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复材技术:模压工艺流程详解及常见问题解决方法

   日期:2020-05-08     来源:《复合材料件可制造性技术》    浏览:603    
核心提示:一、成形工艺1.工艺过程模压成形红艺过程包括:嵌件放置并预热、加料、合模、排气、保压固化、脱模、清理模具等步骤,见图3-15。(

 

一、成形工艺

1.工艺过程

 

模压成形红艺过程包括:嵌件放置并预热、加料、合模、排气、保压固化、脱模、清理模具等步骤,见图3-15。

 

(1)嵌件放置

 

嵌件一般由金属制成,可对制品起增强作用,使用嵌件的制品力学性能提高较大。也有的是为了给制品赋予导电、导热特性或其他功能特性而加入嵌件。嵌件放置前,进行预热为佳。通常是用手放置嵌件,放置位置要准确、稳定,若是小型嵌件亦可用钳子或镊子安装。-件制品可以用一个嵌件,也可放置几种不同的嵌件,其位置-定稳定 ,必要时应加以固定,防止位移或脱掉,否则达不到使用嵌件的目的,反而会造成制品的报废,甚至会损坏模具。

 

(2)加料

 

加料量的精确度会直接影响制品的尺寸与密度,应严格加以定量,将模压料均匀地加入阴模槽中。定量加料法有:重量法、计数法和容量法。

 

重量法准确,多用于尺寸要求精度和难以用容量法加料的模压料,如碎屑状、纤维状物料。容量法不如重量法准确,但操作方便,一般用于粉料计量。计数法只用于预压物料加料。

 

注意事项:加料前应首先检查型腔内是否有油污、飞边、 碎屑和其他异物。将准确计量的模压料,按型腔形状加入,对某些流动阻力大的部位应尽可能填满,并注意难以冲模部分(如凸台、细小孔眼、狭缝及开口附近) ,应多加些模压料。并在嵌件周围预先放上模压料并压紧,这样可减少料流对嵌件的冲劫,嵌件的插孔内也不会发生“逃料”现象。如果预先预压成制品形状加料更为方便。

 

(3)模压料的预热和预成形

 

在压制前对模压料预先进行加热处理称为预热。其作用是改善模压料的工艺性(如增加流动性) ,便于装模和降低制品的收缩率,同时还可以缩短模压时间,降低成形压力,并能显著提高制品的机械性和尺寸稳定性。

 

预热处理的方式多种多样,可根据生产条件和模压料的特性加以选择。其要求是模压料应受热均匀、使用方便,预热处理时间一般不超过30min。

 

预成形则是在常温下预先将定量的模压料压制成与制品相似的形状,然后再投入模具中压制。这种方法可以缩短成形操作周期,提高生产效率和制品的性能。预混料模压制品在大批量生产、使用多腔模具、制品形状特殊等情况下常常采用预成形法。

 

(4)合模

 

合模分为两步,阳模未接触模压料前,需低压(1.5~ 3.0MPa)快速,这样可以缩短周期和避免制品发生变化;当阳模接触模压料之后,应开始放慢闭模速度,改用高压(15 ~ 3MPa)慢速,以免损坏嵌件、并使模具空气排出。

 

(5)排气

 

为了排除模内空气、水气及挥发物,在模具闭合后,有的还需要将模具开启段时间,这个过程称为排气。 排气操作应力求迅速,一定要在模压料中的树脂尚未塑化时完成,否则树脂硬化而失去可塑性,此时即使打开模具也排不出气,即使提高温度和压力也不可能得到理想的制品。排气可以缩短固化时间,而且能提高制品的力学性能和电性能。为了避免制品的分层现象,排气过早过迟都不好,过早达不到排气的目的,过迟模压料表面已固化,气体排不出来。

 

(6)固化

 

模压料中的树脂从流动态变成坚硬的不熔不溶状态的过程称为固化。固化速度与树脂的性质、预压、预热、压制温度和压力等因素有密切的关系。

 

固化速度的快慢取决于模压料中树脂低分子组成向高分子产物转化的速率,即固化速度与树脂的分子结构有关。如:热塑性酚醛树脂因相对分子质量较低,支链少固化剂容易与活泼基团反应,所以固化速度快。相对分子质量高,黏度越大,不利于活泼基团的缩合,所以固化速度慢。

 

固化速度的快慢直接影响到生产效率。为了加速模压料的固化,有时在成形时加入一-些固化剂,如热固性酚醛模塑粉可加入六次甲基四胺;脲醛模塑粉可加入草酸等固化剂。

 

有些无机填料对模塑粉的固化速度也有影响,如镁的氯化物能加速酚醛模塑粉的固化。

 

(7)保压时间

 

模压料在模具固化的过程始终处于高温高压下。从开始升温、加压到固化至降温降压所需要的时间称为保压时间。保压时间实质上就是保持温度和压力的时间,它与固化速度完全一致,保压时间过短,即过早地降温降压,会导致模压料固化不完全,降低制品的力学性能和电性能以及耐热性能。

 

保压时间过长,不仅延长生产周期,而且使树脂交联过大,导致模压料收缩过大,密度增加,树脂与填料之间还会产生内应力,严重时会使制品破裂。因此必须根据树脂的性能制定适当的保压时间,过长过短均不适宜。

 

(8)脱模

 

在一个压制周期结束后,应将已成形的制品从模具中取出,以便进行下一次的模压操作。脱模通常是靠顶杆来完成的,带有成形杆或某些嵌件的制品应先用专门的工具将成形杆等拧脱,而后再进行脱模。

 

脱模时制品的温度应在60°C以下。温度太高,所得制品易产生变形、收缩等劣变现象,并导致制品外观质量下降;温度太低,将使模压周期延长,生产成本上升。

 

(9)清理模具

 

由于模压时可能在模具里留有-些残存的模压料及掉入飞边 ,所以每次模压后必须将模具清理干净,如果模具上附着物太牢可以用铜片清理,也可用抛光剂拭刷等,清理后涂上脱模剂以便进行下一次模压。

 

(10)后处理

 

模压制品在脱模后往往还需要进行一定的后加工过程才能达到使用要求。其第一道工序是除去制品的毛刺飞边,可通过手工或机械打磨的方法进行,以提高制品的外观质量;此外,往往还需要对制品进行必要的机械加工,如进行钻孔攻丝等。由于复合材料制品对机械加工十分敏感,应尽量避免,如需开孔,可通过在模具中设置型芯的方法解决,攻丝则可通过设置带螺纹的型芯或带内螺纹的型环直接将螺纹成形在模压制品上,否则对付货舱拉模压制品加工不当极易产生"掉碴”现象,导致模压制品报废。

 

2.工艺参数

 

在模压过程中,模压料中的树脂将经历黏流、凝胶和固化三个阶段,而树脂分子本身也将由线性分子链变成不熔不溶的空间网状结构。将模压料转化成合格制品所需要的外部条件就叫做模压料的模压工艺参数,实际生产中称为压制制度。

 

(1)温度

 

温度是模压料所包含的热量的量度。热能的作用是促进模压料塑化和树脂的固化。初期随着温度的升高,模压料从软固态逐渐变成黏流态,温度达到一定程度后模压料的黏度升高,树脂的固化反应开始,最终变成不熔不溶的固态。从分子的运动来看,温度升高树脂获得的能量增加,树脂分子的热运动加剧,引发剂开始起作用引发树脂分子的固化反应。在模压过程的各个阶段所需的热量是不同的,这就需要控制相应的温度指标,包括装料温度、升温速度、模压成形温度、恒温温度、降温温度和后处理温度等。

 

a.装料温度

 

将模压料装入模腔时的温度叫装料温度,它由模压料的品种和制品的质量要求而定,同时还应考虑到模压料中溶剂的挥发温度、制品的结构及生产效率。

 

b.升温速度

 

指由装料温度到最高温度时的升温速率。对快速压制工艺来讲,装料温度就是压制温度,不存在升温速度。而对普通模压工艺来讲,就需慎重选择并严格控制升温速度, 这一点对压制厚壁制品时尤其重要。

 

c.成形温度及恒温

 

最高温度是指通过差热分析(DTA)测得的树脂固化反应的峰值温度,实际就是模压料的成形温度。在模压工艺中,成形温度主要取决于模压料的种类。

 

在达到成形温度后,为使树脂固化完全并消除模压制品的内应力,一般应在成形温度下保温一段时间,这个过程叫恒温过程。恒温过程所持续的时间主要取决于两个因素:一是模压料固化完全所需的时间(与模压料的种类有关);另一个是不稳定导热时间,即加热元件通过模具向模腔导热,使模腔中的模压料的温度达到成形温度所需的时间,它与模压料的品种、加热装置、制品结构和尺寸以及环境温度有关。

 

d.降温

 

在模压过程恒温时间结束后,在保持压力的情况下开始降温过程。降温方式有自然降温和强制降温两种。通常是在模具周围的预留孔道中通入冷水或用风机吹入冷风来使模具和模压制品强制降温。

 

(2)压力

 

a.成形压力

 

成形压力的作用是克服模压料在模内流动时的内摩擦力、模压料与模腔内壁之间的摩擦力,使模压料充满模腔,克服模压料被加热时挥发物产生的蒸气压力,从而得到结构密实的制品。成形压力的大小取决于模压料的品种、模压制品的结构和尺寸。

 

b.加压时机

 

是指在装料后经过一段时间、在-定温度下的加压操作。合理的加压时机是确保制品质量的关键性参数之一。加压过早,模压料中树脂分子的反应程度还较低, 分子量较小,黏度低,树脂组分极易流失,从而在制品中产生局部树脂聚积而另一部分则树脂量不足;加压过迟,树脂反应程度过高,分子过大而导致黏度过高,模压料的流动性过差而不能完全充满模腔。这两种情况都导致出现次品。只有合理的加压时机,才能获得最佳性能的模压制品。

 

最佳模压时机应在树脂发生剧烈固化反应放出大量气体之前。主要取决于模压料的品种、装料前的模压料质量指标及装模温度等。通常采用以下方法来确定最佳加压时机;凭经验,模压操作者可以将树脂拉出丝来时即为加压时机;根据温度显示来确定加压时机,当液压机控温仪显示的温度接近树脂的凝胶温度,可选用差热分析(DTA)方法和差示扫描量热(DSC)方法测定树脂的固化放热曲线,再由放热;曲线来确定加压时机;按树脂固化反应时的气体释放量确定加压时机,树脂在固化过程中放出相当可观的挥发物,通过试验可以作出树脂挥发物的排放量一温度 曲线。按照曲线的指示,在大量挥发物溢出之前的温度下加压,即为加压时机,此时加压可以阻止气体集中排出,防止制品出现肿胀、开裂等缺陷。

 

c.卸压放气

 

模压料中均含有一定的挥发分。 某些模压料(如酚醛型模压料)在固化反应中还会生成一些挥发性副产物。 这些挥发分及副产物在压制过程中如果不能有效地排除,将使制品产生气泡、分层等现象。对一些快速反应的模压料,这一现象将尤为严重。 因此,实际工作中一般在加压后需采取放气措施,即加压后,随即减压放气,再加压,如此反复几次,即可排除。

 

(3)时间

 

模压料中的树脂固化所需时间就是指模压料在模具中从开始升温、加热、加压到完全固化为止的这段时间。模压时间与树脂品种、制品形状、厚度、模具结构、模压工艺条件以及操作步骤等有关。在一般情况下模压温度升高,固化速度加快,所需模压时间减少,因而模压周期随模温提高而缩短;模压压力对模压时间的影响虽不及温度那么明显,但也随模压压力的增大模压时间有所减少。由于预热减少了树脂的充模和升温时间,所以模压时间要比不预热的短些。通常模压时间随制件的厚度增加而增加。模压时间的长短对制品的性能影响很大,时间太短树脂固化不完全,制品物理力学性能差,外观无光泽,制品脱模后易出现翘曲变形等现象。增加时间,一般可以使制品的收缩率和变形减少,当然制品的其他性能也有所提高。但过分延长模压时间,不仅延长成形周期,降低生产率,多耗热能和机械功,而且会使树脂过热,制品收缩率增加,树脂和填料之间会产生内应力,制品表面发暗并起泡,从而造成制品性能下降,严重时会造成制品破裂。因此应合理规定模压工艺参数。

 

(4)液压机台面的平行度

 

闭模时,由于坯料位置的不均衡或模具内压力分布不均匀弓|起的偏心载荷可能导致H台面和下台面不能保持平行。液压机导轨的间隙和液压机框架的不均匀弹性变形会加剧这一问题。不平行的台面引起模压制件厚度的不均匀,进而引|起不均一的固化速率和不稳定流动,影响之间质量。解决这一问题可采用四活塞式液压机。每个活塞位于移动台面的角上,安装在活动台面每个角上的位置传感器将不平行度反馈给液压机,从而调整液压柱的活动情况以维持模压过程中台面的平行。

 

二、易出现的问题与解决方法

在模压成形实际操作中不像理论预测的那样会达到理想结果,由于实际成形加工中还要受到"人、机、料、法、环”诸多因素的影响,不管哪一环节出了问题,均会影响制品质量,甚至无法成形,特别是操作人员如果对工艺条件掌握不好,模具设计不尽合理或者对材料的加工特性了解不够等均会给制品造成缺陷,影响质量,为了确保模压制品质量,节约原材料、延长模具使用时间,必须及时发现成形加工中出现的问题,并加以及时解决才能得到合格的制品。易出现的问题和解决办法见表3- 1。

 
 
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