南京工业大学复合材料工学复合材料设备-2_1

复合材料工艺与设备主讲人：王晓钧材料科学与工程学院目录2.2手糊成型模具与脱模剂模具是手糊成型工艺中唯一的重要设备，合理设计和制造模具是保证产品质量和降低成本的关键。2.2.1模具结构与材料2.2.1.1模具结构手糊成型模具分单模和对模两类。单模又分阳模和阴模两种，如图2-2所示。1.阳模使用阳模成型的制品内表面光滑且尺寸准确，制品成型时操作方便，质量易控制，便于通风。2.阴模制品外表面光滑且尺寸准确，但过于凹深的阴模成型时操作不便，通风困难，劳卫条件差，质量不易控制。3.对模由阴、阳模两部分组成。制品内外表面质量都高，厚度精确。不适于大型制品生产。2.2.1.2模具材料目前应用最普遍的模具材料是玻璃钢。可供选用的其他材料有：（1）木材（2）石膏-砂（3）石蜡（4）可溶性盐（5）低熔点金属（6）金属2.2.2手糊成型模具设计要则2.2.2.1设计要点（1）根据制品的数量、形状尺寸、精度要求、脱模难易、成型工艺条件（固化温度、压力）等确定模具材料与结构形式。（2）模具应有足够的刚度和强度，能够承受脱模时的冲击，确保加工和使用过程中不变形。（3）模具型面光洁度应比制品表面光洁度高出二级以上（4）模具拐角处的曲率应尽量加大。制品内侧拐角曲率半径应大于2mm。避免由于玻璃纤维的回弹，在拐角周围形成气泡空洞。（5）对于整体式模具，为了成型后易于脱模，可在成型面设计有气孔采用压缩空气脱模。阳模深度较大时，应有拔模斜度，一般以2°为宜。（6）拼装模或组合模，分模面的开设除满足容易脱模外，注意不能开设在表面质量要求高或受力大的部位。（7）有一定耐热性，热处理变形小。（8）质量轻，材料易得，造价便宜。2.2.3玻璃钢高级模具目前手糊成型模具许多都是采用玻璃钢材料制作。由于高光洁度表面的玻璃钢制品需求量越来越大，玻璃钢高级模具可获得“镜面效果”的，高光泽度、高平整度手糊制品的模具。高级模具要求（1）玻璃钢高级模具应有足够的强度和刚度。（2）模具表面胶衣要有一定硬（巴柯尔硬度在40以上）和耐热性，能够承受树脂固化时的放热、收缩等作用。（3）模具工作面外型尺寸准确、表面平顺，无潜藏气泡和针孔等弊病。（4）模具表面光泽度为80~90光泽单位，或目测（5）应有清晰的镜面反光。经抛光后的模具表面残留划痕度＜0.1µm。国内通用型33#、793#、102#胶衣树脂用于制作一般GFRP模具基本合乎要求，但其耐磨性及硬度等性能比不上专用模具胶衣树脂，用其制作镜面GFRP模具表面层不甚适宜。2.2.3.3制造工艺（1）过渡模（母模）制造高质量的GFRP模具是通过过渡模（母模）翻制出来的。（2）GFRP模具翻制（3）模具表面处理表面处理技术是制造高表观质量模具的关键。包括四道工序：粗磨、精磨、研磨抛光。（4）模具表面质量检测光泽度的测量可用SS-82型光电光泽计测量。“成型不变形”2.2.4脱模剂脱模剂应具备以下条件：1.不腐蚀模具，不影响树脂固化，对树脂粘附力小；2.成模时间短，成模均匀、光滑；3.操作简单，使用安全，价格便宜；4.选用脱模剂时应注意，脱模剂的使用温度应高于固化温度。2.4.4喷射成型设备2.4.4.1玻璃纤维切割喷射器喷射成型机的主要组成部分。它将由纱团引出的连续纤维切短为喷射成型所需的长度并连续地喷撒在成型模具上。其结构简图。主要由气动马达3、切割辊6、垫辊4、牵引辊5、气缸活塞2、机壳1、及盖板7、等零部件组成。一般调节压力在0.2MPa~0.3MPa。目前所用垫辊通常是在金属辊外面包敷一层具有优良机械性能和适合硬度的橡胶。切割辊的旋转由气动马达驱动，而垫辊则靠它与切割辊接触产生的摩擦力来带动。为防止进入切割辊的连续纤维在切割过程中发生掉落现象，还设置一牵引辊。2.4.4.2树脂胶液喷枪喷射成型机的重要组成部分，用于喷射树脂和辅助剂。胶液喷枪有多种类型。按喷前喷嘴数目，可分为单喷嘴、双喷嘴和多喷嘴喷枪；按喷枪喷嘴开启控制方法，可分为气动控制和手动控制；按喷枪胶液雾化动力，可分为气压雾化和液压雾化（无空气）；按树脂与引发剂的混合空间，分为枪内混合和枪外混合。双压罐供胶式喷射成型机所用胶液喷枪结构图，是一种气控式并带有雾化气体的液体喷枪。活塞右端的气缸体中还装有一压缩弹簧。当气源未向气缸供气时，气缸活塞在弹簧力作用下带动针筏杆向左移动，喷枪喷嘴就关闭了。喷嘴开启的大小取决于输入喷枪气缸中气体的压力。压力越大，喷嘴开启越大，胶液喷射量也就越大，调节输入喷枪气缸的气体压力可很方便地调控喷枪的喷胶量。2.4.4.3静态混合器静态混合器是一种连续混合液流的新型而又简单的装置。在泵供胶式喷射成型机中用于树脂胶液和辅助剂的混合，也可用于需要在机内混合胶液的任何种类的喷射成型机。静态混合器具有结构简单、工作可体积小、能耗少、效率高，并能实现连续混合等特点。它可以直接安装在连续生产线上，流动阻力小，其能量消耗除极少部分用于克服流动阻力外，大部分都消耗在介质的混合上。静态混合器的种类很多，但工作原理基本相同。都是以流体力学的剪切应力场为基础实现几种介质相互混合的。螺旋式静态混合器由单个混合元件组成。这种混合元件是由金属或塑料矩形板扭转变形而成。也可用浇铸法制造。流道式静态混合器如图2-21所示，它是由单个混合元件组成的。流道式静态混合器的工作原理：料流细分径向混合作用料流旋混作用流速突变混合作用2.5热压釜2.5.1概述2.5.1.1功用与要求热压釜是能够对复合材料手糊制品或胶接结构同时进行加热和加压的专用设备。热压釜具有如下特点及特殊要求热压釜为压力容器热压釜为加热设备对于容积较大的热压釜2.5.1.2结构分三大部分：机械部分包括斧体、底板与小车、气流控制装置、密封装置、安全装置等；功能部分包括加热、加压抽真空及冷却等系统；控制部分包括温度、压力的手动和自动控制系统。釜体加热装置冷却装置安全装置2.5.2压力控制釜内压力的气源为空气压缩机气压系统电控系统2.5.3温度控制热压釜温度控制手控自控停止加热2.5.4设计计算2.5.4.1热压釜罐体强度计算筒体壁厚按下式计算：)(][2mmCppSDBp——设计压力，Mpa。P=1.05~1.1p工作；DB——热压釜钢制筒体内径，mm；[σ]——筒体材料许用应力，Mpa。3号钢[σ]=114Mpa；ζ——焊缝系数，ζ=0.85；C——设计裕度，mm。C=C1+C2+C3。C1为钢板负公差附加量，C1=0.8；C2为腐蚀裕度，C2=1；C3为封头冲压减薄量，C3=0。封头壁厚按下式计算：式中：C=C1+C2+C3=0.8+1.0+0.8=2.6（mm）)(5.0][2mmCppSDB2.5.4.2热压釜加热装置功率计算有效功率P1蓄热损失所需损失所需功率P2表面散热损失所需功率P3热压釜所需总功率P2.6.1.1RTM成型用设备RTM成型用设备通常可分为三大部分：既控制树脂部分或称RTM成型机、压机和模具。（1）RTM成型机RTM成型机是RTM工艺中的关键工艺设备。按其结构不同可分为储蓄加压式和唧筒压送式两类，设备原理示意图如图2-30所示。一般采用（c）式较多，这种设备具有工序管理和质量控制容易，树脂适用周期长，产品合格率高等优点。RTM成型机价格一般在4000~15000美元之间（2）压机（3）模具RTM模具是RTM成型技术的关键，设计一套好的RTM模具，在性能上应满足：有良好的保温性；在注入压力下不变形；树脂流失小；修正容易；价格低廉；使用寿命长；合模、起模容易等。1）RTM模具用材料常用材料有聚酯、环氧玻璃钢和电镀金属（铝或钢）等。聚酯玻璃钢模具制造容易，价格低廉，使用寿命在2000才左右。环氧玻璃钢模具比聚酯玻璃钢模具收缩小，适合光洁度要求较高的产品，模具使用寿命在4000次左右。若在玻璃钢模具上喷镀铋、锡合金，可使模塑材料表面有光泽或半光泽，模具寿命可达5000次左右，若喷镀锌铝合金，则使用寿命可长达10000次左右。玻璃钢模具因其成本低、质量轻、制造及维修容易，而且装备加热或冷却设备十分方便，因此应用最广；喷镀金属的玻璃钢模具可以提高使用寿命。为了模具具有足够的刚度，可在玻璃钢层的里面成型一层树脂混凝土层，既能增加模具的刚度，确保制品尺寸的精确，又可提高模具的保温性。模具的耐压设计以最大注入压力为基准，但不必将整个模具设计成具有相同的刚度，只要注入孔的边缘刚度达到最大即可。RIM与RRIM成型用设备RIM的基本原理RIM的基本原理如图所示。RIM要求精确的控制物料质量、配料的速率、各组分混合率以及注射压力。RIM成型设备的基本组成模具运模器混合头注射系统供料系统RIM机组供料系统注射系统混合头混合头内有小的、通常呈圆柱体的混合室，如图2－33，注射时物料通过精确的料孔流入混合室，物料由于高压冲击，在混合室彻底混合。每次注射完毕时，利用柱塞将混合室清洗干净。有的混合头直接安装在模具上。RIM、RRIM模具。3.2.3锋窝夹芯材料的生产设备机械法生产蜂窝夹芯根据涂胶方式，所用设备可分为漏胶式涂胶机、印胶式涂胶机和擦胶式涂胶机等多种。印胶式涂胶机结构及工作原理。3.2.3.2印胶机的工作原理在蜂窝涂胶机上放置两个玻璃布辊1、18，玻璃布1通过涂胶辊8和13进行正、反面上胶，玻璃布正、反面的胶条均匀错移半个间距，而后进入烘箱15烘干，去除部分挥发分。不涂胶的玻璃布18由放布架放出，经导向辊17、16与从烘箱出来的印胶布叠合，一起到收布架20，在一定的张力下进行卷叠，胶液经固化后，便成型为蜂窝块。根据胶条用胶粘剂配方不同，可常温长压固化，也可热压固化。固化后按要求切割成一定高度，拉伸后即为正六边形的蜂窝夹芯材料。3.2.3.2印胶机结构组成及各部分结构的作用各类蜂窝涂胶机构造都分为上胶装置、干燥装置、收料及传动装置等几部分。涂胶时，当胶辊转向和玻璃布的运动方向一致时，称为印胶法。如果胶辊转向和玻璃布的运动方向相反，称为擦胶法。第三章模压成型设备§3.1概述1.总体分类与发展趋势模压原料处理类设备纤维切割机、捏合机、撕松机、SMC成型机。模压成型类设备模具、液压机——双柱式、四柱式，液压指针式、单片液晶式、微机编程式，专用液压机。国产设备与进口设备比较。日本的捏合机，美国的SMC成型机，国产SMC成型机的弱点。§3.2捏合机机械预混法所用设备主要有纤维切割机、捏合机和撕松机。常用纤维切割机为三辊式切割器。捏合机的作用是将树脂与纤维混合均匀，其结构见第三节图4-21。将树脂与纤维混合均匀，其结构如图4-1所示，主要有可翻转出料的捏合锅，双Z浆式捏合桨和动力传动装置等。捏合过程主要控制捏合时间和树脂粘度。捏合时间愈长，纤维强度损失愈大。时间过短，树脂与纤维混合不均匀。工作参数：树脂粘度控制不当，既影响树脂对纤维的均匀浸润和浸透速度，也会对纤维强度带来影响。此外加料量也要适当，最大加料量约为捏合锅内容积的60%~70%，过多和过少都不能有效捏合。§3.3撕松机撕松机的作用是将捏合成团的物料进行蓬松。结构原理见图4-2，主要由进料辊和一对撕料辊组成。通过两个不同直径的撕料辊按相同方向旋转，物料在两个撕松辊间受撕松而松散。撕散和蓬松的物料便于晾干和烘烤。§3.4SMC成型机连续混料装置：静态混合器。混合均匀后连续喂入到SMC成型机的上糊区，如图4-20所示。(1)玻璃纤维由切割器切断。切割器为三辊式结构，连续玻璃纤维从纱架引出，经纱线横动杠2进入压辊5与橡胶包覆的支撑辊3之间后，由于两辊的牵引，纤维被导入转动支撑辊和切割辊8之间，被切成短切玻璃纤维。切割辊外表面沿轴向装置刀片，刀片用压块固定于刀套中，在整个轴向上有若干节刀套，每节刀套径向固定在刀片刃口要相互错开一个角度，以减轻切割时的振动。切割辊与垫辊直径应不相同，以保证垫辊橡胶套不致因切割过程的刀口重叠而很快损坏。(2)连续玻璃纤维经切割器切成短切玻璃纤维，依其自重，在沉降室中自然沉降。为使沉降均匀，在切割器下可设置打纱器或吹入空气。整个切割器的长度应大雨片材的幅宽，每台机组上可使用1~4台切割器。粗纱切割速度一般以80m/min~130