CN113211701B - 基于万能试验机的pekk粉末热压成型模具及成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了本发明提供了一种基于万能试验机的PEKK粉末热压成型模具及成型方法，包括上模板、下模板、凸模、凹模、隔热棉、支撑柱、紧固螺栓、垫片、螺母、紧定螺钉、加热棒、热电偶、高精度温度PID控制仪、固态继电器、温控线路以及待成型的PEKK粉末。紧固螺栓穿过上模板、支撑柱、凸模配合垫片和螺母连接上模部分；由于下模部分受自重作用，紧定螺钉穿过下模板、支撑柱、凹模配合垫片连接下模部分；热电偶和加热棒插入对应的孔中，并用紧定螺钉固定其位置；连接温度PID控制仪和固态继电器，并将加热棒和热电偶连入电路控制系统中；最后将上模部分连入试验机上夹头，下模部分连入试验机下夹头。
Description
技术领域
本发明涉及粉末热压成型技术领域，具体是基于万能试验机的PEKK粉末热压成型模具及成型方法。
背景技术
粉末热压成型是最简单、普遍的加工方法，主要是通过对模具的模腔内的热压成型材料加热，并对模腔内的热压成型材料施以压力，控制热压成型材料的熔融温度及时间，以使热压成型材料融化后硬化、冷却，再将冷却后的成品取出即可。要在万能试验机上实现粉末热压成形，必需有一套热压模具与之相匹配。目前，采用电阻热加热方式的热压设备多采用非接触性的红外测温，误差可高达40～50℃，同时样品与模具表面仍存在较大的温度梯度。
作为聚芳醚酮类聚合物，PEKK和其它聚芳醚酮被作为高性能工程塑料所使用。聚芳醚酮分子主链上有苯环耐高温性能好、机械强度高、可以在一定程度上替代聚酰亚胺树脂以及-些金属材料。PEKK由于其强度高、密度小、抵御破坏能力强，满足了航天飞机对高性能材料的要求，很早被用于生产飞机零部件。PEKK由于化学钝性好，有一定的生物相容性，而且耐磨损、耐高温蒸汽，所以适合生产一切嵌入人体或者高温反复消毒的医疗器械。由于PEKK绝缘性好、微波介电常数低，而且它还能抗辐射，所以在作为电线电缆包覆材料、晶片承载器、微波电线和抗辐射包裹材料时有着独特的优势。由于价格昂贵在民用高科技领域应用较少，因此如何降低其生产和加工成本、对其进行测试分析进而进行改性处理来推广其应用成为一个亟须解决的课题。
发明内容
为解决上述问题，开发万能试验机的潜在功能，发挥其优势，实现粉末热压成形，本发明提供了基于万能试验机的PEKK粉末热压成型模，其特征在于，其包括上模板、下模板、凸模、凹模、隔热棉、支撑柱、紧固螺栓、垫片、螺母、紧定螺钉、加热棒、热电偶、高精度温度PID控制仪、固态继电器、温控线路以及待成型的PEKK粉末，
所述上模板中间开设有沿中心分布的四个阶梯孔，在上模板两侧开设两个阶梯孔，用以连接支撑柱和凸模，同时上模板下侧锪平六个定位孔，上模板和凸模配合定位支撑柱；
所述凸模两侧对应上模板有两个通孔，上模板、支撑柱、凸模三个孔应为同一中心线，在凸模上部分与上模板对应位置锪平6个六个定位孔，对应加热棒孔的水平方向有两个螺纹孔，保证螺纹孔的中心线与加热棒孔的中心线相交，在位于凸模的中心位置处向上开设排气孔，同时在排气孔顶端水平方向上开设大孔；
所述凹模和凸模为阶梯结构，合模时型芯和型腔、阶梯部分恰好接触，沿凹模的中心部分，对称分布四个加热棒孔，在型腔中间位置下方开孔，放置热电偶，在凹模两侧开两个螺纹孔，用于紧定螺钉连接下模部分，同时凹模下侧锪平6个六个定位孔，和下模板配合定位支撑柱；
所述下模板中间开有沿中心分布的四个阶梯孔，用于穿过紧定螺钉将下模部分与万能试验机的下夹头相连接，通孔的直径大于螺钉的直径，在下模板两侧开两个阶梯孔，用以连接支撑柱和凹模，同时下模板上侧锪平6个六个定位孔，和凹模配合定位支撑柱；
所述加热棒一端与电源线相连，另一端与固态继电器二号端相连，固态继电器一号端与电源线相连，固态继电器输入端正极与高精度温度PID控制仪七号端相连，负极与八号端相连，高精度温度PID控制仪二号端与三号端与电源相连，15号端和16号端与热电偶相连。
进一步地，作为优选，所述紧固螺栓穿过上模板、支撑柱、凸模配合垫片和螺母连接上模部分。
进一步地，作为优选，由于下模部分受自重作用，紧定螺钉穿过下模板、支撑柱、凹模配合垫片连接下模部分。
进一步地，作为优选，距离凹模型腔边缘2mm向外开宽度2mm深3mm绕型腔一周的飞溅槽，使少量溅出的液体顺着飞溅槽排出模具。
进一步地，作为优选，所述隔热棉表面为金属铝箔，隔热棉与上模板、凸模对应位置开孔，用于放置支撑柱，所述支撑柱为空心结构。
一种利用权利要求1所述的一种基于万能试验机的PEKK粉末热压成型方法，包括以下步骤：
步骤1，试模阶段：
试验机上夹头下行，观察合模是否有异常情况，如有接触不良及响声可用砂纸磨平，在模具四周涂抹润滑剂，并在凸模顶部和凹模底部均匀喷涂一层脱模剂，将加热棒和热电偶插入对应孔中，固定好位置；
步骤2，填料、排气阶段：
将两个高精度温度PID控制仪接入电源，设置SP温度为200℃，设置报警温度AL1为190℃，设置完毕后，把固态继电器接入电源，此时模具开始升温，准备好PEKK粉末，待模具快达到预定温度时，开始填料。本实验最终想要成型3mm厚的板材，型腔尺寸为85×80mm，PEKK粉末密度为3g/cm3，可算得蓬松状态需要252g；
采取1：2填料方法，填料50g。先加料20g，合模施加8kN（1MPa）的力，压实30秒，排出型腔中的气体，加料10g，合模施加8kN（1MPa）的力，压实30秒，重复三次，填料完成以后，加压至较高的压力（要进行逐级升压），先施加28kN（5Mpa）的力，停留保压5分钟，接着继续施加到46kN（7MPa）的力，此时停留保压20分钟；
步骤3，升温、降压阶段：
重新设定温度PID控制仪的SP温度为330℃，逐渐升高温度至熔点附近，粉末逐渐变成熔融状态，此时压力开始下降，观察模框是否有溢料出现，有的话将压力降至36kN（2MPa）以下，但不可直接降至0，需要保有一定的压力，然后在这个温度下保压浸热40min；
步骤4，冷却、升压阶段：
浸热时间到了后，开始逐渐降低温度，降温速度要慢，降温的同时压力要逐级升高，先施加28kN（5Mpa）的力，停留保压2分钟，接着继续施加到46kN（7MPa）的力，此时停留保压2分钟，最后施加到最高92kN(14MPa)的力，保持此压力等待温度逐渐降低，当模具的温度降至120℃以下时，开模，取出板料。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
通过结合电子万能试验机及其控制系统（可实时测量压力、位移、最大加载力），实现了PEKK粉末不同的热压成型结果且各种工艺参数可调可控的热压模具系统；
可以实现不同材料、不同厚度的粉末热压成型；
考虑到凸模和凹模结构和加热棒个数的不同，两部分温度有所差异，使用两组电路加热控制测量装置。将多个加热棒连入电源的一端和固态继电器的2号端，组成并联的结构，从而控制多个加热棒对模具进行加热；
通过更换加热棒可以完成不同的升温要求，通过更换热电偶，可以获得不同的测温范围，通过放置不同高度的垫块，可以获得不同高度的板材，热电偶处于凹凸模的温度中心，可以准确地得到温度值。
附图说明
图1为基于万能试验机的PEKK粉末热压成型模具的结构示意图；
图1为基于万能试验机的PEKK粉末热压成型模具的结构示意图；
图中：1-螺栓；2-试验机连接孔；3-上模板；4-支撑柱；5-隔热棉；6-凸模；7-垫片；8-螺母；9-加热棒；10-紧定螺钉；11-排气孔；12-PEKK板材；13-凹模；14-下模板；15-紧定螺钉；16-电源；17-高精度温度PID控制仪；18-热电偶；19-固态继电器；20-飞溅槽；21-加热棒孔；22-热电偶孔。
具体实施方式
本发明提供了基于万能试验机的PEKK粉末热压成型模具及成型方法，结构简单、换热效率高、散热性能优良，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例一：
如图1-2所示，本发明所述一种基于万能试验机的PEKK粉末热压成型模具及成型方法,包括上模板3、下模板14、凸模6、凹模13、隔热棉5、支撑柱4、紧固螺栓1、垫片7、螺母8、紧定螺钉15、加热棒9、热电偶18、高精度温度PID控制仪17、固态继电器19、温控线路16以及待成型的PEKK粉末12；
上模板3中间开有沿中心分布的四个试验机连接孔2，用于穿过紧定螺钉15将上模3部分与万能试验机的上夹头相连接，通孔的直径大于螺钉15的直径，防止在连接时产生间隙，在上模板3两侧开两个阶梯孔，用以连接支撑柱4和凸模6。同时上模板3下侧锪平6个直径20mm深2mm的孔，和凸模6配合定位支撑柱4；
隔热棉5表面为金属铝箔，具有高强度、保温、隔热、耐高温可达1260℃。隔热棉5与上模板3、凸模6对应位置开孔，用于放置支撑柱4；
支撑柱4材料为Cr12，具有耐高温、耐磨性高、耐冲击的优点，支撑柱4的横截面积大，高度低，抗压强度可达20Mpa，支撑柱4全部为空心结构，在保证强度的情况下，减少热量的传递；
凸模6两侧对应上模板3有两个通孔，上模板3、支撑柱4、凸模6三个孔应为同一中心线。在凸模6上部分与上模板3对应位置锪平6个直径20mm深2mm的孔，对应加热棒孔21的水平方向有两个螺纹孔，保证螺纹孔的中心线与加热棒孔21的中心线相交。在位于凸模6的中心位置处向上开设排气孔11，排气孔11的尺寸应尽量小，以2～3mm为宜，同时在排气孔11顶端水平方向上开设大孔，使气体排出，气体排尽后，用螺钉15将其锁死；
凹模13和凸模6为阶梯结构，合模时型芯和型腔、阶梯部分恰好接触。沿凹模13的中心部分，对称分布四个加热棒孔21，水平距离相等，型腔升温迅速，并且整个型腔温度分布相对均匀，有利于粉末12受热均匀，成型质量好。在型腔中间位置下方5～10mm处开孔放置热电偶18，在凹模13两侧开两个螺纹孔，用于紧定螺钉15连接下模部分，同时凹模13下侧锪平6个直径20mm深2mm的孔，和下模板14配合定位支撑柱4；
下模板14中间开有沿中心分布的试验机连接孔2，用于穿过紧定螺钉15将下模部分与万能试验机的下夹头相连接，通孔的直径大于螺钉15的直径，防止在连接时产生间隙，在下模板14两侧开两个阶梯孔，用以连接支撑柱4和凹模13，同时下模板14上侧锪平6个直径20mm深2mm的孔，和凹模13配合定位支撑柱4；
加热棒9一端与电源线16相连，另一端与固态继电器（19）2号端相连，固态继电器（19）1号端与电源线16相连。固态继电器19输入端正极与高精度温度PID控制仪（17）7号端相连，负极与8号端相连。高精度温度PID控制仪（17）2号端与3号端与电源16相连，15号端和16号端与热电偶18相连。
紧固螺栓15穿过上模板3、支撑柱4、凸模6配合垫片7和螺母8连接上模部分。
由于下模部分受自重作用，紧定螺钉15穿过下模板14、支撑柱4、凹模13配合垫片7连接下模部分。
距离凹模13型腔边缘2mm向外开宽度2mm深3mm绕型腔一周的飞溅槽20，使少量溅出的液体顺着飞溅槽排出模具。
考虑到凸模6和凹模13结构和加热棒9个数的不同，两部分温度有所差异，使用两组电路加热控制装置，将多个加热棒9连入电源16的一端和固态继电器(19)2号端，组成并联的结构。
加热棒9的直径为12mm，长度为80mm，单个加热棒9的功率为350W。热电偶18的测头直径为4mm，长度为30mm，最大测量值为700℃。
一种基于万能试验机的PEKK粉末热压成型模具及成型方法，包括以下步骤：
步骤1，试模阶段：
试验机上夹头下行，观察合模是否有异常情况，如有接触不良及响声可用砂纸磨平；在模具四周涂抹润滑剂，并在凸模6顶部和凹模13底部均匀喷涂一层脱模剂。将加热棒和热电偶插入对应孔中，固定好位置。
步骤2，填料、排气阶段：
将两个高精度温度PID17控制仪接入电源，设置SP温度为200℃，设置报警温度AL1为190℃；设置完毕后，把固态继电器19接入电源，此时模具开始升温；准备好PEKK粉末12，待模具快达到预定温度时，开始填料；本实验最终想要成型3mm厚的板材，型腔尺寸为85×80mm，PEKK粉末密度为1.3g/cm3，可算得蓬松状态需要26.52g；采取1：2填料方法，本次预计填料50g；先加料20g，合模施加6.8kN（1MPa）的力，压实30秒，排出型腔中的气体。加料10g，合模施加6.8kN（1MPa）的力，压实30秒，重复三次；填料完成以后，加压至较高的压力（要进行逐级升压），先施加23.8kN（3.5Mpa）的力，停留保压5分钟，接着继续施加到47.6kN（7MPa）的力，此时停留保压20分钟。
步骤3，升温、降压阶段：
重新设定温度PID控制仪(17)SP温度为330℃；逐渐升高温度至熔点附近，粉末12逐渐变成熔融状态，这时候压力开始下降；观察模框是否有溢料出现，有的话将压力降至1.36kN（0.2MPa）以下，但不可直接降至0，需要保有一定的压力；然后在这个温度下保压浸热40min。
步骤4，冷却、升压阶段：
浸热时间到了后，开始逐渐降低温度，降温速度要慢，降温的同时压力要逐级升高，先施加23.8kN（3.5Mpa）的力，停留保压2分钟，接着继续施加到47.6kN（7MPa）的力，此时停留保压2分钟，最后施加到最高95.2kN(14MPa)的力，保持此压力等待温度逐渐降低，当模具的温度降至120℃以下时，开模，取出板料，
具体实施方式，基于万能试验机的PEKK粉末热压成型模具及成型方法，
本实施例可更换不同材料、成型不同厚度的板料，温度与压力亦可调控，实现不同种类、厚度的板料在不同工艺参数的条件下粉末热压成型。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.基于万能试验机的PEKK粉末热压成型模，包括上模板(3)、下模板(14)、凸模(6)、凹模(13)、隔热棉(5)、支撑柱(4)、紧固螺栓(1)、垫片(7)、螺母(8)、紧定螺钉、加热棒(9)、热电偶(18)、高精度温度PID控制仪(17)、固态继电器(19)、温控线路以及待成型的PEKK粉末，上模板(3)与凸模(6)通过紧固螺栓(1)连接；凹模(13)和凸模(6)合模连接；下模板(14)和凹模(13)通过紧固螺钉(15)连接；
其特征在于，上述基于万能试验机的PEKK粉末热压成型模的热压成型方法，包括以下步骤：
步骤1，试模阶段：
试验机上夹头下行，观察合模是否有异常情况，如有接触不良及响声可用砂纸磨平，在模具四周涂抹润滑剂，并在凸模(6)顶部和凹模(13)底部均匀喷涂一层脱模剂，将加热棒(9)和热电偶(18)插入对应孔中，固定好位置；
步骤2，填料、排气阶段：
将两个高精度温度PID控制仪(17)接入电源(16)，设置SP温度为200℃，设置报警温度AL1为190℃，设置完毕后，把固态继电器(19)接入电源(16)，此时模具开始升温，准备好PEKK粉末，待模具快达到预定温度时，开始填料；本实验最终想要成型3mm厚的板材，型腔尺寸为85×80mm，PEKK粉末密度为1.3g/cm3，可算得蓬松状态需要26.52g；
采取1：2填料方法，填料50g；先加料20g，合模施加6.8kN的力，压实30秒，排出型腔中的气体，加料10g，合模施加6.8kN的力，压实30秒，重复三次，填料完成以后，逐级升压，先施加23.8kN的力，停留保压5分钟，接着继续施加到47.6kN的力，此时停留保压20分钟；
步骤3，升温、降压阶段：
重新设定温度PID控制仪的SP温度为330℃，逐渐升高温度至熔点附近，粉末逐渐变成熔融状态，此时压力开始下降，观察模框是否有溢料出现，有的话将压力降至1.36kN以下，但不可直接降至0，需要保有一定的压力，然后在这个温度下保压浸热40min；
步骤4，冷却、升压阶段：
浸热时间到了后，开始逐渐降低温度，降温速度要慢，降温的同时压力要逐级升高，先施加23.8kN的力，停留保压2分钟，接着继续施加到47.6kN的力，此时停留保压2分钟，最后施加到最高95.2kN的力，保持此压力等待温度逐渐降低，当模具的温度降至120℃以下时，开模，取出板料。
2.根据权利要求1所述的基于万能试验机的PEKK粉末热压成型模，其特征在于，所述上模板(3)中间开设有沿中心分布的四个阶梯孔，在上模板(3)两侧开设两个阶梯孔，用以连接支撑柱(4)和凸模(6)，同时上模板(3)下侧锪平六个定位孔，上模板(3)和凸模(6)配合定位支撑柱(4)；
所述凸模(6)两侧对应上模板(3)有两个通孔，且，上模板(3)、支撑柱(4)、凸模(6)三个孔应为同一中心线；
所述凸模(6)上部分与上模板(3)对应位置锪平6个六个定位孔，对应加热棒(9)孔的水平方向有两个螺纹孔，保证螺纹孔的中心线与加热棒(9)孔的中心线相交，在位于凸模(6)的中心位置处向上开设排气孔(11)，同时在排气孔(11)顶端水平方向上开设大孔。
3.根据权利要求1所述的基于万能试验机的PEKK粉末热压成型模，其特征在于，所述凹模(13)和凸模(6)为阶梯结构，合模时型芯和型腔、阶梯部分恰好接触，沿凹模(13)的中心部分，对称分布四个加热棒(9)孔，在型腔中间位置下方开孔，放置热电偶(18)，在凹模(13)两侧开两个螺纹孔，用于紧定螺钉连接下模部分，同时凹模(13)下侧锪平6个六个定位孔，和下模板(14)配合定位支撑柱(4)。
4.根据权利要求1所述的基于万能试验机的PEKK粉末热压成型模，其特征在于，所述下模板(14)中间开有沿中心分布的四个阶梯孔，用于穿过紧定螺钉将下模部分与万能试验机的下夹头相连接，通孔的直径大于螺钉的直径，在下模板(14)两侧开两个阶梯孔，用以连接支撑柱(4)和凹模(13)，同时下模板(14)上侧锪平6个六个定位孔，和凹模(13)配合定位支撑柱(4)。
5.根据权利要求3所述的基于万能试验机的PEKK粉末热压成型模，其特征在于，所述加热棒(9)一端与电源线相连，另一端与固态继电器(19)二号端相连，固态继电器(19)一号端与电源线相连，固态继电器(19)输入端正极与高精度温度PID控制仪(17)七号端相连，负极与八号端相连，高精度温度PID控制仪(17)二号端与三号端与电源(16)相连，15号端和16号端与热电偶(18)相连。
6.根据权利要求1所述的基于万能试验机的PEKK粉末热压成型模，其特征在于，所述紧固螺栓(1)穿过上模板(3)、支撑柱(4)、凸模(6)配合垫片(7)和螺母(8)连接上模部分。
7.根据权利要求1所述的基于万能试验机的PEKK粉末热压成型模，其特征在于，由于下模部分受自重作用，紧定螺钉穿过下模板(14)、支撑柱(4)、凹模(13)配合垫片(7)连接下模部分。
8.根据权利要求1所述的基于万能试验机的PEKK粉末热压成型模，其特征在于，距离凹模(13)型腔边缘2mm向外开宽度2mm深3mm绕型腔一周的飞溅槽(20)，使少量溅出的液体顺着飞溅槽(20)排出模具。
9.根据权利要求1所述的基于万能试验机的PEKK粉末热压成型模，其特征在于，所述隔热棉(5)表面为金属铝箔，隔热棉(5)与上模板(3)、凸模(6)对应位置开孔，用于放置支撑柱(4)，所述支撑柱(4)为空心结构。
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