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1、复 合 材 料成 型 与 加 工 技 术,曾竟成 教授杜 刚 讲师,第9章 拉挤制备技术（Pultrusion Process）,9.1 拉挤制备技术含义： 拉挤成型工艺是将浸渍树脂胶液的连续纤维束、带或布等，在牵引力的作用下，通过挤压模具成型、固化，连续不断地生产长度不限的玻璃钢型材。这种工艺最适于生产各种断面形状的型材，如棒、管、实体型材（工字形、槽形、方形型材）和空腹型材（门窗型材、叶片等）等。,（1）自动化、连续化生产工艺；（2）生产效率高，可多模多件；（3）拉挤制品中纤维含量可高达80%，浸胶在张力下进行，能充分发挥连续纤维的力学性能，产品强度高；（4）制品纵、横向强度可任意调整，可
2、以满足不同力学性能制品的使用要求；（5）制品性能稳定可靠，波动范围在5之内；（6）原材料利用率在95以上，废品率低 ；（7）不能利用非连续增强材料；（8）产品形状单调，只能生产线形型材（非变截面制品），横向强度不高。,9.2 拉挤成型的特点,9.3 目前主要的拉挤制品（部分制品实例及应用）,9.4 拉挤成型工艺分类,1.卧式拉挤成型工艺（1）间歇式 牵引机构间断工作，浸胶的纤维在热模中固化定型，然后牵引出模，下一段浸胶纤维在进入热模中固化定型后，再牵引出模。主要特点：成型物在模具中加热固化，固化时间不受限制。生产效率低，制品表面易出现间断分界线。（2）连续式 牵引机构连续工作。 主要特点：牵引
3、和模塑过程均连续，生产效率高。成型制品质量关键是控制凝胶时间和固化程度、模具温度和牵引速度。2.立式拉挤成型工艺 宜生产空腹型材。,9.5 拉挤制备技术的流程分布 (1) 纤维区 (2) 浸渍区 (3) 预成型区 (4) 固化区 (5) 拉拔区,纤维区：以E-glass为主，和较高性能的S-glass及carbon。纤维的形态主要有粗纱（roving），短切毡 (mat)，及表面毡 (surfacing veil)，平面织物等。,浸渍区：,预成型区(preforming area) ：（1）赋于概略形状，可以降低纤维束与固化模入口处的摩擦与多余树脂。（2）赋于纤维束、mat、或其它补强材适当的
4、位置，以进入固化模。,固化区：拉挤模具 (die) ：赋于工件的形状加热装置： 电热板 电波加热 热油循环,辅助加热：在含浸纤维入模口之前先行预加热（微波加热） 。优点：树脂所需热传导的时间缩短，模具长度可以缩短，用于大型工件。,典型的模具长度在30150 cm 之间；模具材料：工具钢；模具形式：整体式、组合式、悬垂式（空腹结构）,拉拔区：拉拔区提供工件拉挤时所需的拉拔力与速度控制，拉拔的方式主要有两种履带式 (caterpillar) 及往覆式 (reciprocating) ，和环型迥旋式拉拔机构（结合了拉拔与卷曲）。,履帶式拉拔机构,往覆式拉拔机构,往复式拉拔机构,环形拉挤成型机,一般由
5、预成型模和成型模两部分组成。预成型模具：在拉挤成型过程中，增强材料浸渍树脂后（或被浸渍的同时），在进入成型模具前，必须经过由一组导纱元件组成的预成型模具，预成型模的作用是将浸胶后的增强材料，按照型材断面配置形式，逐步形成近似成型模腔形状和尺寸的预成型体，然后进入成型模，这样可以保证制品断面含纱量均匀。成型模具：成型模具横截面面积与产品横截面面积之比一般应大于或等于10，以保证模具有足够的强度和刚度，加热后热量分布均匀和稳定。拉挤模具长度是根据成型过程中牵引速度和树脂凝胶固化速度决定，以保证制品拉出时达到脱模固化程度。一般采用钢镀铬，模腔表面要求光洁，耐磨，借以减少拉挤成型是的摩擦阻力和提高模具
6、的使用寿命。模具设计的好坏，直接影响拉挤过程中所用牵引力大小，若牵引阻力过大，易造成机械事故。经常因某段模具被拉毛，表面不够光滑，树脂易固化，造成牵引机履带与轮之间打滑，致使玻璃纤维都固化在模具中，牵引机拉不动。,9.6 拉挤成型模具,空腹型材模具示意图,成型模具按结构形式可分为整体成型模具和组合式成型模具两类。整体模具是由整体钢材加工而成，一般适用于棒材和管材。组合成型模具有上、下模对合而成。这种类型的模具易于加工，可生产各种类型的型材，但制品表面有分型线痕迹。空腹制品采用芯模。芯模一端固定，另一端悬臂伸入上、下模所形成的空间，与上、下模一起构成产品所需的截面形状。为减少脱模时芯模产生的阻力
7、，芯模尾部加工成1/3001/200的锥度，较大的芯模应考虑采用模心加热装置。,拉挤模具用钢分类,9.7 拉挤成型用增强材料,用于拉挤制品的增强材料多为玻璃纤维及其织物，如无捻粗纱、布带和各种毡。无捻粗纱：不产生悬垂现象，集束性好，易被树脂浸透，力学性能较高；玻璃纤维毡：有能承受牵引力的足够强度。拉挤制品横向增强的主要方法：玻璃纤维毡和纤维织物，纤维环向缠绕或螺旋缠绕（过去）；纤维针织物（现在）。纤维针织物：以单束纱线连续围绕交叉的形式重叠在一起，并相互缠结固定。针织物单重均匀，强度高，弹性好且不易悬垂，可以提高制品的冲击强度和剪切强度，并可加工成定向或三向织物。,9.8 拉挤成型工艺参数,工
8、艺参数：模腔温度、树脂温度、模腔压力、树脂粘度、固化速度、固化程度、牵引张力及速度、纱团数量等。模腔温度：用于拉挤的树脂体系对温度敏感，模腔温度控制严格。温度低，树脂不能固化，温度过高时，坯料一入模就固化，使成型、牵引困难，严重时会产生废品甚至损坏设备。,模腔温度分布曲线,基于UP/复合型引发剂的固化工艺特性，将模具分为加热温度不同的三个区段。（1）预热段 使增强材料浸渍的树脂匀化。（2）固化段 使树脂体系从粘稠态经凝胶态、橡胶态而迅速固化。（3）离型段 减少温差对型材的内应力和体积收缩的影响。由于模具长度一定，加热设备长度也一定，故制品的固化温度和时间主要取决于树脂的引发固化体系。通用的不饱
9、和聚酯树脂，多采用有机过氧化物为引发剂，其固化温度一般要略高于有机过氧化物的临界温度。若采用协同引发剂体系，则通常是通过不饱和聚酯树脂固化放热曲线来确定。一般地，模具的温度应大于树脂的放热峰值，温度的上限是树脂的降解温度。同时做树脂的凝胶试验，保证温度、凝胶时间、拉速应当匹配。,牵引速度：是平衡固化程度和生产速度的参数。在保证固化度的条件下应尽可能提高牵引速度。牵引力：是保证制品顺利出模的关键，牵引力的大小由制品与模具之间的界面上的剪切应力确定。温度参数、拉挤速度、牵引力在三个参数中，温度参数是由树脂系统的特性确定的，是拉挤工艺中首要解决的因素。通过树脂固化体系的放热曲线的峰值和有关条件，确定
10、模具加热的各段温度值。拉挤速度确定的原则是在给定的模内温度下的凝胶时间，保证制品在模具中部凝胶、固化。牵引力与模具温度关系很大，并受拉挤速度的控制。脱模剂的影响也是重要因素。,建立拉挤模具温度传递模型，利用计算机辅助设计可以确定最佳的模具温度分布及分析。,9.9 拉挤制品常见的缺陷及改进措施,实例1 拉挤玻璃钢窗框模具的设计（南玻纤院）,拉挤玻璃钢窗框的前景 20世纪80年代初开发（加拿大）； 20世纪90年代，扩展到美国、俄罗斯、德国、日本等国； 我国是建筑窗框产量最多的国家。,2. 拉挤玻璃钢窗框的工艺 材料：UP树脂玻璃纤维短切毡表面毡； 温区控制：根据UP放热曲线确定； 拉挤速度； 纱
11、量； 树脂配方。,3.1模具的选材（1）较高的强度，耐疲劳性和耐磨性；（2）较高的耐热性和较小的热变形性；（3）良好的耐腐蚀性；（4）良好的切削性和表面抛光性能；（5）受热变形小，尺寸稳定性好。,3. 拉挤玻璃钢窗框模具,3.2分型面的选择 在满足模具制造的前提下，尽量减少分型面，保证合缝严密。,3.3模具入口设计 模具入口处周边设计1/4倒角，带有锥度（角度在58，长度在50100mm）,3.4模具尺寸的确定 目前国内模具长度一般设计为900mm左右。一般模具厚度为制品厚度的23倍。 玻璃钢窗框型材大多是中空制品，一般芯模具的有效长度为模具长度的2/33/4，而在拉挤工艺过程中要考虑到芯棒固
12、定及调整以及防止偏心，此外芯棒还要考虑到配重的问题， 对于模具长度为900mm左右的模具，芯棒的长度可设计为1200mm左右。,实例2 玻璃钢型材槽钢拉挤成型制备,项目来源：株洲广缘火车线槽,拉挤槽钢各部分位置示意图,预成型模,成型模具,浸胶槽,集束板,纱架,拉拔机构,导向板,1. 金属模具制备 由株洲广缘通过专业的拉挤模具设计公司制备,增强材料形式：2400Tex 玻璃纤维粗纱短切毡（面密度 ）,2. 拉挤槽钢纤维用量计算,前提条件：玻璃纤维无捻粗纱：2400TEX纤维体积含量（不计短切毡所占体积）：45,（1）计算模具横截面积 A（模）（713）32151.63863（mm2）（2）计算单根玻璃纤维的横截面积 A（纱）2.4/2.35/1001（mm2）（3）纤维在模具中所占的截面积 A（纱模）0.45A=388（mm2）（4）计算纱量 NA（纱模）/A（纱）388（根）（5）实际排纱量 实际排纱：320根（避免短切毡的堵模）,3. 预成型模设计与制备,4. 拉挤工艺树脂配方,5. 成型模具加热区温度设定,6. 工艺流程,实例3 ：拉挤成型固化剂选择,
