複合材料製品模具設計製造及其案例

第1章 複合材料製品及其組合材料簡介1
1.1不飽和聚酯樹脂基本概念1
1.1.1聚酯的反應1
1.1.2高分子3
1.1.3聚酯4
1.1.4樹脂4
1.1.5不飽和聚酯樹脂的分類和用途7
1.2不飽和聚酯樹脂加工和應用的原料8
1.2.1不飽和聚酯樹脂的交聯劑、阻聚劑和緩聚劑9
1.2.2不飽和聚酯樹脂的引發劑9
1.2.3不飽和聚酯樹脂的促進劑10
1.2.4稀釋劑10
1.2.5填料10
1.2.6脫模劑13
1.2.7不飽和聚酯樹脂固化過程的表觀特徵變化14
1.2.8固化劑和促進劑加入量對樹脂固化的影響14
1.2.9施工環境對樹脂固化的影響15
1.3不飽和聚酯樹脂的發展簡史與特性15
1.3.1不飽和聚酯樹脂發展史15
1.3.2不飽和聚酯樹脂與國外發達國家的差距18
1.4聚酯纖維增強複合材料的發展19
1.4.1玻璃纖維複合材料19
1.4.2玻璃纖維的物理性能和化學性能21
1.4.3複合材料的三大要素24
1.4.4玻璃纖維的主要製品25
1.4.5玻璃纖維表面處理26
1.4.6玻璃鋼的特性和應用26
1.4.7玻璃鋼的發展遠景33
1.5芳綸纖維（凱芙拉纖維）34
1.5.1芳綸纖維的性能34
1.5.2凱芙拉纖維的用途35
1.6碳纖維38
1.6.1製造40
1.6.2性能40
1.6.3應用和發展狀況41
1.7硼纖維42
1.7.1性能42
1.7.2硼纖維增強鋁基複合材料43
1.7.3硼纖維增強環氧樹脂複合材料44
1.7.4應用44
1.8晶須與陶瓷基複合材料45
1.8.1晶須46
1.8.2金屬晶須47
1.8.3陶瓷基複合材料49
1.9其他增強纖維53
1.9.1石棉纖維53
1.9.2納米複合材料53
1.9.3石墨烯58
1.9.4塑木複合材料63

第2章 國內目前主要複合材料成型工藝介紹66
2.1接觸低壓（手糊）成型工藝68
2.1.1原材料68
2.1.2模具73
2.1.3模具材料要求75
2.1.4脫模劑的要求和種類76
2.2手糊成型工藝77
2.2.1手糊成型工藝的定義和特點77
2.2.2複合材料成型工藝三要素與成型條件77
2.2.3手糊成型工藝方法78
2.2.4手糊成型工藝流程81
2.2.5糊制83
2.2.6固化85
2.2.7脫模85
2.2.8後處理86
2.2.9複合材料製品缺陷的修復86
2.3不飽和聚酯樹脂的噴射成型86
2.3.1噴射成型87
2.3.2工藝過程88
2.3.3噴射成型設備89
2.3.4噴射成型工藝參數的控制91
2.3.5噴射成型工藝要點92
2.3.6噴射成型製品缺陷與防治93
2.4複合材料袋壓成型工藝93
2.4.1加壓袋成型法94
2.4.2真空袋成型法96
2.4.3熱壓罐成型法100
2.5複合材料模壓成型103
2.5.1模壓成型工藝方法簡介103
2.5.2機械雙模（對合模）成型106
2.5.3樹脂傳遞模塑（RTM）成型法110
2.5.4纖維纏繞成型工藝120
2.6複合材料拉擠成型129
2.6.1拉擠成型的原理、優缺點和應用130
2.6.2拉擠成型材料131
2.6.3拉擠成型工藝、設備和工藝參數135
2.6.4拉擠工藝參數139
2.6.5拉擠製品的缺陷與控制139
2.7複合材料製品的切割加工和前、後處理工藝140
2.7.1複合材料製品的切割加工工藝140
2.7.2切割模具142
2.7.3切割刀具142
2.7.4複合材料製品的前、後處理工藝143

第3章 複合材料製品成型品質要求與模具設計原理144
3.1複合材料製品成型模設計的類型和要求144
3.1.1複合材料模具的分類144
3.1.2成型模一般結構要求145
3.2複合材料製品加工模具的設計程式147
3.2.1複合材料製品成型模的設計程式147
3.2.2複合材料製品切割模具的設計程式151
3.3複合材料模具設計的製品形體分析153
3.3.1成型工藝要素153
3.3.2形體與障礙體要素154
3.3.3型孔與型槽要素157
3.3.4運動與干涉要素158
3.3.5外觀與缺陷要素158
3.3.6材料與批量要素159
3.3.7污染與疲勞要素159
3.4複合材料成型模結構方案的可行性分析與論證160
3.4.1模具結構方案可行性分析與最佳優化方案可行性分析160
3.4.2複合材料製品上的痕跡與痕跡技術162
3.4.3複合材料製品上模具結構缺陷預測對成型模結構方案的影響163
3.4.4成型模機構的確定163
3.4.5複合材料成型模結構方案最終的確定163
3.4.6成型模結構方案的校核164
3.4.7成型模製造方案的制定164
3.4.8成型模的設計或造型164

第4章 複合材料製品的模具用材選用及熱表處理166
4.1非金屬模具材料166
4.1.1石膏167
4.1.2石頭、水泥和玻璃167
4.1.3樹脂、塑膠與玻璃鋼168
4.1.4木材與夾布膠木170
4.1.5陶瓷174
4.2有色金屬模具材料175
4.2.1分類175
4.2.2鋅基合金176
4.2.3鈹銅合金177
4.2.4鋁合金177
4.2.5鑄鋁合金177
4.2.6鍛鋁合金178
4.3傳統普通碳素結構鋼的性能和用途179
4.3.1分類179
4.3.2普通碳素結構鋼的性能與用途180
4.3.3普通碳素結構鋼的用途對比181
4.4傳統結構鋼的性能和用途182
4.4.1優質碳素結構鋼的分類182
4.4.2優質碳素結構鋼合金元素含量與牌號183
4.4.330鋼183
4.4.445鋼184
4.4.545Mn鋼185
4.5傳統碳素工具鋼的性能和用途186
4.5.1工具鋼分類186
4.5.2T8A工具鋼187
4.5.3T10A工具鋼188
4.6傳統低合金工具鋼的性能與用途189
4.6.1CrWMn鋼189
4.6.29Mn2V鋼190
4.7新型基體鋼和高耐磨高強韌性鋼的性能與熱處理191
4.7.1CG2（6Cr4Mo3NiWV）鋼192
4.7.2GM（9Cr6W3Mo2V2）鋼193
4.8新型低變形和微變形冷作模具鋼的性能和熱處理194
4.8.19CrWMn鋼194
4.8.2Cr4W2MoV鋼195
4.9新型耐腐蝕冷作模具鋼的性能和熱處理196
4.9.19Cr18鋼197
4.9.29Cr18MoV鋼197
4.10新型空淬和油淬類型及火焰淬火冷作模具鋼198
4.10.1新型空淬類型冷作模具鋼198
4.10.2GCr15新型油淬類型冷作模具鋼199
4.10.3SX105V新型火焰淬火冷作模具鋼201
4.11專用模具鋼202
4.11.1P20（3Cr2Mo）鋼202
4.11.2PCR（0Cr16Ni4Cu3Nb）鋼205
4.11.3S136高壽命耐腐蝕鏡面模具鋼207
4.12模具用鋼的熱處理208
4.12.1常用熱處理的工藝209
4.12.2模具的製造工藝路線210
4.12.3模具鋼材熱處理技術的發展211
4.12.4火焰淬火處理211
4.12.5深冷處理212
4.13模具鋼材表面熱處理技術212
4.13.1鹽浴滲釩處理213
4.13.2氮化熱處理214
4.13.3物理蒸鍍技術217
4.13.4低壓氮化技術223
4.14模具鋼材表面處理技術224
4.14.1PVD和CVD塗層方法 224
4.14.2可控離子滲入技術224
4.14.3等離子噴塗225

第5章 複合材料接觸低壓成型模的設計226
5.1複合材料製品成型模設計分類和原理及要求226
5.1.1複合材料模具的分類226
5.1.2複合材料成型模設計原理227
5.1.3複合材料製品成型模設計的要求227
5.2複合材料製品非金屬材料成型模的設計228
5.2.1石膏玻璃鋼成型模具的設計228
5.2.2木材、玻璃鋼成型模具的設計232
5.2.3樹脂、矽膠、玻璃鋼和塑膠成型模具的設計235
5.3金屬材料成型模具的設計236
5.3.1玻璃鋼製品有色金屬材料成型模具的設計237
5.3.2玻璃鋼製品鑄鐵材料成型模具的設計237
5.3.3鑄鋼、鍛鋼與鋼制玻璃鋼製品成型模的設計238
5.4玻璃鋼製品組合式成型模具的設計243
5.4.1木制組合式成型模的設計243
5.4.2木材組合對合模的設計245
5.4.3鋁制組合對合模的設計246
5.4.4吹風機玻璃鋼外殼凸、凹對合成型模工作件加工工藝252

第6章 複合材料製品對合鑽模的設計與製造261
6.1玻璃鋼盒體對合鑽模的設計和製造261
6.1.1玻璃鋼盒體材料和技術要求261
6.1.2玻璃鋼盒體的裱糊成型分析262
6.1.3玻璃鋼盒體成型（裱糊）鑽模結構的原理262
6.1.4盒體成型（裱糊）鑽模結構設計263
6.1.5左、右凹模熱處理與加工264
6.1.6鐳射切割加工266
6.2三通接頭油缸內抽芯及內外組合對合成型模的設計267
6.2.1玻璃鋼三通管接頭形體分析及對其裱糊成型的要求267
6.2.2三通管接頭對合成型模的結構方案分析267
6.2.3三通管接頭對合成型模的結構271
6.2.4三通管接頭的裱糊272
6.2.5機械形式三通管接頭對合成型模的結構272
6.3玻璃鋼罩殼油缸內抽芯內、外組合對合模的設計274
6.3.1罩殼形體分析274
6.3.2罩殼對合成型模結構方案分析275
6.3.3罩殼對合成型模結構設計277
6.4供氧面罩外殼對合模的設計與製造280
6.4.1供氧面罩外殼280
6.4.2供氧面罩外殼成型工藝分析281
6.4.3供氧面罩外殼對合成型模的設計283
6.4.4凹、凸模和安裝板的加工284
6.5通風管手動與半自動及全自動對合模的設計285
6.5.1通風管形體分析285
6.5.2玻璃鋼通風管成型鑽模結構方案分析286
6.5.3方形通風管組合式手動對合成型鑽模設計287
6.5.4方形通風管組合式半自動對合成型鑽模設計289
6.5.5方形通風管全自動組合式對合成型模設計方案293

第7章 複合材料真空袋和熱壓罐及模壓成型模結構設計295
7.1複合材料製品真空袋成型法成型凸模的設計295
7.1.1碳纖維椅靠及其真空袋成型整體凸模的設計296
7.1.2碳纖維椅靠真空袋壓成型296
7.2玻璃鋼抽油煙機罩殼真空袋成型組合凸模的設計297
7.2.1玻璃鋼抽油煙機罩殼的形體分析298
7.2.2玻璃鋼抽油煙機罩殼成型方案分析298
7.2.3玻璃鋼抽油煙機罩殼組合成型模結構的分析300
7.2.4玻璃鋼抽油煙機罩殼成型模的設計302
7.2.5玻璃鋼抽油煙機罩殼真空袋成型303
7.2.6玻璃鋼抽油煙機罩殼鐳射切割加工304
7.3複合材料製品真空袋成型法成型凹模的設計305
7.3.1玻璃鋼洗手池真空袋成型整體凹模的設計305
7.3.2玻璃鋼弧形殼體真空袋成型組合凹模的設計306
7.4複合材料製品熱壓灌法成型凸模的設計307
7.4.1碳纖維椅框形體分析308
7.4.2碳纖維椅框熱壓罐組合成型凸模的設計309
7.4.3碳纖維椅框熱壓罐成型309
7.5碳纖維彎形外殼熱壓罐成型模的設計310
7.5.1彎形外殼形體分析310
7.5.2彎形外殼成型模結構方案分析與設計311
7.5.3彎形外殼成型模三模組抽芯動作的分解311
7.5.4彎形外殼熱壓罐成型 313
7.5.5彎形外殼的鐳射切割加工314
7.6複合材料製品熱壓罐法成型凹模的設計315
7.6.1椅盆熱壓罐整體成型凹模的設計315
7.6.2弧形盒熱壓罐組合成型凹模的設計316
7.7碳纖維複雜頭盔外殼熱壓罐成型模的設計320
7.7.1頭盔外殼形體分析321
7.7.2頭盔外殼熱壓罐成型模結構方案的分析322
7.7.3頭盔外殼熱壓罐成型模的設計324
7.7.4頭盔外殼熱壓罐成型325
7.8玻璃鋼外殼油壓機模壓成型模的設計326
7.8.1玻璃鋼外殼形體與模具結構方案分析326
7.8.2外殼壓模結構設計327
7.9玻璃鋼罩殼壓模倒裝形式結構的設計328
7.9.1玻璃鋼罩殼形體與模具結構方案分析328
7.9.2罩殼壓模結構設計329
7.9.3罩殼壓模與油壓機滑軌的安裝330

第8章 各種類型頭盔外殼複合材料袋壓成型模結構設計332
8.1各種類型頭盔外殼玻璃鋼產品袋壓成型原理332
8.1.1玻璃鋼產品的成型品質要求332
8.1.2玻璃鋼產品袋壓成型原理334
8.2簡易的袋壓成型模設計336
8.2.1簡易的袋壓成型工藝336
8.2.2具有左右凸台頭盔外殼的簡易袋壓成型模設計337
8.2.3簡易的袋壓成型模製造工藝337
8.3局部凸模袋壓成型338
8.3.1局部凸模袋壓成型原理340
8.3.2局部凸模袋壓成型模結構的設計341
8.3.3局部凸模袋壓成型模的設計342
8.3.4局部凸模袋壓成型模製造工藝343
8.4可移動組合形式凸模成型模的設計345
8.4.1物件零件的資料與形體分析及頭盔外殼成型模凹模結構的分析345
8.4.2可移動整體凸模袋壓成型原理345
8.4.3可移動組合凸模袋壓成型模的設計349
8.4.4可移動組合凸模袋壓成型模製造工藝350
8.5高效袋壓成型模355
8.5.1高效袋壓成型工藝分析355
8.5.2高效袋壓成型模的設計355
8.5.3提高生產率的措施357

第9章 複合材料RTM成型模結構設計359
9.1警用防彈頭盔外殼RTM技術成型鑽模設計359
9.1.1防彈頭盔簡介359
9.1.2防彈頭盔外殼與成型的要求360
9.1.3警用防彈頭盔外殼成型工藝分析361
9.1.4警用防彈頭盔外殼手動脫模成型模結構方案分析362
9.1.5警用防彈頭盔外殼成型模的設計365
9.2警用防彈頭盔外殼RTM技術機械形式成型鑽模設計366
9.2.1防彈頭盔簡介366
9.2.2警用防彈頭盔外殼成型方法367
9.2.3警用防彈頭盔外殼RTM機械成型模設計367
9.3複雜頭盔外殼RTM技術成型鑽模設計370
9.3.1複雜頭盔外殼形體分析370
9.3.2複雜頭盔外殼的成型分析370
9.3.3複雜頭盔外殼成型模結構方案可行性分析371
9.3.4複雜頭盔外殼成型模結構的設計372
9.4複雜頭盔外殼成型模內、外模組的加工374
9.4.1成型模外模組的加工374
9.4.2成型模內模組的加工377
9.5頭盔內殼成型（裱糊）鑽模結構方案的分析與設計380
9.5.1袋壓成型的原理380
9.5.2頭盔內殼組合成型（裱糊）鑽模結構方案的可行性分析382
9.5.3頭盔內殼組合成型鑽模的整體結構設計385
9.6頭盔內殼組合成型鑽模結構方案的分析與論證386
9.6.1型腔模結構方案的可行性分析386
9.6.2模具圖樣校對和論證內容387
9.6.3頭盔內殼組合成型鑽模結構方案的論證388
9.6.4組合凹模拆卸和組合凸模取出的論證390
9.7頭盔內殼組合成型鑽模組合凹、凸模的加工391
9.7.1成型鑽模凹模型腔的加工392
9.7.2頭盔內殼組合成型鑽模8塊凸模組的加工工藝分析392
9.7.38塊凸模組外形的加工394

第10章 複合材料製品其他類型模具的結構設計396
10.1帶鋸與銑削切割法396
10.1.1帶鋸切割法396
10.1.2浴缸帶鋸切割夾具的設計397
10.2沖裁切割複合材料製品的沖模設計398
10.2.1沖裁切割的特點398
10.2.2玻璃鋼盤形件沖裁模的設計399
10.2.3複合模的結構401
10.2.4雨水箅子複合模的設計401
10.3複合材料製品銑工夾具的設計403
10.3.1複合材料製品銑刀類型與銑削特點403
10.3.2碳纖維靠背及其銑工夾具的設計404
10.3.3玻璃鋼鼓風機外殼及其銑工夾具的設計406
10.3.4Y形件及其銑工夾具的設計409
10.3.5Y形件與成型銑工模的設計411
10.4複合材料製品鑽模的設計413
10.4.1鼓風機殼體鑽模的設計413
10.4.2碳纖維弧形殼體成型銑工鑽模的設計415
10.5複合材料製品鐳射切割夾具的設計418
10.5.1複合材料製品鐳射切割原理與特點418
10.5.2供氧面罩外殼鐳射切割夾具的設計與製造419
10.5.3多個凸台凹坑形體頭盔外殼鐳射切割夾具的設計與製造425
10.5.4兩側帶凸台頭盔外殼鐳射切割夾具的設計428
10.5.5頭盔外殼鐳射切割夾具的設計430

附錄433
附錄A 各種模具運動分析圖中的符號433
附錄B 各種成型件七要素分析圖中的符號433
附錄C 複合材料成型件成型時常見缺陷及解決措施435
附錄D 鋼材組織名詞解釋451
附錄E 鋼材冶煉名詞解釋455
附錄F 其他名詞解釋458
附錄G 材料物理與力學性能定義與單位459參考文獻461

文根保
 
高級工程師，03年～10年5月，任職於航宇公司工藝裝備分公司