塑料擠脹成型技術(shù)研究進(jìn)展
時(shí)間:2005-07-04
塑料擠脹成型方法是一種新的塑料成型加工技術(shù)，與注塑或旋轉(zhuǎn)模塑的成型方法相比，擠脹成型具有自身特殊的優(yōu)點(diǎn)和適用范圍。本文介紹了北京化工大學(xué)塑料擠脹成型技術(shù)的主要研究成果。
目前，全世界80%以上重量的塑料制品是通過(guò)擠出和注塑成型得到的。
雖然目前的塑料成型方法幾乎可以加工各種形狀的塑料制品，但是對(duì)於一些具有特殊形狀的制品，采用現(xiàn)有的方法可能并不是最具經(jīng)濟(jì)效益的，如管件中的三通、四通等，通過(guò)注塑方法可以成型，但注塑成型投資大，模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴且能耗高；尤其在生產(chǎn)批量較小的情況下，昂貴的模具費(fèi)用將由小量的制件來(lái)分擔(dān)等等，所以注塑方法在生產(chǎn)此類零件時(shí)有一定困難，更何況目前對(duì)於細(xì)長(zhǎng)、端面尺寸相差較大或膨脹節(jié)等口小腹大類制件，并無(wú)法用注塑及常規(guī)的塑料成型方法來(lái)加工。塑料擠脹成型（Plastic Bulge Forming，PBF）就是在這種趨勢(shì)下應(yīng)運(yùn)而生的。
擠脹成型的概念
擠脹成型是一種塑性成型方法，是指將預(yù)成型的管坯在組合外力（內(nèi)壓和軸向壓縮）的作用下，沿徑向向外擴(kuò)張，通過(guò)塑性變形來(lái)形成與模具型腔相一致的制品。
擠脹成型的基本工藝過(guò)程如右圖所示。將管坯放入模具并在管坯內(nèi)填入脹形介質(zhì)（a）；對(duì)管坯及其內(nèi)部的脹形介質(zhì)施加擠壓力F，使管坯材料在一定的應(yīng)力狀態(tài)下變形（b）；管坯在脹形介質(zhì)產(chǎn)生的內(nèi)壓作用下得到與模腔形狀相同的制件（c），卸載後脹形介質(zhì)回復(fù)，取出成型制件（d）。
擠脹成型技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用
目前美國(guó)、日本、德國(guó)、瑞典和加拿大等國(guó)在擠脹成型技術(shù)方面的研究都已經(jīng)非常深入，并不斷地?cái)U(kuò)大擠脹成型制品的應(yīng)用領(lǐng)域。
擠脹成型不僅能夠加工常規(guī)的三通、四通等制品，還能加工各種復(fù)雜的異型制品，其特點(diǎn)就是中間腹部的一些方向上尺寸大於兩端入口尺寸，這正是擠脹成型方法的優(yōu)勢(shì)所在。此外，汽車工業(yè)對(duì)於擠脹成型技術(shù)的發(fā)展具有舉足輕重的作用，擠脹成型技術(shù)也推動(dòng)了汽車生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步。世界很多名牌汽車如奔馳、寶馬、奧迪、Volvo和Toyota等都不同程度地采用了擠脹成型技術(shù)。
不過(guò)，這些擠脹成型技術(shù)主要應(yīng)用於金屬材料的擠脹成型，在塑料方面的應(yīng)用還沒(méi)有看到過(guò)相關(guān)的報(bào)道。
擠脹成型的可行性與優(yōu)點(diǎn)
通過(guò)注塑或旋轉(zhuǎn)模塑成型的各種塑料制品已經(jīng)獲得大量應(yīng)用，但采用這些工藝生產(chǎn)異型管件或一些特殊類型的制品也存在不足：1. 設(shè)備投資大。對(duì)注塑來(lái)說(shuō)，預(yù)塑化、合模鎖模、注塑、保壓、冷卻、頂出等是注塑裝置的必備功能，因此注塑機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高；再者，注塑模要考慮澆注系統(tǒng)、型芯布置等因素，模具結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，價(jià)格昂貴。對(duì)旋轉(zhuǎn)模塑來(lái)說(shuō)，只能成型具有簡(jiǎn)單截面形狀的制品；物料在成型過(guò)程中未實(shí)現(xiàn)充分塑化，制品沖擊強(qiáng)度較低；成型時(shí)間長(zhǎng)，加工不同制品時(shí)的工藝轉(zhuǎn)換較困難等。2. 能耗高。在成型過(guò)程中，物料需要經(jīng)過(guò)熔融和冷卻，生產(chǎn)過(guò)程能耗較大。這些都造成單件制品的成本偏高，尤其在生產(chǎn)批量較小的情況下，昂貴的模具費(fèi)用只能由少量的制件來(lái)分擔(dān)。這些缺點(diǎn)使開(kāi)發(fā)一種新的塑料異型制件成型方法顯得更為迫切。
由於塑料擠出成型工藝簡(jiǎn)單、高效，令連續(xù)擠出制品具有質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的特點(diǎn)，保證了塑料擠脹成型具有廣泛且經(jīng)濟(jì)的坯料來(lái)源。另外一些特殊的工程塑料如聚四氟乙烯（PTFE）、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）等具有非常高的粘度，其管道制品可采用螺桿擠出或柱塞推壓的方法成型，但這些材料無(wú)法采用注塑成型加工，其管件均采用壓制燒結(jié)方法成型，效率低下，產(chǎn)品質(zhì)量無(wú)法保證，而塑料擠脹成型可以為這些管道加工管件制品，滿足實(shí)際的使用要求。
通過(guò)與常規(guī)的塑料成型加工方法的比較，可以看出擠脹成型在塑料加工成型方面具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1.成型設(shè)備結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，投資低；
2.模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，造價(jià)低；
3.被加工材料不產(chǎn)生相變，而且成型過(guò)程通常在較低溫度進(jìn)行，能耗少；
4.適於生產(chǎn)斷面尺寸相差較大的制品，對(duì)制品的斷面尺寸適應(yīng)性強(qiáng)；
5.控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，工藝控制靈活，通過(guò)控制擠壓行程，利用同一副模具，有可能得到不同尺寸的制品；
6.能充分利用擠出制型坯的高生產(chǎn)率和低成本；
7.可制造其他成型方法無(wú)法得到或難於得到的較復(fù)雜的薄壁零件；
8.在生產(chǎn)批量較小的情況下，能大幅度降低生產(chǎn)成本等等。
技術(shù)研究進(jìn)展
北京化工大學(xué)研制的塑料擠脹成型實(shí)驗(yàn)機(jī)
北京化工大學(xué)於1998年開(kāi)始進(jìn)行塑料擠脹成型方法的研究，有關(guān)這種新方法的研究進(jìn)展如下：
1.設(shè)計(jì)了第一臺(tái)塑料擠脹成型實(shí)驗(yàn)機(jī)及配套的專用模具系統(tǒng)，用於成型不同的擠脹制品。目前塑料擠脹成型方法已獲得國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)，具有自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
2.對(duì)塑料擠脹成型過(guò)程進(jìn)行了理論研究，分別采用理論和數(shù)值模擬及優(yōu)化的方法研究了不同類型制品的擠脹成型過(guò)程，為塑料擠脹成型工藝、設(shè)備及模具的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。
3.在理論研究的基礎(chǔ)上，利用自行研制的塑料擠脹成型實(shí)驗(yàn)機(jī)及模具系統(tǒng)，對(duì)不同塑料材料及塑料制品形式進(jìn)行了擠脹成型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)擠脹成型的制品包括三通件、凸肚管、波紋管、蝶形管等，所采用的材料類型有硬聚氯乙烯（UPVC）、聚丙烯（PP）、三型聚丙烯（PP-R）。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，總結(jié)了不同類型制品擠脹成型發(fā)生失效的主要形式及原因，并通過(guò)分析測(cè)試數(shù)據(jù)得到了合理的加工模型，為制定合理的加工工藝提供了充分的依據(jù)。
結(jié)論
擠脹成型是一種新的聚合物固態(tài)成型加工方法。通過(guò)與常規(guī)塑料成型加工方法的比較，可以發(fā)現(xiàn)將擠脹成型用於塑料加工領(lǐng)域是完全可行的，尤其是用於加工一些特定類型的制品時(shí)，比常規(guī)的塑料成型方法有更大的優(yōu)勢(shì)。對(duì)這種新技術(shù)的深入研究，可推動(dòng)其走向應(yīng)用，并成為一種有潛力的聚合物新成型方法。
