工程材料作业

非金属材料的成形方法

一、塑料的成形

1．【注射成形】

注射成形也称注塑成形，是利用注射机将熔化的塑料快速注入模具中，并固化得到各种塑料制品的方法。几乎所有的热塑性塑料（氟塑料除外）均可采用此法，也可用于某些热固性塑料的成形。注射成形占塑料件生产的 30%左右，它具有能一次成形形状复杂件、尺寸精确、生产率高等优点；但设备和模具费用较高，主要用于大批量塑料件的生产。

注射成形机常用的有柱塞式和螺杆式两种。粉粒状原料从料斗加入料筒，柱塞推进时，原料被推入加热区，继而经过分流梭，通过喷嘴将熔融塑料注入模腔中，冷却后开模即得塑料制品。注塑料制件从模腔中取出后通常需进行适当的后处理，以消除塑料制件在成形时产生的应力、稳定尺寸和性能。

此外，还有切除毛边和浇口、抛光、表面涂饰等。

2．【挤出成形】

挤出成形是利用螺杆旋转加压（或柱塞加压）方式，连续地将塑化好的塑料挤进模具，通过一定形状的口模时，得到与口模形状相适应的塑料型材的工艺方法。挤出成形占塑料制品的 30%左右，主要用于截面一定、长度大的各种塑料型材，如塑料管、板、棒、片、带、材和截面复杂的异形材。它的特点是能连续成形、生产率高、模具结构简单、成本低、组织紧密等。

除氟塑料外，几乎所有的热塑性塑料都能挤出成形，部分热固性塑料也可挤出成形。粒状塑料从料斗送入螺旋推进室，然后由旋转的螺杆送到加热区熔融，并受到压缩；在螺旋力的作用下，迫使其通过具有一定形状的挤出模具，得到与口模截面形状相一致的型材；落到输送机皮带后用喷射空气或水使它冷却变硬得到固化的塑料制件。

3．【压制成形】

压制成形又称压缩成形、压塑成形、模压成形等，是将固态的粒料或预制的片料加入模具中，通过加热和加压方法，使其软化熔融，并在压力的作用下充满模腔，固化后得到塑料制件的方法。压制成形主要用于热固性塑料，如酚醛、环氧、有机硅等；也能用于压制热塑性塑料聚四氟乙烯制品和聚氯乙烯（ pvc）唱片。与注射成形相比，压制成形设备、模具简单，能生产大型制品；但生产周期长、效率低，较难实现自动化，难以生产厚壁制品及形状复杂的制品。

4．【吹塑成形】

吹塑成形（属于塑料的二次加工）是借助压缩空气使空心塑料型坯吹胀变形，并经冷却定型后获得塑料制件的加工方法。其方法主要有中空吹塑成形和薄膜吹塑成形。将具有一定温度的挤出或注射的管状型坯置于对开吹塑模中，合上模具，通过吹管吹入压缩空气，将型坯吹胀后使之紧贴模壁，经保压、冷却定型后开模取出中空制件。

5．【浇铸成形】

塑料的浇铸成形类似于金属的铸造成形。即将处于流动状态的高分子材料或单体材料注入特定的模具中，在一定条件下使之反应、固化，并成形得到与模具形腔相一致的塑料制件的加工方法。这种成形方法设备简单，不需或稍许加压，对模具强度要求低，生产投资少，可适用于各种尺寸的热塑性和热固性塑料制件。

但塑料制件精度低，生产率低，成形周期长。

6．【气体辅助注射成形】

气体辅助注塑成形（简称气辅成形）是塑料加工领域的一种新方法。气辅成形工艺大致可分为 3种方式：a）中空成形，即将塑料熔体射入模具型腔，充填到型腔体积的60%-70%时，停止注射，开始注入气体，直至保压冷却定型。

这种工艺主要适用于类似把手、手柄之类的厚壁塑料制品。b）短射，即将塑料熔体充填到型腔体积的90%-98%时，开始进气。该方法主要用于较大平面的厚壁或偏壁制品。

c)满射，即将塑料熔体充填至完全充满型腔时才注入气体，由气体填充因熔体体积收缩而产生的空间，并将气体保压和熔体保压配合使用，使制品翘曲变形大大降低，用于较大平面的薄壁制品成型，其工艺控制较复杂。前两种方法也称为缺料气辅注射法，后者称为满料气辅注射法。

气辅工艺包括如下四个阶段：第一阶段，塑料注射。熔体进入型腔，遇到温度较低的模壁，形成一个较薄的凝固层；第二阶段：

气体入射。惰性气体进入熔融的塑料，推动中心未凝固的塑料进入尚未充满的型腔；第三阶段：气体入射。

气体继续推动塑料熔体流动直到熔体充满整个型腔；第四阶段：气体保压。在保压状态下，气道中的气体压缩熔体，进行补料确保制件的外观质量。

气辅成形具有如下优点：消除产品表面缩痕，改善产品表面质量；减少翘曲变形，减少流动条痕；降低产品内应力，提高产品强度；节省塑料原料，减轻制品重量（一般可减轻 20%-40%）；改善材料在制品断面上的分布，改善制品的刚性；缩短成型时间，提高生产效率；延长模具使用寿命。

二、橡胶的成形

橡胶制品的生产工艺主要包括塑炼、混炼和成形三个阶段。

【塑炼】塑炼是使弹性生胶转变为可塑状态的加工工艺过程，从而增加其可塑性，获得适当的流动性，以满足混炼和成形的工艺要求。塑炼有二种方法：即机械塑炼和化学塑炼法，前者通过机械作用，后者通过化学作用，使橡胶的大分子断裂成相对较小的分子，从而使粘度下降，可塑性增加。

【混炼】混炼是将各种配合剂（硫化剂、防老化剂、填充剂等）混入生胶中，制成均匀的混炼胶的过程，其基本任务是配制出符合性能要求的混炼胶（又称胶料），以便后续工序的正常进行。

橡胶的成形工艺主要有压延成形、压出成形、注射成形。

1．【压延成形】橡胶的压延成形是利用橡胶压延机将物料延展的工艺过程。物料通过压延机的两个辊筒间隙时，在压力作用下延展成为具有一定断面形状的橡胶制品。这种方法主要用于胶料的压片、压型；纺织物和钢丝帘等的贴胶、擦胶；胶片与胶片或胶片与挂胶织物的贴合等。

2．【压出工艺】橡胶的压出工艺是利用压出机，使胶料在压出机的机筒壁和螺杆顶尖的作用下，通过螺杆的旋转，使胶料不断前进，达到挤压并初步造型的目的。可借助于压型压出各种复杂形状的半成品，如轮胎的胎面胶、内胎胎筒、电线电缆外皮等。

3．【注射工艺】橡胶的注射成形是将胶料直接从机筒注入模型进行硫化的生产方法，与塑料的注射成形相类似。将预先混炼好的胶料经料斗送入机筒，在螺杆的旋转作用下，胶料沿螺槽前进过程中，由于激烈搅拌和变形，加上机筒外部加热，温度很快升高，活塞推进注胶，胶料经喷嘴注入模腔并保压一段时间，在保压过程中，胶料在高温下进行硫化。注射成形具有生产周期短、生产率高、劳动强度低、产品质量高等优点。

三、复合材料的成形

复合材料按基体不同可分为聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。

1、聚合物基复合材料的成形

聚合物基复合材料是目前结构复合材料中发展最早、研究最多、应用最广的一类，其基体可为热塑性塑料和热固性塑料，增强物可以是纤维、晶须、粒子等。聚合物基复合材料的成形工艺有如下几种：

1）【预浸料及预混料成形】预浸料通常是指定向排列的连续纤维等浸渍树脂后形成的厚度均匀的薄片状半成品。预混料是指由不连续纤维浸渍树脂或与树脂混合后所形成的较厚的片状、团状或粒状半成品。

预浸料和预混料半成品还可通过其它成形工艺制成最终产品。

2）【手糊成形】手糊成形工艺如图所示，是用于制造热固性树脂复合材料的一种最原始、最简单的成形工艺。在模具上涂一层脱模剂，再涂上表面胶后，将增强材料铺放在模具中或模具上，然后通过浇、刷或喷的方法加上树脂并使增强材料浸渍；用橡皮辊或涂刷的方法赶出空气，如此反复添加增强剂和树脂，直到获得所需厚度，经固化成为产品。

3）【袋压成形】将预浸料铺放在模具中，盖上柔软的隔离膜，在热压下固化，经过所需的固化周期后，材料形成具有一定结构的构件。根据加压方式不同，袋压成形又有真空袋压法、加压袋压法、高压釜压法。

4）【缠绕成形】缠绕成形是将浸渍了树脂的纤维缠绕在回转芯模上，在常压及室温下固化成形的一种工艺。缠绕成形工艺是一种生产各种回转体的简单有效方法。

5）【拉挤成形】拉挤成形是将浸渍了树脂的连续纤维通过一定截面形状的模具成形并固化，拉挤成制品的工艺，拉挤成形的主要工序有纤维输送、纤维浸渍、成形与固化、拉拔、切割。拉挤成形可生产各种杆棒、平板、空心板或型材等。

6）【模压成形】模压工艺是将浸渍料或预混料先做成制品的形状，然后放入模具中压制成制品。

2、金属基复合材料的成形工艺

金属基复合材料是以金属或合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相结合成的复合材料。金属基可以是铝、钛、镁、铜、钢等，增强材料有陶瓷、碳、硼、金属化合物等，金属基复合材料制备工艺主要有以下几种。

1）【固态法】固态法主要包括扩散法和粉末冶金法两种。

扩散法结合工艺是在一定温度和压力下，通过互相扩散使金属基体与增强相结合在一起。粉末冶金法将金属基制成粉末，并与增强材料混合，再经热压或冷压后烧结等工序制得复合材料的工艺。

2）【液态法】液态法包括压铸、半固态复合铸造、液态渗透等。

压铸成形是指在压力作用下，将液态或半液态金属基复合材料以一定的速度填充压铸模型腔，在压力下凝固成形的工艺方法。半固态复合铸造是指将颗粒加入处于半固态的金属基体中，通过搅拌使颗粒在金属基体中均匀分布，然后浇注成形。

3）【喷涂沉积法】其原理是以等离子体或电弧加热金属粉末或金属线、丝，或者增强材料，然后通过喷涂气体喷涂到沉积基板上。首先将增强的纤维缠绕在已经包覆一层基体金属并可以转动的滚筒上，基体金属粉末、线、丝通过电弧喷涂枪或等离子喷涂枪加热形成液滴，基体金属熔滴直接喷涂在沉积滚筒上与纤维相结合并快速凝固。

3、陶瓷基复合材料的成形

用陶瓷作基体，以纤维或晶须作增强物所形成的复合材料称为陶瓷基复合材料。通常陶瓷基体有玻璃陶瓷、氧化铝、氮化硅、碳化硅等。陶瓷基复合材料制备工艺有粉末冶金法、桨体法、溶胶 -凝胶法等。

陶瓷基复合材料的粉末治金法与金属基复合材料的粉末冶金法相似；桨体法是采用桨体形式，使复合材料的各组元保持散凝状（增强物弥散分布），使增强材料与基体混合均匀，可直接浇注成形，也可通过热压或冷压后烧结成形；溶胶 -凝胶法是将基体形成溶液或溶胶，然后加入增强材料组元，经搅拌使其均匀分布，当基体凝固后，这些增强材料组元则固定在基体中，经干燥或一定温度热处理，然后压制、烧结得到复合材料的工艺。

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