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第六节 成型和固化(上)

浏览次数: 日期:2017-06-07

成型和固化

在摩擦材料制品的生产过程中一般最常用的成型方法,是将压塑料在压力和加热条件下进行成型和固化,才能获得具有规定形状、一定密实度、硬度和机械强度的摩擦片制品。也有极少产品系在常压下与较低温度下成型。这里主要介绍最常用的摩擦材料的成型固化工艺方法,其包括热压成型(热模压)、冷压法成型固化和辊压法成型固化等工艺。这些工艺方法各有其特点,有些工艺系加热加压在同一设备中同时进行,有的工艺系加热和加压在不同设备中分开进行。下面分别介绍之。

一、热压成型工序

热压成型工序,又称压制工序或热模压工序,是将压塑料(粉状、块粒状、片状、线质或布质压塑料)放入已加热到一定温度的模具中,经过合模加压,使其在压模中成型并固化,由此获得各种压制品——刹车片。离合器片及各种模压摩擦片。长期以来,热压成型工艺一直是国内外使用最广泛的成型固化工艺。

酚醛树脂的模塑成型工艺有浇铸成型和模压成型之分。酚醛摩擦材料的生产系采用热模压成型工艺。——酚醛压塑料在加热加压条件下固化成型,其原因有两个方面,第一是压塑料的流动性因素。在摩擦材料生产中,为使摩擦材料获得所需要的摩擦性能和机械强度,通常在配方组份中,填料和纤维增强材料的用量要占到80—90%,而树脂粘合剂的用量仅占10—20%,故而其压塑料的流动性比较差,若采用浇铸成型工艺,不能使压塑料布满模腔而获得成型制品。我们通常必须采用加热加压的模塑工艺——使压塑料在加热到固化温度(150—160℃)的模腔中,于一定压力下流动,布满模腔,并受热固化,从而获得固化成型制品;第二压塑料中的酚醛树脂在固化温度下进一步缩聚,由线型结构或支链结构逐步转变为立体交联结构,最终实现固化,在此过程中,树脂会放出水份和低分子物质,它们在成型温度—150℃下会产生较大的蒸汽压力,若其从成型制品的表面逸出时会使制品损坏而报废,因此,模具中的制品在充分固化前需保持较高的成型压力。

热压成型工艺的特点在于压塑料的压制成型和加热固化在压模中同时进行。

(一)压机

压机是热压成型的主要设备,它提供压塑料在模具中成型所需的压力,以及脱模时所需要的脱模力。各压机生产厂的压机结构均有所不同,但工作原理相同。下面以吉林大学机电所生产的用于盘式片生产的JF644型4000KN六层热压机为例进行介绍。

JF6444000KN 6层热压机主要用于盘式制动刹车片两步法定厚度热压成型。压机结构由主机,液压站,电控系统,升降台等组成,由于设有自动升降台,并采用PLC控制系统,实现了自动化生产,操作人员只需将预成型毛坯放入模腔和将压好的产品从模具中取出即可。所以操作方便,省时省力,由于6层同时压制,每层轮流起模,且升降工作台自动升降到每层平面装模出模,使得劳动条件得到改善,大大提高了生产率。

工作时,操作者将装有预成型毛坯件的热压模具按工作升降顺序,顺次装入热板之间,主缸(下置)滑块上升达到压制状态开始加压,当压力增大到设定压力时,开始保压(保压时间由工艺设定),保压到设定时间后,滑块快速回程。升降工作台根据程序设定,滑块每回程一次都顺次停在一个层面上,以备操作人员上下工件。

(二)热压模具

盘式片热压模具

盘式片热模具如图  所示。

a) 为下顶式弹簧推凹模复位,每模两片模具;

b) 为滑块带动凸模复位,每模6片模具;

c) c6层热压机使用的多模腔模具;

鼓式片热压模具

鼓式片热压模具如图  所示。

A 为每模压制多片的排式模具且凹模由压机中板带动上下运动,以利于装料和取件;

  b为压制大块的鼓式片模具,大块压成后再由切块机切成多块,这样可提高生产效率

(三)压制前的准备

1、压模预热:酚醛压塑料的热压成型温度为150—160℃。准备压制前,应将压模预热到此温度范围。温度低于145℃或高于165℃的压模温度都不适合压制工艺条件。

2、压塑料的预成型:在摩擦材料的热压成型工序中,为了提高热压机的生产效率,减少操作时的粉尘扩散区域,提高压制产品的质量性能,对于部份规格产品的压塑料进行预成型,制成型坯,例如厚度较大(一般7mm)的刹车片,缠绕型离合器片等,将制成的型坯件放置于料盘中,按需要送往热压工序备用。

3、压塑料的干燥和预热:在热压成型操作前,将压塑料或预成型坯件在一定温度和加热条件下进行干燥和预热,以便保证压制品质量,有利于压制操作。但压塑料的预热并非是必需的要求,而由生产厂根据自身的操作需要而设定。事实上,目前只有一部分厂家对压塑料成型坯进行预热。

压塑料预热的好处在于:

①缩短压制周期;预热操作可减少压塑料在压模内的加热时间。另外,压塑料在预热过程中,其树脂可进一步缩合,因此缩短了压塑料在压模内的固化时间及压制周期。

②预热过程中压塑料中一部分水分和挥发物被除去,有效地减少压制过程中片子起泡和肿胀等弊病,降低制品的次、废品率。

③可改善制品的物理机械性能,特别是热稳定性。

④提高压塑料在热压过程中的流动性。

压塑料是否预热以及预热的工艺条件应根据实际需要,根据不同种类的压塑料而定。预热温度与时间的关系见下面表中的参考值。

    压塑料预热温度与时间的参考值

预热温度(℃

70

80

90

100-110

预热时间        

(分钟)

120

 

60-120

30-60

15-20

经过干燥预热操作的干法压塑料的挥发份含量应不大于1%,湿法工艺挥发份含量应为3-5%范围。

 

预热操作要注意的事项是不同温度下的预热时间是不同的,在上面表中的预热温度下,压塑料中的树脂将继续进行缩聚反应,随着预热时间的推移,树脂流动性降低,固化时间缩短,线型和支链结构向交联化转变。如果预热过度,压塑料将因树脂产生老化,流动性过差而导致成型加工性能变差,甚至丧失成型性能。生产经验表明,在70—80℃温度范围内,预热时间以60—120分钟为宜,在90℃温度条件下,预热时间以30—60分钟为宜,不应超过60分钟;预热温度为100—110℃范围这种情况应用较少,预热时间超过30分钟被认为是不安全的;温度超过120℃时,树脂交联固化将加快进行,对预热操作来说是一般不予采用的。

(四)压制工艺条件

压塑料在受热情况下,具有可塑性。在固化温度下,其塑性随温度提高而增高。压塑料于加热的模中,在压机所施加的压力下发生流动,填满整个压模模腔,与此同时,压塑料中的树脂在压制温度(150—160℃)下,大分子的活性官能团互相作用,或在交联剂(固化剂,如六次甲基四胺)作用下,进一步进行缩聚反应,最终转变成不熔不溶的具有网状交联结构的固化产物,此反应过程是不可逆的,因此,压塑料在压模中经热压成型转变为固化成型的摩擦片,实际上就是压塑料中的树脂的反应变化过程,在此过程中,酚醛树脂变化分三个阶段:粘流阶段、胶凝阶段和硬化阶段。在压制温度下,粘流阶段的树脂处于流动状态;胶凝阶段的树脂呈软化和半软化状态,这二个阶段的树脂大分子为线型结构和部份支链结构,其压塑料具有可塑性,在压制压力作用下能填满整个模腔,而填满模腔的均匀性取决于粘流态树脂的流动性,流动性良好而又适中的树脂能使压塑料均匀地填满整个模腔。树脂的粘流态和胶凝态应保持一定时间,以便能使压塑料有足够的时间达到均匀填满模腔的效果。这段时间的长短,取决于树脂的固化速度,通常为30—60秒。然后,树脂很快进入硬化状态,分子结构进一步形成交联结构,压塑料在模腔中开始硬固,这段时间越长,交联链越密,交联程度充分并均匀,硬固充分,有助地提高制品机械性能。但是热压固化时间过长会影响压机的工作效率,故而通常压塑料在热压模中的固化成型时间并不长,而是将压制品从模中取出后,再置于热处理烘箱中,继续进行长时间的热处理来达到制品充分固化的目的。

由上所述,可以看出影响酚醛压塑料热压成型操作和压制品质量的工艺条件因素包括成型温度、成型压力和成型时间,此外,压塑料的投料量计算合理也是保证制品质量所不可少的。

1、成型温度(压制温度)

成型温度对硬化速度的影响。

物质化学反应的速度,随介质温度的提高而增快,因而温度对酚醛树脂的硬化速度影响很大。这从下面表中可反映出来。

热塑性酚醛树脂硬化速度与温度的影响关系。

 

 

温度℃

130

140

150

160

170

硬化速度 秒

132

82

50

42

31

 

可以看到,随着温度提高,树脂的硬化速度加快,有利于压制生产效率的提高。而温度低于150℃时,硬化速度明显变慢,温度低于140℃时,树脂硬化进行得甚为缓慢,不易得到合格满意的制品。

成型温度对流动性的影响:

成型温度过高,树脂硬化速度过快,使压塑料流动性相对降低,会使压塑料还未来得及均匀填满模腔就开始硬化,造成制品边角缺损或质地疏松不均,机械强度受到影响。因此,压制操作时,应避免成型温度过高。

这可从温度对酚醛树脂的流动距离的影响反映出来见表:

 

酚醛树脂的流动距离与温度关系

温度℃

130    140    150    160    170

流动距离mm

 

注:热塑性酚醛树脂(2123牌号)斜板流动距离测定法.

成型温度对热压制品质量的影响。

由于压塑料中含有一定量的水份和低分子挥发物,并且压塑料中树脂在热压过程中继续缩聚反应的同时会产生水分,树脂固化剂六次甲基四胺释放出氨气。这些物质在热压成型的高温条件下转化成蒸汽,其总蒸汽压力相当大,成型温度越高,总蒸汽压力就越大。而且,成型温度过高时,硬化速度太快,压制品表层很快就硬化,使内部的水份和挥发物难以逸出排除。当压制完成,开启压模时,这些水份和挥发物会以很大的蒸汽压力力图突破制品外表,造成制品表面起泡、肿胀或突破外表面形成裂缝,使制品报废。成型温度还会造成表面色泽发暗发黑,影响产品外观。

成型温度不宜过低,温度越低,硬化速度愈慢,压制片在压模中保持时间需长,降低生产效率。在低温下,长时间压制所得到的制品发软、表面发白,暗淡无光,影响外观。而且在内部水份及挥发物总蒸汽压力的作用下,也会出现起泡和肿胀现象。

综上所述,在热压成型操作中,成型温度是非常重要的工艺因素。通常控制在150—160℃范围。对于每批产品,应根据产品厚度、形状、压塑料品种、硬化速度、挥发物含量来确定合宜的热压成型温度,以便达到既能有高的生产效率,又能保证产品质量的效果。

热压成型的温度测试系将测温仪器插入压模模孔中而测得。用于温度测试和控制的仪器有:水银玻璃温度计、热电偶毫伏温度计、压力式温度计等。

最常用的测量温度计是玻璃水银温度计,测试量程为0—200℃。根据需要可选用直形或弯成90°120°角的玻璃水银温度计。

毫伏式温度计,它由热电偶和毫伏表组成。热电偶是由两根不同的金属丝组成的良导体,根据两种不同金属所产生的热电动势不同的原理制成。热电偶把某一温度下的热电动热信号导入毫伏表中,在仪表设计中预先将毫伏指数换算为温度,直接读出温度值。

现在普遍将热电偶和温度控制器结合使用,先在温度计上设立一个指定温度,将调温指针调节至指定温度值位置,当温度上升至高于指定值时,压模上的加热电源自动断开,停止加热,温度开始下降,当温度低于指定值时,加热电源自动接通,对模具进行加热。这样,能将压模温度控制在规定的温度范围内,避免温度过高或过低的情况,从而保证压制品的质量稳定,减少压制品中次、废品的产生。

温度控制器的测温误差  是必须注意的问题。质量差的温控制器的控温误差可达指定温度值的±7℃,这将造成成型温度上下波动太大,影响压制品的质量稳定,故而选择质量好的温控器是很重要的,其合宜的控温误差应为指定温度值的±4℃范围内。

另一个需注意的问题是热电偶的测温结果与水银玻璃温度计的测温结果不一致性。一般来说,水银玻璃温度计的测温值比之热电偶更接近于真实温度,因而生产中可用水银温度计的测值来校验热电偶温度计的测量结果。

2、压制压力。

在热压成型中,压制压力是和成型温度同样重要的操作要素之一。压制压力的作用在于:

促使压塑料在压模内流动,挤满整个模腔的各个部份,使制品具有所要求的形状和均匀的厚度。

将压塑料压密实,使制品具有一定的密度和机械强度。

在热压成型过程中,压塑料内部的水份和其它挥发份在高温下形成的蒸汽压力会力图突破制品表面而逸出,造成鼓泡肿胀等弊病,加压可阻止蒸汽的逸出,直到制品表面充分硬化,即便压力结束,解除压力,将制品从模中取出,蒸汽压力也不会损坏制品表面。

压制压力的大小取决于压塑料的流动性、制品的面积大小、厚度和形状。

①压塑料的流动性:

压塑料中的树脂硬化速度过快,压塑料的水份含量过低,(湿法工艺压塑料)会使压塑料的流动性降低,应提高压制压力,才能较好填满模腔。

压塑料中树脂硬化速度过慢,压塑料(湿法)水份含量高,橡胶比例高,会使压塑料流动性和可塑性变大,对于流动性和可塑性过大的压塑料,应适当降低压制压力。

②对于面积或直径较大,厚度小的制品,应采用较高的压制压力。例如离合器面片,或长大弧度的薄刹车片,需要较高的压制压力。当压力不够时,易产生制品厚薄或密实不匀、边角疏松或缺陷等弊病,提高压制压力有助于克服这些问题。对于外径在300mm以上,厚度小于3.2mm的离合器片规格,更应该采用较高的压制压力来获得完整和合格的产品。

③对于形状复杂的制品,需要较高的压制压力将压塑料挤满模腔的每一个部位。

压制压力的常用范围为20Mpa30Mpa。由上面的分析可知,若压制压力过小,而压塑料的流动性又较差时,会产生一系列弊病:制品密实性差,质地疏松,厚薄不匀,边角缺损等。

压制压力过大是不必要的,它并不能提高制品性能,而只会浪费能耗,易造成模具及压机损坏。另外,当压塑料的流动性偏大时,过大的压制压力还会造成溢料增多,溢料废边过多过厚,不但增大了物料浪费,还会造成压制品因边缘破损而报废。

压力表压计算:

在热压成型操作中,在规定了某种制品压制时要求的单位面积压力后,还需要进一步确定对其压制时压力表上的表压应达到多少才能满足此单位面积压力的要求。这需要根据压机吨位、压模模腔数、制品受压面积、压机顶缸的施压面积等数据进行计算,求出所需表压。

计算步骤为:

①根据制品单片的受压面积及所需单位面积压力,计算每片压制片需要的压力吨位。

②根据压模模腔数计算用此种压模压制该制品所需的总压力吨位。并选择合适的压机吨位。

③测量或掌握所选择压机的顶出缸的施压面积S

顶出缸施压面积S=1/4л·D2

D——顶出缸直径,但以油封直径更正确。

④总压力吨位除以顶出缸施压面积的商值即为所需压力表表压。

⑤也可根据压机吨位、压机公称压力及制品所需总压力吨位来求出所需表压。

表压计算举例:

某鼓式刹车片外弧长200mm,宽150mm,厚16mm,要求压制的单位面积压力为25MPa,使用200吨压机和双模腔压模进行压制,压机顶缸直径为320mm,试计算压片所需表压。

表压计算方法

压力表表压=制品总压力吨位/顶出缸施压面积(MPa):

                    单片受压面积.单位面积压力.模腔数

             =

1/4·л·(顶出缸直径)2

        

       

   20cm×15 cm ×25MPa×2

               =           

  1/4 ×3.14 ×322cm2               

 

150T

              =   

                   804 cm2

              =18.7 MPa19 MPa

压制该制品所需表压力为19 MPa

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