玻璃钢门窗型材的拉挤成型工艺及模具

    我国建筑门窗行业应是多元化、多层次的产品结构体系，尽管当前已生产和使用的门窗产品有钢、铝、塑、木四大类产品，但其他新材料如有较好的物理性能、有较突出的保温节能效果，资源丰富，能满足使用功能，都可用来研制门窗。玻璃钢是一种应用比较广泛的新材料，不仅在国防工业和国民经济建设中发挥着作用，而且作为建筑工业中的一种新材料，它具有独特的物理性能、化学性能和机械性能，也是制作门窗的一种优质复合材料。玻璃钢是由基体树脂和增强纤维构成的类似于钢筋混凝土的一种复合结构体。由于树脂和纤维在性能上的“优势互补”，因而具有质轻、高强、防腐、绝缘、保温、隔声等优良的物化性能。玻璃钢门窗型材是玻璃纤维及织物浸透树脂后经牵引机牵引，通过加热专用模具高温固化成型，形成表面光洁、尺寸稳定、强度高的玻璃钢型材。型材经特殊涂层表面处理切割下料后，使用专用角连件和密封材料，即可组装成门窗。

1  玻璃钢门窗型材的拉挤工艺

1.1玻璃钢门窗制造过程

    玻璃钢门窗通过采用拉挤工艺成型的中空型材，经过切割、拼装制成门窗框材，再装上橡胶密封条、五金件、中空玻璃等附件制成门窗。为了减轻重量和增加刚度，门窗型材一般都是空腹式。玻璃钢拉挤成型是自动化连续生产同一截面玻璃钢型材的工艺，它能成型截面形状相当复杂的产品。通过连续纤维的增强，可获得比传统材料更佳的机械性能，由高分子组成的基体满足了结构、化学、耐火、电气、腐蚀和环境方面的要求，具有很强的可设计性。玻璃钢门窗强度高、刚度大、不变形、隔热保温、防水防腐、使用寿命长、装饰性好、外观精致、易于保养。

1.2拉挤成型工艺优点

    玻璃钢门窗拉挤成型工艺是复合材料成型中的一种特殊工艺，其优点如下：

    (1)生产过程中实现了自动化控制，生产效率高；

    (2)成型制品中树脂含量容易控制，纤维含量高，可充分发挥增强材料的作用；

    (3)力学性能的可设计性强，合理选用不同增强材料，可赋予制品不同的横纵向强度，可满足不同的要求；

    (4)长度可随意控制，使生产过程中无边角废料，后继加工少，省工、节能、降耗。同时，也有只能生产单一截面形状制品，产品结构单一，横向强度不高的缺点。

1.3拉挤成型的原料

    玻璃钢拉挤工艺成型的原、辅材料包括玻璃纤维增强材料、树脂基体和辅助材料。玻璃纤维增强材料包括无捻粗纱、连续纤维毡等。增强材料是中空型材的支撑骨架，它基本上决定了制品的拉伸强度和拉伸弹性模量，而且对减少高聚物收缩，提高热变形温度和低温冲击强度也有一定的作用。拉挤成型工艺对玻璃纤维连续毡的要求是具有较高的机械强度。树脂基体应选择能满足型材使用要求、拉挤工艺专用的不饱合聚酯树脂。辅助材料包括内脱模剂、粉末填料、偶联剂、固化剂等。内脱模剂一般选用硬脂酸盐系列的产品。填料的作用在于改善树脂工艺及制品的性能和降低成本。通常无机填料可以提高机械强度和硬度，减少体积收缩率，增加耐热性、自熄性，增加树脂的黏度和降低流动性。

1.4拉挤成型工艺

    玻璃钢拉挤成型是将浸渍过树脂胶液的连续玻璃纤维、玻璃纤维连续毡、玻纤或化纤表面毡等增强材料，通过预成型模具进入加热的型材模具，在模具中升温固化，在牵引力作用下连续拉出任意长的玻璃钢型材。拉挤成型工艺过程是由送纱、浸胶、预成型、固化定型、牵引、切断等加工工序组成，成型制品再通过精细加工程序完成。玻璃纤维从纱架引出后，经过排纱器进入浸胶槽浸透树脂胶液，然后进入预成型模具，将多余树脂和气泡排出，再进入成型固化模凝胶、固化，固化后的制品由牵引机连续不断地从模具中拔出，最后由切断机定长切断。主要成型设备有纱架、胶槽、模具、牵引机、型材切割机等，辅助设备有烘干机、搅拌机、切毡机等。在成型过程中，每道工序都可以有不同方法：如送纱工序，可以增加连续纤维毡或三向织物以提高制品强度；牵引工序可以是履带式牵引机，也可以是液压式牵引机；固化方式可以是模内固化，也可以用加热炉固化；加热方式可以是高频电加热或是熔融金属等。

1.5拉挤成型工艺参数

    玻璃钢型材拉挤工艺参数主要包括：固化温度、固化时间、牵引力及速度、纱和毡数量等，拉挤速度和模具温度是最重要的工艺参数。树脂配方是决定型材拉挤工艺参数的重要因素，原料配方确定以后，可由树脂体系固化的放热峰曲线来确定模具温度分布，它是确定其他工艺参数的前提。模具温度太高，则反应太快，容易引起制品热开裂。工艺速度决定了材料在模具中停留的时间。拉挤速度的选择必须与温度匹配，模具温度高，牵引速度增加。拉挤速度的上限与树脂、纤维、模具三者的具体情况及拉挤设备的能力有关。为了提生产率，一般尽可能提高速度，这样可提高模具剪切应力，提高制品表面质量。由于门窗型材壁厚较大，所以拉速度不易过大。拉挤工艺启动时，速度应放慢，然后逐步提高到正常的速度。牵引力是重要的参数之一，影响牵引力的因素很多，在拉挤工艺中，牵引力的稳定性比起牵引大小更为重要，许多拉挤工艺故障的预兆都是牵引力骤然增加。牵引力的变化反映出产品在模具中的状态，呈锯齿形的牵引力反映出型材脱黏点蠕动的不稳定性。夹持力的大小以牵引时产品被夹住不滑动为宜，牵引力越高，所需夹持力越大。夹持力太大会使产品产生裂纹和压痕，太小会产生阻塞，产品在模具中打滑。在拉挤工艺中要采用与型材外形相适合的夹具。

    由于拉挤成型工艺参数是相互影响的，最好的办法是探测模具内的固化聚合反应，以此来清楚了解工艺参数的实际组合效果。实际过程中可在浸渍过树脂的增强材料束中放置一热电偶，当它经过模具时，可读出实际反应温度，模具内部温度对应模具长度的曲线可直接反应出聚合反应过程和聚合度。为得到最佳拉挤质量，温度曲线应避免陡直上升，以减少产品热应力。放热峰应处于大约模具长度75%的位置。这样既能保证较高的生产效率，同时，剩余的模具长度可进行有效的内部冷却并起校准单元的作用。温度曲线可用计算机测量和记录。

2玻璃钢门窗型材拉挤模具的设计

2.1模具的要求

    拉挤成型的工艺特点是模具加热固化产品而连续成型，模具长期处于受热状态，一些分块模具生产出现故障及产品更换需要拆卸模具进行清理。这种工艺特点要求拉挤模具具有良好的尺寸稳定性。当浸渍过树脂的纤维被拉进模具时，由于体积的缩小伴随产生挤压现象，纤维束对模腔面的正应力增大，导致摩擦力增加，使模具始终处于被挤压和摩擦的状态，这就要求拉挤模具具有优良的耐磨性。拉挤成型时，浸渍过树脂的纤维束一边受热进行固化反应，一边在牵引装置的作用下沿模具前移，制品的表面受到动态的摩擦作用。为了得到良好的制品表面质量，要求拉挤模具具有极高的表面光洁度，甚至达到镜面的效果。

2.2模具材料的选择

    模具的材料直接影响着模具的性能，进而影响拉挤型材的质量和产量。由于模具精度高、加工复杂、制造周期长、成本高，因此模具应具有较长的使用寿命。一般模具的材料要求具备以下性能：

    (1)较高的强度，耐疲劳性和耐磨性；

    (2)较高的耐热性，较小的热变形性；

    (3)良好的耐腐蚀性；

(4)良好的切削性和表面抛光性能；   

(5)受热变形小，尺寸稳定性好。

    玻璃钢拉挤模具的材料有结构钢和工具钢。这些钢都能够在不同程度上符合玻璃钢拉挤成型对模具材料的性能要求。选择模具材料首先是耐磨性，一般要求在硬度高的基体上均匀分布大量细小而坚硬的碳化物；其次是强度和韧性，在相同硬度情况下，提高钢的强度和韧性有利于提高耐磨性。除了耐磨性外，选择拉挤模具材料时还应兼顾模具的制造工艺及其他性能要求。

2.3分型面的选择

    玻璃钢拉挤模具一般由几块模具拼装组合而成。因此，正确选择分型面，不仅能保证模具的顺利制作，而且能满足拉挤制品的生产工艺要求和质量要求。由于在两块模具的接缝处模具所受应力最大，它也是容易产生树脂黏附、堵塞的地方，并且最终在制品的表面出现合模缝，影响表观质量。所以在满足模具加工制造的前提下，应尽量减少分型面，并保证模具合缝棱边无损伤，合缝严密，同时使操作简单，模具易清理。

2.4入口的设计

    入口设计也是拉挤模具的关键之一。由于纤维束在入口处体积缩小而压力升高，而入口处的儿何形状是重要的影响因素。玻璃纤维浸渍树脂进入成型模具时，纤维束是在成型机牵引作用下进入模具，由于模具进口处纤维束十分松散，往往在入口处积聚缠绕，这样容易造成断纤。此外，模具在长时间使用过程中，由于积聚缠绕的影响，往往造成入口磨损严重，影响产品质量。通常的入口形式可采用锥形、圆形和抛物线形。国内目前采用较多的是锥形入口(角度为5。~8。，长度为50～100 mm)，但它的压力升高要高于圆形和抛物线形。提高入口的锥度，可降低入口压力升高。为解决断纤和磨损问题，还可在模具锥形入口处周边倒一截面为1/4椭圆截面圆角，这样可以大大减少断纤现象发生，降低模具的磨损，提高玻璃钢拉挤制品的质量。

2.5模具尺寸的确定

    拉挤模具的横截面应足够大，以使模具具有一定的热容，保证加热均匀、稳定，一般来说钢模的横截面至少等于玻璃钢制品的10倍。而模具的长度与设备加热能力、树脂特性及配方、制品几何尺寸和拉挤速度有关。由于玻璃钢窗框的壁厚较薄，在模具中热传导较快，因此，模具长度不宜过长，这也有利于模具的机加工和拉挤工艺的顺利进行。目前国内模具长度一般设计为900 mm左右。一般模具厚度为制品厚度的2～3倍。模具型腔尺寸决定于制品的尺寸及收缩率。对于玻璃钢窗框型材，一般采用不饱和聚酯树脂玻璃纤维体系，收缩率一般在2%左右。玻璃钢窗框型材大多是中空制品，因此芯棒的设计特别重要．一般芯模具的有效长度为模具长度的2/3～3/4，而在拉挤工艺过程中要考虑到芯棒固定及调整，以及防止偏心，此外芯棒还要考虑到配重的问题。对于长度为900 mm左右的模具，一般芯棒的长度为1200 mm左右。

2.6模具加工要求

    模具精度较高，为了工艺要求，模具加工通常须经过锻造、退火、粗铣、调质、精铣、淬火、研磨等一系列工序，有时还要求进行抛光、电镀等。最终的模具表面粗糙度必须达到0.025～0.800 Um。其他对形状和位置公差如平行度、垂直度、直线度等都有严格要求。另外对拉挤模具还有一独特之处，就是在模具设计时应尽量避免一些细小的突出和锐角出现，因为在这些部位，模腔内的应力较大，容易造成黏模，使制品表面出现缺损并最终导致拉挤的失败。因此，在制品的棱边应采用2。~5。的圆角过渡，尽可能不采用一些细小的沟槽和突起。

3结束语

    玻璃钢材料的应用在我国已有较长的历史，但作为建筑门窗则刚刚开始。因此，不论型材设计、加工设备、加工工艺、工装模具等都需要进一步探讨和完善。玻璃钢门窗型材的拉挤工艺是一个比较复杂的工艺，技术性强，型材质量的影响因素很多，包括原材料的选用、树脂配方是否合理、工艺参数控制好坏和工艺方法是否可行等等，此外还与操作人员的素质和责任心有着非常密切的关系。正确的加工工艺、高效率的设备、先进的模具是影响玻璃钢制品的三大重要因素。只有充分把握住各种原材料的性能、树脂体系反应原理、工艺变量之间的联系和其对产品性能的影响，并且有合适的工装模具，才能生产出合格的玻璃钢门窗型材。为了推广玻璃钢门窗的应用，要进一步提高门窗型材的表面光洁度和平整度，合理选择与优化型材挤出的各项技术参数，完善工艺过程，提高设备与工装模具的精度，加强质量管理与监督，为用户提供优质的玻璃钢门窗。