專利名稱:采用預(yù)熱坯料的真空模壓成型法的制作方法
本文是美國(guó)第640，470號(hào)專利申請(qǐng)的部分繼續(xù)申請(qǐng)，申請(qǐng)日期為1984年8月13日，題目為“真空模壓坯料”。
本發(fā)明涉及壓力成型，更確地說(shuō)是關(guān)于真空模壓坯料的技術(shù)。
做為背景介紹，模壓是一種常用來(lái)制造玻璃鋼(FRP)件的技術(shù)，它是將含有可硬化樹(shù)脂的坯料放置于由加熱的上下模形成的模腔中，然后閉合模具，坯料受模具擠壓產(chǎn)生流動(dòng)并充填模腔，待樹(shù)脂硬化后開(kāi)模將制成的工件取出。
模壓技術(shù)一直被用來(lái)制造具有十分光滑平面的工件，如汽車車身各種外面板。用來(lái)制做此類工件的坯料通常是由一種含有加強(qiáng)纖維和各種填料的加固性樹(shù)脂組成。坯料常被做成薄板形狀，工藝上稱為片料吹膜化合物(SMC)。汽車工業(yè)要求成型的工件表面十分光整，令人遺憾的是以往在穩(wěn)定生產(chǎn)這些成形工件方面遇到了很多問(wèn)題。人們認(rèn)為型腔內(nèi)坯料的填充速度不均勻會(huì)使空氣逸入成型的工件中從而產(chǎn)生大量的氣孔，非均勻充填還會(huì)導(dǎo)致模型內(nèi)的組成物分布不足。氣孔和非均勻的組成物散布，尤其是加強(qiáng)纖維會(huì)引起表面缺陷。同樣氣體逸入夾層間也會(huì)引起工件產(chǎn)生氣泡而導(dǎo)致耐用性降低。
根據(jù)1974年法齊克斯等人(Fazekas)申請(qǐng)的美國(guó)專利第3，840，239，中的討論，目前已嘗試了多種方法以減少表面缺陷，這包括a)在不同塑性范圍下的試驗(yàn);
b)增加成型壓力;
c)降低型模的溫度;
d)快速合模并迅速施加高壓;
e)予熱成型化合物坯料;
f)采用重量不同的坯料進(jìn)行試驗(yàn);
g)用高密度成形化合物以在型腔內(nèi)獲得更大的“背壓”;
h)提前開(kāi)模排氣;
i)采用半彈性壓模。
專利獲得者在′239專利中報(bào)道，上述各方法中至少無(wú)一在消除氣孔方面獲得圓滿的成功。
另一種用來(lái)避免氣體逸入的方法是采用一塊很厚的坯料來(lái)覆蓋成型表面上一塊很小的面積，其想法是緩慢地合模以盡量將氣體“擠出”坯料。予熱坯料在過(guò)去看來(lái)似乎是不利于生產(chǎn)的，因?yàn)橥ǔＲ档捅患訜岬哪＞邷囟?，否則坯料在塑變和填充模腔前就會(huì)膠化，由此看來(lái)予熱SMC坯料的效益似乎并不顯著。
近年來(lái)，常采用一種被稱為“型內(nèi)涂層”的工藝來(lái)經(jīng)濟(jì)合理地生產(chǎn)光滑平整的玻璃鋼制件。這種“型內(nèi)涂層”工藝已公開(kāi)發(fā)表，如范·埃斯森(Van Essen)等人申請(qǐng)的美國(guó)專利第4，081578號(hào)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，這種工藝增加一道工序，即膠化的工件保留在模型內(nèi)被一種彌漫和滲透表面的涂料所涂敷，以填補(bǔ)工件表面的孔洞。遺憾的是這種工藝有幾點(diǎn)不足。例如，所增加的涂掛工序要耗費(fèi)寶貴的設(shè)備臺(tái)時(shí)，同時(shí)也減少了單一模具能夠獲得的產(chǎn)量。為了控制工件表面涂層的操作過(guò)程，還要采用極為復(fù)雜、昂貴的機(jī)械裝置。另外要求精心操作以確保涂層能適當(dāng)?shù)貟炖卧诠ぜ砻嫔稀?br>在壓力成型過(guò)程中采用真空工藝已有文獻(xiàn)記載，如前面提到的法齊克斯(Fazekas)的239專利和高薩奇(Gorsuch)等人的題為“受真空和其它成形因素影響的SMC成型光滑度及表面氣孔”的論文，該文在塑料工業(yè)協(xié)會(huì)強(qiáng)化塑料及復(fù)合材料研究所1978年第33屆技術(shù)年會(huì)上發(fā)表(見(jiàn)9-F節(jié)，第1-7頁(yè))。最近本發(fā)明的受讓者已運(yùn)用真空法成功地制造了合格的產(chǎn)品而無(wú)需“型內(nèi)涂層”的工藝，請(qǐng)見(jiàn)美國(guó)專利第4，488，862號(hào)和第4，551，085號(hào)以及題為“用真空法模壓坯料”的美國(guó)專利申請(qǐng)第640，470號(hào)，申請(qǐng)人艾塞爾(lseler)等人。
依照本發(fā)明所闡述的方法，對(duì)含有可硬化樹(shù)脂的坯料進(jìn)行模壓，制得具有光滑表面的工件，該方法包括的各工序?yàn)?，坯料放入型模前進(jìn)行予熱，然后將上型模移至半閉合狀態(tài)，此時(shí)模腔被抽成真空而上模與坯料保持間隔。隨后，模具迅速閉合，在坯料的粘性和膠化發(fā)生明顯增長(zhǎng)前使坯料延展并填充模腔。待樹(shù)脂硬化后開(kāi)模將制件取出。
本發(fā)明諸優(yōu)點(diǎn)之一是可大大減少用于成型工件的加工時(shí)間，因而具有重要的工業(yè)價(jià)值，即同樣的機(jī)器可生產(chǎn)更多的制件從而降低了成本。在獲得眾多優(yōu)益之處時(shí)制件的質(zhì)量不受任何影響。
通過(guò)閱讀下面的詳細(xì)說(shuō)明并參考示意圖，精通本技術(shù)的人員會(huì)顯而易見(jiàn)地了解本發(fā)明的各優(yōu)益之處。在各示意圖中圖1是一坯料在完成本發(fā)明工藝過(guò)程的最佳工序流程示意圖;
圖2(A-C)是成型過(guò)程中每工序狀態(tài)下模具的剖面示意圖;
圖3是沿圖2(A)中3-3線的俯視圖，示明坯料覆蓋在下模的成型面上。
本發(fā)明包括用SMC坯料生產(chǎn)制件的特殊裝置。對(duì)本發(fā)明來(lái)說(shuō)，SMC坯料是含有熱固性樹(shù)脂和加強(qiáng)纖維的材料，樹(shù)脂為游離基硬化型，即含有迅速聚合至給定硬化溫度下的單基樹(shù)脂。典型的SMC樹(shù)脂含有聚酯樹(shù)脂，通常是未飽和的聚酯樹(shù)脂的象苯乙烯之類的交聯(lián)鍵單基物的混合物。具有工業(yè)用途的SMC材料其牌號(hào)有巴特公司(Badd Compomy)的“A級(jí)2000”，普列米赫股份有限公司(Premix Inc)的“珀米格拉斯”(Permiglas)和歐文思-康寧(Owens-Corning)玻璃纖維公司的“光滑表面”(“Smooh Surface”)。其它可用的SMC材料，其牌號(hào)已在前述的專利上發(fā)表，如范·埃斯森(Van Essen)等人的′578專利，美國(guó)專利第4，067，845和第4，260，538以及廣泛轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專利第4，535，110;再有艾塞爾(lseler)等人于1985年10月22日申請(qǐng)的美國(guó)專利第290，096號(hào)，題為“定相聚酯成形材料”，特此摘編做為參考。
依照本發(fā)明，SMC薄板在成型前要進(jìn)行予熱，即圖1中工序11所表明的予熱坯料，將SMC材料加熱至120～180°F的溫度區(qū)間。通常認(rèn)為予熱溫度低于120°F并非特別有益，因?yàn)榈蜏夭⒉荒軐?duì)工件的硬化或流動(dòng)產(chǎn)生影響，相反，人們也認(rèn)為將SMC坯料予熱至高于180°F也不利，因?yàn)閷?duì)工件來(lái)說(shuō)，在其膠化前或許沒(méi)有足夠的時(shí)間完成在模具中的流動(dòng)。
予熱工序能以多種方式來(lái)完成，如將SMC坯料放入爐子中予熱。然而，目前最佳的方式是高頻加熱，因?yàn)榕髁鲜峭ㄟ^(guò)其分子的運(yùn)動(dòng)而被加熱的，從而使坯料的整體溫度在短時(shí)間內(nèi)均勻上升。通常高頻加熱器由兩塊連接到高頻發(fā)射源的極板或電極組成。坯料放在兩極之間接受射電頻率場(chǎng)的影響，該射頻場(chǎng)由射頻源的快速交變(通常是70-80兆赫每秒)而引起分子摩擦從而產(chǎn)生熱。高頻加熱器可采用市場(chǎng)銷售的No.67FMC型，由W.T.LaRose聯(lián)合有限股份公司生產(chǎn)。
根據(jù)圖2的進(jìn)一步說(shuō)明，予熱的坯料被放入標(biāo)號(hào)12所指的成型模內(nèi)，成型模12有一上模14和一下模16。下模16安裝在一固定模座上(圖上未示出)，上模14與一可移動(dòng)的模板18相連，模板隨滑塊壓桿20或類似桿狀物的運(yùn)動(dòng)而動(dòng)作，從而控制兩個(gè)模子間的相對(duì)移動(dòng)?？刂颇Ｗ舆\(yùn)動(dòng)的方式很簡(jiǎn)單，一般的操作者即可勝任，具體細(xì)節(jié)此處無(wú)需贅述。
上模14有一凹形的成型面22而下模有一凸起的成型面24。成型面22和24對(duì)應(yīng)形成一模腔，該模腔與欲制做的工件形狀一樣。當(dāng)然，成型面的形狀取決于成型制件的輪廓形狀。不過(guò)本發(fā)明更適用于制做具有表面積大于1呎2的大型平滑表面的工作。此類工件并不只限于汽車的外殼體，也包括諸如罩類，覆蓋件及頂棚之類的工件等等。圖3大致示意了下模16上所設(shè)計(jì)用來(lái)成型此類汽車殼體的成型表面24。對(duì)本發(fā)明而言，成型面就是壓模零件的表面，該表面與另一模子上相對(duì)應(yīng)的表面形成模腔。
在如圖2(A)所示的開(kāi)啟狀態(tài)下，模子14和16被間隔開(kāi)一定的距離，該空間是以使予熱的坯料26通過(guò)而放置于下模16的成型面24上，即完成圖1示意的工序13。在此專門的示例中，坯料26是由兩塊SMC材料制做的薄板28和30組成。薄板28和30最好平放在成型面24上從而使坯料將成型面的40～80%面積覆蓋。正如前面讀到的被廣泛轉(zhuǎn)讓的第640，470號(hào)專利申請(qǐng)書(shū)所述，坯料的覆蓋面積小于40%或大于80%會(huì)增加成品制件表面波紋和缺陷，使得制件不合格。對(duì)大多數(shù)的汽車外殼體來(lái)說(shuō)，坯料最佳的覆蓋面積應(yīng)為50～75%。根據(jù)一般專業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)，坯料的厚度，重量及它在成型面上的安放位置取決于成品工件的形狀。一般地說(shuō)來(lái)，如果坯料不止一塊的話，應(yīng)將坯料對(duì)中排放，并相互間不留間隔，應(yīng)象圖示的那樣將薄板28和30有少許搭接地排放。圖示的坯料26即薄板28和30最為是由1-4片SMC材料相互疊加而成，每片厚度約1/8-1/4吋，這些與常見(jiàn)的生產(chǎn)過(guò)程不同。常用的工藝方法是用6-10片SMC材料組成更厚的坯料，而覆蓋面積只有25%左右。如本發(fā)明背景介紹中所闡述的，這種原先的工藝主要是基于那種認(rèn)為應(yīng)采用緩慢合模來(lái)將逸入坯料的氣體“擠出”的想法。一旦坯料26被置于模子之上，隨后的工序就是將模子移至圖2(B)所示的半閉合狀態(tài)。半閉合狀態(tài)時(shí)上、下?；拘纬闪饲惑w但上模與坯料26保持有間隔。此外，當(dāng)上部的密封軟管40接觸到下部的密封環(huán)52時(shí)，沿著模腔32便形成一密封的真空室34。應(yīng)使半閉合狀態(tài)下模子間的間隔盡可能地小，從而使需要抽真空的空間縮至最小，通常理想的空間是幾英吋。
特定的成型裝置包括一個(gè)環(huán)繞上模14的環(huán)形環(huán)36。在具體的裝置中環(huán)36是由長(zhǎng)方形的金屬管做成的，以形成其下部相對(duì)水平的平整表面38。通常在氣缸或油缸的驅(qū)動(dòng)下，環(huán)36相對(duì)上模14自由移動(dòng)，兩個(gè)缸體42和44如圖中所示。當(dāng)模子開(kāi)啟時(shí)缸體延伸至圖2(A)所示的虛線位置。一個(gè)柔性的隔板或風(fēng)箱46將其內(nèi)邊通過(guò)凸緣48與上模14的周邊剛性地連接起來(lái)，而風(fēng)箱46的外邊與環(huán)36伸出的凸緣50相連。
驅(qū)動(dòng)滑塊壓桿20使上模14移至半閉合狀態(tài)，即形成圖2(B)所示的狀態(tài)，此時(shí)密封較管40與環(huán)52相接觸。從而由上模14，風(fēng)箱46，密封環(huán)36，起密封作用的軟管40，部件54和下模16組成真空室34。氣缸42、44施放的向下壓力確保在模腔32周圍形成一堅(jiān)實(shí)可靠的密封。另外氣缸能用來(lái)使環(huán)36做相對(duì)上模14的上移，以使模子有足夠?qū)挸ǖ耐ǖ纴?lái)完成清掃，安裝和其它的有利目的。
一旦真空室34完成密封，下一步就是圖1中工序17所表示的將模腔抽成真空，在盡可能短的時(shí)間盡量將室34抽成真空以獲得最佳效果。顯然在真空度方面無(wú)更低的下限(零吋絕對(duì)水銀柱高或約30吋水銀壓力計(jì)高是理論上的最佳真空度)，但抽真空必須在一定的時(shí)間內(nèi)完成。真空度的上限可以認(rèn)為是大約10吋絕對(duì)水銀柱高(約20吋水銀壓力計(jì)高)，因?yàn)檩^此更差的真空度會(huì)使室34中殘留更多的氣體以致使坯料出現(xiàn)氣泡或表面縮孔等缺陷。
在少于10秒鐘的時(shí)間內(nèi)至少將模腔內(nèi)的真空度抽至10吋絕對(duì)水銀柱高，這種方法已獲得滿意的效果。人們認(rèn)為至少應(yīng)在15秒鐘內(nèi)抽成真空，否則單基體的過(guò)分損失會(huì)導(dǎo)致外觀不合格的制件和/或表面缺陷。最好是當(dāng)模子合攏至半閉合狀態(tài)后5秒鐘內(nèi)將真空度抽至5吋絕對(duì)水銀柱高。抽真空可由真空動(dòng)力60來(lái)完成，真空動(dòng)力通過(guò)閥62與真空室34相連。真空動(dòng)力最好是由許多事先抽真空的罐(未示出)組成，這此真空罐始終與真空室34相連。一根粗管64與空心管54相連，空心管表面52的內(nèi)側(cè)開(kāi)有許多孔洞，從而真空室34和真空罐54之間形成了柔性連接?？招墓?4具有雙重作用，既為真空密封系統(tǒng)的一部分(通過(guò)表面52)也為吸真空的大導(dǎo)管，這是個(gè)獨(dú)具特色的裝置。
一旦模腔被抽成真空，上模開(kāi)始移動(dòng)，使模腔處于完全閉合狀態(tài)，如圖2(C)所示。在合模過(guò)程中，上模接觸坯料26從而將模具的熱量傳導(dǎo)至坯料，同時(shí)對(duì)坯料加壓使其伸展和充填模腔34。重要的是上模應(yīng)迅速向下移動(dòng)，否則在坯料膠化前，即當(dāng)坯料由于單體與樹(shù)脂的自由基交聯(lián)而出現(xiàn)粘度明顯增長(zhǎng)前，就無(wú)法使坯料充分流動(dòng)去充滿模腔。
當(dāng)樹(shù)脂達(dá)到其硬化溫度(通常為250～350°F)時(shí)，常用做SMC坯料的聚酯樹(shù)脂會(huì)趨于迅速硬化。合模工序的時(shí)間或多或少地取決于坯料的尺寸及在模子上的安放位置。不過(guò)無(wú)論如何在模腔抽真空后，即至少低于10吋絕對(duì)水銀柱高，15秒內(nèi)模具必須充分閉合。
舉一專門的例子。前面讀到艾塞爾(lseler)等人的專利申請(qǐng)書(shū)第790，097號(hào)公開(kāi)了一種由幾片SMC材料組成的坯料，將此種坯料在高頻加熱器中予熱至170°F左右后放在下模上，該下模與上模連接起來(lái)可形成一個(gè)與旁蒂克·費(fèi)羅(Pontiac Fiero)汽車活動(dòng)車頂形狀一致的模腔。坯料放在模子上(加熱到大約300°F)2秒鐘內(nèi)將上模閉合至圖2(B)所示的狀態(tài)，5秒鐘內(nèi)將模腔里的真空度抽至3吋絕對(duì)水銀柱高，然后在2-8秒鐘內(nèi)使上模迅速閉合至如圖2(C)所示的全封閉狀態(tài)。模子向坯料施加約1000～1500磅/吋2的壓力，合模約45秒鐘后開(kāi)模取出制件。
由前所述，可以看出整個(gè)成型周期能被大幅度地減少?gòu)亩鴰?lái)十分明顯的生產(chǎn)效益。事實(shí)上，可以認(rèn)為，即成型模子保持閉合狀態(tài)不超過(guò)30秒鐘，根據(jù)本工藝方法也可以生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的制件。只要將本發(fā)明與其特殊的例子結(jié)合起來(lái)加以敘述，加上閱讀其詳細(xì)說(shuō)明，研究其示意圖并閱讀下面的權(quán)利要求
書(shū)，那么精通技術(shù)的人就會(huì)意識(shí)到其它各種改進(jìn)皆屬本發(fā)明的范疇之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種將含有熱固性樹(shù)脂的坯料模壓為具有光滑表面制件的方法，該方法包括a)將坯料予熱至大約120～180°F的溫度區(qū)間；b)開(kāi)啟帶有上下模的型模，其上下模相對(duì)應(yīng)的成型面具有與所需制件形狀一致的輪廓；c)將予熱的坯料置于一個(gè)模子的成型面上；d)將兩個(gè)模子相互移近至半閉合狀態(tài)，此時(shí)模腔周圍區(qū)域被密封而另一個(gè)模子與坯料保持間隔；e)將模腔吸成真空；f)盡可能快地將型模閉合至全封閉狀態(tài)，使模子擠壓坯料以在樹(shù)脂膠化前使坯料充滿模腔；g)保持模子閉合狀態(tài)至足夠長(zhǎng)時(shí)間以使樹(shù)脂硬化；h)開(kāi)模取出制件。
2.按權(quán)利要求
1所述方法中的坯料由含有聚酯樹(shù)脂和強(qiáng)化玻璃纖維的薄板吹膜化合物組成;
3.按權(quán)利要求
2所述方法時(shí)，其模腔應(yīng)在15秒鐘內(nèi)閉合;
4.按權(quán)利要求
3中工序(o)時(shí)，至少在少于10秒鐘的時(shí)間內(nèi)將模腔抽至真空度10吋絕對(duì)水銀柱高;
5.一種生質(zhì)汽車車身外面板的方法，該種外面板的特點(diǎn)為具有表面積大于2呎2的光滑表面并且有光潔度要求，該方法包括a)將含有熱固性聚酯樹(shù)脂和玻璃纖維的薄板成形化合物坯料予熱至120°～180°F的溫度區(qū)間;b)采用一個(gè)由上下模組成的型模，其上下模上相應(yīng)的成型面形成一個(gè)具有與所需面板外形一樣的模腔;c)將予熱的坯料放置于下模成型面上使坯料將下模成型面上40～80%的表面積覆蓋;d)將模子相互移近至半封閉狀態(tài)，此時(shí)包括模腔在內(nèi)的某一區(qū)域被密封而另一模子與坯料保持間隔;e)在5秒鐘內(nèi)至少將模腔內(nèi)的真空度抽至5吋水銀柱高;f)在2-8秒鐘內(nèi)將型模閉合至全封閉狀態(tài)，以便使坯料在樹(shù)脂膠化前流動(dòng)并充滿模腔;g)通過(guò)加熱模子來(lái)將坯料加熱至250°～350°F，同時(shí)模子向坯料施加1000～1500磅/吋2的壓力;h)開(kāi)模取出面板前將模子保持在閉合狀態(tài)，時(shí)間不超過(guò)45秒秒;
6.按權(quán)利要求
5中所述，坯料覆蓋一個(gè)模子成型表面積50～75%。
專利摘要
真空狀態(tài)下采用模壓工藝，先預(yù)熱薄板吹膜化合物(SMC)坯料，然后成型汽車車身各種外面板。
文檔編號(hào)B29C43/34GK87101988SQ87101988
公開(kāi)日1987年10月14日 申請(qǐng)日期1987年3月18日
發(fā)明者肯尼思·阿爾夫里德·依塞勒, 羅伯特·伊爾·威爾金森 申請(qǐng)人:布德公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan