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塑料擠脹成型技術研究進展
時間:2005-07-04
塑料擠脹成型方法是一種新的塑料成型加工技術，與注塑或旋轉模塑的成型方法相比，擠脹成型具有自身特殊的優點和適用范圍。本文介紹了北京化工大學塑料擠脹成型技術的主要研究成果。
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，但是對於一些具有特殊形狀的制品，采用現有的方法可能并不是最具經濟效益的，如管件中的三通、四通等，通過注塑方法可以成型，但注塑成型投資大，模具結構復雜，價格昂貴且能耗高；尤其在生產批量較小的情況下，昂貴的模具費用將由小量的制件來分擔等等，所以注塑方法在生產此類零件時有一定困難，更何況目前對於細長、端面尺寸相差較大或膨脹節等口小腹大類制件，并無法用注塑及常規的塑料成型方法來加工。塑料擠脹成型（Plastic Bulge Forming，PBF）就是在這種趨勢下應運而生的。
擠脹成型的概念
擠脹成型是一種塑性成型方法，是指將預成型的管坯在組合外力（內壓和軸向壓縮）的作用下，沿徑向向外擴張，通過塑性變形來形成與模具型腔相一致的制品。
擠脹成型的基本工藝過程如右圖所示。將管坯放入模具并在管坯內填入脹形介質（a）；對管坯及其內部的脹形介質施加擠壓力F，使管坯材料在一定的應力狀態下變形（b）；管坯在脹形介質產生的內壓作用下得到與模腔形狀相同的制件（c），卸載後脹形介質回復，取出成型制件（d）。
擠脹成型技術的工業應用
目前美國、日本、德國、瑞典和加拿大等國在擠脹成型技術方面的研究都已經非常深入，并不斷地擴大擠脹成型制品的應用領域。
擠脹成型不僅能夠加工常規的三通、四通等制品，還能加工各種復雜的異型制品，其特點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勢所在。此外，汽車工業對於擠脹成型技術的發展具有舉足輕重的作用，擠脹成型技術也推動了汽車生產技術的進步。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。
不過，這些擠脹成型技術主要應用於金屬材料的擠脹成型，在塑料方面的應用還沒有看到過相關的報道。
擠脹成型的可行性與優點
通過注塑或旋轉模塑成型的各種塑料制品已經獲得大量應用，但采用這些工藝生產異型管件或一些特殊類型的制品也存在不足：1. 設備投資大。對注塑來說，預塑化、合模鎖模、注塑、保壓、冷卻、頂出等是注塑裝置的必備功能，因此注塑機的結構復雜，價格高；再者，注塑模要考慮澆注系統、型芯布置等因素，模具結構也比較復雜，價格昂貴。對旋轉模塑來說，只能成型具有簡單截面形狀的制品；物料在成型過程中未實現充分塑化，制品沖擊強度較低；成型時間長，加工不同制品時的工藝轉換較困難等。2. 能耗高。在成型過程中，物料需要經過熔融和冷卻，生產過程能耗較大。這些都造成單件制品的成本偏高，尤其在生產批量較小的情況下，昂貴的模具費用只能由少量的制件來分擔。這些缺點使開發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單、高效，令連續擠出制品具有質優價廉的特點，保證了塑料擠脹成型具有廣泛且經濟的坯料來源。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，但這些材料無法采用注塑成型加工，其管件均采用壓制燒結方法成型，效率低下，產品質量無法保證，而塑料擠脹成型可以為這些管道加工管件制品，滿足實際的使用要求。
通過與常規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點：
1.成型設備結構相對簡單，投資低；
2.模具結構簡潔，造價低；
3.被加工材料不產生相變，而且成型過程通常在較低溫度進行，能耗少；
4.適於生產斷面尺寸相差較大的制品，對制品的斷面尺寸適應性強；
5.控制系統比較簡單，工藝控制靈活，通過控制擠壓行程，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率和低成本；
7.可制造其他成型方法無法得到或難於得到的較復雜的薄壁零件；
8.在生產批量較小的情況下，能大幅度降低生產成本等等。
技術研究進展
北京化工大學研制的塑料擠脹成型實驗機
北京化工大學於1998年開始進行塑料擠脹成型方法的研究，有關這種新方法的研究進展如下：
1.設計了第一臺塑料擠脹成型實驗機及配套的專用模具系統，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家發明專利授權，具有自主的知識產權。
2.對塑料擠脹成型過程進行了理論研究，分別采用理論和數值模擬及優化的方法研究了不同類型制品的擠脹成型過程，為塑料擠脹成型工藝、設備及模具的設計奠定了基礎。
3.在理論研究的基礎上，利用自行研制的塑料擠脹成型實驗機及模具系統，對不同塑料材料及塑料制品形式進行了擠脹成型實驗，實驗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）。
通過實驗研究，總結了不同類型制品擠脹成型發生失效的主要形式及原因，并通過分析測試數據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。
結論
擠脹成型是一種新的聚合物固態成型加工方法。通過與常規塑料成型加工方法的比較，可以發現將擠脹成型用於塑料加工領域是完全可行的，尤其是用於加工一些特定類型的制品時，比常規的塑料成型方法有更大的優勢。對這種新技術的深入研究，可推動其走向應用，并成為一種有潛力的聚合物新成型方法。
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