基於快速原型的石膏型快速模具製造技術研究
發布時間：2011-03-29 **：中國國際鑄造網文字【大中小】
1.引言
快速原型技術目前已經在工業中得到一定程度的應用，在模具製造業的應用主要可以分為直接模具製造和間接模具製造。目前雖然直接金屬模具製造是研究的熱點，也是發展的趨勢，但因精度、成本和模具尺寸、結構等問題限制了其應用。在基於快速原型的快速模具製造工藝中，間接製模技術，尤其是rp技術與鑄造技術相結合，發揮出了強大的生命力。
間接製造的快速經濟模具比傳統機加工方法製造的模具周期短、成本低，綜合經濟效益好，在模具的精度和壽命方面能夠滿足生產要求。
rp原型技術與石膏型精密鑄造相結合主要有兩種途徑：一種是以採用lom 、fdm、sls或sl工藝製造的原型作為母模或矽橡膠中間轉化模進行石膏型精密鑄造；另一種是採用rp原型作為主模型翻製矽橡膠，再採用矽橡膠翻製蠟型或直接採用fdm 、sls工藝製造蠟型，然後進行石膏型熔模鑄造。石膏型鑄造與rp 原型技術相結合可以用來鑄造精密、複雜、薄壁有色金屬件，鑄出的金屬件具有表面粗糙度值低、尺寸精度高、變形小等特點，採用特種膨脹石膏還可以補償鑄造時的金屬凝固收縮量。
將rp技術應用到石膏型精密鑄造中，用以製造有色金屬模具，可以大幅度縮短製造週期，降低成本，實現複雜型腔模具的近凈成形。
2.基於快速原型的石膏型快速金屬模具製造工藝
基於快速原型的石膏型快速金屬模具製造工藝流程，下面以輪胎模具為例詳述整個製造過程。汽車輪胎金屬模是石膏型精密鑄造的最大應用領域，輪胎成型用金屬模材質為鋁合金，用石膏型鑄造能夠正確複製出輪胎的複雜結構。由於輪胎是大批量、多品種的產品，故要短時間、低成本地成很多同一品種金屬模是乙個重要前提，而rp原型技術與石膏型鑄造結合則顯示出強大的生命力。
2.1 三維cad造型設計
首先在圖形工作站上建立石膏型精密鑄造用母模的三維cad實體模型，然後採用非線性有限元分析軟體對所建三維cad實體模型進行金屬凝固過程模擬分析，根據分析結果修正三維cad實體模型，此過程反覆進行直至滿足要求。
2.2 rp 原型製造
對修正後的三維cad 實體模型進行預處理，輸出stl檔案，將處理後的資料傳給rp 成型機進行rp 原型製造，製造出rp原型後，對rp原型進行表面處理（打磨和塗漆），以保證rp 原型與石膏型不會產生反應和保證石膏型的表面粗糙度，從而得到石膏型精密鑄造用母模。
2.3 矽橡膠軟模製造
對於複雜的零件或模具，為了便於石膏型鑄造過程中的
取模，需要將rp原型翻製出矽橡膠模具。矽橡膠具有很好的彈性、影印性、柔韌性，可以精確複製原型的形貌，在工藝轉換過程中基本上不會產生精度損失，但關鍵是一定要選擇具有較小收縮率、硬度適中和強度較好的矽橡膠材料。由於輪胎存在負拔模斜度，因此製造輪胎模具時需要翻製矽橡膠模具。
2.4 石膏型製造將rp原型或矽橡膠模具固定於型板上，在rp原型或矽橡膠表面塗脫模劑（一般可以選用縫紉機油、矽油、變壓器油等），放置好模框後，放進灌漿室中，按一定比例稱取適量的石膏粉、填料（莫來石粉等）和新增劑混合配製為石膏混合料，在真空條件下將水與石膏混合料混合、攪拌制得石膏漿料，然後進行真空灌漿，灌漿結束後立即破除真空，硬化10-15min後起模，得到輪胎石膏型。
2.5 金屬模具製造將石膏型低溫烘乾、高溫焙燒，然後進行石膏型精密鑄造，可以澆注鉍錫合金、鋅合金、鋁合金和部分銅合金，經冷卻、清理和打磨、拋光即可得到所需金屬模具。
3. 石膏型快速製模的關鍵技術
3.1 rp 原型的製造與表面處理製造rp 原型時必須充分考慮到所製模具的用途，是作為注射模，還是鑄造用的金屬模以及沖壓模等，若作為鑄造用金屬模具，不僅要考慮從rp 原型到最終金屬模具工藝轉換之間的誤差損失，還要考慮金屬模具材料的凝固收縮率和製造產品時的鑄件收縮率。對於幾何形狀相似的模具和相應材料一定的情況下，採用非線性有限元模擬軟體進行尺寸精度的有限元三維模擬，可以進一步確定金屬收縮率，從而提高模具的製造精度。
由於原型的尺寸精度、表面粗糙度直接影響模具的精度與表面質量，另外原型若沒經過處理或受潮，在製造鑄型時原型常常會發生膨脹與翹曲變形、開裂，因此對rp 原型的表面處理尤其重要。
3.2 石膏型材料的配方獲得尺寸精度高、表面粗糙度好、強度高的石膏型是製造金屬模具的關鍵，單純的石膏會因在焙燒過程中不斷脫水而發生相變，並伴隨著體積變化，當溫度高於300℃時，線收縮急劇增加，經700℃焙燒時，α型半水石膏線收縮率達2%以上，而β型半水石膏的線收縮率達6%以上。由於純石膏的收縮過大，裂紋傾向大，熔燒時強度急劇降低，甚至會開裂，因此必須研究石膏型的配方。
在製造石膏型的材料中需要加入一定數量的耐火材料（有合適的線膨脹率、熔點和耐火度，良好的化學穩定性，發氣量少，吸濕性小和保水性好，有良好的瀰散性和懸浮性）來補償石膏型結晶相變過程中的尺寸變化。最終石膏型材料的配方中石膏的含量僅僅佔到整個重量的25%—35%，主要起
起粘接劑的作用，其它主要是耐火材料，耐火材料一定要選用線膨脹係數小、激冷程度高的材料，這樣不僅可以有效保證石膏型的尺寸精度和表面粗糙度，而且可以有效保證耐火度。
3.3 真空攪拌與灌漿石膏混合料中吸附有大量氣體，在與水混合成石膏漿料後，在石膏漿料中會存在許多氣泡，灌漿時，若這些氣泡與rp原型或矽橡膠模具接觸，就會吸附在rp原型或矽橡膠表面，導致石膏型型腔表面出現氣孔，為消除石膏漿料中的氣泡，石膏漿料必須在真空下攪拌。
真空攪拌漿料時應注意控制真空度、攪拌速度和攪拌時間。真空度過低，消除漿料中氣泡的效果不明顯；真空度過高，漿料中的水將大量汽化。攪拌速度也要合適，攪拌速度過高，漿料會產生飛濺；攪拌速度過低，漿料混合不均勻，會導致石膏型組織和效能不均勻，影響石膏型質量。
試驗表明，真空度以0.05mpa 為宜，攪拌速度以600r／m 為宜，攪拌時間2—3min。
為提高漿料的充型能力和石膏型的強度，應在真空條件下灌漿。灌漿時攪拌室的真空度應和灌漿室相等或略低於灌漿室，以加強漿料的充型能力，但真空度差不宜過大，否則將引起漿料噴射，影響灌漿效果。灌漿時應注意不使漿料產生渦流，避免捲入氣體，特別要避免漿料直接衝擊模型。
漿料應沿著模框邊緣引入，使漿料平穩上公升，以利於滯留氣體的上浮，灌漿結束後應立即破除真空。灌漿時間應控制在1—1.5min，初始凝結時間控制為灌漿後3-5min。
3.4 石膏型烘乾與噴燒工藝石膏型在乾燥過程中，石膏型內微孔中殘存水分被蒸發，石膏型烘乾以100℃、10h 為好。石膏型低溫烘乾後在澆注前還要進行噴燒，以進一步去除石膏型中的結晶水和其它揮發物，完成石膏型中一些組成物的相變過程，從而使石膏型型腔尺寸穩定。
也可以根據澆注合金的熔化溫度確定石膏型的噴燒時間，代替傳統石膏型鑄造中的焙燒工藝。
4.結束語
（1）以內蒙古產高強度石膏粉為粘接劑，鋯英粉、莫來石粉等為填料製備的石膏型混合料具有較好的綜合性能。基於rp的石膏型金屬模具快速製造技術、工藝的研究和探索表明，將rp技術應用到石膏型精密鑄造中製造的鋁合金等中低熔點合金模具可以大幅度縮短製造週期，降低成本，實現複雜型腔、薄壁鋁合金模具的近凈成形，是一種很有前途的金屬模具快速製造技術。
（2）石膏型混合料的漿體一次灌注成型，不需多次塗掛，漿體在凝結過程中只有輕微的膨脹，復模性優異，鑄型精確、光潔。混製石膏混合料漿體時，只需加入水即可，沒有難聞的氣味產生。模具製造周期短，製造成本低，從
獲得rp原型到澆注出金屬模具一般僅需要3-5天。
（3）該技術製造的金屬模具尺寸精度可達ct3-4級， 表面粗糙度可達到ra=0.8-3.2μm。
製造的模具可以應用於橡膠、塑料成型以及沖壓和鑄造。採用石膏型鑄造和rp 技術還可以直接用於無須切削加工的簡易衝模的快速製造，縮短產品的開發周期。
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