消失模铸造专用StMMA共聚树脂模样成型工艺.doc

消失模铸造专用StMMA共聚树脂模样成型工艺2004年第1期2004年2月铸造设备研究RESEARCHSTUDIESONFOUNDRYEQUIPMENTFab.20041?应用研究?消失模专题消失模铸造专用StMMA共聚树脂模样成型工艺唐锁云(杭州凯斯特,fL-有限公司,江苏杭州3ll106)摘要:介绍了StMMA共聚树脂的性能及模样成型工艺,分析了发泡成型模样的常见缺陷并提出了解决办法关键词:消失模;StMMA共聚树脂;预发泡;模样成型中图分类号:TG241文献标识码:A文章编号:10046178(2004)01003904MoldingProcessofStMMACopolymerResinforLostFoamCastingTANGSuo-yun(HangzhouCastChemicalCO.Ltd,Hangzhou311106,China)Abstract:ThetitleintoducedcharacteristicsandmoldingprocessofStMMAcopolymerresinpatternforlostfoamcasting,analyzeddefectivereasonsofmoldingpatternandsolvablemeans.Keywords:lostfoam;StMMAcopolymerresin;preexpansion;patternmolding在消失模铸造工艺中,泡沫塑料模样的质量与原始珠粒的性能及模样制造工艺及设备有密切关系.目前用于消失模铸造的模样材料主要有三种:1)可发性聚苯乙烯树脂珠粒,简称EPS;2)可发性聚甲基丙烯酸甲酯树脂珠粒,简称EPMMA;3)可发性甲基丙烯酸甲脂与苯乙烯共聚树脂珠粒,简称StMMA.EPS是最早常用的消失模铸造用模样材料,它适用于有色金属,例如铝合金铸件生产,由于它价格比较便宜,也常用于普通铸铁和铸钢件生产.但EPS模样材料用于浇注黑色金属铸件时,容易产生碳缺陷等,因此,EPS模样材料在许多方面已不能满足消失模铸造工艺发展的要求.EPMA模样材料的出现克服了EPS模样材料的缺点,特别是EPMMA模样材料用来生产低碳钢铸件时,可以较好地解决钢铸件表面的增碳问题(见表1),且提高了铸件表面光洁度.表1不同模样材料对低碳合金钢的增碳量EPS(19S/l一26g,/l10.1%O.3%EPMMA(19g/l24g/1)0.5%EPS,EPMMA模样材料使消失模铸造工艺的适用范围有了进一步的拓宽.但是EPMMA模样材料的主要缺点是浇注过程中发气量大,因此对模样涂层及型砂的透气性要求较高,否则浇注时容易产生反喷现象.为了克服上述两种模样材料的缺点,我们经过几年的努力开发成功了甲基丙烯酸甲酯与苯乙烯共聚树脂(StMMA).作为消失模铸造模样专用料StMMA共聚树脂主要有以下优点:1)克服了EPS模样材料对铸铁及铸钢件的碳缺陷,特别是对铸钢件的表面增碳缺陷,提高了铸件的表面光洁度和内在质量.2)由于StMMA共聚树脂的软化温度比EPM.MA低,所以比EPMMA树脂容易预发泡和成型加工.3)和EPMMA共聚树脂一样,可以采用珠粒径为0.20mm0.25mm的细珠粒生产薄壁铸件.4)由于StMMA共聚树脂模样在浇注过程中,分解产物主要是H:O,CO:和微量低沸点烃类,大大降低了使用EPS模样在浇注过程中产生的大量的黑烟和刺激性有害气体,有利于环境保护和改善劳动条件.5)StMMA模样的弹性回复率比EPS高,这样在模样受到外力作用发生某些变形时,当外力除去后,容易恢复到原来的状态.收稿日期:20030916作者简介:唐锁云(1935一),男,教授级高级工程师,现从事消失模铸造模样材料的开发和推广.铸造设备研究2004年第1期1StMMA质量指标及应用范围外观:粒径/mm:松密度/g?cm:挥发分含量/%1发泡倍率:适用范围:2模样制造工艺乳白色珠粒1#0.60.80:2#0.400.60;3#0.300.40;4#0.250.30:5#0.200.250.530.657.550铝,铜合金,灰铁,球铁,碳钢,合金钢及低碳钢等铸件在消失模铸造中,不管使用哪种可发性树脂珠粒,其模样制造工艺过程基本上相同.但模样材料,结构,大小等不同时,其具体操作工艺参数是不同的,一般可通过试验来确定.模样制造的典型工艺过程如下:原始珠粒一预发泡一干燥熟化一发泡成型一泡沫塑料模样(或模片)一模样的干燥和稳定化.2.1原始珠粒粒径的选用首先根据铸件材质,结构及铸件的质量要求选择珠粒材料品种,然后再根据铸件最小壁厚选用粒径等级.通常选用的原始珠粒粒径小于铸件最小厚壁的1/4.例如,要得到最小壁厚为5mm的模样,那就需要粒径为0.55mm以下的原始珠粒才行.2.2珠粒预发密度控制珠粒预发泡的密度控制是模样制造的重要工艺参数.虽然在浇注时,泡沫塑料模样分解是一个吸热过程,吸收的热量与模样密度成正比;还有模样分解产生的气体量也与模样密度成正比.但是在消失模铸造中,模样的强度和刚度是一个必须重视的问题.若模样密度太低,在模样搬运,浸涂,粘接,组装及砂箱造型过程中容易变形.为了保证模样有足够的强度和刚度,通常StMMA模样密度可控制在>120g/l.一般来讲,对于小件,薄壁件采用较小粒径珠粒时预发密度控制的较高些,对大件和厚壁件选用较大粒径珠粒,预发珠粒密度可低些.2.3StMMA珠粒预发泡工艺StMMA共聚树脂珠粒的预发泡(又称一次发泡)通常是在间歇式预发泡机中进行的.间歇式预发泡机主要有加压式蒸汽预发机和真空式预发机.一般包装用EPS预发机不适用于StMMA的预发泡.下面介绍的是两种预发机的预发泡的典型工艺参数,可作为实际操作时参考.2.3.1真空预发泡机预发工艺参数先将预发泡简体预热到设定温度加树脂(500g)6s预热夹套蒸汽压力为0.12MPa0.15MPa加热时间1min2min抽真空真空度:一0.05MPa0.08MPa,时间20s30s真空下注水50ml/10s75ml/10s大气稳定5s真空稳定20s出料45s预发密度主要是由加热时间来控制.对不同型号规格的真空预发泡机,预热设定温度和预发泡工艺参数要通过调试来确定.2.3.2加压式蒸汽预发泡机通常蒸汽预发机的预发泡简体(即珠粒膨胀室)为立式筒体.蒸汽从底部进入简体直接加热珠粒,使珠粒软化,膨胀达到所需要的表观密度.预发机的操作性能如何,是获得合格的预发泡珠粒的关键.目前,从国外引进的蒸汽预发泡机主要有德国Teubert公司的侧卸式出料预发泡机和美国Vulcan公司PRO型底卸式出料的蒸汽预发泡机,这两种预发机从定量加料,加热温度,压力,预发密度及出料等都可事先设定输入电脑程序控制完成.但进口设备主要是价格昂贵,一般厂里难以承受,另外,一旦发生故障,维修比较麻烦.为此,近年来,国内在消化吸收国外先进技术的基础上开发成功了加压式蒸汽预发机,其中比较有代表性的有浙江富阳江南轻工包装机械厂生产的KFST一450型蒸汽预发泡机.该机操作控制方式有半自动和自动控制两种.StMMA珠粒预发泡其操作主要工艺参数如下:预发泡预热温度:90cc95cc加料时间:5s预发泡温度:95cc105cc预发泡时间:20s60s出料时间:10s15s预发密度:18g/l25g/l用于预发泡的加热蒸汽总管压力不能小于0.4MPa,然后经过蒸汽缸充分排除冷凝水,再减压并调节在0.2MPa.蒸汽压力波动或蒸汽中夹带冷凝水,或加热蒸汽冷凝水在发泡筒中不能及时排除都将影响预发泡珠粒质量.预发泡之后的珠粒冷却后,由于泡孔内发泡剂和水蒸汽冷凝,内部是呈减压状态,且珠粒表面有一2004年第1期唐锁云:消失模铸造专用StMMA共聚树脂模样成型工艺41层水膜,所以在模样发泡成型之前,需要进行干燥和熟化.熟化的目的是让空气渗透到珠粒泡孔内,使珠粒变得有弹性.未经熟化和熟化不完全的预发珠粒无法制取合格的模样.StMMA预发珠粒熟化时间一般需8h12h,最佳熟化时间与环境温度及湿度有关.环境温度高,湿度低,熟化时间短,但要注意熟化温度不能太高(25C),时间不能太长,否则珠粒中的发炮剂(戊烷等)损失太多,使模样成型困难.2.4模样成型工艺1)StMMA模样成型主要有两种工艺,即蒸缸成型和压机气室成型,其成型工艺通常分为五个工序.(1)模具预热预热的目的是为了减少成型发泡时蒸汽的冷凝水,缩短成型时间.(2)充填预发珠粒充填对模样制造,特别是对精密度有所要求的模样来说是非常重要的工序,充填不足是决不能制得合格的模样.采用的充填方法有吸料充填,压料充填和压吸充填等,具体操作中采用何种充填方法,主要看模具型腔结构复杂程度如何?如对于复件薄壁件型腔采用脉动压吸充填效果最好.此外,充填气体压力对珠粒充填影响很大.例如对于薄壁件型腔充填时受到的阻力很大,当采用较大的气压时,气体不能及时排出型腔,阻止了珠粒的进一步充填,这样模样会出现充填不足的缺陷;当压力在一定范围内时,随珠粒进入型腔的气体能及时通过气塞逸出,珠粒充填过程中无气体阻滞,充填效果较好.内部结构复杂,排气较困难的蒸缸模具宜采用较小的充填压力;而结构比较简单的,体积较大,排气较易的气室模具采用较大的充填压力,才能使珠粒充填密实.(3)加热(二次发泡)当珠粒充满模具型腔后,通蒸汽加热使模具内的珠粒软化再膨胀充满整个型腔和珠粒表面相互熔结形成一个整体.模样发泡成型阶段,根据模样结构,壁厚等不同,调节加热蒸汽压力.通常对蒸缸成型加热蒸汽压力控制在0.09MPa0.15MPa,对压机气室成型,气室内蒸汽压力控制在0.10MPa0.12MPa,加热时间由试验确定,最好采用微过热蒸汽加热成型.(4)冷却(抑制三次发泡)根据模样成型工艺所设定的条件加热后,紧接着进行冷却.冷却的任务,是将与模样接触的型壁迅速而均匀地冷却至某一温度,模样也相应冷却,并在低于玻璃化温度时强化定型.通常是用水冷(注意水质),或水冷和空冷,空冷时气室减压,以促进冷却的效果和降低模样水分含量.对于同样的模样,用StMMA珠粒要比用EPS珠粒冷却时间要长些.特别是对于壁厚较大的模样,有时要采用多次冷却以抑制可能的三次发泡.(5)脱模刚成型后的模样的内部仍然处于减压状态,而且还比较软,所以如果脱模不当,模样表面就易损伤,甚至造成模样变形,所以对于不同结构的模样,要采用不同的脱模方法.2)模样的干燥和稳定化由于模样在成型加工过程中要与水蒸汽和水接触,所以刚脱模的模样含有较多水分.为了保证消失模模样质量,模样(或模片)在组装和上涂料前一定要进行干燥,使模样中的水分降到1%以下.模样干燥可采用自然干燥和放在通风的烘房中干燥.一般采用自然干燥的模样在使用前要在烘房中再干燥2h4h.烘房温度一般控制在4060,最好是4050.如果温度太高,干燥速度太快,模样容易变形.随着模样干燥和存放过程中水分和发泡剂含量减少,模样尺寸要发生变化,StMMA模样尺寸收缩率比EPS模样小,一般为0.2%04%(相对于模具型腔尺寸),实际收缩率与模样内残留的发泡剂和含水量有关.能否制得合格的模样另一重要因素是模具.首先是模具结构要合理,第二要特别注意消失模铸造模具与EPS包装材料的模具不同.这是因为消失模铸造用泡沫塑料模样除结构比较复杂,通常要满足三个基本要求密度低;要有一定强度和表面刚性;模样表面光洁度要好.为此,模样的制造需要选用粒径为0.25mm0.6mm的专用珠粒.不能用包装模具的设计和制造的观念来设计制造消失模铸造用模具.例如,包装用EPS预发泡珠粒粒径一般都在3mm5mm,甚至更大,所以模具的型腔壁上可以安装较大孔径的气孔,再加上珠粒大时,充填阻力小,因此,对包装模具珠粒充填比较容易.还有消失模样成型加工时,不能采用合模时留有缝隙(半粒珠粒大小)的办法排除充填时的气体,因为消失模样专用珠粒粒径小,半粒珠粒大小缝隙很难控制,另一方面,留有缝隙的做法,模样容易出现飞边,影响模样表面质量和尺寸精确度.为此,对消失模模具来说,通气孔(或气塞)的大小,数量和分布,加料口的位置,数量等的设计尤为重要.目的是如何保证充填时,气体进出要平衡,即充填时气流要畅通,不能有死角或涡流.加热时蒸汽通过气孔(或气塞)进入型腔各部位的热量供需要平衡等,否则模42铸造设备研究2004年第1期样会出现充填不足,熔结不良或过烧等缺陷.所以对消失模棋样制造来说,模具特别是对薄壁和结构复杂的模样,模具设计和制造应该十分重视.2.5发泡成型泡沫塑料模样常见缺陷及解决办法在采用发泡成型制造模样时,影响模样质量的因素很多,除原始树脂珠粒的品种,规格和质量外,在很大程度上取决于模具结构是否合理,预发泡机和发泡成型设备选型是否合适;预发泡及发泡成型工艺是否规范以及预发泡珠粒的预发密度,干燥,熟化和保存是否得当等.表2列出了发泡成型模样的常见缺陷及解决办法.表2发泡成型模样的常见缺陷及解决办法缺陷名称产生的原因解决办法模样外观正常(1)成型加热时间短,或蒸汽压力低,成型温度低(1)提高加热蒸汽压力,提高成型温度延长发泡成型时间(2)预发泡珠粒干燥,熟化温度高或时间长,发泡剂含量(2)控制珠粒干燥熟化温度和时间内部熔结不良不够(3)调整发泡剂含量内部结构松弛,(1)珠粒充填不均匀(1)改进充填方法和条件(2)成型温度偏低,时间短(2)提高加热蒸汽压力,延长加热时间大部份熔结不良(3)殊粒密度过低,或发泡剂含量低(3)控制预发泡珠粒密度和发泡剂含量模样不完整,(1)珠粒未完全填满模腔(1)改进充填方法,调整压缩空气压力(2)模具的通气孔分布,加料口位置.模具结构不合理2)改进模具结构,调整通气孔的布置和数量以及加料口轮廓不清楚位置(3)珠粒的粒度不合适(3)对薄壁模样应选用较小的珠粒(1)加热蒸汽压力过商(1)降低加热成型蒸汽压力模样熔化(2)发泡成型时间太长(2)缩短成型加热时间(3)模具通气孔太多或孔径太大(3)调整通气孔数量及孔径大小及分布等(1)成型时间过长,或温度过高模样大面积收缩(2)冷却速度太快(冷却水温度太低)(1)缩短成型时问,或降低成型温度(2)调整冷却速度和时间(3)冷却时间不够,脱模温度太高(1)加料不均匀(1)确保加料均匀(2)加热或冷却不均匀(2)调整加热和冷却条件,确保加热和冷却均匀模样局部收缩(3)模具结构不合理,局部通气孔位置,数量或孔径不合适(3)改进模具结构,调整通气孔位置,数量和孔径大小(4)蒸汽成型时模具在蒸汽缸中的位置不当,正对着蒸(4)调整模具在蒸缸中的位置或改进蒸缸中蒸汽管位置汽进口处或通汽方式模样尺寸增大,模具未能充分冷却,模样