摘　要：本文簡要闡述了模具及預成型工裝在拉擠成型工藝中的重要性，重點介紹了二者在設計加工方面需要注意的事項。
關鍵詞：拉擠：模具：預成型：設計加工

1　前　言

　　拉擠成型工藝自動化程度高、工藝穩定，隨著復合材料應用市場的不斷拓展，拉擠制品所占份額也越來越大。開發一件新的拉擠制品，先是根據其使用條件和性能要求對制品進行材料選擇和結構設計，確定產品的截面形狀和原材料配比方式；其次就是拉擠成型中非常重要的一道工序，模具及預成型的設計與加工。模具及預成型部分可以說是拉擠生產的中心環節，由紗架、膠槽部位過來的增強材料經由預成型初步定型，然后在牽引裝置的作用下進入模具固化成型，后切割為定長產品。模具及預成型的設計與加工的好壞將直接決定拉擠生產的效率高低，甚至成敗與否，同時還決定著拉擠制品的外觀與質量。模具一但加工定型后將很難改變，預成型部分盡管可以作調整，但如果設計加工不合理同樣會給生產造成很大的經濟損失，如需要更多的人員參與生產從而增加人工成本，紗束和氈走不到位，造成次品、廢品，甚至發生堵模導致生產停頓，接下來就是費工費力的拆模、清理和重新穿紗再次起機。因此模具及預成型的設計與加工很關鍵，設計加工合理可避免很多不必要的損失。

2　模具設計加工

　　在拉擠成型工藝過程中，模具是各種工藝參數作用的交匯點，其主要要求是具有良好的尺寸穩定性、優良的耐磨性和極低的表面粗糙度。目前拉擠生產常用的模具主要為直腔鋼制模具，有整體式的，也有組合式的，一般為長方體結構，結構形式盡管相對簡單，但設計加工過程中需要注意和考慮的地方較多，主要有如下幾個部分。
2.1　模具材料選擇及加工類型
　　拉擠模具材料應能滿足以下要求，強度高、熱處理變形小、加工性能好、使用過程中尺寸穩定性好、耐磨、耐熱及耐熱腐蝕等。完全都能滿足這些要求的材料為數不多，目前常用模具材料為40 Cr，耐磨要求高的可選用Cr 12、Cr 12 MoV等，型腔表面硬度應大于HRC 50，型腔表面粗糙度必須達到0.025～0.800μm。為達到擠拉模具的工藝要求，通常須經過鍛造，退火、粗銑、調質、精銑、淬火、研磨等一系列工序。其中模具的熱處理環節一定要做好，偷工減料和以次充好的結果通常是模具壽命短、使用過程中易變形。
　　目前拉擠常用到的模具加工類型主要有兩大類，一類是鍍鉻模具，即模具機加工完成后進行拋光、電鍍。對于一般產品和小件產品這種模具加工形式比較經濟耐用，使用過程中如果出現鉻層脫落的現象，還可以褪鉻后重新鍍鉻再次使用，但對于大件寬幅模具，鍍鉻過程中如果控制不當會出現鉻層薄厚不均的現象，主要是中間部位偏薄而周邊部位偏厚，對于尺寸精度要求較高的產品該類型不能滿足要求；另一類是直接采用高性能鋼材加工或模腔表面進行氮化處理，這樣模腔尺寸精度較高，但如果長期不用模具必須注意保養，防止生銹。這里需要注意的是拉擠生產過程中如果生產白色制品，建議使用鍍鉻模具，避免玻纖及填料在對模腔磨損過程中造成產品表面有灰黑色的磨痕。
2.2　模具尺寸的設計
　　擠拉模具的橫截面應足夠大，以使模具具有一定的熱容，保證加熱均勻、穩定，一般來說，鋼模的橫截面至少等于拉擠制品截面積的10倍。但目前隨著模具材料性能及加工工藝、外部加熱技術水平等因素的提高，很多模具的橫截面面積設計加工得比制品截面積大不了多少，工藝性能同樣優異。為保證產品在模具內受熱均衡，有的模具的截面形狀可加工成和產品截面形狀一致或掏空一部分。
　　模具的長度與設備加熱能力，樹脂特性及配方，制品幾何尺寸及擠拉速度有關。典型的模具長度在500～1500 mm之間。對固定截面的制品，適當增加模具長度可提高擠拉速度，提高生產效率，但會導致牽引力的加大。
　　模具型腔尺寸決定于制品的尺寸及收縮率。不飽和聚酯樹脂／玻璃纖維體系，收縮率一般在2％左右，乙烯基樹脂，環氧樹脂，收縮率要低些，一般在0  8％左右。填料，玻纖含量及所在截面位置的不同，收縮率也有差異。需要注意，在設計中，拉擠制品的截面形狀不能完全按照等代設計的方法，而必須依照拉擠工藝的特點進行截面形狀設計。早期人們沿用鋼構件標準設計FRP制品，由于FRP是非均質材料，固化過程中會收縮致使制品產生變形。因此在模具設計時需要加以補正。如角型材在模具設計時若采用90°，生產出的制品會向內收縮變形，實際角度會小于90°度，因此可通過模具設計時將角度放大1～2°來控制。另外一種方式就是在設計那些拐角位置時，內外圓角取值要做些相對調整，該處厚度不宜過厚。
2.3　模具的一些細節設計
　　(1)入?？诘脑O計
　　入?？诘脑O計也是擠拉模具的關鍵之一，在此由于纖維束體積縮小而壓力升高，而入口處的幾何形狀是重要的影響因素。通常的入口形式可采用錐形，圓形和拋物線形，但實際生產中有的模具只作簡單的入模倒角設計即可，而有的模具不光要設計一定的入模角度進行加工，有時還需輔助加工一些倒紗溝，以利于產品尖角或凸臺的成型。有時為了產品下氈包氈順利，模具入口處可以考慮將下模突出一部分利于氈的定位和走向。
　　(2)模腔內部倒角的設計
　　擠拉模具還有一特殊要求，那就是在模具設計時應盡量避免一些細小的突出和銳角出現，如果設計中有上述結構，在模腔內固化成型過程中該位置會出現紗和氈走不到位的情況，容易造成粘模，使制品表面出現缺損，甚至終導致擠拉的失敗。所以制品的棱邊好采用2～5°的圓角過渡。當然隨著原材料種類的增加，如膨體紗的出現可有效避免邊角的粘?，F象，如果產品在棱邊方面有特殊要求的話，型腔棱邊處也是可以做到為直角的。
　　(3)空心模具設計注意事項
　　對中空擠拉制品，為了減少脫模時芯模造成的阻力，可將芯模尾部大約50 mm處，加工成1／300～1／200的錐度。對空心型材，還應特別注意芯模的固定安裝設計，因為空心型材的芯模只能一端固定，所以安裝時更要精心調整，通常芯棒的固定形式主要有兩種，一種為框架式固定形式，一種是底托式固定形式，但不管采用那種形式，都必需保證芯棒可調。目前有些廠家反其道而行之，將芯棒相對固定，而通過調整模具來對產品的同心度加以調整。對于大型厚壁空腔模具，為了保證產品內部固化的穩定性，可考慮在芯棒內部加工圓孔，放入可以調溫的加熱棒進行溫度補給。
　　(4)分型面的選擇
　　除整體模外，擠拉模具一般由幾塊模具件拼裝組合而成。在模具設計時，正確選擇分型面及其位置，不僅能保證模具的順利制作，而且能滿足擠拉制品的生產工藝要求和質量要求。成型過程中在兩塊模具的接縫處所受應力大，也是容易產生樹脂粘附，堵塞的地方，并且終在制品的表面出現合模縫影響表觀質量，所以在滿足模具加工制造的前提下，應盡量減少分型面，并且模具合縫棱邊不得有損傷，保證合縫嚴密。
　　(5)型腔位置的選擇
　　拉擠成型中，制品離開模具的主動力來自機器后部的牽引裝置。所以拉擠制品在模具設計時，應正確選擇型腔位置，盡量使制品的平直部分平行于加熱板，有利于夾具的夾持牽引。例如對槽型材，工字型材，應使腹板平行于加熱板方向，而對角型材，好采用“人”字形取向，保證牽引時兩邊均勻受力。當然設計型腔位置時還需考慮產品包氈的難易情況，包氈順利、牽引合適將是佳方案，否則還應以包氈順利為主進行考慮，牽引部分可以考慮采用合適的夾具形式加以牽引。

3　預成型設計加工

　　預成型部分可以說是拉擠生產的又一個重要組成部分，甚至可以說是技術含量高的部分。預成型的主要作用是引導浸膠后的束狀增強材料逐漸演變成接近拉擠終產品的形狀，同時擠去增強材料中多余的樹脂以獲得高體積含量的拉擠制品并排除帶入材料中的氣泡。預成型設計制作的好壞將很大程度上影響拉擠生產的順利進行和產品的外觀效果，例如產品尖角部位缺紗，氈走不到位等。預成型的設計可從以下幾個方面進行考慮。
3.1　預成型的設計形式
　　目前拉擠生產常用到的預成型形式主要有兩種，一種是板狀預成型，一種是立體冷模預成型，當然也有將二者有機結合起來使用的，這個可根據不同產品的特點進行選擇。
　　(1)板狀預成型
　　板狀預成型的設計原理是按照型材截面形狀及增強材料配置形式，在板材上通過導氈槽和均勻布置的導紗孔將增強材料逐步引導成近似成型模腔形狀和尺寸的預成型體，然后進入成型模具，這樣可以保證制品斷面含紗量均勻。其優點是材料易得，加工方便，一般只需2～3道預成型。預成型板需要由耐磨、光滑材料制造，導氈槽及導紗孔應有倒角，其尺寸應略大于紗和氈的截面尺寸。對于材質偏軟不耐磨的聚四氟乙烯板，導紗孔上可套嵌金屬環或瓷環。預成型是從簡單到復雜逐漸過渡的，其過渡漸變空問約為0.5～1.5 m，有的大型制品過渡空間會更長。對于箱體式預成型，其實是對板狀預成型的改進，即將板狀預成型上下及兩側相對密封起來，另外增加一臺循環注膠泵，將外溢和擠出的膠循環注到箱體內，該方式的優點在于纖維及氈浸膠更充分，纖維張力更勻。缺點就是清理工作以及一些突發情況如斷紗，處理起來要繁瑣一些。
　　(2)立體冷模預成型
　　目前有一部分拉擠廠家使用的是立體冷模預成型，主要用于窗框型材等產品上。其優點主要在于包氈隨形性好，紗氈等增強材料在進入模具以前已經定位準確，截面形狀已經和模具型腔大體一樣。設計原理是先將產品截面有機地分成若干部分，分別設計走氈和走紗的預成型通道，通道長度約150 mm左右，氈在通過該通道后由平直狀態逐漸變為所包覆部分的表面形狀，而紗在其中一方面進行自身的定位，另一方面對氈的定位及漸變起到輔助夾持作用。這樣通過2～3道預成型冷模后，內外氈及紗很好地組合在一起進入模腔。當然這種預成型的設計加工相對復雜，造價較高，有時要經過很多次機加工調整才能較好地實現走紗和包氈的任務，另外需要很多限紗、限氈的工裝，否則紗和氈很難準確走到位。
3.2　預成型的細節設計
　　這里重點介紹關于板狀預成型的一些細節設計，當然生產過程中很多時候光靠預成型定位成型還是不夠的，還應同時根據具體情況作一些簡易的輔助工裝，如挑氈桿、分紗桿、壓氈金屬片、防止氈被膠液浸濕的護板等。這些輔助工裝的存在使產品生產得更加順利，減少了生產過程中事故的發生頻率。對于板狀預成型，要想保證增強材料行進順利，產品外觀飽滿整齊，在設計過程中可注意以下細節設計：
　　(1)根據產品截面情況和含紗量的多少，使紗在截面各部位平均分布，截面越大的產品，紗束可進行多股并股，截面越小越薄的產品，紗束在預成型上應分布得越細，有利于截面各部分紗束定位準確；
　　(2)導氈槽的設計應遵循由平展到產品形狀逐漸過渡的原則，盡量不要出現形狀的突變，否則氈比較容易打折或竄位；
　　(3)導紗孔的大小要合適，過大起不到刮膠排氣的作用，且預成型面積較大，在入?？诟浇焕诩喪谛颓恢械木迹贿^小則走紗困難，容易堵紗。
    導紗孔的設計應前后對應，層次分明，留出導氈槽的位置。很多時候考慮到預成型板上導紗孔的空間位置排布有限，因此一方面可以將部分導紗孔合并加工成長條孔，另一方面可依據產品截面情況將截面分成若干部分，然后再將每部分的導紗孔組的空問層次作些調整即可；
　　(4)產品具有尖角和小凸臺的位置，在頇成型板的設計加工過程中或者將該部分導紗孔的位置和產品對應位置的角度作大些，或者在這些部位挑／壓幾根紗以防止該部位紗走不到位，出現粘模的情況；
　　(5)產品有內部叉口且要包氈時，制作預成型時相應部位可增加幾個限氈的單股紗孔，防止又口部位的氈在入模時上下竄位；
　　(6)局部窄氈變形過渡困難時可參照立體冷模走氈思路，在預成型板上固定導氈的銅片或鋁片，借以實現能導氈或導氈的同時又能導紗；
　　(7)板狀預成型在設計時也不是一成不變的，可以根據產品的具體情況靈活設計，例如為了實現預成型截面形狀的小化和紗束排布得更均勻化，可以采用細銅管或鋼管排布制作預成型。

4　結束語

　　拉擠在線生產的各個工序都是以模具及預成型為中心進行展開的，可以說拉擠模具及預成型設計加工的好壞直接決定了生產是繼續還是停止?！肮び破涫拢叵壤淦鳌?，只有設計加工的模具及預成型過關，再輔以合格的原材料、合適的工藝參數才能得到滿意的產品。