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1 前言 1
2 復(fù)合橋塞原理與意義 2
2.1初識(shí)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(guó)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(jì) 16
5.1復(fù)合材料卡瓦結(jié)構(gòu) 16
5.2 壓模模具設(shè)計(jì) 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(guò)程 24
6.3塑件的后處理 25
7 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 26
7.1關(guān)于短玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)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(jì) 30
7.6 成型零件設(shè)計(jì) 32
7.7導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 33
7.8 型腔的側(cè)壁和底版厚度的計(jì)算 33
7.9 脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 33
7.10 牙齒的設(shè)計(jì) 33
8 參考文獻(xiàn) 34
9 設(shè)計(jì)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(jì)
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前言
1 前言
在石油與天然氣勘探開(kāi)發(fā)的各項(xiàng)施工中，修井作業(yè)是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。油氣水井在自噴、抽油或注水注氣過(guò)程中，隨時(shí)會(huì)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(guò)井下作業(yè)來(lái)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(dòng)力、傳動(dòng)、絞車(chē)、井架、鉆臺(tái)、游動(dòng)系統(tǒng)。剎車(chē)系統(tǒng)以及液壓、氣動(dòng)、電氣系統(tǒng)；井口工具；井下工具；運(yùn)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(dòng)力大鉗、液壓套管鉗和修井液壓動(dòng)力鉗等。
國(guó)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(chē)功率大小）；井架性能（強(qiáng)度、剛度、安裝性）；移運(yùn)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(wú)特殊的防風(fēng)、防水、防凍、防塵及防腐蝕措施等。
由于我國(guó)大部分油田大都已進(jìn)入開(kāi)發(fā)中、后期，采油的難度越來(lái)越大，工藝越來(lái)越復(fù)雜，井況也越來(lái)越復(fù)雜，修井任務(wù)也越來(lái)越繁重。與修井任務(wù)越來(lái)越繁重的同時(shí)，修井工人的勞動(dòng)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(chǎng)條件差（泄露出來(lái)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(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)惡劣的工作條件也對(duì)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(guó)家相比，我國(guó)的鉆井設(shè)備相對(duì)落后，尤其是在卡瓦的使用上，國(guó)外大多數(shù)使用機(jī)械手、啟動(dòng)卡瓦；而目前國(guó)內(nèi)絕大部分油田（或地質(zhì)）鉆井工程中起下鉆作業(yè)時(shí)，大都采用雙吊卡或單吊卡加手提式卡瓦作業(yè)方式，自動(dòng)化程度低、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大安全性能不高。
由于卡瓦是橋塞的關(guān)鍵部位，問(wèn)題也隨之而來(lái)，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(diǎn)，來(lái)繼續(xù)強(qiáng)化卡瓦的耐高壓特性來(lái)滿足油田開(kāi)采的更復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境;研發(fā)新的生產(chǎn)工藝來(lái)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(shí)復(fù)合材料橋塞
在油氣井測(cè)試過(guò)程中，為正確評(píng)價(jià)認(rèn)識(shí)目的層，當(dāng)遇有多層系地層時(shí)各油氣水層的層間存在差異需要進(jìn)行分層測(cè)試，分層進(jìn)行增產(chǎn)措施，生產(chǎn)井進(jìn)行多層完井，暫時(shí)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(diǎn)，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(lèi)井在解除金屬橋塞橋堵進(jìn)行磨銑時(shí)，易發(fā)生卡鉆等問(wèn)題，問(wèn)題出現(xiàn)后比直井處理起來(lái)要復(fù)雜，為解決這一問(wèn)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(dú)特的材料設(shè)計(jì)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(diǎn)。
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(guò)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(shí)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(xiāo)釘，壓縮膠筒形成密封。隔環(huán)的主要作用是壓縮時(shí)首先脹開(kāi)緊貼套管壁，在上下兩個(gè)防突隔環(huán)中間形成一定的空間，使得膠筒壓縮時(shí)在空間內(nèi)均勻脹大，有效阻止膠筒壓縮時(shí)“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(dòng)，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(xiāo)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(kāi)。
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(guò)中心管與外套件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使推管運(yùn)動(dòng)壓縮膠筒和上下卡瓦，膠筒脹開(kāi)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(kāi)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(shí)，剪斷釋放銷(xiāo)釘，使得投送坐封工具與橋塞脫開(kāi)，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(diǎn)
整個(gè)復(fù)合材料橋塞除錨定卡瓦和極少配件外，均采用類(lèi)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(lèi)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(huì)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(shí)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(shí)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(shí)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(gè)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(hào)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(diǎn)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(guò)延時(shí)緩沖嘴流出，推動(dòng)下活塞，使下活塞連桿通過(guò)外殼十字連桿推動(dòng)推筒下行，外推筒下行，推動(dòng)擠壓上卡瓦，與此同時(shí)，由于反作用力使得外推筒與心軸之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，芯軸帶動(dòng)中心拉桿，連接套相對(duì)向上運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)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(xiāo)釘，壓縮膠筒使膠筒脹開(kāi)，達(dá)到封隔目的，這時(shí)，上下卡瓦在椎體上裂開(kāi)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(shí)，剪斷釋放銷(xiāo)釘，使得投送坐封工具與橋塞脫開(kāi)，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(lèi)型的磨鞋能在磨銑過(guò)程中減少對(duì)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(shí)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(kāi)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(kāi)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(shí)間。保持鉆壓直至鉆掉橋塞。當(dāng)有多個(gè)橋塞時(shí)，盡量在鉆頭附近多下幾個(gè)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(gè)相為連續(xù)相，成為基體；而另外一相是以獨(dú)立的形態(tài)分布在整個(gè)連續(xù)相中的分散相，它顯著增強(qiáng)材料的性能，故常稱(chēng)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(chēng)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?yàn)槠涮厥獾慕Y(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(lái)區(qū)分的。
其中一個(gè)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(shí)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(chēng)作分散相；復(fù)合材料中的另一個(gè)組分是包圍增強(qiáng)相并相對(duì)較軟和韌的貫連材料，稱(chēng)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(shù)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(diǎn)。
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(lèi)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(shù)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(guò)普通碳鋼的水平。
若按比強(qiáng)度計(jì)算，玻璃纖維增強(qiáng)的樹(shù)脂基復(fù)合材料不僅超過(guò)碳鋼，而且可以超過(guò)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(jì)，具有很好的可設(shè)性。對(duì)于構(gòu)件來(lái)說(shuō)，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(duì)于有耐腐蝕性能要求的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)時(shí)可以選用耐腐蝕性能好的基體樹(shù)脂和增強(qiáng)材料；對(duì)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(guò)選擇合適的原材料來(lái)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(diǎn)。
3.2.3 電性能好
復(fù)合材料具有良好的電性能，通過(guò)選擇不同的樹(shù)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(shù)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(shù)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(guò)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(zhǎng)的使用壽命、極低的維修費(fèi)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(lèi)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(zhǎng)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(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也可以克服其彈性模量差的缺點(diǎn)。
比模量系指在溫度為23±2℃和相對(duì)濕度為50±5%的條件下測(cè)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(shí)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(diǎn)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(gè)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(zhǎng)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(zhǎng)期使用，但是聚合物基復(fù)合材料不能在高溫下長(zhǎng)期使用，即使耐高溫的聚酰亞胺基復(fù)合材料，其長(zhǎng)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(huì)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(guò)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(dòng)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(dòng)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(yùn)輸方面的應(yīng)用
由復(fù)合材料制成的汽車(chē)質(zhì)量減輕，在相同條件下的耗油量只有鋼制汽車(chē)的1／4，而且在受到撞擊時(shí)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(chē)部件較多，如車(chē)體、駕駛室、擋泥板、保險(xiǎn)杠、引擎罩、儀表盤(pán)、驅(qū)動(dòng)軸、板黃等。隨著列車(chē)速度的不斷提高，火車(chē)部件用復(fù)合材料來(lái)制造是最好的選擇。復(fù)合材料常被用于制造高速列車(chē)的車(chē)箱外殼、內(nèi)裝飾材料、整體衛(wèi)生間、車(chē)門(mén)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(diǎn)，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(mén)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(diǎn)，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(chē)、賽艇、皮艇、劃槳、撐桿、球拍、弓箭、雪橇等。
3.4 我國(guó)復(fù)合材料科學(xué)的研究現(xiàn)狀
我國(guó)是制造和使用復(fù)合材料最早的國(guó)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(kāi)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(kāi)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(guó)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(guó)于20世紀(jì)50年代末，開(kāi)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(wú)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(lái)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(guó)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(kāi)始研究，一直到燒成碳纖維。隨后又解決了連續(xù)化的問(wèn)題，并且開(kāi)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(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、雙馬樹(shù)脂，以及少量的耐高溫聚酰亞胺樹(shù)脂，其中的研究工作集中在合成新型樹(shù)脂，同時(shí)也對(duì)其結(jié)構(gòu)表征和固化過(guò)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(shù)脂傳遞法（RTM）的充模過(guò)程，包括其模擬計(jì)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(jì)
(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(lèi)向太空發(fā)展，航空航天工業(yè)對(duì)高性能復(fù)合材料的需求量越來(lái)越大，而且也會(huì)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(shí)別及處理能力的復(fù)合材料。在技術(shù)上是通過(guò)傳感器、驅(qū)動(dòng)器、控制器來(lái)實(shí)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(shí)，可由埋入的傳感器在線檢測(cè)到該損傷，通過(guò)控制器決策后，控制埋入的形狀記憶合金動(dòng)作，在損傷周?chē)a(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(jì)從常規(guī)設(shè)計(jì)向仿生設(shè)計(jì)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(diǎn)，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(wèn)題。因此，開(kāi)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(shù)脂
1872年，德國(guó)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(wú)定形棕紅色的不可處理的樹(shù)枝狀產(chǎn)物；1905~1907年，酚醛樹(shù)脂創(chuàng)始人美國(guó)科學(xué)家巴克蘭對(duì)酚醛樹(shù)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(shù)脂“加壓、加熱”固化的專(zhuān)利，實(shí)現(xiàn)了酚醛樹(shù)脂的實(shí)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(shù)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(shù)脂因此開(kāi)始用于電絕緣制品。1912～1913年，俄國(guó)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(shù)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(kāi)始生產(chǎn)酚醛樹(shù)脂，開(kāi)創(chuàng)了亞洲先河。酚醛樹(shù)脂耐熱性和阻燃性優(yōu)異，材料成本也低。
（2）環(huán)氧樹(shù)脂
碳纖維增強(qiáng)塑料主要使用環(huán)氧樹(shù)脂，固化時(shí)間較長(zhǎng)，在做成預(yù)浸料時(shí)，需低溫保存，材料成本較高。環(huán)氧樹(shù)脂是高性能纖維增強(qiáng)塑料的豬樣基體。
（3）聚酯樹(shù)脂
使用加鄰苯二甲酸二烯丙酯（DAP）單體的聚酯樹(shù)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(chǎng)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(guó)防等行業(yè)必不可少的原材料。由于在多個(gè)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(fèi)大國(guó)主要是美國(guó)、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，其人均玻纖消費(fèi)量較高。歐洲仍然是玻璃纖維消費(fèi)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(shù)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(guò)上模部分帶動(dòng)凸模，對(duì)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(gè)型腔。然后樹(shù)脂產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)，經(jīng)一定時(shí)間后塑料固化定型即可開(kāi)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(jì)位置，預(yù)先將牙齒埋入部分深度，待本體壓實(shí)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(jì)
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(kāi)5個(gè)直徑為10mm，高為6.5mm的孔，用來(lái)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(jì)
5.2.1 接受任務(wù)書(shū)
塑件任務(wù)書(shū)主要包括以下幾個(gè)方面的任務(wù)：經(jīng)過(guò)審查的正規(guī)塑件圖紙；所采用塑料的種類(lèi)、牌號(hào)等；塑料制件說(shuō)明書(shū)或技術(shù)要求；生產(chǎn)產(chǎn)量；塑料制件樣品；設(shè)計(jì)人員以塑件任務(wù)書(shū)、模具設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)為依據(jù)來(lái)設(shè)計(jì)模具。
5.2.2 原始材料分析
在進(jìn)行模具設(shè)計(jì)之前，首先收集、整理并分析有關(guān)塑件設(shè)計(jì)、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(jì)模具時(shí)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(jì)人員在選擇壓力機(jī)時(shí)，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(kāi)模距離等。倘若用戶已提供壓力機(jī)型號(hào)或規(guī)格，設(shè)計(jì)人員必須對(duì)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(jì)
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(wú)抽芯）、塑件精度、批量及經(jīng)濟(jì)效益來(lái)確定的。以上這些因素有時(shí)是相互制約的，在確定設(shè)計(jì)方案時(shí)，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(shí)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(diǎn)：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(jì)
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(jì)
設(shè)計(jì)側(cè)向分型抽芯機(jī)構(gòu)時(shí)，應(yīng)靈活運(yùn)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(guò)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(dòng)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(jì)
塑件脫模是注塑成型過(guò)程中的最后一個(gè)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(jì)脫模機(jī)構(gòu)時(shí)應(yīng)遵循下列原則：為使塑件脫模時(shí)不產(chǎn)生變形，脫模力的著力點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(duì)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(shí)受力均勻，同時(shí)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(shí)應(yīng)設(shè)置進(jìn)氣閥。
6．導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
通常導(dǎo)向分為動(dòng)、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(shí)間之后，其配合精度降低，會(huì)直接影響塑件的精度。因此，對(duì)精度要求較高的塑件必須另行設(shè)計(jì)精密導(dǎo)向定位裝置。
當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)模架時(shí)，因模架本身帶有導(dǎo)向定位裝置，一般情況下，設(shè)計(jì)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(jì)人員根據(jù)模具結(jié)構(gòu)具體設(shè)計(jì)。
7．模溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
模溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)和加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(duì)模具結(jié)構(gòu)的影響。冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(diǎn)部位如動(dòng)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(jì)及冷卻標(biāo)準(zhǔn)原件的選用；密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
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(lèi)別來(lái)確定，可以參考以下原則：對(duì)于高光澤或透明的塑件主要選用4Cr13等類(lèi)型的馬氏體耐蝕不銹鋼或時(shí)效硬化鋼；含有纖維增強(qiáng)的塑料塑件，應(yīng)選用Cr12MoV等類(lèi)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(shí)，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(guò)程中，應(yīng)對(duì)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(jì)。
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(shí)，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(hào)。
⒉裝配草圖的繪制
裝配草圖的重點(diǎn)是表達(dá)各零件之間的裝配關(guān)系及相對(duì)位置，并不需要把每個(gè)零件的內(nèi)外形狀完全表達(dá)出來(lái)。一般是以三個(gè)視圖為主：一個(gè)是凸?；虬寄７中兔娴耐队霸噲D；一個(gè)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(shí)，可再采用一個(gè)動(dòng)、定模合模狀態(tài)下的左剖視圖；當(dāng)用上述三個(gè)視圖還不能完整、清楚地表達(dá)各零件間的裝配關(guān)系時(shí)，還可再增加一些局部剖視圖來(lái)表示。裝配草圖的繪制盡量采用1：1的比例，先由型腔開(kāi)始繪制，主視圖與其他視圖同時(shí)畫(huà)出。
5.2.6 模具設(shè)計(jì)的相關(guān)計(jì)算
壓模設(shè)計(jì)的相關(guān)計(jì)算主要包括以下幾個(gè)方面：型腔、型芯工作尺寸的計(jì)算；型腔壁厚、底板厚度的計(jì)算；側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)的工作尺寸及強(qiáng)度計(jì)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(jì)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?hào)標(biāo)出，并填寫(xiě)明細(xì)表；標(biāo)注技術(shù)要求和使用說(shuō)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(hào)、極限尺寸（活動(dòng)零件的起、止位置），并注寫(xiě)技術(shù)要求，填寫(xiě)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(gè)方面的內(nèi)容：對(duì)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(duì)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(duì)該尺寸的要求；模具使用、裝卸方法；防氧化處理、模具編號(hào)、刻字、標(biāo)記、油封、保管等要求。
5.2.8 拆畫(huà)零件圖
由模具裝配圖拆畫(huà)零件圖的順序應(yīng)為：先內(nèi)后外，先復(fù)雜后簡(jiǎn)單，先成型零件，后結(jié)構(gòu)零件。零件圖繪制時(shí)，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??；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(hào)在各零件表面分別標(biāo)出。
其他內(nèi)容：如零件名稱(chēng)、模具圖號(hào)、材料牌號(hào)、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(shuō)明等都要正確填寫(xiě)。
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(dòng)、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(jì)有無(wú)不足，加工是否簡(jiǎn)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(wú)問(wèn)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(gè)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(kāi)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(huì)不會(huì)被型芯卡住，是否會(huì)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(dòng)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(jì)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(wú)遺漏；零件圖上的零件編號(hào)、名稱(chēng)、制件數(shù)量，是自制還是外購(gòu)，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(wú)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(huà)法是否符合圖標(biāo)，有無(wú)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(huà)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(guò)程，按其先后順序應(yīng)包括成型前的準(zhǔn)備、壓模成型過(guò)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(shí)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(zhǎng)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(duì)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(shí)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(shí)還能提高塑件的熔體的流動(dòng)性，降低成型壓力，減少模具磨損。
6.2 壓縮成型過(guò)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(guò)程可以分為加料、合模排氣、固化和脫模等幾個(gè)階段，在成型帶有嵌件的塑料塑件時(shí)，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(zhuān)門(mén)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?yàn)榧恿系亩嗌僦苯佑绊懰芗某叽绾兔芏?，所以必須?yán)格定量。定量的方法有重量法、體積法和計(jì)數(shù)法三種。物料加入型腔時(shí)，應(yīng)根據(jù)其成型時(shí)的流動(dòng)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(duì)流動(dòng)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(shí)，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(shí)，在模具閉合后，有時(shí)還要還需要卸壓將凸模松動(dòng)少許時(shí)間，以便排除其中的氣體。排氣不但可以縮短固化時(shí)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(shí)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(shí)，塑料依靠交聯(lián)反應(yīng)固化定型，生產(chǎn)中常將這以過(guò)程稱(chēng)為硬化。在這一過(guò)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(shí)間，使其性能達(dá)到最佳狀態(tài)。對(duì)固化速率不高的塑料，為提高生產(chǎn)效率，有時(shí)不必將整個(gè)固化過(guò)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(shí)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(shí)間過(guò)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(shí)，還會(huì)出現(xiàn)裂紋；時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)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(dòng)推出脫模和手動(dòng)推出脫模。帶有側(cè)向型芯或嵌件時(shí)，必須先用專(zhuān)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(duì)模具應(yīng)進(jìn)行清理，有時(shí)對(duì)塑件要進(jìn)行后處理。
1．模具的清理
脫模后必要時(shí)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(shí)，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(shí)間。后處理能使塑料固化更趨完全，同時(shí)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(duì)于不同的材料，退火的本質(zhì)不盡相同，但主要有兩個(gè)：其一是使受迫凍結(jié)的分子鏈得到松弛，對(duì)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(guò)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(shí)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(guò)高，否則塑件會(huì)產(chǎn)生翹曲變形；但溫度也不宜過(guò)低，否則達(dá)不到退火目的。保溫時(shí)間與塑料品種和制件厚度有關(guān)，若無(wú)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(shí)，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(lèi)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(diǎn)為121℃），加熱溫度為200~245℃，保溫時(shí)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(shí)，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(jì)
7模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
7.1關(guān)于短玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂的概述
環(huán)氧樹(shù)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(diǎn)，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(shù)脂含有大量的環(huán)氧基因，固化時(shí)交聯(lián)密度大，沖擊性能和耐熱性能較差。通過(guò)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(jí)復(fù)合材料研究的熱點(diǎn)之一。
環(huán)氧樹(shù)脂固化收縮率低，僅1%~3%，而不飽和聚酚樹(shù)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(jì)算塑件的體積和質(zhì)量
根據(jù)所給卡瓦的尺寸，計(jì)算塑件體積：=625492.4
塑件質(zhì)量：=612.0g
7.2.2 塑件成型時(shí)所需的總壓力
塑件成型時(shí)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(dòng)梁至工作臺(tái)的最大距離750mm，動(dòng)梁的最大行程250mm。
7.2.3壓力計(jì)工作行程的校核
由于模具的閉合高度為<3動(dòng)梁至工作臺(tái)的最大距離750mm，股磨具看裝入壓力機(jī)。
取出塑件的開(kāi)模距離為
h=++（5~10）=40+15.6+（5~10）=60.6~65.6mm<250 （動(dòng)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(jì)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(jì)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(shí)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(dòng)、保證重要尺寸的精度和長(zhǎng)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(dòng)模相接觸的面稱(chēng)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(dòng)壓縮模的推桿脫模。
圖8 頂出方式
7.5模具尺寸設(shè)計(jì)
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(chēng)尺寸，=60；
=1.58/3=0.53；
=[（1+）—3/4△]+ =68.45
（2）極限尺寸法，按修模時(shí)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(jì)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(jì)
7.7導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
模具設(shè)計(jì)通常購(gòu)買(mǎi)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(duì)應(yīng)的導(dǎo)套，其結(jié)構(gòu)如圖所示
圖9 導(dǎo)柱
第39頁(yè)（共41頁(yè)）
7.8型腔的側(cè)壁和底版厚度的計(jì)算
通常模具設(shè)計(jì)中，型腔壁厚及支撐板厚度不通過(guò)計(jì)算確定，而是憑經(jīng)驗(yàn)確定。參考《塑料模具設(shè)計(jì)》中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表可知：
型腔側(cè)壁厚度S的經(jīng)驗(yàn)值為：S=0.2L+17=0.2×190+17=55mm
支撐板厚度h的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)：h≈0.12b≈0.12×190≈38mm
7.9脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
卡瓦的頂出頗具技術(shù)性。因?yàn)楸诤徒疃己鼙?，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(shí)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(xiāo)。
7.10 牙齒的設(shè)計(jì)
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(shù)脂高強(qiáng)度決解陶瓷強(qiáng)度不夠的缺點(diǎn)，在牙齒的外表面用玻璃纖維包裹起來(lái)，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(shù)脂后加上酚醛樹(shù)脂的環(huán)，如圖10.
圖10 改進(jìn)牙齒
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