大型SMC復(fù)合材料艇身整體模壓成型技術(shù)應(yīng)用研究

摘要： 文章從艇身smc熱壓模具設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、艇身smc成型工藝關(guān)鍵技術(shù)等方面對(duì)于某高速摩托艇艇身smc壓縮模具設(shè)計(jì)與制造進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

1 艇身smc壓縮模具設(shè)計(jì)與制造

1.1 艇身壓縮模具設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

smc熱固性玻璃鋼壓縮模是將片狀玻璃纖維板料料放入成型溫度下的模具加料腔，使其受熱受壓，成為熔融狀態(tài)充滿整個(gè)型腔，當(dāng)塑件固化成形后，上下模打開利用頂出裝置頂出塑件，從而得到所需制品，主要用于熱固性塑料成型。其特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、無(wú)澆注系統(tǒng)、料耗少、制品變形小、收縮小、各向異性小。壓縮模的典型結(jié)構(gòu)為固定式壓縮模，其上下模都固定在壓機(jī)上，開模、合模、脫模等工序均在壓機(jī)內(nèi)進(jìn)行，生產(chǎn)效率高，操作簡(jiǎn)單，勞動(dòng)強(qiáng)度小，開模振動(dòng)小，模具壽命長(zhǎng)。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，且安放嵌件不方便。適用于成形批量較大或形狀較大的塑件。熱固性塑料壓縮成型需花較高的溫度下進(jìn)行，因此模具必須加熱，常見的加熱方式有電加熱、蒸汽加熱、煤氣或天然氣加熱等，電加熱應(yīng)用普遍，但是其維修保養(yǎng)麻煩，且溫度均勻性難以控制。高精度的smc壓縮模應(yīng)用較多的是采用油加熱，其加熱溫度可保證一致性好，且成本低同時(shí)可延長(zhǎng)模具的使用壽命。 copyright 123456

壓縮模的典型結(jié)構(gòu)可按如圖1所示的方式分類,按與壓機(jī)連接的方式可分為移動(dòng)式和固定式，按照模具凸凹模配合的結(jié)構(gòu)形式可分為溢式、半溢式和不溢式三種。其中不溢式壓縮模又稱封閉式壓縮模，這種模具有加料室，其斷面形狀與型腔完全相同，加料室是型腔上部的延續(xù)。沒(méi)有擠壓邊，但凸模與凹模有高度不大的間隙配合，一般每邊間隙值約0.075 mm左右，壓制時(shí)多余的塑料沿著配合間隙溢出，使塑件形成垂直方向的毛邊。模具閉合后，凸模與凹模即形成完全密閉的型腔，壓制時(shí)壓機(jī)的壓力幾乎能完全傳給塑料。不溢式壓縮模的特點(diǎn)是塑件承受壓力大，故密實(shí)性好，強(qiáng)度高。不溢式壓縮模由于塑料的溢出量極少．因此加料量的多少直接影響著塑件的高度尺寸，每模加料都必須準(zhǔn)確稱量，所以塑件高度尺寸不易保證，故流動(dòng)性好、容易按體積計(jì)量的塑料一般不采用不溢式壓縮模。凸模與加料室側(cè)壁摩擦，不可避免地會(huì)擦傷加料室側(cè)壁，同時(shí)，加料室的截面尺寸與型腔截面相同，在頂出時(shí)帶有傷痕的加料室會(huì)損傷塑件外表面。不溢式壓縮模必須設(shè)置推出裝置，否則塑件很難取出。如圖2所示為典型的壓縮模結(jié)構(gòu)示意圖。

不溢式壓縮模一般不設(shè)計(jì)成多腔模，因?yàn)榧恿喜痪饩蜁?huì)造成各型腔壓力不等，而引起一些制件欠壓。不溢式壓縮模適用于成形形狀復(fù)雜、壁薄和深形塑件，也適用于成形流動(dòng)性特別小、單位比壓高和比容大的塑料。例如用它成形棉布、玻璃布或長(zhǎng)纖維填充的塑料制件效果好，不僅僅是因?yàn)檫@些塑料流動(dòng)性差，要求單位壓力高；而且若采用溢式壓縮模成形，當(dāng)布片或纖維填料進(jìn)入擠壓面時(shí)，不易被模具夾斷而妨礙模具閉合．造成飛邊增厚和塑件尺寸不準(zhǔn)．去除困難。而不溢式壓縮模沒(méi)有擠壓面，所得的飛邊不但極薄，而且飛邊在塑件上呈垂直分布，去除比較容易，可以用平磨等方法去除。


圖1 壓縮模典型結(jié)構(gòu)分類方式

半溢式壓縮模又稱為半封閉式壓縮模，這種模具具有加料室．但其斷面尺寸大于型腔尺寸。凸模與加料室呈間隙配合．加料室與型腔的分界處有一環(huán)形擠壓面．其寬度約4—5 mm。擠壓邊可限制凸模的下壓行程，井保證塑件的水平方向毛邊很薄。半溢式壓縮模的特點(diǎn)是模具使用壽命較長(zhǎng)。因加料室的斷面尺寸比型腔大，故在頂出時(shí)塑件表面不受損傷．塑料的加料量不必嚴(yán)格控制，因?yàn)槎嘤嗟乃芰峡赏ㄟ^(guò)配合間隙或在凸模上開設(shè)的溢料槽排出。塑件的密度和強(qiáng)度較高，塑件徑向尺寸和高度尺寸的精度也容易保證簡(jiǎn)化加工工藝。當(dāng)塑件外形復(fù)雜時(shí)，若用不溢式壓塑模必造成凸模與加料室的制造困難．而采用半溢式壓塑模則可將凸模與加料室周邊配合而簡(jiǎn)化。半溢式壓縮模由于有擠壓邊緣，在操作時(shí)要隨時(shí)注意清除落在擠壓邊緣上的廢料，以免此處過(guò)早地?fù)p壞和破裂。由于半溢式壓縮模兼有溢式壓縮模和不溢式壓縮模的特點(diǎn)，因而被廣泛用來(lái)成形流動(dòng)性較好的塑料及形狀比較復(fù)雜、帶有小型嵌件的塑件，且各種壓制場(chǎng)合均適用。溢式壓縮模由于其成本低，常用于制件技術(shù)含量低要求不高的場(chǎng)合。 內(nèi)容來(lái)自123456


1 內(nèi)六角螺釘 2 承壓板 3 上模座板 4 加熱板 5、9、21 內(nèi)六角螺釘 6沉頭螺釘 7 凸模
8 圓柱銷釘 10 導(dǎo)柱 11 凹模固板 12 導(dǎo)套 13墊塊 14支承板（加熱板） 15 凹模 16推板導(dǎo)柱
17 推板導(dǎo)套 18 推板 19推桿固定板 20推桿 22下模座板

圖2 壓縮模的典型結(jié)構(gòu)示意圖

1.2艇身smc熱壓模具設(shè)計(jì)與制造

smc壓縮模由型腔、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、側(cè)向分型抽芯機(jī)構(gòu)、脫模機(jī)構(gòu)、加熱系統(tǒng)等機(jī)構(gòu)組成。其中型腔是直接成型塑件的部位，型腔與加料室共同起裝料的作用。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)用來(lái)保證上下模合模的對(duì)中性。保證推出機(jī)構(gòu)上下運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。在成型帶有側(cè)向凹凸或側(cè)孔的塑件時(shí)，模具必須設(shè)有各種側(cè)分型抽芯機(jī)構(gòu)，塑件才能抽出。固定式壓縮模在模具上必須有脫模機(jī)構(gòu) (推出機(jī)構(gòu))。smc壓縮模設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是其凸模與凹模配合結(jié)構(gòu)形式，典型的包括溢式壓縮模，其凸、凹模無(wú)配合，凸、凹模接觸面應(yīng)光滑平整，但不宜太大，設(shè)計(jì)成寬3～5mm環(huán)形面，但這樣環(huán)形面易損。不溢式結(jié)構(gòu)其凸凹模配合間隙與配合高度要適當(dāng)，太小則排氣困難，凸、凹模易擦傷，太大則溢料嚴(yán)重，飛邊難去除。半溢式結(jié)構(gòu)其因帶有水平擠壓面，擠壓面寬度不應(yīng)太小。為使余壓全部由擠壓面承受，必須設(shè)承壓塊?，F(xiàn)代產(chǎn)品成型工藝中因溢式壓縮模的固有缺陷，其應(yīng)用較少。應(yīng)用較多的是半溢式和不溢式兩種結(jié)構(gòu)。

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摩托艇艇身覆蓋件是目前國(guó)內(nèi)最大的smc模壓件，加上其外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜、鑲嵌件多、成型難度高、配合精度高、耐海水腐蝕等要求；同時(shí)承受著艇的各種運(yùn)行工況作用，因而要求重量輕、比強(qiáng)度高。采用傳統(tǒng)的手糊成型工藝不僅產(chǎn)品質(zhì)量差、技術(shù)含量低、一致性差，而且存在勞動(dòng)強(qiáng)度高、生產(chǎn)效率低、制造成本高等缺陷。艇身采用smc片狀模塑料壓制成型，將填補(bǔ)國(guó)內(nèi)采用此種方法成型全smc復(fù)合材料艇身的空白。采用鋼板拼焊整體模具設(shè)計(jì)制造，通過(guò)油循環(huán)加熱實(shí)現(xiàn)smc艇身的熱模壓，實(shí)現(xiàn)smc艇身的大批量無(wú)余量生產(chǎn)。smc模壓最核心的主要依賴于模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模壓的時(shí)間、壓力溫度等工藝參數(shù)的合理制定、熱變形的校正措施等。

ugnx提供了基于專家系統(tǒng)的注塑模（mold wizard）、鈑金零件沖壓模（die engineer）、級(jí)進(jìn)模（progressive die wizard）等模具設(shè)計(jì)功能，模具專家設(shè)計(jì)系統(tǒng)融入了模具設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)和系統(tǒng)開發(fā)師的智慧，使用它們可以加速模具設(shè)計(jì)速度，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。模具設(shè)計(jì)向?qū)Ъ夹g(shù)提供了基于最優(yōu)實(shí)踐基礎(chǔ)上的、逐步引導(dǎo)式進(jìn)行構(gòu)造的工作流程，使許多企業(yè)的模具設(shè)計(jì)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。使得企業(yè)在模具設(shè)計(jì)制造（規(guī)劃、采購(gòu)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、電極設(shè)模具制造）的并行展開，因而縮短了交付時(shí)間。由于艇身smc熱成型壓縮模在模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上與注塑模有相似的地方，因此在進(jìn)行艇身熱壓模具設(shè)計(jì)時(shí)，充分利用注塑模（mold wizard）模具設(shè)計(jì)的相似性解決模具分模，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的設(shè)計(jì)工作。

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如圖3所示為對(duì)該艇身smc模壓成型的模具設(shè)計(jì)、模具數(shù)控加工編程以及模具實(shí)物。該模具結(jié)構(gòu)為封閉式、油循環(huán)加熱成型艇身。此種結(jié)構(gòu)較開放式、電加熱型模具，其產(chǎn)品重量可以嚴(yán)格控制、無(wú)飛邊、壁厚一致性好、加熱均勻、維修維護(hù)方便、模壓能耗低等多種優(yōu)點(diǎn)。模具設(shè)計(jì)最主要的為凸凹模凸凹模之間的接口配合設(shè)計(jì)對(duì)溢料飛邊的影響、加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、頂出機(jī)構(gòu)與模具的表面光潔度與修配余量的控制。


圖3 摩托艇艇身模具設(shè)計(jì)制造與實(shí)物

2 艇身smc模壓成型工藝關(guān)鍵

壓縮模塑前的準(zhǔn)備的工作包括模具調(diào)整、預(yù)壓。壓縮模塑過(guò)程中對(duì)于大的嵌件應(yīng)預(yù)熱；關(guān)鍵是加料量應(yīng)準(zhǔn)確。凸模為接觸塑料前應(yīng)快，接觸后要慢。排氣應(yīng)安排在塑料未固化前，速度要快。固化速度和固化程度要適當(dāng)，使制品性能好，生產(chǎn)效率高。要控制兩個(gè)參數(shù)是固化速度和固化程度。固化速度過(guò)快容易導(dǎo)致充模不滿；過(guò)慢則生產(chǎn)周期長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低。固化程度不足則導(dǎo)致力學(xué)強(qiáng)度、耐蠕變性、耐熱性、化學(xué)性能下降；固化過(guò)度則導(dǎo)致力學(xué)強(qiáng)度不高，脆性大，變色，表面有氣泡。脫模劑的選用在每件制品模壓前也起著重要的作用，同時(shí)在模具清理時(shí)可用銅刀或銅刷去除殘留物，用壓縮空氣吹凈模具。 本文來(lái)自123

壓縮模塑成型的壓力在整個(gè)成型過(guò)程中，壓力的變化與壓縮模類型有關(guān)。成型壓力主要根據(jù)塑料種類、塑料形態(tài)、制品形狀及尺寸、成型溫度和壓縮模結(jié)構(gòu)等確定。提高壓力，利于充模，但太高，易損壞嵌件與模具。成型時(shí)模具溫度，比熱塑性塑料模溫更重要。型腔內(nèi)熱固性塑料最高溫度大于模具溫度；熱塑性塑料低于模溫。模壓時(shí)間與成型溫度有關(guān)，成型溫度越高，時(shí)間越短。還與塑料種類、制品形狀及厚度、壓縮模結(jié)構(gòu)、預(yù)壓和預(yù)熱、成型壓力等有關(guān)。模壓時(shí)間太長(zhǎng)，會(huì)產(chǎn)生過(guò)熟，導(dǎo)致制品強(qiáng)度下降，過(guò)短，則欠熟。

艇身smc模壓過(guò)程中的關(guān)鍵要素分別為填料、加壓、溫度、保溫時(shí)間、起模、模具潤(rùn)滑等。其中smc原材料對(duì)模壓的有著重要的影響，如s35/1039/1046三種不同的材料，其模壓的過(guò)程控制不同。如s35的材料，其綜合機(jī)械性能高，纖維含量高且纖維絲較長(zhǎng)，樹脂含量低，其熱模壓時(shí)成型流動(dòng)比較困難，因此在鋪料時(shí)要求鋪料要盡可能的均勻分布。1039則綜合機(jī)械性能較低，樹脂含量高，成型流動(dòng)性好，但是脆性大。而1046這種類型的材料，綜合機(jī)械性能適中，樹脂含量和纖維含量適中，該材料的綜合機(jī)械性能與成型工藝性能介入s35與1039之間，是比較適合大型薄壁殼體的成型的。從上述分析來(lái)看，在選擇模壓工藝前，首先要對(duì)纖維、樹脂的含量對(duì)成型工藝性、機(jī)械性能等方面分析，從而能夠比較好的確定其模壓工藝參數(shù)與過(guò)程控制。

艇身smc模壓常見的缺陷主要包括重量超標(biāo)或者過(guò)小、表面出現(xiàn)裂紋、表面光潔度不夠、表面顏色不均勻且有些部位出現(xiàn)黃色、脫模不順暢有時(shí)出現(xiàn)粘模的現(xiàn)象。針對(duì)上述情況在試模時(shí)的填料在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上通過(guò)工藝試驗(yàn)驗(yàn)證的方法進(jìn)行合理的控制，同時(shí)配制樣板在smc板料的基礎(chǔ)上對(duì)填料進(jìn)行控制下料稱重。模具表面溫度通過(guò)溫度測(cè)量計(jì)對(duì)多處關(guān)鍵點(diǎn)的溫度進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)溫度分布均勻的需要，對(duì)模具加溫和流道等進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)制造來(lái)保證，在設(shè)計(jì)初期可通過(guò)有限元模擬的方法對(duì)流道進(jìn)行傳熱分析模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效的保證了模壓時(shí)模具溫度的均勻一致性。針對(duì)模壓后，由于產(chǎn)品取出后為高溫達(dá)120o左右狀態(tài)，因此對(duì)脫模后的產(chǎn)品為保證產(chǎn)品的外形和減小冷卻過(guò)程中的變形，通過(guò)校形鋪放工裝有效的保證了產(chǎn)品的外觀尺寸精度一致性要求。如下圖所示為艇身模壓出的實(shí)物圖，經(jīng)過(guò)裝配粘接與水上試驗(yàn)，通過(guò)smc成型的方式，不僅有效的減輕了整艇的重量，同時(shí)有效的保證了產(chǎn)品的密封性、行駛的穩(wěn)定性和使用強(qiáng)度與疲勞要求,如圖4所示為壓制成型合格后的實(shí)物。 內(nèi)容來(lái)自123456


圖4 艇身模壓實(shí)物圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文重點(diǎn)對(duì)某高速摩托艇為例，對(duì)其艇身smc壓縮模具設(shè)計(jì)與制造進(jìn)行了重點(diǎn)介紹。希望能為讀者提供一些借鑒。

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中國(guó)航天科工集團(tuán)第九研究院紅陽(yáng)機(jī)械廠（湖北孝感 432100）