金属树脂模具制造

金属树脂模具制造一、制作原材料的分析与选择金属树脂模具就是以环氧树脂与金属粉填料（如铝粉、铁粉、铜粉）为基体材料，以样件为基准浇铸而成的模具。以金属粉为填料所制的树脂模具有以下特点:（1）热传导率高。（2）强度高：由于环氧树脂中的环氧基团与金属表面上的游离键起反应，形成化学键，基体之间形成很强的结合力，使浇铸体具有很高的强度。（3）工艺简单，周期仅为同类钢模的10%～50%。（4）型面可不加工，故成本低，仅为同类钢模的20%～50%。金属树脂模具所用材料一般包括如下几种：环氧树脂、固化剂、金属粉填料、增韧、促进剂、胶衣树脂、脱模剂、制模过程中的过渡模材料、封闭剂等。1、环氧树脂的选择环氧树脂是一种含有环氧基团的高分子聚合物，未固化前，它的结构是线型的热塑性树脂，具有一般热塑性塑料所特有的因温度变化而改变其流动性的通性。环氧树脂具有许多独特的优良性能，主要有：（1）良好的工艺性能：环氧树脂中，特别是低分子环氧树脂，由于分子量小，所以常温下流动性较好，易和固化剂及其他添加剂混合，这就给操作带来了很大的方便。同时也保证了加工工艺的顺利进行。（2）高度的粘合力：在环氧树脂的结构中具有羟基（）、醚基（）和极活泼的环氧基（）存在，使环氧树脂具有很高的极性，使得环氧树脂分子与相邻界面产生了电磁吸力，而环基团则能与介质表面、特别是金属表面上的游离键起反应，而形成化学键，因而环氧树脂的粘合力特别强。（3）收缩性小：环氧树脂与固化剂反应时是通过直接加成反应来进行的，因此在固化过程中，没有副产物产生，也不会产生气泡，所以其收缩率一般都小于1%。（4）稳定性好：分两方面。①未加固化剂的环氧树脂，其成品一般不含碱盐，因此久放不宜变质，结构不受破坏。②固化后环氧树脂具有优良的耐化学品稳定性。（5）优异的电绝缘性能：环氧树脂和许多有机高分子材料一样，是一种良好的绝缘材料。（6）机械性能高：环氧树脂结构中含有环氧基、醚基、羟基等，同时其结构又很紧密，所以它相对于酚基树脂、聚酯树脂及其他高分子材料来讲有更好的机械性能。（7）耐热性较好：环氧树脂因含有稳定的苯环及醚键，所以其耐热性也很好。由于环氧树脂具有许多优良的性能，与固化剂、改性剂及各种添加剂等通过适当的配合能组成多种配方，具有广泛的用途。把它用于模具的制造上，不论在工艺上或是质量上都具有许多优点。由于制作模具的环氧树脂要求其必须有足够的机械强度和硬度，良好的耐热性和导热性，同时还应有良好的工艺性能。国产环氧树脂品种很多，但广泛使用的有双酚A类环氧树脂和脂环族环氧树脂。双酚A类环氧树脂的特点在于粘结力高，化学稳定性好，机械和电气性能良好。环氧树脂634#、6101#就属于这类树脂。脂环族环氧树脂粘度低、工艺性能好，分子结构紧密，固化后硬度大，耐热性和耐紫外线老化等特性好，如环氧树脂6270#就属于这一类。2、固化剂的选择环氧树脂固化前本身是热塑性、线性的高分子树脂。单独的环氧树脂是没有使用价值的，环氧树脂在使用时必须加入固化剂，使线性结构的环氧树脂分子交联成网状结构的大分子，成为不溶的环氧树脂，从而才能显示出其固有的优良性能，而且有实际使用价值。因此，固化剂是应用环氧树脂时必要的辅助材料。现有的环氧树脂固化剂种类十分繁多，目前已达到一百多种，而且还在不断地研制开发之中。采用不同的固化剂，固化后的环氧树脂性能也各不相同，因此，在使用环氧树脂时，对固化剂的选择的很重要的。选择固化剂一般应考虑以下三点：（1）此种固化剂能与环氧树脂中的环氧基、羟基反应，使线性结构变成网状体型结构。（2）加入固化剂后，不生成其他副产物。（3）固化剂加入后放热小、收缩率小。3、填料的选择根据产品性能要求，在环氧树脂复合物中添加相应的填料，可使固化物的一些性能得到改善。作为填料的材料很多，大致可分为有机物、无机物、金属与非金属。合理地选用填料能够使浇铸体获得以下效果。（1）降低成本：大量地使用填料可以相应地减少树脂的用量，有利于成本的降低；（2）抑制反应热：如果使用的固化剂反应热较高，添加导热性较好的填料，有利于反应热的散发，能够起到抑制反应热的作用；（3）添加填料可以延长树脂混合物的适用期；（4）降低固化物的收缩率和热膨胀系数；（5）改善固化物的耐热性；（6）降低固化物的吸水性，改善固化物的耐老化性和耐化学药品性；（7）提高树脂固化物的抗压强度和耐磨损性。各种填料的特性各有不同，因此使用填料时必须根据使用的要求对填料加以适当选择。表1给出了常用填料的选择原则。表1常用填料的选择在选择填料时，还应该注意以下几点：（1）填料应不含结晶水，必须是中性或弱碱性，而且与环氧树脂的固化剂及其他辅助试剂不发生化学反应。（2）粉末填料要求颗粒细小，填料的比重和环氧树脂的比重不能相差太大，否则，在配制过程中，填料容易上浮或沉淀，而造成严重的分层现象。（3）填料的用量不能太多，否则树脂粘度太大，操作不方便，同时不能保证填料都能湿润到树脂而影响固化体的强度。4、增韧剂的选择单纯的环氧树脂固化后性能较脆，耐冲击强度和耐热冲击性能较差。为了改善环氧树脂固化物的这一不足之处，在设计环氧树脂浇铸料配方时，往往加入一定数量的增韧剂。增韧剂分非活性增韧剂和活性增韧剂两种。5、促进剂的选择促进剂在环氧树脂浇铸料中的主要作用是加快固化反应，调节凝胶时间，使之适应浇铸工艺的要求。因为太长的凝固时间，由于重力的影响，在树脂还未凝固之前，填料已经发生下沉，固化体产生分层现象，造成浇铸件上下应力不均而产生开裂。因此，凝固时间是环氧树脂浇铸工艺至关重要的技术指标。促进剂的用量一般说在树脂模具浇铸配方中小于1%，适当使用促进剂，可增加环氧树脂浇铸件的某些性能，如导热性、冲击强度等。6、胶衣树脂的选择金属环氧树脂模具的型面要经常受到摩擦、碰撞、大气老化和介质腐蚀，直接影响到模具型面的外观、质量、可靠性和使用寿命。为此，型面层一般采用胶衣树脂，也可采用已加入粉末填料的普通树脂代替。胶衣树脂层在制作金属环氧树脂模具时不仅可以使模具型面质量得以提高，而且能够保护模具型面免受上述各种破坏因素的侵蚀，使模具在实际使用中安全、可靠，并有令人满意的使用寿命。7、脱模剂的选择为防止金属树脂模具在制造过程中原型与金属树脂固化体粘结，便于脱取原型，在浇注树脂混合料前，在原型工作面上应敷一层脱模剂，凡是与环氧树脂粘结力小的非极性或极性微弱的一类物质，都可以作脱模剂用。但脱模剂还应具有下列条件：不腐蚀原型，不影响树脂固化，成膜均匀、光滑，成膜时间短，使用方便，价格便宜。脱模剂的种类很多，一般分为片状、溶液型、油蜡类三种。不同材料的原型、不同的固化温度应选用不同的脱模剂。8、制模过程中的过渡模材料对于耐热性、耐磨性、耐气候性较高的金属树脂模具，常温条件下固化的环氧树脂常常不能满足要求，必须选用高温条件固化的环氧树脂，如6207#环氧树脂。而如果用高温化的环氧树脂，就带来了一个新的问题，例如对于SLA制作的光敏树脂原型，60～70℃时即开始变软，不能满足高温固化的环氧树脂所要求的固化度，因此必须制作一过渡模来代替光敏树脂原型。制作过渡模的材料用环氧树脂、石膏、硅橡胶等，实际制作时，应根据制作模具的数量、几何形状、精度及光洁度的要求加以合理选择。9、封闭剂的选择石膏过渡模表面有许多微毛细孔，必须涂封闭剂，以免在浇铸过程中环氧树脂渗入石膏模的微孔内，固化后有微凸起，影响模具的表面质量。本实验选用聚乙烯醇作为涂在石膏模表面上的封闭剂。聚乙烯醇是白色无味的粉末，能溶解于水。表2为常用的金属环氧树脂混合料配方。配方01#、03#在固化前都有极好的流动性，这给浇注提供了成型的良好条件。02#配方在适宜的温度下也有一定的流动性，可以满足浇注时需要。由配方01#和02#获得的固化体，有较好的机械性能，适中的强度和硬度，并且由软体硬质点的耐磨性。配方03#和01#、02#相比具有高的耐热性、耐气候性和优良的电性能，但其固化物较脆，耐热冲击性能较差。三个配方固化物的物理机械性能如表3所示。表2常用的金属环氧树脂混合料配方表301#、02#、03#配方固化物的物理机械性能01#配方02#配方03#配方外观灰黑色灰黑色银灰色，有金属光泽马丁耐热（OC）150120240布氏硬度（HB）24.518.128.8抗拉强度（MPa）504443.9抗压强度（MPa）12082.3217.8冲击韧性（kg.m/mm2）190195182固化收缩率0.1%0.17%0.14%自由固化表面粗糙度0.8μm0.8μm0.8μm二、金属树脂模具浇注成型工艺金属树脂模具浇注的工艺流程如图1所示。图1常温金属树脂模具的浇注工艺流程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。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，使原型尽可能提高光洁度，然后涂刷聚氨酯漆2～3遍，使其达到一定的光洁度。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。模框的作用是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方法一些，一般原型放到模框内，模框内腔与原型的间隔应在40到60mm左右，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来生产产品，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）、平面上均要均匀、细致地喷涂上脱模剂。6、涂刷模具胶衣树脂把原型和模框放置在平板上（如图2），原型和模框制件的间隙要调整均匀。将模具胶衣树脂按一定的比例配方，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0.5～0.2mm厚即可。图2涂刷胶衣树脂1-硬细毛刷2-胶衣树脂3-原型4-金属模框图5-平板6-基座7、浇注凹模如图3所示，当表面胶衣树脂开始固化但还有粘性时（一般30分钟），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。图3浇铸凹模1—胶衣树脂2—项模杆3—漏斗4—金属树脂混合料8、浇注凸模待凹模制成后，去掉平板，如图4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。图4浇铸凸模1—凹模2—胶衣树脂层3—漏斗4—金属树脂混合料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，原型一般留下凹模内。脱取原型时，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制件，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，脱取原型时，应尽量避免用力过猛、重力敲击，以防止损伤原型和凹模。正常情况下，如操作得当，脱模十分容易，完全可以避免型面修补工作。取出原型后，将模具切除毛边，修整，人工对型面稍加抛光，有的还要做些钻孔等机械加工，以满足组装需要。在浇注过程中，应力较高的区域应嵌入金属条加以增强，若需螺纹连接，还要配入带螺纹的金属嵌件，同时还应增设冷却管道（一般为钢管）及定位销。对于固化温度要求较高的模具材料配方，其浇注工艺与前述基本相同，只是另外再做一个工作模来代替RP原型零件，以承受其高温作用。三、常见问题及解决办法对于金属环氧树脂制模方法，常用的质量问题有：脱模困难，表面粗糙度差，表面胶衣层与金属树脂混合料的固化体产生分离现象，表面裂纹，模具表面有微凸起，填料沉淀，分层，模具尺寸精度较差等等。下面具体分析出现这些问题的原因及这些问题的处理办法。1、脱模