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目錄
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畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書 I
開題報告 III
指導(dǎo)老師審查意見 IX
評閱教師評語 X
答辯會議記錄 XII
中外文摘要 XIII
1 前言 1
2 復(fù)合橋塞原理與意義 2
2.1初識復(fù)合材料橋塞 2
2.2結(jié)構(gòu)原理 2
2.3分層施工作業(yè)程序 6
3 復(fù)合材料的基本特性 8
3.1復(fù)合材料的結(jié)構(gòu) 8
3.2復(fù)合材料的特性 9
3.3復(fù)合材料的應(yīng)用 12
3.4 我國復(fù)合材料科學(xué)的研究現(xiàn)狀 13
4 復(fù)合材料卡瓦加工方案 16
5 復(fù)合材料卡瓦結(jié)構(gòu)與壓模模具設(shè)計 16
5.1復(fù)合材料卡瓦結(jié)構(gòu) 16
5.2 壓模模具設(shè)計 17
6 卡瓦壓模加工工藝 21
6.1成型前的準(zhǔn)備 21
6.2 壓縮成型過程 24
6.3塑件的后處理 25
7 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計 26
7.1關(guān)于短玻璃纖維環(huán)氧樹脂的概述 26
7.2 壓力機(jī)的選用 27
7.3 施壓方向和分型面確定 29
7.4 模具基本結(jié)構(gòu)和脫模方法 30
7.5 模具尺寸設(shè)計 30
7.6 成型零件設(shè)計 32
7.7導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計 33
7.8 型腔的側(cè)壁和底版厚度的計算 33
7.9 脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計 33
7.10 牙齒的設(shè)計 33
8 參考文獻(xiàn) 34
9 設(shè)計小結(jié) 36
10致謝 37
前言
復(fù)合材料的橋塞卡瓦模具設(shè)計
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前言
1 前言
在石油與天然氣勘探開發(fā)的各項施工中，修井作業(yè)是一個重要的環(huán)節(jié)。油氣水井在自噴、抽油或注水注氣過程中，隨時會發(fā)生故障，造成油井減產(chǎn)或甚至停產(chǎn)。如：油井下沙堵、井筒內(nèi)嚴(yán)重結(jié)蠟、結(jié)鹽、油層堵塞、滲透降低、油氣水層互相串通、生產(chǎn)油層枯竭等油井本身的故障；油管斷裂、油管連接脫扣、套管擠扁、斷劣和滲漏等油井結(jié)構(gòu)損壞；抽油桿彎曲、斷裂或脫扣、抽油泵工作不正常等井下采油設(shè)備故障。出現(xiàn)故障后，只有通過井下作業(yè)來排除故障。
一套完善的修井設(shè)備，一般包括下述部分：主機(jī)（修井機(jī)），具有動力、傳動、絞車、井架、鉆臺、游動系統(tǒng)。剎車系統(tǒng)以及液壓、氣動、電氣系統(tǒng)；井口工具；井下工具；運輸工具；起吊及發(fā)電裝置等。其中，井口工具主要包括吊環(huán)、吊卡、吊鉗、液壓動力大鉗、液壓套管鉗和修井液壓動力鉗等。
國內(nèi)生產(chǎn)井口工具的公司主要有：江蘇如東通用機(jī)械有限公司、泰興石油機(jī)械有限公司、山東三田臨朐石油機(jī)械有限公司、牡丹江石油工具有限責(zé)任公司、海城市石油機(jī)械制造有限公司、鹽城市特達(dá)石油機(jī)械有限公司、江蘇新象股份有限公司等公司。
在衡量修井設(shè)備的性能上，一般有下述指標(biāo)：修井能力（即絞車功率大?。?；井架性能（強(qiáng)度、剛度、安裝性）；移運性；控制是否方便、靈敏；提供操作條件好壞；配套設(shè)備及工具是否完善；工作可靠性；有無特殊的防風(fēng)、防水、防凍、防塵及防腐蝕措施等。
由于我國大部分油田大都已進(jìn)入開發(fā)中、后期，采油的難度越來越大，工藝越來越復(fù)雜，井況也越來越復(fù)雜，修井任務(wù)也越來越繁重。與修井任務(wù)越來越繁重的同時，修井工人的勞動強(qiáng)十分高修井的環(huán)境條件也十分惡劣，高溫酷寒，風(fēng)天雨天，井場條件差（泄露出來的天然氣和有毒氣體的侵熏和井噴），特別是地處高原的西部地區(qū)，油井較深、自然及環(huán)境條件十分嚴(yán)酷。所以要提高修井效率、減輕修井工人的勞動強(qiáng)度，同時惡劣的工作條件也對工作設(shè)備提出了更高的要求，克服高溫高壓的工作環(huán)境。與發(fā)達(dá)國家相比，我國的鉆井設(shè)備相對落后，尤其是在卡瓦的使用上，國外大多數(shù)使用機(jī)械手、啟動卡瓦；而目前國內(nèi)絕大部分油田（或地質(zhì)）鉆井工程中起下鉆作業(yè)時，大都采用雙吊卡或單吊卡加手提式卡瓦作業(yè)方式，自動化程度低、效率低、勞動強(qiáng)度大安全性能不高。
由于卡瓦是橋塞的關(guān)鍵部位，問題也隨之而來，如果我們采用新型復(fù)合材料，利用其質(zhì)量輕，強(qiáng)度大的特點，來繼續(xù)強(qiáng)化卡瓦的耐高壓特性來滿足油田開采的更復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境;研發(fā)新的生產(chǎn)工藝來生產(chǎn)卡瓦，節(jié)約成本，增加經(jīng)濟(jì)效益。
2復(fù)合橋塞原理與意義
2.1初識復(fù)合材料橋塞
在油氣井測試過程中，為正確評價認(rèn)識目的層，當(dāng)遇有多層系地層時各油氣水層的層間存在差異需要進(jìn)行分層測試，分層進(jìn)行增產(chǎn)措施，生產(chǎn)井進(jìn)行多層完井，暫時隔層等，都需要使用橋堵分層工具，如橋塞等。但目前常用的金屬橋塞存在易卡、鉆銑困難等缺點，特別是用于斜井、水平井的分層壓裂、酸化、封堵水等工藝，由于受其特殊井身結(jié)構(gòu)的影響，這類井在解除金屬橋塞橋堵進(jìn)行磨銑時，易發(fā)生卡鉆等問題，問題出現(xiàn)后比直井處理起來要復(fù)雜，為解決這一問題，可使用一種新型工具—復(fù)合材料橋塞。利用復(fù)合材料制作橋塞代替金屬橋塞，其獨特的材料設(shè)計容易鉆銑，磨掉的碎屑輕小，較易沖出，防止卡鉆。特別適用于斜井、水平井的分層壓裂、酸化、封堵水等作業(yè)，克服了金屬橋塞易卡、鉆銑困難等缺點。
2.2結(jié)構(gòu)原理
復(fù)合材料橋塞的主要元件―密封膠筒通過水力或機(jī)械作用，使膠筒膨脹密封，達(dá)到隔離井筒液體和壓力、隔離產(chǎn)層或非目的層，達(dá)到改變井筒條件、實現(xiàn)封隔目的，達(dá)到施工要求。
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復(fù)合橋塞原理與意義
2.2.1結(jié)構(gòu)
復(fù)合橋塞由密封系統(tǒng)、錨定系統(tǒng)、鎖緊系統(tǒng)等部件組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
密封系統(tǒng)由膠筒、上下椎體和防突隔環(huán)組成。上下椎體在釋放工具作用下剪斷銷釘，壓縮膠筒形成密封。隔環(huán)的主要作用是壓縮時首先脹開緊貼套管壁，在上下兩個防突隔環(huán)中間形成一定的空間，使得膠筒壓縮時在空間內(nèi)均勻脹大，有效阻止膠筒壓縮時“肩部突出”撕裂。
圖1 復(fù)合材料橋塞結(jié)構(gòu)示意圖
錨定系統(tǒng)由上下卡瓦、自鎖鎖環(huán)等組成。上下卡瓦的作用是將復(fù)合材料橋塞支撐在套管閉上，并限制其縱向移動，用于保持其密封性。
鎖環(huán)上的倒齒與中心管的倒齒相互嚙合，坐封后永久固定于坐封狀態(tài)。所以，這種機(jī)構(gòu)決定了該橋塞解封方式只能是鉆銑。
與復(fù)合材料橋塞配套使用的還有坐封釋放機(jī)構(gòu)，其主要部件是剪切銷釘，用于投送工具和復(fù)合材料橋塞的連接，完成坐封后被剪斷，使投送工具和橋塞脫開。
2.2.2工作原理
復(fù)合橋塞使用原理與大多數(shù)橋塞的使用原理一樣，通過中心管與外套件的相對運動，使推管運動壓縮膠筒和上下卡瓦，膠筒脹開貼近套管壁，達(dá)到封隔上下層的目的，上下卡瓦在椎體上裂開緊緊嚙合套管，當(dāng)膠筒、卡瓦與套管配合很緊再不可壓縮且達(dá)到一定值時，剪斷釋放銷釘，使得投送坐封工具與橋塞脫開，完成釋放工作。橋塞中心管與上錐體內(nèi)鎖環(huán)設(shè)有倒齒機(jī)構(gòu)，坐封后自鎖形成嚙合緊鎖。使橋塞始終處于坐封狀態(tài)。
2.2.3特點
整個復(fù)合材料橋塞除錨定卡瓦和極少配件外，均采用類似硬性塑料性質(zhì)的復(fù)合材料制成，其強(qiáng)度、耐壓、耐溫與同類型金屬橋塞相當(dāng)或優(yōu)于金屬橋塞，所以可鉆型強(qiáng)，且磨銑后產(chǎn)生的碎屑不會像金屬碎屑那樣發(fā)生沉淀，又由于密度較小，很容易循環(huán)帶出地面，克服了磨銑普通橋塞時的鉆銑困難、沉淀卡鉆等難題，特別是解決了斜井、水平井的磨銑橋塞時的困難?？捎闷胀ㄈ垒喕蚱降啄バ焖巽@出橋塞。
復(fù)合材料橋塞的體外結(jié)構(gòu)與普通橋塞不同的是底部采用斜面形狀，防止鉆銑時本體旋轉(zhuǎn)，使磨銑解除橋塞變得更容易、更快捷，從而可以在井內(nèi)下入多個橋塞分隔一系列層系。適用于井內(nèi)多重橋塞的使用和取出。
2.2.4技術(shù)參數(shù)
不同型號復(fù)合材料橋塞技術(shù)參數(shù)如表2-1所示
表2-1 復(fù)合材料橋塞技術(shù)參數(shù)
2.3分層施工作業(yè)程序
2.3.1下入作業(yè)程序
復(fù)合材料橋塞下入需用投送坐封工具，一般可用威得福HST或威得福AH坐封工具，也可使用貝克E—4、No.5、No10坐封工具。采用油管、鉆桿、連續(xù)油管及電纜等投送下井均可。
其下井程序以貝克E—4型投送坐封工具為例，復(fù)合材料橋塞與配套連接結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示
圖2 橋塞投送工具結(jié)構(gòu)示意圖
將連接好的橋塞、投送工具下入井內(nèi)，到達(dá)預(yù)定深度后，通電點火引燃火藥，燃燒室產(chǎn)生高壓氣體，上活塞下行壓縮液壓油，液壓油通過延時緩沖嘴流出，推動下活塞，使下活塞連桿通過外殼十字連桿推動推筒下行，外推筒下行，推動擠壓上卡瓦，與此同時，由于反作用力使得外推筒與心軸之間發(fā)生相對運動，芯軸帶動中心拉桿，連接套相對向上運動，帶動橋塞中心管向上擠壓下卡瓦，在上行與下行的夾擊下，上下椎體各自剪斷與中心管的固定銷釘，壓縮膠筒使膠筒脹開，達(dá)到封隔目的，這時，上下卡瓦在椎體上裂開緊緊嚙合套管，當(dāng)膠筒、卡瓦與套管配合很緊再不可壓縮且達(dá)到一定值時，剪斷釋放銷釘，使得投送坐封工具與橋塞脫開，完成釋放工作。由于橋塞中心管與椎體內(nèi)鎖環(huán)設(shè)有倒齒鎖緊機(jī)構(gòu)，所以坐封后形成自鎖，使橋塞始終處于坐封狀態(tài)。
復(fù)合材料的基本特性
2.3.2解除橋堵作業(yè)程序
磨銑復(fù)合橋塞的磨銑鞋最好是非刀刃切削式的，這種類型的磨鞋能在磨銑過程中減少對套管損害的可能性。適合的磨銑鞋尺寸應(yīng)該是套管內(nèi)徑的92%~95%。推薦使用鉆鋌和扶正器，加裝碎屑打撈杯，以收集在磨銑時大的碎塊，防止落在橋塞上。磨銑轉(zhuǎn)速為50~150r/min為宜。
磨銑程序是首先用磨銑鉆具探橋塞位置，開泵循環(huán)出橋塞頂部松散的堆積物，建議循環(huán)排量500L/min以上，然后上提鉆具30cm開泵循環(huán)，緩緩下放加壓0.25~4t磨銑。加壓噸位和排量的大小決定磨銑時間。保持鉆壓直至鉆掉橋塞。當(dāng)有多個橋塞時，盡量在鉆頭附近多下幾個打撈杯。
3復(fù)合材料的基本特性
3.1復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)
復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)通常是一個相為連續(xù)相，成為基體；而另外一相是以獨立的形態(tài)分布在整個連續(xù)相中的分散相，它顯著增強(qiáng)材料的性能，故常稱為增強(qiáng)體。在多數(shù)情況下，分散相較基體硬，剛度和強(qiáng)度較基體大。分散相可以是纖維及編織物，也可以是顆粒狀或彌散的填料?；w和增強(qiáng)體之間存在著界面。因此，復(fù)合材料是由兩種以上組分以及它們之間的界面構(gòu)成
組分材料主要指增強(qiáng)體和基體，它們被稱為復(fù)合材料的增強(qiáng)相和基體相。增強(qiáng)相和基體相之間界面區(qū)域因為其特殊的結(jié)構(gòu)組成也被視作復(fù)合材料中的相，即界面相。增強(qiáng)相和基體相是根據(jù)它們組分的物理和化學(xué)性質(zhì)和在最終復(fù)合材料中的形態(tài)來區(qū)分的。
其中一個組分是細(xì)絲（連續(xù)的或短切的）、薄片或顆粒狀，具有較強(qiáng)的強(qiáng)度、模量、硬度和脆性，在復(fù)合材料承受外加載荷時是主要承載相，成為增強(qiáng)相或增強(qiáng)體。增強(qiáng)相或增強(qiáng)體在復(fù)合材料中呈分散形式，被集體相隔離包圍，因此也稱作分散相；復(fù)合材料中的另一個組分是包圍增強(qiáng)相并相對較軟和韌的貫連材料，稱為基體相。復(fù)合材料的各種形態(tài)如示意圖4：
圖4 復(fù)合材料各種形態(tài)圖
3.2復(fù)合材料的特性
復(fù)合材料是由多種組分的材料組成，許多性能優(yōu)于單一組分的材料。例如，纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、可設(shè)性好、耐化學(xué)腐蝕、介電性好、耐燒蝕及容易成型加工等優(yōu)點。
3.2.1 輕質(zhì)高強(qiáng)，比強(qiáng)度和比剛度高
增強(qiáng)劑或者基體是比重小的物體，或兩者的比重都不高，且都不是完全致密的；增強(qiáng)劑多是強(qiáng)度很高的纖維，比強(qiáng)度（指強(qiáng)度與密度的比值）和比彈性模量是各類材料中最高的。例如，普通碳鋼的密度為7.8g/，玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的密度為1.5~2.0g/，只有普通碳鋼的1/4—1/5，比鋁合金還要輕1/3左右，而機(jī)械強(qiáng)度卻能超過普通碳鋼的水平。
若按比強(qiáng)度計算，玻璃纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料不僅超過碳鋼，而且可以超過某些特殊合金鋼。碳纖維復(fù)合材料、有機(jī)纖維復(fù)合材料具有比玻璃纖維復(fù)合材料更低的密度和更高的強(qiáng)度，因此具有更高的比強(qiáng)度。
3.2.2 可設(shè)性好
復(fù)合材料可以根據(jù)不同的用途要求，靈活的進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計，具有很好的可設(shè)性。對于構(gòu)件來說，可以根據(jù)受力情況合理布置增強(qiáng)材料，達(dá)到節(jié)約材料、減輕質(zhì)量的目的。
對于有耐腐蝕性能要求的產(chǎn)品，設(shè)計時可以選用耐腐蝕性能好的基體樹脂和增強(qiáng)材料；對于其他一些性能要求，如介電性能、耐熱性能等，都可以方便地通過選擇合適的原材料來滿足要求。復(fù)合材料良好的可設(shè)性還可以最大限度的克服其彈性模量、層間剪切強(qiáng)度低等缺點。
3.2.3 電性能好
復(fù)合材料具有良好的電性能，通過選擇不同的樹脂基體、增強(qiáng)材料和輔助材料，可以將其制成絕緣材料或?qū)щ姴牧?。例如，玻璃纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料具有優(yōu)良的電絕緣性能，并且在高頻下仍能保持良好的介電性能，因此可作為高性能電機(jī)、電器的絕緣材料；玻璃纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料還具有良好的透波性能，被廣泛的用于制造機(jī)載、艦載和地面雷達(dá)罩。復(fù)合材料通過原材料的選擇和適當(dāng)?shù)某尚凸に嚳梢灾频膶?dǎo)電復(fù)合材料。這是一種功能復(fù)合材料，在冶金、化工和電池制造等工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
3.2.4 耐腐蝕性能好
聚合物基復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐酸性能、耐海水性能、也能耐堿、鹽和有機(jī)溶劑。因此，它是優(yōu)良的耐腐蝕材料，用其制造的化工管道、貯罐、塔器等具有較長的使用壽命、極低的維修費用。
3.2.5 熱性能良好
玻璃纖維增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，是一種優(yōu)良的絕熱材料。選擇適當(dāng)?shù)幕w材料和增強(qiáng)材料可以制成耐燒蝕材料和熱防護(hù)材料，能有效的保護(hù)火箭、導(dǎo)彈和宇宙飛行器在2000℃以上承受高溫、高速氣流的沖刷作用。
3.2.6 工藝性能優(yōu)良
纖維增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料具有優(yōu)良的工藝性能，能滿足各種類型的制品的制造需要，特別適合于大型制品、形狀復(fù)雜、數(shù)量少制品的制造。
3.2.7 彈性模量
金屬基和陶瓷基復(fù)合材料能夠在較高的溫度下長期使用，但是聚合物基復(fù)合材料的彈性模量很低。因此，制成的制品容易變形。用碳纖維等高模量纖維作為增強(qiáng)材料可以提高復(fù)合材料的彈性模量，另外，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計也可以克服其彈性模量差的缺點。
比模量系指在溫度為23±2℃和相對濕度為50±5%的條件下測量的楊氏模量（單位：N.）除以比重（單位：N.）.楊氏模量就是指表達(dá)物體在變形時所受的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的比例常數(shù)。在彈性范圍內(nèi)大多數(shù)材料服從虎克定律，即變形與受力成正比。復(fù)合材料的突出優(yōu)點是比強(qiáng)度和比模量高，比強(qiáng)度和比模量是度量材料承載能力的一個指標(biāo)，比強(qiáng)度愈高，同一零件的比重愈??；比模量愈高，零件的剛性愈大。
3.2.8 長期耐熱性
金屬基和陶瓷基復(fù)合材料能在較高的溫度下長期使用，但是聚合物基復(fù)合材料不能在高溫下長期使用，即使耐高溫的聚酰亞胺基復(fù)合材料，其長期工作溫度也只能在300℃左右。
3.2.9 老化現(xiàn)象
在自然條件下，由于紫外光、濕熱、機(jī)械應(yīng)力、化學(xué)侵蝕的作用，會導(dǎo)致復(fù)合材料的性能變差，即發(fā)生所謂的老化現(xiàn)象。復(fù)合材料在使用過程中發(fā)生老化現(xiàn)象的程度與其組成、結(jié)構(gòu)和所處的環(huán)境有關(guān)。
3.2.10 抗疲勞性能好
首先，缺陷少的纖維的疲勞抗力很高；其次，基體的塑性好，能消除或減小應(yīng)力集中區(qū)的大小和數(shù)量。
3.2.11 減震能力強(qiáng)
復(fù)合材料的比模量高，所以它的自振頻率很高，不容易發(fā)生共振而快速脆斷；另外，復(fù)合材料是一種非均質(zhì)多相體系，在復(fù)合材料中振動衰減都很快。
3.3復(fù)合材料的應(yīng)用
與傳統(tǒng)材料(如金屬、木材、水泥等)相比，復(fù)合材料是一種新型材料。它具有許多優(yōu)良的性能，并且其成本在逐漸地下降，成型工藝的機(jī)械化、白動化程度也在不斷地提高。團(tuán)此，復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。
(1) 在航空、航天方面的應(yīng)用
由于復(fù)合材料的輕質(zhì)高強(qiáng)持性，使其在航空航天領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。在航空方面，主要用作戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)冀蒙皮、機(jī)身、垂尾、副翼、水平尾冀、雷達(dá)罩、側(cè)壁板、隔框、翼肋和加強(qiáng)筋等主承力構(gòu)件。
(2)在交通運輸方面的應(yīng)用
由復(fù)合材料制成的汽車質(zhì)量減輕，在相同條件下的耗油量只有鋼制汽車的1／4，而且在受到撞擊時復(fù)合材料能大幅度吸收沖擊能量，保護(hù)人員的安全。用復(fù)合材料制造的汽車部件較多，如車體、駕駛室、擋泥板、保險杠、引擎罩、儀表盤、驅(qū)動軸、板黃等。隨著列車速度的不斷提高，火車部件用復(fù)合材料來制造是最好的選擇。復(fù)合材料常被用于制造高速列車的車箱外殼、內(nèi)裝飾材料、整體衛(wèi)生間、車門窗、水箱等。
(3)在化學(xué)工業(yè)方面的應(yīng)用
在化學(xué)工業(yè)方面，復(fù)合材料主要被用于制造防腐蝕制品。聚合物基復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。例如，在酸性介質(zhì)中，聚合物基復(fù)合材料的耐腐蝕性能比不銹鋼優(yōu)異得多。
(4)在電氣工業(yè)方面的應(yīng)用
聚合物基復(fù)合材料是一種優(yōu)異的電絕緣材料，被廣泛地用于電機(jī)、電工器材的制造，如絕緣板、絕緣管、印刷線路板、電機(jī)護(hù)環(huán)、槽楔、高壓絕緣子、帶電操作工具等。
(5)在建筑工業(yè)方面的應(yīng)用
玻璃纖維增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料(玻璃鋼)具有力學(xué)性能優(yōu)異，隔熱、隔聲性能良好，吸水率低，耐腐蝕性能好和裝飾性能好的特點，因此，它是一種理想的建筑材料。在建筑上，玻璃鋼被用作承力結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、冷卻塔、水箱、衛(wèi)生潔具、門窗等。
(6)在機(jī)械工業(yè)方面的應(yīng)用
復(fù)合材料在機(jī)械制造工業(yè)中，用于制造各種葉片、風(fēng)機(jī)、各種機(jī)械部件如齒輪、皮帶輪和防護(hù)罩等。 用復(fù)合材料制造葉片具有制造容易、質(zhì)量輕、耐腐蝕等優(yōu)點，各種風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片都是由復(fù)合材料制造的。
(7)在體育用品方面的應(yīng)用
在體育用品方面，復(fù)合材料被用于制造賽車、賽艇、皮艇、劃槳、撐桿、球拍、弓箭、雪橇等。
3.4 我國復(fù)合材料科學(xué)的研究現(xiàn)狀
我國是制造和使用復(fù)合材料最早的國家，遠(yuǎn)在400余年前就發(fā)明了以麻絲增強(qiáng)大漆，構(gòu)成典型的復(fù)合材料器皿，并一直沿用至今。
現(xiàn)代復(fù)合材料是1958年才開始發(fā)展的，是以玻璃纖維增強(qiáng)熱固性聚合物為主要品種。除聚合物基復(fù)合材料以外，目前已展開金屬基、陶瓷基、碳基、水泥基，以及功能復(fù)合材料的制備科學(xué)和其結(jié)構(gòu)與性能的研究，有些研究處于國際復(fù)合材料前沿，如納米復(fù)合材料，智能復(fù)合材料等。
3.4.1原材料的研究
結(jié)構(gòu)型復(fù)合材料中關(guān)鍵的原材料是增強(qiáng)體。我國于20世紀(jì)50年代末，開始研制玻璃纖維增強(qiáng)體，研究了各種玻璃纖維的配方，包括中堿的Ｃ玻璃，無堿的Ｅ玻璃以及高強(qiáng)度的Ｓ玻璃等。
工藝方法是以傳統(tǒng)的坩堝法為主，近來正發(fā)展到先進(jìn)的池窯法（直接熔融法）。高性能增強(qiáng)體如碳纖維、芳酰胺纖維（芳綸）、超高分子量聚已乙烯纖維，以及一些陶瓷纖維等我國均有研究。特別是碳纖維在20世紀(jì)60年代即從聚丙烯腈原絲開始研究，一直到燒成碳纖維。隨后又解決了連續(xù)化的問題，并且開展有關(guān)機(jī)理性的研究。
3.4.2 各種基體復(fù)合材料的研究
（1）聚合物基復(fù)合材料
熱固性聚合物基體主要為不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、雙馬樹脂，以及少量的耐高溫聚酰亞胺樹脂，其中的研究工作集中在合成新型樹脂，同時也對其結(jié)構(gòu)表征和固化過程進(jìn)行了研究。熱塑性聚合物基體除聚丙烯外，還有常用的工程塑料，如聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚醚砜和熱塑性聚酰亞胺等的合成，改性和表征等。
聚合物基復(fù)合材料加工成型方面，除手糊、噴射、模壓、纏繞、拉擠、熱壓罐成型等常規(guī)方法的研究外，也研究一些新型的加工方法，如樹脂傳遞法（RTM）的充模過程，包括其模擬計算等。
（2）金屬基復(fù)合材料
目前主要集中在以輕金屬（如鋁、鎂、鈦）等為基體的復(fù)合材料研究，少量研究致力于銅、鐵、鉛基體的復(fù)合材料。增強(qiáng)的形式包括連續(xù)纖維、短纖維、晶須和顆粒。
（3）其他基體復(fù)合材料
陶瓷基復(fù)合材料方面的研究工作，如熱壓燒結(jié)的碳化硅晶須增強(qiáng)氧化硅，或碳化硅基體的復(fù)合材料；氧化鋯顆粒增強(qiáng)碳化物陶瓷復(fù)合材料等的制備科學(xué)和結(jié)構(gòu)性能研究。
3.4.3 復(fù)合材料今后的發(fā)展方向
(1) 降低成本
由于復(fù)合材料的性能優(yōu)于傳統(tǒng)材料，如能降低復(fù)合材料的成本，其應(yīng)用前景將是非常廣闊的。
壓模設(shè)計
(2) 高性能復(fù)合材料的研制
高性能復(fù)合材料是指具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫等特性的復(fù)合材料。隨著人類向太空發(fā)展，航空航天工業(yè)對高性能復(fù)合材料的需求量越來越大，而且也會提出更高的性能要求，如更高的強(qiáng)度要求、更高的耐溫要求等。
(3)功能性復(fù)合材料
功能復(fù)合材料是指具有導(dǎo)電、超導(dǎo)、微波、摩擦、吸聲、阻尼、燒蝕等功能的復(fù)合材料。
(4) 智能復(fù)合材料
智能復(fù)合材料是指具有感知、識別及處理能力的復(fù)合材料。在技術(shù)上是通過傳感器、驅(qū)動器、控制器來實現(xiàn)復(fù)合材料的上述能力。例如，當(dāng)用智能復(fù)合材料制造的飛機(jī)部件發(fā)生損傷時，可由埋入的傳感器在線檢測到該損傷，通過控制器決策后，控制埋入的形狀記憶合金動作，在損傷周圍產(chǎn)生壓應(yīng)力，從而防止損傷的繼續(xù)發(fā)展，大大提高了飛機(jī)的安全性能。
(5)仿生復(fù)合材料
復(fù)合材料的設(shè)計從常規(guī)設(shè)計向仿生設(shè)計發(fā)展。仿照竹子從表皮到內(nèi)層纖維由密排到疏松的特點，成功地制備出具有明顯組織梯度與性能梯度的新型梯度復(fù)合材料。
(6)環(huán)保型復(fù)合材料
從環(huán)境保護(hù)的角度看，目前的復(fù)合材料大多注重材料性能和加工工藝性能，而在回收利用上存在與環(huán)境不相協(xié)調(diào)的問題。因此，開發(fā)、使用與環(huán)境相協(xié)調(diào)的復(fù)合材料，是復(fù)合材料今后的發(fā)展方向之—。
3.4.1 復(fù)合材料的選取
（1） 酚醛樹脂
1872年，德國化學(xué)家拜耳首先發(fā)現(xiàn)酚和醛在酸的存在下可以縮合得到無定形棕紅色的不可處理的樹枝狀產(chǎn)物；1905~1907年，酚醛樹脂創(chuàng)始人美國科學(xué)家巴克蘭對酚醛樹脂進(jìn)行了系統(tǒng)而廣泛的研究，于1909年提出了關(guān)于酚醛樹脂“加壓、加熱”固化的專利，實現(xiàn)了酚醛樹脂的實用化，1911年，艾爾斯沃思發(fā)現(xiàn)用六次甲基四胺可以使酚醛樹脂固化，轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗懿蝗蹱顟B(tài)，使其具有較高電絕緣性等應(yīng)用特性。酚醛樹脂因此開始用于電絕緣制品。1912～1913年，俄國科學(xué)家彼得洛夫、塔拉索夫等研究了在石油磺酸和芳香族磺酸存在下的酚與醛的反應(yīng)，并發(fā)明了將其注塑成型制取酚醛樹脂注塑制品的方法。1914年，日本引進(jìn)巴克蘭技術(shù)在東京開始生產(chǎn)酚醛樹脂，開創(chuàng)了亞洲先河。酚醛樹脂耐熱性和阻燃性優(yōu)異，材料成本也低。
（2）環(huán)氧樹脂
碳纖維增強(qiáng)塑料主要使用環(huán)氧樹脂，固化時間較長，在做成預(yù)浸料時，需低溫保存，材料成本較高。環(huán)氧樹脂是高性能纖維增強(qiáng)塑料的豬樣基體。
（3）聚酯樹脂
使用加鄰苯二甲酸二烯丙酯（DAP）單體的聚酯樹脂，幾乎不降低力學(xué)性能，就能提高固化速度和降低材料成本。
（4）玻璃纖維
玻璃纖維是非常好的金屬材料替代材料，隨著市場經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，玻璃纖維成為建筑、交通、電子、電氣、化工、冶金、環(huán)境保護(hù)、國防等行業(yè)必不可少的原材料。由于在多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，因此，玻璃纖維日益受到人們的重視。全球玻纖生產(chǎn)消費大國主要是美國、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國家，其人均玻纖消費量較高。歐洲仍然是玻璃纖維消費的最大地區(qū)，用量占全球總用量的35%。
綜上所敘，從力學(xué)性能和材料成本上考慮我選用玻璃纖維增強(qiáng)的酚醛樹脂。
4復(fù)合材料卡瓦加工方案
模具裝上壓力機(jī)后要進(jìn)行預(yù)熱。將塑料加入預(yù)熱至成型溫度的模具加料腔內(nèi)。液壓機(jī)通過上模部分帶動凸模，對模腔中塑料施加壓力，是塑料在高溫高壓下由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)充滿整個型腔。然后樹脂產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)，經(jīng)一定時間后塑料固化定型即可開模。
復(fù)合材料卡瓦的加工除了要考慮壓模的加溫保溫外，還需要將牙齒固定在卡瓦本體中。由于牙齒只有很少一部分露在卡瓦本體外面，絕大本分卡在卡瓦里面，在卡瓦本體固化前，強(qiáng)牙齒壓進(jìn)去。為了使牙齒壓入的位置不偏離設(shè)計位置，預(yù)先將牙齒埋入部分深度，待本體壓實后，再利用液缸壓力將牙齒壓入到最后位置。
5復(fù)合材料卡瓦結(jié)構(gòu)與壓模模具設(shè)計
5.1復(fù)合材料卡瓦結(jié)構(gòu)
卡瓦結(jié)構(gòu)如下圖圖5、圖6所示，曲面為60°，上圓弧半徑R=59mm，下圓弧半徑r=35.5,下圓弧圓心在上圓弧圓心上面垂直高度6mm，上邊開5個直徑為10mm，高為6.5mm的孔，用來固定牙齒。另一側(cè)為斜坡面，卡瓦固定在六面楔形體上。
圖5 復(fù)合材料卡瓦立體圖
圖6 復(fù)合材料卡瓦立體圖
5.2 壓模模具設(shè)計
5.2.1 接受任務(wù)書
塑件任務(wù)書主要包括以下幾個方面的任務(wù)：經(jīng)過審查的正規(guī)塑件圖紙；所采用塑料的種類、牌號等；塑料制件說明書或技術(shù)要求；生產(chǎn)產(chǎn)量；塑料制件樣品；設(shè)計人員以塑件任務(wù)書、模具設(shè)計任務(wù)書為依據(jù)來設(shè)計模具。
5.2.2 原始材料分析
在進(jìn)行模具設(shè)計之前，首先收集、整理并分析有關(guān)塑件設(shè)計、成型工藝、成型設(shè)備、機(jī)械加工及特殊加工的資料，以備設(shè)計模具時使用。
5.2.3 選擇壓力機(jī)
壓力機(jī)的選擇主要根據(jù)塑件的大小及生產(chǎn)批量。設(shè)計人員在選擇壓力機(jī)時，主要考慮成型壓力、最大和最小模具厚度、頂出形式、頂出位置、頂出行程、開模距離等。倘若用戶已提供壓力機(jī)型號或規(guī)格，設(shè)計人員必須對其參數(shù)進(jìn)行校核，若不能滿足要求，則必須與用戶商量調(diào)整。
5.2.4 壓模的結(jié)構(gòu)設(shè)計
⒈型腔數(shù)目及排布方式的確定
型腔的數(shù)量主要是根據(jù)塑件的質(zhì)量、投影面積、幾何形狀（有無抽芯）、塑件精度、批量及經(jīng)濟(jì)效益來確定的。以上這些因素有時是相互制約的，在確定設(shè)計方案時，需進(jìn)行協(xié)調(diào)，以保證滿足其主要條件。
⒉施壓方向和分型面的確定
施壓方向跟據(jù)塑件的形狀選擇便于施壓，壓力小。便于操作和加工的方向進(jìn)行。分型面的形狀一般為平面，有時由于塑件的結(jié)構(gòu)較為特殊，需采用曲面的分型面。分型面的選擇需注意以下幾點：不影響塑件的外觀；有利于保證塑件的精度要求；有利于模具加工，特別是型腔的加工。
3．模具尺寸的設(shè)計
成型零件是注塑成型的核心部分，它直接影響塑件質(zhì)量、加工的難易程度。因此，應(yīng)選擇合理的成型位置、結(jié)構(gòu)及安裝方式，使成型零件在現(xiàn)有的設(shè)備狀態(tài)下，滿足技術(shù)上的需要，易于加工、維修和更換。
4．側(cè)向分型抽芯機(jī)構(gòu)的設(shè)計
設(shè)計側(cè)向分型抽芯機(jī)構(gòu)時，應(yīng)靈活運用斜導(dǎo)柱、斜滑塊、液壓油缸、氣壓油缸、齒輪齒條等方式進(jìn)行抽芯，保證抽芯機(jī)構(gòu)安全可靠，盡量避免與脫模機(jī)構(gòu)發(fā)生干擾，否則應(yīng)設(shè)置先行復(fù)位機(jī)構(gòu)。有些能夠變通塑件結(jié)構(gòu)而不必側(cè)抽的，或通過強(qiáng)制能頂出的，應(yīng)盡量避免側(cè)抽。如果塑件產(chǎn)量不大，也可設(shè)置活動型芯，在隨塑件頂出后再用人工抽芯。
5．脫模的結(jié)構(gòu)設(shè)計
塑件脫模是注塑成型過程中的最后一個環(huán)節(jié)，脫模質(zhì)量的好壞最終決定塑件的質(zhì)量。因此，塑件的脫模是不可忽視的。在設(shè)計脫模機(jī)構(gòu)時應(yīng)遵循下列原則：為使塑件脫模時不產(chǎn)生變形，脫模力的著力點應(yīng)盡量靠近型芯或難以脫模的部位，并盡量布置得均勻；脫模力的著力點應(yīng)作用在塑件剛性好的部位，如筋部、凸緣、殼體形塑件的壁緣等處；盡量避免脫模力的著力點作用在塑件的薄平面上，防止塑件破裂、穿孔等；為避免脫模時頂出痕跡影響塑件外觀，頂出位置應(yīng)設(shè)置在塑件的隱蔽面或非裝飾面，對于透明件尤其要注意頂出位置及頂出形式的選擇；為使塑件在頂出時受力均勻，同時避免因真空吸附而使塑件產(chǎn)生變形，往往采用復(fù)合頂出或特殊形式的頂出系統(tǒng)，如推件板或推管復(fù)合頂出，以及采用進(jìn)氣式推桿、推塊等頂出裝置，必要時應(yīng)設(shè)置進(jìn)氣閥。
6．導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計
通常導(dǎo)向分為動、定模之間的導(dǎo)向、推板的導(dǎo)向及推件板的導(dǎo)向。一般的導(dǎo)向裝置由于受加工精度的限制或使用一段時間之后，其配合精度降低，會直接影響塑件的精度。因此，對精度要求較高的塑件必須另行設(shè)計精密導(dǎo)向定位裝置。
當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)模架時，因模架本身帶有導(dǎo)向定位裝置，一般情況下，設(shè)計人員只要按模架規(guī)格選用即可。若需采用精密導(dǎo)向定位裝置，則需由設(shè)計人員根據(jù)模具結(jié)構(gòu)具體設(shè)計。
7．模溫控制系統(tǒng)的設(shè)計
模溫控制系統(tǒng)的設(shè)計主要包括冷卻系統(tǒng)設(shè)計和加熱系統(tǒng)設(shè)計。
冷卻系統(tǒng)設(shè)計是一向比較繁瑣的工作，既要考慮冷卻效果及冷卻的均勻性，又要考慮冷卻系統(tǒng)對模具結(jié)構(gòu)的影響。冷卻系統(tǒng)設(shè)計包括以下內(nèi)容：冷卻系統(tǒng)的排列方式及冷卻系統(tǒng)的確定；冷卻系統(tǒng)的具體位置及尺寸的確定；重點部位如動模型芯或鑲件的冷卻；側(cè)滑塊及側(cè)型芯的冷卻；冷卻原件的設(shè)計及冷卻標(biāo)準(zhǔn)原件的選用；密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計。
8.模具材料的選用
模具成型零件材料的選用，主要根據(jù)塑件的批量、塑料類別來確定，可以參考以下原則：對于高光澤或透明的塑件主要選用4Cr13等類型的馬氏體耐蝕不銹鋼或時效硬化鋼；含有纖維增強(qiáng)的塑料塑件，應(yīng)選用Cr12MoV等類型的具有高耐磨性的淬火鋼；當(dāng)塑件材料為聚氯乙烯、聚甲醛或含有阻燃劑時，必須選用耐蝕不銹鋼；塑件為一般材料，通常用調(diào)質(zhì)鋼，若塑件批量大則應(yīng)選用淬火鋼。
5.2.5 繪制模具裝配草圖
在繪制裝配草圖的過程中，應(yīng)對已選定的澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、抽芯機(jī)構(gòu)、脫模機(jī)構(gòu)等作進(jìn)一步的協(xié)調(diào)和完善，從結(jié)構(gòu)上達(dá)到比較完美設(shè)計。
⒈標(biāo)準(zhǔn)模架及標(biāo)準(zhǔn)件的選用
在繪制裝配草圖之前，應(yīng)根據(jù)已選定的模具結(jié)構(gòu)，盡量選用標(biāo)準(zhǔn)模架及標(biāo)準(zhǔn)件。選用標(biāo)準(zhǔn)架時，應(yīng)指出所選用標(biāo)準(zhǔn)架的形式、規(guī)格及標(biāo)準(zhǔn)代號。
⒉裝配草圖的繪制
裝配草圖的重點是表達(dá)各零件之間的裝配關(guān)系及相對位置，并不需要把每個零件的內(nèi)外形狀完全表達(dá)出來。一般是以三個視圖為主：一個是凸?；虬寄７中兔娴耐队霸噲D；一個凸、凹模合模狀態(tài)下的主剖視圖；當(dāng)零件數(shù)量較多，裝配關(guān)系較為復(fù)雜時，可再采用一個動、定模合模狀態(tài)下的左剖視圖；當(dāng)用上述三個視圖還不能完整、清楚地表達(dá)各零件間的裝配關(guān)系時，還可再增加一些局部剖視圖來表示。裝配草圖的繪制盡量采用1：1的比例，先由型腔開始繪制，主視圖與其他視圖同時畫出。
5.2.6 模具設(shè)計的相關(guān)計算
壓模設(shè)計的相關(guān)計算主要包括以下幾個方面：型腔、型芯工作尺寸的計算；型腔壁厚、底板厚度的計算；側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)的工作尺寸及強(qiáng)度計算；模具與壓力機(jī)相關(guān)參數(shù)的校核；模具加熱、冷卻系統(tǒng)的相關(guān)計算。
5.2.7 完善裝配圖
壓模的裝配圖模具應(yīng)標(biāo)出外形尺寸及裝配尺寸，按順序?qū)⑷苛慵蛱枠?biāo)出，并填寫明細(xì)表；標(biāo)注技術(shù)要求和使用說明。
此外，裝配圖上還應(yīng)標(biāo)注必要的尺寸，如外形尺寸、特征尺寸、安裝尺寸、配合尺寸、配合代號、極限尺寸（活動零件的起、止位置），并注寫技術(shù)要求，填寫標(biāo)題欄、明細(xì)表。注塑模裝配圖的技術(shù)要求包括以下幾個方面的內(nèi)容：對模具某些性能的要求，如推出系統(tǒng)、滑塊抽芯結(jié)構(gòu)的裝配要求；對模具裝配工藝的要求，如模具裝配后分型面的貼合間隙應(yīng)不大于0.05mm，模具上、下面的平行度要求，并指由出裝配決定的尺寸和對該尺寸的要求；模具使用、裝卸方法；防氧化處理、模具編號、刻字、標(biāo)記、油封、保管等要求。
5.2.8 拆畫零件圖
由模具裝配圖拆畫零件圖的順序應(yīng)為：先內(nèi)后外，先復(fù)雜后簡單，先成型零件，后結(jié)構(gòu)零件。零件圖繪制時，應(yīng)注意以下方面。
圖形要求：一定要按比例繪制，允許放大或縮小；視圖應(yīng)選擇合理，投影正確，布置得當(dāng)；為了使加工人員看懂、便于裝配，圖形應(yīng)盡可能與總裝配圖一致，并要清晰。
標(biāo)注尺寸：要求統(tǒng)一、集中、有序、完整，標(biāo)注尺寸的順序是先標(biāo)注配合尺寸，后標(biāo)注全部尺寸。
表面粗糙度：把應(yīng)用最多的一種粗糙度標(biāo)于圖紙右上角，如標(biāo)注“其余”。其他粗糙度符號在各零件表面分別標(biāo)出。
其他內(nèi)容：如零件名稱、模具圖號、材料牌號、熱處理和硬度要求、表面處理、圖形比例、自由尺寸的加工精度、技術(shù)說明等都要正確填寫。
5.2.9 審核圖紙
1．模具及其零件與塑件圖紙的關(guān)系
審核模具及其零件的材質(zhì)、硬度、尺寸精度、結(jié)構(gòu)等是否符合塑件圖紙的要求。
2．塑件方面
塑料流體的流動、縮孔、熔合紋、裂口、脫模斜度等是否影響塑料制件的使用性能、尺寸精度、表面質(zhì)量等方面的要求；方案設(shè)計有無不足，加工是否簡單，成型材料的收縮率選用是否正確。
3．成型設(shè)備方面
加料量、注塑壓力、鎖模力是否達(dá)到要求；模具的安裝、塑件的脫模有無問題，。
4．模具結(jié)構(gòu)方面
模具結(jié)構(gòu)方面的審核包括以下幾個部分：分型面位置及精加工精度是否滿足需要，是否發(fā)生溢料，開模后是否能保證塑件留在有推出裝置的模具一邊；脫模方式是否正確，推桿、推管的大小、位置、數(shù)量是否合適，推板會不會被型芯卡住，是否會擦傷成型零件；模具溫度控制方面，如加熱器的功率、數(shù)量，冷卻介質(zhì)的流動回路位置、大小、數(shù)量是否合適；處理塑件側(cè)凹的方法、脫側(cè)凹的機(jī)構(gòu)是否恰當(dāng)，如斜導(dǎo)柱抽芯機(jī)構(gòu)中的滑塊與推桿是否相互干擾；澆注、排氣系統(tǒng)的位置、尺寸大小是否恰當(dāng)。
5．設(shè)計圖紙
裝配圖上各模具零件的安置部位是否恰當(dāng)，表示的是否清楚，有無遺漏；零件圖上的零件編號、名稱、制件數(shù)量，是自制還是外購，是標(biāo)準(zhǔn)件還是非標(biāo)準(zhǔn)件，零件配合處的精度，塑件高精度尺寸處的修正加工及余量，模具零件的材料、熱處理、表面處理、表面精加工程度是否標(biāo)出，敘述是否清楚；檢查主要零件、成型零件工作尺寸及配合尺寸，尺寸數(shù)字應(yīng)正確無誤，避免讓生產(chǎn)者換算；檢查全部零件圖及裝配圖的視圖位置，投影是否正確，畫法是否符合圖標(biāo)，有無遺漏尺寸。
6．校核加工性能
校核所有零件的幾何結(jié)構(gòu)、視圖畫法、尺寸標(biāo)注等是否有利于機(jī)械加工。
6卡瓦壓模加工工藝
完整的注塑成型工藝過程，按其先后順序應(yīng)包括成型前的準(zhǔn)備、壓模成型過程、塑件的后處理等。
6.1成型前的準(zhǔn)備
壓縮成型前的準(zhǔn)備工作主要是之預(yù)壓、預(yù)熱和干燥等預(yù)處理工序
6.1.1預(yù)壓
壓縮成型前，為了成型是操作的方便和提高塑件的質(zhì)量，常利用預(yù)壓模將物料壓成重量一定，形狀相似的錠料。在成型時以一定數(shù)量的錠料放入壓縮模內(nèi)。錠料的形狀一般以既能整數(shù)又能十分緊湊地放入模具中便于預(yù)熱為宜。通常使用的錠料形狀多為圓片狀，也有長條狀、扁球狀、空心體或放塑件形狀等。
6.1.2 預(yù)熱
在成型前，對應(yīng)加熱固性塑料加熱，除去其中的水分和其他揮發(fā)物，同時提高料溫，便于縮短成型周期，提高塑件內(nèi)部固化的均勻性，從而改善塑件的物理力學(xué)性能。同時還能提高塑件的熔體的流動性，降低成型壓力，減少模具磨損。
6.2 壓縮成型過程
模具裝上壓力機(jī)后要進(jìn)行預(yù)熱。一般固熱性塑料壓縮過程可以分為加料、合模排氣、固化和脫模等幾個階段，在成型帶有嵌件的塑料塑件時，加料前應(yīng)預(yù)熱嵌件并將其安放定位于模內(nèi)。
6.2.1 嵌件的安放
在有嵌件的磨具中通常用手將嵌件安放在固定位置，特殊情況是要用專門工具安放。安放的嵌件要求位置正確和平穩(wěn)，以免造成廢品和損傷模具。
6.2.2 加料
加料的關(guān)鍵是加料量。因為加料的多少直接影響塑件的尺寸和密度，所以必須嚴(yán)格定量。定量的方法有重量法、體積法和計數(shù)法三種。物料加入型腔時，應(yīng)根據(jù)其成型時的流動情況和各部分大致需要量合理地堆放，以免造成塑件局部疏松等現(xiàn)象，尤其對流動性差的塑料更應(yīng)注意。
6.2.3 合模
加料后即進(jìn)行合模，合模分為兩步：當(dāng)凸模尚未接觸物料時，為縮短成型周期，避免塑料在合模之前發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，加料速度應(yīng)盡快；當(dāng)凸模接觸到塑料之后，為避免嵌件或模具成型零件的損壞，并使模腔內(nèi)空氣充分排除，應(yīng)該放慢合模速度。即所謂的縣快后慢的合模方式。
6.2.4 排氣
壓縮熱固性塑料時，在模具閉合后，有時還要還需要卸壓將凸模松動少許時間，以便排除其中的氣體。排氣不但可以縮短固化時間，而且還有利于塑件表面質(zhì)量和性能的提高。排氣次數(shù)和時間要按需要而定，通常排氣次數(shù)為1~2次，每次需要幾秒之幾十秒。
6.2.5 交聯(lián)固化
壓縮成型熱固性塑料時，塑料依靠交聯(lián)反應(yīng)固化定型，生產(chǎn)中常將這以過程稱為硬化。在這一過程中，呈粘流態(tài)的熱固性塑料在模腔內(nèi)與固化劑反應(yīng)，形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，并在成型溫度下保持一段時間，使其性能達(dá)到最佳狀態(tài)。對固化速率不高的塑料，為提高生產(chǎn)效率，有時不必將整個固化過程放在模具內(nèi)完成，只需塑件能夠完整脫模即可結(jié)束成型，然后采取后處理的方法完成固化。
模內(nèi)固化時間應(yīng)適中。一般為30秒至數(shù)分鐘不等，視塑料品種、塑件厚度、預(yù)熱狀況與成型溫度而定。時間過短，熱固性塑件機(jī)械強(qiáng)度、耐蠕變性、耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性、電氣絕緣性等性能均下降，熱膨脹后收縮增加，有時，還會出現(xiàn)裂紋；時間過長會造成塑件機(jī)械強(qiáng)度不高、脆性大、表面出現(xiàn)密集小泡等。
6.2.6塑件脫模
塑件脫模的方法有機(jī)動推出脫模和手動推出脫模。帶有側(cè)向型芯或嵌件時，必須先用專業(yè)工具將它們擰脫，才能取出塑件
6.3塑件的后處理
塑件脫模后對模具應(yīng)進(jìn)行清理，有時對塑件要進(jìn)行后處理。
1．模具的清理
脫模后必要時需要用銅刀或銅刷去除殘留在模具內(nèi)側(cè)的塑料廢邊，然后用壓縮空氣吹凈模具。如果塑料有粘?，F(xiàn)象，用上述方法不易清理時，則用拋光劑拭刷。
2．后處理
為了進(jìn)一步提高塑件的質(zhì)量，熱固性塑件脫模后常在較高的溫度下保溫一段時間。后處理能使塑料固化更趨完全，同時減少或消除塑件的內(nèi)應(yīng)力，減少水分及揮發(fā)物等，有利于提高塑件的電性能及強(qiáng)度。
6.3.1 退火處理
對于不同的材料，退火的本質(zhì)不盡相同，但主要有兩個：其一是使受迫凍結(jié)的分子鏈得到松弛，對分子鏈進(jìn)行解取向，從而消除這一部分的內(nèi)應(yīng)力；其二是提高塑件的結(jié)晶度，或加速二次結(jié)晶和后結(jié)晶的過程，穩(wěn)定結(jié)晶結(jié)構(gòu)，從而提高結(jié)晶塑料制品的彈性模量和硬度。
退火處理的方法是將塑件放在一定溫度的烘箱中或液體介質(zhì)（如熱水、礦物油、甘油、液體石蠟等）中一段時間，然后緩慢冷卻。退火溫度一般控制在塑件的使用溫度以上10~20℃或塑件熱變形溫度以下10~20℃。溫度不宜過高，否則塑件會產(chǎn)生翹曲變形；但溫度也不宜過低，否則達(dá)不到退火目的。保溫時間與塑料品種和制件厚度有關(guān)，若無數(shù)據(jù)資料，也可按每毫米約需0.5h的原則估算。退火冷卻時，速度不能太快，否則有可能重新產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。
6.3.2 調(diào)濕處理
調(diào)濕處理是一種調(diào)整塑件含水量的后續(xù)處理工序，主要用于吸濕性很強(qiáng)且容易氧化的聚酰胺等塑料制品。將脫模后的該類塑件放在熱水中處理，不僅隔絕空氣防止氧化，而且可以加速達(dá)到吸濕平衡，以穩(wěn)定其尺寸。調(diào)濕處理所用的加熱介質(zhì)一般為沸水或乙酸鉀溶液（沸點為121℃），加熱溫度為200~245℃，保溫時間與制件厚度有關(guān)，通常約取2~9h。
當(dāng)然，并非所有塑件都要進(jìn)行熱處理，像聚甲醛和氯化聚醚塑件，雖然存在內(nèi)應(yīng)力，但由于高分子本身柔性較大且玻璃化溫度低，其內(nèi)應(yīng)力可自行緩慢消除。此外，當(dāng)塑件要求不嚴(yán)格時，也可以不必后處理。
如表3所示是部分熱塑性塑料的壓模成型工藝條件
表6-2 部分熱塑性塑料的壓模成型工藝條件
物料組成
成型壓力/MPa
成型溫度/℃
PF+木粉
9.8~39.2
140~195
PF+玻璃纖維
13.8~41.4
150~195
PF+纖維素
9.8~39.2
140~195
MF+玻璃纖維
13.8~55.1
138~177
MF+木粉
13.8~55.1
138~177
EP
1.96~19.6
135~190
SI
6.9~54.9
150~19o
壓模設(shè)計
7模具結(jié)構(gòu)設(shè)計
7.1關(guān)于短玻璃纖維環(huán)氧樹脂的概述
環(huán)氧樹脂（EP）因其具有良好的粘接性能、熱力學(xué)性能、電氣性能和耐化學(xué)介質(zhì)性以及優(yōu)良的工藝性等有點，在膠黏劑、涂料、電子電器和航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由于環(huán)氧樹脂含有大量的環(huán)氧基因，固化時交聯(lián)密度大，沖擊性能和耐熱性能較差。通過復(fù)合改性，進(jìn)一步提高其剛性與強(qiáng)度，擴(kuò)大其范圍，已成為EP級復(fù)合材料研究的熱點之一。
環(huán)氧樹脂固化收縮率低，僅1%~3%，而不飽和聚酚樹脂卻高達(dá)7%~8%；粘結(jié)力強(qiáng)；有B階段，有利于生產(chǎn)工藝；可低壓固化，揮發(fā)份甚低；固化后力學(xué)性能、耐化學(xué)性佳，電絕緣性能良好，密度為0.98g/。
7.2壓力機(jī)的選用
7.2.1 計算塑件的體積和質(zhì)量
根據(jù)所給卡瓦的尺寸，計算塑件體積：=625492.4
塑件質(zhì)量：=612.0g
7.2.2 塑件成型時所需的總壓力
塑件成型時所需的總壓力
=nAp
式中
A——壓制面積，型腔的水平投影面積（㎡）
A=54×35.05+（46+54）×15/2=1640
P——單位成型壓力，查表，選p=40 MPa
n——型腔數(shù)，在此為單腔，n=1
將A、p、n代入，得
Fm=×1×40=65.6 kN
可求出基本壓力
≦
≧/
查表，取=0.8
≧65.6/0.8=82
差表液壓力機(jī)的技術(shù)參數(shù)，可選YA71-45，基本壓力是450kN，動梁至工作臺的最大距離750mm，動梁的最大行程250mm。
7.2.3壓力計工作行程的校核
由于模具的閉合高度為<3動梁至工作臺的最大距離750mm，股磨具看裝入壓力機(jī)。
取出塑件的開模距離為
h=++（5~10）=40+15.6+（5~10）=60.6~65.6mm<250 （動梁的最大行程）
——凸模高度
——塑件高度
壓力機(jī)的工作行程滿足要求。
7.2.4壓力機(jī)電功率的計算
模具加熱所需的功率p為
P=0.24G（T-t）
式中
G——壓模重量；
T——工業(yè)用酚醛塑料的模塑溫度一般為160℃；
t——室溫，定位20℃
代入上式
P=0.24×612×（160-20）=2056W
故壓力計的加熱電功率>2056我才滿足需要。
7.3 施壓方向和分型面確定
加壓方向是模具合模和鎖模力的方向，凸模的作用方向在確定加壓方向時要有利于壓力傳遞、便于加料、便于嵌件安裝和固定、保證凸模強(qiáng)度、便于塑料流動、保證重要尺寸的精度和長型芯位于加壓方向上，估加壓方向選擇如圖7所示。
定模和動模相接觸的面稱為分型面，分型面的形狀有品面、斜面、階梯面和曲面。分型面的選擇有利于脫模，由于卡瓦的結(jié)構(gòu)選擇曲面做作為分型面如圖7所示。
圖7 施壓方向和分型面
7.4模具基本結(jié)構(gòu)和脫模方法
由于卡瓦生產(chǎn)和精度要求，在此選擇半溢式壓縮模，塑件用壓力機(jī)頂出系統(tǒng)頂動壓縮模的推桿脫模。
圖8 頂出方式
7.5模具尺寸設(shè)計
7.5.1凸模徑向尺寸
（1）平均尺寸法
為塑料平均收縮率，查表，取=0.15%；
△ 塑件公差值，查表取△=1.4；
為徑向公稱尺寸，=60；
=1.58/3=0.53；
=[（1+）—3/4△]+ =68.45
（2）極限尺寸法，按修模時凹模尺寸增大容易
為塑件最大收縮率，取=0.2%；
=[(1+) —△] + =71.13
校核
++—≦ 成立
由于
塑件收縮率s+模具制造公差塑件公差△
0.15+0.53=0.64≦1.4 成立
故
凸?；境叽鐬?71.13，取整=72 mm
7.5.2．加料室高度計算
所需原料的體積V
V=（1+K）SV1
V1——為塑件體積
K飛邊益料重量系數(shù)，K=1.5~2.7，取K=2；
S為壓縮比，S=0.1~0.2%；
V= （1+2）×618×1.8=3337.2
加料室面積
F=1640
加料室高度H
H=（V+v）/F+（5~10）=16~21mm
7.6成型零件設(shè)計
7.7導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計
模具設(shè)計通常購買標(biāo)準(zhǔn)模架，其中包括了導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)包括導(dǎo)套和導(dǎo)柱，根據(jù)模架的尺寸結(jié)構(gòu)選用合適的導(dǎo)柱，然后選用相對應(yīng)的導(dǎo)套，其結(jié)構(gòu)如圖所示
圖9 導(dǎo)柱
第39頁（共41頁）
7.8型腔的側(cè)壁和底版厚度的計算
通常模具設(shè)計中，型腔壁厚及支撐板厚度不通過計算確定，而是憑經(jīng)驗確定。參考《塑料模具設(shè)計》中的經(jīng)驗數(shù)據(jù)表可知：
型腔側(cè)壁厚度S的經(jīng)驗值為：S=0.2L+17=0.2×190+17=55mm
支撐板厚度h的經(jīng)驗數(shù)據(jù)：h≈0.12b≈0.12×190≈38mm
7.9脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計
卡瓦的頂出頗具技術(shù)性。因為壁和筋都很薄，非常容易損壞，而且壁薄沿厚度方向收縮就很小，使得加強(qiáng)筋和其他小結(jié)構(gòu)很容易粘合，同時高寶壓壓力使收縮更小為避免粘模，應(yīng)使用比常規(guī)成型數(shù)量更多、尺寸更大的頂出銷。
7.10 牙齒的設(shè)計
在卡瓦中，牙齒起著嵌入套管固定位置的作用要求強(qiáng)度 高和硬在卡瓦中，牙齒起著嵌入套管固定位置的作用要求強(qiáng)度 高和硬在卡瓦中，牙齒起著嵌入套管固定位置的作用要求強(qiáng)度 高和硬在卡瓦中，牙齒起著嵌入套管固定位置的作用要求強(qiáng)度 高和硬高。目前硬度高的材料主要有質(zhì)合金和陶瓷等。 硬質(zhì)合金的度和強(qiáng)都很高， 但比重很高，不利于循環(huán)出地面；陶瓷小強(qiáng)度較低。
要在卡瓦固化前將牙齒壓入卡瓦本體，需要牙齒承受一定的壓力，可以利用玻璃纖維增強(qiáng)的酚醛樹脂高強(qiáng)度決解陶瓷強(qiáng)度不夠的缺點，在牙齒的外表面用玻璃纖維包裹起來，具體做法是在牙齒表面加工出一道凹槽，然后涂上粘合劑，包上酚醛樹脂后加上酚醛樹脂的環(huán)，如圖10.
圖10 改進(jìn)牙齒
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