（机械工程专业论文）热塑性塑料注射成型中的可熔型芯技术研究.pdf

旧川大学= ：i ：= 程硕士学位论文 热塑性塑料注射成型中的可熔型芯技术研究 机械工程专业 研究生邹勇指导教师苏真伟陈治平 摘要 一些形状复杂的中空塑料件，一般用中空吹塑或气辅成型等方法进行制 造，存在着制件内部形状和尺寸难以控制等缺点。市场上，要求较精确地控制 复杂中空塑料件内部形状和尺寸的呼声越来越高。因而在塑料注射成型中引入 了类似失蜡铸造的“可熔型芯”制造技术。在国外，可熔型芯注射成型技术已 得到一定的发展，其典型的应用范例已见诸网球拍、汽车水泵、水泵叶轮、中 心加热泵、飞机油泵等产品。但是，至今国内此类研究仍十分薄弱。在这方面 的研究报道较少，仅见该技术在两项国家自然科学綦金课题( 由原洛阳工学院 承担) 中的应用实例：一是复合材料滚动轴承，二是复合材料发动机机体。我 国现行相关教科书上大多找不到这项技术的介绍，有的也仪是只言片语。 作者对注射成型中可熔型芯技术进行了探索和应用，完成了3 0 玻纤增强 尼龙6 6 和聚丙烯中空塑料件的制造。基于这次应用，本文力图从可熔型芯材料、 可熔型芯成型、塑料件注射成型和可熔型芯熔出等各个环节系统地介绍可熔型 芯注射成型技术。可熔型芯栩料部分主要包含配方理论、配n t 艺和一些典型 配方；可熔型芯成型部分主要包含铸造原理、铸造模具和铸造工艺；塑料件注 射成型部分主要包含用可熔型芯的注射模具、注射工艺等：可熔型芯熔出部分 主要包含熔出方式和熔出工艺等。 本文实践证明，可熔型芯的成型使用常压铸造是不可取的，应采用低压铸 造；可熔型芯在注射模中的可靠安装与支撑非常重要，它关系到注射成型的成 败；熔融塑料的高温在注射过程中熔化可熔型芯的可能性很小；低熔点合金材 塑! ! 查兰三堡堡土堂垡望兰 料( 熔点7 2 1 2 2 c ) 制成可熔型芯。并将其用于多种热塑性塑料( o 4 6 m p a 下 热变形温度1 0 2 2 6 5 c ) 注射成型的技术是可行的，其工艺控制也是充分可靠 的。但塑料件制作成本高，目前，可熔型芯技术只能应用在塑料件附加值较高 的特定产品上。 关键词：可熔型芯低熔点合金注射成型热塑性塑料 p qj l 大学t 程颈l 一学位诠文 s t u d yo nt h ef u s i b l ec o r et e c h n i q u e o ft h e r m o p l a s t i cp l a s t i c si n j e c t i o nm o l d i n g s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：z o uy o n g s u p e r v i s o r s ：s uz h e n w e i c h e nz h i p i n g a b s t r a c t b l o w i n gm o l d i n go rg a sa s s i s t e dm o l d i n ga r eu s u a l l yu s e d t of o r m i n gs o m e c o m p l i c a t e dh o l l o wp l a s t i cp a r t s ，b u tt h e r ee x i s ts o m ew e a kp o i n t s ：i ti sh a r dt os h a p e t h ei n t e r n a lf a c ea n di ti sa l s oh a r dt oc o n t r o lt h ed i m e n s i o n so ft h o s ep a r t s ，i n p r a c t i c ei t sn e c e s s a r yt oc o n t r o l t h ei n t e r n a lf a c ea n dd i m e n s i o n so fc o m p l i c a t e d p l a s t i cp a r t sa c c u r a t e l y a sar e s u l t ，t h ef u s i b l ec o r et e c h n i q u ew h i c hi s s i m i l a ri o i n v e s t m e n tc a s t i n gi su s e di n p l a s t i ci n j e c t i o nm o l d i n g f u s i b l e c o r e i n j e c t i o n m o l d i n gt e c h n o l o g yh a sd e v e l o p e dt os o m ed e g r e e sa b r o a d i th a sa l r e a d yb e e nu s e d t om o l ds o m et y p i c a lp r o d u c t s ，s u c ha st e n n i sr a c k e t ，a u t o m o b i l ew a t e rp u m p ，w a t e r p u m pr o t o lc e n t e rh e a t i n gp u m p ，a i r p l a n eo i lp u m p ，e t c b u tt h e r ei sl i t t l es t u d yo n t h i s t e c h n o l o g ya t h o m e a n dt h e r ei sa l s ol a c ko fr e s e a r c hp a p e r sa b o u ti t i t s d i f f i c u l tt of i n da ni n t r o d u c t i o na b o u tt h i st e c h n o l o g yi nt e x t b o o ka th o m e t h e r e e x i s t o n l yt w on a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f u n d s u b j e c t sr e l a t e d t oi tw h i c hw a s u n d e r t a k e nb yl u o y a n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y , o n ei sr o l l i n gb e a r i n gm a d eo f c o m p l e xm a t e r i a l ，a n da n o t h e ri st h eb o d yo fm o t o rm a d eo fc o m p l e xm a t e r i a l ， t h ea u t h o rr e s e a r c h e do nt h ef u s i b l ec o r ei n j e c t i o nm o l d i n gt e c h n o l o g ya n d u s e dt h i st e c h n o l o g yi nm o l d i n gh o l l o wp l a s t i cp a r t sw i t hp a 6 6 一g f 3 0a n dp p t h i s p a p e rt e n d s t oi n t r o d u c et h i s t e c h n o l o g ys y s t e m a t i c a l l yb yw a yo ff u s i b l ec o r e m a t e r i a l ，f u s i b l ec o r em o l d i n g ，i n j e c t i o nm o l d i n go fp l a s t i cp a r t s ，t h em e l t i n go f ，1 i i 四川大学工程碗：e 学位论文 f u s i b l ec o r e 。e t c 。t h es e c t i o no ff u s i b l ec o r em a t e r i a lm a i n l yi n c l u d e st h e o r i e so f f o r m u l a t i o n ，f o r m u l a t i o np r o c e s s ，a n ds o m et y p i c a lp r e s c r i p t i o n s t h es e c t i o no f f u s i b l ec o r em o l d i n gm a i n l yi n c l u d e sc a s t i n gp r i n c i p l e ，c a s t i n gm o l d ，c a s t i n gp r o c e s s 。 t h es e c t i o no fi n j e c t i o nm o l d i n gp l a s t i cp a r t sm a i n l yi n c l u d e st h em o l df o rp l a s t i c p a r t ，i n j e c t i o np r o c e s s ，e t c t h es e c t i o no fm e l t i n go ff u s i b l ec o r em a i n l yi n c l u d e s m e l t i n gm e t h o d ，m e l t i n gp r o c e s s ，e t c i t se v i d e n tt h a ti ti si m p r a c t i c a lt ou s en o r m a l p r e s s u r ec a s t i n gt om o l df u s i b l e c o r e ，w h i l el o w - p r e s s u r ec a s t i n gc o u l df i n i s ht h et a s k i t sv e r yi m p o r t a n tt h a tt h e f u s i b l ec o r es h o u l db ef i x e da n dh e l ds e c u r e l y w h i c hi st h ek e yt ow h e t h e rt h e i n j e c t i o nm o l d i n gi sf i n i s h e ds m o o t h l y i t su n l i k e l yt h a tt h em e l tp l a s t i cc a nm e l t f u s i b l ec o r ei ni n j e c t i o nm o l d i n g t h ef u s i b l ec o r ei sm a d eo fa l l o yw i t hl o wm e l t i n g p o i n t ( 7 2 1 2 2 c ) ，a n dc a nb cu s e di ni n j e c t i o nm o l d i n gm a n yk i n do ft h e r m o p l a s t i c p l a s t i c s ( f o r m i n gp r e s s u r ea b o u t0 4 6 m p a ，t h e r m a ld e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ea b o u t 1 0 2 2 6 5 砼t h ep r o c e s sc o n t r o li sa l s or e l i a b l e b u tt h e p r o d u c t i o nc o s t sa r e c o n s i d e r a b l yh i g h ，s o i t s o n l yu s e d t of o r mc e r t a i np l a s t i c p r o d u c t s w i t hh i g h s u r c h a r g e k e y w o r d s ：f u s i b l ec o r e ，l o wm e l t i n ga l l o y ，i n j e c t i o nm o l d i n g ， t h e r m o p l a s t i cp l a s t i c s 四川大学工程硬：i 二学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，沦文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育 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谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学在职读书和成都航空职业技术学院工作 期间在导师指导下取得的，论文成果归四川大学和成都航空职业技术学院所有， 特此声明。 指导教师签字 指导教师签字日期 学生签字主弘1 日期j 丝型厶上皿 i l l i 川人学t 程硕i 二学位论文 第一章绪论 1 1 可熔型芯技术发展背景 1 9 4 9 年，德国的n o r b e r t 和r e i n o l d 兄弟发明了用热塑性塑料生产瓶子的加 工过程和装置，并于1 9 5 0 年5 月获得德国专利，从此中空制品的成型技术有了长 足的进步。中空吹塑的发展成为一种不仅可用于成型各种瓶子，而且还可用于 成型大小不同、形状各异的生活品和工业品的容器，以及各种形状复杂的中空 工业零部件，特别是汽车工业零部件( 三维吹塑成型) 的技术。除此以外，还发 展了其他用于形成复杂中空部件的成型方法，例如气体辅助注翔( ( ； i m ) 、水辅 助注塑( w a i m ) 、半壳注塑技术( s h e l lt e c h n o l o g y ) 等。 图1 1 水阀塑料壳体示意0 2 婴型查堂王堡婴主竺丝丝苎 当中空塑料件的形状复杂，内表面有特定形状，且要求内部尺寸精确、表 面光洁时，是上述方法无法实现的。可熔型芯注射成型技术就能满足这个要求， 以解决塑料界长期未能得到织决的问题。可熔型芯注射成型技术酋先将所要成 型部件的塑料包覆在精心设计的芯部材料上，然后紧接着将芯部材料熔出。最 初的应用可追溯到2 0 世纪5 0 年代，那时仅限于制作一些小型的元件和样品，如 水表和水阀壳体( 如图1 1 所示) 。但是，进入2 0 世纪8 0 年代后，随着汽车工业的 飞速发展，尤其是全塑的汽车引擎多叉进气装置( 如图1 2 所示) 的开发，使 ( a )( b )( c ) 图1 2( a ) 塑科( 玻纤增强尼龙6 6 ) 多叉进气歧管( b ) 塑料多叉进气歧管与可熔型芯 ( c ) 进气歧管的可熔型芯制造商：m o n t a p l a s t m o r s b a c h g e r m a n g ( 德国) 【 得这一技术获得突飞猛进的发展，真正实现了工业意义上的大批量生产至此以 后，可熔型芯技术( f u s i b l ec o r ct e c h n i q u e ) 成为了注射成型中的一个独特的技 术分支。 1 2 可熔型芯技术的应用实例 可熔型芯技术的应用实例分为两类，一类是2 0 世纪8 0 年代技术应用先例， 另一类是2 0 世纪9 0 年代新开发的应用，有许多仍然处于起步阶段。 目前尚难以预测如此年轻的生产技术未来的发展前景。当然，汽车多叉迸 气装置口和泵零件的生产已建立起完善的制造技术。这一生产技术为所有类型 的塑料件提供了几乎无任何限制的设计自由度。塑料件的光滑内表面能实现最 佳的流体流动。除此以外，还能生产综合功能零部件，网球拍外框是一极好的 实例。 ， o 列j l 大学t 程顶l ：学位论文 1 2 1 早期应用 1 多叉迸气装茕 早在2 0 世际6 0 年代，人们就开始寻找较重的常规铸铁和铝质多叉进气装置 的替代材料。第一个大批量生产塑料多叉进气装胃的工厂- i 二1 9 7 3 年建立，采用 了玻纤增强的热稳定尼龙6 6 。虽然生产所用设备是常舰注塑机，所生产塑料件 已有今天的多叉头的优点：质轻、内表而光滑和制造过程较经济。唯一的缺点 是设计受到简单造型的限制，只能是常规的脱模形状。 更为高效的引擎，要求更为复杂的设计。这些新的设计按当时的技术只有 采用金属。又过了1 5 年的时间才实现了在可熔型芯技术的辅助下用塑料制造这 种多叉装置。美国福特汽车公司在7 0 年代末对开发塑料多叉头投入了大量的技 术力量，1 9 8 8 年成功开发出了系y u ：i - 产的热固性塑料多叉装胃。 在2 0 世际8 0 年代早期，欧洲的汽车制造商和原料q i 产商转向丌发热塑性印 料多叉装置，研究的重点集叫】在开发热塑性塑料所需的技术一l ：。2 0 世际8 0 年代 中期已丌发出了有发展希望的原形，1 9 9 0 年才实现热塑性多叉头的系列牛产。 此后，几乎所有的汽车制造商郁选择塑料多叉装胃装配他们的汽j i 。可熔璎芯 技术是最经济的生产方法，尤其是紧凑塑型、螺旋状结构的v ) l 擎。实践b f 明塑料多叉头比余属的好处多，最弧要的功能忭优点足： 塑料多叉头的重量比铝质的轻约5 0 。 内壁更光滑即摩擦小，气体流动更好。 通过更好的进汕装霞有更好的点火效果。塑料的导热性低，多叉头处 于较低的温度，因而进气装置的空气膨胀较小，可有更多的氧进入汽缸。 但是，使塑料汽车多叉进气装置被广泛接受的因素足较低的_ ! 广：成本；注 射成型不需要传统会属成型必要的捶打或机加工修犯过程。即使将棚刘较高的 可熔型芯技术成本计算在内，其投资和操作成本仍然比会属浇铸低。在金属后 加工方面的单项投资差不多f 好是生产塑料进气多又装胃所需的成本。此外， 浇铸铝质件所需的能量高于整个可熔型芯技术加工过程。 生态问题是有利于塑料的另一个方面。对铝和塑料多叉装置进行寿命周期 研究的结果表明对环境影响很小。 2 网球拍 第一个采用可熔型芯技术批量生产的物品是碳纤维增强尼龙网球拍，2 0 3 塑坐盔兰二堡塑主兰竺堡兰 际7 0 年代末设计和开发，成批量生产始于1 9 8 0 年1 1 月，仅仅一年时间就生产了 4 0 0 0 0 多付。采用标准低压铸模机制造b i s n l 3 8 芯模。芯模的熔出当时是在一热 烘箱中进行的，后来的热油浴的出现更提高了加工的方便可靠和更能确保质量 图1 3 采用碳纤维增强尼龙6 6 制作的网球拍骨架l z i 和提高产量。网球拍的外框( 如图1 3 所示) 是异型中空的，结合了最f 上的刚性 和强度以及轻的重量。在空框中注入聚氨酯泡沫获得满意的防潮性。在手柄部 分和网圈部分注入不同密度的泡沫，能调节网球拍的重量和适应不同的运动风 格。这一产品的成功丌发在可熔型芯技术发展史上是一个了刁i 起的习f 情，并使 开发该产品的公司成了世界碳纤维增强网球拍的最佳制造和销售商。 1 2 2 新用途 1 ，汽车水泵 - 4 - 塑型叁兰王里堡兰丝丝苎 可熔型：卷技术可用f r 将卟个距元件组合成多功能产一能省上化费很人的装 配程序。另外，塑料件光滑的内壁减小了阻流和湍流，能人人地提高其工作效 率。除了进气多叉头外，德国汽车制造商a u d i 公司采用此技术，在不增加成 本的前提下，使汽车水泵( 如图1 4 所示) 的重量在原来的铸铝设计基础上降低 了3 8 。 图1 4 采用p f g f 3 0 制作的汽车水泵口1 2 水泵叶轮 采用塑料代替传统铸铁制造轴流式叶轮或径流式叶轮能大大减轻重量和降 低成本。有很高精密度的可熔型：笛技术，能使水泵具有较高的效率和较低的振 动等功能性的优点。b m w 汽车公司率先予1 9 8 5 年在其生产的轿车j 二采用了塑 料水泵叶轮。塑料水泵1 1 r 轮如图1 5 所示。 3 中心加热泵 最新的泵壳样品，塑料已经取代铸铁用作房屋中心加热循环泵的外壳( 如 图1 6 所示) 。与简单金属铸造相比，较高的可熔型j 占技术成本更多地阗免除了 后期抛光等铸造加工后处理工艺的费用所弥补。用此技术制造的第一台泵问i t 于1 9 9 3 年，此后的市场发展迅速，前景看好。 - 5 四川大学工程硕j ：学位论文 图1 5 采用p a 6 6 一g f 5 0 制作的汽车水泵叶轮1 2 l 图1 6 采用玻纤增强尼龙6 6 制作的中心加热泵外壳 2 1 4 飞机油泵 可熔型芯技术在航空工业中的应用有非常明显的优势，因为航空器材要求 重量轻并高度紧凑。典型油泵( 如图1 7 所示) 的制造材料是碳纤维增强聚醚醚 酮( p e e k ) ，是一种优良的耐高温热塑性塑料“1 四川大学工程硕，i ：学位论文 图17 采用p e e k 制作的飞机油泵外亮 制造商：a o a g a u t i n g ，g e r m a n g ( 德国) 1 2 1 1 3 研究该技术的目的和研究内容 1 3 1 研究该技术的目的 从上个世纪9 0 年代以来，囡外在可熔型芯注劓成1 4 披术n 0 研究方 i i 成 2 - 频 出，在该技术使用推广方面取得较人突破，但是，至今嘲内此类研究仍，f + 分薄 弱，在这方面的研究报道较少，仅见次技术在两项固家自然科学齄会课题( | j 原洛阳工学院承担) 中的应用实例：一是复合材料滚动轴承，二是复合材： 发 动机机体“。我国现行相关教科书上大多找不到这项技术的介绍，有的也仅是，l 言片语。2 0 0 2 年，四j i l 南充工塑零部件有限公司为丌发新产品到四川大学、 成都航院等几所高校和科研院所寻找可熔型：落技术。结果是一无所获。该公司 闻知天津一家韩国公司有一条可熔型：芑= 注射成型生产线，几次i 订往学习都受到 拒绝。后经多方努力，才允许在车日j 的玻璃窗口外进行魉暂观察。至今该公司 当初欲丌发的新产品仍然只是一张图纸。 由此可知，当今塑料产品制造业对可熔型芯技术有迫切需求町熔型芯披 7 一 婴型盔堂三堡堡! ：堂丝堡塞 术的实用性较强。虽然该技术已有一些应用实例，但一些技术细节仍不够成熟。 离工业化应用还有一定差距。 目前，可熔型芯技术仍然是注射成型技术领域的前沿课题。在世界范围内， 可熔型芯技术还属于保密技术，有关该技术的文章很少，根本无完整的介绍。 我国要发展好工业经济，就应掌握注射成型中这一个独特的分支技术可熔 型芯技术。 2 0 0 3 年3 月，热塑性塑料注射成型中的可熔型芯技术研究作为成都航空 职业技术学院院级科研课题正式立项，获3 6 万元经费资助。 1 3 2 开展该项研究的内容 在产品试制的基础上，开展可熔型芯技术研究，大体要做以下五个方面的 工作： 1 弄清楚可熔型芯技术的基本原理； 2 研制全新的可熔型芯材料( 需寻找适合的元素，研制其配方比例) ； 3 研究可熔型芯成型工艺( 需设计制造铸造模一副，选用加热熔化可熔型 芯材料的设备) ： 4 研究可熔型芯在热塑性塑料注射成型中的使用技术( 需设计制造注射模 一副，选用热塑性塑料和注射机) ： 5 研究可熔型芯的熔出方式( 需选用加热熔化可熔型：吝材料的设备和传热 介质) 和清洁塑料件的方式。 p q , 1 人学工程磺l 学位论文 第二章可熔型芯技术的基本原理与优缺点 2 。1 可熔型芯技术的基本原理 可熔型芯技术的基本原理为：通过模具将低熔点合金浇铸制成整体可熔型 芯嵌件，然后，将可熔型芯嵌件放入注射模具中，进行塑料注射成型，取出包 裹有可熔型芯嵌件的塑料件，再加热使低熔点合金熔化，使得嵌件与塑料件分 离，从而获得塑料制品。可熔型芯技术的原理图如图2 。l 所示。 图2 1可熔型芯技术的基本原理 实现可熔型芯注射成型：】：艺的过程大致分三个阶段： ( 1 ) 可熔型芯的制备：先将预制的铸造母模闭合好，然后浇，j ：低熔点合金 成形后作外形修整至精度要求，备j j ； ( 2 ) 带可熔型芯的注射成型：利川已制备的可熔型芯作嵌什放入模具中按 普通注射工艺进行注射成型； ( 3 ) 可熔型芯的熔出：低熔点含余与塑件j j | i 热分离的过程也称为脱熔，常 用的脱熔方法很多”1 。 在以上几个工艺阶段中，塑料和可熔型芯材料必须满足很多要求。可熔型 芯除了要抵抗塑料注射时对它施加的高压，还要抵抗塑料在它周围成，i l ! f 笼罩 它的热应力。若在该工艺巾可熔型芯熔化太早，则会导致成型过程l | j 塑料件产 生缺陷。如果可熔型：卷材料太软，则可能会变形，塑料什壁厚i ，j 。能会改变。如 果可熔型芯材料易脆，那么当模具关闭或塑料在它周f 啊成型叫会受到破坏，因 一q ! ! ! ! 坐叁竺三堡婴! 兰丝堡苎 此很难完成塑料件的生产。 熔化可熔型芯有更多的要求。首先，在熔化过程中可熔型芯材料一定不能 损坏，以确保其在循环中能重复利用。而且，脱熔过程中要注意加热温度应低 于热塑性塑料的商弹态温度，预防塑料件变形，塑料件一定不能在熔化阶段被 损坏。 可见，可熔型芯技术是- i 1 精确的技术。 2 2 可熔型芯技术的优缺点 作为生产多壳零件的可熔型芯技术，其最大的优点是生产过程在“铸造” 中进行。结果，塑料件的轮廓更精确，并且不会因接缝造成不牢吲的部位，并 还具有其他更多的优点： ( 1 ) 更大的设计余地： ( 2 ) 单个注塑件即可实现复杂的几何形状； ( 3 ) 内部和外部尺寸的稳定性好，零件表面质量高； ( 4 ) 注射模具设计简单： ( 5 ) 通过零件内部镶入嵌件从而增强零件功能。 由于脱模过程中可熔型芯留在注塑件中，而侵设计入员在设计塑料什时具 有更多的自由度。而且，可熔型芯技术提供了简化复杂轮廓设计的一种方法。 用传统模具制造方法解决这些复杂轮廓需要大量高精度的、互相贸穿的推轩和 型芯，因此使用可熔型芯可以简化模具设计”1 。 可熔型芯技术可普遍用于多种应用领域，影响其发展的决定性因素是芯模 的重量和制造自动化程度。制造汽车多叉进气装嚣的可熔型：出重量约5 0 公斤， 获得的塑料多叉进气装置的成本是铝质多叉进气装冒的成本4 0 不到。塑料加 工模具的使用寿命是铝加工模具的使用寿命的1 2 倍。但塑料j j u ：i l 模具的成本大 约是铝加工模具的四倍”1 。可熔型芯注塑设备价格昂贵，例如：用来大批量生产 发动机迸气装置的设备价格约为5 0 0 7 0 0 万欧元，用于中小批量生产的设备价 格也为1 0 0 2 0 0 万欧元。 该技术显然适合于强度要求较高、密封程度较好和注塑件尺寸要求较高的 场合懈 1 0 阴川大学t 程硕。i ：学位论文 2 3 研究用塑料件 为了便于开展可熔型芯技术研究，特设计试制的塑料件如图2 2 所示。 产 。 s 自咖训e e m c nd - d 图2 2 研究用塑料件 该塑料件为中空内壁有三圈凹槽，在e - e 剖而可见有三个均匀分布的凸 出圆孔，在三个均匀分巾的i - _ 出网孔的两侧再有一个i f j 的办孔和例7 l 。用传 统注射成型的方法不能得到该塑料件，i 2 ：；i 为i ：能脱模，t ! l t i - , ；要所研究的 可熔型芯技术来制造。 叫川1 人学下程顾i j 学位论文 第三章可熔型芯材料及其配方的研制 可熔型芯注射成型中，塑料件是围绕 可熔型：卷制成的，制成后可熔型芯随 即被熔去。这似乎与传统基础工业的做法类似，并不新奇，但足天键i 廿j 题在于 可熔型芯的材料。传统的材料是不可能j t j 来作为塑料加工r l ，的可熔裂芯的，莆 先是不够峰硬，难以在成型过程保持其形状，尤其是不能承受压力和塑料熔体 的冲击，更主要的是精度绝对不适合塑料件的要求，所以，藩先要找到适合于 用f 1 1 可熔型芯的材擎 ”1 。 3 1 适合于作可熔型芯的材料 从收集的资料来看，可熔( 溶) 型芯材料主要有二种：一利t 是可以在较低 温度下熔化的材料，一种是可以在水、油等廉价的溶液中溶解的材料。关于可以 在低温下熔化的材料，资料报道十分有限，仅知道是一种以锡、铋为上的多组 份会属共熔的低熔点合金。关于可溶解材料的资料则更少，仅知道是一类含赫 混合物和某些有机聚合物。 3 1 1 可溶解材料 可溶解材料包括两类： ( 1 ) 赫类材料 主要由氯化钠、增强纤维和粘接剂等混合而成。经瓜制制成，l i ! ：苍。这类材 料压制成型后能承受较高的成型压力，适合注射成型。塑件成型后，1 j 水作溶 剂将型芯从塑件- i ，溶出。 但是该类材料具有脆性、溶解时问跃、腐蚀模具等明显缺点。 ( 2 ) 有机聚合物材料 有机聚合物类材料有缩工脲( 熔点1 8 0 ) 、羟乙基纤维素( 熔点1 4 0 ) 、 明胶( 有明显熔点) 等。这些材料均可被模塑成型，具有一定强度，可被水溶 解。 1 2 ， 四川大学工程硕士学位论文 但是这种材料也具有水溶速度慢、强度较差等缺点。特别足还具7 f 传热慢 的缺点，影响注射成型效率。 可溶解材料用于可溶型芯，注射成型是有过成功例子的，但大规模使用还 很少。在对其性能进行改进研究成功以前，暂时还不能普遍应用。 3 1 2 可熔化材料 一般把熔点低于2 3 1 9 c ( 即锡的熔点) ，由铋、锡、铅、锑为主要成分组 成的多元合金称为低熔点合金( 亦称低温合金、易熔合金) 。由铋( b i ) 、锡( s n ) 、 铅( p b ) 、锑( s b ) 为主要成分组成的二元、三元、四元等多元合盒，其熔点 比所含的任何一种金属元素的熔点低。有的合金熔点甚至低于组分金属熔点数 倍。据报道，布兰特合金熔点低至3 8 ，比它纽份中最低熔点会属铋的熔点2 7 1 低了2 3 3 。 通过改变组分金属的比例，几乎可以得到任意熔点的合会材料，使之能适 用于任何熔点塑料的注射成型。同时这种合会又具有一定的强度和硬度，利于 成型，是较为理想的可熔型芯材料。 目前，可熔型芯常采用低熔点合金柬制作。低熔点合会的特殊优点在于固 化时理论上不会收缩。当锡收缩时，铋的体积却扩展3 3 。铸模或所谓会属模 具的内部尺寸与铸件脱模后的外部尺寸几乎完全相同”3 。 特别地，对低熔点合会熔点降低的机理分析研究，形成了材料内部品相组 织构象混乱度决定其熔点的理论认识为其后的配方研究指明了方向。 3 2 低熔点合金配方研究 低熔点合金配方研究足一个复杂的问题，研究工作经历了理论准备和实际 制作两个阶段。 3 2 1 理论准备 低熔点合金组份中各金属元素的熔点都高于使用要求( 如表3 1 ) ，而形成 合金后，合会的熔点就可以大幅度降低。这中间的原理足什么? 这对我们研究 低熔点合金配方十分重要。 1 3 四川人学t 程硕i ：学位论文 表3 ，1常用低熔点合金组份金属熔点【 l i金属元素铝 锌 锑锡铅镁铋镉 i i熔化温度 f( ) 6 6 0 14 1 9 56 3 0 5 2 3 1 9 3 2 7 36 4 92 7 13 2 0 9 通过查阅资料，认识到：低熔点金属的熔点取决于合金组织的构象混乱度 ( 与混合j 叟棚反就是有序度) ，该构象混乱嫂越人，金属熔点越低。 形成这一认识的理论基础是熵增原理。一般地讲，如果物质的熵用s 表示， 材料的溶解热用q 表示。材料的熔点用t m 表示，则熵增原理可表达为： s = q t m 对于固定物质来讲，上式是物质内部构象混乱度的函数，故当熵s 增加，q 不变，t m 就自然降低了。 在低熔点合金中，存在着固溶体、中h j 相等品界等组织。同溶体的构象混 乱度比单一金属原子形成的固体构象混乱度大；多元素原予构成的品界组织构 象混乱度比单元素原子品界组织构成的晶界组织构缘混乱发人，这就足行j f 氐熔 点合金中物质的熵增加的根本原因。 依照这样的理论知识，对配制低熔点合会形成了如下的想法，用以指导配 方研制工作： ( 1 ) 熔点金属组织中，金属元素种类越多，所形成合会熵降低的可能性就 越大。 出于各金属元素的原子半径是有差异的。多元素原了构成的阳溶体品格行 序度就会降低，构象混合度就会增加。同理，多元素原予构成的品界有序性也 会降低。 但这种情况由于受到固溶体溶解度的限制，低熔点合会l | f 元素利，类又不能 太多。 ( 2 ) 低熔点金属组织中，盒属元素的种类也影响到熔点的形成。 在低熔点合金中形成的固溶体都是置换固溶体，合金t l j 余属元素原子半径 差距不大。元素原子半径差距越大，固溶体有序度就越大；但同样因为这种差 距越大，固溶体溶解度越小，有序性又增加。所以选择低熔点命属组份金属元 素时，既要其原子半径有差异，又不能差异太大。 1 4 四川大学工程硕士学位论文 ( 3 ) 对低熔点合会熔体搅拌越充分，其熔点降低可能性越人。 对低熔点会属搅拌越充分，溶质在溶剂中扩散越充分，分散性越好。由原 子半径差别造成的组织混乱度就越大。 ( 4 ) 低熔点金属熔体合金熔体在冷凝时，冷凝速度越快，熔点降低可能性 越大。 冷凝速度越快，合金的晶粒生长时间就越短，晶粒尺寸就越小，组织中晶 界组织就越多，构象混乱度就越大。 3 2 2 配方研制 配方的研制过程实际上是一个实验筛选的过程。 在一定理论认识的指导下，先后确定了锡、铋、锑、铝、锌、铅、镁、镉 等八种金属作为低熔点合会基础组份元素。这j l i i 会属元素有木身熔点较低、 原子半径差距不大等特点。 另外，从有关资料上得知，国外成功的低熔点合会多数是以锡、铋为主体 的合会。所以从一丌始就把配方研究锁定在以锡、铋为基础的范f h 内，从而极 大地降低了筛选工作量。 先后配制过锡铋双元素合会；锡铋锌、锡铋锅、锡铋铅等三元素会属；锡 铋铅锑、锡铋铅镉、锡铋铝铅、锡铋镁铅等i ，【i 元素合会。厉又甄新对锡铋铅锑、 锡铋铅镉等配方进行了重点试验。最后筛选出了最佳十种配方。 选两例配方如下： ( 1 ) 有熔解区间的低熔点合会的配方如表3 2 所示： 表3 2 有熔解区间的低熔点合金的配方 i熔点 sn ( ) p b ( )b i ( ) l 9 3 1 4 82 25 l2 7 l ( 2 ) 无熔解区间的低熔点合余的配方如表3 3 所示： 表3 3 无熔解区问的低熔点合金的配方 l熔点锡( )铋( )铅( )锑( ) l1 2 2 1 4 54 82 8 59 1 5 四川大学t 程硕i ：学位论文 3 3 可熔型芯材料的配制方法 在配方的配制过程中，总结出如下工艺要点： ( 1 ) 各组份金属原料要分别充分打碎，碎块尺寸越小越好，并按配制比例 称量备用。 ( 2 ) 按熔点高低次序将金属投入坩埚中熔化，每次投入金属全部熔化以后， 才投入另一种金属。 ( 3 ) 在全部熔化过程中要对余属熔体进行不断搅拌，特别是在一种新余属 刚融化后，搅拌要充分。 ( 4 ) 待全部熔化后要继续搅拌l o 分钟以上。 ( 5 ) 应先将熔体温度冷下来( 3 0 0 以下) ，j ；b 锅。f 锅后金属浇入角 钢或槽钢急冷( 急冷可细化品粒并防止铅等金属析出，但角钢或褙钢必须干燥 不能有水，否则浇时要炸) ，以备使用。 3 ，4 研究所选用的可熔型芯材料 常用的低熔点合金为s n - b i 合金，其熔点为1 3 8 左右。用其它低熔点合盒 时，最好选用熔点不超过1 6 0 的低熔点合会。因其熔点温度超过1 8 0 “c 的低熔 点合金表明易引起氧化。研究所选用的可熔型：出材料为铋锡铅锑1 2 2 、锡铋锚镉 7 2 两种四元低熔点合金。 3 4 1 可熔型芯材料的组成成分及比例 第一种低熔点合金铋锡铅锑1 2 2 的纽成成分及比例如表3 4 所示。 表3 4 合金元素合金元素 合金元素锑( s b )铅( p b )铋( b i )锡( s n ) 熔化温度 6 3 0 53 2 7 32 7 l2 3 1 9 密度g c m l 6 6 91 1 3 49 87 2 8 配制比例 92 8 54 81 4 5 1 6 - 四川人学工程硕j ：学位论文 第二种低熔点合金锡铋锚镉7 2 的f l t j & 成分及比例如表3 5 所示。 表35 合金元素合金元素 合金元素 镉( c d )铅( p b )铋( b i )锡( s n ) 熔化温度 3 2 0 93 2 7 3 2 7 12 3 19 密度g c m 4 8 ，6 41 1 3 4 987 2 8 配制比例 1 5 53 l3 7 5 1 6 3 4 2 可熔型芯材料的主要性能 经测定得到低熔点合金主要性能指标，如表3 6 所示： 表36 研制的低熔点合金主要性能指标 低熔点台金熔点密度硬度抗 强度 l 坼历仲k铸造2 4 小i i , j 种类 ( ) ( g c m ) ( 1 i b ) ( m p a ) 率( )膨胀牢( ， 铋锡铅锑1 2 2 1 2 2 9 51 99 l l+ o 5 l 锡铋钳镉7 2 7 21 0 2 1 7 58 6 】一0 ： 铋锡铅锑1 2 2 与锡铋铅镉7 2 的熔点相差5 0 c ，如果这两抒都能实现其功能 那么，熔点在它们之f h j 的低熔点合金也足町j i j 的。 1 7 四川大学工程硕士学位论文 第四章可熔型芯的铸造成型 可熔型芯技术需要一个能熔化的型芯，所以，接下来就用低熔点合金带4 作 这种可熔型芯。 4 1 可熔型芯的成型原理 制造低熔点合金可熔型芯的工艺过程如图4 1 所示，它与经典注射模具的工 艺过程相类似。但由于使用了不同的材料，因而会有不同的工步。 图4 1 铸造型芯的步骤 首先，关闭铸模并锁紧，然后丌始浇铸。与聚合材料的制件不同，合会会 属的粘度低，只要求很低的填充压力( l m p a ) 与较小的闭模力。熔体经由加热管， 用圆柱活塞泵注入模具。如果使用了针阀喷嘴，当注模充满后，就可以切断铸 造压力源，无需注塑所需的保压。但如果使用开喷管，则必须保持铸造压力， 直到浇口区域的合金冷却为止。如果压力释放过快，未凝固的型芯材料会流进 浇注系统，使型芯产生空洞。当浇口关闭或冷却后，铸造系统的压力将释放， 输送泵重新被注满。冷却完成后，打开铸模，将型芯迸行脱模，用机械手或人 1 8 明川大学工程顼十学位论文 工将其从铸模中取出“1 。 4 2 铸造成型工艺概述 铸造通常是指用熔融的合金材料制作产品的方法。将液态合会注入预先制 备好的铸型中使之冷却、凝固而获得具有一定形状、尺寸和性能的毛坯或零件， 这种制造过程称为铸造生产，简称铸造，所生产的产品称为铸1 ；，i ：。大多数铸件 只能作为毛坯，经过机械加工后才能成为各种机器零件 铸造方法虽然很多，但习惯上一般把铸造分成砂型铸造和特种铸造两大类。 以铸造用型砂为主要原材料制成铸型，且液态金属完全靠重力充满整个铸型型 腔形成铸件的方法称为砂型铸造。特种铸造按其形成铸件的条件不同，又可分 为熔模铸造、会届型铸造、离心铸造、压力铸造等等。如按铸造台会不同，则 有铸铁、铸钢、有色合会铸造等。 铸造生产是复杂、多工序的组合过程，液态金属铸造成形有西个龌木过程： 充填铸型和冷却凝固。这两个星本过狸可在霞力场或j 它力的f i ；t jf 完成。充 填铸型( 亦称浇注) 主要是一利t 运动速度变化的机械过科，冷上凝l l t l l 则为结r 帑和 组织变化的热量传递过程。 根据生产的铸件的需要，预先制备好铸型及一定的化学成分的液态会属或 合金。然后在重力或其它力的作用下将液态合会材料注入铸型，其i | 1 充填足否 充分、平稳对铸件的最终质量有重要的影l 忆特别是刘于菜些形状复杂、螗厚 差异大或易氧化的合金皿得更为重要。 液态合金材料的结晶与凝固，是铸件形成过程的核心问题，它相彳醍大程度 上决定了铸件的铸念组织及某些铸造缺陷的形成。因为木彳料一旦凝嘲成刚体后， 在后续的其它加工巾几乎无法使其品质有小质上的改变，所以冷上 j 凝i 吲对铸件 质量，特别是铸态力学性能，起着决定性的作用。控制凝阎过程以提r 锸铸件质 量、获得所要求的组织与性能。是铸造技术的重要内容。 铸造缺陷是造成废品的主要原因，是对铸件质量的j “重威胁。山予方方面 面的原因，存在于铸件的缺陷五花八门，由于凝丽成形时条件的差异，缺陷的 种类表现和出现部位不尽桐同。如液态会属的凝同收缩会形成缩孔、缩松；凝 固期间元素在固相和液相中的再分配会造成偏析，冷商】过程巾热应力的集f ，会 - 1 9 ! ! ! ! 些查兰二堡型! ：堂丝堡兰 造成铸件裂纹和变形。应根据产生的原因和出现的程度不同，采取相应措施加 以控制，使之消除或降至最低程度。此外，还有许多缺陷，如有夹杂物、气孔、 冷隔等，出现在充填过程中，它们不仅与合金种类有关，而且还与具体成形工 艺有关。总之，防止、消除和控制各类缺陷是一个不容忽视的关键问题”。 4 3 可熔型芯成型模具的设计要点 4 3 1 铸模的结构 制造可熔型芯的铸模结构与注射模具的结构基本相同。板件之m 的对齐和 定位山专门的导向零件实现。用r 了：可熔型芯技术的铸模对型腔n 删f 尺；j 的要求 很高，因为金属熔体具有和水近似的低粘性，铸模被余属熔体充满，但要求金 属熔体不能从分型面、镶件或推杆的缝隙中流出。 4 3 2 浇口系统 铸模的温度保持在3 0 8 0 c 之问，所以，热金属熔体和冷模只砖的初次接 触温度，通常低于可熔型芯材料的熔化温