模压成型工艺基础(fundamental of moulding  technology)

 炭素糊料在模压成型过程中所涉及的力学原理，如压块密度与压力的关系、模压制品的密度分布规律、弹性后效及其减轻方法，以及模压成型的工艺机理等。

模压法适用于压制长、宽、高三个方向尺寸相差不大，要求密度均匀、结构致密的制品，如电机用电刷，电真空器用石墨零件、密封材料等。按制品的配方和工艺要求不同，模压分为冷压和热压两种；按照压制方向不同，又可分为单面压制和双面压制两类。

概述 将—定量的糊料或压粉装入具有所要求的形状及尺寸的模具内，然后从上部或下部加压，也可以从上下两个方向同时加压。在压力作用下，糊料颗粒发生位移和变形，颗粒间接触表面因塑性变形而发生机械咬合和交织，将糊料压实成压块。(图1)与此同时，糊料颗粒充满到模具的各个角落带排出气体。

模压成型时，糊料颗粒间，糊料与模壁间会发生摩擦，使压块内压力分布不均匀，是造成压块密度分布不均匀的因素。压块愈厚，这种不均匀现象愈严重。采用双面压制或压制时附加振动，可以减小这种不均匀性。

图1 模压成型示意图

a—双向模压；b—单向模压；1—上柱塞；2—糊料；3—模具；4—下柱塞

图2 压块的相对密度与压制压力的关系

模压成型力学原理

压块密度与压力的关系 在压力作用下，压块的相对密度随压力增加而提高(图2)。这个过程共分为3个阶段，在第—阶段的起点，糊料尚未受到压力(P=0)，处于松散的堆积状态。各个颗粒的排列是不规则的，互相堆叠，颗粒间呈“架桥”现象，而形成较大空隙。在第—阶段(图2AB段)，柱塞开始加压，颗粒随着柱塞移动，颗粒间的空隙被较小颗粒所填充，颗粒间的接触很快就趋于紧密，架桥现象消失，空隙减少。在这阶段，压力稍有增加，压块的密度就增加很快。在第二阶段(图2BC段)，当柱塞继续加压，压块逐渐紧密，糊料内呈现—定的阻力。在这—阶段中，压块密度与所施压力成比例地增大。但由于颗粒间的摩擦阻力也随压力和接触表面的增大而上升，当密度达到—定值时，虽然压力继续增加，密度的增加却逐渐变慢。第三阶段，压力进—步增加，压块密度不再增加，但在这—阶段可以使压块各部分的密度渐趋均匀。在实际模压过程中，这3个阶段是不可能截然分开的。由于压块受力不均匀，有应力集中点，糊料内各颗粒所处位置不相同，有的颗粒可能在较低压力下就开始变形，也还有—些颗粒在高压下，当大部分颗粒已发生塑性变形时，还在继续滑动。在第—、二阶段中，压块的密实是以颗粒的滑移和接触紧密为主，第三阶段则以颗粒的变形为主。

在不考虑摩擦力损失的条件下，模压成型过程可用它的第二阶段来代表。压块气孔率的降低与所受压力成正比，可用式(1)来表达。

-dr/dP=Kr   (1)

式中r为压块的气孔率；P为成型压力，MPa；K为糊料压型常数。

将上式积分，则得到：

lnr=-KP+A  (2)

式中A为积分常数。

设成型开始时(P=0)，压块的气孔率为r₀，压力为P时，压块的气孔率为r₀，则得到

lnr_p=-KP+Inr

      P=1/K×In     (3)

压制性常数K—般由试验来确定。用式(3)可以确定压制—定密度制品时，所需单位压力的理论值。

侧压力 从处于垂直压力(P_r)作用下的压块中，取出—个正立方体来加以分析(图3)由于在压力下糊料颗粒的位移，使它向水平方向(x轴和y轴方向)胀大。但是立方体四周被柱塞和模壁包围，使它不能胀大，这就是说有—个与水平胀力相等而方向相反的力限制着立方体，这种力就是侧压力(P_R)。

以小立方体在X轴方向的情况为例。小立方体在x轴方向由于受到垂直压力的作用而产生膨胀，其值与它的泊松比(v)和垂直压力(P_r)成正比，与它的弹性模量(E)成反比，即得到vP_r/E。同时，y轴方向的侧压力(P_R)会引起小立方体沿x轴方向的膨胀，其值为vP_r/E。另—方面，x轴方向侧压力(P_R)会引起小立方体沿x轴方向收缩，其值为P_R/E。实际上，小立方体受到周围糊料和模壁限制，在X轴方向并未膨胀或收缩，所以沿X轴方向的膨胀与压缩相抵消，即得到：

整理后得到：

侧压力P_R与压制压力P_r之比ζ，称为侧压力系数。其值取决于压制条件、压块大小和所用糊料的压制性能，当这些条件固定时，ζ为常数。设计压模和计算糊料和模壁间摩擦力时，都要用到侧压力系数。对于含黏结剂的炭素压粉的侧压力系数在0.4～0.85范围内。

糊料与模壁问的压力损失 在模压成型时，糊料在压力作用下运动，这时，糊料与模壁间产生摩擦。摩擦力愈大，则消耗压力愈多，也使糊料内各部分受力不均匀。摩擦损失与压制压力，侧压力系数及糊料与模壁间的摩擦系数成正比，而且随着压块高度增加而增大，也就是说，距离柱塞愈远处的摩擦损失愈大，所受压力愈小。

模压制品的密度分布规律模 压制品在压制时，由于内、外摩擦力的影响，存在着压力损失，因此，生制品的各部位密度不均匀，具有如下规律：

(1)由于外摩擦力的影响，生制品的体积密度随着离开柱塞的距离增加而下降，呈现上密下疏的现象。

(2)由于内摩擦力的影响，生制品的体积密度随着离模具中心距离增加而降低，呈现内密外疏的现象。

(3)由于加料不均匀，糊料流动性不好，会出现在加料多的地方体积密度增大的现象。

图4所示为单向压制条件下，所得生制品的体积密度分布曲线。压块尺寸为φ70mm×100mm，骨料为石油焦粉，粒度200目以下占75％以上，成型压力为78.5MPa，为减少密度分布的不均匀，可以采取以下措施：(1)在糊料中加入润滑剂如石墨粉、蒽288油等，采用粗糙度高的模具，以减小摩擦系数。(2)改进糊料内颗粒的粒度组成及颗粒形状。(3)模具的高度与直径之比(h/D)尽量采用小的，—般情况下，圆柱形h/D小于1，管状H/(D—d)小于3，并采用双向压制的方法。

图4 压块内等密度线分布

弹性后效及其减轻方法 糊料在成型过程中，颗粒不但有塑性变形，也有弹性变形。当压块除去压力或脱模后，由于弹性应力的释放，压块将发生弹性膨胀，体积增大，这种现象称为弹性后效。弹性后效的大小以压块体积膨胀的百分数来表示：

δ=ΔL/L_{0^{Ⅹ100%      (5)}}

式中δ为压块膨胀率，％；△L为压块高度或直径的线膨胀值，cm；L₀为压块原来的高度或直径，cm。

弹性后效的结果是降低了糊料颗粒间的内应力，颗粒间的接触面积也有所减少，这样。就导致颗粒间结合的断裂，形成较大裂纹，造成裂纹废品的产生。这种现象有时在脱模时立即产生，有时在放置—段时间才产生，因此，为了防止生制品在焙烧前开裂，应尽快将其装炉焙烧。实验证明，模压制品在高度方向上的弹性膨胀大于它在直径方向的膨胀，这是因为模压制品在高度方向所受压力大于它在直径方向所受的侧压力，使在高度方向上所表现的应力更为集中所致。影响弹性后效的因素如下：(1)骨料颗粒的性质及其组成。当细颗粒多，表面积大，颗粒间的摩擦面大，摩擦力也就大。要得到与粗颗粒同样密度，所需压力大，因而生制品中贮存的内应力也大，表现出弹性后效大。若糊料中颗粒的表面平滑，形状规则，颗粒问的咬合和交织作用小，弹性后效也会增大。(2)糊料的塑性。若糊料的黏结剂量不足，混捏不均匀或压型温度过低，塑性差，弹性后效的胀力大于糊料的粘结力，制品就会开裂。(3)成型压力。弹性后效通常随成型压力的增大而增加，对塑性不好的糊料更为显著，对于塑性好、糊料内颗粒表面粗糙的糊料，当压力增大时，相应增加了颗粒的接触面，因此，压力对弹性后效的影响较小。

为了减轻弹性后效，可以采用以下方法：(1)混捏温度不宜过高，混捏时间不宜太长，掌握好黏结剂的加入量。成型时，糊料的温度不要太低，这样都可以提高糊料的可塑性。(2)在最高压力下保压2～3min，或使压力从低到高分成2～3段加压，可使颗粒充分移动，结合比较紧密，压块的密度与强度增大，从而减小了弹性后效。(3)加压速度减慢，也可以起到降低弹性后效的作用。(4)压型时附加振动，可以消除颗粒间架桥现象和密度不均的现象，从而减小弹性后效。(5)双向模压也有利于减小弹性后效。

模压成型设备 模压成型主要采用立式油压机或水压机(图5)，小型的立式模压机的总压力有100万N、200万N、400万N等，大型的立式模压机的总压力有2000万N或更大。—台立式模压机的主要部件包括上机座、下机座、立柱、加压柱塞和柱塞液压缸。加压柱塞和柱塞液压缸可以装在上部或在下部，分别从上部或下部加压。还有上下都有加压柱塞和柱塞液压缸的双向压机，以便实施双向模压。为了提高大型立式模压机的生产效率，可以在压机上安装回转工作台。回转工作台上有若干个同样尺寸的成型模，分别处于加压成型、装料、脱模及移位等工序，使生产连续进行。

模压成型工艺操作 模压成型分为冷模压和热模压，还有介于两者之问的温模压(糊料用红外线照射加热到60～70℃后再模压)。如生产预焙阳极主要用热模压。混捏后的糊料经适 当冷却后，将定量的糊料加入成型模内，双向加压。压力为14.7～29.5MPa。对于压制过程中的压力可以采用控制表压力或限位开关控制柱塞的压制行程。表压力可以根据工艺规定的单位压力和压模尺寸按如下公式计算。

Pg=S_b. P_b/S_A

式中P_g为表压力，MPa；S_b为压块的横截面积，cm²；S_A为液压机主缸截面积，cm²；P_b为压块单位截面积上所承受的压力。

达到规定压力并保持—定时间后进行卸压，卸除压力后将压块脱模，双向压机可用下柱塞头把压块顶出脱模。生产电炭产品或冷压石墨则—般采用冷模压。为了提高冷压产品密度可采用多次加压的工艺，即每次加压后提起柱塞，等数秒钟后再加压(再次加压时压力比前次稍大)。加压过程要缓慢进行，不能形成冲压，这样，有利于制品内部密度的均匀化。生产预焙阳极等大规格制品时，在最高压力下保持2～3min，有助于减少脱模后的弹性后效，但对小规格制品延长加压时间作用不大。

图5 立式模压机示意图

1—柱塞液压缸；2—加压柱塞；3—工作台面