拉擠工藝原理
拉擠是指玻璃纖維等增強材料在外力牽引下，經過浸膠、擠壓成型、加熱固化、定長切割等一系列工序，連續生產復合材料線型制品的一種方法。增強材料從紗架引出后，經過排紗器進入浸膠槽，浸透樹脂膠液后，進入預成型模，將多余樹脂和氣泡排出，最后進入成型模凝膠、固化。固化后的制品由牽引機連續不斷地從模具拔出，由切斷機定長切斷。它區別于其他成型工藝的地方是需要外力牽引和擠壓模塑，故稱拉擠成型工藝。
拉擠成型工藝流程如下：
增強材料（纖維及氈材等）排布→浸膠→預成型→擠壓模塑及固化→牽引→切割→制品
在拉擠工藝中有六個關鍵因素：①增強材料傳送系統，如紗架、過紗裝置、氈架以及輸送裝置；②樹脂浸漬系統；③預成型系統；④模具；⑤牽引裝置；⑥切割裝置。
纖維的引出方式有兩種：內抽和外引。纖維從紗筒內壁抽出時，紗筒固定但纖維發生扭轉，產生打捻；纖維從紗筒外壁引出時，可避免扭轉現象，但應采用旋轉芯軸，減少引出阻力，以及更好地控制纖維張力。
纖維和氈等增強材料的浸漬，在裝有膠液的膠槽中進行，一般有三種形式：1. 壓紗浸漬；2. 直槽浸漬；3. 滾筒浸漬。其中方法1和2最為常用。壓紗浸漬方法簡單易行，主要通過紗夾、紗孔、壓紗桿等工具，將增強材料壓入膠槽浸漬，其不足之處在于對增強材料存在一定的磨損，同時影響增強材料的定位和走向。隨著拉擠產品結構的日益復雜，直槽浸漬法的應用越來越普遍，通過真空泵系統，實現膠液的不斷回流，既保證了增強材料的良好浸漬，也能夠使得纖維和氈的排列整齊、流暢，更易于實現預想的排布。
預浸好的增強材料穿過預成型裝置，預成型是根據制品所要求的斷面形狀而配置的導向裝置，具有以下作用：①增強材料的定位；②將增強材料按照產品形狀預先有序排列；③排出多余的樹脂和氣泡，然后再進入模具，進行成型固化，從模具拉出。
一般而言，模具是在系統確定的條件下進行設計的。根據樹脂固化放熱曲線及物料與模具的摩擦性能，將模具分成三個不同的加熱區，其溫度由膠液體系的性能確定。模具是拉擠成型工藝中最關鍵的部分，典型模具的長度范圍在0.6～1.2m之間。
模具出口與牽引裝置之間的距離一般約3～5m，這個距離需確保復合材料制品可以完成固化過程，并逐漸冷卻。牽引裝置是一個履帶型拉出器或兩個往復運動夾持裝置，可實現連續運動。通過牽引裝置的牽引，將制品從拉擠模具中源源不斷拉拔出來。
拉擠設備的末端，設置切割機，將拉擠制品按照要求定長切割。
通用拉擠成型設備
通用拉擠成型設備
圖9-30 典型拉擠設備
拉擠成型設備從五十年代發展至今，已逐步完善并定型，能夠最大程度實現計算機智能控制，并伴隨拉擠產品和工藝的發展呈現多元化趨勢。
拉擠設備盡管型號眾多，但每臺設備均由以下基本部分構成：（1）增強材料架；（2）預成型導向裝置；（3）膠液浸漬裝置；（4）帶加熱控制的金屬模具；（5）牽引裝置；（6）切割裝置。
拉擠設備中，內抽頭玻璃纖維粗紗配置在紗架上，其他增強材料（如連續氈、表面氈等）通常按切線方向有序放置在多層擱架上，引出時應盡量遵循平行原則，避免行走時出現交叉、錯亂。
從原料架上引出的增強材料經過紗板集束整形后，進入膠液浸漬裝置。在直槽浸漬法中，膠液浸漬裝置由以下幾部分組成：托架、浸漬槽、接膠盤、膠液儲存桶、循環泵。浸漬槽前后兩面均放置導向板，導向板上按照需要設置紗孔和氈槽，以維持增強材料的有序排列。從紗孔和氈槽中漏出的膠液落到接膠盤中，再收集在儲存桶，通過循環泵打到浸漬槽中使用。必要時，還可以設置循環水套管和控制樹脂溫度的加熱器，以優化工藝。
浸漬過的增強材料在經過預成型后，進入模具。根據產品結構的不同，拉擠工藝的預成型體系形式多樣而豐富，其主要目的在于，使增強材料按照預先設計的鋪層結構，從發散狀態自然、流暢地過渡到與產品截面相似，完成最終定位，順利進入模腔。預成型的制作，多用摩擦阻力較小的塑料板，在其上打孔實現導向。結構復雜產品的纖維定位，也可以搭配定位管，將纖維直接引入模具入口。與纖維的預成型相比，氈材的導向則需要制作者具備更高超的技巧，將氈材從單一的平面狀態轉變為與模腔伏貼的立體形態，是一件充滿挑戰和技巧的工作。
預成型可以通過框架和模具以及模具托臺固定在一起，也可以根據增強材料的鋪層結構，設置在浸漬區域的上方或下方。空心產品的預成型一般與芯棒托架設計為一體，便于調節同心度，同時節省了操作空間。
浸漬后的增強材料經過預成型后，將順利進入加熱的成型模具。模具通常采用電加熱方式，分段加熱，模具各區的溫度可通過凝膠試驗初步確定，并在生產過程中根據產品質量情況進行調整。在生產過程中，設置匹配的模具溫度和牽引速度，控制合適的膠凝時間和固化程度，是保證制品質量的關鍵。生產大型中空制品時，由于芯棒較粗，傳熱速度較慢，材料在模腔中行進時，內外壁溫度會存在較大偏差，從而影響產品固化，可以在芯棒內部安裝加熱器進行溫度補償，使產品內外受熱均勻一致。
剛出模的產品固化度并不能達到理想狀態，需要在持續運行中進一步后固化，并在到達牽引裝置之前逐漸冷卻。處于高速牽引狀態中的型材，有時需要使用風機輔助冷卻，以減少高溫對牽引膠墊的磨損。
常用的牽引系統有兩種：上、下履帶式牽引系統和交替往復牽引系統。履帶式牽引系統由上、下兩個對置的不斷轉動的傳動帶組成，相對運動的上、下傳動帶緊緊夾住型材，并拖曳向前。這種牽引系統價格低廉，但通用性略差，對于復雜形狀的產品，需要重新加工相應的夾持膠塊，包覆在上、下履帶上。
交替式往復牽系統克服了履帶式的缺點，采用氣壓或者液壓式設計，采用兩對夾持膠塊的循環往復運動，實現生產的連續。當一對膠塊夾持住產品并向前運行時，另一對膠塊松開產品，同時后退復位，等待下一次夾持。這種系統便于更換牽引夾具，操作方便，在產品種類較多的情況下，具有廣泛的適用性。
位于拉擠機末端的是切割系統，通常采用金剛砂鋸片，并配備冷卻和潤滑，切割時系統與牽引裝置同步運動，并由一個定長切割開關控制。液壓伺服驅動和程序控制的運用，已使得拉擠設備的自動化程度進一步提升。
2. 新型拉擠工藝及設備
（1）預熱工藝和設備
使用射頻（RF）發射器對增強材料進行預熱，是拉擠工藝發展的飛躍。這種變革利用射頻能量預熱與金屬模具的熱傳導相結合，縮短了膠液固化時間，極大地提高了拉擠速度。RF發射器置于浸漬段和模具段之間，濕態的纖維束進入模具前，從發射器中穿過， 并在RF作用下產生瞬時分子磨擦熱，降低膠液粘度，增強浸潤性，并提供膠液反應所需的能量，在這種情況下，即使縮短模具長度，膠液同樣可以凝膠、固化，減少了材料通過模具的時間，降低了牽引拉力。這一重大發明顯著地提高了拉擠速度，在大型制品的生產上作用尤為顯著。
（2）纏繞拉擠和編織拉擠
為提高拉擠制品的環向性能，在傳統工藝中引入纏繞和編織技術元素，形成的拉繞工藝和編織拉擠工藝，使得拉擠制品的性能得到突破，綜合性能更加優越。
（3）拉擠與注射涂層工藝 一些有特殊要求的拉擠制品，表面需涂覆一層涂層，可設置一臺小型注塑機，塑化的塑料液體盛放在一個槽中，從模具拉擠出的型材隨即通過塑料液槽，這樣就在型材表面涂上了一層涂層，實現外觀、性能、耐腐等方面的更高要求。
（4）曲線拉擠設備 曲線拉擠原理是人為控制拉擠制品的固化和后固化過程，使其制品實現所設計的曲線形狀。從而突破了傳統拉擠只能制造恒截面、直線型產品的思維模式，可以滿足變截面產品研發的需求。
3. 拉擠模具
在玻璃鋼型材的拉擠成型過程中，模具是各種工藝參數作用的交匯點，是拉擠工藝的核心之一。與塑料擠出成型相比，拉擠成型與其有相似之處，但前者僅是一物理變化過程，后者還伴隨著動態的化學反應。相比之下，拉擠模具的工況較前者要復雜得多，所以拉擠模具的設計和制造具有十分重要的意義，它不僅關系著拉擠工藝的成敗，決定著拉擠制品的質量和產量，同時也影響拉擠模具的使用壽命。
從工藝角度來講，拉擠模具一般由預成型模和成型模兩部分組成。
（1）預成型模具 在拉擠成型過程中，增強材料浸漬樹脂后（或被浸漬的同時），在進入成型模具前，必須經過由一組導紗元件組成的預成型模具，預成型模的作用是使浸漬后的增強材料進一步除去多余的樹脂，排除氣泡，逐步形成近似成型模腔形狀和尺寸，然后進入模具。通過預成型，增強材料逐漸達到所要求的形狀，并使增強材料在制品斷面的分布符合設計要求。
（2）成型模具 成型模具橫截面面積與產品橫截面面積之比一般應大于10，以保證模具有足夠的強度和剛度，加熱后熱量分布均勻和穩定。拉擠模具長度是根據成型過程中牽引速度和樹脂凝膠固化速度決定，以保證制品拉出時達到脫模固化程度。
拉擠模具的模腔表面要求光潔、耐磨，以減少拉擠成型時的摩擦阻力，提高模具的使用壽命。模具材料的選擇直接影響著拉擠模具的性能，模具材料要求具備以下性能：
1)較高的強度、耐腐蝕性、耐疲勞性和耐磨性；
2)較高的耐熱性和較小的熱變形性；
3)良好的切削性和表面拋光性能；
4)摩擦系數低，阻力小，尺寸穩定性好；
合金模具鋼表面光滑致密，硬度高，易于脫模，清理模具時不易損壞，便于滲氮處理和型腔表面鍍硬鉻，所以拉擠模具一般選用合金模具鋼。經過粗加工后再精加工，表面鍍硬鉻或者滲氮、滲碳處理，使模腔內表面的硬度達到50～70HRC（洛氏硬度），最后用拋光工具拋光，使型面達到很高的光潔度，表面粗糙度達到0.2um的水平，能夠非常好地滿足上述要求。這樣不僅可減小摩擦系數，延長模具的使用期，而且也會改善對樹脂的防粘特性。
經歷幾十年的發展，美國拉擠工業應用最廣泛的模具鋼主要是4140、P20和A2等少數幾個牌號。國內拉擠模具制作中，使用較多的是40Cr、38CrMoAl、42CrMo、5CrNiMo等調質鋼，使用效果較好，但與國外加工水平相比，還存在不小的差距。
表9-1列出上述三種美國用鋼的化學成份及熱處理后的HRC硬度，供我們進行拉擠模具設計和選材時參考。
表9-1 美國拉擠模具鋼的化學成份
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|
牌號 |
合金化學組成(%) |
熱處理 |
|||||
|
C |
Si |
Mn |
V |
Cr |
Mo |
||
|
P20 |
0.35 |
0.50 |
0.80 |
- |
1.70 |
0.45 |
54 |
|
4140 |
0.40 |
0.25 |
0.90 |
- |
0.90 |
0.21 |
52 |
|
A2 |
1.00 |
- |
0.60 |
0.25 |
5.25 |
1.10 |
62 |
從整個拉擠工業來看，電鍍拉擠模具仍占主導地位，非電鍍模具仍處于發展階段。我國拉擠廠家使用表面滲氮處理的拉擠模具，其氮化層厚度為0.2～0.3mm，HRC≥60。從有限的使用經歷來看，腐蝕問題仍存在，摩擦阻力也略大于鍍鉻模具，還有一段較長的路要走。
（3）拉擠模具的設計
拉擠模具通常由若干個單獨制造的模具組件裝配而成。組件數及分型面的選擇，取決于拉擠制品截面構造、模具加工工藝及使用要求。為保證模具分型面或合模縫所對應的拉擠制品外觀質量好，不形成飛刺，在滿足模具制造的前提下，盡量減少分型面，保證合縫嚴密。
玻璃纖維浸膠后進入成型模具時，纖維束是在成型機牽引作用下進入模具的。由于模具進口處纖維束十分松散，往往在入口處積聚纏繞，造成斷纖。再者，模具在長時間使用過程中，由于積聚纏繞的影響，往往造成入口磨損嚴重，影響產品質量。為解決這一問題，在模具入口處周邊應倒一橢圓截面圓角，同時入口采用錐形，角度在5～8°為宜，長度在50～100mm為宜，可大大減少斷纖現象發生，提高了拉擠制品的質量。如下圖所示：
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在設計模具時，模具長度的確定要考慮所用原材料和產品截面形狀，目前國內模具長度一般設計為900mm—1200mm，模具型腔尺寸決定于制品的尺寸及所選用樹脂的收縮率。一般情況下不飽和聚酯產品收縮率為2%—4%，環氧樹脂0.5%—2%。對于中空制品，芯棒設計要特別注意，一般芯棒的有效長度為模具長度的2/3～3/4，而在拉擠工藝過程中要考慮到芯棒固定、調整的方便性，此外較大的芯棒還要考慮到配重及加熱的問題，以保持水平方向的平衡和受熱均勻。綜合考慮，對于模具長度為900mm左右的模具，芯棒的長度可設計為 1500mm左右。
（4）拉擠模具的保養與維修
閑置模具通常情況下，需進行清理后，進行必要的防護，避免水、粉塵的腐蝕。芯棒閑置時應掛起，防止由重力引起的形變。
電鍍拉擠模具使用一段時間后，可能會發生局部鉻層掉落的現象，若面積不大，可通過打磨處理繼續使用。打磨處理方法如下：首先選用600目的水砂紙打磨，待打磨到一定程度時，改用較細砂紙。打磨順序如下：600目→ 800目→1000目→1200目→1500目。打磨過程中，必須不斷用航空煤油沖洗模具，把砂紙磨下來的微粒沖掉，以免劃傷模具。待水砂紙打磨到1500目以后，改用專用電動拋光機和羊毛拋光盤進行拋光。拋光開始時選用稍粗磨粒的拋光劑，同時羊毛盤選用稍硬一點的，拋2~3次。用煤油沖洗模具，把拋出的微粒沖洗干凈，再換用一只稍軟的羊毛拋光盤，拋光模具。在拋光過程中，拋光機向一個方向移動，不可停在一處不動，以免模具表面發熱，燒壞模具。此過程進行2~3遍，拋光后的模具型腔十分光亮，達到鏡面效果，可以繼續使用，如下圖所示。
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