基于快速原型技术的精密模具铸造工艺
本文关键词：基于快速原型技术的精密模具铸造工艺，由笔耕文化传播整理发布。
摘要：快速原型技术与精密铸造技术相结合，是制造模具的有效方法；为获得高品质的陶瓷型铸造金属模具，着重从硅酸乙酯水解液的配方，催化剂的加入量，焙烧工艺等方面进行实验和研究，通过考察陶瓷型的强度、表面稳定性、透气性和尺寸精度，得到了制作陶瓷型的最佳工艺参数组合，可用于指导实际生产。
关键词：精密模具；陶瓷型铸造；快速原型
中图分类号：TG249.9 文献标识码：A
文章编号：1000－8365(2000)01－0015－04
Investment Casting for the Precision Die-making Based on Rapid Prototyping
MA Tian，XING Jian-dong，，FANG Liang，WANG En-ze
(Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China)
Abstract:Rapid prototyping technology is an effective die-making method combined with the application of investment casting technology.In order to manufacture high-quality metall dies in ceramic investment casting much attention has been paid to components of hydrolutic solution of ethyl silicate，quantity of catalyze，process of firing etc.Analysis on the tensile strength，surface stability，permeability and dimensional accuracy has also been conducted，through which the optimal process parameters of high-quality ceramic mold have been acquired.The result could be a guide to the real production.
Key Words:Precision dies；Ceramic investment casting；Rapid prototyping
兴起于本世纪80年代末期的快速原型技术(Rapid Prototyping Technology)为模具制造提供了一个快速、经济的解决方案。它能迅速、精确地提供无需昂贵加工费用的产品原型，快速实现对产品及其零部件的设计审查、造型评估、功能实验和装配考察，减少设计和生产过程中的差错和无谓的返工，缩短新产品的开发周期和费用，提高企业对市场的快速反应能力，增强企业竞争力［1］。
快速原型技术与精密铸造技术相结合，是制造模具的有效方法，特别是对形状复杂或带有内腔的模具，其优越性更加明显。其中陶瓷型铸造作为传统的精密铸造工艺是最重要的精铸模具方法，其铸造模具的尺寸精度高(可达0.3 mm～0.35 mm/100 mm)、表面光洁度好(可达Ra3.2～1.6 μm)、铸件抗疲劳强度高、使用寿命长、且不受金属种类和铸件大小的限制。这种精密铸造方法在国外已广泛用于制造锻模、冲压模、压铸模、玻璃模等［2］，而国内对陶瓷型铸造工艺系统研究地较少。
本文的研究是采用西安交通大学激光快速成型中心的SLA-RP系统，快速制造高精度、高表面光洁度、形状复杂的树脂模，取代传统的木模或金属模，应用陶瓷型精密铸造技术制造高精度、高表面光洁度的铸钢模具。为了制作出高品质的陶瓷型，对硅酸乙酯水解液的配方、催化剂的加入量、焙烧工艺进行了大量的实验研究，从而得到了最佳工艺参数组合。
1 实验方案设计
基于前期实验中出现问题的分析及陶瓷型的制备工艺，着重考察水量、无水乙醇量、催化剂(氧化镁)量、焙烧温度、盐酸量、双氧水量及微量添加物对陶瓷型强度、表面稳定性、透气性和尺寸精度的影响。
1.1 硅酸乙酯水解液的配方
(1)水量 加水量是影响水解液性能的重要因素，它决定了硅酸乙酯水解时，乙氧基(C2H5O)被羟基(OH)取代的程度。不同的加水量，水解液中的分子聚合形式也不同，从而影响陶瓷型的强度、表面稳定性等指标。因此，固定硅酸乙酯的量不变，将加水量作为主要的影响因素进行实验。
(2)无水乙醇量 无水乙醇对陶瓷型性能的影响，主要表现在它可以将水解液中SiO2的含量控制在一定的范围内，改变聚乙氧基硅氧烷和SiO2分子在浆料中的分布程度。同时，无水乙醇的挥发会在陶瓷型表面形成显微裂纹，有利于提高陶瓷型的透气性。因此，把无水乙醇的加入量作为重要因素考虑。
(3)盐酸量 盐酸的作用是加速水解反应进程，并控制水解液的酸碱度在稳定性最大的1.5～2.0 pH范围内。由于盐酸为少量加入物质，故作为次要因素考虑。
(4)其他微量添加物，作为次要因素考虑。
1.2 耐火材料
前期的实验表明，耐火材料的级配与其他影响陶瓷性能的因素交互作用较弱，为减少实验变量，更加深入地研究其他影响因素，取石英粉料作为耐为材料，固定其级配为0.53 mm/0.300 mm～0.150 mm/0.600 mm～0.300 mm=55∶30∶15。
1.3 催化剂
以Ca(OH)2作为催化剂，浆料硬化快，但陶瓷型强度和表面稳定性不高，不利于获得高品质的铸件。另外，一些资料显示，以有机醇或有机胺类作为催化剂可获得高强度的陶瓷型［2、3］。但此类催化剂与水解液反应迅速，实践中不易控制，且价格昂贵，多有剧毒，不适于实际生产。因此采用硬化速度较慢的氧化镁作为催化剂，并将其作为主要影响因素进行研究。
1.4 透气剂
以双氧水(H2O2)作为透气剂。它对陶瓷型总体性能影响不大，作为次要因素考虑。
1.5 喷烧、焙烧工艺
通过前期的实验，发现起模后的陶瓷型经过喷烧，虽然其透气性有所提高，但强度和表面稳定性均下降。其原因是喷烧时陶瓷型中的无水乙醇迅速挥发，破坏了聚乙氧基硅氧烷网状分子包覆砂粒的结构。因此在本实验中，取消对陶瓷型的喷烧工艺，而是使取模后的陶瓷型暴露于空气中一段时间，让乙醇自然挥发。实验表明，这样可以获得更高品质的陶瓷型。焙烧工艺对陶瓷型和铸件品质均有明显影响。实验还表明，焙烧温度必须处于一定的范围内，才能获得较好的性能指标。所以固定焙烧时间，将焙烧温度作为主要工艺变量进行研究。
1.6 正交实验
采用正交实验的方法进行研究，正交表采用(L16(44×23))正交表，因素水平，见表1。
表1 因素水平表
Tab.1 Elements and levels
水平 因 素
水
g
无水乙醇
mL
氧化镁
g
焙烧温度
℃
盐酸
mL
双氧水
mL
微量添加
物g
1 16 85 7 200 0.75 0.0 0.0
2 18 90 10 350 1.25 1.0 1.5
3 20 95 12 500
4 22 100 14 800
注： (1)水解液中硅酸乙酯量均为140 mL。
(2)水解液搅拌时间为3 h，放置时间为20 h。
(3)水解液pH值2～3。
(4)焙烧时间为2 h。
1.7 性能指标测定
(1)抗拉强度
设备：SWY型液压强度试验机。
试样：按GB2684-81标准［4］“∞”字型试样，截面边长L=22.3 mm，最小截面积S=22.3 mm×22.3 mm=497.29 mm2。
(2)表面稳定性
设备：参照涂料表面稳定性的测试方法，自制实验装置，见图1。其中：冲击角α=30 °，冲击高度H=22 cm，漏斗口：45 mm×3 mm矩形。
图1 自制涂料表面稳定性实验装置
Fig.1 Sketch of the installation for measuring the surface stability
试样：90 mm×80 mm×12 mm平板
(3)透气性
设备：应用西安交通大学铸造及耐磨材料研究所研制的负压吸附涂料层透气性测试装置［5］，见图2。
1.真空泵 2.出气阀 3.真空罩 4.密封圈 5.真空表
6.进气阀 7.支架 8.玻璃试杆 9.橡胶圈 10.试样
图2 透气性测试装置
Fig.2 Sketch of the installation for determining the permeability of coating
试样：厚度为0.4 mm的陶瓷型薄片。
(4)尺寸精度
用金属模具制备160 mm×90 mm×12 mm的板状陶瓷型试样，试样焙烧后重新放入金属模具中，用塞规测量其收缩量。
2 实验结果与分析
2.1 实验结果
实验结果和应用综合评分法确定试样的综合性能指标，见表2。评分标准较繁琐，此处略。
表2 实验结果
Tab.2 Result of experiment
试样
编号
抗拉强度MPa 表面稳定性
g 透气性
cm2/(Pa.min) 尺寸精度
mm/100 mm 综合
指标
1 0.418 1.06947 0.081 0.450 9.00
2 0.472 1.38125 0.130 0.260 9.07
3 0.600 1.70862 0.113 0.535 9.01
4 0.131 1.92978 0.133 0.370 8.02
5 0.216 3.18769 0.172 0.350 7.95
6 0.195 3.47506 0.126 0.335 7.80
7 0.482 2.04761 0.079 0.130 8.90
8 0.477 1.42941 0.085 0.375 9.10
9 0.349 1.37559 0.093 0.530 8.45
10 0.152 2.84109 0.113 0.075 7.95
11 0.600 1.14367 0.069 0.355 9.20
12 0.363 2.17278 0.086 0.300 8.55
13 0.601 1.14416 0.122 0.285 10.0
14 0.304 2.06247 0.084 0.195 8.25
15 0.122 2.96678 0.119 0.405 7.50
16 0.197 2.47172 0.101 0.275 8.00
2.2 方差分析
根据试样的综合评分值，用数学统计的原理对数据进行方差分析，结果见表3。
表3 方差分析
Tab.3 Analysis of square-errors
项目 因 素
水 无水乙醇 氧化镁 焙烧温度 盐酸 双氧水 微量添加物
K1j 35.4 33.7 34.7 36.25 69.9 69.0 69.0
K2j 34.7 32.9 34.03 36.45 67.7 68.6 68.6
K3j 33.7 34.2 35.0 33.65
K4j 33.8 36.8 33.9 31.25
8.85 8.425 8.675 9.0625 8.7375 8.625 8.625
8.675 8.225 8.5 9.1125 8.4625 8.575 8.575
8.425 8.55 8.75 8.4125
8.45 9.20 8.475 7.8125
Si 2.285 2.135 0.215 4.5275 0.3025 0.01 0.01
fi 3 3 3 3 1 1 1
Vi 0.7616 0.712 0.0712 1.509 0.3025 0.01 0.01
F检验 76.16 71.2 7.12 150.9 30.25 1 1
显著性 显著 显著 有影响 最显著 次显著 误差 误差
可靠性 90% 90% 75% 95% 90%
注： Kij——第个水平上所有综合指标之和；
)2，为所有指标和的平均值，P某因素各水平出现的次数；
fi——某因素的自由度，fi=水平数-1；
Vij——平均偏差平方和，Vij=Si/fj。
根据方差分析，对陶瓷型综合性能影响最显著的因素是焙烧温度，显著因素为硅酸乙酯水解液的加水量和加无水乙醇量，次显著的因素为盐酸及催化剂的加入量，而透气剂(H2O2)、微量添加物为非显著因素。
另外，根据表3中K1j、K2j、K3j、K4j的值，获得了制作高品质陶瓷的最佳工艺参数组合：
水量——1水平：16 mL；
无水乙醇——4水平：100 mL；
氧化镁——3水平：12 g；
焙烧温度——2水平：350 ℃；
盐酸——1水平：0.75 mL；
双氧水——1水平：0 mL；
微量添加物——2水平：1.5 g。
应用此最佳工艺参数组合制作的陶瓷型试样，其抗拉强度为0.522 MPa，表面稳定性为1.22562 g，透气性为0.113 cm2/(Pa*min)，尺寸精度为0.155 mm/100 mm达到了高品质陶瓷型的要求。
2.3 化学分析
(1)硅酸乙酯的水解过程原理
硅酸乙酯本身并不能做粘结剂使用，它必须经过水解成为水解液，才能具有粘结能力。硅酸乙酯的水解过程实质上是其中的乙氧基被水中的羟基所置换的过程。在水解过程中，首先得到乙氧基硅醇即(C2H5O)nSi(OH)4-n(n=1，2，3)，硅醇间有强烈的缩聚倾向，水解反应进行的同时，进行着乙氧硅醇的缩聚反应，得到不同聚合度和结构的聚乙氧基硅氧烷，而缩聚反应所析出的水又可继续参与水解反应。因此，工业上应用的硅酸乙酯并非化学纯的正硅酸乙酯，而是由正硅酸乙酯与各种聚乙氧基硅氧烷(多乙酯)所组成的混合物，统称为硅酸乙酯，其化学通式为(C2H5O)2n+2SinOn-1［6］。
(2)化学分析
根据前面得到的陶瓷最佳工艺参数组合，并假设所用硅酸乙酯为纯的正硅酸乙酯，通过计算可知水解时水的克分子数与硅酸乙酯中乙氧基克分子数的比W=0.314。由于多乙酯的存在，实际上的W值约为0.35。资料［6］显示，当0.25＜W＜0.4时，水解产物为线型低聚物(低聚乙氧基硅氧烷)，水解液中基本不含游离水。这样的水解液稳定性好，便于保存；当有催化剂作用时，线型低聚物分子发生体型缩聚，交联成三维网状结构，具有较高强度。
焙烧温度达到200 ℃以上时，陶瓷型中的水分已
大部分失去。继续加热，硅酸凝胶和无机硅聚物脱水并最后完成体型结构，此过程是在335 ℃附近完成的［7］，故最佳焙烧温度约为350 ℃。
3 应用实例
应用以上陶瓷型铸造工艺浇注的铸钢件(图3)，表面光洁度达标Ra1.6～3.2，尺寸精度达CT3～4，表明此铸造工艺完全可以用于实际生产。
图3 陶瓷型铸造工艺浇注的型与件
Fig.3 The mould and steel casting cast by ceramic investment casting
4 结论
(1)SLA快速原型技术与陶瓷型铸造技术相结合，是制造模具的有效方法。
(2)应用本文研究所得到的工艺参数组合，可获得高品质的陶瓷型，可在实际生产中应用。
图4、图5分别用TR240型表面轮廓仪测得的树脂模型和铸钢件的表面轮廓曲线。
图4 树脂模型(打磨过)表面轮廓曲线
Fig.4 Surface outline curve of resin pattern
图5 铸钢件表面轮廓曲线
Fig.5 Surface outline curve of cast steel model
科研项目：西安交通大学科学研究基金项目。
作者简介：马 天(1975-)，男，辽宁盘锦人，硕士.
作者单位：马天(西安交通大学，陕西 西安 710049)
邢建东(西安交通大学，陕西 西安 710049)
方亮(西安交通大学，陕西 西安 710049)
王恩泽(西安交通大学，陕西 西安 710049)
参考文献：
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［2］王福谆，刘可知.精铸模具的研究应用概况［J］.特种铸造及有色合金，1996(3)：24～26
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［4］中华人民共和国国家标准，铸造用原砂及混合料试验方法(GB2684—81)［S］.
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［6］王乐仪.特种铸造工艺［M］.北京：国防工业出版社，1984.
［7］邓良玉，程天星.铸铝陶瓷型取消焙烧工艺的应用［J］.特种铸造及有色合金，1990(6)：30
本文关键词：基于快速原型技术的精密模具铸造工艺，由笔耕文化传播整理发布。
本文编号：161894
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