塑料模具的快速制造技術(shù)詳細(xì)探討
/ 2021/6/5 15:41:11
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鋅基合金
塑料模具快速制造的工藝路線(xiàn)從塑料產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)3D設(shè)計(jì)到鋅基合金
模具快速制造的工藝流程。
產(chǎn)品原型和硅橡肢模的獲得塑料產(chǎn)品的原型在華中科技大學(xué)研制的HRP-3型薄材疊層制造(LOM)快速成形機(jī)上制造。首先用Pro-E或UG軟件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行3D設(shè)計(jì)，然后沿高度方向分層離散生成層面切片信息，輸入快速成形機(jī)中。LOM機(jī)根據(jù)零件的層面輪廓信息切割涂有熱融膠的紙，并用加熱輥逐層粘貼，最后去除廢料并經(jīng)處理后得到產(chǎn)品的紙質(zhì)原型。與其他快速成形方法相比，LOM原型的成形速度快、材料成本低，處理后成形精度和表面質(zhì)量較高。
將經(jīng)過(guò)表面處理的紙型作為硅橡膠模的母模，置入?？?。采用進(jìn)口的無(wú)收縮硅橡膠與硬化劑均混合后澆入模框，放入真空注型機(jī)中進(jìn)行脫泡處理。
取出后室溫下放置24h，待硅橡膠完全硬化，按照預(yù)先設(shè)定的分模面剖開(kāi)硅橡膠，得到產(chǎn)品的硅橡膠模具硅橡膠模與最終需要獲得的金屬模具具有同樣的形狀。由于其良好的彈性，作為制作金屬模具的中間過(guò)渡模非常合適。硅橡膠模的復(fù)映性很好，能夠復(fù)制原型上非常細(xì)微的部分，減少了中間轉(zhuǎn)制過(guò)程對(duì)形狀和尺寸精度的損失，對(duì)塑料產(chǎn)品的模具制作更加有利。硅橡膠具有的強(qiáng)度完全可以經(jīng)受后期鑄造工藝的造型操作，而且脫模非常容易，能夠作為母模制造多副模具，是鑄造用中間模的理想材料。
模具的快速鑄造鑄型的制作是模具快速制作工藝中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，一方面鑄型要違禁詞限度地保持原型的形狀、精度和表面質(zhì)量;另一方面又要滿(mǎn)足后續(xù)鑄造工藝的要求，減少鑄造缺陷發(fā)生的幾率，從而提高鑄件的質(zhì)量。與硅橡膠模配合進(jìn)行快速鑄造的工藝有石膏型、陶瓷型、轉(zhuǎn)移涂料法等。陶瓷型鑄造成本高，工藝復(fù)雜，較難掌握。石膏型制作方便，但鑄型強(qiáng)度低，金屬液凝固速度慢，容易出現(xiàn)縮孔等鑄造缺陷。
因此我們采用轉(zhuǎn)移涂料法進(jìn)行快速鑄型轉(zhuǎn)制，其工藝原理。
轉(zhuǎn)移涂料法造型的工藝原理在硅橡膠模的表面噴涂一層自硬轉(zhuǎn)移涂料，在涂層硬化之前迅速在涂層背面填水玻璃砂并緊實(shí)，吹CO2硬化。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，待涂層硬化后，取出硅橡膠模，獲得復(fù)制了硅橡膠模表面特征的轉(zhuǎn)移涂料鑄型，鑄型烘干后即可用來(lái)澆注金屬液。由于起模后涂料由硅橡膠模表面轉(zhuǎn)移到砂型表面，涂層不占據(jù)型腔的有效空間，所以模具的尺寸精度大大提高，而且由細(xì)粉料配制的涂料硬化后可以精確復(fù)制原型的表面形狀，精度和表面粗糙度都較好。涂層只是在與模具接觸的表面涂覆薄薄的一層，因此鑄型的制作成本降低，生產(chǎn)率提高，而且同石膏型和陶瓷型相比，鑄型的強(qiáng)度高，工藝大大簡(jiǎn)化。
轉(zhuǎn)移涂料由耐火粉料、粘結(jié)劑、硬化劑組成。涂料的骨料是由幾種不同粒度、不同成分的耐火粉料混合而成，以達(dá)到最佳的涂料密度以及鑄型的表面粗糙度和透氣性，同時(shí)加入適量的石墨粉改善起模性能、減少鑄型表面裂紋。粘結(jié)劑用自硬型水玻璃，加入適量的水使涂料的涂掛性能和刷涂性能更好。
將硅橡膠模的表面噴一層薄薄的脫模劑。計(jì)算需要的涂料量，用噴槍將涂料均勻噴涂在硅橡膠模的表面，然后在涂層上迅速填充水玻璃砂，緊實(shí)后吹CO2硬化。經(jīng)半個(gè)小時(shí)到一個(gè)小時(shí)，涂層硬化達(dá)到足夠的強(qiáng)度后即可起模，這時(shí)涂層就能順利地由硅橡膠模表面轉(zhuǎn)移到砂型的表面，起模容易，表面光滑。再在烘箱中經(jīng)80~120c烘烤數(shù)小時(shí)即可合型澆注。
用來(lái)鑄造金屬模具的鋅基合金的主要成分為：Al8.20%鋁、51%的A-Cu中間合金和純鎂配制。在電阻爐中熔化配制鋅基合金，鑄型的預(yù)熱溫度是120C，鋅基合金的澆注溫度是495~505C.鑄件凝固后，清理去除澆冒口，打磨拋光后即可獲得需要的鋅基合金塑料模具。利用本工藝制作了汽車(chē)塑料燈罩鋅基合金模具。
討論鋅基合金塑料模具的制作過(guò)程包括4個(gè)工藝環(huán)節(jié)：①模具的計(jì)算機(jī)三維模型LOM原型;②LOM原型※硅橡膠模;③硅橡膠?！D(zhuǎn)移涂料鑄型;④轉(zhuǎn)移涂料鑄型※鋅基合金模具。
各個(gè)轉(zhuǎn)制環(huán)節(jié)都會(huì)對(duì)模具的尺寸精度造成損失，從三維模型到模具之間的尺寸誤差是整個(gè)工藝過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)所產(chǎn)生誤差的綜合結(jié)果。
LOM紙型的制作涉及CAD實(shí)體造型的數(shù)據(jù)處理、LOM機(jī)制作原型工藝、原型的后處理等環(huán)節(jié)。
3D模型的切片和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理，以及紙型制作過(guò)程中激光頭的運(yùn)動(dòng)和激光光斑直徑對(duì)尺寸精度的影響，可以通過(guò)軟件的補(bǔ)償加以解決，但是疊層紙形成的臺(tái)階狀粗糙表面需要進(jìn)行表面打磨和處理以獲得表面光潔的原型。因此，三維模型到紙型的誤差主要是在紙型的后期精整和表面處理過(guò)程中產(chǎn)生的。
LOM原型轉(zhuǎn)制硅橡膠模過(guò)程尺寸的變化非常小，由于彈性的作用，呈略微膨脹的趨勢(shì)。轉(zhuǎn)移涂料鑄型由于是在硅橡膠模表面硬化后取模，精確度較高，而且涂料所用耐火粉料在合適的粒度分布下熱物理性能穩(wěn)定，但烘烤過(guò)程中逐漸失水會(huì)導(dǎo)致整體尺寸的少量收縮。
鋅基合金鑄造成形對(duì)模具精度的影響主要是收縮造成的尺寸變小。試驗(yàn)中采用的鋅基合金的自由線(xiàn)收縮率為1.1%左右，但是鑄件的實(shí)際尺寸收縮率在鑄型中受到凝固收縮受阻的影響，其變化還與鑄件的形狀、壁厚和澆注溫度等鑄造條件有關(guān)。通過(guò)對(duì)工藝過(guò)程中尺寸精度的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)合金鑄造過(guò)程的尺寸變化率遠(yuǎn)大于其他環(huán)節(jié)，對(duì)模具的精度影響最顯著。模具制作過(guò)程中尺寸變化絕大部分是鋅基合金的凝固收縮造成的。
根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和分析，了解鋅基合金模具的快速制作過(guò)程中各環(huán)節(jié)的尺寸精度變化規(guī)律，進(jìn)行歸納和預(yù)測(cè)，將尺寸修正量反饋到計(jì)算機(jī)3D模型的設(shè)計(jì)中，就能控制模具的尺寸精度，獲得高精度的鋅基合金模具。
用鋅基合金制作的模具具有良好的綜合性能，在制模周期、成本價(jià)格、模具性能、制作工藝和環(huán)境保護(hù)等方面都具有一定的優(yōu)勢(shì)，與同類(lèi)鋼模相比，制模周期和成本價(jià)格都要減少30%~40%，是一種快速經(jīng)濟(jì)的制模材料。另外，鋅基合金模具還具有下列優(yōu)點(diǎn)：①熔化溫度低，鑄造簡(jiǎn)單，短時(shí)間內(nèi)就能得到高精度的鑄件;②合金流動(dòng)性好，復(fù)映性能佳，易于獲得光潔型腔和復(fù)雜型腔;③加工性能好，優(yōu)于鋁合金，工時(shí)少于鋼模;④材料可重熔回用，
模具材料費(fèi)低，符合可持續(xù)發(fā)展的需要。傳統(tǒng)的ZAS鋅基合金模具合金成分為4%Al、3%Cu為亞共晶組織。由富鋅n相、二元和三元共晶組成。n相溶鋁量小，固溶強(qiáng)化效果差，合金難以獲得高的機(jī)械性能。針對(duì)ZAS鋅基合金模具合金的機(jī)械強(qiáng)度不高、耐熱耐磨性差的缺陷，開(kāi)發(fā)了新型鋅基合金模具合金，成分為：。
5%~9.5%Al、6.8%~7.5%Cu。當(dāng)鋁含量大于5%(Zn-Al共晶點(diǎn))時(shí)，鋅鋁合金的組織由富鋁a相和共晶組織組成，a相溶鋁量高，固溶強(qiáng)化效果好，合金的機(jī)械性能也得到提高。因此，這種新的合金既有較高的強(qiáng)度和較好的耐熱性，又有較好的鑄造工藝性能，合金的機(jī)械性能為：抗拉強(qiáng)度330~410MPa，硬度135快速成形技術(shù)的特點(diǎn)是“快”相應(yīng)于鋅基合金制模時(shí)間短的特點(diǎn)，二者結(jié)合可以使塑料模的制作時(shí)間大大縮短，使塑料新產(chǎn)品推向市場(chǎng)的時(shí)間大大加快。在模具種類(lèi)和工作條件選擇合適的情況下，鋅基合金模具材料可以實(shí)現(xiàn)快速原型到快速模具的迅速轉(zhuǎn)換，大大提高企業(yè)對(duì)市場(chǎng)的快速反應(yīng)能力。
結(jié)束語(yǔ)：用LOM原型結(jié)合精密鑄造技術(shù)開(kāi)發(fā)的這種塑料模具快速制作技術(shù)，非常適合于小批量試制件和樣品零件的快速制作，還可以用來(lái)對(duì)產(chǎn)品個(gè)別損壞零件的替換，例如本文制作的汽車(chē)前燈罩就是滿(mǎn)足汽車(chē)修配部門(mén)的急需，節(jié)省時(shí)間和物力財(cái)力。但是這種工藝不太適合于要求精確成形的模具，對(duì)具有精細(xì)部分的塑料模，需要結(jié)合機(jī)械加工等其他工藝方法制造。
未來(lái)市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品制造的需求將呈現(xiàn)快速、多樣、小批量的發(fā)展趨勢(shì)，以快速成形技術(shù)結(jié)合鋅基合金快速制作塑料模具的技術(shù)將具有極大的發(fā)展?jié)摿?，其市?chǎng)前景十分廣闊。
