陶瓷成形技术

9　非金属材料成形技术简介

非金属材料主要包括有机高分子材料、无机非金属材料和复合材料三大类，由于非金属材料具有强度高、密度小、抗腐蚀性能好以及良好的电绝缘性能等优点，在现代制造业中得到了非常广泛的应用，目前，在机械制造工程中应用最多的非金属材料有塑料、橡胶、陶瓷及一些复合材料等。

9.1　塑料成形与加工技术

塑料是以合成树脂为主要成分，加入一定量的填料、增塑剂、稳定剂及其他助剂，在特定的湿度、压力下可塑制成形，在常温下保持其形状稳定的一种有机高分子材料。

由于塑料制品是在特定的温度和压力下，根据塑料的性质和对制品的要求，将塑料原材料用各种不同的成形方法制成一定形状，经过冷却、修饰等而获得的，因此，要想获得具有一定形状及特性的塑料制品，必须选择合适的原材料、工艺及成形方法。

9.1.1　塑料成形方法

常用的成形方法主要有注射成形、挤出成形、吹塑成形、浇铸成形、滚塑成形及发泡成形等。

1）注射成形

（1）注射成形工作原理

注射成形原理如图9-1-1所示，将粉状或粒状的塑料原料经注射机料斗装入料筒，并使其在料筒内均匀加热、熔化至流动状态，再由柱塞或螺杆将熔融塑料向前推挤，使其通过料斗前端的喷嘴并快速注入温度较低的闭合的模具型腔内，经过一定时间的冷却固化后脱模，即可获得所需形状的塑料制品。

图9-1-1　塑料的注射成形

（2）注射成形工艺过程

注射成形工艺过程包括成形前的准备，注射成形过程和制件的后处理三个阶段。

①成形前的准备　成形前的准备主要包括原料的准备与检验、料筒的清洗、嵌件的预热以及脱模剂的选用等准备工作。

②注射成形过程　主要包括塑化成形和冷却定形两个基本过程，其主要工艺过程依次为加料、塑化、注射、保压、冷却和启模卸件等。

加料：要求每次加料应尽可能保持定量。

塑化：指使塑料达到成形的熔融状态，要求塑料在进入模腔之前应平稳地达到规定的塑化温度，熔料各点的温度要均匀一致，应使热分解产物的含量尽量少。

注射：指注射机通过柱塞或螺杆的压力使熔融塑料从料筒进入模腔的过程，此过程主要是通过控制注射压力、注射时间和注射速度来实现充模的。当使用螺杆式注射机时，注射压力一般控制在40～130MPa之间。注射时间对成形质量有着决定性的影响，一般控制在10s以内。

保压：指注射结束到柱塞或螺杆后移的时间。它是保证获得完整制品所必需的程序，保压时间一般在20～120s之间。

冷却：指制品在模腔内冷却的时间。为使制品具有一定的强度，冷却时间一般在20～120s之间。

启模卸件：指开启模具并取出制品。

（3）注射设备

注射成形使用的设备为注射机，图9-1-2所示为普通注射机。注射机主要由注射装置、锁模装置、液压传动机构及电气控制机构等四部分组成。

图9-1-2　普通注射机

①注射装置　注射装置是注射机的主要部分，由加料装置、料筒、螺杆和喷嘴等部件组成。

②锁模装置　锁模装置在注射成形中起着重要作用。它应保证模具有可靠的合模力和实现闭模顶出等工作，合模力的大小应小于注射压力、大于或等于模腔内的压力，这样才不至于在注射时引起模具离缝而产生溢边现象。

③液压传动和电气控制系统　液压传动和电气控制系统的主要作用是保证注射成形机按工艺过程预定的要求（注射压力、注射时间、注射速度、保压及冷却时间等）和动作程序准确无误地进行工作。液压传动系统主要由液压元件、回路及其他附属装置等组成。电气控制系统主要由各种仪表、微机控制系统等组成，液压传动和电气控制系统为注射机提供动力和实现控制。

（4）注射成形特点

注射成形是塑料的一种重要成形方法，其成形工艺比较先进，具有生产周期短、效率高、易于实现自动化等优点。用于注射成形的塑料品种很多，几乎所有的热塑性和热固性塑料都能用于注射成形。

2）挤出成形

挤出成形是将粉状或粒状的塑料加入挤压机的料筒中，经加热使其成黏稠状并在旋转螺杆的作用下连续通过具有一定形状的口模，冷却后制成等截面的制品的成形方法，如图9-1-3所示。

图9-1-3　塑料的挤出成形

挤出成形是应用最广、适应性最强的成形方法，配合不同形状和结构的口模，可生产塑料管、棒、板、丝及各种异型断面的型材，还可生产电线和电缆绝缘套等中空制品。

3）压制成形

压制成形按其成形工艺特点分模压成形和层压成形两种。

（1）模压成形

图9-1-4　塑料的模压成形

模压成形是将粉状、粒状、碎屑状的塑料放入加热的模腔中进行加热、加压，使塑料流动并充满整个模腔，冷却固化后获得塑料制品的成形方法，其成形过程如图9-1-4所示。

（2）层压成形

层压成形是用层叠的涂有热固性树脂的片状底材（纸、布、石棉等）或塑料干燥后，裁剪成适当的尺寸后放入模具中，经加热、加压制成制品的成形方法，如图9-1-5所示

图9-1-5　塑料的层压成形

压制成形的主要工艺参数是加热温度、压力和压制时间。适当的加热温度不但可使塑料软化、熔融而具有流动性，而且可使塑料交联而硬化，成为不溶、不熔的塑料制品。控制好施加的压力可提高塑料流动性以充满型腔，同时也可排出水蒸气和挥发物，使制品内无气泡。适宜的压制时间可保证塑料在模具中反应充分。

压制成形是热固性塑料常用的成形方法，也可用于流动性极差的热塑性塑料（如聚四氟乙烯）的成形，如电器开关、插头、插座、汽车方向盘等都是由压制成形的。

4）浇铸成形

浇铸成形是将浇铸原料（树脂或单体）加热至液态后浇入模具型腔中，冷却固化后脱模而得到所需塑料制品的方法，浇铸成形类似于金属材料的液态成形（铸造），除静态浇铸外，还有嵌铸、离心浇铸、搪塑及滚塑成形等方法，这里不再介绍。

浇铸成形主要适用于流动性好、收缩小的热塑性塑料或热固性塑料，尤其适于制作体积大、重量大、形状复杂的塑料制品。

9.1.2　塑料的加工

大多数塑料零件成形后可直接装配使用，但有时需要对塑料进行二次加工，塑料的加工包括机械加工，连接及表面处理。

1）塑料的机械加工

对于尺寸精度和表面质量要求较高的塑料零件，在成形后需对其进行进一步机械加工，以保证质量；另外当生产的塑料零件数量不多或生产某些形状比较简单的塑料零件时，可用棒材、管材、板材等塑料型材直接加工制造，以简化生产工序，对于塑料零件上的小孔、深孔及螺纹也用机械加工代替直接成形，以降低生产成本。

塑料的机械加工方法主要有车削、铣削、刨削、镗削、钻削、铰削、锯削、锉削、攻丝、冲孔、滚花等。由于塑料的塑性大、散热性差、耐热温度低，加工时易变形且加工表面粗糙等缺点，因此，塑料的机械加工不同于金属材料的机械加工，应注意对刀具几何角度及切削用量的选择，并采取合适的冷却方式。通常采用前、后角较大的锋利刀具，较小的进给量和较高的切削速度，正确地装夹和支承工件，减少切削力引起的工件变形，通常采用风冷加快散热。

2）塑料的连接

塑料连接的目的是将简单的塑料件与其他塑料件、非塑料件连接固定以构成复杂的组件，塑料连接方式有机械连接、热熔连接、溶剂连接及胶接等。

（1）机械连接

机械连接主要有铆接、螺纹连接以及压配连接等机械手段实现连接和固定的方法。适用于一切塑料制品，尤其适用于金属件与塑料件的连接。

（2）热熔连接

热熔连接也称塑料焊接，是将两个被连接件的接头处局部加热使之熔化，然后加上足够的压力压紧。冷却凝固后两个制品即紧固地连为一体了，此种连接方法只适用于热塑性塑料的连接。

（3）溶剂连接

借助于溶剂（如环乙酮、甲乙酮、甲苯等）的作用将塑料表面溶解、软化，再施加适当的压力使连接面贴紧，待溶剂挥发干净后，将连接面粘接在一起的方法即为溶剂连接。主要适用于同品种热塑性塑料制品的连接。

（4）胶接

胶接是指用胶粘剂涂在两个被粘接的塑料制品表面形成胶层，靠胶层的作用将制品连接成一体的方法。胶接法既适用于热塑性塑料也适用于热固性塑料，既可用于同种、异种塑料制品的连接，也可用于塑料与金属、陶瓷、玻璃等的连接。

3）塑料的表面处理

塑料的表面处理指为美化塑料制品或为提高制品表面的耐腐蚀性、耐磨性及防老化等功能而进行的涂装、印刷、镀膜等表面处理过程。

（1）涂装

涂装指在塑料制品表面涂抹涂料，形成一层薄膜来保护制品表面和使制品美观的装饰技术。涂装可以提高制品表面的耐化学药品和耐溶剂的腐蚀作用，防止制品老化，还可以对制品进行着色等。根据涂料的不同，可以选择喷涂、刷涂和转辊涂覆等涂装工艺。

（2）镀金属膜

对塑料制品进行表面金属化，既可起装饰作用，又可使制品表面具有某些金属的特性，如导电性、导磁性、反光性等以及提高表面硬度和耐磨性、延缓老化，生产中常用电镀法、化学镀膜、真空镀膜和离子镀膜法等。

（3）印刷

塑料制品表面可印刷广告、说明资料等。

9.2　橡胶成形与加工技术

橡胶分天然橡胶和合成橡胶两大类，未经硫化处理的天然橡胶和合成橡胶均为生胶。橡胶的成形加工是指以生胶为原料，加入多种配合剂经炼胶机混炼成混炼胶后，再根据需要加入各种骨架材料，混合均匀后放入一定形状的模具中，并在通用或专用设备上经过加热、加压获得所需形状和性能的橡胶制品。

橡胶制品具有弹性高、抗疲劳强度好、耐磨损、减震、隔音、密封性好等特点，广泛用于工业、农业及国防领域中，是减震、密封、绝缘等不可缺少的有机高分子材料。

9.2.1　橡胶成形工艺过程

橡胶成形一般经过生胶塑炼、橡胶混炼、制品成形和硫化处理等工序。

1）生胶塑炼

生胶不仅弹性很高，而且强度、耐磨性及稳定性较差，易为溶剂所溶解，故不能直接用来制造橡胶制品，必须在生胶中加入各种配合剂（如硫化剂、硫化促进剂、活化剂、软化剂、填充剂、防老化剂和着色剂等）及骨架材料（如合成纤维、天然纤维、石棉纤维、布、金属丝等），以提高制品的力学性能。由于弹性的生胶很难与各种配合剂充分均匀地混合，更难于成形加工，所以，生胶必须先进行塑炼，其目的使橡胶分子发生裂解从而减小分子质量而增加可塑性。

塑炼通常在滚筒式塑炼机中进行。也可直接向生胶中通入热压缩空气，在热量和氧气作用下，促使生胶分子裂解，以增加可塑性。

2）橡胶混炼

橡胶混炼是指使塑炼后的生胶在炼胶机中与各种配合剂均匀地混合在一起形成混炼胶的过程。混炼胶是各种橡胶制品的原料。

混炼时应按一定的顺序放入配合剂，一般应先放入防老剂、增塑剂、填充剂，最后放入硫化剂和硫化促进剂。混炼时要不断翻动、切割胶层，并控制适宜的温度和时间以保证质量。

3）制品成形

首先将混炼胶成形为具有和制品形状相似的半成品胶料，然后根据模具型腔的形状、尺寸大小对半成品胶料称重，再将定量的半成品胶料置于模具型腔中，使模具在相应的设备（平板硫化机或液压机）中受热、受压或将混炼胶直接注射到模具型腔中，保压一段时间后，橡胶分子经过由线型结构变成网状结构的交联反应而定型，即可获得所需橡胶制品。

4）硫化处理

硫化是橡胶成形加工的重要工序之一，除模压成形方法将制品成形与硫化处理同时进行外，其他橡胶成形方法都需将制品再送入硫化罐内进行加热、加压硫化处理，使橡胶中的生胶与硫化剂发生化学反应，以改变胶料的性能。

9.2.2　橡胶的成形方法

橡胶制品的成形方法与塑料制品的成形方法有许多相似之处。橡胶成形方法主要有压制成形、压铸成形、注射成形及挤出成形等。

1）压制成形

将混炼胶预制成与制品形状相似的半成品胶料后，将其填入敞开的模具型腔内，闭膜后送入平板硫化机中加热、加压硫化后，获得所需形状橡胶制品的方法即为压制成形。

压制成形的设备和模具简单，通用性强，成本低，适用范围广且操作方便。

2）压铸成形

压铸成形是指将混炼过的、形状简单的、一定量的胶条或胶块半成品放入压铸模的料腔中，再通过压铸塞的压力挤压胶料，使胶料通过浇注系统进入模具型腔中硫化成形的方法。

压铸成形适用于制作薄壁、细长和超厚的橡胶制品，生产效率高，且压制过程中能增加橡胶与金属嵌件的结合力，由于模具在工作中是先合模后加料，因此，模具不易损坏。

3）注射成形

注射成形是利用注射机或注压机的压力，将预热成塑性状态的胶料经注压模的喷嘴进入模具型腔硫化成形。

注射成形具有时间短、生产效率高、劳动强度低及制品质量稳定等特点，适用于大型、厚壁、薄壁及几何形状复杂的橡胶制品的制造。

4）挤出成形

挤出成形是指在挤出机中对胶料进行加热与塑化，通过螺杆的旋转，使胶料在机筒内不断向前挤压并通过具有一定形状的口模而制成各种截面形状的橡胶型材半成品，而后经过定型再输送到硫化罐内进行硫化或用作压模法所需要预成形半成品胶料。

挤出成形具有操作简便、生产率高、设备及模具结构简单等优点，但其只能成形形状简单的直条型（如管、棒、板材等）或预制成形半成品，不能用于生产精度高，断面形状复杂的橡胶制品和带有金属嵌件（即骨架）的橡胶制品。

9.3　陶瓷成形技术

陶瓷是无机非金属材料，具有耐高温、耐腐蚀及硬度高等特点，得到越来越广泛的应用。

9.3.1　陶瓷成形工艺过程

陶瓷材料种类繁多，其成形工艺不完全相同，但一般都要经过坯料的制备、制品成形、坯体干燥和烧结等四个基本过程。

1）坯料的制备

坯料的制备过程随原料、成形工艺和对坯料性能要求的不同而不同，由原料筛选、粉碎、脱水和练坯（制成可塑泥团状、浆状、粉状等坯料）等工序组成，为制品成形作准备。

2）制品成形

制品成形是对经过坯料制备形成的粉状料、浆状料或可塑泥团，按各种成形方法制成所需形状和尺寸的坯体，坯体再经过干燥和烧结等工序即可成为陶瓷制品。陶瓷成形方法就是指坯体的成形方法。

3）坯体干燥与烧结

坯体成形后含有较高的水分，强度较低，在运输和再加工过程中容易变形或破损，因此，坯体必须经过干燥后再进行烧结，经过一系列的物理和化学变化使其成瓷并具有较高的强度和一定的致密度。

9.3.2　陶瓷成形方法

根据陶瓷制品的形状、大小、厚薄以及坯料、产量和质量的不同，可采用不同的成形方法，常用的陶瓷成形方法主要有可塑成形、注浆成形、压制成形和固体成形等。

1）可塑成形

可塑成形是采用手工或机械的方法对具有可塑性的泥团状坯料施加压力，使其发生塑性变形而制成坯体的方法。通常根据坯料的配方原料、粉碎方法、颗粒分布及坯料含水量及可塑性的不同，可采用不同的可塑成形方法，常见的可塑成形方法有挤压成形、滚压成形、旋压成形、塑压成形等。

（1）旋压成形

旋压成形是利用样板刀和石膏模型成形的一种工艺方法，其成形过程如图9-3-1所示。将制备好的具有可塑性的坯料泥团置于安装在旋坯机上的石膏模型中，然后将样板刀逐渐压入坯料泥团，随着石膏模型的旋转和样板刀的挤压作用，坯料泥团被均匀地分布在石膏模型的表面上而形成坯体。坯体的内外表面是由模型的工作表面形状和样板刀的工作弧线形状形成的，而坯体的厚度就是样板刀和模型工作表面之间的距离。旋压成形的优点是设备简单、适应性强、可旋制大型深孔的制品，其缺点是成形质量较差，生产率低，劳动强度大。

图9-3-1　旋压成形示意图

图9-3-2　滚压成形示意图

（2）滚压成形

如果将旋压成形用的扁平型样板刀改变成回转体形的滚压头，即为滚压成形，如图9-3-2所示。滚压成形时，盛放泥料的模型和滚压头分别绕自身轴线以一定的速度同方向旋转，滚压头在旋转的同时逐渐压入泥料，使泥料受滚压作用而形成坯体。滚压成形有阳模滚压（见图9-3-2a）和阴模滚压（见图9-3-2b）两种。滚压成形的坯体比旋压成形的坯体密度高、强度大、质量好、生产率高。

2）注浆成形

注浆成形是将制备好的坯料泥浆注入多孔模型（石膏模、金属模或树脂模）内停留一段时间后，在模型型腔内表面逐渐形成泥层，当达到所需厚度时倒去多余泥浆，然后待模干燥、待注件干燥后修坯、脱模而获得坯体的成形方法。注浆成形不需专用设备，但其生产周期比较长，手工操作的工作量大，主要用于制造形状复杂但精度要求不高的普通陶瓷制品。

3）压制成形

压制成形是将含有极少水分的粉状坯料放在金属模具内压制成致密生坯的成形方法。当粉料含水量为3%～7%时为干压成形；粉料含水量在3%以下时为等静压成形。压制成形过程简单，易于实现自动化和机械化，且坯体的强度高、变形小，制品尺寸精度高，是工程陶瓷和金属陶瓷的主要成形方法。

9.4　复合材料成形技术

9.4.1　复合材料成形工艺特点

复合材料成形工艺与传统的工程材料成形工艺不同，也不同于其他材料的加工工艺，大部分复合材料的材料设计与制品成形是同时完成的。复合材料的设计与成形工艺主要具有以下两个特点：

①力学性能的可设计性　传统设计中构件的力学性能仅仅是根据需求对材料进行选择，而复合材料的力学性能在构件的设计和制造时可按其受力情况和性能要求设计。

②材料制造和构件制造的统一性　传统材料的零件加工是对材料的机械加工，复合材料的制造过程也是构件的制造过程，其制品的成形工艺主要取决于基体材料。

9.4.2　复合材料成形方法

1）树脂基复合材料成形方法

树脂基复合材料的成形方法很多。除了有类似于塑料成形的注射成形、压制成形、浇铸成形、挤出成形等方法外，还有手糊成形、缠绕成形及喷射成形等。

图9-4-1　手糊法成形示意图

（1）手糊成形

手糊成形是指将不饱和树脂或环氧树脂和增强材料粘结在一起的成形方法，其成形过程如图9-4-1所示，先在模具的型腔表面涂刷一层脱模剂，再刷一层胶衣层，待胶衣层凝胶后（即发软而不粘手），立即在其上刷一层加入固化剂的树脂混合料，然后将按规定形状和尺寸裁剪好的纤维增强织物直接铺在其上，并用手动压辊推压使树脂液均匀地浸入织布，并排除气泡，随后再涂刷树脂液，铺设纤维织物，如此循环往复，直至达到设计规定的厚度，最后再经固化、脱模、修整，即可获得所需制品。

手糊成形具有操作简单，设备投资少，生产成本低，制品的形状和尺寸不受限制等优点，其缺点是生产周期长，劳动强度大，制品质量和性能不稳定等。主要适用于多品种、小批量、精度要求不高的制品，如玻璃钢遮阳棚、玻璃钢瓦片等。

（2）喷射成形

喷射成形过程如图9-4-2所示，即将加入引发剂的树脂和加入促进剂的树脂分别装在两个罐中，由液压泵或压缩空气按比例输送到喷枪内进行雾化并由喷嘴喷出，同时切割器将连续纤维切割成短纤维，由喷枪的第三个喷嘴均匀地喷出并与树脂混合喷射到模具表面上，当沉积到一定厚度时，用压辊辊压排出气体，再继续喷射，直到完成坯件制作，最后再经固化脱模即可得到制品。

图9-4-2　喷射成形示意图

喷射成形具有生产效率高，劳动强度低，节省原材料，制品无搭接缝。飞边少及制品整体性能好等优点。其缺点是树脂含量高、制品强度低，操作现场污染大，此法主要适用于制造船体、浴盆、汽车车身、容器等大型制件。

（3）缠绕成形

缠绕成形是将浸过树脂的纤维丝或带，按照一定的规律连续缠绕到芯模上，经固化而成一定形状制品的工艺方法。缠绕成形生产效率高，制品质量稳定，易于实现机械化与自动化，主要用于制造大型回转体制品，如各种化工容器、管道、锥形雷达罩、火箭筒体等。

缠绕成形按树脂基体的状态不同可分为干法、湿法和半干法三种。干法是在缠绕前预先将纤维制成预浸渍带，然后将其卷在卷盘上待用，缠绕时再将预浸渍带加热软化后绕在芯模上的一种方法。湿法是缠绕时将纤维经集束后进入树脂槽浸胶，在张力控制下直接缠绕在芯模上，然后固化成形的一种方法，半干法与湿法相比，增加了烘干工序，与干法相比，缩短了烘干时间，降低了烘干程度。

缠绕工艺流程一般包括芯模或内衬（内压容器一般采用内衬以防渗漏）的制造，树脂胶液的配制、纤维热处理烘干、浸胶、胶纱烘干，在一定张力下缠绕、固化、检验、加工成制品等工序。

2）金属基复合材料成形方法

金属基复合材料是以金属为基体，以纤维、颗粒、晶须为增加体的复合材料。金属基复合材料的成形方法主要有挤压成形、旋压成形、模锻成形、压铸成形、粉末冶金成形及等离子喷涂法等。

（1）挤压成形

挤压成形是利用挤压机使短纤维、晶须及颗粒增强复合材料的坯料或坯锭发生塑性变形，以制取棒材、型材和管材的方法。

（2）旋压成形

旋压成形是将金属基复合材料的坯料（平板毛坯或预成形件）固定在旋转的芯模上，用旋转轮对毛坯施加压力，得到各种空心薄壁回转体制件的方法。

（3）模锻成形

模锻成形是在压力机或锻锤上利用锻模使金属基复合材料的坯锭或坯料发生塑性变形的方法。此法主要用于批量生产形状复杂、颗粒或晶须增强的金属基复合材料的零件，如铝基复合材料的火箭发动机头盖、液压件及接头、连杆、活塞等。

（4）压铸成形

压铸成形是在高压下将液态金属基复合材料注射进入铸型，凝固后成形的一种方法，此法主要用于汽车、摩托车等金属基复合材料零件的大批量生产。

（5）粉末冶金法

粉末冶金法是将几种颗粒或粉末状的金属、非金属材料和增强相均匀混合，然后压制成锭块或预成形坯，再通过挤压、扎制、锻造等二次加工制成型材或零件的方法。此法是制备金属基复合材料的常用方法之一，广泛用于各种颗粒、片晶、晶须及短纤维增强的铝、铜、钛、高温合金的金属基复合材料，粉末冶金法工艺复杂，成本比较高，有些金属粉末还易引起爆炸。

（6）等离子喷涂法

等离子喷涂法是在惰性气体保护下，利用等离子电弧的高温将金属熔化并喷涂到随等离子弧向排列整齐的纤维上，待其冷却凝固后形成金属基纤维增强复合材料的一种方法。等离子喷涂法的优点是增强纤维与金属基体的润湿性好、界面结合紧密及成形过程中纤维不受损伤等优点。

复习思考题

1.塑料的成形方法主要有哪些？各具有什么特点？

2.塑料制品的注射成形主要包括哪些工艺过程？

3.塑料的二次加工方法有哪些？

4.常用橡胶制品的成形方法有哪些？各具有什么特点？

5.陶瓷成形方法有哪些？各具有什么特点？

6.复合材料成形方法主要有哪些？