拉挤工艺原理
拉挤是指玻璃纤维等增强材料在外力牵引下，经过浸胶、挤压成型、加热固化、定长切割等一系列工序，连续生产复合材料线型制品的一种方法。增强材料从纱架引出后，经过排纱器进入浸胶槽，浸透树脂胶液后，进入预成型模，将多余树脂和气泡排出，最后进入成型模凝胶、固化。固化后的制品由牵引机连续不断地从模具拔出，由切断机定长切断。它区别于其他成型工艺的地方是需要外力牵引和挤压模塑，故称拉挤成型工艺。
拉挤成型工艺流程如下：
增强材料（纤维及毡材等）排布→浸胶→预成型→挤压模塑及固化→牵引→切割→制品
在拉挤工艺中有六个关键因素：①增强材料传送系统，如纱架、过纱装置、毡架以及输送装置；②树脂浸渍系统；③预成型系统；④模具；⑤牵引装置；⑥切割装置。
纤维的引出方式有两种：内抽和外引。纤维从纱筒内壁抽出时，纱筒固定但纤维发生扭转，产生打捻；纤维从纱筒外壁引出时，可避免扭转现象，但应采用旋转芯轴，减少引出阻力，以及更好地控制纤维张力。
纤维和毡等增强材料的浸渍，在装有胶液的胶槽中进行，一般有三种形式：1. 压纱浸渍；2. 直槽浸渍；3. 滚筒浸渍。其中方法1和2最为常用。压纱浸渍方法简单易行，主要通过纱夹、纱孔、压纱杆等工具，将增强材料压入胶槽浸渍，其不足之处在于对增强材料存在一定的磨损，同时影响增强材料的定位和走向。随着拉挤产品结构的日益复杂，直槽浸渍法的应用越来越普遍，通过真空泵系统，实现胶液的不断回流，既保证了增强材料的良好浸渍，也能够使得纤维和毡的排列整齐、流畅，更易于实现预想的排布。
预浸好的增强材料穿过预成型装置，预成型是根据制品所要求的断面形状而配置的导向装置，具有以下作用：①增强材料的定位；②将增强材料按照产品形状预先有序排列；③排出多余的树脂和气泡，然后再进入模具，进行成型固化，从模具拉出。
一般而言，模具是在系统确定的条件下进行设计的。根据树脂固化放热曲线及物料与模具的摩擦性能，将模具分成三个不同的加热区，其温度由胶液体系的性能确定。模具是拉挤成型工艺中最关键的部分，典型模具的长度范围在0.6～1.2m之间。
模具出口与牵引装置之间的距离一般约3～5m，这个距离需确保复合材料制品可以完成固化过程，并逐渐冷却。牵引装置是一个履带型拉出器或两个往复运动夹持装置，可实现连续运动。通过牵引装置的牵引，将制品从拉挤模具中源源不断拉拔出来。
拉挤设备的末端，设置切割机，将拉挤制品按照要求定长切割。
通用拉挤成型设备
通用拉挤成型设备
图9-30 典型拉挤设备
拉挤成型设备从五十年代发展至今，已逐步完善并定型，能够最大程度实现计算机智能控制，并伴随拉挤产品和工艺的发展呈现多元化趋势。
拉挤设备尽管型号众多，但每台设备均由以下基本部分构成：（1）增强材料架；（2）预成型导向装置；（3）胶液浸渍装置；（4）带加热控制的金属模具；（5）牵引装置；（6）切割装置。
拉挤设备中，内抽头玻璃纤维粗纱配置在纱架上，其他增强材料（如连续毡、表面毡等）通常按切线方向有序放置在多层搁架上，引出时应尽量遵循平行原则，避免行走时出现交叉、错乱。
从原料架上引出的增强材料经过纱板集束整形后，进入胶液浸渍装置。在直槽浸渍法中，胶液浸渍装置由以下几部分组成：托架、浸渍槽、接胶盘、胶液储存桶、循环泵。浸渍槽前后两面均放置导向板，导向板上按照需要设置纱孔和毡槽，以维持增强材料的有序排列。从纱孔和毡槽中漏出的胶液落到接胶盘中，再收集在储存桶，通过循环泵打到浸渍槽中使用。必要时，还可以设置循环水套管和控制树脂温度的加热器，以优化工艺。
浸渍过的增强材料在经过预成型后，进入模具。根据产品结构的不同，拉挤工艺的预成型体系形式多样而丰富，其主要目的在于，使增强材料按照预先设计的铺层结构，从发散状态自然、流畅地过渡到与产品截面相似，完成最终定位，顺利进入模腔。预成型的制作，多用摩擦阻力较小的塑料板，在其上打孔实现导向。结构复杂产品的纤维定位，也可以搭配定位管，将纤维直接引入模具入口。与纤维的预成型相比，毡材的导向则需要制作者具备更高超的技巧，将毡材从单一的平面状态转变为与模腔伏贴的立体形态，是一件充满挑战和技巧的工作。
预成型可以通过框架和模具以及模具托台固定在一起，也可以根据增强材料的铺层结构，设置在浸渍区域的上方或下方?？招牟返脑こ尚鸵话阌胄景敉屑苌杓莆惶?，便于调节同心度，同时节省了操作空间。
浸渍后的增强材料经过预成型后，将顺利进入加热的成型模具。模具通常采用电加热方式，分段加热，模具各区的温度可通过凝胶试验初步确定，并在生产过程中根据产品质量情况进行调整。在生产过程中，设置匹配的模具温度和牵引速度，控制合适的胶凝时间和固化程度，是保证制品质量的关键。生产大型中空制品时，由于芯棒较粗，传热速度较慢，材料在模腔中行进时，内外壁温度会存在较大偏差，从而影响产品固化，可以在芯棒内部安装加热器进行温度补偿，使产品内外受热均匀一致。
刚出模的产品固化度并不能达到理想状态，需要在持续运行中进一步后固化，并在到达牵引装置之前逐渐冷却。处于高速牵引状态中的型材，有时需要使用风机辅助冷却，以减少高温对牵引胶垫的磨损。
常用的牵引系统有两种：上、下履带式牵引系统和交替往复牵引系统。履带式牵引系统由上、下两个对置的不断转动的传动带组成，相对运动的上、下传动带紧紧夹住型材，并拖曳向前。这种牵引系统价格低廉，但通用性略差，对于复杂形状的产品，需要重新加工相应的夹持胶块，包覆在上、下履带上。
交替式往复牵系统克服了履带式的缺点，采用气压或者液压式设计，采用两对夹持胶块的循环往复运动，实现生产的连续。当一对胶块夹持住产品并向前运行时，另一对胶块松开产品，同时后退复位，等待下一次夹持。这种系统便于更换牵引夹具，操作方便，在产品种类较多的情况下，具有广泛的适用性。
位于拉挤机末端的是切割系统，通常采用金刚砂锯片，并配备冷却和润滑，切割时系统与牵引装置同步运动，并由一个定长切割开关控制。液压伺服驱动和程序控制的运用，已使得拉挤设备的自动化程度进一步提升。
2. 新型拉挤工艺及设备
（1）预热工艺和设备
使用射频（RF）发射器对增强材料进行预热，是拉挤工艺发展的飞跃。这种变革利用射频能量预热与金属模具的热传导相结合，缩短了胶液固化时间，极大地提高了拉挤速度。RF发射器置于浸渍段和模具段之间，湿态的纤维束进入模具前，从发射器中穿过， 并在RF作用下产生瞬时分子磨擦热，降低胶液粘度，增强浸润性，并提供胶液反应所需的能量，在这种情况下，即使缩短模具长度，胶液同样可以凝胶、固化，减少了材料通过模具的时间，降低了牵引拉力。这一重大发明显著地提高了拉挤速度，在大型制品的生产上作用尤为显著。
（2）缠绕拉挤和编织拉挤
为提高拉挤制品的环向性能，在传统工艺中引入缠绕和编织技术元素，形成的拉绕工艺和编织拉挤工艺，使得拉挤制品的性能得到突破，综合性能更加优越。
（3）拉挤与注射涂层工艺 一些有特殊要求的拉挤制品，表面需涂覆一层涂层，可设置一台小型注塑机，塑化的塑料液体盛放在一个槽中，从模具拉挤出的型材随即通过塑料液槽，这样就在型材表面涂上了一层涂层，实现外观、性能、耐腐等方面的更高要求。
（4）曲线拉挤设备 曲线拉挤原理是人为控制拉挤制品的固化和后固化过程，使其制品实现所设计的曲线形状。从而突破了传统拉挤只能制造恒截面、直线型产品的思维模式，可以满足变截面产品研发的需求。
3. 拉挤模具
在玻璃钢型材的拉挤成型过程中，模具是各种工艺参数作用的交汇点，是拉挤工艺的核心之一。与塑料挤出成型相比，拉挤成型与其有相似之处，但前者仅是一物理变化过程，后者还伴随着动态的化学反应。相比之下，拉挤模具的工况较前者要复杂得多，所以拉挤模具的设计和制造具有十分重要的意义，它不仅关系着拉挤工艺的成败，决定着拉挤制品的质量和产量，同时也影响拉挤模具的使用寿命。
从工艺角度来讲，拉挤模具一般由预成型模和成型模两部分组成。
（1）预成型模具 在拉挤成型过程中，增强材料浸渍树脂后（或被浸渍的同时），在进入成型模具前，必须经过由一组导纱元件组成的预成型模具，预成型模的作用是使浸渍后的增强材料进一步除去多余的树脂，排除气泡，逐步形成近似成型模腔形状和尺寸，然后进入模具。通过预成型，增强材料逐渐达到所要求的形状，并使增强材料在制品断面的分布符合设计要求。
（2）成型模具 成型模具横截面面积与产品横截面面积之比一般应大于10，以保证模具有足够的强度和刚度，加热后热量分布均匀和稳定。拉挤模具长度是根据成型过程中牵引速度和树脂凝胶固化速度决定，以保证制品拉出时达到脱模固化程度。
拉挤模具的模腔表面要求光洁、耐磨，以减少拉挤成型时的摩擦阻力，提高模具的使用寿命。模具材料的选择直接影响着拉挤模具的性能，模具材料要求具备以下性能：
1)较高的强度、耐腐蚀性、耐疲劳性和耐磨性；
2)较高的耐热性和较小的热变形性；
3)良好的切削性和表面抛光性能；
4)摩擦系数低，阻力小，尺寸稳定性好；
合金模具钢表面光滑致密，硬度高，易于脱模，清理模具时不易损坏，便于渗氮处理和型腔表面镀硬铬，所以拉挤模具一般选用合金模具钢。经过粗加工后再精加工，表面镀硬铬或者渗氮、渗碳处理，使模腔内表面的硬度达到50～70HRC（洛氏硬度），最后用抛光工具抛光，使型面达到很高的光洁度，表面粗糙度达到0.2um的水平，能够非常好地满足上述要求。这样不仅可减小摩擦系数，延长模具的使用期，而且也会改善对树脂的防粘特性。
经历几十年的发展，美国拉挤工业应用最广泛的模具钢主要是4140、P20和A2等少数几个牌号。国内拉挤模具制作中，使用较多的是40Cr、38CrMoAl、42CrMo、5CrNiMo等调质钢，使用效果较好，但与国外加工水平相比，还存在不小的差距。
表9-1列出上述三种美国用钢的化学成份及热处理后的HRC硬度，供我们进行拉挤模具设计和选材时参考。
表9-1 美国拉挤模具钢的化学成份
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|
牌号 |
合金化学组成(%) |
热处理 |
|||||
|
C |
Si |
Mn |
V |
Cr |
Mo |
||
|
P20 |
0.35 |
0.50 |
0.80 |
- |
1.70 |
0.45 |
54 |
|
4140 |
0.40 |
0.25 |
0.90 |
- |
0.90 |
0.21 |
52 |
|
A2 |
1.00 |
- |
0.60 |
0.25 |
5.25 |
1.10 |
62 |
从整个拉挤工业来看，电镀拉挤模具仍占主导地位，非电镀模具仍处于发展阶段。我国拉挤厂家使用表面渗氮处理的拉挤模具，其氮化层厚度为0.2～0.3mm，HRC≥60。从有限的使用经历来看，腐蚀问题仍存在，摩擦阻力也略大于镀铬模具，还有一段较长的路要走。
（3）拉挤模具的设计
拉挤模具通常由若干个单独制造的模具组件装配而成。组件数及分型面的选择，取决于拉挤制品截面构造、模具加工工艺及使用要求。为保证模具分型面或合模缝所对应的拉挤制品外观质量好，不形成飞刺，在满足模具制造的前提下，尽量减少分型面，保证合缝严密。
玻璃纤维浸胶后进入成型模具时，纤维束是在成型机牵引作用下进入模具的。由于模具进口处纤维束十分松散，往往在入口处积聚缠绕，造成断纤。再者，模具在长时间使用过程中，由于积聚缠绕的影响，往往造成入口磨损严重，影响产品质量。为解决这一问题，在模具入口处周边应倒一椭圆截面圆角，同时入口采用锥形，角度在5～8°为宜，长度在50～100mm为宜，可大大减少断纤现象发生，提高了拉挤制品的质量。如下图所示：
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在设计模具时，模具长度的确定要考虑所用原材料和产品截面形状，目前国内模具长度一般设计为900mm—1200mm，模具型腔尺寸决定于制品的尺寸及所选用树脂的收缩率。一般情况下不饱和聚酯产品收缩率为2%—4%，环氧树脂0.5%—2%。对于中空制品，芯棒设计要特别注意，一般芯棒的有效长度为模具长度的2/3～3/4，而在拉挤工艺过程中要考虑到芯棒固定、调整的方便性，此外较大的芯棒还要考虑到配重及加热的问题，以保持水平方向的平衡和受热均匀。综合考虑，对于模具长度为900mm左右的模具，芯棒的长度可设计为 1500mm左右。
（4）拉挤模具的保养与维修
闲置模具通常情况下，需进行清理后，进行必要的防护，避免水、粉尘的腐蚀。芯棒闲置时应挂起，防止由重力引起的形变。
电镀拉挤模具使用一段时间后，可能会发生局部铬层掉落的现象，若面积不大，可通过打磨处理继续使用。打磨处理方法如下：首先选用600目的水砂纸打磨，待打磨到一定程度时，改用较细砂纸。打磨顺序如下：600目→ 800目→1000目→1200目→1500目。打磨过程中，必须不断用航空煤油冲洗模具，把砂纸磨下来的微粒冲掉，以免划伤模具。待水砂纸打磨到1500目以后，改用专用电动抛光机和羊毛抛光盘进行抛光。抛光开始时选用稍粗磨粒的抛光剂，同时羊毛盘选用稍硬一点的，抛2~3次。用煤油冲洗模具，把抛出的微粒冲洗干净，再换用一只稍软的羊毛抛光盘，抛光模具。在抛光过程中，抛光机向一个方向移动，不可停在一处不动，以免模具表面发热，烧坏模具。此过程进行2~3遍，抛光后的模具型腔十分光亮，达到镜面效果，可以继续使用，如下图所示。
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