（材料加工工程专业论文）基于冰模的熔模铸造研究.pdf

山东理工大学硕士学位论文摘要 摘要 本文研究了基于冰模的熔模铸造工艺技术。该工艺就是用冰模代替蜡模在冷冻条 件下制造型壳，在室温下融冰，最后浇注获取铸件的一种新型环保精密铸造工艺。 本研究利用硅橡胶翻制原型制作模具，通过试验，探讨了制模的工艺流程及技术 要点，制造了多种零件及艺术件的硅橡胶模具和冰模。在不同的温度下测量了原型及 冰模的尺寸，对冷冻条件下模具的综合尺寸变化规律进行了分析。根据传热学原理分 析了水在模具内的热量传输特点和凝固特点。对冷冻条件下的型壳材料进行了优化选 择：将不同组分的水解液和不同种类的催化剂分别进行对比试验，优化出冷冻条件下 熔模铸造用粘结剂和催化剂，选择了合适的制壳耐火材料。将冷冻工艺制造的型壳和 普通工艺制造的型壳进行三点抗弯试验和热膨胀试验，并将试验结果进行了对比。在 扫描电镜下对比了冷冻工艺和普通工艺条件下的型壳微观形貌。分析了型壳与冰模界 面间的反应，对界面间的热量传输进行了计算分析，用工艺措施解决了界面反应造成 的型壳内表面粗糙问题，试验表明冷冻条件下制造的型壳满足铸件浇注要求。 利用优化后的制壳材料和工艺路线进行了冷冻条件下的熔模铸造生产试验，试验 结果表明基于冰模的熔模铸造工艺可以生产出高质量的产品。 关键词：熔模铸造；硅橡胶模具；冰模；型壳；冷冻铸造 山东理工大学硕士学位论文abstiuct a b s t r a c t i i lt l l i sp 印e ri n v e s 恤e n tc a s t i n g 谢t 1 1i c ep a ：t t e m ，丘c e z ec a s t i n gp r o c e s s ( f c p ) ，w 嬲 i i l 、，e s t i g a t e d f c pi san o v e la i l de n v i r 0 】埘e n t a l l yc o n s c i o u sp r e c i s i o nc 枷n gp r o c e s s 、 ，i t l l i c epa _ 地mi n s t e a do fw a xp a 仕e mi i lw k c hs h e um o l di sm a d eu n d e rf 沁e z et e m p 饿咖， b u ti c ep a 舵mm e l t sa tr o o mt e m p e m t u r e t h en e g r a t e dp r o c e s s 觚dk e yt e c h n o l o g ) ，w e r e 咖d i e dt l l r o u 曲e x 脚e 施i 1 1 、) l ，：h i c hs e v e r a ls i l i c o n em 0 1 d s ，i c ep a t t e m sa n dc a s t i n g sw e r em a ( 1 c a n dt h ed i i i l e n s i o n a l c h 锄g ep a 吮m 丘o mp r o t o 帅e ，i c ep a t t e mt om o u l d 、v a sa 1 1 a l y z e da td i 位r e n tt e l n p e r a n 鹏s ， w 1 1 i c hi si m p o r t a mt 0c a s t i n gp r e c i s i o n u s i n gh e a t 觚l s f e rt l l e o r y ，t l l ec h a r a c t e r i s t i co fi c e t c i n p e r a l = u r e 锄ds o l i d i f i c a t i o nw 嬲d i s c u s s e d 砧s o ，b y 捌n gac o m p a r i s o nt e s tb 朗e e n d i 任e r e n tb i n d e r sa n dc a t a l y s t sr e s p e c t i v e l y ，n l eo p t i m a lb i l l d e r s ，c 削y s t s 趾dc e r 锄i c p o w d e rf o rm a l 【i 1 1 9s h e uw e r ec h o s e n 1 1 1 et e s tr e s u l t so f 慨e p o i n tb e n d i n ga l l d 慨釉1 a 1 e ，【p a n s i o nf o rs h e l lm a ( 1 eb yf c pa n dc o m m o np r o c e s sr c s p e c t i v e l yw e r ec o m p a r e d m i c r o s 觚c t u r eo fs h e us u r l 沁e s 诵t hd i 毹r e n tp r o c e s s e sw 嬲o b s e r v e du s i n gs c 锄l l i n g e l e c 臼o nm i c r o s c o p y ( s e m ) n ei n t e r f a c er e a c t i o nb e t w e e ns h e l la n di c ep a 位e mw a s a n a l y z e d ，a n dt l l eh e a tq 啪t i 够觚l s f e rw a sc a l c m a t e d t h er o u 曲s u r f a c eo fs h e l lw a s s e t t l e db yp r o c e s s i n gm e m o d s t h er e s u l t si n d i c a t i e d 也a ts h e l lm a d eu n d e rf 论e z e t e m p e r ：牡u r es 1 j p p o i r t e dc a s t i n gc o n d i t i o n s w i t l lp r e v i o u so p t i m i z e dm a t e r i a l s 跚l dp r o c e s sp 猢e t e r s ，a 涮1 1 l e s ss t e e lp a r t sw 弱 m a d e t h et e s tr e s u l t ss h o w e dt 1 1 a tt l l ep r o c e s so fi n v e s t i n e n tc a s t i i l g 谢mi c ep 甜e m 、a s p r a c t i c 2 l lf o rp r o d u c i n g1 1 i 曲q u a l i t ) rc a u s t i n g s k e yw o r d s ：i n v e s 恤e n tc a u s t i n g ；s i l i c o n em o l d ；i c ep 甜锄s ；s h e l l ；f r e e z ec a s t i n g 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名： ，妒砩么月尹 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体 上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 导师签名 时 7 时间氕年6 目侥 1 月幻日 f 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 熔模铸造的基本工艺过程及特点 熔模铸造又称“失蜡铸造”，通常是在蜡模表面涂上数层耐火材料，待其硬化干燥 后，将其中的蜡模熔去而制成型壳，再经过焙烧，然后进行浇注，获得铸件的一种方 法，由于获得的铸件具有较高的尺寸精度和较低的表面粗糙度，故又称“熔模精密铸 造，【1 1 。 熔模铸造的工艺过程如图1 1 。可用熔模铸造法生产的合金种类有碳素钢、合金 钢、耐热合金、不锈钢、精密合金、永磁合金、轴承合金、铜合金、铝合金、钛合金 和球墨铸铁等。 熔模铸件的形状一般都比较复杂，铸件上可铸出孔的最小直径可达o 5 舢【1 1 ，铸件 的最小壁厚为o 3 i l l l l l 。在生产中可将一些原来由几个零件组合而成的部件，通过改变 零件的结构，设计成为整体零件而直接由熔模铸造铸出，以节省加工工时和金属材料 的消耗，使零件结构更为合理。 熔模铸件的重量大多为几十克到几千克，太重的铸件用熔模铸造法生产较为麻 烦，但目前生产的大熔模铸件的重量已达1 0 0 0 k g 左右。大型熔模铸件的生产技术是 建立在制模、制壳、熔炼等工艺发展，以及优质材质、先进设备的基础上的。 熔模铸造工艺过程较复杂，且不易控制，使用和消耗的材料较贵，故它适用于生 产形状复杂、精度要求高、或很难进行其它加工的小型零件。熔模铸造从产品看分两 大类：军工、航空类产品和民用商品类产品。前者质量要求高，后者质量不如前者。 随着冷战时代的结束，各国军工产品大幅减少，但民航、大型电站及工业蜗轮发动机 的发展，使得军工、航空类产品所占比例变化不大。另外，随着各行业对铸件质量日 益提高的质量要求，熔模铸造得到了更广泛的应用，几乎应用于所有工业部门，如电 子、石油、化工、能源、交通运输、轻工、纺织、制药、医疗器械等领域【2 j 。图1 2 为部分熔模铸件的照片。 内浇口 ，r _ 1 - 浇 ( a ) 压型 ( b ) 注螬( c ) 单个蜡模 ( d ) 蜡模组 ( e ) 结壳 ( f ) 脱蜡、焙烧( g ) 填砂、浇注 图卜1 熔模铸造工艺过程 铸件 图卜2 熔模铸件照片 熔模铸造工艺可以生产出精密复杂、接近于产品最后形状，可不加工或很少加工 就可直接使用的金属零部件或精美工艺品，所以，它是一种近净成形的金属液态成形 工艺。与其它铸造方法相比，熔模铸造具有以下特点【3 4 j ： ( 1 ) 铸件尺寸精度高，表面粗糙度值低，可以实现少加工或无切削加工。 ( 2 ) 可以铸造薄壁件或重量很轻的铸件，特别适合铸造带有花纹、文字或沟槽 类的铸件。 ( 3 ) 能够铸造特别复杂的铸件，也能铸造壁厚为o 5 m m 、重量小至1 9 的铸件， 还可以铸造组合的整体的铸件，以代替几个零件的焊接或装配，并减轻零件重量。所 以熔模铸造能最大限度地提高毛坯与零件之间的相似程度。 ( 4 ) 不受合金材料的限制，熔模铸造法可以铸造碳钢、合金钢、球墨铸铁、铜 合金和铝合金铸件，还可以铸造高温合金、镁合金、钛合金等材料的铸件。对于难以 2 山东理工大学硕士学位论文第一苹绪论 锻造、焊接和切削加工的合金材料，特别适宜于用精铸方法铸造，还可以提高金属材 料的利用率，显著减少产品的成形表面和配合表面的加工量，节省加工时刃具材料的 消耗，大大提高了金属材料的利用率。 ( 5 ) 生产灵活性高、适应性强。熔模铸造既适用于大批量生产，也适用于小批 量生产甚至单件生产。生产过程无需复杂的机械设备，工装模具可以采用多种材料和 工艺方法制造，便于新产品研制。 但是与其它铸造方法相比，熔模铸造在应用上还具有一定的局限性【3 5 】： ( 1 ) 铸件尺寸不能太大熔模铸造最适宜于铸造几克到几十千克的中、小型铸 件。受制壳等多方面的因素，熔模铸造不能像砂型铸造那样，尺寸和重量几乎不受限 制。 ( 2 ) 工艺过程复杂熔模铸造工序繁多，工艺过程复杂，生产周期长，影响铸 件质量的因素很多，生产中对材料和工艺的要求也比较严格。 ( 3 ) 铸件冷却速度慢熔模铸造铸件凝固和冷却速度较慢，结晶组织粗大。此 外，碳钢件还容易产生表面脱碳。 ( 4 ) 制模材料昂贵，处理工艺复杂，脱蜡时由于蜡模的膨胀会使型壳出现微裂 纹，降低型壳强度和铸件的尺寸精度。 ( 5 ) 部分制模材料和清洗剂含有有毒有害物质，污染环境，危害身体健康。 1 2 熔模铸造的发展状况 1 2 1 国内熔模铸造发展状况l 们l 中国是熔模铸造技术的发源地之一。据考证，在距今2 5 0 0 年前的春秋时期就已 出现了失蜡铸造。1 9 7 8 年在湖北随州出土的曾侯乙墓的尊和盘是早期失蜡铸造的代 表作。中国大陆精铸行业虽然在2 0 世纪5 0 年代中期已经建立，并逐渐得到推广应 用，但真正的飞速发展却是在2 0 世纪9 0 年代初至今的十多年间，特别是最近几年。 目前，中国熔模铸造有两类水平的工艺，第一类企业采用中温模料制模和硅溶胶或硅 酸乙酯粘结剂制壳的熔模铸造工艺，即国际通用的熔模铸造工艺。第二类为采用低温 模料和水玻璃粘结剂制壳工艺，其铸件尺寸精度和表面粗糙度比第一类差，达不到国 际熔模铸造水平。根据大陆的情况，还有采用中温或低温模料制模，表面层采用硅溶 胶、加固层采用水玻璃制壳的复合工艺，能够在保证较高的尺寸精度和表面质量情况 下降低成本。 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 。2 国外熔模铸造的发展1 9 。1 1 l 发达国家总体上铸造技术先进、产品质量好、生产效率高、环境污染少、原辅材 料已形成商品化系列化供应，如在欧洲已建立跨国服务系统。生产普遍实现机械化、 自动化、智能化( 计算机控制、机器人操作) 。 重视开发使用互联网技术，纷纷建立自己的主页、站点。铸造业的电子商务、远 程设计与制造、虚拟铸造工厂等飞速发展。 对熔模铸造发展有较大影响的新材料、新工艺、新技术很多，如水溶型芯、陶瓷 型芯、金属材质改进、大型铸件铸造技术、钛合金精铸、定向凝固和单晶铸造、过滤 净化、热等静压、快速成型、计算机在熔模铸造中的应用、机械自动化等。随着这些 技术的发展，国外熔模铸造产品向更大、更精、更薄、更强方向发展。 国外精铸产品的服务对象主要分为两类：航空、航天及军用、其它行业商品件。 这些产品难度大，技术含量高，具有较高的附加值，比较典型的产品有：等轴晶叶片、 单晶叶片、整流器、离心叶轮、壳体、热交换器、前机匣、传动机匣、主屏蔽罩等。 这些产品可以说代表了当今熔模铸造的最高水平。 1 2 3 我国熔模铸造技术和发达国家的差距 由于受到整个工业技术发展水平的制约，同工业发达国家相比我国熔模铸造技术 还有较大差距【1 2 1 6 1 。 从合金种类看，国内一般熔模铸造产品的材质多为碳钢件、不锈钢，合金钢数量 很少，非铁合金更少。而国外熔模铸件的材质有色合金钛、铝、镁、铜等合金占的比 例比我国多很多。可见，在合金种类上我国需要多样化。 从合金的冶金质量看，国外通常是购买合格的合金锭材，快速熔化后即浇注铸件。 浇冒口和废品也送回到专业熔炼厂去精炼制成锭材后才使用。国内大多数厂是用废边 角料、浇冒口、废品熔炼合金液，故合金的夹杂物、气体含量均较高，从而影响合金 质量。 在制模用模料和所制型壳方面，低温模料和水玻璃工艺还占有一定的比重，需要 改进和提高。 在熔模铸造设备方面，一般工艺所用的设备国内已能基本配套，个别工序的设备 如真空沾浆机、雨淋式撒砂机等已有更新一代产品供用户选择，其它设备仍是老式、 落后的。在熔炼设备方面，国内以中频感应炉为主，也有采用变频炉，已能满足一般 合金钢的熔炼要求，国外采用真空熔炼、真空浇注及真空离心浇注等设备，如美国的 涡轮跨国公司早已有成套真空熔注设备，但在我国仍处在少量应用，或基本上是试验 阶段。 4 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 从管理方面看，国内企业除技术问题外，存在很多管理方面的问题。家族式和作 坊式的管理很多。管理不到位，会引起拖延交货期、库存积压、材料消耗失控等一系 列问题。熔模铸造企业应加强管理，引进现代管理思想和管理信息系统( 计算机辅助 企业管理) 以提高自己的管理水平，增强企业竞争力。 从高质量铸件比重看，中国的精铸业应用第一类工艺生产的航空精铸件产量很 少，高质量的精铸件也不多，大多生产精度要求不高的管件、五金、马具和汽车零件， 合金种类单一，特别是高温合金和有色合金所占的比重太小，而欧美等发达国家的精 铸产品主要集中在高附加值的航空、军事产品方面。“精铸不精”的现象成为我国精铸 发展的“瓶颈”。 1 3 基于冰模的熔模铸造工艺流程及特点 传统熔模铸造多采用蜡料作为制模材料【1 6 】。无论是天然蜡还是合成蜡，在脱蜡工 序中受热时蜡模的膨胀大于型壳的膨胀，往往导致型壳出现微裂纹甚至破裂，影响铸 件的尺寸精度，或浇注时出现“跑火 现象【1 7 】。使用蜡模工艺操作也较为复杂，需要 专用蜡料处理设备等。针对这些工艺缺陷，本课题提出以冰模代替蜡模，即基于冰模 的熔模铸造工艺技术。基于冰模的熔模铸造就是用水作原料，利用快速冷冻原型技术 ( 砒、p ) 通过离散一堆积成型获取冰模或利用f c p 技术用硅橡胶翻制原型后，注水冷 冻获取冰模来替代传统熔模铸造中的蜡模，在低温下进行熔模铸造的工艺过程。 r f p ( r a p i df r e e z ep r o t o t y p i n g ) 技术就是直接从c a d 模型在快速成型机中 通过离散堆积、逐层快速凝固的方法直接做出冰模。f c p ( f r e e z ec a s tp r o c e s s ) 技术 是利用硅橡胶由i 心原型或零件原型翻制模具，在模具内注水，冷冻后获得冰模。 由于采用逐层凝固的方式，进行下一层之前必须等上层完全凝固，因此r f p 工 艺的缺点是制作周期较长，而且层与层之间的分界面不能完全消除，增大了冰模的表 面粗糙度。本课题尝试以f c p 技术制作冰模，利用硅橡胶良好的弹性和柔顺性制作 脱模性好的压型，其工艺过程如下【l8 1 9 】： ( 1 ) 制硅胶模用手工涂刷或是真空浇注的方法，制取产品原型( 可利用i 冲 技术用快速成型机获得) 的硅胶模。 ( 2 ) 制冰模把获得的硅胶模注水放到冷冻的条件下( 2 0 左右) ，冷冻一段 时间后把硅胶模和获取的冰模分离，得到原型的冰模。 ( 3 ) 准备浆料将硅酸乙酯水解液和耐火材料、催化剂按比例混合，在低温下 充分搅拌制成浆料。 ( 4 ) 涂挂将冰模涂好分型剂后，浸入到配制好的浆料中，涂挂均匀后取出，在 其表面均匀撒砂。 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 ( 5 ) 胶凝每制好一层型壳都在低温条件下放置一段时间胶凝固化。并如此反 复5 次，使型壳具有一定的强度和厚度。 ( 6 ) 融冰型壳胶凝充分后，取出置于室温下，冰融化后得到型壳。 ( 7 ) 焙烧将型壳放到焙烧炉中，进行焙烧。 ( 8 ) 浇注在烧透的型壳中浇入合金熔液，冷却后得到铸件。 1 4 冷冻铸造国内外发展现状 为提高铸件质量，改善环境及降低成本，国外在低温铸造方面开展了很多研究， 有很多专利，汇总起来可以分为两大类口o 】。 1 4 1 冷冻造型和冷砂造型技术 冷冻造型是用液氮为冷冻介质，使型砂中水分冷冻后形成冷冻铸型。如英国发明 的h i t a c b i 法，又称吹入法；日本发明的浸渍法及插管法；前苏联发明的冷冻模板法及 真空冷冻法；美国专利4 1 5 0 7 0 4 覆盖法等等。冷冻铸型所生产的铸件表面粗糙度低， 型砂溃散性好，不污染环境，生产成本较低。但冷冻造型存在生产效率低，冷冻时间 长，液氮利用率低，保型时间短的缺点。在冷冻造型基础上发展起来的冷砂造型克服 了以上缺点。它是利用冰膜砂、粘土水冰膜砂、双层覆膜砂、冰雪冷砂等冷砂，采用 冷板技术生产冷砂型，有较好的发展前景。 1 4 2 用冰冻模型生产铸件技术 冰冻模型生产有两类具代表性的工艺技术，都是用冰冻模型代替蜡模，脱模时型 壳不会像传统工艺那样受模料膨胀而变形或开裂，从而大大提高熔模铸件的精度。 ( 1 ) 1 9 5 8 年至6 0 年代出现的“m e r c 嬲t ”法。该工艺是用冷冻水银代替蜡模，用硅酸 乙酯配涂料制型壳。水银模精确有利于生产优质铸件，但因水银有毒，未能用于工业 生产。 ( 2 ) 1 9 9 1 年出现的y o d i c e c o 渤工艺。在硅橡胶压型中注入水，冷冻成冰模，用 冰模代替蜡模生产熔模铸件。该工艺是美国的a n l i ey 0 d i c e 于1 9 9 1 年申请的专利【2 1 1 。 y 0 d i c e 和其他的研究人员经过十年的努力，证明了该工艺的可行性和巨大优势瞄2 5 】。 近几年来有研究者将快速成型技术和冷冻铸造技术结合起来，形成了快速冷冻工艺 p ) 并取得了一定的进展，具有代表性的是美国的密苏里大学和中国的清华大学， 他们都分别设计了自己的甲系统并利用该系统对相关的工艺参数进行了研究【2 6 j 。 我国清华大学激光快速成型中心为进行冰模成型的工艺研究，专门建立了一套试 6 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 验系统。该系统由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件系统包括运动系统、喷射系 统、控制系统和低温成型室，如图1 3 所示【2 7 1 。 图卜3 冰成形试验系统结构示意图 1 低温成形室2 y 运动单元3 x 运动单元4 z 升降运动单元 5 隔热帘6 x y 联动滑块7 供液管8 供液装置9 喷头1 0 工作平台 1 4 3 当前研究所存在的问题 尽管研究者对利用快速成型技术制作冰模进行了大量研究并取得了一定成就，但 仍然存在许多问题：i 江p 系统做出的冰模由于是逐层冷冻，冰模的表面存在分层痕迹， 致使铸件的表面光洁度不好；用巾系统制作冰模效率很低，很难应用于实际生产。 前两者研究的重点在r f p 系统制作冰模方面，在冷冻条件下型壳的制作均采用了陶 瓷型型壳，它的型腔内表面的光洁度要比逐层制壳的内表面差得多。在冷冻条件下浆 料固化问题上都采用了化学固化的方法，但化学固化的型壳强度不够高，而且催化剂 的用量多少都会直接影响型壳的性能。对于冷冻条件下型壳材料的工艺性能和固化问 题，相关文献对此介绍很少。冷冻铸造技术在国内外都尚处于起步阶段，目前有关冷 冻铸造方面的工艺参数非常有限，近几年来少有相关文献发表，因此许多问题有待进 一步研究探讨。 1 5 基于冰模的熔模铸造优势和局限性 1 5 1 基于冰模的熔模铸造优势 制造熔模是熔模铸造工艺中的重要环节，熔模的质量直接影响铸件的质量。获得 尺寸精度高、表面质量好的熔模是获得高质量铸件的关键。利用冰模代替蜡模进行熔 模铸造具有较强的优势： 7 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 从能源的角度看，蜡料是一种化工产品，是从石油中提炼的一种副产品。 随着工业的飞速发展，石油的需求量越来越大，石油资源日趋枯竭。水是自然界中最 廉价的资源，用水替代蜡料，对缓解石油危机，节约石油资源具有较大的作用。 ( 2 ) 从环保的角度看，模料中含有有毒有害的物质，清洗模组的有机溶剂也会 对人体有害，在焙烧工序时残留在型壳型腔内的蜡料燃烧时产生浓烟，燃烧后的残留 灰分会影响铸件的表面质量。而采用冰模后模样材料和成形后处理过程对操作者和环 境都没有有害影响。 ( 3 ) 从尺寸精度方面看，冰具有较高的硬度和强度，不会像蜡模那样制成后存 在变形的情况。冰模具有较好的光洁表面，不存在蜡模那样的表面质量缺陷。用蜡模 制成的型壳需要在高温蒸汽下脱蜡，由于蜡的受热膨胀导致模壳破裂或尺寸精度损 失，而用冰模获取的型壳只需要放到室温下让冰模融化即可。因为冰的热缩冷胀物性， 所以融化时不会引起型壳的破裂或变形。因此用冰模复制出的型壳表面光洁度好，尺 寸精度高。这样做出的铸件具有较低的表面粗糙度和较高的尺寸精度。 ( 4 ) 从经济角度看，水的价格低廉，资源充足，所以成本近乎可以忽略。而当 前国产蜡的价格在2 万元左右，国外蜡的价格在4 万元左右。近来受石油市场的影响 蜡料价格呈上涨趋势。使用蜡料必须有基本配套的蜡处理设备：静止桶、除水桶、保 温箱、脱蜡釜、蒸汽发生器等，而用冰模只需有冷冻室即可。 总之，用冰模代替蜡模可以实现高精度、低成本、无污染，而且工艺控制要求降 低，水的流动性好，成型能力高，可以形成复杂的模样，是一种较为理想的环保新型 制模材料。 1 5 2 基于冰模的熔模铸造局限性 冷冻铸造由于它的特殊性，所以有一定的局限性【2 8 。3 2 1 。具体表现在以下几方面： ( 1 ) 冷冻铸造技术不适合于制造大型、薄壁、平板类铸件。 ( 2 ) 铸型制取必须在低温环境下，冰模在室温下很容易融化，这样会严重影响其精 度。 ( 3 ) 自动化要求比较高，最好是机器人操作，设备投资较大，技术要求较高。 1 6 本课题研究内容和方法 1 6 1 课题的主要研究内容 1 、研制冰模的制造方法，在真空注型机中制作硅橡胶模具。 2 、研究冰模制造过程的工艺参数变化规律：原型、冰模以及最终铸件的尺寸变 8 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 化规律。 3 、研制具有良好低温性能的新型型壳浆料。确定制作型壳的耐火材料，选择合 适的粘结剂、分模剂、催化剂。 4 、研究低温条件下新型物理化学复合硬化技术。 5 、通过冷冻条件下制造的型壳浇注试验，研究获取铸件的质量。 1 6 2 课题的研究方法 1 、在真空注型机中做出硅橡胶模具， 2 、以典型几何形状的金属块为原型， 规律。 将模具注水放入冰柜中冷冻以获取冰模。 研究从原型、冰模到铸件的几何特征变化 3 、用三点抗弯试验检测型壳的室温强度和高温残余强度。 4 、利用对比试验研究冷冻条件下的复合固化技术。 5 、用中频感应炉熔炼合金材料，对型壳进行浇注获取铸件，测量铸件的尺寸和 表面粗糙度并和普通工艺的相同铸件对比。 9 山东理工大学硕士学位论文第二章冰模制作工艺 试验表明1 3 4 。，基底温度不够低会引起冰廓宽度的不均匀。在构建新层时允许足够 的冷却时间对构件的成功成型是非常必要的，冷却时间不足，会引起构型失败，因为 新沉积的水要以液态存在一段时间，表面张力会引起水在表面的不均匀分布，形成表 面汗滴。如果冷却速度足够快，则可以消除表面张力的影响。 2 1 3i 江p 在铸造生产中的应用 冰模可以成功地替代木模用于砂型铸造，特别是当铸件非常复杂的时候。冰模的 优势在于容易脱模、几乎没有形状限制、比木模砂型铸造有更好的力学性能及表面光 洁度。 r f p 在铸造行业中最有前景的应用可能还在熔模铸造领域，用冰模代替传统的蜡 模，以熔模铸造的方式铸造金属零件。这种工艺可避免用传统蜡模熔模铸造所产生的 问题和技术难度。例如，蜡模膨胀、陶瓷型壳开裂、对操作技能要求高等。应用快速 冷冻原型工艺，可使直接从c a d 模型中短时间内制作高精度冰模成为可能。将快速 冷冻原型工艺和冷冻铸造工艺结合起来，将会是一种在低成本下高质量生产大型铸件 的有效方法，表2 1 为几种铸造方法的比较【3 4 1 。 表2 1 几种铸造方法的比较 2 1 4r f p 工艺的优势1 4 孓4 7 l ( 1 ) r f p 相对于其它r p 工艺来讲是一种低廉、清洁的方法。构建过程及所用 材料便宜而且对环境友好。 ( 2 ) r f p 具有精确构建表面光洁冰模的潜力，低的材料粘度、出色的层间结合、 表面自光洁能力。另外，i 江p 在构建过程中产生的残余拉应力小。 ( 3 ) r f p 的构建速度明显快于其它i 冲技术。因为可以先用水微滴沉积模式构 建外边界，然后再用连续水流模式快速填充内部。 ( 4 ) r f p 比其它r p 技术耗能低。低的能耗率加之较短的工艺时间使i 强p 在能 耗方面比其它i 冲技术更具有优势。 ( 5 )比较容易构建彩色构件。构件的不同部位可以用不同颜色的材料构造。 山东理工大学硕士学位论文第二章冰模制作工艺 ( 6 ) 在造型过程中，只需要简单地将铸型加热，使冰模熔化然后干燥铸型就可 以很容易地从铸型中去除冰模。 2 2 硅橡胶模具制作冰模f c p ( f 心e z ec a s tp m c e s s ) 简介 冰模对模具的要求和蜡模对压型的要求不同。水具有良好的流动能力，粘度低， 所以冰模用模具必须具有良好的密封性( 水不能从结构连接处渗漏) 。另外，水在凝 固时发生膨胀，如果模具不具备一定的容让性，冰模可能在膨胀应力的作用下发生破 裂。因此，冰模用模具的型腔部分要用具有一定弹性的软模材料。在制作软模前，必 须先要制造与铸件形状、尺寸完全对应的原型，其材料可以是金属、木材、塑料等。 母模可以机械加工或快速成形的方法制作。然后利用原型制作软阴模，阴模的材料一 般为硅橡胶、尿烷聚硫化物等，将具有一定流动性的材料浇入带有原型的成形框中， 经过一段时间的固化后就形成阴模。然后将水注入模中冷冻就可形成冰模。这种制作 模具的方法比制作蜡模用的压型要简单得多。 2 2 1 制模材料l 侧 常用的压型材料为硅橡胶。硅橡胶高聚物分子是由硅氧键连成的链状结构，其 主要组成是高摩尔质量的线型聚硅氧烷。由于一s i o s i 键是其构成的基本键型，硅原 子主要连接甲基，侧链上引入极少量的不饱和基团，分子间作用力小，分子呈螺旋状 结构，甲基朝外排列并可自由旋转，使得硅橡胶比其他普通橡胶具有更好的耐热性、 电绝缘性、化学稳定性、耐寒性等。典型的硅橡胶即聚二甲醛硅氧烷，具有一种螺旋 形分子构型，其分子间力较小，因而具有良好的回弹性，同时指向螺旋外的甲醛基可 以自由旋转，因而使硅橡胶具有独特的表面性能，如憎水性及表面防粘性。 硅橡胶按其硫化温度，可分为高温( 加热) 硫化型及和室温硫化型两大类，室温 硫化型又有单组分( r 1 v 1 ) 和双组分( r 1 m 2 ) 两类。单组分室温硫化硅橡胶( 简 称r t v 1 胶) 是缩合型液体硅橡胶中主要产品之一。通常由基础聚合物、交联剂、 催化剂、填料及添加剂等配制而成。产品包装在密封软管中，使用时挤出，接触空气 后能自行硫化成弹性体，使用极为方便。双组分室温硫化硅橡胶( 简称r 2 胶) 使用上没有r m 1 胶方便，但其组分比例富于变化，一个品种可以得到多种规格性 能的硫化制品，而且还能深度硫化，特别是r 2 具有优异的脱模性，因而作为软 模材料大量用于文物、工艺品、玩具、电子电器、机械零件等的复制与制造。 1 4 山东理工大学硕士学位论文第二章冰模制作工艺 2 2 2 制模的方法 制取硅胶模的方法有两种：手工涂刷和真空浇注机中浇注【4 9 】。真空浇注可以避免 模具的表面和内部产生气孔，模具具有较好的表面质量和使用寿命。在没有真空设备 的情况下可以手工涂刷，但由于硅橡胶粘度较大，涂刷时很难均匀，狭窄局部可能难 以成型，并且极易裹气。所以，手工涂刷用硅橡胶一定要加入一定量的稀释剂以改善 其涂刷性能，另外，涂刷时要分层进行，每层厚度不宜太大( 尤其是与原型直接接触 的面层) ，涂刷过程中要不断振动以使所裹挟的气体不断溢出到表面，同时用针将外 表面形成的气泡挑破。 真空浇注时，对已决定配比的硅橡胶主剂和固化剂进行搅拌后放入真空浇注机 中，在减压真空条件下抽去搅拌时混入的空气，约需7 1 0 分钟；然后将浇注框放入 真空装置中进行浇注。把原型全部埋没，并保证浇注上平面处型腔也有足够的壁厚； 对已浇成的橡胶压型再进行真空抽气。尽量抽去混入橡胶模具中的空气。抽气后将浇 注框移出真空装置外，在室温下放置1 0 1 5 小时( 固化时间随固化剂加入量而变化) ， 待其固化。当完全固化后，即将橡胶压型从浇注框中取出，沿浇口处将橡胶模切开， 形成两块半模，并取出原型。将两半模对合在一起即成为一副橡胶压型。 无论是手工涂刷还是真空浇注，在制模时首先需要考虑分模、脱模的难易，再决 定采用整体一次浇注、两次或多次分体浇注，分模面的设置应根据母模的具体情况确 定，同时考虑模具的定位要求，一般为锯齿形，最好是在靠近内模面的部分做的平滑 一些，这样有利于提高模具精度。对于要求强度较高的压型，要采用石膏作背衬。 2 2 3 硅橡胶模具的优缺点 利用r p 技术设计制造出产品的原型，然后用硅橡胶制造其模具，这对于结构复 杂、花纹精细、无拔模斜度( 甚至有一定的倒拔模斜度) 或带有深凹槽的产品，在新产 品试制或者单件、小批量生产时，具有以下优点： ( 1 ) 可以大大缩短产品试制周期，同时修改模具也很方便。此外，由于硅橡胶 模具具有弹性，对凸凹部分浇铸成型后均可以直接取出。 ( 2 ) 利用硅橡胶制造模具，可以更好地发挥i 心技术的优势。由于原型机械性 能差和耐温性低，在利用它制造其它快速经济模具时受到了限制，而硅橡胶模具能够 克服这些缺点，这样就可以利用r p 原型制造各种复杂零件的模具。 它的主要缺点【5 0 j 是： ( 1 ) 硅橡胶的热传导性比较差，如果在硅橡胶模的固化过程中，热量没有被完 全散发的话将会明显降低模具质量，所以硅橡胶模具的制作时间很难被缩短。 ( 2 ) 硅橡胶的耐久度比较低，对于比较简单的零件，如果零件上有尖边或薄壁， 山东理工大学硕士学位论文第二章冰模制作工艺 那么一般一个模具只能生产3 0 一4 0 个，如果零件相当复杂一个模具只能生产1 0 1 5 个，这样由于模具的寿命比较短，硅橡胶模一般只适于零件的试制，当作大量零件时 它的生产周期并不比金属模具短。 ( 3 ) 为了保证硅橡胶模的精度，硅橡胶的浇注要在真空环境里完成，硅橡胶模 具的大小受到真空成型机尺寸的限制，无法生产大型的模具。由于硅橡胶模的强度较 低，所以它不适于用于注塑模的生产。 2 3 模具制作工艺试验 本试验采用硅橡胶制模工艺，采用室温固化硅橡胶作为模具材料【5 l 5 2 1 。室温固化 硅橡胶具有以下优点：温度稳定性好( 耐高、低温) ；耐臭氧和氧老化、耐光老化等； 吸潮性低，不与其他材料粘合，具有良好的生理惰性；高透气性。因此用作硅橡胶模 具的硅胶材料要求具有较短的固化时间，较高的强度和硬度，较强的抗撕裂性能，线 收缩率越小越好且硅橡胶不能和酸碱反应。 2 3 1 试验原料 ( 1 ) 硅橡胶 r t v - 2 ( 型号8 7 5 ) 模具硅橡胶，这是一种双组份室温下进行硫化的有机硅橡胶。 其中基料是由双羟基的聚硅氧烷、补强剂等组成，两组化合物在催化剂存在下室温交 联反应，形成柔韧弹性体，该产品主要用于制作各类模具。 ( 2 ) 固化剂 主要起架桥的作用，我们知道，硅橡胶高聚物分子主要是由s i o ( 硅氧) 键连 c 翠3 成的链状结构，而固化剂的作用正是将使。一g i o 之间的键位拉开形成网络结构，从 而起硬化作用。如加入量过高，硬化很快，模具易拉坏，同时耐温差，耐化学品差， 导致模具寿命缩短。硬化剂用量一般为2 呲5 ，同时硬化剂的加入量还应根据当 时的气温，湿度而适量增减。气温高及湿度大，都使反应相对加快，应适量降低硬化 剂量。 ( 3 ) 硅油 稀释s i 原子之间结构，使s i 原子有良好的活动空间。同时在以后的分模过程中 起到润滑的作用，从而可充当一种间接分模剂的作用。但是，如果硅油加入量过大， c 掣3 会使硫化过程降低，易变形，0 5 f i o 的键力减弱，致使抗撕力减弱。因此任何种类 的硅油，添加量应在5 左右为宜。 1 6 山东理工大学硕士学位论文第二苹冰模制作工艺 ( 4 ) 纸板、胶带及垫块 纸板：根据原型的形状制作相应的型框。 胶带：将胶带粘贴在纸板的内表面，便于硅橡胶固化后的取模。 垫块：将原型固定并支撑起来，在制好的硅橡胶模具上作为注水口用。 2 3 2 试验设备 电子天平：称量硅橡胶，固化剂和稀释剂。 真空注型机：在该设备中搅拌、抽真空，如图2 4 所示。 2 3 3 试验过程 鬯妻_ 图2 4 真空注型机 制作硅橡胶模具的工艺流程图如图2 5 所示。用一不锈钢铸件( 快速接头1 5 0 f ) 作为原型，用真空浇注机进行硅橡胶模具的制作，以研究制模工艺过程的主要技术环 节，掌握该工艺技巧。 制作原型h 原型结构分析 开模卜l 抽真空h 固化 获取硅橡胶模具 雯喜薹言三二支撑牌 及分型面位置i 一 霎纛爹h 堡堡壁望兰兰竺 注入型框 一 图2 5 硅橡胶模具的制造工艺流程 试验过程如下： ( 1 ) 原型结构分析该铸件三维实体如图2 6 所示。外轮廓为圆柱、多面体等 几何体组成的复杂曲面，如图2 7 所示，铸件内表面局部斜度( 3 0 ) ，铸件的外缘有 一带孔的吊耳。因此在设计开模面及分型面时，必须充分考虑这些特殊结构部位的影 山东理工大学硕士学位论文第二章冰模制作工艺 响。 吊耳 图2 6 铸件三维实体图2 7 铸件平面图 ( 2 ) 确定开模面和分型面位置开模面和分型面的位置直接影响浇注产品能否 顺利脱模和浇注产品质量的好坏。该件外形为一圆筒形，制成的硅橡胶模具中间为圆 形的芯子，如果横放会因芯子的自重下垂影响尺寸精度，因此该件必须立放。开模面 一般选在原型的最大轮廓处，对该件而言应选在b b 面处，如图2 8 所示。对于分型 面的选取一般要避开重要部位，而且便于脱模。该件的分型面有两种选择，如图2 - 8 ( a ) 和( b ) 。由于该件的芯子具有一定的拔模斜度，如果选择( b ) 方案会使芯子拔不出来。 该件的吊耳有一小孔，因此必须在小孔处设置一分型面。在a a 面处和吊耳小孔处 贴一层较薄的胶纸即可形成分型面。分型面的型面选好后应在型框上做好标记，便于 固化后好准确分模。图2 8 中的垫块在此不但起支撑作用，分模后还起注水口的作用 ( 有时也可作为浇口用，视铸件的形状而定) 。垫块一般做成倒锥形，以便于脱模。 如果做成锥体形，模具注水冷冻后，垫块和原型冷冻后会成为一体，导致脱模困难。 ( a ) 合理的分型面( b ) 不合理的分型面 图2 8 开模面及分型面的选择 ( 3 ) 制造型框根据原型的尺寸和要求确定型框的形状和尺寸。为了便于取模， 试验采用纸质盒子作型框，型框的内轮廓尺寸一般为原型轮廓最大尺寸的基础上增加 2 0 3 0 m m 。在其内表面贴胶纸，形成光滑内表面以便于固化后顺利取模。型框的高度 应在原型高度的基础上再加6 0 7 0 n l l l l ，以防止抽真空时硅橡胶溢出型框。 1 8 山东理工大学硕士学位论文 第二章冰模制作工艺 ( a ) 主视图( b ) 俯视图 图2 9 硅胶膜型框示意图 ( 4 ) 固定原型放在型框中的原型必须固定，由于硅橡胶的粘度和密度较大， 产生的浮力较大，会使原型在型框内发生漂移，做出的硅橡胶模具壁厚不均匀。试验 采用强力胶将原型和型框固定在一起。 ( 5 ) 硅橡胶的用量计算由于采用的是双组份室温硫化硅橡胶，当加入固化剂 后硅橡胶就会凝固，不可重复利用，因此硅橡胶的用量必须计算准确。硅橡胶的用量 应根据型框的尺寸和原型的尺寸以及硅橡胶的比重进行计算。计算公式为： m = p 【、，型框一v 原型j ( 2 1 ) 式中m 硅橡胶的重量，埏 p 硅橡胶的密度，k 咖3 固化剂的用量一般为硅橡胶重量的2 左右，过多过少都不宜。催化剂过多固化 速度过快，会使硅橡胶内的气泡来不及逸出，而且制成的硅橡胶模具硬度高，弹性差。 过少的用量会使固化速度很慢，影响生产效率。由于采用的硅橡胶牌号较高( 8 7 5 ) ， 其粘度较大，为了更好地搅拌和抽真空，应加入硅油对其进行稀释。硅油的加入量一 般为5 左右。 ( 6 ) 第一次抽真空将计算好的硅橡胶、固化剂以及硅油混合，进行搅拌，然 后放入真空注型机中进行第一次抽真空。由于在搅拌的过程中硅橡胶混入了大量气 体，因此必须先进行第一次抽真空。抽真空的过程同时也是固化剂、稀释剂和硅橡胶 充分搅拌混合的过程。如果不进行预抽真空，固化剂和硅橡胶混合不均匀，其中大量 的气体在向外涌动的过程中会使固定好的原型发生移动错位。图2 1 0 为预抽真空和 没有预抽真空的模具比较。当看到真空室内的硅橡胶表面没有大气泡逸出时，可认为 第一次抽真空完成。第一次抽真空时间不宜过长，以防第二次抽真空时气体来不及逸 出。 1 9 山东理工大学硕士学位论文第二章冰模制作工艺 蘸 图2 1o 预抽真空和未预抽真空的模具比较 ( 7 ) 第二次抽真空将抽完真空的硅橡胶取出注入型框中，进行第二次抽真空。 注入时要贴着型框内壁缓缓注入，以防硅橡胶冲毁分型面或使原型发生移位。注入的 量以型框的标记线为宜，不宜过多，以防溢出。第二次抽真空的时间应根据实际情况 而定，以表面没有气泡逸出为宜。 ( 8 ) 固化取模将抽完真空的硅橡胶在室温下放置1 2 小时，即可固化。当完全 固化后，将硅橡胶压型从浇注框中取出，沿作为分模标记的透明胶带，把模具切割开 形成两块半模，并取出原型。将两半模对合在一起即成为一副橡胶压型。为防止浇注 时模具的错位，导致渗漏，切割模具时，切口应尽量切成波形状或锯齿形状，以便使 其能较好地合模。但在靠近内模面的附近应尽量平滑，这样有利于保证模具精度。图 2 。1 1 为制作好的硅橡胶模具。 图2 111 5 0 f 快速接头硅橡胶模具 2 4 利用硅橡胶模具制造冰模 硅橡胶模具制成后就可以在冷冻条件下制作冰模了。将上下硅橡胶模具合模，合 模时一定要对准合模线，以防发生错位，合模后，用橡皮筋捆扎好，较大件可用胶纸 沿开模面密封，以防渗漏。注水的过程中要贴模具内壁缓缓注入，注完后轻轻震荡模 具，使不宜润湿的模具边角处存有的气泡逸出，然后放入冰柜中冷冻足够时间即可。 试验中利用该技术制作了一些零件及艺术件的冰模，如图2 1 2 所示。 2 0 豳雄 山东理工大学硕士学位论文第二章冰模制作工艺 ( a ) 1 5 0 f 快速接头 ( c ) 螺纹密封塞 2 5 小结 ( b ) 阀盖 ( d ) 密封盖 ( e ) 罗汉( f ) 笔筒 图2 12 几种零件和艺术件的原型与冰模 本章介绍了制作冰模的两种不同方法，对制模机理进行了分析，指出了两种制模 方法各自的优缺点。通过试验，探讨了利用硅橡胶进行模具制造的工艺流程，分析了 制作硅橡胶模具及翻制冰模的技术要点，对试验过程中出现的问题进行了总结分析， 利用该技术成功翻制出多种零件及艺术件的冰模。 2 l 山东理工大学硕士学位论文第三章制模工艺中线尺寸变化规律的试验研究 曼曼曼曼曼曼曼舅量曼量曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼量置曼量