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玻璃鋼門窗型材的拉擠成型工藝及模具

 

    我國建筑門窗行業應是多元化、多層次的產品結構體系,盡管當前已生產和使用的門窗產品有鋼、鋁、塑、木四大類產品,但其他新材料如有較好的物理性能、有較突出的保溫節能效果,資源豐富,能滿足使用功能,都可用來研制門窗。玻璃鋼是一種應用比較廣泛的新材料,不僅在國防工業和國民經濟建設中發揮著作用,而且作為建筑工業中的一種新材料,它具有獨特的物理性能、化學性能和機械性能,也是制作門窗的一種優質復合材料。玻璃鋼是由基體樹脂和增強纖維構成的類似于鋼筋混凝土的一種復合結構體。由于樹脂和纖維在性能上的“優勢互補”,因而具有質輕、高強、防腐、絕緣、保溫、隔聲等優良的物化性能。玻璃鋼門窗型材是玻璃纖維及織物浸透樹脂后經牽引機牽引,通過加熱專用模具高溫固化成型,形成表面光潔、尺寸穩定、強度高的玻璃鋼型材。型材經特殊涂層表面處理切割下料后,使用專用角連件和密封材料,即可組裝成門窗。

1  玻璃鋼門窗型材的拉擠工藝

1.1玻璃鋼門窗制造過程

    玻璃鋼門窗通過采用拉擠工藝成型的中空型材,經過切割、拼裝制成門窗框材,再裝上橡膠密封條、五金件、中空玻璃等附件制成門窗。為了減輕重量和增加剛度,門窗型材一般都是空腹式。玻璃鋼拉擠成型是自動化連續生產同一截面玻璃鋼型材的工藝,它能成型截面形狀相當復雜的產品。通過連續纖維的增強,可獲得比傳統材料更佳的機械性能,由高分子組成的基體滿足了結構、化學、耐火、電氣、腐蝕和環境方面的要求,具有很強的可設計性。玻璃鋼門窗強度高、剛度大、不變形、隔熱保溫、防水防腐、使用壽命長、裝飾性好、外觀精致、易于保養。

1.2拉擠成型工藝優點

    玻璃鋼門窗拉擠成型工藝是復合材料成型中的一種特殊工藝,其優點如下:

    (1)生產過程中實現了自動化控制,生產效率高;

    (2)成型制品中樹脂含量容易控制,纖維含量高,可充分發揮增強材料的作用;

    (3)力學性能的可設計性強,合理選用不同增強材料,可賦予制品不同的橫縱向強度,可滿足不同的要求;

    (4)長度可隨意控制,使生產過程中無邊角廢料,后繼加工少,省工、節能、降耗。同時,也有只能生產單一截面形狀制品,產品結構單一,橫向強度不高的缺點。

1.3拉擠成型的原料

    玻璃鋼拉擠工藝成型的原、輔材料包括玻璃纖維增強材料、樹脂基體和輔助材料。玻璃纖維增強材料包括無捻粗紗、連續纖維氈等。增強材料是中空型材的支撐骨架,它基本上決定了制品的拉伸強度和拉伸彈性模量,而且對減少高聚物收縮,提高熱變形溫度和低溫沖擊強度也有一定的作用。拉擠成型工藝對玻璃纖維連續氈的要求是具有較高的機械強度。樹脂基體應選擇能滿足型材使用要求、拉擠工藝專用的不飽合聚酯樹脂。輔助材料包括內脫模劑、粉末填料、偶聯劑、固化劑等。內脫模劑一般選用硬脂酸鹽系列的產品。填料的作用在于改善樹脂工藝及制品的性能和降低成本。通常無機填料可以提高機械強度和硬度,減少體積收縮率,增加耐熱性、自熄性,增加樹脂的黏度和降低流動性。

1.4拉擠成型工藝

    玻璃鋼拉擠成型是將浸漬過樹脂膠液的連續玻璃纖維、玻璃纖維連續氈、玻纖或化纖表面氈等增強材料,通過預成型模具進入加熱的型材模具,在模具中升溫固化,在牽引力作用下連續拉出任意長的玻璃鋼型材。拉擠成型工藝過程是由送紗、浸膠、預成型、固化定型、牽引、切斷等加工工序組成,成型制品再通過精細加工程序完成。玻璃纖維從紗架引出后,經過排紗器進入浸膠槽浸透樹脂膠液,然后進入預成型模具,將多余樹脂和氣泡排出,再進入成型固化模凝膠、固化,固化后的制品由牽引機連續不斷地從模具中拔出,最后由切斷機定長切斷。主要成型設備有紗架、膠槽、模具、牽引機、型材切割機等,輔助設備有烘干機、攪拌機、切氈機等。在成型過程中,每道工序都可以有不同方法:如送紗工序,可以增加連續纖維氈或三向織物以提高制品強度;牽引工序可以是履帶式牽引機,也可以是液壓式牽引機;固化方式可以是模內固化,也可以用加熱爐固化;加熱方式可以是高頻電加熱或是熔融金屬等。

1.5拉擠成型工藝參數

    玻璃鋼型材拉擠工藝參數主要包括:固化溫度、固化時間、牽引力及速度、紗和氈數量等,拉擠速度和模具溫度是最重要的工藝參數。樹脂配方是決定型材拉擠工藝參數的重要因素,原料配方確定以后,可由樹脂體系固化的放熱峰曲線來確定模具溫度分布,它是確定其他工藝參數的前提。模具溫度太高,則反應太快,容易引起制品熱開裂。工藝速度決定了材料在模具中停留的時間。拉擠速度的選擇必須與溫度匹配,模具溫度高,牽引速度增加。拉擠速度的上限與樹脂、纖維、模具三者的具體情況及拉擠設備的能力有關。為了提生產率,一般盡可能提高速度,這樣可提高模具剪切應力,提高制品表面質量。由于門窗型材壁厚較大,所以拉速度不易過大。拉擠工藝啟動時,速度應放慢,然后逐步提高到正常的速度。牽引力是重要的參數之一,影響牽引力的因素很多,在拉擠工藝中,牽引力的穩定性比起牽引大小更為重要,許多拉擠工藝故障的預兆都是牽引力驟然增加。牽引力的變化反映出產品在模具中的狀態,呈鋸齒形的牽引力反映出型材脫黏點蠕動的不穩定性。夾持力的大小以牽引時產品被夾住不滑動為宜,牽引力越高,所需夾持力越大。夾持力太大會使產品產生裂紋和壓痕,太小會產生阻塞,產品在模具中打滑。在拉擠工藝中要采用與型材外形相適合的夾具。

    由于拉擠成型工藝參數是相互影響的,最好的辦法是探測模具內的固化聚合反應,以此來清楚了解工藝參數的實際組合效果。實際過程中可在浸漬過樹脂的增強材料束中放置一熱電偶,當它經過模具時,可讀出實際反應溫度,模具內部溫度對應模具長度的曲線可直接反應出聚合反應過程和聚合度。為得到最佳拉擠質量,溫度曲線應避免陡直上升,以減少產品熱應力。放熱峰應處于大約模具長度75%的位置。這樣既能保證較高的生產效率,同時,剩余的模具長度可進行有效的內部冷卻并起校準單元的作用。溫度曲線可用計算機測量和記錄。

2玻璃鋼門窗型材拉擠模具的設計

2.1模具的要求

    拉擠成型的工藝特點是模具加熱固化產品而連續成型,模具長期處于受熱狀態,一些分塊模具生產出現故障及產品更換需要拆卸模具進行清理。這種工藝特點要求拉擠模具具有良好的尺寸穩定性。當浸漬過樹脂的纖維被拉進模具時,由于體積的縮小伴隨產生擠壓現象,纖維束對模腔面的正應力增大,導致摩擦力增加,使模具始終處于被擠壓和摩擦的狀態,這就要求拉擠模具具有優良的耐磨性。拉擠成型時,浸漬過樹脂的纖維束一邊受熱進行固化反應,一邊在牽引裝置的作用下沿模具前移,制品的表面受到動態的摩擦作用。為了得到良好的制品表面質量,要求拉擠模具具有極高的表面光潔度,甚至達到鏡面的效果。

2.2模具材料的選擇

    模具的材料直接影響著模具的性能,進而影響拉擠型材的質量和產量。由于模具精度高、加工復雜、制造周期長、成本高,因此模具應具有較長的使用壽命。一般模具的材料要求具備以下性能:

    (1)較高的強度,耐疲勞性和耐磨性;

    (2)較高的耐熱性,較小的熱變形性;

    (3)良好的耐腐蝕性;

(4)良好的切削性和表面拋光性能;   

(5)受熱變形小,尺寸穩定性好。

    玻璃鋼拉擠模具的材料有結構鋼和工具鋼。這些鋼都能夠在不同程度上符合玻璃鋼拉擠成型對模具材料的性能要求。選擇模具材料首先是耐磨性,一般要求在硬度高的基體上均勻分布大量細小而堅硬的碳化物;其次是強度和韌性,在相同硬度情況下,提高鋼的強度和韌性有利于提高耐磨性。除了耐磨性外,選擇拉擠模具材料時還應兼顧模具的制造工藝及其他性能要求。

2.3分型面的選擇

    玻璃鋼拉擠模具一般由幾塊模具拼裝組合而成。因此,正確選擇分型面,不僅能保證模具的順利制作,而且能滿足拉擠制品的生產工藝要求和質量要求。由于在兩塊模具的接縫處模具所受應力最大,它也是容易產生樹脂黏附、堵塞的地方,并且最終在制品的表面出現合??p,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,并保證模具合縫棱邊無損傷,合縫嚴密,同時使操作簡單,模具易清理。

2.4入口的設計

    入口設計也是拉擠模具的關鍵之一。由于纖維束在入口處體積縮小而壓力升高,而入口處的兒何形狀是重要的影響因素。玻璃纖維浸漬樹脂進入成型模具時,纖維束是在成型機牽引作用下進入模具,由于模具進口處纖維束十分松散,往往在入口處積聚纏繞,這樣容易造成斷纖。此外,模具在長時間使用過程中,由于積聚纏繞的影響,往往造成入口磨損嚴重,影響產品質量。通常的入口形式可采用錐形、圓形和拋物線形。國內目前采用較多的是錐形入口(角度為5。~8。,長度為50~100 mm),但它的壓力升高要高于圓形和拋物線形。提高入口的錐度,可降低入口壓力升高。為解決斷纖和磨損問題,還可在模具錐形入口處周邊倒一截面為1/4橢圓截面圓角,這樣可以大大減少斷纖現象發生,降低模具的磨損,提高玻璃鋼拉擠制品的質量。

2.5模具尺寸的確定

    拉擠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玻璃鋼制品的10倍。而模具的長度與設備加熱能力、樹脂特性及配方、制品幾何尺寸和拉擠速度有關。由于玻璃鋼窗框的壁厚較薄,在模具中熱傳導較快,因此,模具長度不宜過長,這也有利于模具的機加工和拉擠工藝的順利進行。目前國內模具長度一般設計為900 mm左右。一般模具厚度為制品厚度的2~3倍。模具型腔尺寸決定于制品的尺寸及收縮率。對于玻璃鋼窗框型材,一般采用不飽和聚酯樹脂玻璃纖維體系,收縮率一般在2%左右。玻璃鋼窗框型材大多是中空制品,因此芯棒的設計特別重要.一般芯模具的有效長度為模具長度的2/3~3/4,而在拉擠工藝過程中要考慮到芯棒固定及調整,以及防止偏心,此外芯棒還要考慮到配重的問題。對于長度為900 mm左右的模具,一般芯棒的長度為1200 mm左右。

2.6模具加工要求

    模具精度較高,為了工藝要求,模具加工通常須經過鍛造、退火、粗銑、調質、精銑、淬火、研磨等一系列工序,有時還要求進行拋光、電鍍等。最終的模具表面粗糙度必須達到0.025~0.800 Um。其他對形狀和位置公差如平行度、垂直度、直線度等都有嚴格要求。另外對拉擠模具還有一獨特之處,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,因為在這些部位,模腔內的應力較大,容易造成黏模,使制品表面出現缺損并最終導致拉擠的失敗。因此,在制品的棱邊應采用2。~5。的圓角過渡,盡可能不采用一些細小的溝槽和突起。

3結束語

    玻璃鋼材料的應用在我國已有較長的歷史,但作為建筑門窗則剛剛開始。因此,不論型材設計、加工設備、加工工藝、工裝模具等都需要進一步探討和完善。玻璃鋼門窗型材的拉擠工藝是一個比較復雜的工藝,技術性強,型材質量的影響因素很多,包括原材料的選用、樹脂配方是否合理、工藝參數控制好壞和工藝方法是否可行等等,此外還與操作人員的素質和責任心有著非常密切的關系。正確的加工工藝、高效率的設備、先進的模具是影響玻璃鋼制品的三大重要因素。只有充分把握住各種原材料的性能、樹脂體系反應原理、工藝變量之間的聯系和其對產品性能的影響,并且有合適的工裝模具,才能生產出合格的玻璃鋼門窗型材。為了推廣玻璃鋼門窗的應用,要進一步提高門窗型材的表面光潔度和平整度,合理選擇與優化型材擠出的各項技術參數,完善工藝過程,提高設備與工裝模具的精度,加強質量管理與監督,為用戶提供優質的玻璃鋼門窗。


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