拉擠成型工藝——I（轉(zhuǎn)貼）

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拉擠成型工藝
1. 概說：
拉擠成型可以說是復(fù)合材料加工方法中最高度自動化與最適合連續(xù)生產(chǎn)的技術(shù)，只要是截面形狀固定的工件，幾乎均可以拉擠的方式來加工，其應(yīng)用范圍已遍及多種民生及航天工業(yè)。因?yàn)槠浯罅可a(chǎn)的特性，得以獲得較低的加工成本，因此在工業(yè)應(yīng)用上有很高的競爭性，又因復(fù)合材料抗腐蝕及絕緣的特性，許多鋼制及鋁制的應(yīng)用領(lǐng)域都有可能以拉擠工件來取代，例如鋁梯，欄桿，角鋼，工型梁都適合用拉擠制品來取代。
拉擠加工法與纏繞法最大的差異是拉擠法適合將大部份的補(bǔ)強(qiáng)材安排在軸向而纏繞法適合在圓周向做補(bǔ)強(qiáng)，因此，在決定以何種方法生產(chǎn)的同時，必須對工件承載負(fù)荷的特性先行了解。
拉擠加工的制程與設(shè)備可概分為五大部份，分別是 (1) 纖維區(qū)，(2) 含浸區(qū)，(3) 預(yù)成型區(qū)，(4) 硬化區(qū)，以及 (5) 拉拔區(qū)，本章中將逐一介紹這五大部份。拉擠成型法傳統(tǒng)上所使用的樹脂均是熱固性，而熱塑性的拉擠技術(shù)還是屬于研發(fā)的階段，而其制程與熱固性樹脂有很大差異，本章中也稍微介紹。
拉擠成型加工程序如圖1.、2.所示，其加工的五大部份分述如下：


圖1.　拉擠成型示意圖


圖2.　拉擠成型示意圖
2. 纖維區(qū)：
拉擠成型法對于纖維的選擇并無太高的限制條件，傳統(tǒng)上是以玻璃纖維中的E-glass為主，另外較高性能的S2-glass及carbon也可應(yīng)用在較高級的產(chǎn)品中。纖維的型態(tài)主要有纖維股 (roving)，短纖席 (mat)，及表面層 (surfacing veil)，另外一般的平面織布也可視需要來使用，使用在拉擠成型工件之各種纖維如圖3所示。


圖3.　使用在拉擠成型工件之各種纖維
     纖維股是拉擠成型主要的補(bǔ)強(qiáng)材，纖維股以圓筒狀繞成，纖維送出可由中心或外緣，其每股含纖維的量，對于玻璃纖維而言是以支數(shù) ( 每1000公尺之克數(shù) ) 來計算，對于碳纖維用的是K數(shù) ( 每股含單纖數(shù)，K表1000 )，而對Kevlar經(jīng)常是用丹尼數(shù) ( 每9000公尺之克數(shù) ) 來表示，上述三種用法是習(xí)慣性的表示法，三者之間也有互換的公式。因?yàn)槔w維股是單向的，對于工件而言，它自然就是負(fù)責(zé)軸向的補(bǔ)強(qiáng)，工件的大小與所使用股數(shù)成正比，纖維股所放置的紗架 (roving creel) 一般都是在最前端，紗架可以是固定的書架式或旋轉(zhuǎn)的橫桿式穿過纖維股的心軸。
短纖席經(jīng)常被用來補(bǔ)強(qiáng)橫向的性質(zhì)，因?yàn)槎汤w席在每個方向都平均分布，對于橫向自然有相當(dāng)?shù)难a(bǔ)強(qiáng)效果，短纖席最大的優(yōu)點(diǎn)是價格較低、加工容易，各種寬度的規(guī)格齊全，短纖席的規(guī)格主要有兩個一是每平方公尺的克數(shù)，另一是短纖的平均長度。對于拉擠用的短纖席，其形狀一律是圓筒帶狀，其紗架 ( 稱之為mat creel) 是旋轉(zhuǎn)橫桿式，一般而言，是水平放置，在拉擠的過程自然帶動短纖席的旋轉(zhuǎn)。
　

圖4.　纖維架
對于橫向補(bǔ)強(qiáng)另一方式是利用纏繞機(jī) (winder) ，如圖5.所示，纏繞機(jī)是一附加裝置，可在拉擠中直接將連續(xù)的纖維股纏繞在工件上，再一起含浸或直接進(jìn)入模具中，纏繞機(jī)的功能類似filament winding或編織中的圓編機(jī)，可將纖維股以一斜角繞在工件上，其角度可經(jīng)由纏繞機(jī)的轉(zhuǎn)速與拉擠的速度二者來配合。因?yàn)槭鞘褂眠B續(xù)纖維來補(bǔ)強(qiáng)，其性能往往比短纖席要高，當(dāng)然，加工成本亦較高。另外，也可以直接以編織布 (woven fabric) ，來當(dāng)橫向補(bǔ)強(qiáng)材，亦可得到不錯的表面質(zhì)感，使用編織布時應(yīng)該注意的是布兩端的銜接，因?yàn)樵诓及@工件時，頭尾部份不連續(xù)，這不連續(xù)會造成產(chǎn)品外觀上甚至是強(qiáng)度的問題。


圖5.　配合拉擠成型使用的纏繞機(jī)
以玻璃纖維加工時，其表面性質(zhì)經(jīng)常是很粗糙，這問題可以在工件表面加上一所謂的表面層 (surfacing veil) ，表面層類似短纖席，但其厚度很薄，往往是由聚酯類的構(gòu)造物，表面層的功能除了外觀平滑之外，同時可具有下列功能，首先，可以降低拉擠工件與模具間的摩擦力，這將有助于延長模具壽命，第二，可以增加工件的抗腐蝕性，第三，可以增強(qiáng)工件抗紫外線的功能，因此，表面層有著對工件保護(hù)的功能，也可根據(jù)不同需求，選用特殊功能的表面層。

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3.含浸區(qū)：
纖維的含浸可說是拉擠最關(guān)鍵的部份之一，不良或不均勻的含浸立即會反應(yīng)在工件的物性及外形。含浸區(qū)主要的構(gòu)造就是樹脂槽 (resin bath)以及纖維導(dǎo)桿 (guide)，在樹脂槽里所裝的樹脂配方必須是根據(jù)加工及物性需求來調(diào)配，樹脂槽中有關(guān)樹脂的添加，可以是自動控制，自動以一定比例添加至樹脂槽內(nèi)，并且有攪拌的功能，保持樹脂的均勻性，當(dāng)然在一般的加工廠里最直接簡單的方式還是樹脂單獨(dú)調(diào)配攪拌，再以人工方式添加樹脂槽內(nèi)。導(dǎo)桿的作用主要有三個，一是將纖維導(dǎo)入槽內(nèi)得以使纖維接觸樹脂，第二是由于導(dǎo)桿的作用使得纖維束得以適度張開，而呈扁平狀，這樣有助于樹脂與纖維的接觸與含浸，第三是導(dǎo)桿可提供摩擦力，使得含浸后的纖維呈張力狀態(tài)，在進(jìn)入模具前不致松散彎曲。纖維的含浸如圖6.所示。
拉擠成型所用的樹脂，平常有不飽和聚酯 (unsaturated polyester，簡稱UP)，聚乙烯酯 (vinyl ester) 及環(huán)氧樹脂 (epoxy) ，有關(guān)拉擠用的樹脂及其它添加物將在下節(jié)中詳述。
　

圖6.　纖維的含浸
4.預(yù)成型區(qū)：
預(yù)成型 (preforming) 一般用在拉擠可能有兩種功用，第一是賦于概略形狀，除去多于樹脂回流至樹脂槽，例如實(shí)心圓桿的加工，利用預(yù)成型模來賦于直徑稍大的前置加工，因纖維束形狀已概略成形，再進(jìn)入硬化模時得以順利進(jìn)行，可以降低纖維束與硬化模入口處的摩擦與多余樹脂。
第二種功用，是賦于纖維束、mat、或其它補(bǔ)強(qiáng)材適當(dāng)?shù)奈恢?，以進(jìn)入硬化模，這對于形狀復(fù)雜的工件尤其重要，例如，一工型梁包含三個部份，上緣，下緣與中間的幅板，三個部份所需纖維量各異，因此，必須有導(dǎo)桿和導(dǎo)孔來引導(dǎo)纖維束進(jìn)入所指定的位置，若沒有做引導(dǎo)纖維束的位置可能隨著加工的進(jìn)行而產(chǎn)生改變而導(dǎo)致纖維分布不均，甚至導(dǎo)致無法加工的情形。預(yù)成型架如圖7.、8.所示。
這兩種功能，其所需的裝置完全不一樣，但均列在所謂的的預(yù)成型區(qū)，其目的不外乎讓加工更加的順利。
　

圖7. 預(yù)成型架　

圖8.　預(yù)成型架


5.硬化區(qū)：
此區(qū)域是拉擠最重要的部份，樹脂的硬化與工件的外形在此區(qū)域完成。這部份包含有拉擠模具 (die) 與加熱裝置，模具就是要賦于工件的形狀，模具主要的材料是工具鋼，模具的組成從單件式到多件式均可依需求不同而做不同的設(shè)計，比較簡單形狀的工件可用兩件式的上下模，模具的加工主要是用銑床與磨床，在進(jìn)口處銑制成喇叭口以利纖維的進(jìn)入，模具需經(jīng)鍍鉻硬化處理以增長其壽命，模具需要高度精密的加工，合模位置的準(zhǔn)確尤其重要，否則在合模面處工件會有表面不平的現(xiàn)象。合模面必須以溶劑清洗諸如樹脂類的異物，以保持模面的干凈，一般模具都有合模槽以利做準(zhǔn)確的合模。在加工中空管狀物時，除了外模之外，另需要一內(nèi)模來提供內(nèi)表面，內(nèi)模與外模是獨(dú)立的放置，一般而言內(nèi)模均是以懸垂 (cantilever) 的方式懸掛在外模之內(nèi)，而其前端的支撐往往是附在預(yù)成型區(qū)的架子上，因?yàn)閮?nèi)模是采用懸垂式的，過長的內(nèi)模對于懸掛會有問題，不當(dāng)?shù)膽覓鞂ぜ木葧胁涣加绊憽Ｈ鐖D9.所示。
典型的模具長度在30~150 cm 之間，愈大的工件需要愈長的模具來完成熱傳與硬化。因?yàn)闃渲谟不笥惺湛s的問題，同時，模具溫度較高，工件從高溫的模具到外界的室溫也會自然的冷卻收縮，這兩個因素都會造成工件尺寸縮小的問題，因此，在設(shè)計模具時，就需要做適當(dāng)?shù)姆糯笮拚?，其修正量依樹脂及纖維的種類來決定，除了尺寸之外，在加工角型工件時，其角度也有內(nèi)縮的現(xiàn)象，例如ㄇ型，L型的工件等，因此，其角度也需做往外偏的修正量。
在硬化區(qū)的另一重要的裝置就是加熱與溫度控制，加熱的方式很多，有電熱板，電波加熱與熱油循環(huán)，較經(jīng)濟(jì)直接的方式就是在模具直接以電熱板夾持加熱。除了加熱之外就是溫度控制，較直接的方式就是在模具上安裝熱電偶測溫器，從模具入口處到出口處之間，一般而言需做多點(diǎn)溫度控制，至于點(diǎn)數(shù)則依需求而定，在加工時必須先設(shè)定溫度，在溫度超過設(shè)定值時，電熱板的電流自動停止。為了使樹脂的硬化更均勻，模具的溫度往往在入口處較低而在出口處較高，也就是溫度分布呈一梯度上升，為了要達(dá)到此溫度分布，只靠加熱電流的ON或OFF有時無法完成，因?yàn)槟＞呤菬岬牧紝?dǎo)體，會從高溫的一端流向低溫的一端，因此，縱使入口處電流一直O(jiān)FF，其溫度可能一直高于設(shè)定值，若這種情形發(fā)生，則模具本身需要有外加的冷卻水系統(tǒng)來輔助溫度控制，如圖10.所示，冷卻水從下模流入，經(jīng)上模而流出，冷卻水道只設(shè)在模具前端。
另一種輔助加熱的裝置稱之為增強(qiáng)硬化 (augmented cure) ，其作法是在纖維入?？谥跋刃蓄A(yù)加熱，因?yàn)闆]有導(dǎo)體不能用電熱而必須改用微波的方式促使樹脂內(nèi)分子互相摩擦而生熱，加溫的含浸纖維束再進(jìn)入模具配合電熱板再行最后成形、硬化。這種增強(qiáng)硬化的方法是樹脂所需熱傳導(dǎo)的時間縮短了，也就是意味著模具長度可以縮短，這對于模具成本有很大的幫助，尤其是對于大型工件的模具，經(jīng)濟(jì)效應(yīng)更加顯著。





　








圖9.　拉擠成型模具













圖10.　模具冷卻系統(tǒng)
6. 拉拔區(qū)：
拉拔區(qū)必須提供工件拉擠時所需的拉拔力與速度控制，拉拔的方式主要有兩種履帶式 (caterpillar) 及往覆式 (reciprocating) ，如圖11~14所示 。
履帶式由上履帶與下履帶組合而成，由履帶的運(yùn)動來提供夾持力與拉拔力，由于履帶架本身是固定不動所會造成的機(jī)械問題也相對的少。往覆式的機(jī)構(gòu)包含兩個拉拔塊，分別一前一后，拉拔塊的動作分別是 (a) 夾持 (b) 向前拉 (c) 放松，與 (d) 向后回到原位準(zhǔn)備下一次拉拔。由于往覆式的拉拔塊約有 的時間是向后退，無法提供拉拔力，因此，需要有兩個拉拔塊在一組向后時，另一組作向前拉的動作，這樣兩個拉拔塊分工可以達(dá)到提供定速的目的。拉拔塊的動作 (a)～(d) 可由氣壓或油壓來自動控制夾持力及拉拔速度。另有環(huán)型迥旋式拉拔機(jī)構(gòu)，如圖15.所示 。這是十分特殊的拉擠成型機(jī)，結(jié)合了拉拔與卷曲，但其限制是工件必須能卷曲而不斷裂，因此只適用于較細(xì)的工件。
　

圖11.　履帶式拉拔機(jī)構(gòu)　

圖12.　往覆式拉拔機(jī)構(gòu)
在拉擠加工時，有時可將拉拔暫停數(shù)秒至數(shù)十秒的時間，在這段時間內(nèi)工件在模內(nèi)靜止，卻繼續(xù)硬化，其主要的功用是若有任何雜質(zhì)黏在模面上，可經(jīng)由樹脂的硬化將雜質(zhì)一起帶出而達(dá)到所謂的清模動作，清模甚至是加工的一部份，在固定的拉拔長度之后即進(jìn)行一次清模動作。這樣有助于在長時間連續(xù)生產(chǎn)的情況下，維持模具的清潔。
在拉拔塊之后，即是切割機(jī)，在工件拉拔至一預(yù)定的長度后將工件切割下來。切割的動作可自動控制，當(dāng)工件累積至預(yù)定長度后會啟動一微動開關(guān)，來開啟切割機(jī)。因?yàn)楣ぜ沁B續(xù)生產(chǎn)，在切割的同時工件也在向前移動，因此，切割機(jī)也必須同步向前移動，在切割完成后，再回到原位。

圖13.　往覆式拉拔機(jī)構(gòu)

圖14.　往覆式拉拔機(jī)構(gòu)

圖15.　 環(huán)型拉擠成型機(jī)

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7. 樹脂配方：
拉擠成型有一特性就是必須快速硬化，一般而言樹脂在模具的時間不超過一分鐘，也就是說，樹脂硬化的化學(xué)反應(yīng)必須在一分鐘內(nèi)完成，如此短的硬化時間若樹脂配方無法配合，則容易產(chǎn)生硬化不足或熱應(yīng)力的問題，因此，樹脂配方可說是決定了拉擠成功與否的重要因素。常用的樹脂與添加物分述如下。
7.1聚酯樹脂：
與玻璃纖維配合的樹脂最普通的就是聚酯，因其物性、加工性一般而言能滿足需求且其價格低廉十分具有競爭性。聚酯樹脂對于水、鹽、稀釋酸、稀釋堿等環(huán)境具有良好的抵抗性，然而對于芳族烴類，酮類及強(qiáng)酸等抵抗性并不理想。因?yàn)橐话悴捎镁遣伙柡途埘?，在硬化后，聚酯樹脂會大幅收縮，甚至?xí)竭_(dá)百分之七。過度的收縮除了會導(dǎo)致工件尺寸變形之外，更會造成熱應(yīng)力與裂縫，有關(guān)收縮的問題可經(jīng)由填充料的添加來緩和。聚酯樹脂的 點(diǎn)介于80℃與120之間，( 因不同組成而異 ) ，超過 后因分子鍵的移動會使機(jī)械性質(zhì)。聚酯樹脂在無添加料的情況下會助燃，因此，能達(dá)到難燃、低煙的添加料是必須的。聚酯之特點(diǎn)之一就是電的絕緣體，甚至在相當(dāng)高溫下仍能保持此特點(diǎn)。
7.2乙烯酯樹脂：
與聚酯比較起來，乙烯酯樹脂有更好的耐蝕性與高溫機(jī)械性質(zhì)，乙烯酯樹脂在鍵結(jié)硬化的化學(xué)反應(yīng)，只發(fā)生在高分子鍵的末端，這使得鍵結(jié)密度較低。乙烯酯的價格比聚酯高50%到100%，然而，其層間剪應(yīng)力、韌度與耐沖擊強(qiáng)度都比較好，也較不容易產(chǎn)生化學(xué)分解使得其耐高溫較佳。因?yàn)榉磻?yīng)點(diǎn)較少之故在硬化鍵結(jié)的反應(yīng)速率上也比較慢，其pot life約在24至48小時之間。
7.3環(huán)氧樹脂：
環(huán)氧樹脂比前二者具有更佳的物性，并且對耐溫性也較前二者為佳，在以碳纖維為主的應(yīng)用中，環(huán)氧樹脂是主要的配合基材。在拉伸強(qiáng)度與剪力強(qiáng)度方面環(huán)氧樹脂高于前二者，但是相對地硬度較高，導(dǎo)致較脆與韌度較低，這問題可經(jīng)由補(bǔ)強(qiáng)材適當(dāng)?shù)陌才艁碓黾訌?fù)材整體的韌度，另一個方法就是經(jīng)樹脂改質(zhì)或添加柔軟物如橡膠來增強(qiáng)能量吸收的能力。在價格成本方面，環(huán)氧樹脂較高，更重要的是，其加工成本也較高，因此，在選擇物性的環(huán)氧樹脂時，也必須考慮到其原料與加工成本。
7.4添加劑：
添加劑中最重要的是硬化劑的種類與含量，在拉擠所用的硬化劑經(jīng)常會使用兩種以上的硬化劑，其中含有較低溫型的與較高溫型的硬化劑混合使用，這樣的作法其目的是讓硬化進(jìn)行的分布更平均，也就是說模具入口 ( 較低溫 ) 到出口 ( 較高溫 ) 都可持續(xù)進(jìn)行硬化。
脫模劑也是樹脂配方中不可缺少的一項(xiàng)，在一般復(fù)合材料加工所用的脫模劑種類很多，但對拉擠而言，脫模劑均是內(nèi)溶式的，脫模劑溶在樹脂之中，而當(dāng)樹脂反應(yīng)完成交鏈硬化后脫模劑會分離出而附在模具的表面，使得模具與樹脂分離，達(dá)到脫模的目的。在使用脫模劑時應(yīng)注意的事項(xiàng)包括有是否會使樹脂黏度增加，是否在工件表面形成一薄膜而使后續(xù)涂裝工作困難，是否會使工件色彩改變，以及是否會造成模面的侵蝕作用等等。
填充料也是經(jīng)常使用在樹脂配方中，其主要的目的是降低基材的成本，但使用填充料同時也會使機(jī)械與物理性能降低。其它經(jīng)常使用在配方中的添加劑還包括抗紫外線劑、色膏、抗燃劑、抗收縮劑等等。
8.應(yīng)用：
因?yàn)槔瓟D成型有高度自動化大量生產(chǎn)的特性，特別適合民生用產(chǎn)品，許多金屬件也逐漸被拉擠成型的FRP工件來取代，圖16.與17.所顯示出各式各樣的拉擠工件，包含有實(shí)心方管、實(shí)心圓管、工型梁、C型梁、空心方管、空心圓管以及空心加助補(bǔ)強(qiáng)工件，其截面形狀變化能力非常高，幾乎任何截面都可制造出。圖18.是一應(yīng)用在花園圍籬欄桿的例子，以往均是以鐵材焊接涂漆而成，然而金屬件接觸土壤、空氣、雨水等容易有銹蝕的情形發(fā)生，使用壽命有一定年限，并且要經(jīng)常補(bǔ)漆保養(yǎng)，然而使用復(fù)合材料拉擠工件來當(dāng)欄桿完全沒有銹蝕的問題，結(jié)構(gòu)輕便、施工與保養(yǎng)容易是其優(yōu)點(diǎn)。圖19.是常用的A形梯，以拉擠工件來當(dāng)梯子主結(jié)構(gòu)也非常適合。一方面比鋁制梯子還輕1/3左右，同時又有絕緣效果，方便性、安全性都高。另外當(dāng)房屋建材方面也有極大的應(yīng)用，屋頂波浪版、工型梁、中空方型梁都適合取代又重又容易銹蝕的鋼制結(jié)構(gòu)材。我們可預(yù)見拉擠成型工件的輕、強(qiáng)、產(chǎn)量大、容易制造、成本低等優(yōu)點(diǎn)會逐漸取代金屬件，而在民生工業(yè)構(gòu)件占有一席之地?！?br />
圖16.　拉擠成型工件　

圖17.　拉擠成型工件　

圖18.　拉擠成型欄桿　

圖19.　拉擠成型A形梯

rcbai

初涉拉擠領(lǐng)域，希望在此與各位同仁多多交流。初次發(fā)帖（不知何故圖沒上去），希望對與我一樣的朋友有所啟示！

stuart

很不錯，好好學(xué)習(xí)，希望能很快見到圖片。

qq寄生蟲

能說一下拉擠成型國內(nèi)外的狀況么??
謝謝