基于快速成型的金属树脂模具快速制造技术

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基于快速成型的金属树脂模具快速制造技术
介绍了适合于多品种、小批量农业机械生产的基于快速成型的金属树脂模具快速制造技术，包括金属树脂模具材料的研究，金属树脂模具快速制造过程、关键工序分析以及快速制模方法的特点。
" _0 Z9 [) j8 D( a, G/ q' C" a+ Q- v关键词: 机械制造工艺与设备；金属树脂模具；快速成型；原型零件；材料性能

前言

5 Y7 X4 J5 `( h( t. i9 z快速成型技术(Rap id p ro to typ ing，简称RP) 是20 世纪80 年代末期才开始商品化的一种高新制造技术，被称为自60 年代数控技术以来制造业的一次革命，在世界各地的各个行业得到了广泛应用，同时派生出了一个全新的领域——快速模具制造，以供快速、批量生产塑料件或金属件。作者研究基于快速成型的金属树脂模具快速制造技术，以实现农业机械中金属拉延件和塑料件的快速制造。

' ]$ [) V! T, }- H- R9 Q/ R1 快速成型原理及原型零件制造

快速成型原理为分层叠加制造，本文以液态光敏聚合物选择性固化(简称SLA ) 为例说明快速成型原理及原型零件的制造过程。如图1 所示，液槽中盛满液态光敏树脂，激光束在偏转镜作用下，在液态表面扫描，扫描的轨迹及光线均由计算机控制，光点打到的地方，液体就固化。成型开始时，工作平台在液面下一确定的深度，聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描，即逐点固化。当一层扫描完成后，未被照射的地方仍是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，刮平器将粘度较大的树脂液面刮平，再进行下一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上。如此重复直到整个零件制造完毕，便可从液槽中取出一个分层制造的三维实体零件，也就是原型零件[ 1 ]。快速成型技术具有以下特点: ①成型速度快，从CAD 设计到原型零件制成，一般只需几个小时至几十个小时。②设计制造一体化，CAD 和CAM 能够很好地结合。③自由成型制造，自由的含义: 一是指可以根据零件的形状，无须专用工具的限制而自由地成型，二是指不受零件形状复杂程度限制。④高度柔性，仅需改变CAD 模型，重新调整和设置参数即可生产出不同形状的零件模型。⑤技术高度集成，带有鲜明的时代特征。⑥制造成本与零件的复杂程度基本无关。

图1SLA 快速成型系统原理图
& f5 N* C3 V  W% M1. 原型零件2. 紫外激光3. 光敏树脂4. 液面5. 刮平器6. 升降台

& P1 w+ h& Q* t5 G6 \5 E2 金属树脂模具材料的配方

环氧树脂应用相当广泛，其特点是固化反应过程中不释放低分子产物，固化物收缩率小，成型压力低，而且固化强度高，尺寸稳定，较耐高温，较为适合转化快速原型零件为金属树脂模具过程的要求。以金属粉末和环氧树脂为基料，作者研究了不同添加剂对金属树脂材料性能的影响，各种金属树脂模具材料的配方如表1 所示。

按表1 配方将称量好的环氧树脂倒入容器，加入稀释剂和金属粉末，充分搅拌均匀，加入适量固化剂和其他添加剂(有的不加)。不断搅拌，待充分混合均匀后倒入成型模具中成型，脱模后置于恒温箱中充分固化。制得各种标准试样，然后进行性能测试，配方试样的性能测试值如表2、表3 所示，性能测试结果分析如下。

(1) 硬度

从表2 可以看出试样5、6 的硬度最大，而其他几种试样的硬度相差不大，这可能是因为试样5、6所用环氧树脂不同，其固化物的分子链刚性较大的缘故。同时，环氧树脂的相对含量也是影响硬度的主要因素，从试样1、2、3 的硬度大小可看出这一点。

2 x# q. V( J- r+ C4 K# D* [(2) 磨损性能
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从表2 可以看出，试样1 磨损体积最大，耐磨性最差。而试样4 磨损体积最小，仅为11441 mm 3，说明其耐磨性最好，用作模具材料较为适宜。

(3) 拉伸强度

由表2 可以看出，试样1 的拉伸强度最小，这可能与试样1 所用铝粉较多、环氧树脂相对用量减小有关。而试样3 则因用的是铜粉，其密度大，在金属树脂中占有体积小，环氧树脂相对用量较多，故其结合紧密，拉伸强度最高。试样2、4、5、6 的拉伸强度相差不是很大。由此表明，金属粉末的品种和含量是影响拉伸强度的主要因素。

: C9 G5 a$ C8 G& ^(4) 线胀系数
- f% o6 K4 s* ^0 ?4 @" [在相同条件下，对3 种金属树脂试样2、4、5 进行了热膨胀性能分析，在25～ 200℃范围内，得到它们的TMA 曲线的特征数据见表3 。从表3 可以看出，3 种试样的线胀系数在25～ 200℃相差不是很大。但在不同的温度范围内，它们的线胀系数相差悬殊，试样2 在55.3～ 82.5℃膨胀最快，而在82.5～200℃膨胀速度明显减缓。由此表明试样2 适于在此温度范围内使用，其膨胀幅度不会很大。试样4 在151.8～ 157.5℃膨胀极为迅速，线胀系数高达4.855×10- 3/K，而在25～ 151.8℃时，其膨胀却较为缓慢，当温度升高至157.5℃ 时突然收缩，这可能是因为试样4 固化不完全，当温度升高时发生固化收缩所致。试样5 在25～ 200℃膨胀速度相差不大，开始较为迅速，在25～ 75.5℃时线胀系数为2.428×10- 4/K，升至7515℃ 时出现一段水平线，达到92. 8℃时重新开始膨胀，到200℃时线胀系数为4.275×10-5/K。由此表明，在25～ 200℃温度范围内用试样5 作模具材料膨胀幅度不大。
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从以上的分析可以得到以下结论:

(1) 对于以环氧树脂和金属粉末为基料的金属树脂材料，材料中的环氧树脂、固化剂、金属粉末等是影响材料性能的直接因素。
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7 Q( U  b" u4 T(2) 在试样配方中，试样5 硬度高，强度适中，且在25～ 200℃时线胀系数不大，较为适合用作金属树脂模具的材料，可用做低熔点塑料模具材料; 试样4、6 比较适合用做拉伸模。

3 制模过程

6 x! y  o8 t* n, S基于RP 技术的金属树脂模具快速制造工艺参见文献[2 ]，制模过程分析如下。
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3 w# c2 t, I5 o& g) g4 n0 T(1) 设计制作原型。首先按照前述RP 原型的设计制作原则，利用快速成型技术设计制作模具原型零件。

(2) 原型表面处理。原型表面必须进行光整处理，采用刮腻子、打磨等方法，尽可能提高原型光洁度，然后涂刷聚氨脂漆2～ 3 遍，使其表面达到一定的光洁度。
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( {$ ~! V5 j; O, T3 s9 b(3) 设计制作金属模框。根据原型的大小和模具结构设计制作模框。模框的作用: 一是在浇注树脂混合料时防止混合料外溢; 二是在树脂固化后模框与树脂粘结在一起形成模具，金属模框对树脂固化体起强化和支撑的作用。模框的长和宽应比原型尺寸放大一些，一般原型放到模框内，模框内腔与原型的间隔应在40～ 60 mm ，如图2 所示。高度亦应适当考虑。浇注时模框表面要用四氯化碳清洗，去除油污、铁锈、杂物，以使环氧树脂固化体能与模框结合牢固。
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+ c& j3 ^9 p9 h4 Z' ?(4) 选择和完善分型面。无论是浇注金属环氧树脂模具还是考虑用模具生产产品，都要合理选择模具的分型面。这不仅为脱模提供方便，而且是提高产品质量、尽可能减少重复修整工作等必须考虑的技术措施。另外，严禁出现倒拔模斜度，以免出现无法脱模等现象。

0 Y2 e# S/ e2 h" _! g+ p. X8 P(5) 上脱模剂。选用适当的脱模剂，在原型的外表面(包括分型面)、平板上均匀、细致地喷涂脱模剂。
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(6) 涂刷模具胶衣树脂。把原型和模框放置在平板上，原型和模框之间的间隙要调整一致。将模具胶衣树脂按一定的配方比例，先后与促进剂、催化剂、固化剂混合搅拌均匀，即可用硬细毛刷等工具将胶衣树脂刷于原型表面，一般刷0.2～ 0.5 mm 厚即可。

(7) 浇注凹模。如图2 所示，当表面胶衣树脂开始固化但还有粘性时(一般30 m in) ，将配制好的金属环氧树脂混合料沿模框内壁(不可直接浇到型面上) 缓慢浇入其中的空间。浇注时可将平板支起一角，然后从最低处浇入，这样有利于模框内气泡逸出。

(8) 浇注凸模。待凹模制成后，去掉平板，如图3所示放置，在分型面及原型内表面均匀涂上脱模剂，然后在原型内表面及分型面涂刷胶衣树脂。待胶衣树脂开始固化时，将配制好的混合料沿模框内壁缓慢浇入。

(9) 分模。在常温下浇注的模具，一般1～ 2 天就可基本固化定型，即能分模。

( y7 D$ g/ D# c  J(10) 取出原型及修模。由于金属树脂混合料固化时具有一定的收缩量，分模后，原型一般留在凹模内。取原型时，可用简单的起模工具，如硬木、铜或高密度塑料制成的楔形件，轻轻地楔入凹模与原型之间，也可同时吹入高压气流或注射高压水，使原型与凹模逐步分离，取原型时，应尽量避免用力过猛、重力敲击，以防止损伤原型和凹模。

6 N* l' h4 k! K$ j! Q) ]特性研究和蜗壳水力设计研究等4 个方面的研究进展，这几个方面的研究是相互促进和影响的。关于蜗壳的研究还有许多问题有待人们去解决。鉴于超低比转数蜗壳效率对水力机械的重要性，这方面研究又很少，应加强这方面的研究工作。另外，本领域中的研究针对清水水力机械蜗壳的比较多，但有不少水力机械中的流动介质是固液两相流体，而这方面的研究则很不够，亦应加强蜗壳内的两相流动机理和两相流设计方法的研究。