硅胶模具真空浇注的工艺参数试验研究

1、*来稿日期:2006-08-07"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""&q

2、uot;"""""#"""""""""""""""""""$%$" " " " " " " " " " " " " " " " " " " $【 摘要】 从硅胶模具的真空

3、注塑和制件固化过程分析了影响制件表面精度的主要工艺参数。根 据四因素三水平正交表进行正交试验, 对试验结果进行分析, 确定了一组优化的工艺参数, 在满足精 度和机械强度要求的前提下能有效提高制件的加工效率。关键词:快速模具; 硅胶模具; 真空注塑; 表面精度【 Abstract 】 It analyzes the main facts that affect the surface roughness of the workpiece through the process of vacuum -casting and solidification.After analyzing the re

4、sult of orthogonal experiments according to the four factors three levels, the paper determines a group of optimized process parameters, which can enhance the production efficiency of the workpiece under the request.of precision and mechanical strength.Key words:Rapid tooling ; Silicone mould ; Vacu

5、um casting ; Surface roughness 中图分类号:TG76文献标识码:A硅胶模具真空浇注的工艺参数试验研究朱发林 平雪良 潘朝芳 孟凡虹 (江南大学 机械工程学院 , 无锡 214122Research on vacuum casting porocess parameters of silicone mouldZH U Fa-l i n, PI N G X ue-l i ang, PA N Chao-f ang, M EN G Fan-hong(SchoolofM echani calEngi neer i ng,Sout her n Y angt ze U ni v

6、er s i t y,W uxi 214122, Chi na1引言硅胶模具制造是一种比较普及的快速模具制造方法。 由于 硅胶模具具有良好的柔性和弹性, 能制造结构复杂、 花纹精细、 无拔模斜度, 甚至倒拔模斜度以及具有深凹槽类的零件, 因制造 周期短, 制件质量高而备受关注。由于零件形状尺寸不同, 对硅 胶模具的强度大小要求也不同, 因而制模方法也不一样。目前, 制模用硅胶为双组份液体硅橡胶, 分缩合型和加成型两类。由于硅胶模具具有很好的弹性, 对凹凸部分浇注成型后也 可直接取出, 这便是它的独特之处, 目前用硅橡胶制造的弹性模 具已用于代替金属模具生产蜡模、 石膏模、 陶瓷模、 塑料件,

7、及低 熔点合金如铅、 锌以及铅合金零件, 并在轻工、 塑料、 食品和仿古 青铜器等行业的应用不断扩大,对产品的更新换代起到不可估 量的作用,利用硅橡胶制造模具可以更好地发挥原型快速制模 技术的优势。2基于 R P 原型的硅橡胶模具制造工艺由于 R P(R api d Pr ot ot ypi ng 技术生产出来的原型材料与硅 橡胶不发生反应, 制造过程中没有经过变形, 也不会产生褶皱, 能够生产出与精密塑件一样的表面质量. 利用 R P 原型制造硅橡 胶软模的工艺流程 (如图 1 :图 1硅胶软模具制作工艺流程3橡胶模具的真空注塑工艺对于批量不大的塑件生产, 可以采用 R P 原型快速翻制的硅

8、胶模具通过树脂材料的真空注型来实现, 这样, 能够显著缩短 产品的制造时间, 降低成本, 提高效率. 对于没有细筋、 小孔的一 般零件,采用硅胶模具浇注树脂件可制造制品达到 50件以上. 采用硅胶模具进行树脂材料, 真空注型的工艺流程(如图 2 :图 2真空注塑流程图(1 清理硅胶模, 预热模具。 在进行树脂件浇注之前应进行 必要的清理工作, 例如清除沟槽内的残留物, 检查排气孔是否堵 塞等。(2 喷洒离型剂, 组合硅胶模具。 为了便于注型件从模具中 取出,需要在模具型腔表面喷洒离型剂,特别要注意喷洒深沟 槽、 深孔等难以脱模处。喷洒完离型剂后, 就可以将硅胶模组合 起来。不过, 对于透明材料

9、的制件, 不宜喷洒离型剂。(3 计量树脂。树脂的重量通常根据原型的重量进行估算 并根据浇注过程中材料的盈余进行调整。根据规定的树脂和硬 化剂的配比即可算出所需树脂和硬化剂各自的重量。(4 脱泡混合, 真空注型。 为了提高制件的致密程度和充填 能力, 需要将注塑环境抽真空, 一方面除去树脂和硬化剂中溶解 的空气, 另一方面也抽去模具型腔中的空气。(5 温室硬化, 取出制件. 将浇注完的模具从真空机中取 出, 放入恒温箱中进行硬化, 硬化时间根据制件的大小和树脂类 型的而定。 待树脂制件在指定的温度和时间条件下完成固化后, 便可以将其开模取出。(6 制件后处理。 制件完成后, 还需要进行必要的后处

10、理工 作才能交付使用, 如除去浇道、 打磨、 抛光、 喷漆等。R P 原型 &型框制作 &硅胶计量 &真空脱泡 &注入硅胶 &硬化完成 取出母模 刀剖开模清理胶模 &喷脱模剂 &组合模具 &树脂计量 &脱泡混合 &硬化 &取制件 &完成第 3期 2007年 3月-155-Machinery Design &Manufacture机械设计与制造文章编号:1001-3997(200703-0155-034真空注塑工艺的试验研究目前, 国内外研究硅胶模具主要集中于硅胶模具的制作过 程。从整体上研究

11、面向快速制造的硅橡胶模具计算机辅助设计 3, 对其进行尺寸补偿, 以及研究硅胶模具的制作要点 4。研究浇 注过程主要以反应注塑成型(R I M 56和低压灌注 7为主, 在真空 浇注材料配比 8和环氧树脂材料 910方面, 以及树脂材料中水蒸 气对制件表面精度的影响 11也有一些研究, 而对于真空浇注的 研究比较少。以试验的方法对真空浇注的工艺参数作一定的研 究, 确定了一组优化的工艺参数, 同时也提供了一种较好的研 究方法。真空注塑的试验设备主要包括真空注塑机和恒温箱。 真空注塑机用于在真空环境下浇注双组分材料, 这类材料 可以构成室温硫化的硅橡胶模或聚氨酯塑料件。该机器的右边 部分是控制系

12、统, 左边部分为真空室。 真空室的最上边部分有 A 量杯和 B 量杯, 量杯 A 中有混合器, 两个量杯中分别盛有预先 计量好的液态固化剂和多元醇。真空室的中部有漏斗, 下部有 可调节的模具升降板。图 3为真空注塑机的工作原理图。图 3真空注塑机工作原理图试验试件为一个手机上盖, 如图 4所示, 由激光选域烧结 工业塑料粉末得到, 如图 4b。(a 三维模型 (b 激光成型件图 4试件本试验所采用的材料为天津浩泰科盟科技有限公司所生 产的 D PI 238型液态硅橡胶、 D PI 400型液态聚氨树脂, 辅助材料 包括脱模剂等。在硅胶模具制作完成后, 根据对硅胶模具加工成型技术的 分析, 我们

13、知道影响成型件精度的因素很多。例如, 设备的系统 精度、 浇注材料的特性、 两种组份的混合比例、 真空脱泡的程度、 浇注的速度、 固化时间、 固化温度等因素都与成型件精度密切相 关, 即影响成型件的尺寸精度、 形状精度、 表面精度, 当试验确定 以后, 设备本身的系统误差就一定了, 只有通过合理选择成型工 艺参数来提高成型件的精度。选择操作时间、 双组份的混合比例、 固化温度、 固化时间四 个因素来研究它们对成型件精度的影响。本实验指标为 R P 制 件表面粗糙度, 如图 5。粗糙度值为实测值的平均值:! =(! 1+! 2+! 3 /3图 5制件由于正交试验设计可以以较少的试验次数较短的试验

14、周 期较低的试验费用, 迅速得到正确的试验结果。该方法对解决 多因素多指标试验周期长的试验设计问题有其它方法无可比拟 的优点, 因此本文通过正交试验设计来研究以上四因素对制件 精度的影响, 得到最佳的工艺参数。正交表是正交试验设计中 合理安排试验, 并对试验数据进行统计分析的主要工具, 它是用 于安排多因素试验的一类特别的表格, 其代号为 L t (n q , 代表正 交表, 各种符号表示如下:t:正交表行数 ;n:因子的水平数 ;q:正交表列数。按照上面所选的 4个因素作为因子, 由于它们对试验结果 的影响并不是线性相关的, 因此决定对每个因子使用 3个水平, 根据以往的试验和经验确定(低

15、水平(I 、 (中 水平(I I 、 (高 水平 (I I I 三个水平, 如表 1所示。表 1试验因素利用正交试验对上述因素进行试验分析, 得到的试验数据 如 (表 2 所示。由表 2可知, 根据极差大小, 成型件精度的影响因素从大 到小依次为操作时间、 固化时间、 树脂配比、 固化温度。对于各 个因素, 分别以三个水平的实际数值作为横坐标, 各个水平的三 次试验结果之和作为纵坐标, 画出三个点, 得到各因素的水平趋 势图。如图6所示。操作时间 即树脂浇注时间。当树脂配比好以后, 在常温下 其流速变化不会很大。浇注过快, 则材料无法填充满这个型腔, 制件表面容易产生一些微小的凹坑, 因此会影

16、响其表面精度, 浇 因素水平 I水平 I I水平 I I I树脂配比0. 92:11:11:0. 96操作时间(m i n345固化温度(606568固化时间(m i n 304050-156-第 3期 朱发林等: 硅胶模具真空浇注的工艺参数试验研究注过慢会使得材料在未浇注完成时就开始固化,使得后续放大 气不起任何作用, 成型件同样会存在微小的凹坑, 甚至夹杂一些 大的气泡或者制件出现重大缺陷。 通常, 浇注时间要使得材料已 经充满整个型腔, 液体从气孔冒出, 然后迅速放大气, 这样制件 表面质量比较好, 如图 6(b 所示。 最佳的操作时间应该控制在四 分钟左右。表 2四因素三水平正交表 L

17、 9(34(a (b (c (d树脂配比 操作时间 固化温度 固化时间 图 6四因素水平趋势图主要指制件在恒温箱中烘烤的时间。理论上, 由于塑料固 化是一个吸热的过程,制件的强度和表面精度随着固化时间的 增加而增加。 但是当达到一个饱和的时间时, 塑料会因为过热而 自身的一些性能发生变化, 其中包括脆性变大, 表面精度也逐渐 变大, 甚至出现表面局部收缩等, 造成制件形状不完整。如图 7所示。 相反固化时间不充足, 塑料无法完全固化, 在开模取件时, 制件容易产生较大变形, 甚至断裂。因此, 固化时间控制也是一 个重要的因素。根据先期试验得到固化时间过长会导致开模比 较困难, 一般不超过 50

18、m i n。 由水平趋势图6(d 得到, 最佳固化时间为 50m i n 左右。主要指 A (以异氰酸酯为主 和 B (由多元醇、 催化剂、 交联剂等组成 的配比。A不同的配比同样会使得制件具有不同的机械性能。 一般都要求能比较精确的控制在 1:1左右,误差应控制在 5%10%, 与 水平趋势图 6(a 反应的相一致。 当 A /B 小于或者大于 1时, 都会 造成不同程度的机械性能的缺陷。例如, 抗弯强度、 弯曲弹性模 量、 伸张强度等。 对于小制件, 由于所需的材料很少, 其影响尤为 明显。本实验中制件即如此。主要指制件烘烤的温度。理论上, 常温固化所需时间为 24小时左右,加热固化能大大

19、缩短该过程,一般,温度都控制在 70以下。温度越高, 固化时间越难控制。高温时, 制件容易变 脆, 甚至发生变形。 温度过低, 会延长固化的时间, 降低整个生产 效率。根据水平趋势图 6c, 温度应控制相对较低。利用以上试验得到的工艺参数, 对上述手机前盖模型进行 真空树脂浇注。得到的制件表面粗糙度能达到 1. 59左右。同时 对一些其他的硅胶模具进行浇注时, 其表面效果也比较好。 如图 8所示:(a 汽车零件 (b 太阳眼镜 图 8真空注型制件5结论(1 对制件表面精度的影响因素, 按重要程度从大到小依 次为操作时间、 固化时间、 树脂配比、 固化温度。 对于不同的树脂 材料, 要结合制件的

20、复杂程度, 合理选择各个因素。(2 对于本试验所用天津浩泰公司的 D PI 400型树脂, 一般 选择为操作时间 4m i n, 固化时间 90m i n 左右, 树脂配比 1:1, 固 化温度为 600C 左右, 在提高生产效率的前提下, 可以得到较好 的制件表面质量和机械性能。参考文献1王广春, 赵国群. 快速成型与快速模具制造技术及其应用. 北京:机械工 业出版, 2003.2金涛, 童永年. 逆向工程技术. 北京:机械工业出版社, 2003.3贾玉玺, 薛淑霞, 孙胜等. 面向快速制造的硅橡胶模具计算机辅助设计. 山东大学学报, 2002V ol 32. N o. 2.4陈林强, 朱永

21、康. 液态硅橡胶模具设计要点.世界橡胶工业, 2003. 5仇永辉. 反应注射成型模塑的计算机模拟. 西安科技大学学报, 2005. 4. 6冯小军. 反应注塑成型的固化和冷却的数值模拟. 塑料注射模技术, 2004. 7李爱平, 王红蕾, 冯小军. 低压灌注设备配比调节方法的改进研究. 工程 塑料应用,2005年, V ol 33, N o. 6.8周文秀, 谢洪泉等. 真空浇注用二组分聚氨酯的研究. 华中科技大学学 报, 2002年, V ol 30, N o. 2.9P. V . V as concel os .F. J . Li no. A . M agal h. I m pactf

22、r act ur e s t udy ofepoxy-bas ed com pos i t es wi t h al um i ni um par t i cl es and m i l l ed f i br es . M at er i al s Pr oces s i ng Technol ogy.2005, 170, 277283.10S. A nandaK um ar . T. Bal akr i s hnan. M . A l agar . Z. D evel opm entand char act e r i z at i on ofs i l i cone/phos phor usm odi f i ed epoxy m at er i al sand t hei rappl i cat i on asant i cor r os i on and