基于快速成型的金属树脂模具快速制造技术浏阳原纸定向天线拆封拉线高频电缆x

基于快速成型的金属树脂模具快速制造技术

摘要：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。

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

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。

1 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

1. 原型零件2. 紫外激光3. 光敏树脂4. 液面望远镜5. 刮平器6. 升降台

2 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) 磨损性能

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。

(4) 线胀系数

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×/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。

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。

(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

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。

(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。

(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。

(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。

(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。

(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。

(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。

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。

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