成型过程论文范文

成型过程论文范文（精选9篇）

成型过程论文 第1篇

能源与环境两大难题对人类今后发展造成了不可估量的压力:一方面, 能源作为全球经济发展最为重要的动力将在不久的未来消耗殆尽;另一方面, 传统能源在日常使用中给全世界人民带来了各种污染。生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式, 它以生物质 (通过光合作用而形成的各种有机体) 为载体, 直接或间接地来源于绿色植物的光合作用。生物质资源的可再生性和环保性可以完美地克服上述化石能源的两个致命缺点。因此, 开发生物质能是实现社会可持续发展的必由之路。

1 总体阐述

五柱塞秸秆燃料成型机是在原有三柱塞式基础上加以改进, 在生物质成型过程中还存在很多问题, 如成品出现裂纹、秸秆块成型不实、能耗过高等。本研究的目的就是为了进一步增大生物质燃料的产量, 降低能耗, 在此基础上针对五柱塞秸秆燃料成型机的秸秆压缩成型过程进行分析, 具体步骤为:成型过程模型建立;利用ANASYS进行应力、流动、剪应力分析;模具锥形孔角度对秸秆成型影响。

2 模型的建立

秸秆原料经过粉碎成颗粒状后通过活塞式冲压成型, 根据不同受力情况可分为输送、挤压、成型3个过程。秸秆颗粒在成型过程中受到热和力作用, 性质变得较为复杂。所以, 选取挤压阶段为主要分析对象, 将其中一些影响生物质成型的次要因素省略, 抓住最主要的性质。模型建立原则如下:秸秆颗粒在挤压成型阶段受到热和力作用, 由于木质素熔融颗粒粘黏在一起, 可以把单个颗粒变形视为一个集合体变形, 即将其视为连续介质。

根据Solidworks中建立的模具结构特点, 将其简化为二维轴对称模型。

2.1 模型的单元类型

在有限元建模过程中, 将模型简化为二维平面模型。综合考虑秸秆压缩中的塑性和大变形等因素, 选取二维八节点单元的PLANE82单元。PLANE82是二维四节点单元 (PLANE42) 的高阶版本。对于三角形和四边形混合网格有较高的精度, 而且可以适应不规则形状。本单元有8个节点, 每个节点有2个自由度 (即x和y方向的平移) , 可以作为平面单元也可以作为轴对称单元。本单元具有塑性、蠕变、辐射膨胀、应力刚度和大应变能力。在ANSYS单元类型关键字中选择KEYOPT (3) =1, 即为轴对称单元类型。

2.2 模型的材料属性

本章以秸秆颗粒为模拟对象, 在秸秆压缩成型过程中秸秆与模具存在摩擦因此建立两种材料模型。材料属性如表1所示。

2.3 模型的网格划分

由于模型为关于Y轴对称, 故采用轴对称模型。视为连续质的秸秆材料因模型较为规整, 对其单元尺寸进行设定后采用自由划分。秸秆压缩模具模型具有不规则性, 如果采用自由网格划分则会出现不固定的单元形状, 在运算中会出现计算量大、不易收敛的境况;而映射划分对几何模型形状有严格的控制, 平面几何形状由三边或四边形构成, 如果模型变数较多则采用连接法将其转化为四边形。因此, 网格划分中秸秆材料采用自由网格划分, 模具采用映射网格划分。秸秆材料X方向划分16份, Y方向划分100份, 模具采用映射网格划分控制计算精度和提高收敛性, 网格划分如图1所示。

2.4 定义接触

秸秆在挤压成型过程中会与模具产生摩擦与挤压现象, 所以在利用ANSYS软件进行分析时必须建立接触单元。ANSYS中接触问题基本可以分为刚体—柔体接触、柔体—刚体接触两种情况。在刚体—柔体接触中, 接触面的一个或多个被当作刚体。通常情况下, 软质材料和硬质材料接触时, 可视为刚体—柔体的接触。在秸秆在压缩成型过程中, 秸秆表面与模具金属表面接触属于刚—柔体接触。ANSYS中支持刚—柔体面面接触。刚体被定义为“目标面”, 可以用TARGE169 (2D) 和TARGE (3D) 单元来模拟。柔性体的表面被定义为“接触面”, 用CONTA171、CON-TA172、CONTA173、CONTA174来模拟。一个目标单元和一个接触单元称作“接触对”。

2.5 建立接触对

在秸秆原料挤压成型过程中, 秸秆颗粒与模具相互挤压摩擦, 秸秆原料发生较大的塑性变形, 模具与其相比较变形量可以忽略不计。所以, 定义秸秆原料与模具之间接触关系为刚体—柔体接触。秸秆原料与模具相互挤压过程中定义接触单元和目标单元分别为CONTA172和TATGE169。TATGE169单元能够较好地模拟复杂形状的目标面。CONTA172可以用来描述二维目标面与变形面之间的接触与滑动。

在ANSYS前处理中使用接触对 (Contact Pair) , 来定义刚性目标面和柔性体接面:在接触向导设置目标面 (Target Surface) 为Lines;接触类型 (Target Type) 为Rigid;接触单元类型 (Contact Element Type) 设置为面—面 (Surface—to—Surface) 。

2.6 添加载荷与约束

玉米秸秆在压缩成型过程中受温度、力、含水率等条件影响。秸秆顶部上方添加Y方向垂直向下位移作为载荷。因为模具为轴对称形式, 为了方便计算机运算, 固将模型简化为1/2轴对称模型进行载荷与约束添加。约束与载荷分布如图2所示。

定义新的分析 (New Analysis) 为静态 (Static) 。因秸秆在压缩成型过程中会产生较大变形, 所以需设定Sol·n control中Large displacement选项, 再将线性搜索 (Line Search) 打开, 有利于计算平稳。

3 秸秆压缩过程分析

3.1 秸秆压缩成型应力变化过程

图3反映了秸秆在压缩过程中等效应力变化过程。秸秆材料进入模具开始挤压时, 成型块大部分区域等效应力变化不明显。随着挤压面积增大, 秸秆颗粒在摩擦力和剪应力作用下相互挤压成型, 成型区域内应力主要集中在模具锥形孔范围。在挤压过程中秸秆颗粒表面与模具接触处的应力比中心大, 引起应力分布不均匀的情况, 容易产生表面裂纹等缺陷;而模具在图3中反映出较为容易磨损位置为锥形孔上端与下端, 最大等效应力值为82.7MPa。

3.2 秸秆压缩成型流动变化

图4、图5由于轴对称挤压流动较为均匀, 网格变形反映了材料受到模具挤压时的流动情况。可以看出, 秸秆原料在x、y向上的网格均发生了明显变化, 尤其与模具相接触区域变化更为明显。这是由于秸秆原料在压缩过程中与模具之间产生摩擦, 导致中间区域略滞后于接触区域。随着挤压过程的推移, 中间部分变形逐渐恢复平稳, 接触区域变形趋于稳定。

3.3 秸秆压缩成型剪应力变化过程

在秸秆挤压成型过程中, 秸秆颗粒受到剪应力作用范围主要集中在模具锥形面接触区域。随着挤压成型过程推进, 剪应力随之增大。秸秆块在挤压成型后, 因剪应力的影响沿直径方向会产生弹性滞涨与膨胀, 最后将导致秸秆块挤出后表面出现裂痕影响成型效果。如图6所示, 剪应力的增大能提高秸秆块密度, 但过大的剪应力又会导致秸秆块表面出现裂纹。模具锥形孔的角度直接影响着剪应力大小, 选择合适的锥形孔角度将有利于最终秸秆成型效果。

3.4 模具锥形孔角度对秸秆成型影响

通过分析秸秆在压缩过程中剪应力对其影响, 可以得出模具锥形角在秸秆成型过程中起主要作用。在ANSYS软件中, 在模型模具锥形孔角度分别为12°、15°、18°, 材料属性、单元类型、接触对相同和载荷等参数不变的条件下进行模拟仿真, 得出等效塑性应变图, 如图7~图9所示。

4 结果与讨论

由于秸秆原料在压缩过程中与模具之间产生摩擦, 导致中间区域略滞后于接触区域;并且当物料进入模具开始挤压时, 成型区域的内应力主要集中在模具锥形孔范围。在挤压过程中, 秸秆颗粒表面与模具接触处的应力比中心大。其中, 剪应力也随着挤压过程越来越大, 因剪应力的影响沿直径方向会产生弹性滞涨与膨胀, 导致挤出秸秆块表面出现裂痕。剪应力的增大能提高秸秆块密度, 但过大的剪应力又会导致秸秆块表面出现裂纹。根据分析, 模具锥形孔的角度直接影响着剪应力大小。当模具锥形孔为12°时, 随着位移载荷增大, 秸秆应力变形主要集中在中间部分;当在进入保型段时, 秸秆颗粒向中间部位移动较少, 中间变形不明显, 容易造成最后挤压出的秸秆块成型不实。当模具锥形孔为18°时, 由于剪应力增大, 秸秆颗塑性变形效果较好;但是相应地带来了剪应力增大, 会造成最后秸秆块表面出现大的裂纹。当模具锥形孔为15°时, 能较好地平衡剪应力大小与成型密度两者关系。

5 结论

通过利用Solid Works软件对五柱塞秸秆成型机进行建模、ANSYS有限元软件对秸秆压缩成型过程进行计算机模拟, 得到等效应力图、流动变化图、时间历程剪应力图, 可以看出应力、流动、剪应力的变化情况。通过对上述图形分析, 得到模具锥形孔角度大小与压缩成型效果之间的关系。再进一步比较分析当模具锥形孔12°、15°、18°时秸秆挤压过程中等效塑性变化图, 结果表明:当锥形孔角度为15°时, 秸秆压缩成型效果较好, 为今后模具结构参数提供了理论基础。

参考文献

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成型过程论文 第2篇

目前，世界上通用热塑性塑料的产量几乎占塑料总产量的80%，我国也不例外。这些塑料的加工都是物理加工技术，例如挤出、注射、压延等，也就是塑料通过加热-熔融冷却的过程而成制品。近20年来，成型加工技术发展很快，但基调变化不大，不过已由单向型向组合型发展，例如挤-拉-吹、注-拉-吹、挤出-热成型、挤出-复合，由一般向特殊条件的成型加工技术发展，例如高压、高温、高真空、等离子喷涂等。

挤出成型

热塑性树脂及各种添加剂混合造粒后加入挤出机。物料在机筒内受到机械剪切力、摩擦热和外加热的作用，使其熔融塑化，同时又在螺杆旋转向前的推挤下，使其成为密实的熔融体。熔融体再经过滤板及不同类型的成型口模，而变为截面形状恒定的型材，经冷却定型得到制品。

我们通常见到的板、棒、管、电线护套、丝、带、某些薄膜等都是用这种方法制成的。国内已能生产细的如渔网丝，粗的如直径为0。2m的大直径塑料管，还能生产建筑上用的异型截面的型材，如塑料门窗。

挤出成型生产效率高，操作简单，产品质量均匀；设备可大可小，可简可精，容易制造，便于投产；可以一机多用或进行综合性生产。另外挤出成型机还可以用于混合、塑化、脱水、造粒、喂料等不同的工艺。

压延成型

压延成型是热塑性塑料主要成型方法之一。该方法主要是制造薄膜及片状材料。适于压延的热塑性塑料有PVC、PE、PP、ABS、CA、VC/EVA等。

注射成型

注射成型又称注射模塑成型，它是一种注射兼模塑的成型方法。注射成型方法其优点是生产速度快、效率高，操作可实现自动化，能成型形状复杂的制件。不利的一面是模具成本高，且清理困难，所以小批量制品就不宜采用此法成型。用这种方法成型的制品有：电视机外壳、半导体收音机外壳、电器上的接插件、http://wuxisy.jdol.com.cn/ http://sinokohl.jdol.com.cn/

旋纽、线圈骨架、齿轮、汽车灯罩、茶杯、饭碗、皂盒、浴缸、凉鞋等等。

目前，注射成型适用于全部热塑性塑料，其成型周期短，花色品种多，形状可以由简到繁，尺寸可以由大到小，而且制品尺寸精确，产品易更新换代。

吹塑成型

吹塑成型包括吹塑薄膜及吹塑中空制品两种。

泡沫塑料的成型

泡沫塑料是以树脂为主要成分制成的内部含有无数微小泡孔的塑料制品，又称为微孔或多孔性塑料。现代技术几乎可以把所有的热塑性和热固性树脂加工成泡沫塑料。目前通常用于制造泡沫塑料的树脂有聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚氨酯、脲甲醛树脂等等。

泡沫塑料按制品的软硬程度不同分为软质、硬质和半硬质泡沫塑料。

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不锈钢鲍尔环填料具有通量大、阻力小、分离效率高及肥城三杰工程材料有限公司（http://liubin1984.jdol.com.cn）钢塑土工格栅价格-膨润防火毯价格-涤纶格栅厂家操作弹性大等优点，在相同的降压下,处理量可较拉西环大

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50%以上。在同样处理量时，降压可降低一半，传质效率可提高20%左右。与拉西环比较，这种填料具有生产能力大、阻力强、操作弹性大等特点，在一般情况下同样压降时处理可比拉西环大50%-100%，同样处理时压降比拉西环小

50%-70%，塔高也有降压，采用鲍尔环可以比拉西环节约20%-40%填料容积。

在双层(多层)滤料过滤中，磁铁矿滤料都是必不可少的主要过滤材料，磁铁矿滤料由于使用的颗粒粒径最小，在双层(多层)，滤料过滤中都是起着处理水质最后把关的作用，因此磁铁矿滤料质量是否合格直接关系到水处理最终水质。

在国内大多数工业水处理中，采用的过滤形式都是浙江海洋王防爆电器有限公司（http://liyaoming2002.jdol.com.cn）内场防爆灯、厂用防爆灯、隔爆型防爆灯压力过滤形式，压力过滤器的过滤压力和反冲洗压力都比较大，在垫层中使用比重大的磁铁矿垫料，可以随较大的反冲洗压力。如果使用比重小或不合格的垫料，容易造成滤料和垫料在反冲洗过程中出现混层，过滤器很快失去过滤作用。聊城润华金属制造有限公司（http://hanjingli888.jdol.com.cn）45号异型管架子管、20MNG高压锅炉管、25MN精密光亮管，铁矿滤料，适用于管式大阻力配水系统，是三层滤池必备的一种过滤材料，主要对改进承托层和配水系统有着良好的适用能力，强度高、滤速快、反冲洗时不易混层。另外，它对除铁、除锰、除氟效果也很明显。真空包装的主要作用是除氧，以有利于防止食品变质，其原理也比较简单，因食品霉腐变质主要由微生物的活动造成，而大多数微生物（如霉菌和酵母菌）的生存是需要氧气的，而真空包装就是运用这个原理，把包装袋内和食品细胞内的氧气抽掉，使微生物失去生存的环境。实验证明：当包装袋内的氧气浓度≤1% 时，微，生物的生长和繁殖速度就急剧下降，氧气浓度≤0。5%时，大多数微生物将受到抑制而停止繁殖。（注：真空包装浙江海洋王防爆电器有限公司（http://yl5487.jdol.com.cn）RJW7101防爆探照灯-NGC9810高顶灯-防震型投光灯不能抑制厌氧菌的繁殖和酶反应引起的食品变质和变色，因此还需与其它辅助方法结合，如冷藏、速冻、脱水、高温杀菌、辐照灭菌、微波杀http://gdbyjs3.jdol.com.cn/

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菌、盐腌制等。）真空除氧除了抑制微生物的生长和繁殖外，另一个重要功能是防止食品氧化，因油脂类食品中含有大量不饱和脂肪酸，受氧的作用而氧化，使食品变味、变质，此外，氧化还使维生素A和C损失，食品色素中的不稳定物质受氧的作用，使颜色变暗。所以，除氧能有效地防止食品变质。真空充气包装则除了有真空包装所具备的除氧保质功能外，主要还有抗压、阻气、保鲜等作用，能更有效地使食品长期保持原有的色、香、味、形及营，养价值。真空包装机另外，有许多食品不适宜采用真空包装而必须采用真空充气包装。如松脆易碎食品，易结块食品，易变形走油食品，有尖锐棱角或硬度较高会刺破包装袋的食品等。食品经真空充气包装后，包装袋内充气压强大于包装袋外大气压强，能有效地防止食品受压破碎变形并不影响包装袋外观及印刷装潢。

滤料(filteringmedia)主要分为两大类，一类是用以进水过滤的粒状材料，通常指石英砂，白煤或矿石等。另一类是物理分离的过滤介质，主要包括过滤布，过滤网，滤芯，滤纸，以及最新的膜。特点：瓷砂滤料浙江海洋王防爆电器有限公司（http://nfc9176.jdol.com.cn）矿用防爆LED巷道灯、手提式防爆探照灯、长寿顶灯为球形颗粒，具有稳定的化学性能，机械强度高，耐高温耐腐蚀比表面积大、截污吸附性能好、颗粒均匀、比重适当、使用寿命长达10年以上，解决了天然上海顺德二手工程机械有限公司（http://shundejx.jdol.com.cn）二手铲车市场-上海二手叉车交易市场-二手压路机交易市场滤料石英砂使用周期短，易破碎泥化产生SiO2和遗留有机碳的二次污染问题。用途：用于单层滤池、双层滤池、双层滤器、离子交换器等到过滤设备中做过滤介质及垫层，处理各种工业污水，工业用水，城市污水等。稀土瓷砂由于添加了含有增强及耐腐蚀性的稀土，除具有瓷砂滤料的性能外，吸附性能进一步增强，化，学稳定性更好，特别适合做反渗透系统的过滤和超滤介质。常用滤料规格,滤料的铺装方法配水系统安装完毕后，先将滤池内杂物全部清除，并疏通配水孔眼和配水缝隙，然后再用反冲洗法检查配水系统是否符合设计要求。在滤池内壁安承托料和滤料的各层顶高画水平线作为铺装高度标记，仔细检查不同丽江范围的承托料按其粒径范围从大到小依次清洗，以备铺装。铺装最下一层滤料是应避免随换滤池的配水系统。每层承托层的厚度应准确均匀用锹或刮板刮动表面使其接近水平高度应与铺装高度巩义市多佳净水材料有限公司（http://huasongjing.jdol.com.cn/）不锈

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钢鲍尔环-磁铁矿滤料-磺化煤滤料标记水平线相吻合。在铺毕粒径范围等于小于2-4mm的承托料后应用该上限冲洗强度冲洗，已完成有效的水利分级。选定滤料粒径，一般根据过滤和冲洗两方面的要求，先确定石英砂滤料粒径的大致范围，然后计算出轻质滤料的最大粒径和重质滤料的最小颗粒径。为避免层间严重混杂，铺装滤料前，可再稍稍提高石英砂滤料的最小粒径值，或降低其最大拉径值。在国内，石英砂滤料粒径范围一般为0。5--0。8毫米，国外所用的石英砂滤料粒径较小，其有效拉径为0。4--0。45毫米。

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成型过程论文 第3篇

一、课程设置

1. 课程目标

经过广泛的企业调研和专家论证，确定《塑料成型工艺与模具设计》课程面向的主要岗位是塑模设计、模具拆装、塑件成型工艺规程编制以及塑料成型机械操作技术。通过本课程的学习，为模具企业生产一线岗位培养具有良好职业技能和职业素养，具备塑模设计能力、塑模拆装能力、编制塑件成型工艺规程能力以及塑料成型机械操作技术的高技能应用型人才。

2. 课程内容

本课程以职业能力培养为重点，与行业、企业合作，进行基于工作过程的课程开发与设计。通过对模具企业的工作岗位调研，分析塑模职业岗位任职要求，将职业岗位工作任务融入教学内容，开发学习性工作任务。将课堂延伸到生产一线工作岗位。“教学做”相结合，充分发挥学生的主体作用，充分体现出课程的职业性、实践性、开放性。

二、教学内容

1. 教学内容的选取

本课程教学内容以塑模设计与制造职业能力培养为目标，参照塑模设计、模具拆装，塑件工艺规程编制以及塑料成型机械操作的职业岗位标准，归纳出具有代表性工作任务，形成教学项目。把每个项目分解成若干个学习性工作任务，每个工作任务涵盖了若干个知识点和技能点的教学内容。由能力训练带动知识点的学习，理论为实践服务，融实践训练过程中，充分体现了教学内容源于模具生产岗位，服务于生产岗位的办学宗旨。

2. 教学内容的组织与安排

（1）将集中实训融入学习性工作任务。打破常规的理论教学与实训环节分离的方式，把原有的理论教学，设计实训，模具拆装有机整合、序化。利用专业教室固定场所，把以往不能搬到教学楼的塑料模具摆到每张桌子上，使学生在课堂上边听讲，边对照分析，边动手拆装。实现知识传授与能力训练为一体。

（2）根据学习性工作任务的具体内容，将学时连续性集中安排，改变传统的教学模式。由原来的每周6节课改为集中在一段时间内，全天候连续在专业教室上课。学生在学完之后，在再课堂上就复习并练习，教师可以在课堂上辅导、答疑，及时发现学生练习中普遍易犯得错误，并予以指正。实现“教、学、做、考、评”于一体（表1）。

（3）采用“专业+车间”的人才共育模式。在学习性工程任务实施过程中，适时将课堂延伸到模具企业生产一线岗位。让学生带着学习任务到校外实习基地的模具设计、制造工艺、安装调试、设备操作等工作岗位，以员工角色，分工协作，完成学习性工作任务。达到所学即为所用的效果。

3. 教学内容的表现形式

（1）选用教材。教材选用的原则是适合高职学生学习，实践能力培养内容丰富，而且与本校软、硬件条件相适合的教材。

（2）编写教材。我们还与校外实习基地合作，按工作过程要求一起开发基于工作过程，教学做一体化的针对性和可操作性强的活页教材。

三、教学方法与手段

1. 教学设计

（1）“工学交替、教学做一体”的教学模式。重视学生在校学习与实际工作的一致性，课堂从校内实训室延伸到模具企业生产工作岗位。按照企业生产岗位工作规范，使学生掌握完成每项工作任务的途径、方法和步骤，提高学生适用真实工作岗位的能力。

（2）核心技术一体化的教学模式。在教学过程中以塑模设计+pro/E核心技术的综合运用能力培养为重点，形成塑模设计理论、软件设计应用、现场实际操作三大模块为核心的一体化教学。加强学生的能力培养，让学生接受了最具代表性的现代塑模设计方法。

2. 教学方法

（1）任务驱动法。让学生在一系列工作任务的驱动下，主动参与教学活动，在完成任务中，掌握塑模设计的知识和技能。

（2）案例分析法。在课堂上将模具企业典型工程样例引入教学，如典型塑模结构的设计与制造，然后逐个加以分析，使学生从中领会思路和解决问题的办法。

（3）角色扮演法。将学生分为若干个小组，在模具设计、工艺编制、调试安装、设备操作的工作过程中，充当技术员、工艺员、操作员，以员工的角色，分工协作完成工作任务，使学生在获得工作经验的同时，形成工作、服从、协作、负责等良好的职业素养。

3. 教学手段

（1）运用真实的实训设备和条件进行仿真的一体化教学。充分利用校内实训基地功能，师生以员工身份，结合现场实际进行典型模具零件设计与制造，切实培养学生的职业技能。

（2）营造教学工程氛围和环境，运用视频录像将现场实景搬入教室。让学生提前了解模具设计与制造的工作过程，为顶岗实习，就业做好准备。

（3）有效利用教学录像为学生自主学习提供网上指导。

四、实践教学条件

实践教学的设计思想是紧紧围绕让学生具备“模具设计、模具设计、工艺编制、数控加工、调试安装、设备操作”技术能力，这一目标而展开的。

1. 校内实训环境

专业配套的模具设计与制造实训基地配有先进的实验、实训设备。为学生的专业实践锻炼营造了一个较为真实的现场环境。较好地满足了教学、实训和应用技术开发的需要，为职业技能培训和职业技能鉴定创造了条件。

2. 校外实习环境

学院由江西省煤炭集团公司主办。学校独有的管理模式，使学院校企无缝结合，特色鲜明。在教学内容上，现场授课，动手操作，学做结合。使学生在实训过程中，既能学习到工程师是如何工作的，又能学习到技师是怎样操作的。在潜入默化中培养了学生的应职能力和职业素养，较好地解决了“教与学”、“学与做”脱节的问题。

五、课程改革方向与途径

（1）按照教育部16号文件精神，建立适用以突出能力培养目标，实现以人为本和个人职业生涯可持续发展的人才培养方案的教学大纲以及实践教学体系。

（2）理论课方面突出重点部分增加虚拟教学，通过引进相关软件提高职业理论的仿真效果。

（3）在实训课中加快引进有关塑料成型机械设备和分析软件，完善模具结构拆装教学做一体化实训室建设，购进有关模具模型供学生拆装。

（4）建立完善的考评体系：采用学校考核与企业考核相结合，过程考核与结果考核相结合，学生、老师、师傅三方共同考核。

六、课程建设成效

在学院领导的高度重视和机械工程系的大力支持下，模具教研室全体教师通过3年多的课程建设与教学实践改革。《塑料成型工艺与模具设计》课程已于2010年11月通过江西应用工程职业学院精品课程的评审，被评为院级示范性精品课程。为我院进行基于工作过程的高职课程体系改革，起到了积极的示范性作用。明年准备申报省级精品课程。

影响切碎棉秆压缩成型过程的探讨 第4篇

关键词：畜牧学,棉秆压缩成型,综述,影响因素

0 引言

棉秆属于一年生禾本科双子叶植物,其茎秆的组织结构按成熟程度的不同可分为初生结构和次生结构。整株棉包括根、茎、冠3部分。根系由主根和毛根组成,茎由主干和支干组成;冠由分枝、叶、桃组成。横向截面分为皮、木质部和髓3部分。按质量比,皮占总量的30%,木质部分占65%,髓占4.5%;按体积比,皮占总体积的20.75%,木质部占63.3%,髓占15.95%。棉秆是一种木质化程度高、韧皮纤维丰富的硬茎秆。利用棉秆的这一特点,可以把棉秆压缩成型,制成高热能的燃料块,制成人造板作为木材的替代品,能与其它秸秆混合制砖,也可模压成不同形状的产品,这些产品即绿色环保又可以提高棉秆的利用潜力。本文就影响切碎棉秆压缩成型过程的因素进行探讨。

1 棉秆压缩成型工艺

1.1 棉秆压缩成型过程

棉秆压缩成型技术就是将松散、无固定形状的原料压缩成具有规则形状、密度较大的固体成型燃料和碳化产品。工艺流程:粉碎→干燥→混合→挤压成型→包装。

1.2 压缩成型原理

植物细胞中除含有纤维素、半纤维素还含有木质素(木素),木素是具有芳香族特性的结构单体,为丙烷型的立体结构高分子化合物。木素属非晶体,没有熔点但有软化点,当温度为70°~110℃时,开始软化,粘合力增加,在温度达到200°~300℃时熔融。因此,松散的物料在一定的压力和温度下,就以熔融的木质素为粘合剂与纤维素紧密粘接并与相邻颗粒互相胶接,冷却后即固化为棉秆压块。

2 影响切碎棉秆压缩成型的因素

2.1 成型块的物理性能

2.1.1 松弛密度

成型块出模后最终稳定的密度为松弛密度。由于成型块出模后发生弹性变形和应力松弛,压缩密度随时间而变化,所以松弛密度比模内压缩密度小。

2.1.2 耐久性

成型块承受机械作用的能力是一项具有实际意义的重要性能,耐久性试验的目的就是检验并确定成型块受力时的抗变形能力。当成型块密度低于300kg/m3时,其耐久性将迅速降低,甚至不能粘聚成型,而且耐久性受含水量影响很大。当含水量在一定范围内,可获得耐久性最大的成型物,否则耐久性迅速下降。此外,增大填料量、采用长棉秆、减小模子直径、提高成型温度、加粘结剂等都将使成型块的耐久性提高。

2.2 压力需求

在物理条件下,棉秆模压成型的一个压缩循环被认为是由两个阶段组成的:第一个阶段为惯性阶段,即棉秆压缩处于松散的状态;第二个阶段为弹性阶段,即压缩块开始含有粘聚体的状态。通过一个压缩循环,植物被粉碎,茎秆和叶子交错在一起。此外,在整个压缩过程中,物料对模壁的侧向压力产生摩擦力,通过柱塞的作用力来克服摩擦力。

在最大压力给定时,秸秆在模内压缩时的密度随模子直径的减小而降低。随着模子直径从75mm减小到25mm,在模内压缩的秸秆密度降低了6%。其原因是在尺寸较小的模子内,由于模子直径太小而导致秸秆形成较大程度的交错和折叠现象,从而使压缩秸秆获得一个较大的体积模量,结果使压缩阻力增大,而进一步导致压缩秸秆的密度降低[1,2]。此外,随着模子直径减小,模壁上的摩擦力将成比例增大,结果使压缩块所受的平均压力变小。

2.3 模子的几何形状

在成型块松弛密度给定时,所需比能不受模子直径影响。因为模子的填料量与其横截面积成一定比例变化。所以,在给定的最大压力时,处于压缩状态下成型块的长度和直径的比值反而随模子直径增大而减小。因此,秸秆在模内出现较大程度的挤压和交叠,产生不可恢复的较大变形,从而能够更好地阻止压缩块出模后的膨胀现象。此外,由于侧向压力作用,成型块表面被磨得很光滑,因此从外表上可以看出,成型块有一块较大的压缩区域与模壁接触。这一现象表明,当模子直径较小时,随着模子直径的减小,成型块的表面积与体积的比值增大,从而造成成型块在这块压缩区域膨胀变小。

2.4 填料量

模子的填料量决定了压缩棉秆的初始密度,增大模子尺寸可以有效地提高填料量。对于粉碎棉秆,棉秆的粒度也可以改变填料量大小。研究表明,当模子直径恒定,填料量超过4:1范围后,最大压力一旦达到一特定值,模内物料的压缩密度就不再受填料量的影响。在实际情况下,模子填料量增大时,成型块出模后的松弛密度增大值是比较低的。

2.5 棉秆的处理方式

一般棉秆在模内压缩成型前,需要切断或粉碎。棉秆切断通常有一定的标称长度,切断长度对压缩能无明显影响,但却影响成型块的耐久性。试验表明,棉秆长度增大,棉秆的耐久性增大。对粉碎棉秆、切断棉秆和长棉秆的压缩成型进行了试验对比,结果表明在低压条件下,切断棉秆和粉碎棉秆不易形成牢固的压块。其中,切断棉秆在压缩成型中,消耗的压缩能最高,而形成的压块松弛密度最低。

2.6 棉秆的含水量

合适的水分可以使棉秆压缩成型效果最佳,过高或过低都将不利于棉秆压缩成型,棉秆的热压成型中,含水量太高影响热量传递,并增大了物料与模子的摩擦力;在高温时由于蒸汽量大,甚至会发生气堵或“放炮”现象;含水量太低,影响木质素的软化点,棉秆内摩擦和抗压强度加大,造成太多的压缩能消耗。

2.7 粘结剂的使用

棉秆中的木质素在70°~110℃开始软化,在140°~180℃开始塑化而富有粘性,在200°~300℃熔融。由于木质素软化而增强了对植物细胞壁和纤维素的粘结力,因此棉秆类物料可以不需要其它粘结剂,在一定温度时就可以成型。秸秆高压成型不必使用粘结剂,中等压力成型使用粘结剂可以明显地提高压块密度,低压成型必须使用粘结剂[3]。

2.8 温度的影响

因为物料加热到木质素软化温度(70°~110℃)或熔融温度(200°~300℃),可以增强棉秆的粘结作用,提高成型物的耐久性和松弛密度。

温度不仅可以加速木质素软化,而且还可以加速应力松弛。温度可以引起永久的粘塑性变形。温度可以增强物料的塑性和流动性,使物料粒子更易结合成型。实际上物料在连续压缩过程中,模子温度不经外界加热就会提高。尤其是在螺旋挤压和锥模压缩时,由于摩擦生热,模子升温很快,因此温度在40°~50℃时成型效果就很好[4]。

3 结论

1)切碎棉秆的粒度减小,对成型块的松弛密度有所提高,但是提高的幅度并不很明显。这说明,在成型密度达到一定要求时,通过减小棉秆切碎颗粒尺寸来提高成型块密度意义不大。

2)切碎棉秆的粒度大小对棉秆的抗变形性影响极大,但对抗跌碎性的影响却很不明显。根据成型块的粘结机理,可以说明,在棉秆颗粒较大时,成型块内部的颗粒之间主要是以交错叠加的粘结类型为主,结合较松散,因此抗变形性很差。但当颗粒粒度减小时,颗粒之间分子吸引力加大,粘接力明显增大,因此抗变形性就非常大。

3)切碎棉秆的粒度大小对成型块的抗渗水性影响比较显著,粒度小的成型块,抗渗水性弱。这主要是由于切碎棉秆粒度越小,棉茎组织结构的完整性破坏越严重,结果造成棉秆成型块内部的颗粒组织自身的抗渗水能力下降。

参考文献

[1]O’Dogherty M.J.,O’Wheeler J.A..Compress-ion of Straw to High Densities in Closed Cylindrical Dies[J].J.agric.Engng Res,1984,29:61-72.

[2]O’Dogherty,M.J..Chop length distributions from forage harvesters and a simulation modelof chopping[J].J.agric.Engng Res,1984,30:165-173.

[3]盛奎川,Ahmed El-Behery,Hassan Gomaa.棉秆切碎及压缩成型的试验研究[J].农业工程学报,1999,15(4):221-225.

挤出成型过程中的分层现象(一) 第5篇

在陶瓷 (砖瓦) 制品领域里, 其术语“分层” (lamination) 通常是被用来解释关于坯体中的纹理 (texture) , 该纹理表示着坯体材料的结构特性。而“纹理”一词则来自拉丁语“textura”, 其含义是“薄的纱 (纸制) 织品”。根据哈格 (Haage) [1]对“分层”这一术语的解释包括下列含义: (1) 结构成分的定向 (各向同性与各向异性材料的纹理) ; (2) 结构成分的分布 (匀质与非匀质材料的纹理) ; (3) 容积比率的变换程度 (致密的和多孔的分布形成纹理) 。

陶瓷材料与无定形 (非结晶) 的玻璃材料相反, 主要是由有晶体结构的成分组成, 几乎所有这些晶体成分它们自身都易于形成分层。因此在实际操作中, 就必须针对坯体的配比进行最优化以及使用合适的方法进行原材料的制备和成型加工, 以便确保在最终产品的质量上没有变形或裂纹等缺陷。任何陶瓷产品的分层状态表明, 其主要是在成型过程中产生的, 虽然这些分层仅在干燥之后或是在烧结之后才表现出来。

将陶瓷产品的分层全都当做有害现象时本身就存在着认识上的错误, 尤其是一些带有分层结构的陶瓷产品在特定的材料性能上能够达到非常有用的效果。例如用于汽车的、具有薄壁、蜂窝状结构的催化转换器载体, 其在挤出成型过程中由于高度挤压变形, 在其结构上形成了明显的方向性纹理, 这种烧结产品的特性就是在轴向上具有极其低的线性热膨胀系数, 因此, 具有很好的抵御热冲击的能力, 保证了这种陶瓷质蜂窝状催化转换器在汽车发动机中能够经受无数次的启动而不会损坏。

在所有陶瓷产品的制备和成型过程中都可能会形成分层, 即使在干压成型以及浇注成型中也会出现分层。在屋面瓦毛坯的再次压制过程中或是在板材的滚压成型过程中也会出现分层的现象, 甚至在等压成型中也能发现分层的现象。

挤出成型中的分层常常是专家们讨论的焦点, 因为在某些情况下, 挤出成型形成的分层能够导致生产期间出现高的废品率, 或是给陶瓷产品的最终用途带来某些缺陷, 所以常常需要确定分层是否出现于成型阶段。在挤出成型方面人们已经做出了无数的努力, 目前仍然在采用更改设计的手段来努力寻找解决挤出分层的方法, 特别是在螺旋绞刀、压力机头以及机口设计方面。在已发表过的文献著作中有许多推荐的方法, 但是通常发现这些方法很少是有效的, 虽然在个别情况下可能会解决问题。

虽说如此, 在过去数十年间, 在挤出产品分层最小化方面还是做出了一些成绩。由于在陶瓷产品生产的工厂中存在着变化多端的环境条件, 以及对有关原材料、应用的技术和产品种类不同要求的问题, 使得初始条件更为复杂, 因而不可能有万能的秘方。

本文中的第一部分描述了挤出过程中分层形成原因和分类。其后部分描述了由定性的以及定量的方法来证明和评价出现的分层。文章最后部分描述的是某些可使挤出分层最小化应用方法的细节以及怎样避免分层的负面影响。

2 分层产生的原因和不同类型的分层

在挤出成型过程中, 分层的本质是由代表坯体特征性能的原材料和原材料在传输、均匀化处理以及在挤出机内的成型而引发的物理过程的联合效应, 在成型中坯体内可能会引发剪切、滑动、分离以及重新愈合的效应。

普饶伯斯特 (Probst) [2]对引发的分层与实际使用中有关联的原因进行了意义重大的分类, 他提出了可能引发分层的三组变量, 即原材料性能的变量、加工处理过程的变量和成型机械设备的变量。在这三组变量的每一组中都可区分出若干种单一的变量, 如表1所示。

本文仅涉及在实际操作中引发分层出现的最重要的有关变量。对分层问题的研究者来说, 应当时刻在脑海中记住表1中的各种变量。在实际生产中经常使用消除分层的方法是改变螺旋绞刀的几何形状或是对机口进行改变, 但这仅仅起到了很微小的作用, 因为有时分层问题的起源于前期原材料制备阶段。

在原材料进入挤出机或真空挤出机之前, 也必须考虑到坯体原材料分层趋势的大小程度, 所采用的制备工艺对原材料性能上的改变或多或少的有着直接的影响, 例如在压滤机、搅拌机、捏合机及配料设备中原材料性能都会发生变化[3]。

对挤出过程出现的大量可变的典型分层原因的分析, 正如在参考文献中描述的一样, 能够被简化归类为下列类型: (1) 流动分层; (2) 内部滑移表面; (3) 切割分层; (4) 挤出螺旋绞刀造成的特定分层 (不合理的螺旋绞刀——译者注) ; (5) 抽真空分层 (抽真空不彻底——译者注) ; (6) 混合不均匀的坯体原材料引发的分层。

在以粘土质材料为基础的陶瓷产品以及与之相对应的氧化物和非氧化物陶瓷中出现的众多分层形式都受到了粘土矿物所具有的特定性能的影响。例如高岭石、多水高岭石 (叙永石或称埃洛石) 、蒙脱石或伊利石等粘土矿物, 均呈极细小的分散状态, 其尺寸约为5 mm～1 000 mm, 因而具有很大的、约为5 m2/g～100 m2/g的比表面积。此外, 这些矿物都是不等轴的结构形态, 所具有的几何形状为薄片形、细小的棒柱形、条状等等, 图1是高岭石层状结构的扫描电子显微镜照片。

2.1 流动分层

流动分层的特征形态就是原材料中不等轴 (结晶体——译者注) 的粘土矿物颗粒在挤出机泥缸里螺旋绞刀、压力机头以及机口中的剪切速度梯度下颗粒的定向排列所引起的。图2是挤出的坯体泥条在干燥之后的断裂面上所表现出的各种流动分层状态, 这些流动分层是由于不同粘土矿物含量而引发的。

(左:高塑性粘土;中:高岭石质的高岭土;右:加入熟料的粘土)

矿物晶体特定的性能取决于结晶轴, 挤出的泥条在挤出过程中形成的流动分层在因方向不同而引发了性能的不同, 在挤出的产品不同方向上能够测定出这些流动分层所引发的不同性能。这些现象是实际存在的。例如, 干燥和焙烧收缩、线性热膨胀系数、导热系数以及机械强度上都有所不同。

在坯体不同位置以及不同方向上的干燥收缩不同, 就有可能在坯体内部引起拉力, 其结果可能会导致坯体变形, 如果其拉力超过了坯体的固有强度时, 或许会出现裂纹。

图3中的曲线证明了高强度瓷器原材料挤出的泥条在不同方向干燥收缩的差异。测定时使用的样品是具有外径为480 mm的空心泥条, 这是为发电站制造的绝缘子, 其在干燥到半硬的状态下进行车削加工。

泥条或绝缘子的轴向干燥收缩与径向相比较, 存在着相对较大的差异。因此, 坯体干燥时的抗压应力和抗拉应力也是可预料的。在那些表现出收缩程度最高的横截面的区域上就有特别高的开裂风险, 因为在陶瓷坯体结构上所建立的抗拉应力以及抗拉强度比抗压强度低得多。

当使用活塞式挤出机时, 自然地也会出现流动分层, 因为陶瓷坯体材料在机头和机口中也经受到了剪切应力。流动分层所遵循的规律主要是涉及原材料颗粒的固有特性。当原材料全部由几乎是等体积的颗粒组成时, 就应当没有流动分层, 例如那些等径的球形颗粒[3]。

2.2 由坯体内部滑移表面导致的分层

另外一种类型的分层是由于坯体内部滑移表面的存在而引发的分层, 即被挤出材料与螺旋绞刀以及相对应的挤出机泥缸之间的相对运动引起了内部滑移表面的形成。在金属和被挤出材料的边界层上出现了分离 (颗粒定向富集效应——译者注) 。特别是较粗大的颗粒被压入到坯体里面, 而坯体材料中的液相和非常细的颗粒在边界层上富集 (图4) 。

如果是细的像粘土矿物一样的不等轴形状的颗粒, 这些颗粒则会在平行于边界层表面的位置上定位。被挤出的物料虽然已经离开螺旋绞刀头, 但在重新愈合形成密实的坯体泥条时, 这些边界层没有紧密地粘结在一起, 在坯体内的边界层之间还存在有“接头” (cogging) 。在其后的压力头和机口中的重新整形过程中这些边界层仅仅是出现了变形而已, 这些边界层的结构特征仅有非常微小的变化。这种滑移表面在干燥以及烧结之后有着较低的机械强度, 因此更易于出现裂纹, 而且在最终成品的使用中也可能出现这种裂纹。与螺旋绞刀叶片接触的原材料在螺旋绞刀的作用下, 出现了与螺旋绞刀面接触的光滑面 (细颗粒富集) , 这些 (通常绞刀头是双叶的, 有两个磨光的表面) 光滑的表面在挤出机头内的压力下 (没有混合搅拌的作用) 没有完全地充分愈合, 这就是典型的滑动分层现象。在多孔砖或空心砖 (砌块) 的成型中, 由于芯架、芯头的作用 (破坏了边界层) , 这种滑移分层现象可得到较好的抑制。滑动分层主要取决于坯体原材料的性能, 例如可塑性大小、颗粒尺寸分布、惰性材料的比例以及与熟料的粘结作用等——译者注) 。

举例说来, 这种滑移表面的缺陷可以在工程砖或在电气绝缘子产品的冻害中以裂纹的形式得到证实, 这种裂纹有时是呈螺旋形的 (犹如行业内常说的S—形裂纹——译者注) 。在挤出机中加入少量色彩艳丽的着色剂, 与坯体原材料一起挤出, 此时在挤出的泥条上就会形成可看的滑移表面 (有彩色的条纹出现——译者注) 。切开被挤出的泥条, 就可以研究泥条中着色剂分布纹理的数量以及形状, 这样一来就能够得到关于滑移表面形成的一些确定性的结论。图5是加入着色剂时泥条所表现出的分层现象。

2.3 切割分层

切割分层主要是由在机口中的固定装置所引发的。如果为了生产有孔洞的泥条, 例如像污水管、空心制品、普通砖 (西欧的普通砖是指多孔砖——译者注) 、蜂窝陶瓷等, 机口内就必须装配有芯头, 因此, 这些固定装置总是不可避免的。芯架刀片 (国内也有称之为横担的——译者注) 以垂直交叉的形式安装在泥料前进的方向上, 起着分离物料的作用。如果在芯架刀片和泥条出口处之间的距离太狭小 (距离太短——译者注) 或因挤出流动的压力太低, 芯架刀片所造成的分离平面就不能够充分地“愈合” (weld) 在一起[5]。

与内部滑移表面形成的分层相类似, 切割分层在泥条特定的区域内将会降低坯体的强度。有时, 这种切割分层就已经以裂纹的形式出现在挤出产品的表面上, 如果这样的情况出现, 则挤出的泥条或是产品很容易地被拉开, 甚至用手也可以将其拉开。

与内部滑移表面分层相反, 切割分层通常是与挤出的方向呈直线排列。因为切割分层仅仅是在机口或在压力头 (机头) 中产生的分层。这些切割分层可在所有类型的挤出机上出现, 也就是说, 不管是活塞式挤出机还是螺旋式挤出机上都可能出现切割分层。图6是在压制 (整形) 之后的屋面瓦坯体上出现的“敞开”性切割分层。

2.4 挤出机设计不合理引发的分层

流动分层、由内部滑移表面引发的分层以及切割分层等都能够在塑性坯体的挤出中分辨出这些分层的变化的程度 (可分辨出分层的类别——译者注) , 而与所使用的挤出方法无关, 在活塞式挤出机、单螺旋 (轴) 挤出机、双螺旋 (轴) 挤出机, 或在旋转式 (可能为环槽式——译者注) 挤出机上都可能发现这些分层现象。

对挤出机流动分层的研究在1962年受英国陶瓷研究协会的委托进行了相关的研究并发表了研究的结论, 在1963年赫奇肯森 (Hodgkinson) 对此也进行了研究[6]并发表了研究论文, 这两项研究都是具有科学地和指导意义地开拓性工作, 对那时乃至现在对流动分层更好的理解上都有着积极的贡献。

赫奇肯森所做的工作, 至今仍然引起了许多不合时宜 (过时的) 的争论。集中在挤出机上的某些假设必须重新认识, 例如将挤出机看做是令人厌恶的“分层的创造者”等。当然, 赫奇肯森能够使用非常复杂的试验设备来证实他的观点, 但是这已经超越了他所处的时代, 例如在实心泥条内部以微细带状形式的流动分层的形成方面, 赫奇肯森借助于泥条变形的程度对其进行了基本地测定, 也就是说, 他测定了在机口的出口处的横截面和进口处横截面之间的比率, 以及机口入口处的角度。实心泥条中形成的滑动纹理, 见图7。

当然, 泥条分层出现的程度由坯体原材料的特性、内部摩擦力和外部摩擦力之间的比率、机口的内表面质量等因素决定, 能够有相当大的变化范围。

尽管如此, 对挤出机分层研究的基本原理的有效性以及得到的结论始终没有变化, “然而, 不可避免地是将来自这项研究工作的成果应用到解决生产中的实际问题时就必须采取折中的办法”[6], 正如赫肯金森提出的一样, 设定的条件下研究的结论可能存在着与实际情况严重偏离 (背离) 的事实, 让人们对分层有了更清楚的认识。

螺旋绞刀在分层的形成上有着非常特殊的影响, 正如下文中要讨论的一样。

2.4.1 螺旋绞刀轮毂的影响

被挤出的坯体一旦通过双翼或多翼末端绞刀 (国内惯称双线或多线螺旋绞刀头——译者注) 时, 事实上挤出的是一根“管子”, 而不是一根圆形的实心泥条, 由此说来, 螺旋绞刀轮毂的直径就相当于管子的内径。这种现象在螺旋挤出机中可以明显地看到 (图8) , 与此相反的是活塞式挤出机。末端绞刀 (end auger) 也称为绞刀头 (point auger) 。

仅当坯体原材料在压力头 (国内惯称机头——译者注) 中再次结合时, 这一根管子才能形成密实的泥条。

在干燥或焙烧之后的产品上, 轮毂的影响再结合原材料特性以及由于变形而产生的应变使泥料呈一个“芯体”的形状依然是可见的, 也就是形成了分层, 对带有双翼末端绞刀的螺旋挤出机来说, 这种分层就有可能发展成为典型的S形裂纹。

在最终一节螺旋绞刀和绞刀头的区域上缩小轮毂直径, 能够有助于坯体原材料在压力头 (机头) 内的再次聚集, 尽管如此许多情况下轮毂外形依然会影响到泥料以“芯体”的形式出现, 特别是在挤出的实心泥条上, 因为在坯体原材料和轮毂之间将会形成表面滑动层, 当泥料与轮毂接触时, 在其表面常常会导致液相的富集, 也就为“芯体”的形成创造了环境条件。

2.4.2 螺旋绞刀叶片的影响

“完全可以这样说:坯体原材料在挤出机被压实的过程中, 泥条上出现的总分层总是定位于坯体原材料与螺旋绞刀叶片接触部分的周围。为什么会是这种状态呢?因为坯体原材料与螺旋绞刀叶片有较长时间的接触, 坯体原材料被磨光, 而被磨光的坯体原材料的两个表面不能够充分地再次愈合, 即使在压力下也不能够重新愈合”[6]。

由赫奇金森 (Hodgkinson) 描述的这种现象, 现在被认为是滑移分层的典型特征, 再次说明分层主要取决于坯体原材料的性能, 也就是可塑性、颗粒尺寸分布、惰性成分和熟料的百分比以及各自相应的粘结剂等等, 这些都是分层形成过程中的决定性因素。

但是, 上述因素并不是引发挤出泥条分层的全部原因。特别是螺旋绞刀末端的螺旋绞刀头对分层形成的影响尤为明显。此处所讲的螺旋绞刀头与传统的观点相反——即螺旋绞刀头对挤出压力的建立上其作用较小, 而它更确切的主要功能是将来自于螺旋绞刀的 (一根) 泥条切分成为两个或是更多相同截面的泥条 (两个或多根——译者注) , 因而明显地增大了泥条中分层形成的倾向, 正如在图5中表示的着色绝缘子坯体的实例一样, 能够清楚地看到分层的纹理。

由螺旋绞刀叶片引发的分层, 能够由改变螺旋绞刀头的几何形状 (结构——译者注) , 特别是改变螺旋绞刀叶片的角度 (螺距——译者注) 以及螺旋绞刀的速度、螺旋绞刀叶片的数量、或安装与螺旋绞刀一起旋转的“消除分层附加装置”、或是减小螺旋绞刀头的轮毂直径等方法来改变分层出现的程度或在很大程度上来消除分层。

2.4.3 螺旋绞刀旋转的影响

与活塞式挤出机相反, 螺旋挤出机也会由于在填满坯体原材料的泥缸中螺旋绞刀的旋转而引发典型的分层, 这是因为在坯体原材料和螺旋绞刀表面之间的摩擦而形成了或多或少密实的“物料阻塞” (即较硬的泥块——译者注) , 而这些较硬的泥块在螺旋绞刀旋转的方向上被扭曲变形。

人们一直试图消除这些现象, 从能耗的观点上说也不希望出现这种现象。所以人们采取了各种措施来减少螺旋绞刀与坯体原材料之间的摩擦系数, 例如使用抛光的或是镀硬质铬的螺旋绞刀、对螺旋绞刀进行最佳化的设计以及泥缸的最佳化加工工艺、在泥缸的内侧面装配反向刀具、变更螺旋绞刀和泥缸壁之间的距离、调整对螺旋绞刀和泥缸的热处理、在螺旋绞刀头处装配所谓的整流器或是过滤板等等措施来消除螺旋绞刀旋转对分层的影响。

而在挤出高孔洞率的泥条上, 这种螺旋绞刀旋转对分层形成的影响非常小, 例如在蜂窝陶瓷产品、用于楼板的空心砌块等产品的泥条上, 因为设计复杂的模具 (芯架) 犹如一个整流器 (rectifier) 。螺旋绞刀旋转对分层的影响应该视具体情况而定, 螺旋绞刀旋转也可能引发其他类型的分层, 例如切割分层或是流动分层的叠加。在挤出铺地砖产品或是挤出绝缘子坯体的实心泥条时出现的泥条扭曲 (螺旋绞刀旋转引起——译者注) , 这可能会导致不可忽视的产品质量问题[7]。

2.4.4 S形 (Y形) 裂纹

所谓的S形裂纹或Y形裂纹, 在使用双翼或三翼螺旋绞刀头的螺旋挤出机上是典型的分层。这种类型的分层是流动分层, 是坯体原材料的旋转运动, 以及由于螺旋绞刀轮毂在中心造成了孔洞空间而出现“物料阻塞”的联合作用叠加的结果 (效应) 。这种现象是由于坯体原材料性能的影响或是由于压力头和机口的几何形状不合理而引起的坯体原材料没有完全愈合形成的分层, 所有这些正如前面描述的一样。

在泥条中最初形成的圆形孔洞在输送过程中被扭曲, 在压力头中逐渐变小, 并由于双翼螺旋头或三翼螺旋头的影响, 最终形成了S形或Y形裂纹线 (图9和图10) , 首先是在实心泥条中可能会导致实质性的产品质量问题。

2.4.5 挤出机内分层问题研究的发展

除了赫奇金森 (Hodgkinson) 公开发表的对分层问题上的研究文献之外, 由佩尔斯·洛伊斯登 (Pels Leusden) 公开发表的许多文献也值得注意, 这些文献中涉及在挤出机内部分层形成过程的分析, 具有特别重要的意义[8]。

为了分析在螺旋挤出机中不同区域内分层形成的原因, 试验中使用了14种在几何形状上变化最大的螺旋绞刀叶片 (即改变螺距——译者注) , 并在变化最大的操作环境条件下进行试验。

为了达到这些试验的目的, 试验中从供料点到机口的整个螺旋绞刀的长度上以及在物料流动的不同方向上均提取了样品。

根据试验样品上获得的抗拉强度读数, 确定了所谓的分层数 (Lamination number) 的概念。在格拉茨 (Grätz) 的研究文献中能够发现有关这一概念的更多信息以及详细阐述的方法[9]。图11表示了在螺旋挤出机中分层的变化。

图11中对分层形成的基本研究结果是明确无误的。分层易于受到螺旋绞刀几何形状的影响, 但是从物料进入位置到压力头 (机头) 的进口处, 在坯体原材料中已经存在的内在分层的变化仅仅有很小的影响 (即对最终分层的影响无关紧要——译者注) 。在压力头中发生了分层的“倒置效应”, 其含义就是在前部螺旋绞刀内物料中相对最高的分层读数在压力头内被转换成了相对最低的分层读数。使人遗憾的是佩尔斯·洛伊斯登 (Pels Leusden) 在他后来的研究工作中没有深入地研究这种现象。十分清楚地是在机口的区域内形成了最多的、至关重要的分层 (即对产品质量影响最大的分层——译者注) , 其与在螺旋绞刀中形成的分层比较, 在机口内的分层数增大, 而且有多种形式[10]。

一般说来, 可接受的普遍观念是:螺旋挤出机中出现的分层主要是由螺旋绞刀引发的。对数种引发分层的原因来讲, 以往的研究结论具有明显的重要意义, 我们的观点也与赫奇金森以及其他研究者的研究发现有关联, 但是我们认为分层形成的原因包含下列因素:

a.分层, 从根本上讲主要是以流动分层的形式出现, 不论是认为有还是没有, 分层都是在最高的应变区域内由于变形而引起, 主要原因是由于非同质 (不等轴——译者注) 颗粒的定向而引发的结果。

b.其他类型的分层, 例如螺旋绞刀的旋转、表面滑移而引发的分层, 以及由于螺旋绞刀轮毂的设计而导致的分层等分层都在最高的变形区域被部分地破坏了, 或者与流动分层比较, 它们仅占很小的比例。事实上, 安装整流器或是过滤板就可消除这些分层, 这些措施看来是人为地增加了坯体挤出中在整流器处的压力损失, 这一压力损失称为“Bagley压力” (直译为“障碍草地压力”——译者注) , 而上述这一压力损失在机口内由于流动的阻力而得到了补偿[11]。

挤出成型过程中的分层现象(二) 第6篇

3.1 抽真空对分层形成的影响

在20世纪30年代联合真空挤出机的引进 (欧洲从美国引进——译者注) , 代表着陶瓷坯体 (含砖瓦在内——译者注) 挤出成型非常重要的技术进步。现今在挤出成型技术上公认的事实就是:包裹在坯体原材料中的绝大多数空气被压缩之后按照成型的需要而被抽出, 尽管在实际中与之相关的基本物理过程总是不能被容易地认识到。在机口的出口处泥条上出现的所谓的“龙牙” (dragon teeth) 就是抽真空不充分的最明显的结果之一。坯体中包裹的空气有助于增加产品的孔隙率, 但是在微孔尺寸、微孔形状、微孔分布等等参数之间必须区别对待。简而言之, 有“好的”微孔, 也有“有危害的”微孔, 因为这些微孔都与制品的抗冻性有关, 一些作者在这一课题上已经进行了研究, 在文献[13]中可以看到本德尔 (Bender) 和翰德乐 (Händle) 先生在这一课题上所作的大量研究。

特别是在参考文献[12]中由佩尔斯·洛伊斯登 (Pels Leusden) 在抽真空对分层形成的影响方面所作的研究工作, 他定量化地测定了坯体在塑性状态下、干燥以及焙烧后原材料的分层数, 所谓的分层数涉及抗拉强度, 这两者均主要指向了拉力 (即分层数和抗拉强度都与拉力有关——译者注) , 也有如分层水平面上绝对抗拉强度一样的、所谓的分层强度。

概括而言, 能够确认的是:在高真空环境下, 所有类型的坯体的分层数和抗拉强度数值都得到了明确地改善, 然而在部分真空环境下所有类型坯体的分层状态恶化, 并且在某些情况下, 甚至导致了比没有抽真空挤出时更坏的分层状态。

根据本文作者的认识, 如果进一步地研究工作仅仅以内部调查研究方式继续存在的话, 对涵盖范围广泛的陶瓷 (砖瓦) 坯体原材料以及陶瓷 (砖瓦) 产品而言, 就不能将其作为具有普遍指导意义的研究方法 (作者的本意就是要扩大研究的范围——译者注) , 因为对不同的坯体原材料和产品而言, 由于抽真空处理而造成的微孔形成的类型上, 可能会导致非常大的、多种多样的结果。

上述的含义就是:在实际生产中, 当处理的坯体原材料对抽真空敏感时, 对每一种单独的产品而言, 就必须分别确定出最佳化的真空度。

附着在真空室上的、所谓的“鼻音阀” (即可与大气连通的气阀——译者注) , 与适当的真空泵连接, 就能够控制所需要的真空度。

在实际操作中常常使用一种错误的方法, 就是使用具有高额定能力的超大型号的真空泵来代替具有较高最终 (临界) 压力的、型号已经足够大的真空泵, 但是在这种情况下, 由于供给进入联合真空挤出机组的材料不足或是因为真空室的密封不适当, 而使真空度的衰退频繁出现。

超大型号真空泵的使用也常常导致不合乎要求的坯体干燥质量 (即:超大真空, 对干燥不利-译者注) 。

3.2 坯体原材料中握裹 (残留) 空气引发的分层

吸湿器中进行的试验显示出在挤出样品中有残留空气的存在, 即使在最佳化的抽取真空和挤出试样的情况下也有残留空气, 尤其是在颗粒非常细的且具有高塑性原材料的情况下, 尽管谨慎地将真空抽取到剩余压力<30 mbar的情况下, 试样中也仍有残留空气。如果坯体原材料在离开真空搅拌机或是离开上级密封搅拌机 (即在经削泥刀进入真空室时——译者注) 的“泥段” (Sausages) 或是泥片的横断面太大时, 如果坯体原材料在真空室内停留的时间太短时, 或如果是进入真空室时原材料的凝聚作用已经引起了这些“泥段”或泥片的完全封闭以及形成密实的表面时, 坯体原材料中握裹的残留空气将会更多。

在挤出机中这些块状的坯体原材料由螺旋绞刀从供料段输送到压力段, 在压力段不仅仅是坯体原材料本身被压实, 而且也会将存在的任何残留空气压缩, 因而引发了分层, 因为在坯体中被压缩的残留空气形成了微孔, 而在大气压力下这些微孔会扩大 (在离开机口之后微孔就会膨胀——译者注) 。

除了最佳的抽取真空外, 在原材料进入真空室时泥料的切割也要尽可能地细小, 这也是一种补救措施。此外, 泥料在真空室要有足够的停留时间, 特别是要设计出用于压力建立区域上的专门螺旋绞刀[14]。

4 由于坯体原材料混合不均匀引发的分层

坯体原材料均匀性欠佳的确是常见的问题, 原材料均匀性不好也是引发分层形成的原因。坯体原材料均匀性不好可能是由搅拌不充分、在先前的捏合处理期间出现不均匀的剪切应力、在坯体原材料颗粒尺寸分布范围内出现的可塑性的变化以及原材料成分的分散程度上的变化、非塑性成分的不均匀、在原材料中黏结剂分布不均匀等等因素而引发的结果。

相对说来, 性能很好的坯体或是很少有特殊要求的陶瓷 (砖瓦) 产品可以容忍出现这些因素造成的分层, 而对分层敏感性强的坯体原材料以及高质量的产品来说, 这些因素造成的分层将会成为不可接受的质量缺陷, 仅靠在活塞式挤出机或在联合真空挤出机组上采取相应的措施不可能永久性地或是从根本上消除这些缺陷。

另外一个同挤出分层联系在一起的典型特征常常与一年中的四季有关, 是循环出现的分层, 这就是由于被加工的坯体原材料根据季节在稠度上出现变化而引发的分层。这种常见问题的起因也可能会被追溯到先前的破碎和搅拌操作工序中的设备磨损问题上 (这种循环出现的分层主要是因原材料稠度的变化而引发, 而原材料处理设备不是主因——译者注) 。

在制砖工业中为了生产高孔洞率的保温隔热砖, 有时普遍使用大量的外加剂, 考虑到这些外加剂各种各样的来源、颗粒形状以及含水量, 要求在挤出机前应有最适宜的原材料纤维和最适宜的定量配料。

涉及高级陶瓷产品中使用高比例的纤维时, 上述要求同样适用, 部分原因是纤维的结构。由于形成了流动分层和引起了滑移分层而强化了纤维的排列。

5 分层的探测和评价方法

对分层的测定必须在定性和定量方法之间做出基本上地区别。如在坯体中确实存在着分层, 定性的方法将会展现出“分层的图像”, 能够依次提供分层的位置和分层的特征性能的有关信息。与定性方法形成明显对照的是:如果使用定量方法, 将能够提供明确表示的读数, 定量方法将许可对分层进行客观的评价。

在生产过程中经常使用定性的方法, 因为定性方法将会提供实际中分层的定位信息。从每种产品的泥条上, 能够以相对快速的方式推论出分层的状态, 不需要再进行技术上测量而花费太多的努力。

5.1 定性方法

在实际操作中常常使用的少数定性测定方法概括总结在下列, 这些方法没有任何完整性的权利要求 (即没有限制使用的权利要求——译者注) 。能够利用广泛的文献来获得每一种单独方法更进一步的详细内容[2]。

5.1.1 弯曲试验和“抛摔”试验方法

双手拿住被挤出的一段泥条 (片) , 反复地使其弯曲 (挠曲) 直到裂纹出现。裂纹的密度、厚度以及形态就可提供一种对分层状态的定性评价。手拿一块较大的挤出或压制的坯体产品, 快速地摔在硬的地面 (或其他硬质物体的平面上——译者注) 上, 也能够使坯体产生变形, 而出现了与上述相类似的裂纹状态。

5.1.2“冰透镜” (“Eislinsen”) 试验方法

使用所谓的“Eislinsen” (为德语词汇, 意为冰透镜——译者注) 方法, 保留了挤出坯体中液态水在冰点之下的分散状态 (即将挤出的坯体冰冻——译者注) 。如果在坯体内部有任何分层时, 将会表现出特征图像的裂纹 (即那里有分层, 那里就有裂纹) 。

5.1.3 快速干燥方法

将挤出的湿坯体放置在热的干燥室或干燥器内, 对其进行快速干燥将会引发非常高的应力, 这就会在一定程度上再次显示出坯体中存在的分层形式。

5.1.4“撞击”试验方法

另外一种方法就是相互面对面的撞击两块干燥之后的坯体, 直到裂纹出现或是有碎片剥落为止。从坯体断裂的表面形式上就有可能来确定分层的状态。

5.1.5 吸湿器试验方法

该试验是在没有抽真空的条件下进行挤出泥条, 也就是将真空泵关闭。挤出的坯体在干燥或焙烧之后, 在室温状态下, 放置在吸湿器内部的水中。当吸湿器内部的大气压力降低到大约<100 mbar时, 能够观察到从坯体中浮起的空气泡的形成, 这些空气泡就显示出了分层的样式。

5.1.6 着色试验方法

将不是致密烧结的成型坯体浸入在高锰酸钾 (苛性钾的高锰酸盐) 溶液中, 放置一定的时间。如果存在分层, 分层中吸入高锰酸钾的速度与坯体结构中毛细管吸收的程度是不一致的。当这种吸入高锰酸钾溶液的烧结坯体被切开后, 在颜色的深度上和彩色液体流动的途径上的差别是显而易见的 (由此就可以判别分层的状态——译者注) 。

5.2 定量方法

然而, 也有一些定量的用于测定分层的方法, 定量测定方法迫使人们更加精心地制造这些测定设备, 因此, 定量测定设备在研究和开发工作中是优先使用的设备。一些最重要的定量测定方法以简单扼要的方式描述如下:

5.2.1 X—射线测定方法 (XRD)

这种方法被普遍地应用在金相学中来描述金属材料的分层结构。举例来说, 金属材料中这样的分层可在成型的加工过程中形成, 诸如在板材的扎制、线材的拉拔或是钢材铸造产品结构的结晶化过程中。X—射线结构测角仪依照的不是射线照相就是射线反射的方法来发挥作用的。与物相的X—射线照相分析形成对照, 对于检测分层时, 在单色X—射线撞击试样和计数管之间的角度保持不变, 更适宜的方法是选择一个特征峰值, 也就是结晶面, 此时就能够容易地监测出分层, 这一结晶面也是基本结构成分的一部分。

在高强度的瓷器原材料坯体上, 其结晶面可以选择黏土矿物高岭石的 (001) —晶面, 但是某些烧结产品结构中的结晶相也可以被使用, 例如莫来石 (高铝红柱石) 。在陶瓷产品上进行的试验表明要以规定的方法对试样进行翻转和倾斜。这些操作则取决于被记录到的X—射线的强度下试样的位置以及所显示的电极数值, 因此, 试验中要标记出试样的挤出方向以及横断面的方向。这样一来, 就能获得涉及产品内部的特定截面上晶体的定位 (取向) 的、非常详细的信息以及定量的数值。在测定大尺寸陶瓷产品时, 为了获得在整个产品中分层状态的全部信息, 必须采取许多样品进行多组试验。在陶瓷产品领域内, 应用X—射线照相来测定分层的方法仅被限定在对高性能陶瓷产品的研究和开发中。

5.2.2 抗拉强度测定方法

这种方法主要是为挤出的建筑黏土制品 (主要指烧结砖瓦——译者注) 而开发的[9]。试样的制备是从塑性挤出泥条里面在不同方向以及不同的点上, 切取出小型的、哑铃形状的式样 (大约长度30 mm) 。在干燥或焙烧之后测定这些试样的抗拉强度。此时就能计算试样两个方向上的强度系数, 例如在平行于挤出方向和垂直于挤出方向上的强度系数。这一强度系数被称为分层数 (Lamination number) 。分层数值为1时, 则显示着没有分层。分层数值偏离数字1越大, 在产品结构内将会有越多的显著分层。借助于这种测定方法已经进行了非常广泛地试验, 虽然如此, 由于这种方法需做的工作的复杂性以及所需的时间较长, 因此, 其并不适宜于正规生产中的检验 (即不适宜于生产中的质量控制检验——译者注) 。

5.2.3 贯入度仪测定方法

适应于测定被挤出坯体以及挤出泥条可塑性的、简单的手动操作的贯入度仪可以在市场上买到。使用这种设计用来测定可塑性的贯入仪时, 专门规定了穿过被挤出样品的横截面时所引起的阻抗力 (即插入一定深度时, 阻力为多大——译者注) 。为了确保始终在同一位置上测定时的穿入深度, 可取的方法是使用一个模板 (即插入到一定深度时的限制模板——译者注) 。在具有大表面产品的横断面、泥段或在挤出机压力头之后的泥条上直接地测定时, 这种方法都得到了很好的证实, 因此在砖厂中被广泛使用, 但是这种方法不适宜于薄壁产品。这种方法虽然是相对快速和容易使用的方法, 但是它易于产生误差, 不能排除由于不同操作习惯造而成的主观影响。为降低类似的不可靠性方面, 人们不断努力, 最近已经开发出了经改善后的新贯入度仪装置, 其中包括实验室专用的种类, 新的贯入度仪能够消除这些主观因素的影响。

5.2.4 收缩测定方法

在泥条挤出之后, 立即在被挤出的产品上或是泥段上在不同点和不同方向上标记出测定收缩的凹印 (痕) , 因为在这样的情况下是可以做到的。在干燥或是在焙烧后再根据印痕位置测定其收缩值。数值4表示的是大尺寸、高强度的瓷器原材料泥段使用这种测定方法的测定结果。根据在不同方向上获得的收缩读数, 就能够由除法或减法计算出分层数值。这是一种相当简单和快捷的方法, 因此被一些厂家经常用作生产控制的手段。

5.2.5 热膨胀仪测定方法

热膨胀仪测定使用的试样棒体是从已经干燥的或是烧结的圆柱体样品上切制而成, 并要在挤出的方向以及横断面方向 (垂直挤出方向——译者注) 两个方向上同时取试样。通常, 试样棒的长度在10 mm～50 mm之间, 这则取决于所使用的热膨胀仪的类别。在测量的基础上, 根据温度的读数来计算在相应方向上的热膨胀系数。在不同方向上热膨胀系数之间的差异越高, 则分层就越严重。对这种方法而言, 差热膨胀仪是最合适的仪器[10]。将两个不同挤出方向上的试样棒在热膨胀设备内平行地、肩并肩地夹紧固定, 之后加热, 分别对膨胀以及收缩中的差异进行简单地测定。在干燥的试样上已出现的膨胀或收缩的差异给出了烧结过程中陶瓷坯体上出现的有关机械应变的信号。借助于现代模拟方法, 例如有限单元法, 结合对其他材料参数以及温度分布的了解, 甚至可以计算出分层存在时的应力分布状态。在限定的温度范围内, 某些产品所具有的热膨胀系数是一个重要的产品质量参数, 因此应当在规定的时间间隔上进行测定。例如在用于汽车的催化式排气净化器的菫青石质蜂窝陶瓷的生产中就应定时测定其热膨胀系数。

6 分层引起有害影响最小化的可能性

挤出过程中分层的形成以及与分层的关联性在很大程度上取决于原材料的性能、所使用的原材料制备工艺、挤出机的设计以及操作运转的方式。因此, 下面某些提示和粗略的定位。在个别情况下, 需要直接在挤出机上或是在挤出机前的上游工艺处理过程中进行有目的性的试验。

6.1 坯体原材料的最优化

在分层最小化的相关讨论中, 首先, 塑性坯体的最优化是适当的方式。某些材料是特别不适宜的, 并且有形成挤出分层的倾向。这些材料是那些坯体混合料中含有高比例的非常细的和不等形态的颗粒, 主要的黏土质原材料以及高岭土中都有一定比例的黏土矿物, 由于此原因, 分层的问题随着比表面积的增大而有着增大的趋势 (黏土矿物的比表面积就很大——译者注) 。但是也有其他材料, 像呈薄片状颗粒的滑石或是含云母的天然原材料, 他们都有挤出分层形成的倾向。

另一方面, 在具有可塑性特性的黏土质原材料以及高岭土中均包含有黏土矿物, 可塑性对挤出成型以及对包括有砖瓦、瓷器、炻器和陶器产品在内的整个塑性成型过程来讲都至关重要。因此, 必须经常在基本可塑性需要和分层形成之间要找到一个适当的折中办法。对建筑黏土制品 (主要指烧结砖瓦——译者注) 来说, 最优化的颗粒尺寸分布具有更大的重要意义。粒度级别低于2μm的百分比绝对不能太高, 而且在坯体中不应当超过50%的含量。现实中的限制数值则根据颗粒尺寸的测定方法而定。被称为“温克勒尔” (Winkler) 三角图是便于使用的、有助于在建筑黏土制品中对坯体混合料的开发或最优化。“温克勒尔”三角图是根据经验数据测定的, 用于限定制砖坯体原材料的颗粒成分[2]。

在细 (白) 陶瓷、耐火陶瓷以及炻器和陶器工业领域内分层的趋势有时被减少, 例如使用一定比例的、由黏土或高岭土制造的熟料, 以熟料的形式加入到坯体原材料中。在早些年间, 为了减少分层, 生产厂家自己预烧某些原材料作为熟料。现今, 专门的熟料供应商提供有众多类型的、有精确化学成分以及颗粒组成的熟料。使用这样加入熟料的原材料, 不仅降低了分层的趋势, 而且也减少了干燥和焙烧中的收缩, 因此在干燥和烧结过程中也降低了裂纹形成的危险性。由于熟料的添加取代了部分黏土质材料, 因而也降低了可塑性。如果是由于加入熟料而使挤出有问题时, 在原材料中加入少量的纤维素将是非常有用的方式。

塑性坯体中的含水量也影响着分层的形成, 因此坯体含水量的稳定性和均匀性是特别重要的。坯体内部含水量上的变化可能会导致值得注意的分层形成。由于这种原因, 用于瓷制绝缘体的滤饼应预先挤出形成泥段, 滤饼也必须在非常有效的机器 (例如在圆筛式供料机或是捏合机) 中搅拌混合, 或是选择由抽真空挤出设备成型制成“预制泥段”, 随后储存并覆盖泥段数天, 以避免泥段变干, 借此以达到均匀分布的含水量。

也有少数例外 (例如堇青石质蜂窝陶瓷和瓷制绝缘体) , 打算用于高性能陶瓷产品生产的塑性坯体中不含有黏土或高岭土, 使用专门精制的、具有相对高纯度的合成原材料替代了惯用的材料 (氧化物、氮化物、碳化物等等) 。这些坯体成型时所需的可塑性仅能够由使用有机的添加剂来获得。因此, 当挤出成型氧化物和非氧化物陶瓷成分时, 由分层引起缺陷的风险性显著地低于硅酸盐陶瓷产品的风险, 如前述的全部流动分层几乎不会出现。尽管如此, 滑移分层和切割分层也会出现在氧化物和非氧化物陶瓷的挤出过程中。

6.2 相关设计和加工处理工艺方法的最优化

除了坯体内的定向作用和加工处理工艺方法上的优化可使分层达到最小化外, 挤出机的最优化设计和操作也是重要的措施, 因此, 要避免这些因素引发的缺陷。然而, 在实际中被反复地证明:具有最小化分层倾向的坯体组成在避免分层形成以及与之相关联的缺陷上是其先决条件。或以另外一种方式表达:即使设计最好的挤出机也不可能完全补偿对分层形成有高度敏感性的、不适宜的坯体成分所带来的影响 (也就是说坯体原材料性能不佳, 再好的挤出机也不能够完全消除分层——译者注) 。

下列描述是分层最小化的某些基本的设计要求。

从挤出机的进料直到泥条的出口处, 挤出机所有部位上的设计都是极其重要的, 最好的和可能的设计途径就是有关的应用流变学 (流体学) 。所有的坯体原材料料成分必须以这样的方式成型:即整个物料流动能够自由地通过。任何粘附或阻塞的 (在“死角”处) 塑性坯体原材料的性能随着时间的推移将会发生改变, 由于此种情况, 首先会影响到物料的流动习性。这种被阻塞或粘附的小块原材料, 可能会逐步变干, 特别是在真空室内, 最终会可能再次移动并随着泥条被挤出。这种情况就导致了泥条的不均匀性, 而且也可能引起分层或是其他缺陷。

螺旋绞刀必须能够创建足够高的压力, 这一内部建立的足够高的压力 (即指在泥缸内的螺旋绞刀中建立的压力——译者注) 应与所期望的由变形而引发的应变和所期望的坯体密度相一致。这一内建的压力在很大程度上决定于螺旋绞刀的长度 (螺距——译者注) 和螺旋绞刀直径与螺旋绞刀轮毂的比率。对螺旋挤出机的挤出过程所期待的是:随着螺旋绞刀的每一次旋转, 应当挤出尽可能最大的物料体积, 其含义就是被挤出材料的流动速率应尽可能的高, 当然这也涉及反向的压力流动以及泄漏流动 (也就是行业中通常的说法“返泥”——译者注) 。以高速旋转的以及有低容积输出量 (低产量) 的任何挤出螺旋绞刀都将会在坯体中造成更多的分层。

另外, 挤出时由于摩擦而导致的坯体发热, 是绝对不希望有的现象。现在已经建立了有用的物理 (实体) 模型以及适应于实际生产的方法, 能够计算出最优化螺旋绞刀的几何形状, 并能够达到具有足够高流动压力的目的。

双叶片或三叶片的螺旋绞刀头 (即双线或三线的头节螺旋绞刀——译者注) 必须以精确地方式安装在与单叶片螺旋绞刀 (即与螺旋绞刀头相邻的第二节螺旋绞刀——译者注) 相对应的限定位置上, 以确保分别进入压力头 (机头) 的各个泥条 (即被双叶片或三叶片的螺旋绞刀头切割分开的泥条——译者注) 的每一部分都有着同样的体积。保持稳定速率的流动压力以及泥条速度绝对是极其重要的事情, 因为在不同情况下压力上出现的间歇式变化, 将会对产品质量有着很不利的影响。

“希尔茨” (“Hirth”) 齿式连接系统 (是德国翰德尔公司的专利, 即浮动螺旋绞刀头的一种细花键式连接方式——译者注) 是一种被很好证实了的设计解决措施, 即可在螺旋绞刀和螺旋绞刀头之间能够极好地进行动力的传递, 这种连接方式能够使螺旋绞刀头的定位控制达到最优化。

从基本上来说, 坯体原材料在压力头 (机头) 内, 相应地也在机口内, 必须产生一确定的最小压力 (流动压力) , 这一压力源自于变形而引起的应变、外部的摩擦 (指物料与机头和机口的摩擦——译者注) 以及坯体原材料的可塑性 (指物料被挤出产生变形流动时需要施加力, 而施加力的大小与物料的可塑性有关——译者注) 。而且这一压力必须足够的高, 以便达到在此前物料离开螺旋绞刀之后单个泥条的内部滑移表面的均匀“愈合” (特指离开绞刀头后, 因为绞刀头一般为双叶或三叶, 在物料中留下了滑移的表面——译者注) 。如果这一压力太低时, 内部的滑移表面在干燥或是焙烧期间可能会“展开”, 并引起分层裂纹。

芯头经常是安装在机口内以便产生孔洞, 例如在挤出污水管、空心制品、空心砖等等空心断面产品的情况下。这些芯头被固定在芯杆上, 而芯杆依次被固定在芯架刀片上。在芯架刀片和泥条出口之间必须要有足够的距离。此外, 在机口内的挤出压力必须是足够高的, 否则物料中被芯架刀片切割的表面将不能很好地愈合, 在干燥或焙烧之后在这些被切割的区域上将会出现裂纹。对具有复杂几何形状的产品的机口设计需要有许多的技术诀窍, 这类机口仅有少数的专门供应厂商有着他们自己的支配权 (处置权;即仅他们有着这方面的技术诀窍——译者注) 。对于机口几何形状计算的基本方法正在研究中, 计算中要考虑到变形、坯体原材料的特性以及考虑到摩擦的状态等。

7 结论

陶瓷产品挤出中的分层在已出版的文献中是争论最频繁的主题之一。一方面, 分层明显的是与实际生产有关的一个问题, 而另一方面, 分层问题又为热衷于设计各种类型的根除分层装置的发明家们提供了大量的自由想象的空间, 也为那些相信“没有挤出分层”理论化的辩护者提供了依据。

事实上, 鉴于无数的、可能存在的陶瓷 (砖瓦、耐火材料等等——译者注) 坯体, 来自这样或那样的 (原材料、生产条件等等——译者注) 、被挤出产品的多样性 (实心的、多孔的、空心的、薄形以及厚大的等等——译者注) , 往往是变化无常的生产条件, 所有这些众多因素的结合而引发了分层, 从已发表的文献看, 分层的确是一个表现出了高度复杂性的问题。

一种被证实的消除分层的方法是由以系统化地隔离存在的任何可变因素和以精确地识别任何不变因素来降低问题的复杂性, 将产生分层的因素序列化。换句话说, 建议按下列步骤来识别分层: (1) 面对的是什么类型的分层, 流动分层还是滑移分层等等。 (2) 哪里是作用变量出现的地方, 形成分层的原因是否是处于:陶瓷坯体原材料, 工艺过程或是机械工程? (3) 在生产工艺中的哪一个阶段首次出现分层, 分层以哪一种形式出现, 这些分层有什么样的重要意义 (指对产品质量的影响——译者注) ? (4) 哪些引起分层的作用变量能够以不变化的常量来考虑?以及哪些作用变量可能会出现变化? (5) 是否有任何与生产过程相关的禁忌?“如果有而且必须保留”, 而且是不容置疑地要保留时, 是否有对分层形成上的影响? (6) 关于分层的负面影响是否能够以先后的次序来归类吗? (7) 某些分层是否能够以经济的方法和用最少的努力来快速地矫正吗? (8) 在生产过程中的操作环境是否稳定或是有变化?举例说来, 在原材料的可塑性上、含水量、真空度、温度、设备磨损状态等方面是否有变化, 哪些可能与分层的形成有关联?

大型钢结构成型过程中的位移控制 第7篇

1工程概况

深圳证券交易所广场抬升裙楼由桁架筒结构和巨形悬挑钢桁架结构组成, 平面尺寸为162 m×98 m;结构高度24 m, 距地36 m, 东西向悬挑36 m, 南北向悬挑22 m。桁架筒高度36 m, 平面尺寸90 m×54 m, 构件最大截面约1.9 m×2.5 m。抬升群楼主悬挑构件利用抬升群楼自身高度, 采用巨型悬挑钢桁架, 与塔楼相互连接;巨形悬挑钢桁架结构由TR1～TR6共6类14榀钢桁架构成 (如图1所示) 。其中TR1、TR5部分结构与7～10层塔楼外框结构融合, TR1、TR4部分与桁架筒结构融合组成整个抬升裙楼的支撑体系。

2裙楼巨形悬挑钢桁架有限元模型的建立

抬升裙楼由桁架筒结构和巨形悬挑钢桁架结构组成, 巨形悬挑钢桁架由钢桁架、钢梁、压型钢板组成, 施工过程中结构分析模型建立的关键在于要尽可能使模型的刚度、荷载以及分析所采用的施工步骤与实际情况相吻合。钢桁架和钢梁采用BEAM188单元模拟, BEAM188单元可以由用户自定义截面形状。在文中, 采用ANSYS有限元分析中的生死单元模拟裙楼巨形悬挑钢桁架的施工过程, 其基本思路是:在前处理里一次性建立结构的完整有限元模型, 然后把所有的单元“杀死”, 再按照拟定的施工步骤逐步“激活”, 并施加对应的施工步的荷载, 这样就可以跟踪并分析施工过程中结构的内力发展和变形变化的过程[7]。建立的裙楼巨形悬挑钢桁架有限元模型如图2所示。

3裙楼巨形悬挑钢桁架施工过程变形分析

传统结构设计并不考虑施工过程, 而将设计荷载一次性施加至结构上, 并以此计算结果验算杆件的强度和变形。然而在裙楼巨形悬挑钢桁架的拼装过程中, 占结构总竖向荷载很大比例的杆件自重是随着施工的进程逐步加载的, 施工过程中结构在自重作用下产生的变形和应力会对结构产生不利影响[4,5]。本章利用ANSYS的生死单元的功能, 详尽模拟裙楼巨形悬挑钢桁架的施工过程, 给出施工阶段结构位移发展过程, 并与一次成型情况下的位移变化进行比较。

裙楼施工过程中将钢结构分为4个区, 按施工的先后顺序分别为A、B、C、D, 除了D区外 (D区定为一个施工步骤) , 每个区域的钢结构吊装按吊装的先后顺序都分为4步, 分别为桁架下弦构件及楼层梁安装, 桁架腹杆第一段构件及楼层梁安装, 桁架腹杆第二段构件及楼层梁安装, 最后是桁架上弦构件及楼层梁安装, 安装完后由外至内对胎架进行卸载, 最后浇注混凝土 (共18个荷载步) , 巨型悬挑钢桁架临时支撑胎架平面布置如图3所示。

3.1一次成型下节点相对其设计位置的位移

巨型悬挑桁架在一次成型下节点相对其设计位置的位移如表1所示。

3.2分步成型情况下节点的竖向位移随施工步的变化情况

由于胎架的原因, 前14个荷载步变形很小, 所以本文只列出后面几个荷载步的位移;X和Z方向位移较小, 可忽略不计, 所以只列出分步成型情况下节点的竖向位移随施工步的变化情况, 如表2所示。

3.3节点在2种成型情况下竖向位移的对比

巨型悬挑桁架在2种成型情况下节点竖向位移的对比如表3所示。

3.4不同成型情况下结构变形的对比与分析

1) 由表1可以看出:

一次成型下节点相对其设计位置的位移, 竖向位移即Y方向位移较大, 而X和Z方向位移较小, 可忽略不计;A4节点的竖向位移最小, C1节点的竖向位移最大, A1节点的竖向位移次之;而且从表中可以看出, 越靠近塔楼的节点, 其竖向位移越小, 反之, 像A1、C1这样离塔楼较远的节点, 其竖向位移越大。

2) 由表2可以看出:

分步成型下节点的竖向位移随施工步的增加而增大;同一次成型情况下节点相对其设计位置的位移类似, A4节点的竖向位移最小, C1节点的竖向位移最大, A1节点的竖向位移次之, 越靠近塔楼的节点, 其竖向位移越小, 反之, 像A1、C1这样离塔楼较远的节点, 其竖向位移越大;从表中可以看出竖向位移较大, 这就要求在施工过程中须对结构的位形进行控制, 否则竣工时结构的位形与设计位形必然会存在偏差。

3) 由表3可以看出:

2种成型情况下节点竖向位移相差较大, B3节点就相差78%, 最小也相差20%, 所以采用ANSYS有限元分析中提供的单元生死技术按照拟定的施工方案对建筑的施工进行全过程跟踪分析, 合理、准确地确定施工过程中结构变形变化的情况, 以此对裙楼巨形悬挑钢桁架结构进行位移控制是必要的, 而对于刚性结构, 控制措施主要是通过对结构设置变形预调值, 来补偿施工过程中结构的变形, 从而达到控制位形的目的[1]。鉴于篇幅有限, 将不给出变形预调值。

4结论

a.结构一次成型及分步成型下位移变化相差较大, 所以采用ANSYS中的单元生死技术按照拟定的施工方案对结构施工进行全过程跟踪分析, 以此说明研究裙楼巨形悬挑钢桁架结构成型过程中位移变化是必要的。

b.大型复杂钢结构施工过程中, 需设置变形预调值来控制其位形, 否则竣工状态时的位形可能不满足设计要求, 甚至可能影响到施工能否顺利进行。

参考文献

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[2]郭彦林, 崔晓强.大跨度复杂钢结构施工过程中的若干技术问题及探讨[J].工业建筑, 2004, 34 (12) :1-5.

[3]郭彦林, 董全利, 邓科, 等.大型复杂钢结构施工过程模拟分析及研究[J].工业建筑, 2005, 增刊:291-297.

[4]Melbourne C, Bullman P.Load Relieving System[J].Proc Int Conf, on Non-conventional Structures, London, 1987 (2) :1-6.

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成型过程论文 第8篇

生物质能源是唯一可再生,能替代化石能源转化成气、液和固态燃料以及其它化工原料或产品的碳资源。随着化石能源的枯竭和人类对环境问题的关注,生物质能源替代化石能源利用的研究和开发,已成为国内外众多学者关注的热点。

生物质成型技术是生物质能源转化与利用中的重要方面。这项技术在发达国家经过80多年的发展,已经进入到商业化应用阶段[1,2,3,4,5]。目前在国内对生物质压缩成型技术的研究,主要集中在生物质压缩过程的机械特性、压缩特性、流变特性和成型工艺等方面的实验研究和理论探讨,但缺少一个模型模拟成型过程和参数优化,因此本文研究探讨成型过程模型的建立。

2 生物质成型机理

在人们的生活和生产中会产生农业废弃物(秸秆、壳类、糠渣)、林业废弃物(各种木屑、树枝(叶)、稻草)及各类有机垃圾。生物质压缩成型过程是将上述废弃物收集后经过预处理,再经专门的设备压缩为成型块或颗粒燃料。这种成型燃料密度大,占用体积减小8倍左右[6,7],具有热值高、着火温度低、几乎不产生SO2、燃烧完全等特点,可直接燃烧,也可用于气化[8,9]。

2.1 成型燃料的评价指标

为得到物理化学特性符合使用标准的燃料和生物质气化原料。衡量成型燃料物理品质特性的指标选择松弛密度(Relax density)和耐久性(Durability)[10,11]。成型燃料气化的评价指标选择气体热值、气化效率和焦油含量。

2.1.1 耐久性

耐久性反映了成型块的粘结性能,是由成型块的压缩条件及松弛密度决定的。

2.1.2 松弛密度

生物质成型块出模后,其压缩密度会由于弹性变形和应力松弛逐渐减小。一定时间后密度趋于稳定,此时成型块的密度称为松弛密度[11]。

2.1.3 气体热值(kJ/m3)

生物质气化后的生成可燃气体(Vco、VH2、VCH4)燃烧所产生的热量。

2.1.4 气化效率

气化后可燃气体总热量占气化原料总热量的比值。

2.1.5 焦油量

生物质气化过程中产生的大分子多核芳香族碳氢化合物即为焦油。焦油难以完全燃烧,并产生碳黑颗粒,对燃气设备等损害都相当严重,同时产生的气味对人体也是有害的;另外焦油对于整个气化生产过程带来很大的影响,容易堵塞输气管道,卡死阀门[12]。

2.2 影响成型指标的主要因素

影响生物质的成型的因素有很多,包括内在和外在因素。内在因素主要指原料种类、含水率等;外在因素主要指加热的温度、压力和粒径。这些因素是相互制约的。另外,成型料的尺寸、催化剂的种类及配比主要影响成型料气化过程。

2.2.1 加热温度和压力

成型温度会影响成型燃料的密度和机械强度,当原料含水率一定时,成型温度越高,所需压力越小。这是由于生物质成型过程中加热将木质素软化形成胶体物质有利于成型,并有效的减少了生物质原料对模具的磨损,提高模具寿命[13]。目前,成型过程的加热主要有外加热和摩擦生热。但温度和压力应在合适范围,否则难以成型。实验证明:生物质成型的一般压强为10～30MPa,有外部加热时为10MPa左右,没有任何外在辅助加热设施时需要28MPa左右;秸秆的软化温度为110℃,成型熔融温度为160～180 ℃[13]。

2.2.2 含水率和粒度

生物机体内存在的适量结合水和自由水有润滑剂的作用,使粒子间的摩擦力减小,流动性增强,辅助粒子相互嵌和、填充;在一定压力作用下,可以起到成型粘结剂的作用;另外,水分还可以降低木质素的熔融温度,使生物质成型温度降低[19]。应特别提出,水分过低或过高都不宜成型。粉碎粒度的大小和粉碎后原料颗粒质量会影响产品的抗跌碎性、抗渗水性以及密度等[14,15]。粒度小的生物质填充度高,成型块的抗渗水性和吸湿性增强[14]。原料的粒度越大,越不易破坏原来的物相之间的结构,将直接影响成型机的成型效果、生产效率和动力消耗,使产品的质量下降。

2.2.3 颗粒尺寸

颗粒尺寸主要会影响气化效率[16]。

2.2.4 催化剂的种类及配比

在生物质成型原料中添加合适的催化剂,可以减少焦油和提高气化效率等[12]。

3 压缩成型过程建模及参数优化

3.1 模型建立及参数优化

可以通过实验并对实验数据进行分析处理来研究不同温度、压力和含水率等燃料性能和参数优化。但由于这些方法的局限性在于只能考虑某一种因素,或最佳成型参数的范围。提出本文使用最小二乘支持向量机预测模型方法。它是标准支持向量机的扩展,将二次规划问题转化为线形方程组,有效提高了求解精度并解决了神经网络的局部最优问题和训练样本不足问题[17,18]。将含水率、成型压力作为模型输入;成型的松弛密度、压缩比为模型输出,如图1所示。

设输入向量为X=[x1,x2,……,xd](d表示训练次数)。LS-SVM模型内部结构如图2所示,K(xi,xj)为核函数,b∈R为偏差。LS-SVM模型的输出y(x)为:

$y(x)={\displaystyle \sum _{i=1}^d}a{}_i{\rm K}(x{}_i,x{}_j)+b(1)$

构造最小二乘支持向量机(LS-SVM)模型选用高斯径向基核函数(RBF),RBF核函数为:

K(x,xT)=exp(-‖x-xT‖2/(2σ2) (2)

LS-SVM模型和RBF核函数包含C(误差惩罚因子)与σ2(核函数的宽度参数)两个未知参数,通过两个参数的选择来使模型达最佳模拟效果[20]。本文选择以锯末原料的生物质压缩成型实验数据[21]在主压缸压力为100～200bar(c=1.51、σ2= 5.85)此时f=0.988和400～600bar(c=246、σ2=3.6)此时f=0.968分别进行建模。数目标值结果表明模型预测值与实验值的相对误差小于5%,该模型能对锯末压缩成型过程有较好的模拟效果。

对于成型参数的优化,本文提出上述支持向量机模型的基础上可以考虑基于智能优化的方法建立关于成型性能指标的多目标优化模型为:

maxY={y1(x);y2(x)}

S.T. 100≤x1≤600

5%≤x2≤25%

式中X=(x1,x2,x3),x1:成型压力P约束范围为100bar到600bar;x2:原料含水率,为保证成型效果良好取5%到25%;y1:松弛密度;y2:压缩比。

由上述优化目标函数,通过优化计算可求得燃料成型过程中应满足的最佳控制参数。

3.2 成型燃料对气化指标的影响

在理想的绝热条件下,颗粒较小使气体越容易从颗粒内部溢出,气化效率越高(表1)[16]。但实际上小颗粒生物质在非绝热条件下可能由于质量较小,易于附着在炉壁上,或被载气带出。这种情况的发生与炉内温度较低有直接关系,温度较低造成反应速度较慢,所以在反应完全前小颗粒生物质就很有可能被迫终止反应。该因素在绝热体系中因为在绝热体系中温度可以得到充分保证可以不必考虑,但在非绝热体系中它必须与原有因素综合考虑,才得出可燃气体产量的极值[22]。

另外,成型燃料中添加不同种类含量及配比的催化剂可以提高生物质气化过程焦油脱除率和气化效率[12]。例如添加K2CO3和Na2CO3可提高气体反应速率、降低反应温度、提高气体产量等[23];通过实验得出,温度在780℃时使用催化剂可以将生物质气化时可燃气体的产量提高一倍左右[23]。添加白云石等催化剂可以有效地降低气化过程的焦油含量,粒径越小,催化效果越好。但颗粒直径太小对固定床来说,阻力太大;而对流化床来说则飞灰损失太严重,所以其直径有一定合适范围,一般为2.0～7.0mm为好[24]。但目前国内外在生物质压缩成型过程的研究中主要是考虑添加某一种催化剂的效果,缺乏对多种催化剂的混合添加,以及添加配比量的研究。

为此本文建议在压缩成型过程中可以考虑将两种或两种以上的经济廉价催化剂(如石灰石、白云石等)同时使用,这些催化剂在合适的配比量下加入成型料中,来提高气化燃气品质,降低燃气焦油含量。

4 结语

本文主要在国内外学者对生物质压缩技术研究的基础上,深入分析了成型因素(加热温度、成型压力、含水率以及原料破碎的粒径的大小)对成型料性能(成型燃料的松弛密度、成型燃料的耐久性和燃料气化性能等)的影响。并提出了对生物质压缩过程使用智能方法(如人工神经网络、支持向量机)来建模,进而在该模型的基础上使用智能方法(如遗传算法、蚁群算法、粒子群算法)来进行参数优化,进而获得最佳的成型效果。解决废弃生物质体积密度小,占用空间大,燃烧效率低等问题。另外,本文分析了以成型燃料为原料来实现生物质气化的过程中成型颗粒的尺寸、向成型料中添加催化剂(两种或两种以上)的含量及配比对生物质气化后的气化性能(气化效率、气体热值和碳转化率)的影响。

成型过程论文 第9篇

作为一项具有较强特殊性的工作, 先进复合材料成型工艺得到了长足的发展和进步。研究该项工作过程中的质量控制, 能够更好地提升先进复合材料成型的最终效果。

2 概述

当前复合材料整体成型技术在航空航天等技术领域都得到了广泛的应用, 在实际操作中这种工艺技术能够有效的降低制作费用, 减轻机械的总体重量, 在经济以及环保方面都能够发挥良好的优势作用, 因此, 在航天器领域中人们可以通过其复合材料的使用情况来对它的先进性进行评断。

飞机结构上符合材料的加入, 能够有效的增强飞机的轻质化、模块化等特点, 随着先进工艺的发展, 复合材料在飞机上得到了更加广泛的使用, 已经成为继铝、钢、钛之后的第四大航空领域结构材料类型, 复合材料整体成型工艺在不断的发展进步中, 从原来的次要承力件变为了主要承力件, 复合材料成型工艺已经成为了主要民机行业竞相争抢的主要技术之一, 无疑, 复合材料的应用以及技术的先进性也已经成为了其先进性、专业性的对比内容项目之一。因此, 在专利的申请方面也成为了航空企业互相竞争的内容之一, 复合材料研发以及专利的申请竞争日益激烈, , 波音公司在专利的申请上凭借它一直以来在复合材料应用领域的强大基础, 拥有了大量的具有技术价值的基础性质的专利。而空客公司则主要凭借欧洲航空工业在符合材料行业的强大基础, 进行了大胆的创新制造, 也成功的获得了许多权威的、有价值的专利, 成为了行业内的后起之秀, 从这些实际竞争情况来看先进复合材料的研发已经成为了大势所趋。

3 先进复合材料成型工艺过程中的原料供给

在先进复合材料的成型过程中必须始终保持均匀稳定原料补充, 这样才能更好的使之定型, 形成复合材料的原材料中的天然纤维的结构以及特性对成品有着关键性的影响, 如果天然纤维中的水分含量在8%以上, 则会对材料的成型造成一定的影响, 因此, 在生产过程中需要特别注意含水比例尽量控制在8%以下。

3.1 天然纤维粉粒进料以及粒料供给方式分析

在进料之前需要将天然纤维粉进行造粒处理, 提高其自身的体积比重, 然后混合合成树脂、添加剂等材料分别装入挤出机中。比例少的合成树脂在这种锥形双螺杆挤出机中能够做到快速熔融, 最后分散在天然纤维之中, 这种操作手段能够比较简便的实现混合比率的改变, 该方式辅助设施简单容易操作。

粒料的供给是通过使用单螺杆或双螺杆挤出机等方式来实现的, 具体的操作内容就是将天然纤维、合成树脂、添加剂三种材料进行造粒处理, 然后加入挤出机进行成型。这种生产方式的优势在于现有设备比较齐全, 但是, 天然纤维需要干燥之后才能进入造粒挤出机。

3.2 积聚 (集成体) 进料方式与冷搅拌方式

积聚进料的方式是通过使用高速搅拌器来工作的, 天然纤维、合成树脂以及添加剂需要进行预处理, 形成豆粒大块状体, 然后将其加入挤出机中进行成型处理, 这种方式能够在一定程度上脱除水分、气体。冷搅拌方式是将木粉中存有的粉状树脂、添加剂等进行集中搅拌, 而天然纤维则通过喂料器向挤出机中提供原料。这一过程天然纤维、合成树脂、添加剂等材料不用单独制作, 但是必须保持粉状形态, 而且需要保持天然纤维的充分干燥。

4 复合材料成型工艺发展现状

目前, 世界各国已经形成了原材料、成型工艺、机械设备、产品种类及性能检验等一系列较完整的工业体系, 与其他工业相比, 发展速度比较快。树脂基复合材料的成型工艺也从最初的手工操作工艺逐步向技术密集、高度自动化、高生产率、高稳定性的成型工艺上发展, 并随着应用领域的广泛开拓, 出现了多种成型工艺并存的现象, 而且还在不断衍生出新的工艺类型。

4.1 手糊成型工艺

手糊成型工艺又称低压接触成型工艺, 是树脂基复合材料工业中使用最早的一种工艺方法, 操作方法简单, 几乎可适用于所有的复合材料制品的生产, 且投入小, 但对操作人员技术熟练程度的依赖性较大, 生产出的制品单面光洁, 产品质量不够稳定。随着各种新工艺形式的不断涌现, 手糊成型工艺所占比例逐渐降低, 但手糊工艺因具有独特的其他工艺不可替代的尤其是在生产大型制品方面特点, 所以仍然在行业内占据着重要的地位。

主要应用领域:建筑雕塑领域如采光顶、活动房屋等;交通设施领域如游艇、汽车壳体、发动机罩等;环境与能源领域如风力发电机用机舱罩、叶片、沼气池等;体育游乐设备领域如游乐车、水滑梯等。

4.2 喷射成型工艺

喷射成型工艺是利用喷射设备将树脂雾化, 并与切断的纤维在空间混合后落在模具上面, 然后压实排出气泡固化, 它是在手糊工艺基础上发展而来的, 是将手糊操作中的纤维铺覆和浸胶工作转变为了机械化来完成, 是一种相对效率较高的工艺, 其生产效率是手糊工艺的2~4倍。喷射工艺同样对操作人员的技术水平依赖较大, 且由于增强纤维以断切的形式存在, 树脂含量高, 制品的强度较低, 同时由于喷射设备的原因, 其采用阳模成型方便, 而采用阴模成型困难较大, 且大型制品比小型制品更适合于喷射成型工艺。

主要应用领域:喷射成型工艺主要应用于大型产品的制作及建筑物补强等, 代表性的产品有玻璃钢浴缸、整体卫生间、卡车导流罩、净化槽、船身等。

5 结语

通过对先进复合材料成型工艺过程中质量控制的相关研究, 我们可以发现, 该项工作的良好开展有赖于对多方面技术的有效利用, 有关人员应该从先进复合材料成型的客观实际出发, 研究制定最为可行的质量控制方法。

参考文献

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