CN106217730B - 一种聚四氟乙烯制品近净成形方法及模具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚四氟乙烯制品近净成形方法及模具。该方法中原料是通过大端、小端压头的相向挤压而在模套的成形孔段进行成形的，即通过大端、小端压头的相向挤压，将原本填充在填料孔段中的原料挤压至成形孔段中，与原本处于成形孔段中的原料压制在一起而形成毛坯制件，并在此过程中，利用成形孔段的台阶孔壁面和大端压头的大端锥台配合，直接在压制过程中制得产品的大端，从而避免了在棒料毛坯上机加工所带来的材料浪费和能源损耗，因而本发明中近净成形方法具有减少原材料损耗、提高生产效率和产品质量的优点。

Description

一种聚四氟乙烯制品近净成形方法及模具

技术领域

本发明涉及一种聚四氟乙烯制品近净成形方法及模具。

背景技术

目前，国内外在回转体类聚四氟乙烯模压制品制造方面，通常采用翻转施压加压力模锻的模压方法，特别是在聚四氟乙烯喷口的制造上，使用的尤为广泛。现有的聚四氟乙烯喷口主要由三种，分别为：

如图1所示，第一种聚四氟乙烯喷口包括左小右大的套体，套体的大径段101和小径段103之间通过自右向左逐渐变细的变径段102过渡，变径段102的外周面和内壁面均为圆滑曲面；

如图2所示，第二种聚四氟乙烯喷口包括左小右大的套体，套体右段的大径段201为自左向右逐渐向外扩张的扩口形，套体左段的小径段202为自右向左逐渐向左张开的喇叭口形，套体的大径段201和小径段202之间通过左小右大的喉部203过渡，喉部203的内壁面和外周面均为圆滑曲面；

如图3所示，第三种聚四氟乙烯喷口包括右大左小的套体，套体右段的小径段302和左段的大径段301均为直筒段，且大径段301和小径段302之间通过自由向左逐渐扩大的变径段303过渡，变径段303的内壁面和外周面均为圆锥面。

该聚四氟乙烯喷口的生产流程是：混料——模压——烧结——切削加工——清理及包装，其中较为重要的是模压、烧结和切削加工过程。模压成形中采用的模具由模套、芯轴和两块压头组成，其中模套的内壁面为内圆柱面，两压头沿轴向导向移动装配在模套的中，两压头之间的空腔为供原料模压成形的成形腔，且两压头的相对面为平面形式的成形端面。模压加工过程为双面压制成形方法，包含九个工艺步骤，压制制品为重达6.3kg的中空圆柱形的聚四氟乙烯模压回转体毛坯制件，具体模压过程如下：装料（用时20min），压力由0kN经5min匀速升压400kN，保压20min，经5min匀速泄压至0kN，翻面180°（用时约20min），压力由0kN经5min匀速升压400kN，保压20min，经5min匀速泄压至0kN，脱模（用时8min）而完成，总用时2h8min；再进行烧结和切削加工，这种成形过程不但耗费的原材料较大，而且制品成形和切削加工效率低下。另外，在模压成形阶段，从毛坯制件的两端进行挤压成形的方式会造成毛坯制件中部组织结构破坏的问题，这样在烧结和切削加工后，聚四氟乙烯制品成品的锥套段会出现强度不足的问题，降低产品质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种减少原材料损耗的聚四氟乙烯制品近净成形方法，同时本发明还提供了一种专用于实施该聚四氟乙烯制品近净成形方法的聚四氟乙烯制品成形模具。

为了实现以上目的，本发明中聚四氟乙烯制品近净成形方法的技术方案如下：

聚四氟乙烯制品近净成形方法，包括以下步骤：

步骤一，将原料填装在模套中，模套的内孔具有同轴连通的成形孔段和填料孔段，成形孔段为台阶孔，填料孔段为直孔，原料充满填料孔段和成形孔段，并在模套的两端设有处于成形孔段的小孔端的小端压头和处于成形孔段的小孔端的大端压头，大端压头的压紧端凸设有与模套的内壁同轴间隔的大端锥台，且大端压头和/或小端压头为可在模套的内孔中密封滑动的动压头；

步骤二，压动动压头，使得大端压头的压紧端和小端压头的压紧端在模套内相对的相向移动，直至大端压头到达成形孔段的大端口，小端压头到达成形孔段的小端口，且填料孔段中原料被完全压入成形孔段中，以将原料在成形孔段中被大端、小端压头挤压成毛坯制件。

在步骤一中，大端压头和小端压头中一个为动压头、另一个为处于成形孔段的对应端口中的定压头；在步骤二中，通过将动压头向靠近定压头的方向压动，使得大端、小端压头相对的相向移动。

本发明中聚四氟乙烯制品近净成形模具的技术方案如下：

专用于实施聚四氟乙烯制品近净成形方法的模具，包括用于盛装原料的模套，模套的内孔具有同轴连通的成形孔段和填料孔段，成形孔段为台阶孔，填料孔段为直孔；还包括用于自成形孔段的小孔端压紧原料的小端压头和用于自成形孔段的大孔端压紧原料的大端压头，大端压头和/或小端压头为可在模套的内孔中密封滑动的动压头，且大端、小端压头均具有用于压紧原料的压紧端，大端压头的压紧端上凸设有用于同轴间隔插装在模套的内孔中的大端锥台。

填料孔段处于成形孔段的一端，且大端压头和小端压头中一个为用于自填料孔段密封滑动至成形孔段的对应端口中的动压头、另一个为用于保持在成形孔段的对应端口中的定压头。

填料孔段处于成形孔段的大端，所述大端压头为可在填料孔段中密封滑动的动压头，小端压头为定压头。

填料孔段处于成形孔段的小端，所述小端压头为可在填料孔段中密封滑动的动压头，大端压头为定压头。

小端压头的压紧端上凸设有用于同轴间隔插装在模套的内孔中的小端锥台。

还包括用于同轴穿装在模套中的芯杆，并在大端、小端压头上开设有同轴设置的供芯杆沿轴向导向密封穿装的导向穿孔。

芯杆由两节以上的分杆体自上而下依次对接而成。

模套包括两个以上同轴对接的套筒，所述成形孔段处于各套筒中一个内，填料孔段由其余套筒的内孔组合而成。

本发明中原料是通过大端、小端压头的相向挤压而在模套的成形孔段进行成形的，即通过大端、小端压头的相向挤压，将原本填充在填料孔段中的原料挤压至成形孔段中，与原本处于成形孔段中的原料压制在一起而形成毛坯制件，并在此过程中，利用成形孔段的台阶孔壁面和大端压头的大端锥台配合，直接在压制过程中制得产品的大端，从而避免了在棒料毛坯上机加工所带来的材料浪费和能源损耗，因而本发明中近净成形方法具有减少原材料损耗、提高生产效率和产品质量的优点。

附图说明

图1是现有技术中第一种聚四氟乙烯制品的结构示意图；

图2是现有技术中第二种聚四氟乙烯制品的结构示意图；

图3是现有技术中第三种聚四氟乙烯制品的结构示意图；

图4是本发明的模具实施例1的结构示意图；

图5是图4中模具对应的近净成形方法的实施例中产品取样点的示意图；

图6是图5中产品和传统产品在取样点处的密度对比图（横轴表示取样点、纵轴表示密度）；

图7是图5中产品和传统产品在取样点处的拉伸强度对比图（横轴表示取样点、纵轴表示拉伸强度）；

图8是图5中产品和传统产品在取样点处的击穿强度对比图（横轴表示取样点、纵轴表示击穿强度）；

图9是本发明的模具实施例2的结构示意图；

图10是本发明的模具实施例3的结构示意图。

具体实施方式

本发明中聚四氟乙烯制品近净成形模具的实施例1：该模具主要适用于制备第一种聚四氟乙烯制品，如图4所示，该模具主要由模套、小端压头4、大端压头1和芯杆组成。

模套由自上而下同轴对接的上套筒9、中套筒7和下套筒3构成。上套筒9、中套筒7和下套筒3中相邻两个对接端中下端一个的外周上开设有环形的下对接止口、上端一个的内壁上开设有与下对接止口吻合对插的上对接止口，以通过上对接止口和下对接止口的插套配合，实现上套筒9、中套筒7和下套筒3在轴向的可拆对接。上套筒9、中套筒7和下套筒3的外周上均焊接固定有对称布置在其相对两侧的把手11。下套筒3为处于各套筒的最下方的端头套体，其余套筒的内径均等于下套筒3大端的内径，且下套筒3的内孔为与毛坯制件的形状吻合互补的成形孔段，该成形孔段为上大下小的台阶孔，台阶孔的小孔段和大孔段之间通过自上而下孔径逐渐减小的锥孔段过渡，锥孔段的孔壁面为向内凸起的弧形壁面，锥孔段和小孔段均处于下套筒3中，且锥孔段处于下套筒3的中部，下套筒3的处于锥孔段以上的部分为大孔段的下部分。该成形孔段由自上而下依次设置的大端压头容纳段、成形段和小端压头容纳段组成，其中大端压头容纳段用于容纳大端压头1，小端压头容纳段用于容纳小端压头4，成形段的孔壁面用于与的毛坯制件2的外周面吻合配合。中套筒7和下套筒3的内孔组合形成填料孔段，该填料孔段为孔径与成形孔段的大孔段的孔径相等的直孔，填料孔段的作用是原料加入时容纳处于成形孔段以外的原料，相等于容纳待被压入成形孔段中的原料。

芯杆由导向头10、上分杆体8、中分杆体6和下分杆体5自上而下依次对接而成。导向头10、上分杆体8、中分杆体6和下分杆体5中相邻两个的相对端上分别同轴设置有处于上端的轴端插头和处于下端的轴端插孔，轴端插头螺纹连接在轴端插孔中，以实现各杆节之间的可拆固连。上分杆体8的杆长等于上套筒9的长度，中分杆体6的杆长等于中套筒7的长度，下分杆体5的杆长等于下套筒3的长度。芯杆同轴穿装在模套的中心，芯杆的作用是给小端压头4、大端压头1和压力机的压头提供定位和导向。

小端压头4安装在下套筒3的小孔段的下端孔口中，小端压头4的中心开设有供芯杆沿轴向导向***的下导向穿孔，小端压头4的外周面与小孔段的孔壁面吻合相贴，以保证小端压头4沿轴向导向装配在下套筒3的小孔段的下端孔口中。小端压头4的下环端面和模套下端的环端面平齐，小端压头4的压紧端面为用于成形毛坯制件2下端的环端面的平面，即该小端压头4的上端为用于在装入模套后朝向大端压头1设置的平面挤压端。

大端压头1安装在模套的大孔段中，大端压头1的中心开设有供芯杆沿轴向导向移动穿装的上导向穿孔。大端压头1以其外形分为自上而下依次设置的导向座、尾柄段和大端锥台，其中导向座的外周面与大孔段的孔壁面吻合相贴，以保证导向座沿轴向导向移动装配在大孔段中；尾柄段同轴凸设在导向座的下端，尾柄段为比导向座细的圆柱体，尾柄段用于***原料的上端中，而在毛坯制件2的上端形成圆柱状的上端口；大端锥台处于大端压头1的压紧端，且大端锥台为自上而下外径逐渐减小的圆锥体，大端锥台的外周面为向外凸起的弧面，该大端锥台的外周面和锥孔段的孔壁面配合，以保证毛坯制件2的变径段是与产品一致的。

本实施例中模具的工作原理如下所述的聚四氟乙烯制品近净成形方法。

本发明的聚四氟乙烯制品近净成形方法的实施例1：该方法是为了制备第一种聚四氟乙烯制品的毛坯制件，采用的模具为模具实施例1中模具，该方法包括以下步骤：

1，将原料装入模具中，模具的结构如上述实施例中聚四氟乙烯制品近净成形模具，在原料装入后，小端压头被定位在压力机的工作台上，以使小端压头和模套保持相对固定，并将模具的大端压头固定在压力机的压力头上；

2，启动压力机，在小端压头和模套在工作台上保持不动的情况下，压力头带动大端压头向下压动原料，直至大端压头和小端压头之间的原料被压制成毛坯制件，此毛坯制件具有自上而下依次设置的大径段、变径段和小径段，大径段的外径比小径段的外径大，且变径段的外径自大径段向小径段逐渐减小；

3，将毛坯制件从模具中取出后，对毛坯制件依次进行烧结和切削加工，直至将毛坯制件加工成产品。

以4.4kg的原料为例，上述工艺步骤的工艺时长是：在步骤一中装料，用时10mi；在步骤二中，压力由0kN经5min匀速升压350kN，保压20min；在步骤三中，经5min匀速泄压至0MPa，脱模（用时5min）而完成，总用时45min。该工艺步骤装料更为方便，且省去翻面和另一面压制的时间，且脱模方便，因此大大提高压制生产效率。

本实施例中方法所制得的产品与传统工艺制得的产品的关键性能检测和对比，如图5至图8所示，其中A表示传统工艺制得的产品，B表示本实施例中方法所制得的产品。测使用两种不同方法及模具获得的聚四氟乙烯制品各部分的密度均匀性、解体组织的拉伸强度、解体组织的电气强度，并进行聚四氟乙烯制品的工频耐压试验。

①密度均匀性：分别从聚四氟乙烯模压制品上、中、下三个部位各选取5个试样，各进行1次试验，按GB/T 1033.1-2008中5.1描述的方法进行测试，浸渍液为水，测试温度为23±2℃，根据GB/T 1033.1-2008中式2计算试样的密度，取平均值；

②拉伸强度：按照GB/T 2567-2008中第5.1条进行测试，测试温度23±2℃，拉伸速率5mm/min，测试5个试样，取平均值；

③电气强度；按照GB/T 1408-2006中10.1描述的方法进行试验，试样直径100mm，厚度1mm，测试温度23±2℃，在0.4MPa SF6气体中进行，升压速率500V/s，使用两对称平板电极，测试5个试样，取平均值。

④工频耐压试验：对聚四氟乙烯模压制品进行750kV/1min耐压试验，要求过程中无闪络和击穿现象。

实验结果：

密度均匀性对比：见图6；

拉伸强度对比：见图7；

击穿强度对比；见图8。

由此可见，使用近净成形压制方法及模具与使用传统压制方法获得的聚四氟乙烯模压制品密度均匀性、电气性能、机械性能基本相当，但材料利用率、生产效率均大大提高，每年可可节约成本683.4万元，同时模压成形工序生产效率提升183.99%，切削加工工序生产效率提升75%。该类型近净成形方法还可推广应用至其他非金属零部件制造领域（如热塑性工程塑料等），产生更大的经济效益。

本发明中本发明中聚四氟乙烯制品近净成形模具的实施例2：本实施例与实施例1的区别在于，如图9所示，该模具主要适用于制备第二种聚四氟乙烯制品的毛坯制件，小端压头的压紧端凸设有同轴插装在下套筒23的内孔中的小端锥台24，该小端锥台24的作用是挤压毛坯制件22的小端喇叭口。

本发明的聚四氟乙烯制品近净成形方法的实施例2：本实施例与实施例1的区别在于，该方法主要适用于制备第二种聚四氟乙烯制品的毛坯制件，采用的模具为模具实施例2中模具，模具的使用步骤与实施例1相同，在此不再赘述。

本发明中本发明中聚四氟乙烯制品近净成形模具的实施例3：本实施例与实施例1的区别在于，如图10所示，该模具主要适用于制备第三种聚四氟乙烯制品的毛坯制件32，下套筒33倒置，使得下套筒33内的成形孔段的小端在上，大端在下，对应的大端压头31为处于模套底部的定压头，小端压头34为处于大端压头31上方的动压头；同时，中套筒37和上套筒39的筒径缩小，使得中套筒37和上套筒39的内径等于成形孔段的小端孔径。

本发明的聚四氟乙烯制品近净成形方法的实施例3：本实施例与实施例1的区别在于，该方法主要适用于制备第三种聚四氟乙烯制品的毛坯制件，采用的模具为模具实施例3中模具，模具的使用步骤也是采用在定压头保持不动的情况下，自上而下压动动压头，在此不再赘述。

本发明中聚四氟乙烯制品近净成形模具的其他实施例：该模套也可以采用分瓣拼合或整体式结构等。另外，该模套中锥孔段既可以处于最底部，也可以属于中间和最顶部，这样可通过改变模套和两压头的运动形式来实现原料在锥孔段处成形。

本发明中聚四氟乙烯制品近净成形方法的其他实施例：从顶部模压成形的工艺也可以更变为从底面或从两面同时进行，乃至于采用翻转后两面模压成形的方式。

由上述其他实施例可知，本发明中聚四氟乙烯制品近净成形方法可按照如下步骤实施：

步骤一，将原料填装在模套中，模套的内孔具有同轴连通的成形孔段和填料孔段，成形孔段为台阶孔，填料孔段为直孔，原料充满填料孔段和成形孔段，并在模套的两端设有处于成形孔段的小孔端的小端压头和处于成形孔段的小孔端的大端压头，大端压头的压紧端凸设有与模套的内壁同轴间隔的大端锥台，且大端压头和/或小端压头为可在模套的内孔中密封滑动的动压头；

步骤二，压动动压头，使得大端压头的压紧端和小端压头的压紧端在模套内相对的相向移动，直至大端压头到达成形孔段的大端口，小端压头到达成形孔段的小端口，且填料孔段中原料被完全压入成形孔段中，以将原料在成形孔段中被大端、小端压头挤压成毛坯制件。

Claims (9)

1.聚四氟乙烯喷口近净成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，将原料填装在模套中，模套的内孔具有同轴连通的成形孔段和填料孔段，所述模套由自上而下同轴对接的上套筒、中套筒和下套筒构成，上套筒、中套筒和下套筒中相邻两个对接端中下端一个的外周上开设有环形的下对接止口、上端一个的内壁上开设有与下对接止口吻合对插的上对接止口，通过上对接止口和下对接止口的插套配合实现上套筒、中套筒和下套筒在轴向的可拆对接；下套筒的内孔为与毛坯制件的形状吻合互补的所述成形孔段，成形孔段为包括大孔段和下孔段的台阶孔，小孔段和大孔段之间通过锥孔段过渡，锥孔段的孔壁面为向内凸起的弧形壁面；中套筒和下套筒的内孔组合形成所述填料孔段，填料孔段为直孔，所述填料孔段在原料加入时容纳处于成形孔段以外、待被压入成形孔段中的原料；原料充满填料孔段和成形孔段，并在模套的两端设有处于成形孔段的小孔端的小端压头和处于成形孔段的小孔端的大端压头，大端压头的压紧端凸设有与模套的内壁同轴间隔的大端锥台，且大端压头和/或小端压头为可在模套的内孔中密封滑动的动压头；

步骤二，压动动压头，使得大端压头的压紧端和小端压头的压紧端在模套内相对的相向移动，直至大端压头到达成形孔段的大端口，小端压头到达成形孔段的小端口，且填料孔段中原料被完全压入成形孔段中，以将原料在成形孔段中被大端、小端压头挤压成毛坯制件。

2.根据权利要求1所述的聚四氟乙烯喷口近净成形方法，其特征在于，在步骤一中，大端压头和小端压头中一个为动压头、另一个为处于成形孔段的对应端口中的定压头；在步骤二中，通过将动压头向靠近定压头的方向压动，使得大端、小端压头相对的相向移动。

3.专用于实施如权利要求1中所述的聚四氟乙烯喷口近净成形方法的模具，包括用于盛装原料的模套，模套的内孔具有同轴连通的成形孔段和填料孔段，所述模套由自上而下同轴对接的上套筒、中套筒和下套筒构成，上套筒、中套筒和下套筒中相邻两个对接端中下端一个的外周上开设有环形的下对接止口、上端一个的内壁上开设有与下对接止口吻合对插的上对接止口，通过上对接止口和下对接止口的插套配合实现上套筒、中套筒和下套筒在轴向的可拆对接；下套筒的内孔为与毛坯制件的形状吻合互补的所述成形孔段，成形孔段为包括大孔段和下孔段的台阶孔，小孔段和大孔段之间通过锥孔段过渡，锥孔段的孔壁面为向内凸起的弧形壁面；中套筒和下套筒的内孔组合形成所述填料孔段，填料孔段为直孔，所述填料孔段在原料加入时容纳处于成形孔段以外、待被压入成形孔段中的原料；该模具还包括用于自成形孔段的小孔端压紧原料的小端压头和用于自成形孔段的大孔端压紧原料的大端压头，大端压头和/或小端压头为可在模套的内孔中密封滑动的动压头，且大端、小端压头均具有用于压紧原料的压紧端，大端压头的压紧端上凸设有用于同轴间隔插装在模套的内孔中的大端锥台。

4.根据权利要求3所述的模具，其特征在于，填料孔段处于成形孔段的一端，且大端压头和小端压头中一个为用于自填料孔段密封滑动至成形孔段的对应端口中的动压头、另一个为用于保持在成形孔段的对应端口中的定压头。

5.根据权利要求4所述的模具，其特征在于，填料孔段处于成形孔段的大端，所述大端压头为可在填料孔段中密封滑动的动压头，小端压头为定压头。

6.根据权利要求4所述的模具，其特征在于，填料孔段处于成形孔段的小端，所述小端压头为可在填料孔段中密封滑动的动压头，大端压头为定压头。

7.根据权利要求6所述的模具，其特征在于，小端压头的压紧端上凸设有用于同轴间隔插装在模套的内孔中的小端锥台。

8.根据权利要求3至6中任意一项所述的模具，其特征在于，还包括用于同轴穿装在模套中的芯杆，并在大端、小端压头上开设有同轴设置的供芯杆沿轴向导向密封穿装的导向穿孔。

9.根据权利要求8所述的模具，其特征在于，芯杆由两节以上的分杆体自上而下依次对接而成。