玻璃钢拉挤成型机总体设计
玻璃钢拉挤成型机总体设计
第一章前言
1.1 玻璃钢及复合材料发展概况
玻璃钢/复合材料FRP（Fiberglass-Reinforced Plastics）学名叫玻璃纤维增强塑料，它是以玻璃纤维及其制品（玻璃布、带、毡、纱等）作为增强材料，以合成树脂作为基体材料的一种复合材料。它具有轻质高强、耐腐蚀性能好、电性能好、热性能良好、可设计性好、工艺性能优良等特点，既能承受拉应力，又可承受弯曲、压缩和剪切应力。由于其强度相当于钢材，有含有玻璃成分，也具有像玻璃那样的色泽、形体、耐腐蚀、电绝缘等性能，从而历史上形成了这个通俗易懂的名称“玻璃钢”。
相比于传统材料，复合材料具有一系列不可替代的特性，自第二次世界大战以来发展很快。尽管产量小（据法国Vetrotex公司统计，全球复合材料产量达700万吨），但复合材料的水平已是衡量一个国家或地区科技、经济水平的标志之一。美、日、西欧水平较高。北美、欧洲的产量分别占全球产量的33%和32%以中国（含台湾省）、日本为主的亚洲占30%。中国大陆2003年玻璃纤维增强塑料逾100万吨，已居世界第二位。
1.2 玻璃钢的物理性能
玻璃钢具有较好的物理性能，以FW(纤维缠绕法）制造的玻纤环氧树脂（环氧玻璃钢)的产品为例，将其与钢比较，如表1-1所示。
表 1-1 GF/EPR与钢的性能比较
几种常用材料与复合材料的物理性能如表1-2所示。表1-2 几种常用材料与复合材料的物理性能
第二章设计原理
2.1 玻璃钢管原材料和成型工艺的选择
玻璃钢是由玻璃纤维和树脂基体复合而成的。玻璃纤维用作增强材料，它具有较高的拉伸强度和弹性模量。玻璃钢产品设计通常包括三大部分，即性能(功能）、结构(强度和刚度）和工艺设计。性能设计要充分考虑产品的使用条件，设计出具有与所要求性能相符合的玻璃钢产品外形尺寸。结构设计是根据所承受的载荷和使用环境，设计出不使材料产生破坏及有害变形的结构尺寸，确保安全可靠。工艺设计是要尽可能使成型方便，成本低廉。如果我们在玻璃钢产品设计时，仅仅考虑如何满足性能要求，而对原材料和成型制造等工艺问题重视不够，则会使组织批量生产时发生困难。随着新技术、新工艺和新材料的出现，更突出了在产品设计的初始阶段考虑工艺的必要。
2.1.1玻璃钢成型工艺的选择和设计
玻璃钢制品由树脂、增强材料和多种辅助成分合理组合而成，制造工艺种类繁多，最有代表意义的有手糊成型（hand lap up)、树脂传递成型（RTM）及真空辅助树脂传递成型（VARTM-vacuum assisted resin transfer molding ）、纤维缠绕（FW）、反应注射成型(Reaction Injection Molding-RIM)及结构反应注射成型（SRIM-Structural Reaction Injection Molding）、拉挤成型（Pultrusion）、真空袋法法成型（Vacuum bag process）、树脂膜熔浸成型（RFI-Resin Film Infusion）、预浸料（高压釜）成型、低温固化预浸料成型以及SCRIMP（Seeman Composite Infusion Molding Process—西曼复合材料公司树脂渗透成型法）,RIFT（Resin Infusion umder Flexibe Tooling—柔性模具树脂渗透法） ,VARTM（Vscuum Assisted Transfer Molding—真空辅助树脂传递成型）,这三种工艺原理相似。近年来手糊成型的比例有所下降，重点在开发研究SMC、拉挤、RTM及高技术应用的带自动铺放等工艺，并相应的开展原材料、模具和工艺等的研究。着重提高功效，改进表面质量，并采用组合工艺，如SMC的一个分支ZMC，就是将注射和模压相结合，还对注射和拉挤相结合的工艺也进行了研究，主要目的是为了提高劳动生产率。RTM一类的传递模塑
将向装备大型化发展。
我们选择的是拉挤成型工艺。主要是采用玻璃纤维无捻粗纱（使用前预先放置在纱架上），它提供纵向（沿生产线方向）增强。其它类型的增强材料有连续原丝毡、织物等。它们补充横向增强，表面毡则用于提高成品表面质量。树脂中可加入填料，改进型材性能（如阻燃），并可降低成本。
玻璃钢拉挤成型工艺开始于上世纪五十年代，以后一度徘徊，这些年发展很快。这一类产品，在美国市场上约占玻璃钢总产量的6%，1989年的数量约6.8万吨，以后每年增长11%。在日本，最近三年这类产品的产量有起伏，每年平均约增长6%。近年来拉挤产品除日常的管、棒即各种型材外，已在研究从大型拉挤机中拉制出公共汽车的弯板及铁路用容器。这种铁路专用贮罐，是在大型拉挤模具（长16m，宽2.58m）中专门拉挤出贮罐的零件，然后用粘结剂拼装并机械加固，安装成铁路专用贮罐。于此同时，对拉挤工艺进行比较深入的研究，对各工艺参数进行控制，如树脂粘度、纤维张力、模具温度、控制速度、拉力及型面尺寸等，把这些参数建立数学模型，找出合适的关系和规律性，从而保证以最佳状态，使设备运行并得到高质量饿产品。近年来的拉挤机采用拉缠结合方式，称pullwinding。可使制品受力均匀。最近的工艺趋向综合化，并使多种材料复合，如RTM--拉挤组合。即把热塑形塑料注射与热固性拉挤结合在一起，使二者材料充分发挥特性，有效地提高了材料利用率。拉缠结合的方式，可提高产品径向强度20～25%，玻璃含量增加18%，增重9%。
拉挤成型的程序是：
1）使玻璃纤维增强材料浸渍树脂；
2）玻璃纤维预成型后进入加热模具内，进一步浸渍（挤胶）、基体树脂固化、复合；
3)将型材按要求长度切断
拉挤成型将增强材料浸渍树脂有两种方式：
1）胶槽浸渍法（图2-1）：通常采用此法，即将增强材料通过树脂槽浸胶，然后进入模具。此法设备便宜作业性好，适于不饱和聚酯树脂、环氧树脂和乙烯基酯树脂。
图2-1 胶槽浸渍法
2）注入浸渍法（图2-2）：玻纤增强材料进入模具后，被注入模具内的树脂所浸渍。此法适于凝胶时间短、粘度高、生产附产物的树脂基体，如酚醛、双马来酰亚胺树脂。
图2-2 注入浸渍法
根据设计任务要求，我们设计的工艺流程如图2-3所示：
图2-3 玻璃钢成型工艺流程图