作业。模压成型可兼用于热固性塑料，热塑性塑料和橡胶材料。,1）压制成形法,利用压力装置将置于模具内的粉料压紧至结构紧密，形成具有一定形状和尺寸的胚体的成形方法。,2）等精压成形法,静水压成形法，是利用液体介质的不可压缩性和均匀传递压力性的一种

21、成形方法。,10.3 复合材料的成形,复合材料成形特点 1）材料的复合过程与制品的成形过程同时完成； 2）复合材料具有的可设计性以及材料和制品一致性的特点，都是由不同的成形工艺赋予的，因此应当根据制品的结构形状和性能要求来选择成形方法。 复合材料的成形工艺主要取决于复合材料的基体。般情况下，其基体材料的成形工艺方法也常常适用于以该类材料为基体的复合材料，特别是以颗粒、晶须及短纤维为增强体的复合材料。,10.3.1 树脂基复合材料的成形,1、手糊成形法,该法以手工作业为主，其工艺流程如下：,手糊成形可用于制造船体、储罐、储槽、大口径管道、风机叶片、汽车壳体、机翼、火箭外壳等大中型制件。,2、喷射

22、成形法,该法是将调配好的树脂胶液与短切纤维通过喷射机的喷枪均匀喷射到模具上沉积，每喷一层，即用棍子滚压，使之压实、浸渍并排出气泡，再继续喷射，直至完成坯件制作，最后固化成制品，如图所示。 喷射法可用于成形船体、容器、汽车车身、机器外罩、大型板等制品。,3、拉挤成形法,将浸渍过树脂胶液的连续纤维束或带，在牵引机构拉力作用下，通过成形模定形，再进行固化，连续引拔出长度不受限制的复合材料管、棒、方形、工字形、槽形，以及非对称形的异形截面等型材。,4、 层压成形法,将纸、棉布、玻璃布等片状增强材料，在浸胶机中浸渍树脂，经干燥制成浸胶材料，然后按层压制品的大小，对浸胶材料进行裁剪，并根据制品要求的厚度(或质量)计算所需浸胶材料的张数，逐层叠放在多层压机上，进行加热层压固化，脱模获得层压制品。,5、 模压成形法,模塑料、预浸料以及缠绕在芯模上的缠绕坯料等在金属模具中，在压力和温度作用下经过塑化、熔融流动、充满