拉擠工藝原理
拉擠是指玻璃纖維等增強(qiáng)材料在外力牽引下，經(jīng)過(guò)浸膠、擠壓成型、加熱固化、定長(zhǎng)切割等一系列工序，連續(xù)生產(chǎn)復(fù)合材料線型制品的一種方法。增強(qiáng)材料從紗架引出后，經(jīng)過(guò)排紗器進(jìn)入浸膠槽，浸透樹(shù)脂膠液后，進(jìn)入預(yù)成型模，將多余樹(shù)脂和氣泡排出，最后進(jìn)入成型模凝膠、固化。固化后的制品由牽引機(jī)連續(xù)不斷地從模具拔出，由切斷機(jī)定長(zhǎng)切斷。它區(qū)別于其他成型工藝的地方是需要外力牽引和擠壓模塑，故稱拉擠成型工藝。
拉擠成型工藝流程如下：
增強(qiáng)材料（纖維及氈材等）排布→浸膠→預(yù)成型→擠壓模塑及固化→牽引→切割→制品
在拉擠工藝中有六個(gè)關(guān)鍵因素：①增強(qiáng)材料傳送系統(tǒng)，如紗架、過(guò)紗裝置、氈架以及輸送裝置；②樹(shù)脂浸漬系統(tǒng)；③預(yù)成型系統(tǒng)；④模具；⑤牽引裝置；⑥切割裝置。
纖維的引出方式有兩種：內(nèi)抽和外引。纖維從紗筒內(nèi)壁抽出時(shí)，紗筒固定但纖維發(fā)生扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生打捻；纖維從紗筒外壁引出時(shí)，可避免扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，但應(yīng)采用旋轉(zhuǎn)芯軸，減少引出阻力，以及更好地控制纖維張力。
纖維和氈等增強(qiáng)材料的浸漬，在裝有膠液的膠槽中進(jìn)行，一般有三種形式：1. 壓紗浸漬；2. 直槽浸漬；3. 滾筒浸漬。其中方法1和2最為常用。壓紗浸漬方法簡(jiǎn)單易行，主要通過(guò)紗夾、紗孔、壓紗桿等工具，將增強(qiáng)材料壓入膠槽浸漬，其不足之處在于對(duì)增強(qiáng)材料存在一定的磨損，同時(shí)影響增強(qiáng)材料的定位和走向。隨著拉擠產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜，直槽浸漬法的應(yīng)用越來(lái)越普遍，通過(guò)真空泵系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)膠液的不斷回流，既保證了增強(qiáng)材料的良好浸漬，也能夠使得纖維和氈的排列整齊、流暢，更易于實(shí)現(xiàn)預(yù)想的排布。
預(yù)浸好的增強(qiáng)材料穿過(guò)預(yù)成型裝置，預(yù)成型是根據(jù)制品所要求的斷面形狀而配置的導(dǎo)向裝置，具有以下作用：①增強(qiáng)材料的定位；②將增強(qiáng)材料按照產(chǎn)品形狀預(yù)先有序排列；③排出多余的樹(shù)脂和氣泡，然后再進(jìn)入模具，進(jìn)行成型固化，從模具拉出。
一般而言，模具是在系統(tǒng)確定的條件下進(jìn)行設(shè)計(jì)的。根據(jù)樹(shù)脂固化放熱曲線及物料與模具的摩擦性能，將模具分成三個(gè)不同的加熱區(qū)，其溫度由膠液體系的性能確定。模具是拉擠成型工藝中最關(guān)鍵的部分，典型模具的長(zhǎng)度范圍在0.6～1.2m之間。
模具出口與牽引裝置之間的距離一般約3～5m，這個(gè)距離需確保復(fù)合材料制品可以完成固化過(guò)程，并逐漸冷卻。牽引裝置是一個(gè)履帶型拉出器或兩個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)夾持裝置，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)牽引裝置的牽引，將制品從拉擠模具中源源不斷拉拔出來(lái)。
拉擠設(shè)備的末端，設(shè)置切割機(jī)，將拉擠制品按照要求定長(zhǎng)切割。
通用拉擠成型設(shè)備
通用拉擠成型設(shè)備
圖9-30 典型拉擠設(shè)備
拉擠成型設(shè)備從五十年代發(fā)展至今，已逐步完善并定型，能夠最大程度實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)智能控制，并伴隨拉擠產(chǎn)品和工藝的發(fā)展呈現(xiàn)多元化趨勢(shì)。
拉擠設(shè)備盡管型號(hào)眾多，但每臺(tái)設(shè)備均由以下基本部分構(gòu)成：（1）增強(qiáng)材料架；（2）預(yù)成型導(dǎo)向裝置；（3）膠液浸漬裝置；（4）帶加熱控制的金屬模具；（5）牽引裝置；（6）切割裝置。
拉擠設(shè)備中，內(nèi)抽頭玻璃纖維粗紗配置在紗架上，其他增強(qiáng)材料（如連續(xù)氈、表面氈等）通常按切線方向有序放置在多層擱架上，引出時(shí)應(yīng)盡量遵循平行原則，避免行走時(shí)出現(xiàn)交叉、錯(cuò)亂。
從原料架上引出的增強(qiáng)材料經(jīng)過(guò)紗板集束整形后，進(jìn)入膠液浸漬裝置。在直槽浸漬法中，膠液浸漬裝置由以下幾部分組成：托架、浸漬槽、接膠盤(pán)、膠液儲(chǔ)存桶、循環(huán)泵。浸漬槽前后兩面均放置導(dǎo)向板，導(dǎo)向板上按照需要設(shè)置紗孔和氈槽，以維持增強(qiáng)材料的有序排列。從紗孔和氈槽中漏出的膠液落到接膠盤(pán)中，再收集在儲(chǔ)存桶，通過(guò)循環(huán)泵打到浸漬槽中使用。必要時(shí)，還可以設(shè)置循環(huán)水套管和控制樹(shù)脂溫度的加熱器，以優(yōu)化工藝。
浸漬過(guò)的增強(qiáng)材料在經(jīng)過(guò)預(yù)成型后，進(jìn)入模具。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的不同，拉擠工藝的預(yù)成型體系形式多樣而豐富，其主要目的在于，使增強(qiáng)材料按照預(yù)先設(shè)計(jì)的鋪層結(jié)構(gòu)，從發(fā)散狀態(tài)自然、流暢地過(guò)渡到與產(chǎn)品截面相似，完成最終定位，順利進(jìn)入模腔。預(yù)成型的制作，多用摩擦阻力較小的塑料板，在其上打孔實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向。結(jié)構(gòu)復(fù)雜產(chǎn)品的纖維定位，也可以搭配定位管，將纖維直接引入模具入口。與纖維的預(yù)成型相比，氈材的導(dǎo)向則需要制作者具備更高超的技巧，將氈材從單一的平面狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榕c模腔伏貼的立體形態(tài)，是一件充滿挑戰(zhàn)和技巧的工作。
預(yù)成型可以通過(guò)框架和模具以及模具托臺(tái)固定在一起，也可以根據(jù)增強(qiáng)材料的鋪層結(jié)構(gòu)，設(shè)置在浸漬區(qū)域的上方或下方?？招漠a(chǎn)品的預(yù)成型一般與芯棒托架設(shè)計(jì)為一體，便于調(diào)節(jié)同心度，同時(shí)節(jié)省了操作空間。
浸漬后的增強(qiáng)材料經(jīng)過(guò)預(yù)成型后，將順利進(jìn)入加熱的成型模具。模具通常采用電加熱方式，分段加熱，模具各區(qū)的溫度可通過(guò)凝膠試驗(yàn)初步確定，并在生產(chǎn)過(guò)程中根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量情況進(jìn)行調(diào)整。在生產(chǎn)過(guò)程中，設(shè)置匹配的模具溫度和牽引速度，控制合適的膠凝時(shí)間和固化程度，是保證制品質(zhì)量的關(guān)鍵。生產(chǎn)大型中空制品時(shí)，由于芯棒較粗，傳熱速度較慢，材料在模腔中行進(jìn)時(shí)，內(nèi)外壁溫度會(huì)存在較大偏差，從而影響產(chǎn)品固化，可以在芯棒內(nèi)部安裝加熱器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，使產(chǎn)品內(nèi)外受熱均勻一致。
剛出模的產(chǎn)品固化度并不能達(dá)到理想狀態(tài)，需要在持續(xù)運(yùn)行中進(jìn)一步后固化，并在到達(dá)牽引裝置之前逐漸冷卻。處于高速牽引狀態(tài)中的型材，有時(shí)需要使用風(fēng)機(jī)輔助冷卻，以減少高溫對(duì)牽引膠墊的磨損。
常用的牽引系統(tǒng)有兩種：上、下履帶式牽引系統(tǒng)和交替往復(fù)牽引系統(tǒng)。履帶式牽引系統(tǒng)由上、下兩個(gè)對(duì)置的不斷轉(zhuǎn)動(dòng)的傳動(dòng)帶組成，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的上、下傳動(dòng)帶緊緊夾住型材，并拖曳向前。這種牽引系統(tǒng)價(jià)格低廉，但通用性略差，對(duì)于復(fù)雜形狀的產(chǎn)品，需要重新加工相應(yīng)的夾持膠塊，包覆在上、下履帶上。
交替式往復(fù)牽系統(tǒng)克服了履帶式的缺點(diǎn)，采用氣壓或者液壓式設(shè)計(jì)，采用兩對(duì)夾持膠塊的循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的連續(xù)。當(dāng)一對(duì)膠塊夾持住產(chǎn)品并向前運(yùn)行時(shí)，另一對(duì)膠塊松開(kāi)產(chǎn)品，同時(shí)后退復(fù)位，等待下一次夾持。這種系統(tǒng)便于更換牽引夾具，操作方便，在產(chǎn)品種類較多的情況下，具有廣泛的適用性。
位于拉擠機(jī)末端的是切割系統(tǒng)，通常采用金剛砂鋸片，并配備冷卻和潤(rùn)滑，切割時(shí)系統(tǒng)與牽引裝置同步運(yùn)動(dòng)，并由一個(gè)定長(zhǎng)切割開(kāi)關(guān)控制。液壓伺服驅(qū)動(dòng)和程序控制的運(yùn)用，已使得拉擠設(shè)備的自動(dòng)化程度進(jìn)一步提升。
2. 新型拉擠工藝及設(shè)備
（1）預(yù)熱工藝和設(shè)備
使用射頻（RF）發(fā)射器對(duì)增強(qiáng)材料進(jìn)行預(yù)熱，是拉擠工藝發(fā)展的飛躍。這種變革利用射頻能量預(yù)熱與金屬模具的熱傳導(dǎo)相結(jié)合，縮短了膠液固化時(shí)間，極大地提高了拉擠速度。RF發(fā)射器置于浸漬段和模具段之間，濕態(tài)的纖維束進(jìn)入模具前，從發(fā)射器中穿過(guò)， 并在RF作用下產(chǎn)生瞬時(shí)分子磨擦熱，降低膠液粘度，增強(qiáng)浸潤(rùn)性，并提供膠液反應(yīng)所需的能量，在這種情況下，即使縮短模具長(zhǎng)度，膠液同樣可以凝膠、固化，減少了材料通過(guò)模具的時(shí)間，降低了牽引拉力。這一重大發(fā)明顯著地提高了拉擠速度，在大型制品的生產(chǎn)上作用尤為顯著。
（2）纏繞拉擠和編織拉擠
為提高拉擠制品的環(huán)向性能，在傳統(tǒng)工藝中引入纏繞和編織技術(shù)元素，形成的拉繞工藝和編織拉擠工藝，使得拉擠制品的性能得到突破，綜合性能更加優(yōu)越。
（3）拉擠與注射涂層工藝 一些有特殊要求的拉擠制品，表面需涂覆一層涂層，可設(shè)置一臺(tái)小型注塑機(jī)，塑化的塑料液體盛放在一個(gè)槽中，從模具拉擠出的型材隨即通過(guò)塑料液槽，這樣就在型材表面涂上了一層涂層，實(shí)現(xiàn)外觀、性能、耐腐等方面的更高要求。
（4）曲線拉擠設(shè)備 曲線拉擠原理是人為控制拉擠制品的固化和后固化過(guò)程，使其制品實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的曲線形狀。從而突破了傳統(tǒng)拉擠只能制造恒截面、直線型產(chǎn)品的思維模式，可以滿足變截面產(chǎn)品研發(fā)的需求。
3. 拉擠模具
在玻璃鋼型材的拉擠成型過(guò)程中，模具是各種工藝參數(shù)作用的交匯點(diǎn)，是拉擠工藝的核心之一。與塑料擠出成型相比，拉擠成型與其有相似之處，但前者僅是一物理變化過(guò)程，后者還伴隨著動(dòng)態(tài)的化學(xué)反應(yīng)。相比之下，拉擠模具的工況較前者要復(fù)雜得多，所以拉擠模具的設(shè)計(jì)和制造具有十分重要的意義，它不僅關(guān)系著拉擠工藝的成敗，決定著拉擠制品的質(zhì)量和產(chǎn)量，同時(shí)也影響拉擠模具的使用壽命。
從工藝角度來(lái)講，拉擠模具一般由預(yù)成型模和成型模兩部分組成。
（1）預(yù)成型模具 在拉擠成型過(guò)程中，增強(qiáng)材料浸漬樹(shù)脂后（或被浸漬的同時(shí)），在進(jìn)入成型模具前，必須經(jīng)過(guò)由一組導(dǎo)紗元件組成的預(yù)成型模具，預(yù)成型模的作用是使浸漬后的增強(qiáng)材料進(jìn)一步除去多余的樹(shù)脂，排除氣泡，逐步形成近似成型模腔形狀和尺寸，然后進(jìn)入模具。通過(guò)預(yù)成型，增強(qiáng)材料逐漸達(dá)到所要求的形狀，并使增強(qiáng)材料在制品斷面的分布符合設(shè)計(jì)要求。
（2）成型模具 成型模具橫截面面積與產(chǎn)品橫截面面積之比一般應(yīng)大于10，以保證模具有足夠的強(qiáng)度和剛度，加熱后熱量分布均勻和穩(wěn)定。拉擠模具長(zhǎng)度是根據(jù)成型過(guò)程中牽引速度和樹(shù)脂凝膠固化速度決定，以保證制品拉出時(shí)達(dá)到脫模固化程度。
拉擠模具的模腔表面要求光潔、耐磨，以減少拉擠成型時(shí)的摩擦阻力，提高模具的使用壽命。模具材料的選擇直接影響著拉擠模具的性能，模具材料要求具備以下性能：
1)較高的強(qiáng)度、耐腐蝕性、耐疲勞性和耐磨性；
2)較高的耐熱性和較小的熱變形性；
3)良好的切削性和表面拋光性能；
4)摩擦系數(shù)低，阻力小，尺寸穩(wěn)定性好；
合金模具鋼表面光滑致密，硬度高，易于脫模，清理模具時(shí)不易損壞，便于滲氮處理和型腔表面鍍硬鉻，所以拉擠模具一般選用合金模具鋼。經(jīng)過(guò)粗加工后再精加工，表面鍍硬鉻或者滲氮、滲碳處理，使模腔內(nèi)表面的硬度達(dá)到50～70HRC（洛氏硬度），最后用拋光工具拋光，使型面達(dá)到很高的光潔度，表面粗糙度達(dá)到0.2um的水平，能夠非常好地滿足上述要求。這樣不僅可減小摩擦系數(shù)，延長(zhǎng)模具的使用期，而且也會(huì)改善對(duì)樹(shù)脂的防粘特性。
經(jīng)歷幾十年的發(fā)展，美國(guó)拉擠工業(yè)應(yīng)用最廣泛的模具鋼主要是4140、P20和A2等少數(shù)幾個(gè)牌號(hào)。國(guó)內(nèi)拉擠模具制作中，使用較多的是40Cr、38CrMoAl、42CrMo、5CrNiMo等調(diào)質(zhì)鋼，使用效果較好，但與國(guó)外加工水平相比，還存在不小的差距。
表9-1列出上述三種美國(guó)用鋼的化學(xué)成份及熱處理后的HRC硬度，供我們進(jìn)行拉擠模具設(shè)計(jì)和選材時(shí)參考。
表9-1 美國(guó)拉擠模具鋼的化學(xué)成份
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|
牌號(hào) |
合金化學(xué)組成(%) |
熱處理 |
|||||
|
C |
Si |
Mn |
V |
Cr |
Mo |
||
|
P20 |
0.35 |
0.50 |
0.80 |
- |
1.70 |
0.45 |
54 |
|
4140 |
0.40 |
0.25 |
0.90 |
- |
0.90 |
0.21 |
52 |
|
A2 |
1.00 |
- |
0.60 |
0.25 |
5.25 |
1.10 |
62 |
從整個(gè)拉擠工業(yè)來(lái)看，電鍍拉擠模具仍占主導(dǎo)地位，非電鍍模具仍處于發(fā)展階段。我國(guó)拉擠廠家使用表面滲氮處理的拉擠模具，其氮化層厚度為0.2～0.3mm，HRC≥60。從有限的使用經(jīng)歷來(lái)看，腐蝕問(wèn)題仍存在，摩擦阻力也略大于鍍鉻模具，還有一段較長(zhǎng)的路要走。
（3）拉擠模具的設(shè)計(jì)
拉擠模具通常由若干個(gè)單獨(dú)制造的模具組件裝配而成。組件數(shù)及分型面的選擇，取決于拉擠制品截面構(gòu)造、模具加工工藝及使用要求。為保證模具分型面或合模縫所對(duì)應(yīng)的拉擠制品外觀質(zhì)量好，不形成飛刺，在滿足模具制造的前提下，盡量減少分型面，保證合縫嚴(yán)密。
玻璃纖維浸膠后進(jìn)入成型模具時(shí)，纖維束是在成型機(jī)牽引作用下進(jìn)入模具的。由于模具進(jìn)口處纖維束十分松散，往往在入口處積聚纏繞，造成斷纖。再者，模具在長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中，由于積聚纏繞的影響，往往造成入口磨損嚴(yán)重，影響產(chǎn)品質(zhì)量。為解決這一問(wèn)題，在模具入口處周邊應(yīng)倒一橢圓截面圓角，同時(shí)入口采用錐形，角度在5～8°為宜，長(zhǎng)度在50～100mm為宜，可大大減少斷纖現(xiàn)象發(fā)生，提高了拉擠制品的質(zhì)量。如下圖所示：
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在設(shè)計(jì)模具時(shí)，模具長(zhǎng)度的確定要考慮所用原材料和產(chǎn)品截面形狀，目前國(guó)內(nèi)模具長(zhǎng)度一般設(shè)計(jì)為900mm—1200mm，模具型腔尺寸決定于制品的尺寸及所選用樹(shù)脂的收縮率。一般情況下不飽和聚酯產(chǎn)品收縮率為2%—4%，環(huán)氧樹(shù)脂0.5%—2%。對(duì)于中空制品，芯棒設(shè)計(jì)要特別注意，一般芯棒的有效長(zhǎng)度為模具長(zhǎng)度的2/3～3/4，而在拉擠工藝過(guò)程中要考慮到芯棒固定、調(diào)整的方便性，此外較大的芯棒還要考慮到配重及加熱的問(wèn)題，以保持水平方向的平衡和受熱均勻。綜合考慮，對(duì)于模具長(zhǎng)度為900mm左右的模具，芯棒的長(zhǎng)度可設(shè)計(jì)為 1500mm左右。
（4）拉擠模具的保養(yǎng)與維修
閑置模具通常情況下，需進(jìn)行清理后，進(jìn)行必要的防護(hù)，避免水、粉塵的腐蝕。芯棒閑置時(shí)應(yīng)掛起，防止由重力引起的形變。
電鍍拉擠模具使用一段時(shí)間后，可能會(huì)發(fā)生局部鉻層掉落的現(xiàn)象，若面積不大，可通過(guò)打磨處理繼續(xù)使用。打磨處理方法如下：首先選用600目的水砂紙打磨，待打磨到一定程度時(shí)，改用較細(xì)砂紙。打磨順序如下：600目→ 800目→1000目→1200目→1500目。打磨過(guò)程中，必須不斷用航空煤油沖洗模具，把砂紙磨下來(lái)的微粒沖掉，以免劃傷模具。待水砂紙打磨到1500目以后，改用專用電動(dòng)拋光機(jī)和羊毛拋光盤(pán)進(jìn)行拋光。拋光開(kāi)始時(shí)選用稍粗磨粒的拋光劑，同時(shí)羊毛盤(pán)選用稍硬一點(diǎn)的，拋2~3次。用煤油沖洗模具，把拋出的微粒沖洗干凈，再換用一只稍軟的羊毛拋光盤(pán)，拋光模具。在拋光過(guò)程中，拋光機(jī)向一個(gè)方向移動(dòng)，不可停在一處不動(dòng)，以免模具表面發(fā)熱，燒壞模具。此過(guò)程進(jìn)行2~3遍，拋光后的模具型腔十分光亮，達(dá)到鏡面效果，可以繼續(xù)使用，如下圖所示。
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