1、前言第 1 页（共 37 页）复合材料的桥塞卡瓦模具设计1 前言在石油与天然气勘探开发的各项施工中，修井作业是一个重要的环节。油气水井在自喷、抽油或注水注气过程中，随时会发生故障，造成油井减产或甚至停产。如：油井下沙堵、井筒内严重结蜡、结盐、油层堵塞、渗透降低、油气水层互相串通、生产油层枯竭等油井本身的故障；油管断裂、油管连接脱扣、套管挤扁、断劣和渗漏等油井结构损坏；抽油杆弯曲、断裂或脱扣、抽油泵工作不正常等井下采油设备故障。出现故障后，只有通过井下作业来排除故障。一套完善的修井设备，一般包括下述部分：主机（修井机） ，具有动力、传动、绞车、井架、钻台、游动系统。刹车系统以及液压、气动、电气系
2、统；井口工具；井下工具；运输工具；起吊及发电装置等。其中，井口工具主要包括吊环、吊卡、吊钳、液压动力大钳、液压套管钳和修井液压动力钳等。国内生产井口工具的公司主要有：江苏如东通用机械有限公司、泰兴石油机械有限公司、山东三田临朐石油机械有限公司、牡丹江石油工具有限责任公司、海城市石油机械制造有限公司、盐城市特达石油机械有限公司、江苏新象股份有限公司等公司。在衡量修井设备的性能上，一般有下述指标：修井能力（即绞车功率大小） ；井架性能（强度、刚度、安装性） ；移运性；控制是否方便、灵敏；提供操作条件好坏；配套设备及工具是否完善；工作可靠性；有无特殊的防风、防水、防冻、防尘及防腐蚀措施等。1.1 选
3、题背景由于我国大部分油田大都已进入开发中、后期，采油的难度越来越大，工艺越来越复杂，井况也越来越复杂，修井任务也越来越繁重。与修井任务越来越繁重的同时，修井工人的劳动强十分高修井的环境条件也十分恶劣，高温酷寒，风天雨天，复合材料的桥塞卡瓦模具设计第 2 页（共 37 页）井场条件差（泄露出来的天然气和有毒气体的侵熏和井喷） ，特别是地处高原的西部地区，油井较深、自然及环境条件十分严酷。所以要提高修井效率、减轻修井工人的劳动强度，同时恶劣的工作条件也对工作设备提出了更高的要求，克服高温高压的工作环境。与发达国家相比，我国的钻井设备相对落后，尤其是在卡瓦的使用上，国外大多数使用机械手、启动卡瓦；而
4、目前国内绝大部分油田（或地质）钻井工程中起下钻作业时，大都采用双吊卡或单吊卡加手提式卡瓦作业方式，自动化程度低、效率低、劳动强度大安全性能不高。由于卡瓦是桥塞的关键部位，问题也随之而来，如果我们采用新型复合材料，利用其质量轻，强度大的特点，来继续强化卡瓦的耐高压特性来满足油田开采的更复杂的地质环境;研发新的生产工艺来生产卡瓦，节约成本，增加经济效益。2 复合桥塞原理与意义2.1 初识复合桥塞在油气井测试过程中，为正确评价认识目的层，当遇有多层系地层时各油气水层的层间存在差异需要进行分层测试，分层进行增产措施，生产井进行多层完井，暂时隔层等，都需要使用桥堵分层工具，如桥塞等。但目前常用的金属桥塞
5、存在易卡、钻铣困难等缺点，特别是用于斜井、水平井的分层压裂、酸化、封堵水等工艺，由于受其特殊井身结构的影响，这类井在解除金属桥塞桥堵进行磨铣时，易发生卡钻等问题，问题出现后比直井处理起来要复杂，为解决这一问题，可使用一种新型工具复合材料桥塞。利用复合材料制作桥塞代替金属桥塞，其独特的材料设计容易钻铣，磨掉的碎屑轻小，较易冲出，防止卡钻。特别适用于斜井、水平井的分层压裂、酸化、封堵水等作业，克服了金属桥塞易卡、钻铣困难等缺点。2.2 结构原理复合材料桥塞的主要元件密封胶筒通过水力或机械作用，使胶筒膨胀密封，达到隔离井筒液体和压力、隔离产层或非目的层，达到改变井筒条件、实现封隔目的，达到施工要求。
6、复合桥塞原理与意义第 3 页（共 37 页）2.2.1 结构复合桥塞由密封系统、锚定系统、锁紧系统等部件组成，结构示意图如图 1 所示。密封系统由胶筒、上下椎体和防突隔环组成。上下椎体在释放工具作用下剪断销钉，压缩胶筒形成密封。隔环的主要作用是压缩时首先胀开紧贴套管壁，在上下两个防突隔环中间形成一定的空间，使得胶筒压缩时在空间内均匀胀大，有效阻止胶筒压缩时“肩部突出”撕裂。图 2-1 复合材料桥塞结构示意图锚定系统由上下卡瓦、自锁锁环等组成。上下卡瓦的作用是将复合材料桥塞支撑在套管闭上，并限制其纵向移动，用于保持其密封性。锁环上的倒齿与中心管的倒齿相互啮合，坐封后永久固定于坐封状态。所以，这种
7、机构决定了该桥塞解封方式只能是钻铣。复合材料的桥塞卡瓦模具设计第 4 页（共 37 页）与复合材料桥塞配套使用的还有坐封释放机构，其主要部件是剪切销钉，用于投送工具和复合材料桥塞的连接，完成坐封后被剪断，使投送工具和桥塞脱开。2.2.2 工作原理复合桥塞使用原理与大多数桥塞的使用原理一样，通过中心管与外套件的相对运动，使推管运动压缩胶筒和上下卡瓦，胶筒胀开贴近套管壁，达到封隔上下层的目的，上下卡瓦在椎体上裂开紧紧啮合套管，当胶筒、卡瓦与套管配合很紧再不可压缩且达到一定值时，剪断释放销钉，使得投送坐封工具与桥塞脱开，完成释放工作。桥塞中心管与上锥体内锁环设有倒齿机构，坐封后自锁形成啮合紧锁。使桥
8、塞始终处于坐封状态。2.2.3 特点整个复合材料桥塞除锚定卡瓦和极少配件外，均采用类似硬性塑料性质的复合材料制成，其强度、耐压、耐温与同类型金属桥塞相当或优于金属桥塞，所以可钻型强，且磨铣后产生的碎屑不会像金属碎屑那样发生沉淀，又由于密度较小，很容易循环带出地面，克服了磨铣普通桥塞时的钻铣困难、沉淀卡钻等难题，特别是解决了斜井、水平井的磨铣桥塞时的困难。可用普通三牙轮或平底磨鞋快速钻出桥塞。复合材料桥塞的体外结构与普通桥塞不同的是底部采用斜面形状，防止钻铣时本体旋转，使磨铣解除桥塞变得更容易、更快捷，从而可以在井内下入多个桥塞分隔一系列层系。适用于井内多重桥塞的使用和取出。2.2.4 技术参数
9、不同型号复合材料桥塞技术参数如表 2-1 所示表 2-1 复合材料桥塞技术参数复合桥塞原理与意义第 3 页（共 37 页）复合材料的桥塞卡瓦模具设计第 6 页（共 37 页）2.3 分层施工作业程序2.3.1 下入作业程序复合材料桥塞下入需用投送坐封工具，一般可用威得福 HST 或威得福 AH 坐封工具，也可使用贝克 E4、No.5、No10 坐封工具。采用油管、钻杆、连续油管及电缆等投送下井均可。其下井程序以贝克 E4 型投送坐封工具为例，复合材料桥塞与配套连接结构如图 2、图 3 所示图 2-2 桥塞投送工具结构示意图复合桥塞原理与意义第 5 页（共 37 页）将连接好的桥塞、投送工具下入
10、井内，到达预定深度后，通电点火引燃火药，燃烧室产生高压气体，上活塞下行压缩液压油，液压油通过延时缓冲嘴流出，推动下活塞，使下活塞连杆通过外壳十字连杆推动推筒下行，外推筒下行，推动挤压上卡瓦，与此同时，由于反作用力使得外推筒与心轴之间发生相对运动，芯轴带动中心拉杆，连接套相对向上运动，带动桥塞中心管向上挤压下卡瓦，在上行与下行的夹击下，上下椎体各自剪断与中心管的固定销钉，压缩胶筒使胶筒胀开，达到封隔目的，这时，上下卡瓦在椎体上裂开紧紧啮合套管，当胶筒、卡瓦与套管配合很紧再不可压缩且达到一定值时，剪断释放销钉，使得投送坐封工具与桥塞脱开，完成释放工作。由于桥塞中心管与椎体内锁环设有倒齿锁紧机构，所
11、以坐封后形成自锁，使桥塞始终处于坐封状态。复合材料的桥塞卡瓦模具设计第 8 页（共 37 页）2.3.2 解除桥堵作业程序磨铣复合桥塞的磨铣鞋最好是非刀刃切削式的，这种类型的磨鞋能在磨铣过程中减少对套管损害的可能性。适合的磨铣鞋尺寸应该是套管内径的 92%95%。推荐使用钻铤和扶正器，加装碎屑打捞杯，以收集在磨铣时大的碎块，防止落在桥塞上。磨铣转速为 50150r/min 为宜。磨铣程序是首先用磨铣钻具探桥塞位置，开泵循环出桥塞顶部松散的堆积物，建议循环排量 500L/min 以上，然后上提钻具 30cm 开泵循环，缓缓下放加压 0.254t磨铣。加压吨位和排量的大小决定磨铣时间。保持钻压直至
12、钻掉桥塞。当有多个桥塞时，尽量在钻头附近多下几个打捞杯。3 复合材料的基本特性3.1 复合材料的结构复合材料的结构通常是一个相为连续相，成为基体；而另外一相是以独立的形态分布在整个连续相中的分散相，它显著增强材料的性能，故常称为增强体。在多数情况下，分散相较基体硬，刚度和强度较基体大。分散相可以是纤维及编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料。基体和增强体之间存在着界面。因此，复合材料是由两种以上组分以及它们之间的界面构成组分材料主要指增强体和基体，它们被称为复合材料的增强相和基体相。增强相和基体相之间界面区域因为其特殊的结构组成也被视作复合材料中的相，即界面相。增强相和基体相是根据它们组分的物理和
13、化学性质和在最终复合材料中的形态来区分的。其中一个组分是细丝（连续的或短切的） 、薄片或颗粒状，具有较强的强度、模量、硬度和脆性，在复合材料承受外加载荷时是主要承载相，成为增强相或增强体。增强相或增强体在复合材料中呈分散形式，被集体相隔离包围，因此也称作分散相；复合材料中的另一个组分是包围增强相并相对较软和韧的贯连材料，称为基体相。复合材料的各种形态如示意图 4：复合材料的基本特性第 7 页（共 37 页）图 3-1 复合材料各种形态图3.2 复合材料的特性复合材料是由多种组分的材料组成，许多性能优于单一组分的材料。例如，纤维增强的树脂基复合材料，具有质量轻、强度高、可设性好、耐化学腐蚀、介电
14、性好、耐烧蚀及容易成型加工等优点。3.2.1 轻质高强，比强度和比刚度高增强剂或者基体是比重小的物体，或两者的比重都不高，且都不是完全致密的；增强剂多是强度很高的纤维，比强度（指强度与密度的比值）和比弹性模量是各类材料中最高的。例如，普通碳钢的密度为 7.8g/ ，玻璃纤维增强树脂基复合材料 3的密度为 1.52.0g/ ，只有普通碳钢的 1/41/5，比铝合金还要轻 1/3 左右，而机3械强度却能超过普通碳钢的水平。若按比强度计算，玻璃纤维增强的树脂基复合材料不仅超过碳钢，而且可以超过某些特殊合金钢。碳纤维复合材料、有机纤维复合材料具有比玻璃纤维复合材料更低的密度和更高的强度，因此具有更高的
15、比强度。复合材料的桥塞卡瓦模具设计第 10 页（共 37 页）3.2.2 可设性好复合材料可以根据不同的用途要求，灵活的进行产品设计，具有很好的可设性。对于构件来说，可以根据受力情况合理布置增强材料，达到节约材料、减轻质量的目的。对于有耐腐蚀性能要求的产品，设计时可以选用耐腐蚀性能好的基体树脂和增强材料；对于其他一些性能要求，如介电性能、耐热性能等，都可以方便地通过选择合适的原材料来满足要求。复合材料良好的可设性还可以最大限度的克服其弹性模量、层间剪切强度低等缺点。 3.2.3 电性能好复合材料具有良好的电性能，通过选择不同的树脂基体、增强材料和辅助材料，可以将其制成绝缘材料或导电材料。例如，
16、玻璃纤维增强的树脂基复合材料具有优良的电绝缘性能，并且在高频下仍能保持良好的介电性能，因此可作为高性能电机、电器的绝缘材料；玻璃纤维增强的树脂基复合材料还具有良好的透波性能，被广泛的用于制造机载、舰载和地面雷达罩。复合材料通过原材料的选择和适当的成型工艺可以制的导电复合材料。这是一种功能复合材料，在冶金、化工和电池制造等工业领域具有广泛的应用前景。3.2.4 耐腐蚀性能好聚合物基复合材料具有优异的耐酸性能、耐海水性能、也能耐碱、盐和有机溶剂。因此，它是优良的耐腐蚀材料，用其制造的化工管道、贮罐、塔器等具有较长的使用寿命、极低的维修费用。3.2.5 热性能良好玻璃纤维增强的聚合物基复合材料具有较
17、低的导热系数，是一种优良的绝热材料。选择适当的基体材料和增强材料可以制成耐烧蚀材料和热防护材料，能有效的保护火箭、导弹和宇宙飞行器在 2000以上承受高温、高速气流的冲刷作用。复合材料的基本特性第 9 页（共 37 页）3.2.6 工艺性能优良纤维增强的聚合物基复合材料具有优良的工艺性能，能满足各种类型的制品的制造需要，特别适合于大型制品、形状复杂、数量少制品的制造。3.2.7 弹性模量金属基和陶瓷基复合材料能够在较高的温度下长期使用，但是聚合物基复合材料的弹性模量很低。因此，制成的制品容易变形。用碳纤维等高模量纤维作为增强材料可以提高复合材料的弹性模量，另外，通过结构设计也可以克服其弹性模量
18、差的缺点。比模量系指在温度为 232和相对湿度为 505%的条件下测量的杨氏模量（单位：N. ）除以比重（单位：N. ）.杨氏模量就是指表达物体在变形时所受的2 3应力与应变关系的比例常数。在弹性范围内大多数材料服从虎克定律，即变形与受力成正比。复合材料的突出优点是比强度和比模量高，比强度和比模量是度量材料承载能力的一个指标，比强度愈高，同一零件的比重愈小；比模量愈高，零件的刚性愈大。3.2.8 长期耐热性金属基和陶瓷基复合材料能在较高的温度下长期使用，但是聚合物基复合材料不能在高温下长期使用，即使耐高温的聚酰亚胺基复合材料，其长期工作温度也只能在 300左右。3.2.9 老化现象在自然条件下
19、，由于紫外光、湿热、机械应力、化学侵蚀的作用，会导致复合材料的性能变差，即发生所谓的老化现象。复合材料在使用过程中发生老化现象的程度与其组成、结构和所处的环境有关。3.2.10 抗疲劳性能好首先，缺陷少的纤维的疲劳抗力很高；其次，基体的塑性好，能消除或减小应力集中区的大小和数量。复合材料的桥塞卡瓦模具设计第 12 页（共 37 页）3.2.11 减震能力强复合材料的比模量高，所以它的自振频率很高，不容易发生共振而快速脆断；另外，复合材料是一种非均质多相体系，在复合材料中振动衰减都很快。3.3 复合材料的应用与传统材料(如金属、木材、水泥等)相比，复合材料是一种新型材料。它具有许多优良的性能，并
20、且其成本在逐渐地下降，成型工艺的机械化、白动化程度也在不断地提高。团此，复合材料的应用领域日益广泛。(1) 在航空、航天方面的应用由于复合材料的轻质高强持性，使其在航空航天领域得到广泛的应用。在航空方面，主要用作战斗机的机冀蒙皮、机身、垂尾、副翼、水平尾冀、雷达罩、侧壁板、隔框、翼肋和加强筋等主承力构件。(2)在交通运输方面的应用由复合材料制成的汽车质量减轻，在相同条件下的耗油量只有钢制汽车的14，而且在受到撞击时复合材料能大幅度吸收冲击能量，保护人员的安全。用复合材料制造的汽车部件较多，如车体、驾驶室、挡泥板、保险杠、引擎罩、仪表盘、驱动轴、板黄等。随着列车速度的不断提高，火车部件用复合材料
21、来制造是最好的选择。复合材料常被用于制造高速列车的车箱外壳、内装饰材料、整体卫生间、车门窗、水箱等。(3)在化学工业方面的应用在化学工业方面，复合材料主要被用于制造防腐蚀制品。聚合物基复合材料具有优异的耐腐蚀性能。例如，在酸性介质中，聚合物基复合材料的耐腐蚀性能比不锈钢优异得多。(4)在电气工业方面的应用聚合物基复合材料是一种优异的电绝缘材料，被广泛地用于电机、电工器材的复合材料的基本特性第 11 页（共 37 页）制造，如绝缘板、绝缘管、印刷线路板、电机护环、槽楔、高压绝缘子、带电操作工具等。(5)在建筑工业方面的应用玻璃纤维增强的聚合物基复合材料(玻璃钢)具有力学性能优异，隔热、隔声性能良
22、好，吸水率低，耐腐蚀性能好和装饰性能好的特点，因此，它是一种理想的建筑材料。在建筑上，玻璃钢被用作承力结构、围护结构、冷却塔、水箱、卫生洁具、门窗等。(6)在机械工业方面的应用复合材料在机械制造工业中，用于制造各种叶片、风机、各种机械部件如齿轮、皮带轮和防护罩等。 用复合材料制造叶片具有制造容易、质量轻、耐腐蚀等优点，各种风力发电机叶片都是由复合材料制造的。(7)在体育用品方面的应用在体育用品方面，复合材料被用于制造赛车、赛艇、皮艇、划桨、撑杆、球拍、弓箭、雪橇等。3.4 我国复合材料科学的研究现状我国是制造和使用复合材料最早的国家，远在 400 余年前就发明了以麻丝增强大漆，构成典型的复合材
23、料器皿，并一直沿用至今。现代复合材料是 1958 年才开始发展的，是以玻璃纤维增强热固性聚合物为主要品种。除聚合物基复合材料以外，目前已展开金属基、陶瓷基、碳基、水泥基，以及功能复合材料的制备科学和其结构与性能的研究，有些研究处于国际复合材料前沿，如纳米复合材料，智能复合材料等。3.4.1 原材料的研究 结构型复合材料中关键的原材料是增强体。我国于 20 世纪 50 年代末，开始研制玻璃纤维增强体，研究了各种玻璃纤维的配方，包括中碱的玻璃，无碱的玻复合材料的桥塞卡瓦模具设计第 12 页（共 37 页）璃以及高强度的玻璃等。复合材料的基本特性第 13 页（共 37 页）工艺方法是以传统的坩埚法为
24、主，近来正发展到先进的池窑法（直接熔融法） 。高性能增强体如碳纤维、芳酰胺纤维（芳纶） 、超高分子量聚已乙烯纤维，以及一些陶瓷纤维等我国均有研究。特别是碳纤维在 20 世纪 60 年代即从聚丙烯腈原丝开始研究，一直到烧成碳纤维。随后又解决了连续化的问题，并且开展有关机理性的研究。3.4.2 各种基体复合材料的研究（1）聚合物基复合材料热固性聚合物基体主要为不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂、双马树脂，以及少量的耐高温聚酰亚胺树脂，其中的研究工作集中在合成新型树脂，同时也对其结构表征和固化过程进行了研究。热塑性聚合物基体除聚丙烯外，还有常用的工程塑料，如聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚醚砜和热塑性聚酰亚胺等的
25、合成，改性和表征等。聚合物基复合材料加工成型方面，除手糊、喷射、模压、缠绕、拉挤、热压罐成型等常规方法的研究外，也研究一些新型的加工方法，如树脂传递法（RTM）的充模过程，包括其模拟计算等。（2）金属基复合材料目前主要集中在以轻金属（如铝、镁、钛）等为基体的复合材料研究，少量研究致力于铜、铁、铅基体的复合材料。增强的形式包括连续纤维、短纤维、晶须和颗粒。（3）其他基体复合材料陶瓷基复合材料方面的研究工作，如热压烧结的碳化硅晶须增强氧化硅，或碳化硅基体的复合材料；氧化锆颗粒增强碳化物陶瓷复合材料等的制备科学和结构性能研究。3.4.3 复合材料今后的发展方向(1)降低成本复合材料的桥塞卡瓦模具设计
26、第 12 页（共 37 页）由于复合材料的性能优于传统材料，如能降低复合材料的成本，其应用前景将是非常广阔的。复合材料卡瓦加工方案第 15 页（共 37 页）(2)高性能复合材料的研制高性能复合材料是指具有高强度、高模量、耐高温等特性的复合材料。随着人类向太空发展，航空航天工业对高性能复合材料的需求量越来越大，而且也会提出更高的性能要求，如更高的强度要求、更高的耐温要求等。(3)功能性复合材料功能复合材料是指具有导电、超导、微波、摩擦、吸声、阻尼、烧蚀等功能的复合材料。(4)智能复合材料智能复合材料是指具有感知、识别及处理能力的复合材料。在技术上是通过传感器、驱动器、控制器来实现复合材料的上述
27、能力。例如，当用智能复合材料制造的飞机部件发生损伤时，可由埋入的传感器在线检测到该损伤，通过控制器决策后，控制埋入的形状记忆合金动作，在损伤周围产生压应力，从而防止损伤的继续发展，大大提高了飞机的安全性能。(5)仿生复合材料复合材料的设计从常规设计向仿生设计发展。仿照竹子从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点，成功地制备出具有明显组织梯度与性能梯度的新型梯度复合材料。(6)环保型复合材料从环境保护的角度看，目前的复合材料大多注重材料性能和加工工艺性能，而在回收利用上存在与环境不相协调的问题。因此，开发、使用与环境相协调的复合材料，是复合材料今后的发展方向之。4 复合材料卡瓦加工方案1.先对卡瓦进行
28、粗加工，对它的孔粗加工，单边留 0.8mm 余量。2.铣工艺直线，消除粗加工内应力：粗搪孔，单边留 0.1mm 余量，再精搪卡瓦复合材料的桥塞卡瓦模具设计第 14 页（共 37 页）的孔到齐规定的尺寸，然后粗加工顶口两平台，两个 7的斜面，在分别对顶口平台和斜面进行精加工，对两台阶面清角，在对高度台阶面清角，最后对键槽分别进行粗、精加工。3.翻面拉直找中心：对键槽分别进行粗、精加工，然后粗加工 30倒角，再精加工 30倒角。4.线切割，割开后四个小块倒角及铣圆弧。5 复合材料卡瓦结构与注塑模具设计5.1 复合材料卡瓦结构卡哇结构如下图图 5、图 6 所示，曲面为 60，半径 R=58mm，上边
29、开 5 个直径为 10mm，高为 8 的孔，用来固定卡齿。另一侧为阶梯面，两侧的沟用来固定在六面楔形体。图 5 复合材料卡瓦立体图复合材料卡瓦加工方案第 15 页（共 37 页）图 6 复合材料卡瓦立体图5.2 注塑模具设计5.2.1 接受任务书塑件任务书主要包括以下几个方面的任务：经过审查的正规塑件图纸；所采用塑料的种类、牌号等；塑料制件说明书或技术要求；生产产量；塑料制件样品；设计人员以塑件任务书、模具设计任务书为依据来设计模具。5.2.2 原始材料分析在进行模具设计之前，首先收集、整理并分析有关塑件设计、成型工艺、成型设备、机械加工及特殊加工的资料，以备设计模具时使用。5.2.3 选择注
30、射机注射机的选择主要根据塑件的大小及生产批量。设计人员在选择注射机时，主要考虑注塑量、锁模力、注塑压力、拉杆间距、最大和最小模具厚度、顶出形式、顶出位置、顶出行程、开模距离等。倘若用户已提供注射机型号或规格，设计人员必须对其参数进行校核，若不能满足要求，则必须与用户商量调整。复合材料的桥塞卡瓦模具设计第 18 页（共 37 页）5.2.4 注塑模的结构设计型腔数目及排布方式的确定型腔的数量主要是根据塑件的质量、投影面积、几何形状（有无抽芯） 、塑件精度、批量及经济效益来确定的。以上这些因素有时是相互制约的，在确定设计方案时，需进行协调，以保证满足其主要条件。型腔数量确定之后，便进行型腔的排布。
31、型腔的排布方式涉及模具尺寸、浇注系统的设计、浇注系统的平衡、侧向分型抽芯机构的设计、镶件及型芯的设计，以及模温控制系统的设计。以上这些问题又与分型面及浇口的位置选择有关，所以在具体设计过程中，要进行必要的调整。分型面的确定分型面的形状一般为平面，有时由于塑件的结构较为特殊，需采用曲面的分型面。分型面的选择需注意以下几点：不影响塑件的外观；有利于保证塑件的精度要求；有利于模具加工，特别是型腔的加工；有利于浇注系统、排气系统、冷却系统的设计；便于塑件的脱模，尽量使塑件开模时留在动模一边。浇注系统的设计浇注系统的设计包括主流道设计、分流道截面形状及尺寸的确定、分流道的布置、浇口的形状及尺寸的确定，以
32、及浇口位置的选择。在设计浇注系统时，首先是浇口位置的选择。浇口位置选择恰当与否，直接关系到塑件的成型质量及注塑过程能否顺利进行。成型零件的设计成型零件是注塑成型的核心部分，它直接影响塑件质量、加工的难易程度。因此，应选择合理的成型位置、结构及安装方式，使成型零件在现有的设备状态下，满足技术上的需要，易于加工、维修和更换。侧向分型抽芯机构的设计复合材料卡瓦结构与注塑模具设计第 17 页（共 37 页）设计侧向分型抽芯机构时，应灵活运用斜导柱、斜滑块、液压油缸、气压油缸、齿轮齿条等方式进行抽芯，保证抽芯机构安全可靠，尽量避免与脱模机构发生干扰，否则应设置先行复位机构。有些能够变通塑件结构而不必侧抽
33、的，或通过强制能顶出的，应尽量避免侧抽。如果塑件产量不大，也可设置活动型芯，在随塑件顶出后再用人工抽芯。脱模的结构设计塑件脱模是注塑成型过程中的最后一个环节，脱模质量的好坏最终决定塑件的质量。因此，塑件的脱模是不可忽视的。在设计脱模机构时应遵循下列原则：为使塑件脱模时不产生变形，脱模力的着力点应尽量靠近型芯或难以脱模的部位，并尽量布置得均匀；脱模力的着力点应作用在塑件刚性好的部位，如筋部、凸缘、壳体形塑件的壁缘等处；尽量避免脱模力的着力点作用在塑件的薄平面上，防止塑件破裂、穿孔等；为避免脱模时顶出痕迹影响塑件外观，顶出位置应设置在塑件的隐蔽面或非装饰面，对于透明件尤其要注意顶出位置及顶出形式的
34、选择；为使塑件在顶出时受力均匀，同时避免因真空吸附而使塑件产生变形，往往采用复合顶出或特殊形式的顶出系统，如推件板或推管复合顶出，以及采用进气式推杆、推块等顶出装置，必要时应设置进气阀。倒向机构的设计通常导向分为动、定模之间的导向、推板的导向及推件板的导向。一般的导向装置由于受加工精度的限制或使用一段时间之后，其配合精度降低，会直接影响塑件的精度。因此，对精度要求较高的塑件必须另行设计精密导向定位装置。当采用标准模架时，因模架本身带有导向定位装置，一般情况下，设计人员只要按模架规格选用即可。若需采用精密导向定位装置，则需由设计人员根据模具结构具体设计。排气系统的设计排气系统对塑件成型质量起着至
35、关重要的作用，排气方式有以下几种：利用排气复合材料的桥塞卡瓦模具设计第 20 页（共 37 页）槽排气；利用分型面排气；利用型芯、镶件、推件等配合间隙排气；利用粉末烧结金属块排气；有时为了防止塑件在顶出时造成真空而变形，必须设置进气装置。模温控制系统的设计模温控制系统的设计主要包括冷却系统设计和加热系统设计。冷却系统设计是一向比较繁琐的工作，既要考虑冷却效果及冷却的均匀性，又要考虑冷却系统对模具结构的影响。冷却系统设计包括以下内容：冷却系统的排列方式及冷却系统的确定；冷却系统的具体位置及尺寸的确定；重点部位如动模型芯或镶件的冷却；侧滑块及侧型芯的冷却；冷却原件的设计及冷却标准原件的选用；密封结
36、构的设计。注塑模在成型过程中不仅需要冷却，在某些生产过程中还需要向模具输入适当热量，才能维持生产过程的正常进行。需要对模具进行加热的情况如下：成型熔融黏度高、流动性差的塑料时；模温要求在 80以上时；热流道模具中，需对热流道板进行加热；成型热固性塑料时。模具材料的选用模具成型零件材料的选用，主要根据塑件的批量、塑料类别来确定，可以参考以下原则：对于高光泽或透明的塑件主要选用 4Cr13 等类型的马氏体耐蚀不锈钢或时效硬化钢；含有纤维增强的塑料塑件，应选用 Cr12MoV 等类型的具有高耐磨性的淬火钢；当塑件材料为聚氯乙烯、聚甲醛或含有阻燃剂时，必须选用耐蚀不锈钢；塑件为一般材料，通常用调质钢，
37、若塑件批量大则应选用淬火钢。5.2.5 绘制模具装配草图在绘制装配草图的过程中，应对已选定的浇注系统、冷却系统、抽芯机构、脱模机构等作进一步的协调和完善，从结构上达到比较完美设计。标准模架及标准件的选用在绘制装配草图之前，应根据已选定的模具结构，尽量选用标准模架及标准件。复合材料卡瓦结构与注塑模具设计第 19 页（共 37 页）选用标准架时，应指出所选用标准架的形式、规格及标准代号。装配草图的绘制装配草图的重点是表达各零件之间的装配关系及相对位置，并不需要把每个零件的内外形状完全表达出来。一般是以三个视图为主：一个是动模或定模分型面的投影试图；一个动、定模合模状态下的主剖视图；当零件数量较多，
38、装配关系较为复杂时，可再采用一个动、定模合模状态下的左剖视图；当用上述三个视图还不能完整、清楚地表达各零件间的装配关系时，还可再增加一些局部剖视图来表示。装配草图的绘制尽量采用 1：1 的比例，先由型腔开始绘制，主视图与其他视图同时画出。5.2.6 模具设计的相关计算注塑模设计的相关计算主要包括以下几个方面：型腔、型芯工作尺寸的计算；型腔壁厚、底板厚度的计算；侧向抽芯机构的工作尺寸及强度计算；模具与注射机相关参数的校核；模具加热、冷却系统的相关计算。5.2.7 完善装配图注塑模的装配图应包括的内容如下：模具成型部分的机构；浇注系统、排气系统的结构形式；模具的分型面；塑件及浇注系统脱出方式；模具
39、的导向机构；模具的温度控制系统；外形结构及所有连接件、定位件、导向件及其位置；标注模具外形尺寸及装配尺寸；按顺序将全部零件序号变出，并填写明细表；标注技术要求和使用说明。此外，装配图上还应标注必要的尺寸，如外形尺寸、特征尺寸（定位圈直径、高度，注射机推杆所对应的推杆孔位置要求等） 、安装尺寸、配合尺寸、配合代号、极限尺寸（活动零件的起、止位置） ，并注写技术要求，填写标题栏、明细表。注塑模装配图的技术要求包括以下几个方面的内容：对模具某些性能的要求，如推出系统、滑块抽芯结构的装配要求；对模具装配工艺的要求，如模具装配后分型面的贴合间隙应不大于 0.05，模具上、下面的平行度要求，并指由出装配决
40、定的尺寸和对该尺寸的要求；模具使用、装卸方法；防氧化处理、模具编号、刻字、标记、油复合材料的桥塞卡瓦模具设计第 20 页（共 37 页）封、保管等要求。复合材料卡瓦结构与注塑模具设计第 21 页（共 37 页）5.2.8 拆画零件图由模具装配图拆画零件图的顺序应为：先内后外，先复杂后简单，先成型零件，后结构零件。零件图绘制时，应注意以下方面。图形要求：一定要按比例绘制，允许放大或缩小；视图应选择合理，投影正确，布置得当；为了使加工人员看懂、便于装配，图形应尽可能与总装配图一致，并要清晰。标注尺寸：要求统一、集中、有序、完整，标注尺寸的顺序是先标注配合尺寸，后标注全部尺寸。表面粗糙度：把应用最多
41、的一种粗糙度标于图纸右上角，如标注“其余” 。其他粗糙度符号在各零件表面分别标出。其他内容：如零件名称、模具图号、材料牌号、热处理和硬度要求、表面处理、图形比例、自由尺寸的加工精度、技术说明等都要正确填写。5.2.9 审核图纸模具及其零件与塑件图纸的关系审核模具及其零件的材质、硬度、尺寸精度、结构等是否符合塑件图纸的要求。塑件方面塑料流体的流动、缩孔、熔合纹、裂口、脱模斜度等是否影响塑料制件的使用性能、尺寸精度、表面质量等方面的要求；方案设计有无不足，加工是否简单，成型材料的收缩率选用是否正确。成型设备方面注塑容量、注塑压力、锁模力是否达到要求；模具的安装、塑件的脱模有无问题，注射机的喷嘴与浇
42、口套是否正确接触等。复合材料的桥塞卡瓦模具设计第 22 页（共 37 页）模具结构方面模具结构方面的审核包括以下几个部分：分型面位置及精加工精度是否满足需要，是否发生溢料，开模后是否能保证塑件留在有推出装置的模具一边；脱模方式是否正确，推杆、推管的大小、位置、数量是否合适，推板会不会被型芯卡住，是否会擦伤成型零件；模具温度控制方面，如加热器的功率、数量，冷却介质的流动回路位置、大小、数量是否合适；处理塑件侧凹的方法、脱侧凹的机构是否恰当，如斜导柱抽芯机构中的滑块与推杆是否相互干扰；浇注、排气系统的位置、尺寸大小是否恰当。设计图纸装配图上各模具零件的安置部位是否恰当，表示的是否清楚，有无遗漏；零
43、件图上的零件编号、名称、制件数量，是自制还是外购，是标准件还是非标准件，零件配合处的精度，塑件高精度尺寸处的修正加工及余量，模具零件的材料、热处理、表面处理、表面精加工程度是否标出，叙述是否清楚；检查主要零件、成型零件工作尺寸及配合尺寸，尺寸数字应正确无误，避免让生产者换算；检查全部零件图及装配图的视图位置，投影是否正确，画法是否符合图标，有无遗漏尺寸。校核加工性能校核所有零件的几何结构、视图画法、尺寸标注等是否有利于机械加工。6 卡瓦注塑加工工艺完整的注塑成型工艺过程，按其先后顺序应包括成型前的准备、注塑成型过程、塑件的后处理等。6.1 成型前的准备6.1.1 原料的预处理根据各种塑料的特性
44、和供料状况，一般在成型前应对原料进行外观及工艺性能的检验。对于各种塑料的干燥方法，应根据不同塑料的性能和具体条件选择。部分复合材料卡瓦结构与注塑模具设计第 21 页（共 37 页）常用塑料容许的水汽量及推荐复合材料的桥塞卡瓦模具设计第 24 页（共 37 页）表 6-1 部分常用塑料容许的水汽量及热风干燥温度塑料品种 注塑容许水汽质量分数% 干燥温度PE 0.1 7175PP 0.1 7182PS 0.050.1 7179ABS 0.3 70PVC 0.08 6093PC 0.2 110120PET 0.1 8095PA 0.40.9 7585PMMA 0.10.2 70806.1.2 料筒的
45、清洗在初用某种塑料或某一注射机之前，或料筒内残余塑料与将要使用的塑料不一致及调换颜色或发现塑料中有分解现象时，都需要对料筒进行清洗或更换。柱塞式注射机料筒内的存料较多且料筒中间有分流梭，因此清洗较困难，必须拆卸清洗或者采用专用料筒。螺杆式注射机通常是直接换料清洗。为了节约时间和原料，换料清洗时应根据塑料的热稳定性、成型温度范围及各种塑料之间的相容性等因素采取正确的清洗步骤。当新料的成型温度远高于料筒内存料的成型温度时，应先将料筒和喷嘴温度升卡瓦注塑加工工艺第 23 页（共 37 页）至新料的最低加工温度，然后加入新料并连续进行对空注塑，直至全部存料清洗完毕，再调整料筒温度进行正常生产。当新料的
46、成型的温度低于料筒内存料的成型温度时，则先将料筒温度升高到存料最好的流动温度，然后切断电源，用新料在降温下进行清洗。当新料的成型温度高，熔融黏度大，而存料又是热敏性的，如聚氯乙烯、聚甲醛等，为预防塑料分解，应选用流动性和热稳定性好的聚苯乙烯或高压聚乙烯塑料作为过渡换料。近年来，已研制出一种有效的料筒清洗剂，适用于成型温度范围在 180280的各种热塑性塑料注射机料筒的清洗。6.1.3 嵌件的预热为了装配和使用强度的要求，塑件内常需要嵌入金属嵌件。由于金属和塑料的膨胀系数相差很大，因而两者的收缩率不一致，导致塑件冷却时嵌件周围出现裂纹而使塑件强度降低。因此，除在设计塑件时加大嵌件周围的壁厚外，成
47、型中对金属嵌件进行预热也是一种有效的措施。因为预热后降低了嵌件与塑料熔体的温度差，从而在成型过程中使嵌件周围的塑料缓慢冷却，均匀收缩，并具有一定的热料补缩作用，可防止内应力的产生。嵌件的预热需根据塑料的性质和嵌件的大小而定。对刚性分子的塑料，如聚碳酸酯、聚苯醚等塑料，因为它们的塑件在成型中容易产生内应力，因此其金属嵌件一般要预热。对容易被塑料通体在模内加热的小嵌件，可不必加热。预热的温度以不损伤金属嵌件表面的镀层为限，一般为 110130，对于表面无镀层的铝合金或铜嵌件，预热温度可适当提高到 150。6.1.4 脱模剂的选用脱模剂是使塑件容易从模具中脱出而敷在模具型腔表面上的一种助剂。一般注塑
48、塑件的脱模主要依赖于合理的工艺条件与正确的模具设计。但是在实际生产中为了便于脱模常使用脱模剂。常用的脱模剂有三种：硬脂酸锌、液态石蜡和硅油。硬脂酸锌除尼龙塑料外，其余塑料均可使用；液态石蜡作为尼龙类塑料的脱模剂效果较好，除具有润滑作用外还有防止制件内部产生空隙的作用；硅油的使用效果好，但价格贵，使用较麻烦，因此受到限制。复合材料的桥塞卡瓦模具设计第 26 页（共 37 页）6.2 注塑成型过程6.2.1 加料由注射机的料斗落入一定量的塑料，以保证塑料塑化均匀、料流稳定，最终获得良好的塑件。通常加料量由注射机计量装置来控制。6.2.2 塑化塑化是指粉状或粒状的物料在料筒内加热熔融呈黏流态，并具有
49、良好的可塑性的全过程。就生产的工艺而论，对这一过程总的要求是：塑料在进入模腔之前，既要达到规定的成型温度，又要使熔体各点温度尽量均匀一致，并能在规定的时间内提供上述质量要求的足够熔融塑料，以保证生产连续顺利地进行。这些要求与塑料的特性、工艺条件的控制，以及注射机塑化装置的结构等密切相关。6.2.3 注塑、保压及冷却定型注塑、保压及冷却定型三个过程通常成为注塑过程中的流动过程。这一过程是指用柱塞或螺杆推动已经熔融的塑料注入模具开始，而后充满型腔，保持型腔压力，冷却定型后，制品从型腔中脱出为止的过程。这一过程经历时间虽短，但是熔体在此期间发生的变化却很大，而且这种变化对塑件的质量有重要影响。根据塑料熔体进入模腔的流动情况，这个过程又可以分为注塑充模、保压补缩、倒流和浇口冻结后的冷却四个阶段。6.2.4 脱模制品冷却定型并且有一定的强度后，注射机开始开模，并由顶出机构将制品顶出模具，实现制品的脱模。6.3 塑件的后处理由于成型过程中塑料熔体在温度和压力作用下的变形流动行为非常复杂，再加上流动前塑化不均，以及充模后冷却速度不同，制件内经常出现结晶、取向和收缩不均匀；或由于金属嵌件的影响和塑件的二次加工不当等原因，塑件内部不可避免的存在一些内应力。
