PI半环轴瓦零件成型工艺研究

【摘要】 聚酰亚胺(PI)是一种力学性能优异的自润滑高分子材料，可用于制造轴瓦零件，但是其摩擦学性能和力学性能受诸多因素的影响。成型工艺条件对PI基制件的力学性能和摩擦学性能影响至关重要。本文中使用热模压工艺成型PI制件，利用正交试验法研究了各工艺参数对PI力学性能的影响，通过对试验数据的非线性曲面拟合运算得出了使PI具有最佳力学性能的工艺参数组合。利用摩擦学试验机评价PI的摩擦学性能，研究了成型工艺条件、载荷、滑动速度对PI摩擦系数、磨损率的影响规律，观察其磨损表面形貌，探讨磨损机理。在以上研究基础上设计了PI半环轴瓦成型模具，根据轴瓦成型效果进一步优化了成型工艺，并研究了配副粗糙度对PI半环轴瓦摩擦学性能的影响。研究结果表明：热模压成型工艺参数与PI制件力学性能和摩擦学性能有明显关联，其中成型温度对其力学性能及摩擦学性能影响最为显著；保压时间和成型压力对PI耐磨性能和减摩性能有不同程度的影响。摩擦工况参数对PI耐磨性能和减摩性能影响明显，具有较强相关性。PI半环轴瓦热模压成型工艺中，厚度与保压时间关联明显。在不同配副表面粗糙度条件下，PI轴瓦摩擦学性能有较大差异。 

第1章 绪 论

1.1 聚酰亚胺概述
20 世纪中叶，随着宇航、导弹、电器和交通运输等高精尖产业的飞速发展，迫切需求能在温差剧烈变动、有大剂量贯穿辐射和腐蚀介质作用以及燃烧等条件下仍能保持工程结构强度的新型高分子材料，此时，一类分子结构主要以芳环和杂环为组成单元的高聚物材料应运而生，优异的耐高温性能是这类高聚物突出特点之一，它们的出现大大提高了高分子复合材料的使用温度。那一时期涌现出的十几种此类型高聚物中，，只有聚苯硫醚、聚醚砜和聚酰亚胺等以其较高的性价比被广泛关注和研究[1]。其中聚酰亚胺(PI)是被美国化学文摘主题期刊单独列题研究的六种高分子聚合物之一，可见聚酰亚胺具有较高的开发利用价值和不可替代性[2]。聚酰亚胺是指主链上含有聚亚胺环的一类聚合物，分子中具有十分稳定的芳杂环结构，突出的化学稳定性和耐辐射性能是其他高聚物材料无法比拟的，在汽车发动机、油泵、耐高温电子仪表、电路板印刷等领域得到广泛应用[3-5]。1908 年 Bogert等人在试验室条件下，成功实现了 4-基邻苯二甲酸酐在熔融状态下的自缩聚反应，首次合成了聚酰亚胺[6]。直到 1955 年，美国科学家 Robison 和 Edwards 申请了世界上首个关于聚酰亚胺应用于材料方面的专利，聚酰亚胺的研究从此拉开了新的序幕[7]。1969 年法国科学家首次成功开发出双马来酰亚胺预聚体，该聚合物在固化时无副产物气体产生，易成型，良好的加工性能，制品密实无气孔，是高性能复合材料的理想基体树脂[8]。70 年代，美国航空航天局为了改善聚酰亚胺的加工性能以更好的应用于飞行器开发制造，成功研制了PMR热固性聚酰亚胺树脂，PMR-15是当前具有代表性的PMR型聚酰亚胺树脂[9]。
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1.2 聚酰亚胺的成型工艺
聚酰亚胺是耐热性最高的高分子聚合物，热固性聚酰亚胺高温下无明显的软化现象，流动性能很差，很多热固性线形聚酰亚胺即使加热到分解也不会出现明显的软化，这是由聚酰亚胺分子结构的特点决定的，对成型工艺提出的更高的要求，主要成型方法为模压成型。此成型工艺的主要特点是对物料的流动性要求很低，能够克服热固性聚酰亚胺流动性差等缺点，但模压成型工艺生产周期长，模压毛坯一般要进行二次加工去除毛边，生产效率低，成本高。但聚酰亚胺模压制品以其优异的综合性能受到人们的重视，主要用于高温无润滑轴承的制造[21]。文献[22]针对共聚联苯型聚酰亚胺模塑料的模压成型开展研究，主要研究了成型工艺条件对其拉伸性能的影响，结果表明：模压温度、模压压力和模压时间均对聚酰亚胺试样的拉伸性能产生影响。热固性聚酰亚胺由于其大分子间作用力较强，韧性差，热成型温度高，不易被机加工成型，目前提高其可加工性的方法主要有：开发热塑性聚酰亚胺、可溶聚酰亚胺和 PMR 型聚酰亚胺[23-27]。宋艳江[29]等人研究了注射和热模压成型工艺对碳纤维增强型PI复合材料力学性能和摩擦学性能的影响，结果表明注射成型的 PI 复合材料的各项力学性能都要优于热模压成型工艺，具有较高的断裂强度和断裂伸长率，但热模压成型试样具有更加优异的摩擦学性能。
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第2章 试验方案及试验结果分析方法

2.1 试验方案设计
本论文主要针对成型工艺参数对 PI 力学性能和摩擦学性能的影响进行研究，为PI 轴瓦成型提供工艺参考。首先以工艺参数为变化因素，开展正交实验，运用极差分析和非线性曲面拟合分析正交实验数据，探索成型工艺参数对 PI 制样力学性能的影响，得出最佳工艺参数组合。利用摩擦学试验机评价 PI 的摩擦学性能，研究热模压工艺参数、滑动速度和载荷对 PI 摩擦系数和磨损率的影响，观察 PI 磨损形貌分析磨损机理。然后参考以上实验成果设计 PI 轴瓦成型模具，制备 PI 轴瓦，并研究配副表面粗糙度对 PI 轴瓦摩擦学性能的影响规律。本试验主要包括以下四大部分：
(1)热模压成型 PI 试样。PI 模塑粉通过采购获取，然后参考相关文献选取合适的成型工艺参数，主要包括成型温度、成型压力和保压时间，利用真空热模压机对其制备成型。
(2)PI 力学性能评价试验。开展正交试验，利用万能试验机评价不同工艺参数下制备的 PI 制样的拉伸强度和弯曲强度，根据极差分析法及数据拟合运算结果确定一组使 PI 具备最佳力学性能的工艺参数。
(3)PI 摩擦学试验。运用 CETR 摩擦磨损试验机，评价不同工艺参数下制备 PI试样及其在不同摩擦载荷、速度下的摩擦磨损性能，使用 OLSM 和 SEM 观察其模塑形貌，分析磨损机理，探索其作用规律。
(4)设计 PI 轴瓦成型模具，根据轴瓦成型效果探索工艺参数与制件结构之间的关联，优化热模压工艺参数，并研究配副表面粗糙度对 PI 摩擦学性能的影响，观察配副磨损表面，探讨磨损机理。
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2.2 主要试验材料
PI 板材在高温高压的环境中制备成型，高温下具有一定的流动性，且成型压力较大，PI 制样和模具型腔表面的界面压力很大，成型过程中容易粘结在型腔表面，造成脱模困难；另一方面 PI 制样在冷却过程中会有一定的体积收缩，表面积减小，而石墨模具的热膨胀系数很小，表面尺寸很稳定，导致冷却过程中相互粘结部分会产生较大的应力，影响 PI 制样表面质量，甚至会出现裂缝，所以选择合适的脱模剂很重要。六方氮化硼是常用的固体润滑剂[37]，在高温下具有更加优异的润滑性能，常用于高温脱模剂，本试验中选择由东莞市佳丹润滑油有限公司山产的氮化硼离型喷雾剂，型号为 JD-3028，试验中喷涂在模具表面，能够有效防止 PI 和模具表面粘结，更易脱模。
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第 3 章 热模压成型工艺参数对 PI 力学性能的影响..........18
3.1 引言 ....... 18
3.2 正交试验方案 ....... 18
3.3 试验结果与讨论 ........... 18
3.3.1 各工艺参数对 PI 力学性能的影响 ....... 19
3.3.2 热模压最佳工艺参数..... 21
3.3.3 本章小结......... 23
第 4 章 热模压成型 PI 摩擦学性能研究......24
4.1 引言 ....... 24
4.2 热模压工艺参数对 PI 摩擦学性能的影响 ......... 24
4.3 摩擦工况对 PI 摩擦学性能的影响 ..... 39
4.4 本章小结 ....... 47
第 5 章 PI 半环轴瓦成型工艺研究.......49
5.1 引言 ....... 49
5.2 成型模具设计 ....... 49
5.3 轴瓦成型效果分析 ....... 51
5.4 本章小结 ....... 58

第5章 PI 半环轴瓦成型工艺研究

5.1 引言
轴瓦是滑动轴承与轴接触的部分，形状为瓦状的半圆柱面，聚合物轴瓦具有质轻、绝缘、耐腐蚀、免维护等优点，得到广泛应用。PI 轴瓦相对板材类零件结构更加复杂，对成型工艺和成型模具提出了更高的要求。在第三章、第四章中已经研究了成型工艺对 PI 力学性能和摩擦学性能的影响，得出一组使 PI 具有最佳力学性能的工艺参数，清楚了工艺条件对 PI 摩擦磨损性能的影响规律。本章拟在前期工作的基础上，设计一种轴瓦热模压成型模具，制备 PI 轴瓦，进一步优化成型工艺。同时通过摩擦学实验探索配副粗糙度对 PI 轴瓦摩擦学性能的影响。考虑到 PI 轴套是在高温高压的条件下制备成型，模具不仅要能耐高温，且在高温下能够保持较高的强度和尺寸稳定性，才能保证成型轴瓦的尺寸精度。在第三章中 PI 板材制备成型工艺中使用的为石墨模具，石墨虽然在高温环境下不仅能够保持较高的强度和尺寸稳定性，但热模压成型过程中不加垫石墨纸的情况下，PI 容易和石墨模具内腔表面粘接在一起，脱模过程中会对其内表面造成破坏，同时还会对 PI制件造成污染。由于纯 PI 硬度高，韧性差，不易与光滑的金属表面发生粘结现象，所以本章试验中采用金属模具对 PI 轴瓦进行热压成型。

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结 论

本文利用真空热压设备实现了 PI 模塑粉的烧结成型，在大量探索试验的基础上对其成型工艺进行了优化。以热模压工艺参数为研究对象，开展正交试验，确定了工艺参数对 PI 力学性能的影响；通过评价不同工艺参数下成型 PI 试样的摩擦磨损性能，以及观察其磨损表面微观形貌，研究了成型工艺条件对 PI 摩擦学性能的影响；系统对比了不同载荷、滑动速度下 PI 的摩擦学性能，通过拟合运算研究了摩擦工况对 PI 摩擦学性能的影响规律；设计了 PI 轴瓦成型模具，成功制备出 PI 轴瓦，研究了配副表面粗糙度对其摩擦学性能的影响。主要得出的结论如下：
(1)正交试验结果显示成型温度、成型压力、保压时间对 PI 力学性能均有影响，其中成型温度为对力学性能的影响最为显著。通过对试验数据的非线性曲面拟合运算得出在 360~365℃、20MPa 和 30~35min 条件下成型的 PI 具有最佳拉伸性能；360~370℃、23~25MPa 和 30~35min 工艺条件下 PI 弯曲性能最佳。PI 最佳力学性能的成型工艺条件为：360~365℃，20~22MPa，30~35min。
(2)在 340~380℃温度范围内，较高的成型温度有利于提高 PI 的摩擦学性能，摩擦过程中能够形成稳定的粘流层，降低摩擦系数和磨损率。30~90min 时间范围内，延长保压时间能够提高大分子的取向度，显著提高耐磨性，但摩擦系数会随之增大。20MPa 成型压力成型 PI 制样摩擦性能较好，但磨损率较大，成型压力为 15 或 25MPa下 PI 则磨损率较小，摩擦系数较大。
(3)载荷 P 为 1.6MPa 时，随着滑动速度的增大摩擦系数呈线性减小，磨损率线性增大。高速和低速滑动下，PI 摩擦系数均随 P 的增大呈线性增大趋势。
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参考文献（略）