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1、第6章 非金属材料成形(高分子材料、陶瓷),塑料：以高聚物为主要成分，在加工的某阶段可流动成形,1）按用途分类,高分子材料相对分子量很大，每个大分子都是由一种或几种低分子化合物（称为单体）重复连接（聚合）而成，又称为聚合物或高聚物。,通用塑料：聚乙烯、聚氯乙烯 特点：力学性能和使用温度较低 应用：日常生活用品、包装材料,工程塑料：聚酰胺（尼龙）、聚甲醛、环氧树脂等 特点：力学性能和使用温度较高，但价格较高 应用：制造机械零件和工程构件。,热固性塑料：环氧树脂、酚醛塑料、氨基塑料 加热和通过其它方法，例如辐射、催化等固化时，能变成基本不溶、不熔的产物。有较高的耐热性，受压时亦不易变形，但力学性能
2、较差。,2）按受热时的性能分类,热塑性塑料：聚乙烯、聚酰胺、聚四氟乙烯 在塑料整个特征温度范围内，能反复加热软化和冷却硬化，且在软化状态通过流动能反复模塑为制品。力学性能较好，加工成形方便，但耐热性较差。,6.1 高分子材料成形基础成形特点：工艺简单，材料损耗少，能耗低，生产效率高，且可方便地进行切削加工、焊接、胶接等二次加工,6.1.1 聚合物的链状结构,6.1.2 聚合物的力学状态玻璃态、高弹态和粘流态等三种,6.1.3 聚合物粘流态的主要特征,流动单元是链段；粘度大、流动困难；流动中伴随有高弹形变,6.1.4 聚合物的成形性能,流动性、聚合物的收缩性、熔体弹性,线型、支链型高分子：热塑性
3、聚合物，溶解、受热软化或熔融 网状高分子：热固性聚合物，不能溶解、受热软化或熔融,6.2 塑料成形,6.2.1 物料,聚合物 塑料的主要成分，决定了塑料的基本性能,添加剂,增塑剂 提高加工性、柔韧性和延展性 邻苯二甲酯、磷酸酯和氯化石蜡,交联剂 提高制品的强度和耐热耐磨性能 有机过氧化物：双苯、过氧化异丙苯,填料 改善强度、耐久性、工作性能或其它 性能或降低成本的相对惰性的固体材 料碳酸钙、陶土、滑石粉和炭黑,6.2.2 塑料成形工艺过程,(1)原料准备：筛、干燥等预处理，按配比称量,1.物料配制,(4)粉碎或切粒：粉碎或切成粒状，便于机械化输送和加料,(3)塑炼：在熔融状态下进一步混合渗透并
4、去除水分和挥发物,(2)配混料：聚合物、增塑剂、填料、催化剂、着色剂,图6-7 密闭式塑炼机工作原理,图6-8 切碎机结构,1固定刀 2料斗 3叶刀4外壳 5转子,1底座 2密炼室 3转子 4加料斗5上顶栓 6下顶栓,挤出成形：塑料通过模孔挤出，变成连续成形制品,特点：生产效率高 工艺适应性强 设备结构简单 制品断面形状较简 单且精度较低应用：各类热塑性塑料和 部分热固性塑料,应用：连续材料：管材、板材、薄膜和中空制品 物料的塑炼和着色,单螺杆挤出机示意图1机头口模 2螺杆 3加热器 4料斗 5冷却水夹套 6传动装置 7电动机,2塑料成形方法,(2)注塑成形：在加压下，将物料由加热筒注入闭合模
5、具型 腔的模塑方法,螺杆式注射机示意图1注射油缸 2料斗 3螺杆 4加热器 5喷嘴 6定模固定板 7模具 8拉杆 9动模固定板 10合模机构 11合模油缸,应用：所有品种的热塑性塑料和部分热固性塑料。,制品外形可较复杂、精度和生产效率较高,(3)压塑成形：模塑件在模具 型腔中，加压且通常需 要加热的成形方法,应用：几乎所有热固性塑料,模具结构简单，制品性能较均匀，并可成形流动性很差的物料及大面积的薄壁制品。生产效率低、劳动强度大，制品精度难以控制且模具易于磨损,能耗较大。,压塑成形工艺过程a)加料入模 b)压塑成形 c)顶出脱模1自动加料装置 2料斗3上模板 4阳模 5阴模 6下模板 7顶出杆
6、 8制件,(4)压延成形 使加热塑化的物料通过一系列相向旋转的辊筒之间，受挤压和延展作用成为平面状连续材料的成形方法。,特点：生产效率高、产品 质量好，可直接制 出各种花纹和图案。设备庞杂、维修复杂，制品宽度受限制。,应用：各类热塑性塑料，薄膜、片材和人造革,1机座 2传动装置 3辊筒4辊距调节装置 5机架,(5)其它成形方法,1）注坯吹塑成形 2）反应注塑成形,用于各类热塑性塑料的瓶体生产,用于薄壁和大型件的成形，如浴盆、家具、座椅等。,注射成形 b)吹塑成形 c)制品脱模1型坯 2芯模 3吹塑模 4注塑模 5制品,1加压泵 2热交换器 3原料罐 4氮气瓶 5混合室,3塑料的二次加工 进一步
7、提高制品的精度、表面质量和使用性能；单件小批生产时，还有利于节省制模费用,(1)机械加工 夹紧力和切削力不宜过大，刀具刃口应保持锋锐,(2)连接加工 焊接生产效率高、但只适用于同类热塑性塑料 胶接既可连接加工，也可修补残缺件，在塑料与其它材料的连接上正逐步取代机械连接,(3)修饰加工 对表层修整和装饰，提高精度和表面质量,6.2.3 塑料零件结构的工艺性 选用成形性能较好且价廉的聚合物，制品的形状、结构应力求简单，精度和表面质量要求也不应过高,(1)壁厚应适当和均匀：通常取16mm,(2)应避免肋板交叉，以免局部过厚而出现缩孔和气泡,(3)宽底容器的底部应设计成拱形面,(4)内孔形状应利于抽出
8、型芯,(5)与脱模方向平行的内、外表面应具有结构斜度，以 利于脱模和抽芯,(6)侧孔轴线应与脱模方向一致，以简化模具和便于 抽出型芯,本章小结,塑料按用途可分为：通用塑料和工程塑料；按受热时的性能可分为：热塑性塑料和热固性塑料；,塑料成形方法：挤出、注塑、压塑、压延、注坯吹塑、反应注塑,塑料零件结构的工艺性：错误的图会改正,6.3 橡胶成形 橡胶是具有高弹性的材料，伸长率可达100%1000%。未硫化的橡胶有一定的塑性，掺混配合剂后经过成形和硫化，即可获得具有所需性能（包括各种特殊性能）的橡胶制品,6.3.1 橡胶原料,1生胶：没有加工过的原料橡胶2再生胶：通常指用废旧橡胶制品和硫化胶边角料经
9、再生处理制成的能重新加工的橡胶，主要用作橡胶稀释剂、增量剂等配合剂。3配合剂：加到橡胶或胶乳中以形成混合物的物质，用以提高橡胶的某些性能。,增塑剂：用于提高特别是在低温下提高橡胶制品 柔软性的配合剂 常用石蜡、重油、松香和煤焦油等,交联剂：又称硫化剂，是在橡胶中引起交联的配合 剂。常用硫黄、含硫化合物和金属氧化物等,塑解剂：少量可因其化学作用而加速橡胶软化的 配合剂 常用苯硫酚、过氯化苯甲酰和硬脂酸铁等,填料：为了技术或经济目的，可以相对大比例加 入橡胶或胶乳中的粒状固体配合剂 常用的有炭黑、白炭黑和陶土等,配合剂,二、橡胶成形工艺过程,配 料,配料 塑炼 混炼 成形 硫化,4橡胶成形方法,(
10、1)压延成形：生产效率高、厚度尺寸精确、表面光滑、内部紧实。但其工艺条件控制严格、操作技术要求较高,(2)挤出成形：操 作简便、生产率高、工艺适应性强、设 备结构简单；但制品 断面形状较简单且 精度较低。,(3)注射成形 将胶料从密闭室压入闭合模具的工艺。,注射成形能一次成形外形复杂、带有嵌件的橡胶制品，尺寸精确、质量稳定、生产效率高，主要用于生产密封圈、减震垫和鞋类等,(4)模压成形 模压成形是橡胶制品生产中应用最早且最多的生产方法。将预先压延好的胶坯按一定规格下料后加入到压制模中，合模后按规定的工艺条件压制，使胶料在加热、加压下塑性流动充填模腔，再经一定时间完成硫化后脱模。橡胶压制模结构与
11、一般塑料压塑模相同，但需设置测温孔，以便通过温度计控制硫化温度；模腔周围也应设置流胶槽，以排出多余胶料,5橡胶的硫化通过改变橡胶的化学结构（例如交联）而赋予橡胶弹性，或改善、提高并使橡胶弹性扩展到更宽温度范围的工艺过程。,硫化的影响：硫化使橡胶的强度、硬度和弹性升高而塑性降低，此外，橡胶的耐磨性、耐热性和抗溶胀性（即浸入液体或在蒸汽中体积不易胀大的性能）也将得到改善,硫化是橡胶制品加工的主要工艺过程之一，且须安排在制品成形后进行,(2)硫化条件,1）硫化压力：消除气泡和提高制品的致密性，促进胶料充模和提高制品的物理、力学性能。硫化压力一般为0.115MPa,2）硫化温度：提高硫化温度有利于促进
12、硫化，但高温还增加厚制品的内外温差，使内外硫化程度不一致。硫化温度一般为140180,3）硫化时间：时间过长会产生过硫，时间过短会产生欠硫，都会使制品性能下降。通常，硫化温度越高，制品的尺寸越大，所需的硫化时间也越长,硫化剂一般在混炼时即已加入到胶料中，通常是在胶料充模后通过继续升温和保压进行硫化的。硫化还可利用饱和蒸汽、过热蒸汽、热空气或热水等介质加热，在常压情况下进行,6.4 陶瓷成形,陶瓷原料,天然矿物原料：生产传统陶瓷的主要原料,合成粉料：成分有TiO2、Al2O3、Si3N4、SiC等 纯度高、粒度细，适用于生产精细陶瓷,化工原料：用作添加剂的各类化工产品，以改善坯料的成形性能,结合
13、剂：增加可塑性，改善瘠性物 料的成形性能,塑化剂：能吸附在瘠性物质表面 使其呈现塑性的制剂,悬浮剂：能通过吸附在固体颗粒 表面从而改变其表面状态 使其能在一定介质中悬浮 的制剂,2陶瓷坯料 由多种原料混合和加工后制备的用于制作陶瓷坯体的物料,泥浆：水分含量（质量分数）为28%35%的陶瓷坯料，流动性较好，适用于浇注成形和流延成形。,可塑泥料：水分含量（质量分数）为12%25%的陶瓷坯 料，塑性较好，适用于各类塑性成形方法,粉料：水分含量（质量分数）为3%12%的陶瓷坯料，流动性差，适用于在较高的压力下压制成形,6.4.2 陶瓷坯料的成形性,泥浆流动性：良好的流动性使泥浆浇注时易于充满模具。加热
14、浆料及加入适当的电解质使泥浆粘度下降等方法可提高泥浆流动性,泥浆稳定性：良好的稳定性使浆料易于输送，且注浆成形时不易产生分层或开裂。加入少量水玻璃、腐植酸钠等钠盐及适量的有机胶体有效地防止聚沉。有机胶体还使固体颗粒聚沉的阻力增大,坯料可塑性：良好的可塑性使坯料受力时易于成形且有足够的强度。加入一些高粘性粘土或其它粘结剂以及控制泥料含水量等措施可提高可塑性,6.4.3 陶瓷成形工艺过程1坯料的制备 配料粉碎混合练泥制浆塑化和造粒等,2坯体的成形(1)浆料流动成形：通过浆料流动注模或涂覆获得坯 体的成形方法,1）浇注成形：将泥浆注入具有吸水能力的模具中得 到坯体的成形方法 流动注浆设备简单，投资较
15、少，但制品质量差，生产效率低。压力注浆和离心注浆利用离心力均有效地提高了注浆速度和坯体质量。浇注成形适用于制造大型、薄壁及形状复杂的制品。,2）热压铸成形：把煅烧制备的瓷粉同熔化的蜡类塑化剂迅速搅合成具有一定性能的料浆，在热压铸机中用压缩空气将热熔的料浆注满金属模，使料浆在金属模中凝固成形 操作简便，表面光洁度好，但坯体含有机物（10%20%），密度低，且大型薄壁制品难于成形。热压铸成形常用于形状复杂的中、小型制品的生产,3）流延成形：将具有一定流动性的陶瓷浆料，以一定的厚度涂覆在基体薄膜上，形成光滑表面，待其干燥、固化后从基带上揭下即成生坯带的工艺方法。生坯带可继续加工（如切片、层合和印刷等
16、）而后烧结获得所需制品。流延成形是目前制造厚度小于0.2mm的超薄型制品的主要方法，在集成电路、电子元件制造中应用很广。,(2)塑性成形：利用泥料的可塑性将泥料塑造成各种形状的坯体的工艺过程,1）挤出成形：用挤管机将塑性泥料挤成棒状、管状等长条形坯体的成形方法。挤出成形生产效率高、污染小，但挤嘴结构复杂，制造精度要求高。常用于挤制棒、管及片状制品。,2）轧膜成形：通过一对轧辊的间隙卷入原料进行辊轧，取出薄板后对薄板进行冲切，即可得到所需坯体。原料通常是粉料加上可塑性树脂与增塑剂。坯体密度高且均匀，但存在各向异性，干燥和烧结时易出现变形和裂纹，适合制备厚度0.21mm的板材。,3）滚压成形：用滚
17、压头将可塑泥料在旋转的模型上制成坯体的成形方法。阳模成形用于浅而面积大的制品，阴模成形用于深而面积小的制品，制品均为回转体形状,(3)加压成形：经过加工的陶瓷泥料或泥片，在模具中受压形成一定形状和尺寸的陶瓷生坯的过程,1）干压成形：含水率8%的陶瓷泥料或泥片，在模具中受压形成一定形状和尺寸的陶瓷生坯的成形过程。不经干燥即可直接焙烧，操作简便，生产率高；坯体密度高，强度和精度较高。但坯体密度不均匀，焙烧时易产生分层、开裂等现象，且难于成形大型坯体，常用于中、小型坯体的成形。2）等静压成形：使陶瓷粉料在各个方向同时均匀受压的一种成形工艺。其传递压力的介质若为液体，称为湿式等静压，适用于生产形状较复
18、杂、产量小的大型制品；若为气体或弹性体，称为干式等静压，适于生产形状较简单的长形、管状的薄壁制品。,(3)加压成形 1）干压成形 2）等静压成形 3陶瓷的烧结 常压烧结 热压烧结活化烧结 4后处理 切削加工 特种加工 涂层,图6-38 热压烧结1加热炉 2上模冲 3粉料 4阴模5下模冲,3陶瓷的烧结,常压烧结：常引入添加剂以促进烧结 常压烧结工艺简单，成本低,热压烧结：将粉末或成形体置于耐热模型内，在加 压下加热，使成形和烧结同时进行的烧结法 热压烧结制品的强度远高于常压烧结制品，可制 造高强度陶瓷刀片。还广泛用于很难烧结的 非氧化物陶瓷材料。,活化烧结：采用某些物理或化学方法，使反应物的 原
19、子或分子处于高能状态，利用这种高能状态 的不稳定性作为强化烧结的新的驱动力。活化烧结可降低烧结温度、缩短烧结时间和改 善烧结效果。,4后处理,切削加工：常用的切削加工方法有磨削、研磨、抛光、珩磨、喷砂等。,(2)特种加工：将电、声、光等能量或几种能量的复 合直接施加于材料表面，使硬、脆的陶瓷材料变得 易于加工，生产效率高，加工质量好。,(3)涂层：通过涂覆等方法在物体表面形成异种物 质薄膜，使其力学性能和化学性能发生改变的方法,(4)陶瓷焊接：用于形状复杂的制品或陶瓷与金属的 连接。1）金属化法：适用于强度要求高的器件封接。2）玻璃焊料封接法：工艺简便，成本低，且接头抗 碱金属腐蚀和抗热震性良
20、好，已普遍用于碱金属 蒸气灯的制造。,6.4.3 陶瓷零件结构的工艺性,考虑到烧结工艺的要求还需：1应尽量使坯体厚度均匀一致，以免因干燥不均匀 及烧成时各部分温差的影响而产生变形,2宽底坯体沿底部厚度方向应有一定的锥度，以免 烧结时因底部刚性差而下塌变形，,干压成形的陶瓷零件结构的设计要求类于粉末冶金件,6.5 非金属材料成形技术的发展趋势,6.5.1 有机高分子材料成形技术的发展趋势 有机高分子材料的成形技术，在计算机技术的应用、助剂的开发、物料的处理、成形技术、硫化工艺和后处理等各个方面都取得了重大进展,6.5.2 陶瓷成形技术的发展趋势 陶瓷成形技术的进展主要表现在计算机技术的应用、制粉技术、成形技术和烧结技术等方面,无论什么材料，也无论什么成形方法，实际上都朝着结合新技术、新工艺，高效、优质、低成本的方向发展，只是各自的表现形式不同而已。,
