1、第14章 玻璃的成形玻璃的成形方法可以分为两类： 热塑成形和冷成形。后者包括物理成形（研磨和抛光）和化学成形（高硅氧的微孔玻璃）。通常把冷成形归属到玻璃的冷加工中，玻璃的成形是指热塑成形。14.1 概 述 玻璃的成形是熔融的玻璃液转变为具有固定几何形状制品的过程。玻璃必须在一定的温度范围内才能成形，在成形时，玻璃液除作机械运动外，还同周围介质进行连续的热传递。由于冷却和硬化，玻璃首先由粘性液态转变为可塑态，然后再转变成脆性固态。在成形过程中，机械作用和玻璃液在一定温度下的流变性质有关，玻璃液在外力(压力、拉力等)的影响下，使其内部各部分流动。 玻璃流变性质的最主要指标是玻璃的粘度、表面张力和弹
2、性。玻璃冷却和硬化，主要决定于它在成形中连续地同周围介质进行热传递。这种热现象受到传热过程的抑制与玻璃液本身及其周围介质的热物理性质(比热、导热率、透热性、传热系数)的影响。在生产过程中玻璃制品的成形过程分为成形和定形两个阶段，第一阶段赋予制品以一定的几何形状，第二阶段把制品的形状固定下来。玻璃的成形和定形是连续进行的，定形是成形的延续，但定形所需的时间比成形长。决定于成形阶段的因素是玻璃的流变性，即粘度、表面张力、可塑性、弹性以及这些性质的温度变化特征。决定于定形阶段的因素是玻璃的热性质和周围介质影响下的玻璃硬化速度。各种玻璃制品的成形工艺过程，一般是根据实际参数采用实验方法来确定的。14.
3、2 玻璃的性能对成形的作用14.2.1 玻璃液粘度对成形的作用粘度在玻璃制品的成形过程中起着重要作用，粘度随温度下降而增大的特性是玻璃制品成形和定形的基础。在高温范围内钠钙硅酸盐玻璃的粘度温度梯度较小，而在1000900之间，粘度增加很快，即粘度-温度梯度()突然增大、曲线变弯。在相同的温度区间内二种玻璃相比较，粘度温度梯度较大的称为短性玻璃；反之，称为长性玻璃。如图14-1所示。玻璃的成形温度范围选择在接近粘度-温度曲线的弯曲处，以保证玻璃具有自动定形的速度。玻璃的成形温度高于析晶温度区，如果成形过程冷却较快，粘度迅速增加，很快通过结晶区就能避免析晶。玻璃制品成形开始和终结时的粘度变化随玻璃
4、的组成、成形方法、制品尺寸大小和重量等是不相同的。成形开始时的粘度大约为101.5104Pas，如玻璃纤维开始成形的粘度为101.5102Pas，平板玻璃为101.5103Pas，玻璃瓶罐为101.75104Pas，(小型轻量瓶为 101.75Pas，大型重瓶为102.25Pas)，拉管及人工成形为103105Pas。成形的终了粘度为105107Pas。但是，概括来说，可以认为一般玻璃的形成范围为102106Pas。 图14-1玻璃液的粘度与温度的关系 图14-2 玻璃液的粘度与冷却时间的关系玻璃的粘度愈小，流变性就愈大。通过温度的控制，使玻璃的粘度改变，即可改变玻璃的流变性，以达到成形和定形
5、。玻璃的粘度-温度曲线，只能定性说明玻璃硬化速度的快慢，也就是只能说明成形制度的 快慢，而没有把时间因素考虑在内。为了把玻璃的粘度与成形机器的动作联系起来，玻璃的硬化采用粘度-时间曲线，即粘度的时间梯度()来定量地表示，如图14-2所示。利用玻璃粘度的可逆性，可以在成形过程中多次加热玻璃，使之反复达到所需要的成形粘度，以制造复杂的制品。在吹制成形中粘度还可以自动调节制品壁的厚薄。任何局部薄壁会立即引起这一区域的粘度提高，从而使玻璃变硬，造成对于吹制的拉伸抗力。厚壁部分温度较高、粘度较小，易于拉伸，最终使制品壁的厚薄比较均匀。玻璃的粘度是玻璃组成的函数，改变组成就可以改变玻璃的粘度及粘度的温度梯
6、度，使之适应于成形的温度制度。但是玻璃组成的改变影响到玻璃的其他性质发生变化，应当十分注意。14.2.2 玻璃的表面张力对成形的作用在成形过程中，表面张力也起着重要作用，表面张力表示表面的自由能使表面有尽量缩小的倾向，表面张力是温度和组成的函数。它在高温时作用速度快，而在低温或高粘度时作用速度缓慢。表面张力使自由的玻璃液滴成为球形，在不用模型吹制料泡和滴料供料机料滴形状的控制中，表面张力是控制的主要因素。14.2.3 弹性对成形的作用 玻璃在高温下是粘滞性液体，而在室温下则是弹性固体。当玻璃从高温冷却到室温时，首先粘度成倍地增长，然后开始成为弹性材料，然而粘性流动依然存在。继续冷却，粘度逐渐增
7、大到不能测量，就流动的观点来说，粘度已经没有意义。玻璃由液体变为弹性材料的范围，称为粘-弹性范围。弹性可以立即恢复因应力作用而引起的变形，粘性则在应力作用下开始使玻璃质点流动，直至应力消除为止，它是不能恢复应力作用的变性的。所以，弹性不随时间而变化，粘性则在应力消失前继续流动。温度高时粘度小，玻璃的流动过程能立即完成。只有在有粘性而没有弹性的情况下，成形的玻璃制品就不会产生永久应力。对瓶罐玻璃来说，粘度在106Pas下时为粘滞性液体，粘度为105或106Pas至1014Pas之间为粘-弹性材料，粘度为1015Pas以上时为弹性固体。所以粘度为105106Pas时，已经存在弹性作用了。在成形过程
8、中，如果维持玻璃为粘滞性形状，不管如何调节玻璃的流动，是不会产生缺陷的(如微裂纹等)。 在大多数玻璃成形过程中，可能已达到弹性发生作用的温度至少在制品的某些部位已接近于这样的温度。弹性及消除弹性影响所需的时间在成形操作中是很重要的，在成形的低温阶段，弹性与缺陷的产生是直接有关的。14.2.4 玻璃的比热、导热率、热膨胀、表面辐射强度和透热性对成形的作用 玻璃的热性质，是成形过程中影响热传递的主要因素，对玻璃的冷却速度以及成形的温度制度有极大的关系。 玻璃的比热决定着玻璃成形过程中需要放出的热量。玻璃的比热随温度的下降而下降。在高温时，瓶罐玻璃的比热不管是长性玻璃或短性玻璃，不随其组成发生明显的
9、变化。 玻璃的导热率表示在单位时间内的传热量。表面辐射强度用辐射系数来表征，透热性即为红外线和可见光的透过能力。玻璃的导热率、表面辐射强度和透热性愈大，冷却速度就愈快，成形速度也就愈快。玻璃的热膨胀或热收缩，以热膨胀系数表征。它与玻璃中应力的产生和制品尺寸的公差都有关系。液体玻璃的热膨胀比其在弹性范围内要大2至4倍，甚至5倍。瓶罐玻璃在室温下其线膨胀系数为9010-7/左右，在液态范围内则为200300 10-7/。在成形时，玻璃与模壁表面接触因冷却而发生收缩。在最冷点上，即玻璃的表面上收缩最大，而愈向玻璃内部，收缩就逐渐减小。这样，玻璃表面就存在着张应力。当玻璃仍处于液体状态时，由于质点流动
10、，应力马上消除。但当玻璃部分地到达弹性固体状态，同时模型表面因受热膨胀，玻璃制品的收缩和铸铁模型的膨胀约有1%2%的差值，这样就在成形的制品上产生残余应力，导致表面裂纹。因此在成形中应当考虑不产生缺陷的应力消除速度间题。由于玻璃的热收缩，应当注意成形时的允许公差及模型尺寸。在生产电真空玻璃或成形套料制品时，玻璃的热膨胀系数也是十分重要的。玻璃与玻璃的热膨胀系数应当匹配，玻璃与封接金属的热膨胀系数也要匹配，否则会出现应力而破裂。14.3 玻璃的成形制度玻璃的成形制度是指在成形各阶段的粘度-时间或温度-时间制度。由于制品的种类，成形方法与玻璃液的性质各不相同，在每一具体情况下，其成形制度也不相同，
11、而且要求精确和稳定。成形制度应使玻璃制品在成形过程中，各主要阶段的工序和持续时间同玻璃液的流变性质及表面热性质协调一致，以决定成形机的操作和节奏。在成形过程中玻璃液的粘度由热传递来决定。为了使制品成形的时间尽可能地短，出模时又不致变形，表面也不产生裂纹等缺陷，就必须控制和掌握热传递过程。因此，在确定成形制度之前，应当首先讨论玻璃在成形过程中的热传递。14.3.1 玻璃成形过程中的热传递在成形过程中玻璃中的热量要转移到冷却空气中去，对无模成形的玻璃制品，如平板玻璃、玻璃管、玻璃纤维等，其冷却介质只有空气，情况较为简单。用模型成形的玻璃制品，如瓶罐、器皿等空心制品，其冷却介质为模型，而模型的冷却介
12、质又为空气，情况较为复杂。这里我们只作一般定性地讨论。在模型中成形时，玻璃液中的热量主要由模型传递出去，以达到各阶段所需要的粘度。由于一般玻璃的体积比热小于金属模型(一般为铸铁)的体积比热，所以在模型中，玻璃的接触表面温度的降低很大，而模型内表面，温度的升高较小。又由于玻璃的热传导较差，所以同模型接触时，温度的降低主要限于玻璃极薄的表面层，其内部温度尚高，如图14-3所示。当玻璃与模型脱离后，由于内外层温差大，内部的热量向表面层进行着激烈的热传递，这时表面层对空气的传热却比较慢，使玻璃表面又重新加热。这种现象称为“重热”，是瓶罐等空心玻璃制品成形操作的基础。玻璃成形过程中的热传递，还应当考虑到
13、玻璃与模型、模型与空气的两个临界层。这两个临界层虽然很薄，但有较大的阻抗热流的作用。图14-4所示为雏形的物理量与热阻大小的关系。由玻璃内部而来的热量，从传热学上说，必须克服很大的热阻才能到达雏形的表面，这是由于玻璃的传热能力差所致。当热流到了玻璃与模型的临界层，就要受到相当大的阻抗。在模型中，热流相当容易地向模型外壁流动，但到了模型与空气的临界层，又会同样碰到阻抗。由于变化复杂，这两个临界层的热阻很难列出公式。由图可知:玻璃的热阻大，模型的热阻小，玻璃与金属的临界层热阻相当大。 图14-3 玻璃与铸铁的热传递 图14-4 雏形的物理量与热阻关系实际上，玻璃液与模型内表面接触时，由于骤冷，体积
14、有一定的收缩，使玻璃制品有脱离模型的倾向。因为重热，玻璃制品的表面再次软化膨胀，又与模型接触，再出现热传递。因此从玻璃制品表面经模型的热传递，可能是冷却重热反复地进行。这种热传递随时间而衰减，即临界层的热阻随时间而增大。在压制成形时玻璃液和模型的接触较好，其临界层的热阻的增量比吹制成形时热阻的增量小。由于玻璃液和模型的温差大，不论是压制或吹制，在制品成形开始时模型的热阻都很小，亦即热流的传递在成形开始时是很大的。由于玻璃的热传导能力很差，大量的热量是从玻璃表面层移去使之迅速冷却。若冷却进行得过快，就会在玻璃表面层中产生张应力，这就是制品出现裂纹和破裂的原因。从玻璃传递到模型的热流，受到几个因素
15、的影响，最重要的变数是玻璃的表面温度、模型内表面的温度以及玻璃同模型间的热阻。从玻璃方面来看，这种热阻是玻璃的表面粘度与成形中把玻璃压向模型的有效压力的函数。从模型方面来说，这种热阻可看作是模型表面粗糙度和淀积物的函数。由玻璃决定的因素是可以改变的，而模型表面温度，模型内表面性能以及成形时所用压力是可以控制的。为了得到良好的成形，务必尽一切办法来掌握这些可控制的因素。当玻璃和模型紧密接触时，热阻可以视为零。这时所传递的总热量Q与接触面积和接触时间的平方根之积成正比。Q=KAt1/2 （14-1）式中A为接触面积，t为接触时间，K为比例常数，传递的热量Q为t1/2的函数。所以要想把Q增大10%，
16、要么将接触面增大10%，要么将接触时间延长20%。在实际生产中，玻璃与模型几乎难以达到一种完善的接触。由于成形模接触面积大，而且在成形模中已过到定形阶段，为了求得最大的生产速度，只有延长成形模时间，而牺牲雏形模时间。在玻璃制品成形时，棱角和棱边的热传递也很重要。任何一个热物体以小的角度暴露在一冷物体的大角度下时，就会受到过强的冷却。吹-吹法成形时，在雏形吹制之前，紧靠装料线下面有一圈冷玻璃，这一部分玻璃在吹制雏形时不再消失，从而形成扑气箍。模型的接缝点在没有其他因素影响时有变冷的倾向，从而引起玻璃的不均匀降温。因此，在采用吹-吹法时，倒吹气开始得越早越好，而且使用柱形闷头是有利的。在采用压-吹
17、法时，使用不分部的雏形模(整体的雏形模)，可使温度分布均匀。14.3.2 玻璃的成形制度如上所述，对于不同的玻璃制品，不同的成形方法和不同的玻璃液性质，其成形制度是不相同的。在每一个具体成形情况下需要确定的工艺参数，是成形温度范围、各个操作工序的持续时间、冷却介质或模型的温度。玻璃液的粘度-时间曲线是确定成形制度的主要依据。而玻璃液的粘度-时间曲线，是在成形过程具体的热传递情况下，由玻璃的粘度-温度梯度（）和玻璃液的冷却速度（）来决定的。玻璃液的粘度-温度梯度与玻璃液的组成有关。玻璃液在成形过程中的冷却速度却受下列因素的影响：成形的玻璃制品的质量m和表面积S，玻璃的比热Cp，玻璃制品成形开始的
18、温度T1和成形终了的温度T2，玻璃的表面辐射强度(用辐射系数C表征)，玻璃的透热性(用在可见光谱红外区光能吸收系数K来表征)以及玻璃所接触的冷却介质(空气或模型)的温度。对微量玻璃来说，其冷却速度为: (14-2)于是，玻璃质量m的冷却时间t为: (14-3)式中，K为计算系数。玻璃的比热越小，表面积和辐射系数越大，系数K也越大。当系数K增大时，玻璃的冷却速度也就更快。系数K主要是根据所形成的玻璃制品形状，特别是值，外部介质的温度和玻璃着色的特性而变化的。在无色玻璃的冷却过程中，玻璃的化学组成对K的影响不大。图14-5所示为系数K与冷却介质温度的关系。这是指普通无色玻璃(含0.1%Fe2O3)
19、在空气中冷却以及等于3的条件下的情况。图14-5 系数K与接触的冷却介质温度的关系由图14-5可如在Tg温度或高于Tg温度时，K值急剧增大。当值改变时，要相应修改系数K值。例如当=3，在给定的温度下K值等于0.05，而当=0.5时，K=0.3。如玻璃在金属模型中成形，由于冷却介质由空气换成金属，从而改变了热传递的条件和辐射系数，在相应的温度下，系数K值将增大数倍。在金属模中成形时，玻璃液强烈地冷却不仅是由于K值的增大，而且也由于模型本身的蓄热能力较大所致。这样就缩短了成形过程中定形阶段的时间，使产量有所提高。玻璃瓶罐成形过程中热流传递速度对玻璃液冷却时间的影响如表14-1所示。表14-1 玻璃
20、瓶罐成形过程中热传递速度对玻璃液冷却时间的影响热流传递速度/（mm/s）与玻璃冷却时间相适应的1个瓶子的成形时间/s模型的生产能力即1h内生产的数量在铸铁模中在玻璃中2.30.21241502.70.251820030.2814.42503.20.30123003.50.3310.3350一般说来，各种有色玻璃较无色玻璃的系数K值为小。而且当玻璃中各种着色剂的含量达到1%时，K值会剧烈地减小25%50%。但是当着色剂的浓度增大时，K值的变化又不显著。主要着色剂对K值的影响顺序如下，CoOCuOCr2O3Fe2O3Mn2O3。制品的表面较其中部冷却和硬化要快得多，玻璃中部和距离为d处的温度差，同
21、距离的平方成正比，也就是说这一温度梯度可表示为： T= Tcp一Td= Bd2 （14-4）式中 Tcp制品中部的温度 Td制品d处的温度 B温度分布常数 d与制品中部的距离于是，按方程(14-3)，玻璃制品外表面层的冷却时间为： (14-5) 根据式（14-3）T2CP-T2d=Bd2,即：T2CP=T2dBd2 (14-6)式中 T1CP成形开始时中间层温度T2d成形终了时表面层的温度玻璃液中间层的冷却时间为： (14-7)式中 T2CP成形终了时中间层温度玻璃液中间层和表面层冷却到一定温度的时间差值，可以用时间梯度t表示(假如T2cp和T2d相近似)。 (14-8) (14-9)温度分布
22、常数B，主要决定于玻璃着色性质及着色程度，玻璃的辐射系数C和玻璃的透热性。有色玻璃的温度分布常数B值特别急剧地增大，也就是说急剧增大了表面层和中间层的温度梯度T和冷却的时间差t。表14-2列出了一些玻璃的B值，表面层冷却时间td值和温度梯度T值。表14-2 玻璃冷却时的B，td，T氧化物玻璃的组成/mass%123456789SiO24961.174.472.4972.570.9759.968.4959.9B2O31360.45.95.9Al2O30.641.671.663.433.1TiO20.080.040.07Fe2O30.070.130.120.161.57CaO7.610.2510.
23、248.578.94MgO1.830.172.80.34ZnO20BaO18.818.418.4Na2O4.715.9713.415.2813.84.615.354.6K2O189.44.615.354.6FeO2Mn2O32.3CoO2T/155120705055282280td/s1261179493B9126.415.817.5126d/mm13251616151425图14-6为在不同的冷却条件T(同周围介质的热传递)，温度分布常数B随玻璃的光能吸收系数K而变化的关系。成形的玻璃液在金属模型中冷却时，函数B=f(K)的值将位于图中直线2右侧的直线上(图中未画出)。对于一般钠钙镁铝硅酸盐
24、玻璃B值大约为2025。从式(14-8)和(14-9)可以认为，成形的玻璃制品壁厚d，对t值影响极大。当无色玻璃转为有色玻璃时，常数B显著增大，而系数K则减小。所以有色玻璃的内层冷却变硬较慢，而外层则大大加快。式(14-3)到(14-9)可以计算玻璃制品成形过程中冷却所需要的时间。利用这些方程式计算所得的函数T=f(t)值可以绘制成玻璃的温度d时间曲线，即玻璃的冷却曲线。此曲线同粘度-温度曲线一起，可进一步计算lg=f(t)的值，绘制成玻璃的粘度-时间曲线，即玻璃的硬化曲线，如图14-7所示。根据玻璃在成形过程中的温度-时间曲线或粘度-时间曲线，结合实际参数，就可以规定出相应的成形制度。 图1
25、4-6 玻璃中温度常数B同玻璃硬 图14-7 玻璃的温度与冷却化时辐射能吸收系数K的关系 时间的关系1在空气中 2在金属坩埚中 3在隔热介质的金属坩埚中规定玻璃液的成形温度范围，即工作粘度范围，是以玻璃液应具有完整成形的流动性，在外力作用下易于成形，有一定冷却硬化速度与不产生析晶相缺陷等来考虑的。如前所述，选择在玻璃的粘度-温度曲线的弯曲处。玻璃成形的工作粘度范围，根据不同的成形方法，制品的大小和重量而不相同。概括地说为102106Pas，一般工业玻璃其上限为5l02Pas或103 Pas，下限通常等于 4107Pas。小型玻璃制品，其成形的工作粘度范围小，大型制品的工作粘度范围大。“长性”玻
26、璃的粘度-温度梯度比“短性”玻璃的小，硬化速度较慢，因此其成形的工作粘度范围大，成形过程的持续时间长。在成形过程中如果成形机的结构不可改变，而玻璃制品成形各阶段的持续时间也不能调整，为了适应成形操作的特点与机速的要求，就需要改变玻璃的长短性，即改变玻璃的组成，使之适合。成形各阶段的持续时间，可以根据玻璃粘度-时间曲线的杜值，由相应的值，由相应的t值来确定。实际上各阶段的持续时间与玻璃的热传递密切相关，在给定的成形方法和给定的成形设备下应当考虑玻璃制品的重量与其表面积的比值（）、将玻璃压向模壁的有效压力，模型的材料、重量与冷却情况等。不同的玻璃成形机，其操作时间周期是不相同的。空心玻璃制品的成形
27、时间周期包括:供料入雏形模和形成雏形，雏形传递和重热，在成形模中成形和冷却制品以及取出制品等。每一个循环称为周期。雏形模和成形模周期在整个成形周期中占有相当的比例。由于雏形模和成形模的使用时间有一定的重叠，一个制品的成形时间周期和机器的操作时间周期是不相同的。后者比前者时间短。雏形模周期和成形模周期重叠的时间越多，模腔的生产效率越高。在雏形模中所形成的雏形温度，极大地控制着最后成形制品中玻璃的分布。在一定的模型温度制度下，雏形模与玻璃液的接触时间是十分重要的，既不能使玻璃冷却过度、过快，也不能使玻璃冷却不足，否则将会使制品厚薄不匀和产生表面缺陷。玻璃液的小，模型的重量大，模型材料传热快的，雏形
28、模的周期时间应当短，反之则长。雏形模周期和成形模周期之间，即在雏形模打开，雏形传送入成形模，直至在成形模中吹制制品之前，有一定的玻璃表面重热时间。重热对制品中玻璃的均匀分布和制品的表面质量都起着重要的作用。重热的时间随雏形玻璃表面温度下降的大小而变化。成形模周期控制着制品最后的形状和使玻璃硬化至制品从模中取出时不致变形。成形模周期应当与玻璃的硬化速度相适应，不能太慢、太快，太慢将影响产量，太快会使制品产生表面缺陷。模型的温度制度也是成形制度的一个重要方面。除了冷的衬碳模外，在成形之前，模型应加热到适当的操作温度。在成形过程中，模型从玻璃中吸取并积蓄热量，同时藉辐射和对流又将热量传递给模外的冷却
29、介质。这时玻璃表面被冷却硬化。从冷模型加热到操作温度稳定所需要的操作时间与模型的厚度有关。在压-吹法中，厚2cm的模型约为20min，而厚4cm的模型约为40min。模型内表面随着与玻璃的接触和脱离，温度呈周期性变化。为了维持稳定的操作温度，模型从玻璃中吸取的热量和散失到冷却介质中的热量必须相等。这样，模型的外表面和距外表面一定距离的模壁处，温度应当稳定。实验数据说明，在距离模型内表面1cm处，其温度波动已不显著。也就是说模型的内表面及其邻近处为不稳定的传热带。它积蓄热量，又称蓄热带，而其内部和外表面则为稳定的传热带，不积蓄热量。铸铁的雏形模和成形模的温度分布见图14-8。r为模型的半径座标，
30、a为瓶子的半径座标。r/a=l为模型内表面。图14-8 铸铁雏形模和成形模的温度分布模型的厚度对模型的温度制度影响较大。厚度不足时，稳定的传热带缩小，甚至完全不存在，温度的波动将扩展到模型的外表面。在这种情况下，模型的温度制度即变为不稳定，甚至模型外面的冷却条件发生变化时，也影响到模型的温度制度随着变化。所以在实际上模型的厚度应比模型的蓄热带的厚度大50%到1倍左右。厚壁模型操作可靠，不要求特别严格地调整外部冷却条件。但是过厚的模型，由于蓄热量太大，可能使模型达不到合适的操作温度。相反，薄壁模型受热较快，蓄热能力小，要求较高的成形速度或更精细地调整冷却制度。模型的内表面温度变化范围的大小，直接
31、影响着成形的玻璃制品的质量。变化的范围越大，制品的表面质量越差，特别是模型内表面温度低时不可避免地会使玻璃表面形成裂纹和锻纹。按一般情况，用吹-吹法制造瓶子时，雏形模的表面温度变化范围为 5080。模型温度较高时，玻璃制品表面质量较好，制品中玻璃的分布也较为均匀。模型允许的上限温度决定于玻璃的性质，玻璃液的温度和模型材料，主要以不使玻璃粘附在模型上为原则。雏形模和成形模的温度制度指标，如表14-3所示。表14-3 模型的温度制度指标模型向周围大气中的热辐射强度/(W/m2)模型温度/在模壁截面上温度差/玻璃料与模型接触时的冷却程度/内表面外表面雏形模1214.17255863005001402
32、201602803070成形模348908558545058020030025028015025014.4 玻璃的成形方法由于玻璃的粘度与表面张力随温度而变化，玻璃的成形和定形连续进行的特点，使得玻璃能接受各种各样的成形方法。这是玻璃与其他材料不同的重要性质之一。最早的玻璃制品是用人工捏塑的，大约在一世纪时发明了吹管，也因为当时玻璃的熔制温度已经较过去有所提高，才出现了吹制的成形方法。目前人工成形方法和中世纪时仍然基本相同。随着机械工业的发展，玻璃成形首先发展为半机械化，到二十世纪初才进一步发展为机械化。现在已达到用计算机完全自动控制的程度。根据玻璃制品形状和大小的不同，可以选择最方便和最经济
33、的成形方法。主要的成形方法有压制法、吹制法、拉制法、压延法、浇注法与烧结法等。本节除人工成形方法外，机械成形方法以玻璃的产品类型分类介绍玻璃的成形方法。主要介绍管玻璃、瓶罐玻璃以及平板玻璃的成形方法。14.4.1 人工成形玻璃制品的人工成形法包括部分半机械成形。目前多用于制造高级器皿、艺术玻璃以及特殊形状的制品。人工成形法主要为人工吹制、自由成形(无模成形)、人工拉制与人工压制等。（1） 人工吹制人工吹制所使用的主要工具是吹管和表面涂附含碳物质的衬碳模。吹管是一根空心的铁管。它与玻璃液接触的一端称为挑料端，目前常用镍铬合金制成。吹管长约1.2至1.5m，直径一般为18mm至25mm，随所挑取的
34、玻璃液量而增大。中心孔径约为5至6mm。挑料端焊接在吹管的端头，挑料量多时，挑料端应较厚，直径也应较大。衬碳模又称冷模或转吹模。它是在铸铁模型表面上，以干性油（如亚麻仁油、桐油等）为粘合剂，用不同的方法涂附烟炲、软木粉、细焦碳粉等，加热使之牢固，并挑取一团热玻璃将表面打光滑。这种模子在使用时用水冷却。在模中吹制制品时要使料泡旋转。由于这种模子兼具碳模和铸铁模的优点，特别是在吹制时，料泡和模型表面间形成气垫，便于料泡转动，制品表面比较光滑接近于火抛光的表面，而且制品的尺寸也比较精确。人工吹制的主要工序为挑料、吹小泡、吹制、加工等。 挑料 人工成形的玻璃液在坩埚炉或小型池窑中熔制。玻璃液必须从澄清
35、温度冷却200300，以达到可以用吹管蘸料，即玻璃液的粘度为102.2 Pas以上的温度。挑料前应当将吹管加热至适当温度以便于粘住玻璃液。但是，温度不能过高，否则吹管的挑料端会受侵蚀而污染玻璃。挑料时将吹管斜插在玻璃液面以下稍许，在吹管不断地旋转下于挑料端卷上一定分量的玻璃液。同一种制品，每次挑料量应当相同，然后在不断旋转下取出吹管，进行吹小泡的操作。为了取得较为洁净的玻璃液，常采用粘土耐火材料环放置在坩埚的玻璃液面上(由于粘土耐火材料的比重比玻璃液小，它会自然漂浮在玻璃液上)。这种耐火材料环称为“浮环”或“甏圈”，以阻止玻璃液中浮渣等杂质进入环内，挑料时即在环中蘸料。小型池窑的取料口，常装有
36、无底的靴形坩埚。熔好的玻璃液从坩埚底下流入，而浮渣等却隔离在坩埚外面。无底坩埚还可以隔断取料口处火陷向外喷出，以保护工人的操作安全。 吹小泡 将上述挑好料的吹管取出炉外后，在金属或木制平板(滚料板)或滚料碗(俗称铁碗)中滚压玻璃液，使所挑的玻璃料具有一定的形状，平滑的表面，对称的玻璃分布和达到吹制所需的粘度。然后吹口气，使它成为中空的厚壁小泡。如果是吹制大形制品，还需要在吹成的小泡上进行第二次挑料，第三次挑料，每次挑料后都要在滚料板或滚料碗上进行滚压，并借吹气使小泡吹成球形或胀大，使壁变薄等；旋转吹管使小泡壁厚对称；垂直向上放置小泡使小泡底部变薄，上部变厚；摆动吹管使小泡变长等，最后使小泡的形
37、状接近于模腔的形状。其体积约为模腔的70%80%，这时的小泡也称为料泡。 吹制 将料泡放入衬碳模中，入模前，模型用冷水冷却，在不停地转动下，吹气使料泡胀大成为制品。在继续旋转下直至吹成的制品冷却硬化不致变形时取出模外。然后击脱吹管进行修饰。在一般情况下将击脱的制品送去退火，退火后再进行割口、烘口等加工处理。 加工 加工或称修饰。在某些情况下，须要在成形时把口部做好。这时，用另一支吹管，在挑料端做成一个玻璃小盘(称为顶盘)，把吹成的制品从底部粘在顶盘上。有时，也用特制的夹子夹住制品，然后击脱吹制用的吹管，在坩埚或烧口炉上重新加热制品，用剪刀剪齐口部。在转动下，用夹子或样模使制品口部圆滑(称为“圆
38、口”)。有时还需要在制品上粘把，贴花等，最后，将制品送去退火。人工吹制玻璃杯各工序的示意图如图14-9所示。图14-9 人工吹杯示意图(2) 自由成形不用模型，仅使用一些特制的工具，如钳子、剪刀、镊子、夹子、夹板、样模等将玻璃液直接制成制品，主要用于艺术制品的生产(窑玻璃)，而且是其他方法所不能取代的。在自由成形时，玻璃常需要反复加热，而且往往是用多种玻璃结合起来成形的。因此要注意玻璃的析晶倾向和热膨胀系数。(3) 人工拉制人工拉制主要是指拉制玻璃管(或玻璃棒)的成形方法，它是从吹制法中产生出来的。主要工序和吹制法相似，即，挑料、滚料、做料泡、拉管。由于拉制玻璃管时需要的玻璃料较多，挑料必须分
39、几次进行。做成料泡后，粘结在顶盘上，在不断地吹气下，以一定的速度拉制成玻璃管。其操作示意图如图14-10所示。 图14-10 人工拉玻璃管示意图 图14-11 压制法的成形部件1模型 2冲头 3模环拉制圆管时，料泡做成园柱形；拉制三角形玻璃管时 (如体温计玻璃管)料泡做成长的三角柱形)；拉制玻璃棒时，挑料、滚料后做成一个实心的料团，粘结在顶盘上，拉制成棒。(4) 人工压制人工压制是比较古老的成形，在目前实际上是属于半机械的成形方法。它从挑料、剪料起直至压制、脱模等均借人力操作。它的成形部件主要是模型、冲头和模环，如图14-11所示。用实心的铁制挑料杆挑料，挑料杆的端头常包有粘土耐火材料团，以避
40、免铁杆长期与玻璃液接触受到侵蚀，同时也可以增大端头与玻璃的接触面积，便于挑起大量的玻璃料来。挑起的玻璃料不用滚压，直接在模型上用剪刀剪取一定量使之落入模内，然后放上模环，将模型推至冲头下面，使冲头下压进入模中。这时玻璃液即充满模型，在冲头与模环的空间，形成了制品。冲头应在模中停放一定时间，使制品达到一定硬化程度不会变形时，抬起冲头，将模型推出并取出制品送往退火。为了提高表面质量，取出的制品有时尚要进行火法抛光再送往退火。在成形时，模型、冲头和模环都要保持一定的温度制度。为此常常需要更换模子和用水冷却冲头。人工压制中，辅助动作所消耗的时间比压制过程本身要多几倍，生产效率低。14.4.2 玻璃管的
41、成形方法管玻璃（又称玻璃管）的机械成形方法有水平拉管和垂直引上（或引下）两类方法。水平拉制有丹纳法和维罗法。垂直引上法分有槽的和无槽的两种14.4.2.1 丹纳法丹纳拉管法可以制造外径270mm的玻璃管。主要用以生产安碚瓶、日光灯，霓红灯等所用的薄壁玻璃管。玻璃液从池窑的工作部经流槽流出，由闸砖控制其流量。流出的玻璃液呈带状落绕在耐火材料的旋转管上。旋转臂上端直径大，下端直径小，并以一定的倾斜角装在机头上，由中心钢管连续送入空气。旋转管以净化煤气加热。在不停地旋转下，玻璃液从上端流到下端形成管根。管根被拉成玻璃管，经石棉辊道引入拉管机种。拉管机的上下两组环链夹持玻璃管使之连续拉出，并按一定长度
42、截断。图14-12为丹纳拉管法示意图。 图14-12 丹纳拉管法示意图 图14-13 维罗拉管法示意图14.4.2.2 维罗法维罗法的玻璃液从漏料孔中流出，在漏料孔的中心有空心的耐火材料和耐热合金管，通入压缩空气使玻璃成为管状。当玻璃管下降到一定位置时，即放在石棉辊道上。用与丹纳法相同的拉管机拉制。拉制速度随外径及管壁厚度的增加而降低；并与玻璃的化学组成和硬化速度有关，一般为2140m/min。图14-13为维罗拉管法示意图。14.4.2.3 垂直引上法垂直引上法可以拉制薄壁和厚壁的管道，而主要用于拉制厚壁工业管道。垂直有槽引上法的设备由引上机(拉管机)和槽子砖所组成。拉制的方法是采用“抓子”
43、从槽子砖内拉出玻璃管，再送入引上机内。根据管壁厚薄和直径的不同，调整引上机的速度，愈厚引上速度愈慢。当管子拉到顶端时，玻璃管按需要的长度割断，放到收集玻璃管的槽子里。图14-14为有槽引上拉管工作示意图。用这种方法引上玻璃管的直径范围为230mm；每根管的引上速度为1.520m/min。 图14-14 有槽引上拉管工作示意图 图14-15 垂直引下拉玻璃管示意图 1料槽 2料盆 3料碗 4吹气头 5料筒 6牵引机 7机械截管垂直无槽引上法的要点是由作业室中自由液面引上玻璃管，玻璃液是从池窑作业部沿通路流入。引上薄壁玻璃管的直径范围为440mm，引上速度为612m/min。引上厚壁玻璃管道的直径
44、范围约为50170mm。引上速度一般约为0.72.5 m/min。14.4.2.4 垂直引下法垂直引下拉管法具有设备简单，改换品种时操作简便，配上转绕机，可以直接生产蛇形管等优点，能生产直径为1in、2in、3in厚壁玻璃管以及外径为8100mm的仪器用管。玻璃液垂直引下拉管机由供料机和牵引机两部分组成。供料机安装在与池窑相连接的料槽上，牵引机则单独安装在供料机下面的工作台上。澄清了的玻璃液由料槽1流向供料机的料盆2，通过料盆底部的料碗3，顺着装在料盆中心的吹气头4往下流。流料量由料筒5控制。压缩空气由吹气头中心的耐热钢管吹入。这样，根据产品规格，按照一定的温度和进气量以及料碗、吹气头、机速之间的一定比例，经过牵引机6，就可以拉出各种规格的玻璃管。最后用机
