哦合11
范文一：铸造金属模具的加工
铸造金属模具的加工
摘 要：本文介绍了现今常用的铸造模具加工方法及工艺特点、对应机械设备及加工刀具的选用方法，并以缸盖铸造模的加工为实例，简要说明铸造模具加工工艺路线的确定过程。
关键词：铸造模具 加工方法及设备 刀具选用
1 引言
由于我国机械、电子、轻工、仪表、交通等工业部门的蓬勃发展，对铸造模具的需求在数量上越来越多，质量要求越来越高，供货期越来越短。因此引起了我国有关部门对铸造模具工业的高度重视，在加工方面，数控机床的广泛使用不仅保证了铸造模具零件的加工精度和质量，而且以高切削速度、高进给速度和高加工质量为主要特征的加工技术，比传统的切削加工效率提高几倍甚至十几倍。一些上规模、上水平的铸造模具厂不断涌现，使我国的铸造模具工业又有了长足的发展。
2 铸造模具的常用加工方法及设备
就目前情况来看，铸造模具的加工方法可分为铸造方法、切削加工方法和特种加工方法3大类。表2-1为铸造模具常用加工方法及工艺特点。
根据工艺要求的不同，铸造模具常用的设备也有所不同，一般包含车削加工用的各种车床、加工孔类的钻床、镗床，成型各种平面或曲面的铣床、磨床及成型较细微的特征或LOGO的雕刻机械等。现阶段，这些加工设备往往都有普通型机床及数控型机床之分，普通型机床往往加工精度、效率较低，但其使用灵活性高，适应性较强，数控型机床加工精度、效率高但一般使用前需要编程，使用灵活性不足。
3 铸造模具加工刀具的选用
3.1铸造模具加工常用刀具的材料
模具加工使用的刀具材料应具有较高的硬度和耐磨性，足够的强度和韧性，较高的耐热性和传热性，良好的化学稳定性，较高的抗枯结、抗扩散、抗氧化性能，较好的抗塑性变形件能和耐热冲击性能和较好的工艺性和经济性，其中前三项常常作为是刀具材辑应具备的基本性能。
常用的刀具材料按照材质不同来划分，一般有：工具钢（碳素工具钢、合金工具钢）、高速钢、硬质合金、陶瓷、超硬刀具材料。
3.2常用刀具材料的性能对比
范文二：基于LOM原型的金属模具快速铸造
[摘要 ]研究了用 LOM 法 。 结果表明 , 。
关键词 LOM 原型
华中理工大学 (湖北武汉
430074)
樊自田 叶升平 宋象军 基于 LOM 3
1
引 -Lam inated Ob j ect M ) , 它采用 计算机提供的零件层面加工信息 , 并用加热辊 和激光束对涂有热融胶的薄片材料 (纸 、 塑料 薄膜 、 金属箔等 ) 进行逐层粘结和切割 , 以形 成零件各层的轮廓 , 最终形成零件原型 。
由于 LOM 只需沿截面轮廓线切割一层 一层的薄片材料 , 无需对整个截面进行扫描 , 因此 , 与其它快速成形方法相比 ,LOM 原型的 成形速度快 、 生产效率高 、 原材料成本低 (常 采用纸做原材料 ) , 加之成形精度较高 , 故具 有广泛的应用前景 。
2LOM 原型的特点
LOM 原型的是由薄层材料靠粘结剂粘
结叠加而成 , 其结构示意图如图 1所示 。其 中 , δ为每一层的总厚度 (δ=δ1+δ2) , δ1为 薄层材料的厚度 , δ2为粘结剂的厚度 , α为拔 模斜度 , δ0为薄膜的厚度 。 由于纸质材料成本 低 、 来源广泛 , 所以目前常用的 LOM 原型材
料大都为纸 (故又称 “ 纸型”
) 。 一般 , δ越小 , LOM 原型的精度越高 。
由薄纸叠加而成的“ 纸型” , 表面的光洁 度欠佳 , 其斜截面如放大来看 (如图 1) , 呈 “ 阶 — — —— — —— — —— — —— — —— — ——
3国家自然科学基金资助项目
收稿日期 :1997年 7月 25日
梯形” , 故制造铸型时 , 铸型的起模阻力较大 , 起模时易造成 “ 挂” 型现象 , 从而造成铸型被 破坏 。
图 1LOM 原型的结构示意图
为了提高金属铸件的表面光洁度和尺寸 精度 , 在由快速原型转化为金属铸件时 , 往往 采用石膏型或陶瓷型 。 由于 “ 纸型” 与含水 (或 液态 ) 浆料的湿润性较强 , 造型灌浆后 , “纸 型” 与铸型 (石膏型 、 陶瓷型 ) 的附着力较大 , 故起模阻力较大 。 一般很难用 “ 纸型” 代替木 模直接造型 。
为了达到用 LOM 原型制造铸型的目的 , 常采取两个辅助措施 :一是将由快速成型机 制得到的 LOM 原型进行表面人工修整以使 其表面光滑化 ; 二是采用硅橡胶模进行过渡 , 即将 LOM 原型做成零件的凹模 , 由该凹模来 制造硅橡胶凸模 (零件形 ) , 再由硅橡胶模来 制造铸型 (石膏型 、 陶瓷型等 ) 。 由于硅橡胶的 弹性较大 , 起模时硅橡胶模的收缩性较好 , 不 会破坏铸型 。 以上两个措施的采用 , 虽然可以 制造出铸型 , 但与直接用原型制造铸型相比 ,
增加了工序 , 延长了工时 , 同时也会使铸件的 精度下降 。
3LOM 纸型的表面处理
用 LOM 纸型代替木模直接造型的难点 在于铸型起模困难 、 纸型渗水 (液 ) 易受损 坏 。 大量试验研究表明 , 将 LOM 原型表面进 行覆膜处理可以满意地解决用 LOM 纸质原 型代替木模直接造型所遇到的问题 。
对 LOM 原型表面进行覆膜 , 分子薄膜 , 、 LOM 原型不直接接触 ) , 故铸型硬化后的起模力很小 , 起模容易 ; 隔离 薄膜还对原型起到了保护作用 , 延长了原型 的使用寿命 。
4
造型和生产实例
用 LOM 原型代替木模 , 采用表面覆膜处 理技术 , 进行了一系列造型浇注试验 , 分别制 出石膏型 、 陶瓷型 、 树脂砂型并生产出几种有 色和黑色金属铸件、 模具 , 详见图 2、 图 3、 图 4。
(a )
(b )
图 2纸型及用石膏型浇注的有色金属铸件
a — — — 铸件
b — — — 纸型
(a ) (b )
图 3纸型及用陶瓷型浇注的黑色金属铸件
a — — — 铸件
b — — — 纸型
(a ) (b ) 图 4a — — — LOM 原型代替木模 )
, 可大大缩短模具的制 。 当 LOM 原型完成后 , 普通模具的铸 造时间为 :石膏型 1~2天 ; 陶瓷型 8~10h ; 砂 型 6~8h 。 采用表面覆膜技术 , 可用快速成形 的 LOM 纸质原型代替木模直接制造铸型 , 造 型速度快 、 尺寸精度较高 、 表面光洁度较高 。
5结束语
(1) 金属零件快速成形的本质在于 “ 快” ,
采用表面覆膜技术可用 LOM 原型代替木模 快速铸造金属零件 (或模具 ) 。
(2) 采用表面覆膜技术 , 不仅可以解决用 LOM 原型代替木模造型中起模困难 、 LOM 原
型因渗水 (液 ) 易损坏等问题 , 还可以提高铸 件的尺寸精度和表面光洁度 。
(3) 由于模具属单件 、 小批量生产 , 其毛 坯的精度和表面光洁度要求高 、 以及其结构 上的特点 (带有一定的拔模斜度 ) , 可采用 LOM 原型结合表面覆膜技术和石膏型 、 陶瓷
型 、 精密砂型等工艺 , 可以快速 、 低成本地生
产铝 、 铜 、 铁 、 钢质等模具铸件 。
参
考 文 献
1
M. C. W arner. Ra p id Protot y p in g Cuts T im e. C osts to Build F inished Parts. M odern Castin g ,1991(10) :25~27
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工程 ,1996,7(2) :58~60
3
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《模具工业》 1998. N o. 3总 20547
慢 走 丝 线 切 割 工 艺 与 质 量 分 析 北京市机电研究院 (北京 100027) 黄天石
4L. M atthew ,Philbin. Ra p id Protot y p in g . A Y oun g T ech -nolo gy Ev olves. M odern Castin g ,1996(3) :54~57 5M. Dean ,Peters. Ra p id Protot y p in g U p date. F oundr y M ana g em ent &T echnolo gy ,1996(6) :39~46
1引 言
线切割机床具有切削力小 、 机床自动控 制及加工精度高等特点 。 但是由于产品的精 度往往很高 , 因此废品率也较高 。 由于线切割 加工的复杂性 ,
品也是不实际的 , , ,
化操作
:
(1) 材料 。 不同的材料 , 不同的热处理工 艺 , 材料中的残余应力也不同 , 对质量也有很 大影响 。
(2) 加工工艺 。 包括卡具 、 加工方法两方 面 , 它们对于复杂工件的加工成败起着关键 作用 , 是首先要考虑的问题 。
(3) 机床 。 机床的维护保养 (尤其是关键 部位的保养 ) , 加工参数的选择 , 包括电极丝 的选用 , 往往是画龙点睛的最后一笔 。 这些问 题若注意不到 , 除了会延长加工时间 、 增加成 本外 , 还会产生表面粗糙度值太大 、 尺寸超差 等问题 。 只有对机床结构 、 性能进行充分了解 和熟悉才能最大限度地发挥机床的潜力 , 创 造出好的经济效益 。
下面以一些典型零件为例 , 介绍提高慢 走丝线切割加工质量的方法 。
2加工小螺旋角斜齿轮的方法及误差分析 线切割机床对于模具加工是必不可少的 专业机床 , 随着加工精度的提高 , 越来越多的 单位购买了高精度慢走丝线切割机床 。到目 — — —— — —— — —— — —— — —— — ——
收稿日期 :1997年 6月 7日 前为止 , 高精度的 AGIE
有 12。
, 扩大加工范 围 , , 是所有引进单 。
加工小螺旋角的斜齿轮 , 尤其是内齿轮 (如斜齿轮注射模型腔 ) , 对于可加工上下异 形的线切割机床来说 , 非常方便 。
由于线切割机床加工轮廓的灵活性 , 齿 轮切割已经作为线切割编程机的基本软件配 置 。 通过模数 (m ) 、 齿数 (z ) 、 压力角 (α) 、 变位 系数 (x 0) 及其它参数的输入 , 编程机自动生 成加工轨迹 , 通常此种方法仅用于加工直齿 轮 。
能够加工小螺旋角斜齿轮的机床 , 必须 是上 、 下导向器能分别控制的线切割机床 , 例 如 AGIE 、 CHRMI LLS , 较新的 S odick 、 M itsubishi 等 , 加工小螺旋角斜齿轮的具体方法是 : (1) 确定端面模 m t 与端面压力角 α小 。 由 于斜齿轮仅在法面上其模数及压力角为标准 值 , 图纸上的标注一般也是法面数值 , 所以首 先要将其化为端面数值 , 即
m n =m t cos β
t g αn =t g αt cos β
式中 m n — — — 法面模数
m t — — — 端面模数
α
n — — — 法面压力角
α
t — — — 端面压力角
β— — — 斜齿轮的螺旋角
(2) 根据螺旋角 β确定上下齿形旋转角 度 。
对于斜齿轮 , 任一圆柱面上的导程都一
范文三：铸造模具 金属模铸造的技术要领
铸造模具 金属模铸造的技术要领
铸造模具,金属模铸造的技术要领 2010年08月25日
按所成型的材料的不同，模具可分为金属模具和非金属模具。金属模具又分为:铸造模具(有色金属压铸，钢铁铸造)、和锻造模具等;非金属模具也分为:塑料模具和无机非金属模具。
金属模具的制造技术:
较高的公差精度、无飞边、超级高的表面质量，所有这些标准都是金属零件压铸模制造过程中所必须满足的一些要求。毫无疑问，能够达到这种水平的金属模具制造商虽然有几家，但为数极少。质量是关键。首先，模具的设计要有很好的计划。因为这是成败的基础和关键。它应该包括优良的冷却水线路布局和分型线锁紧装置，以防止加工生产中模具的错位、一副能很好支持模腔和型芯侧壁的模具框架、一种适合于特定零件脱模的方法。细节设计包括模具零件材料的选用、模具和模腔的公差、表面质量和涂层、闸门和流道的尺寸、通气口位置和尺寸、压力传感器位置。在MIM模具的成功制造中，脱模和冷却已成为关键的问题。
1、模腔/型芯使用的钢材:
模腔/型芯使用的钢材应能承受模压成形材料引起的磨损。凡是与模压成形复合材料接触的钢材(包括闸门和流道)，都应该由高耐磨性的高含铬量和高硬度工具钢制成，如D-2或A-2工具钢。H-13钢材也可，因为其硬度高，还电镀了一层高硬度涂层。凡是不与模压成形复合材料接触的任何细节零件，都可用更标准的S-7类工具钢制造。
2、通气口深度:
在各种模具中，为了释放由模压材料产生的内部气体，采用良好的通气口是十分关键的。他指出，MIM模具在通气口深度方面是与注塑模有很大不
相同的。一个典型的塑料模具，根据其模压树脂的不同，可能到处都有0.0005~0.002in(1in=25.4mm)深的通气口，而MIM模具肯定会在这些通气口的深处产生飞边，MIM模具的通气口深度一般在0.0001~0.0002in之间，但也可能随着选用的不同模压复合金属材料而变化。好的供料在之后的凝固过程中，
填充剂，收缩率极低。“为了尽量加强形状保持力度，因此大量使用了金属粉末其用量往往接近体积的70%。为了能够获得高填充给料的良好流动性，采用了低分子量的分子和粘结剂，使MIM供料产生很高的飞边灵敏度，类似于许多填充尼龙材料所显示的特性。石蜡和聚乙烯/甘油基供料比乙酰基供料有较好的特性，但会影响到其较高的飞边灵敏度。
3、关闭角/滑块:
在MIM模具生产工艺中，飞边是一个严重的问题，对制模工人来说是一个实质性的问题。为了防止出现这种问题，所有关闭角和滑动区域的良好配合是十分重要的，只有这样，才能生产出一个优质的MIM零件。模具制造商必须通过使用三角法计算滚动尺寸，然后应用这个知识检查阴、阳面钢材的关闭
围之内。人们需要保持的公差角，保证使其在他所计算尺寸的?0.0001公差范
一般对于金属模具而言已经是相当精确的，因为MIM模具的供料件对飞边很敏感，很容易产生飞边。如果塑料件产生飞边，很容易将飞边清除掉，但如果是金属，其飞边就会如刀锋那样造成问题。您必须制造一个不会产生飞边的模具。
4、抛光:
MIM零件的另一个关键区域是模压成型区的表面质量。从模腔区脱模在很大程度上取决于模腔和型芯工具钢的表面质量，因为在模压成形过程中，其收缩率极低。金属模压件的收缩并不会真的发生，除非粘结剂材料通过后模压成形工艺被抽取出来。因此，模压成型区的抛光十分关键。一般来说，模压表面应达到600复合光洁度，可能在很少的情况下需要达到金刚石光洁度。
5、学习曲线:
在掌握了基本知识以后，仍然有更多的因素需要考虑，然后再顺序渐进的学习。MIM的另一个挑战来自于原材料，一般指供给的材料。因为其内部含有大量非常精细的金属粉末，往往接近体积的70%。是金属粉末造就了最终
的零件。塑料零件给金属粉末增加了流动性，并在注射成型之后全部除去。粉带有一点磨擦性，因此必须采用较硬的刀具以较高的主轴转速加工。许多模末
具商因为没有高速机床，只得采用烧蚀方式加工。然而，却不能遗留下粗糙的表面质量，因为MIM需要有紧密的公差。不同的金属基本上具有同样的模具制造要求，除非有时候需要插入不同的收缩率。这里所指的不是模具内部的收缩率。只有当零件从模具中脱离时以及进入加热炉时，才会发生收缩现象。在模具中，收缩率几乎接近零，每英寸的收缩率不到0.001in，因此在模具中的收缩极小。
6、电镀:
如铬或镍那样的高硬度电镀层将能增强模压金属件脱模过程中的效率，再结合高抛光表面，使其能产生更好的效果。有些类型的铬和镍添加了释放剂，其目的是为了提高它们的脱模特性。
——来源于 中国模具制造网
范文四：采用发泡石膏型快速铸造金属模具的研究
Vol. 24No. 1铸造技术
Jan. 2003FOUNDR Y TECHNOLO GY ?39?
吴景峰, 苏 涛, 朱立民, 黄键明
(一汽铸造有限公司, 吉林长春130011)
摘要:尝试用发泡石膏型法快速翻制铝合金模具。母模。采用物理发泡法对石膏浆料进行发泡。形成泡沫状石膏浆料后再灌入芯盒。待石膏硬化后, 采用专用装置平稳起模并脱除木芯盒, 将得到的石膏型烘干后合型浇注, 去除浇冒口、打磨, 机加分型面后便可上线生产。浇出的模样表面粗糙度可达6。尺寸公差可达到
0. 2mm 之内。一般从三维造型到模具交货约需12天的时间, 比数控加工提前2～4周, 。可以满足砂
型铸造对模具强度、精度和制造周期的要求。关键词:铸造模具; 发泡石膏型; 快速成型
中图分类号:TG249. 9 文献标识码:A 文章编号:100028365(22Study on R Foamed Plaster Mold
, Limin , HUAN G Jianming
(Foundry Institute of , Changchun 130011, China )
Abstract :In order pattern which was made by rapid moulding technique changing into metal mould , we adopted foamed molding method to run over aluminium mould rapidly. Firstly the 32D molding and LOM master pattern were prepared. Secondly , foamy plaster material was put into core box. When it was hardened , we stripped and got out of core box , and assembled poured after baking plaster mold. Then , pattern casting was out of pouring riser and was burnished , After that it was produced on line after machining mold parting. The roughness degree was about Ra1. 6, the dimensional tolerance was 0. 2mm (chart request ) . It need 12days to finish the 32D molding , and 2weeks -4weeks less than that of traditional technology. K ey w ords :Foundry mould ; Foamed plaster mold ; Rapid moulding
要使石膏型具有透气性, 目前已研制了2种方法:蒸压法和发泡法。目前多采用发泡法制作透气性石膏型。即通过发泡石膏浆料, 彼此联通的小孔, 而型腔表面却是光滑的, 使发泡石膏型的透气性可达到10～30cm/min 。通过一般的浇注方法即可得到精度很高的铸件。因此, 决定采用此法进行铸造模具的生产。1 发泡石膏型铸造特点与熔模石膏型铸造比较, 发泡石膏型铸造具有以下特点:
(1) 发泡石膏型原材料便宜、成本低; (2) 铸造生产设备简单、投资少; (3) 发泡石膏型能源消耗少、生产率高; 发泡石膏型经250～500℃烘干, 即可直接浇注。(4) 发泡石膏型铸出的铸件与熔模石膏型相比, 复杂程度、尺寸精度均较低, 壁厚较大, 但表面光度尚好;
收稿日期:2002206228; 修订日期:2002208219
) , 吉林长春人, 高工, 硕士, 研究方向:铸造工作者简介:吴景峰(19602
(5) 石膏自身的热传导率低, 加之发泡石膏型内
大量孔洞的存在, 更降低热传导率。2 发泡方法及其影响因素211 制造发泡石膏型的方法
(1) 化学发泡法 在石膏浆体中加入能通过化学
反应而产生气体的化学发泡剂, 如异氰酸脂, 它与水作用, 放出大量的CO 2气体, 均匀分布于石膏型内, 形成多孔结构。该法成本较高, 操作上亦欠安全。
(2) 通气发泡法 在石膏浆体被强烈搅拌时, 直接压入CO 2气体, 使石膏浆体内发泡。石膏浆体一旦灌注模型, 发泡自动停止。该法的优点是可以调节发泡空洞的大小, 工艺过程简单。(3) 物理发泡法 向水中添加少量的具有表面活性的物质, 通过强烈搅拌卷入空气, 使体积增大而发泡, 随之将石膏混合料加入其中并不断搅拌, 使浆体内形成细小、均匀的大量气泡, 即可灌注模型。待石膏浆体硬化后拔模、烘干, 就可按常规方法重力浇注或低压铸造。目前, 制造透气石膏型多用物理发泡法。2. 2 影响发泡剂性能的因素及发泡剂的选择
艺及造型材料研究1
发泡剂的作用是在石膏型中形成无数细小的相互
铸造技术Vol. 24No. 1
?4
0?FOUNDR Y TECHNOLO GY Jan. 2003
连通的孔洞。而孔洞的品质取决于发泡剂形成的泡沫, 所以泡沫的大小、稳定性、均匀性及强度是至关重要的问题。发泡剂可用磺化醚、烷基芳基磺酸系列等。一些资料认为, 普通的皂类物质会与石膏发生反应, 生成R ?COOCa 类的沉淀, 而使泡沫减少。目前常用的发泡剂多为阴离子表面活性剂。经研究, 一些阴离子表面活性剂的起泡能力及泡沫稳定性如下:
OEAE >OBS >ASA >ABS >DEAF >TDA 经研究, 钙离子的存在可使表面活性剂的起泡力及泡沫稳定性大大下降。泡沫稳定性主要是指泡沫液膜流失变薄的快慢; 另一个是无规则运动使液膜破坏的程度。对发泡石膏而言, 因为石膏溶于水中以后, 产生大量的Ca 2+离子, 形成硬水环境水性差, 一旦加入石膏, 剧下降。
, 时间延长, 有的长达100min 以上, 必须添加促凝剂。2. 3 搅拌工艺参数的确定
发泡剂及搅拌是石膏发泡的2个关键环节, 在选择了性能优良的发泡剂后, 石膏浆料的搅拌工艺最为重要。欲使卷入的空气形成泡沫, 必须采用较高的搅拌速度(转速) 。转速以2000～2500r/min 为宜。发泡剂用量不变的条件下, 测定了不同搅拌时间的起泡增量, 结果见图1。由图1得知, 随着搅拌时间的增加, 起泡增量迅速上升, 搅拌时间增至30s 时, 达到峰值。随后, 搅拌时间再延长, 起泡增量却逐渐下降, 开始下降较慢,
以后下降较快, 可见搅拌时间过长亦会产生不利影响。根据试验条件, 以35～45s 为宜。
(1) 称量水, 并加入定量的发泡剂B 。
(2) 搅拌30～40s , 转速2000～2500r/min 。(3) 投入固体粉料, 搅拌1～1. 5min 。(4) 静置10～15s 后, 灌注模型。
采用此工艺规则, 并对石膏混合料配方进行了一系列优化试验, 制成了发泡率50%以上, 透气性4～6cm/min , 抗压强度0. 8MPa 的发泡石膏型。3 石膏浆料的配比
发泡石膏型存在着2:一是要求铸型有良, 铸型内部则要求有(尤其) , , 因为石膏粉石膏型的加热开裂。因此要求石膏的品质要好, 成型后强度要高。添加剂也要精心选配, 以保证石膏型的性能。配制的发泡型配方如下:
表1 工作石膏型浆料配比
Tab. 1 Prescription of plaster mould on working
浆料
组分石膏
石英粉
26
莫来石粉
2
滑石粉
2
高铝粉
0. 5
增强剂
0. 5
发泡剂水(占粉料) (占粉料)
0. 3
45
W B /%69
目前, 国产石膏品种较多, 可用于铸造的一般选α2半水石膏和β2半水石膏2种。石膏和其他组分的选择应考虑以下内容:
(1) 流动性 流动性是指浆体在重力作用下充填铸型的能力。所铸模型形状越复杂对流动性的要求也越高。一般加水量越高流动性越好, 但石膏型的强度则下降, 所以必须选择加水量少而流动性又好的铸造α石膏。2半水石膏在保证流动性的前提下加水量比β2半水石膏少, 一般铸造用石膏均选前者。(2) 凝结时间 凝结时间是指石膏浆体从石膏与水搅和开始起至初凝、终凝终了的整个时期。初凝时间是浆体开始失去流动能力的时间, 终凝时间是指石膏凝结终了开始具有强度的时间。
图1 搅拌时间对起泡增量的影响
Fig. 1 The effect of stirring time on foamed quantity
凝结时间对石膏浆体的制备和充型有密切关系, 为使浆体能充分搅拌及发泡充分, 发泡石膏型初凝时间为4～6min , 浆体充型完毕后, 为防止密度偏析、缩短生产周期, 尤其采用LOM 母模时, 终凝时间短, 起模时间也可缩短, 有利于保护纸模, 希望终凝时间为
β12min 。2半水石膏的水化速度要大于α2半水石膏, 故凝结时间较短, 石膏的细度、结晶形态也都影响凝固
时间, 配料时应选好石膏的类型并认真进行检测。
(3) 强度 石膏型的强度来源于石膏, 对石膏型
在混制浆料时还有1个值得注意的现象, 浆料中
往往存在一些较大的气泡(直径>2mm ) , 灌浆时极易上浮, 严重时甚至产生“分层”现象, 影响铸型的性能。消除的有效办法是:在灌浆前, 适当静止, 大气泡就会破裂消失, 浆料的性能亦能趋向均匀。
根据以上试验结果, 发泡石膏型浆料混制工艺确定如下:
《铸造技术》1/2003 吴景峰等:采用发泡石膏型快速铸造金属模具的研究 ?41?
要求的各种强度如湿强度、烘干强度、焙烧后强度、高温强度等, 对铸造石膏也有同样的要求。铸型的湿强度σbb 一般应>3. 5MPa , 这样才能防止石膏型在搬运及脱模等工序损坏破裂。石膏焙烧后的残留强度亦要求大于3MPa , 以防止合金充填时石膏型变形或破裂。较高的高温强度对浇注铜、不锈钢等铸件时是必须的,
) , 高温强度对浇注铝合金时因浇注温度较低(700℃
的要求亦较低。
(4) 线膨胀率(线收缩率) 线膨胀率大小与铸件的尺寸精度、石膏型的裂纹倾向有密切关系。铸造用石膏在凝结过程中具有体积膨胀的特点, 这对提高石膏浆料的复模性极为重要。石膏硬化体在焙烧过程中随着温度升高, 收缩急剧增加, 尤其温度在石膏的收缩更为强烈, 可达10。。这就要求浆料中填加各种添加剂, 如石英粉、煤矸石粉、高铝粉、滑石粉、莫来石粉等进行调节。这些材料不能加入过多, 否则会影响强度等性能。
(5) 抗裂纹能力 经试验, α2半水石膏的抗裂纹能力要强于β2半水石膏。一般, 石膏型在300℃左右出炉浇注, 为保证石膏型不开裂,300℃时的抗激冷能力是极为重要的。要求铸造石膏型试样在300℃时迅速取出放在大气中时, 不裂或仅有极轻微的裂纹。
(6) 发气性 石膏型的透气性极差, 即使经过发泡, 透气性也比砂型低得多, 故浇注过程中型腔内的气体难以排除, 常引起浇不足及气孔等铸造缺陷。因此要求铸造石膏型的发气性要小。经过系统试验得出:
) 浇注铝合金时, 如其发气量大于5. 0mL/g (750℃时, 就易出现上述缺陷。因此, 要求铸造石膏在合金浇注范围内, 其发气量应小于5. 0mL/g 。
(7) 透气性 发泡石膏型的透气性主要取决于发泡的品质。一般较好发泡的石膏试样其透气性可达30cm/min 。发泡的品质主要取决于发泡剂的种类、
1200℃
) (单斜晶体) CaSO 4(α
1300℃
分解成Ca +SO 2+O 2
据此, 制定了石膏型烘干工艺。石膏型在烘干前
须在室温下静置24h 。其中95℃保温是为了让自然干燥过程中未能脱去的多余水分充分蒸发。此温度<>
400℃保温是为了使石膏相变充分进行, 避免相变应力。同样,570℃保温是为了使石英相变充分进行。650℃保温是为了使石膏型彻底干燥, 。最后随炉冷至200。, 配制了适合于铝合金的模样发泡石膏型浆料, 基本上达到以上指标, 成功地浇出了多个铸造模样铸件。图2所示的后挺杆导向体上、下模, 材质为Z L105, 为冲击造型线模样。所铸出的模具工作表面粗糙度较低, 经抛光处理后, 表面粗糙度可达Ra1. 6。尺寸精度±0. 2mm
湿砂型造型线的要求。模具制造周期2加工方法需要4周时间。
图2 后挺杆导向体上、下模
Fig. 2 The up and down mould of black pole of directional body
6 结论
搅拌设备、工艺以及水的品质、温度等因素。石膏溶入水后产生的钙离子可削弱发泡剂的发泡能力, 为此, 需选用耐硬水好的发泡剂或加稳泡剂。4 石膏型的的烘干
经试验及生产验证, 发泡石膏型可用于铸造铝合
金材质的铸造模具, 制造费用低、制造周期短。尤其适宜小型多件模具的制造。对于消失模用的铝合金模具及塑料模也有望试制成功。
参考文献
[1] 高以熹. 发泡石膏型的研究[J].特种铸造及有色合金,1994(1) :
10212.
[2] 韩昌仁, 周铁涛, 张绍兴, 等. 石膏型简易制模工艺的研究[J].特
石膏型的烘干对保证铸件的健全性及尺寸精度极为重要。水化反应后的二水石膏在烘干时, 将发生如下脱水转变:
CaSO 42H 2O (单斜晶体)
200℃
120℃
CaSO 41/2H 2O (斜方晶格) CaSO 4(β) (斜方晶体)
种铸造及有色合金, 2000(4) :8210.
) (三斜晶体) CaSO 4(γ
400℃
范文五：快速金属模具的陶瓷型铸造工艺
实用研究特种铸造及有色合金 1999年第2期
快速金属模具的陶瓷型铸造工艺
ΞΞ
清华大学 崔战良 姜不居 闫双景 吕志刚
Ξ
为获得高质量的陶瓷型精密铸造金属模具, 着重从硅酸乙酯水解摘 要 快速金属模具制造是一种新的模具制造技术。
液的制取、耐火材料粒度级配、陶瓷浆料制作、催化剂选择、喷烧工艺和焙烧工艺等几方面进行系统研究, 得出一整套将分层实体制造LOM 原型应用于生产高质量的陶瓷型精密铸造金属模具的工艺, 经实际生产验证, 取得良好的效果。
关键词:快速金属模具 陶瓷型铸造 快速原型
Ceram ic M old Ca sti ng ie
Cu i Zhan l i ng i i L (Tsi ABSTRACT R id M is a new die 2m ak ing techno logy as a resu lt of the app li 2cati on of R PM to . In o rder to m anufactu re h igh 2quality m etallic dies in ceram ic invest 2m en t casting m uch atten ti on has been p aid to p reparati on of hydro lytic so lu ti on of ethyl silicate , refracto 2ry grain distribu ti on , p rep arati on of ceram ic slu ry , selecti on of catalyzers , p rocess of spou t , p rocess of fir 2ing , etc . A system atic research has been carried ou t to develop a set of L am inated O b ject M anufactu ring (LOM ) p ro to typ es p rocesses fo r h igh quality m etallic dies in ceram ic investm en t casting . T he success of these p rocesses has been confir m ed by real p roducti on .
Key W ords :Rap id M eta ll ic D ie , Ceram ic I nvest m en t Ca sti ng , Rap id Prototype
1 概 述
1. 1 快速金属模具制造
近年来, R PM (R ap id P ro to typ e M anufactu ring ) 已应用到模具制造中, 正在形成一种全新的快速模具制造法。它使模具研制周期缩短、成本降低和制造柔性提高。
快速模具制造包括直接用快速原型做模具, 或用快速原型再采用喷涂、铸造方法翻制模具。对于受力较大、强度要求较高的金属模具, 通过铸造方法翻制是一种较佳的方案。
能用来翻制快速金属模具的铸造方法有多种, 其中陶瓷型精密铸造(下面简称陶瓷型铸造) 法是最有应用前景的一种方法。它适宜翻制不同合金材料, 大小不同的各种模具。
1. 2 快速金属模具的陶瓷型铸造
机控制下, 用激光束切割出模样一层的形状, 然后工作
台下降, 再铺上一层薄片材料, 用滚子加压、加热将两层材料上的树脂牢固地粘住, 然后切割此层轮廓, 这样反复进行, 便制造出零件纸原型。
图1 LOM 工艺原理图
F ig . 1 P rinci p le of LOM p rocess
该法成形速度快、精度较高、成本较低。H elisys 公司生产LOM 系列商用机器, 清华大学已生产出LOM 1015型机器。
1. 2. 2 陶瓷型铸造快速金属模具
陶瓷型铸造是用优质耐火材料和硅酸乙酯粘结剂配成陶瓷浆料, 在催化剂作用下, 经灌注、硬化、起模、喷烧、焙烧等工序制成表面光洁、尺寸精度高的陶瓷型, 以浇注大中型精密铸件
。
为提高以LOM 原型做母模、用陶瓷型铸造翻制的快速金属模具的质量, 应对陶瓷型工艺进行改进。本课题从硅酸乙酯种类和水解液配方、耐火材料粒度级配、
本文介绍的是用LOM 原型生产金属模具的陶瓷型工艺。
1. 2. 1 分层实体制造LOM
分层实体制造LOM (L am inated O b ject M anufac 2
由美国M ichacl tu ring ) 是快速成形技术
中的一种。Fenygin 于1985年发明, 1988年获美国专利。
LOM 法原理见图1, 它是用纸等薄片材料, 在计算
Ξ国家自然科学基金资助项目, 批准号59635040
ΞΞ崔战良, 男, 1972年出生, 硕士, 清华大学机械系, 北京(100084) 收稿日期:1998-10-25
20
陶瓷浆料制作、催化剂、陶瓷型喷烧及焙烧等几方面开展了试验研究。
2 硅酸乙酯及其水解液
2. 1 硅酸乙酯40和硅酸乙酯32比较2. 1. 1 水解液性能
两种水解液与同种耐火粉料、催化剂制成的陶瓷型强度见表2, 从表2可见硅酸乙酯40生产的陶瓷型强度高于硅酸乙酯32。
表2 两种硅酸乙酯陶瓷型强度
2
水解液
M Pa 3. 462. 96
M Pa 4. 993. 88
M Pa 4. 373. 36
使用大连产的硅酸乙酯40与天津产的硅酸乙酯32, 用相同的水解方案:水解加水量M =0. 5, 水解后Si O 2的质量分数为19%、HC l 的质量分数为0. 3%, 两种水解液性能见表1。表1可见, 硅酸乙酯40的性能优于硅酸乙酯32, 其水解温度低、水解平稳、易于控制, 存放性好。
表1 两种硅酸乙酯水解液性能
水解最高温度 ×6m s -(d )
(71d ) 13. 412. 7
1
硅酸乙酯40
硅酸乙酯32
经以上两方面比较, 决定选用硅酸乙酯40做陶瓷型粘结剂。
2. 。除硅酸乙酯种类。主要影响因素有水解液中Si O 2质量分数、加水量、陈化时间、pH 值、加料顺序等都有影响。用Si O 2质量分数、加水量和陈化时间作因子, 安排正交实验(见表3) , 以陶瓷型的强度作为考察指标, 结果见图2。对实验数据进行方差分析, 各因素对陶瓷型强度的影响见表4。
胶凝时间 s
(变化) 9. 88. 5
389. 4268. 9
硅酸乙酯
32水解液硅酸乙酯40水解液
5340
3. 64. 2
2. 1. 2 陶瓷型性能
◆ 高温强度 ■ 残留强度 ▲ 常温强度图2 水解液加水量、Si O 2含量和陈化时间与陶瓷型强度的关系
F ig . 2 Effect of w ater to 2ethoxy rati o , percentage of Si O 2and ageing ti m e on strength of ceram ic mo ld
表3 L 9(34) 正交表因子水平安排
9(4)
因 子
A 加水量M %B Si O 2质量分数 C 陈化时间 h
水 平
10. 35144
20. 551614
30. 751824
表4 各因素对陶瓷型强度影响的显著性
因 子
A 加水量M B Si O 2质量分数 陈化时间
很显著(99%) 。
(2) 陶瓷型强度随水解液中Si O 2质量分数的增加而增加。Si O 2的质量分数对常温强度影响较大(95%) , 其次为高温强度及残留强度(75%) 。
(3) 水解液陈化时间从4h 上升到24h , 陶瓷型强度随之增加。对同温强度影响最显著(99%) , 其次为常温强度(95%) , 残留强度(75%) 。
因此, 较佳的水解液配方为加水量M =0. 35, Si O 2
质量分数为16%～18%, 陈化时间20～24h 。
高温强度常温强度残留强度
0. 010. 250. 01
0. 010. 050. 05
0. 010. 250. 25
3 耐火材料及粒度级配
3. 1 耐火材料的选择
从图1和表2可知:
(1
) 陶瓷型强度随水解液加水量M 的减少而增加。加水量M 对陶瓷型高温、常温和残留强度的影响均
选择耐火材料时应考虑其耐火度、热膨胀系数、化
学稳定性等。生产中应根据金属模具材质选择耐火材
21
料, 制作高合金钢模具时, 可使用刚玉; 生产一般低合金钢或碳钢模具时, 可使用锆英石或莫来石、粘土质熟料等。
3. 2 耐火材料粒度级配
国内外的研究指出, 陶瓷浆料单位体积水解液中加入的耐火材料越多, 陶瓷型的质量就越好。在保证浆料流动性的前提下, 要尽可能地增加耐火材料的加入量。因此, 应选择合理的耐火材料粒度级配。下面以粘土质熟料煤矸石为例, 介绍最佳粒度级配如何确定。3. 2. 1 试验安排
陶瓷型的耐火材料常用三、四种粉砂搭配而成。我们选择270目、200目、70 100目、30 60目4按3种不同比例进行级配试验30目分别作因子, 不足用9(34) 。3. 2. 2 测试指标
图3F ig .
additive quantity
Q ΘJ of pow der
。试验发现, 当每种级
30g 左右, 还能满足浆
料流动性的要求。对这三种级配粉制的陶瓷型尺寸变化、强度测定结果见图4所示。由图4a 可看出随着粉料加入量的增加, 陶瓷型尺寸变化变小, 即精度提高。图4b 说明陶瓷型强度随粉料加入量增加而增加。这可能是因为耐火粉料增加, 减少了浆料中溶剂与水的含量, 使陶瓷型的胶凝收缩、喷烧收缩变小, 型壳微裂纹减少, 尺寸精度和强度提高。
粉料的紧实密度ΘJ 和松装密度ΘS 能较好反映其粒度分布, ΘJ 反映粉的分散程度, ΘS 则较好地反映出粉
的粗细状况。另外, 耐火材料临界加入量Η, 即浆料流杯粘度为40±1s 时, 100m l 水解液中加入的耐火材料量, 它直观地反映出级配的效果。可利用ΘJ , ΘS , Η三项作为选择陶瓷型耐火材料粒度级配的测试指标。3. 2. 3 试验结果及分析
试验结果见表5。分析L 9(34) 正交表试验数据, 可知以下两点。
表5 L 9(34) 正交表粒度级配试验数据
Table 5 Experi m ental data of gra i n size i n orthogonal table L 9(34) 试验号
123456789
试验方案
A 1B 1C 1A 1B 2C 2A 1B 3C 3A 2B 1C 2A 2B 2C 3A 2B 3C 1A 3B 1C 3A 3B 2C 1A 3B 3C 2
g c m -1. 8231. 7091. 6891
. 7031. 7291. 6771. 6731. 6441. 607
3
g c m -1. 2611. 2041. 1651. 2381. 1301. 0931. 1491. 0821. 072
3
g (100m l ) -280240230235245225225215200
1
图4 粉料加入量与陶瓷型尺寸变化率和强度的关系
F ig . 4 A dditive quantity of pow der and di m ensi onal variati on of ceram ic mo ld in relati on w ith strength
(1) 粉料紧实密度和临界加入量有很好的对应关系, 见图3。随着紧实密度的增加, 粉料临界加入量增加,
两者成正比关系。
(2) 粗细合理而分散的粉在保证浆料流动性的前提下, 其临界加入量大。所制陶瓷型质量好。用这样的标准对正交表各方案进行选择, 1号方案A 1B 1C 1为最佳方案。
3. 2. 4 粉料加入量对陶瓷型性能影响
为弄清粉料加入量对陶瓷型性能影响的规律, 用表22
4 催化剂
4. 1 催化剂的作用
一般硅酸乙酯水解液pH 值为2～3, 胶凝时间长。为让浆料在较短时间内胶凝以进行起模等工序, 必须加入催化剂改变浆料的pH 值, 使之接近不稳定区。
催化剂种类和加入量应使浆料胶凝时间合适。胶凝
时间过长会造成浆料中耐火材料颗料沉淀, 型壳表面粗糙度高, 生产时间长等问题。反之, 又会造成浆料流动性差而降低型壳表面质量及大铸型浇不足等。同时胶凝时间还影响浆料能否充分混合, 从而影响陶瓷型的强度。4. 2 催化剂种类
生产中可根据生产件大小等确定所需胶凝时间, 从
曲线或公式可方便地得出所需催化剂的加入量。当然, 还要注意水解液性能、气温、湿度的影响。
5 陶瓷型喷烧工艺
喷烧是制造高质量陶瓷型的关键工序之一。为便于对比
, 采用同种陶瓷浆料灌注, 研究起模后点火自燃、自燃1m in 后再喷烧、取模后立即喷烧三种工艺对陶瓷型强度及尺寸精度的影响, 结果见图7。立即喷烧所得陶瓷、尺寸精确。, , 收缩均匀, 裂纹较。
从原理可知, 酸性和碱性材料均可作催化剂, 常用的是碱性催化剂。国内多使用Ca (OH ) 2和M gO 的无机催化剂。据报道国外大多采用各种有机胺催化剂, 可获得更高强度和表面质量的陶瓷型。
共选用10种碱性有机物(A 1、……、A 2、A 10) 作催化剂, 分别测定加入量和胶凝时间的关系曲线, 得出最佳加入量, 测定陶瓷型的强度及表面质量。
图5
) 2高, 同时表面质量也好好, 是因为有机催化剂活性大, 加入量少, 焙烧时能烧掉造成的。
图5 不同催化剂所制陶瓷型强度
F ig . 5 Strength of ceram ic mo ld 2catalysato r relati on
考虑强度和成本的因素, 选用A 3有机物作催化剂。4. 3 催化剂加入量
图7 陶瓷型喷烧工艺对尺寸变化率和强度的影响
F ig . 7 Effect of firing p rocess on di m ensi onal
variati on and strength of ceram ic mo ld
图6
是A 1的加入量和浆料胶凝时间的曲线。试验表明, 各种有机催化剂加入量与浆料胶凝时间的关系近于幂曲线, 可用Y =A X -B (Y 为胶凝时间, X 为催化剂加入量) 表示。不同有机催化剂碱性不同, A , B 值也不同。
6 陶瓷型焙烧工艺
焙烧是陶瓷型铸造中必不可少的工艺过程, 对陶瓷型及铸件质量均有明显的影响。为了解焙烧温度对陶瓷型强度的影响, 系统测试了不同焙烧温度时的陶瓷型强度, 见表6。从表6可知, 随着焙烧温度的提高, 陶瓷型强度在增加。因此, 使用较高的焙烧温度是合理的。
表6 不同焙烧温度时陶瓷型的强度
6 -焙浇温度 ℃
室温200
300
400
500
600
700
800
900
陶瓷型强度 M Pa 6
. 456. 737. 238. 138. 579. 129. 339. 8910. 07
从陶瓷型强度看焙烧温度至少应选在600℃以上
图6 A 1加入量与浆料胶凝时间曲线
F ig . 6 Effect of additive quantity of A 1on gelati on ti m e of slurry
为佳。焙烧时间则要根据陶瓷型尺寸大小及厚度来选择。
23
7 应用实例
以LOM 纸原型为母模, 用以上优选出的一整套陶瓷型工艺, 已成功生产出图8的合金铸铁汽车空压机盖的冲压模具成形镶块。凸模镶块外形尺寸为450mm ×286mm ×72mm , 凹模镶块外形尺寸为510mm ×350mm ×82mm
。
分数为16%～18%、水解液陈化时间为20～24h ;
③耐火粉料种类按所生产模具合金而定, 粒度以A 1B 1C 1级配粉为佳;
④采用有机催化剂A 3
⑤喷烧工艺:取模后立即喷烧; ⑥焙烧温度应在600℃以上。
参 考 文 献
1 J iang Buju . Study on P rocess of P roducing R ap id M etal D ies . P rogress
in R ap id P ro to typ ing M anufacturing and R ap id Too ling . in :I CR PM
’98. Beijing . 1998. 398～403
2 Xu D a . Study on U nbaked o ld Casting P rocesses based on
ap id P to typ in R aid P ro to typ ing M anu 298. Beijing . 1998. 381～387R ap ling . :I ’
N ap id ro T echniques to P roduce N et 2Shape In 2
图8F ig . 8 Shaped ing r r Too ling . in :9th W o rld Conference on Investm ent Cast 2
～18:7ing . San F rancisco . U . S . A .
1996. 18:1
4 《陶瓷型铸造译文集》编译组. 陶瓷型铸造译文集. 上海:上海科技出
8 小 结
(1) 用LOM 纸原型做母模、经陶瓷型翻制模具是
制造快速金属模具的一种有前景的方法。
(2) 用陶瓷型铸造生产快速金属型的工艺要点为:①用硅酸乙酯40做粘结剂;
②硅酸乙酯水解液加水量M =0. 35, Si O 2的质量
版社, 1979.
5 王可献. 陶瓷型铸造工艺的发展概况. 铸造技术, 1981(3) :45～49
6 何湘平. 硅酸乙酯40在陶瓷型精铸中的应用研究. 特种铸造及有色合
金, 1985(3) :6～10
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1992(2) :19～23
8 赵淑琴. 陶瓷型精铸模具工艺的研究. 特种铸造及有色合金, 1989
(5) :3～7
(编辑:张振斌)
24
