快速砂型铸造用模具材料的新进展X X X焦作大学中图分类号：快速砂型铸造用模具材料的新进展专业名称：机械制造与自动化学生姓名：导师姓名：焦作大学机电工程学院毕业论文2009年 12 月中图分类号：密级：公开资料UDC: 单位代码： 11522 快速砂型铸造用模具材料的新进展Rapid Sand Casting Mold Material Progress姓名学制三年专业机械制造与自动化研究方向导师职称论文提交日期 2009/12/12论文答辩日期2010/01/04焦作大学机电工程学院摘要快速砂型铸造川模具材料是实现快速砂型铸造的重要因素。

分析和比较了当前快速砂型铸造川模具材料的现状并指出研究适合快速砂型铸造川模具材料和进行表而处理为今后的发展方向。

关键词:砂型铸造:模具材料:快速原型AbstractRapid River sand casting mold material is a rapid sand casting an important factor. Analysis and comparison of the current rapid sand casting mold material Sichuan suit the current situation and pointed out that rapid sand casting mold material and conduct of table Sichuan to process for the future direction of development.Key words: Sand casting; M old material; Rapid Prototyping目录引言 (1)1 快速砂型铸造 (2)2 快速砂型铸造用模具材料 (4)2. 1塑料模及树脂模 (4)2. 2快速原型纸质“模” (4)2. 3快速原型树脂模 (4)2. 4快速原型纸基或树脂基金属面模 (5)2. 5快速原型金属面硬背衬模 (5)2. 6快速原型金属模 (5)3 常用的各种模具材料的肖氏硬度及强度比较 (6)参考文献 (7)致谢 (8)引言砂型铸造是使用最广泛，生产量最大的一种基本的铸造方法。

砂型铸造用模具的材料,使用最多的是木材,此外,还有易熔金属、轻金属、泡沫塑料、环氧树脂和石膏、水泥等。

随着快速铸造技术的发展,又出现了一些新型的快速砂型铸造用模具材料，快速砂型铸造用模具材料制模周期是制约铸造生产周期的重要因素之一。

1 快速砂型铸造快速砂型铸造是——在砂型中生产铸件的铸造方法。

钢、铁和大多数有色合金铸件都可用砂型铸造方法获得。

由于砂型铸造所用的造型材料价廉易得，铸型制造简便，对铸件的单件生产、成批生产和大量生产均能适应，长期以来，一直是铸造生产中的基本工艺。

砂型铸造所用铸型一般由外砂型和型芯组合而成。

为了提高铸件的表面质量，常在砂型和型芯表面刷一层涂料。

涂料的主要成分是耐火度高、高温化学稳定性好的粉状材料和粘结剂，另外还加有便于施涂的载体（水或其他溶剂）和各种附加物。

快速自动成型技术与精密铸造相结合，能将CAD模型快速有效地转变为金属零件，为实现铸造的短周期、多品种、低费用、高精度提供了一条捷径，同时可以把传统的分散化、多工序的铸造工艺过程集成化、自动化和简单化。

基于SLS 的砂型快速铸造技术的工艺流程中有多个关键技术问题需要解决，其中主要包含：铸模的三维CAD造型、铸模的分型方式选择与处理、铸型的后处理技术、浇注工艺研究等。

在零件的三维CAD造型建立模型的过程中，必须首先根据零件的材质和结构确定工艺收缩量，其次要注意探寻零件(包括SLS原型)的变形规律并寻求解决变形的工艺方法(如在制作过程中尽量减少变形量，或者在设计的初期就设置反变形量以克服变形引起的负面影响等)。

对于一些形状复杂的零件，也需要采取相应的分型方式(如曲面分型和增加分型面等)和较多的砂型组合才能完成造型，这不但给浇冒系统的设计和分型面的选择带来了更多的工作量，而且由于多个砂型组合必然造成精度的降低，因此也对后续的砂型烧结精度提出了更为严格的要求。

铸件浇冒系统的设计与分型面的分析和选择步骤完成以后，就可以进行三维CAD造型，然后对模型进行离散化处理，最后就可以利用快速成型设备进行砂型的成型。

直接利用激光烧结成型的砂型强度较低，表面质量也不够好，利用特殊的保护材料，在普通加热炉中按照制定的加热规范，经过约4 h焙烧处理，就可以得到高强度的树脂砂型。

为了改善铸型的表面质量，研制了一种具有较好综合性能的醇基锆英粉涂料，这种涂料具有避免砂型吸水受潮、简化操作、涂敷性能和悬挂性能优良、改善砂型表面质量效果显著等优点，同时利用醇基材料的燃烧过程可以将铸型预热，有利于金属液的顺利充型。

铸型的后处理工序完成以后，必须及时对砂型进行浇注。

这样既可以避免涂料因吸潮而起层，同时也可以避免砂型因存放过久而造成强度降低等问题。

经过后处理的激光快速制备的砂型强度较高，所以砂型的浇注过程与普通的砂型铸造差别不大。

为了避免浇注过程中出现跑火等铸造缺陷，可以利用普通的潮模砂进行埋箱操作。

处理后的砂型和浇注完成的铝合金铸件分别如图1和图2所示，可以看出铸件表面质量良好，无砂眼、浇不足、起皮等铸造缺陷，与未进行砂型表面处理的冒口部分相比较，铸件本体的表面粗糙度得到了较大程度的改善。

利用上述的快速砂型铸造技术可以大幅度的缩短铸件的制造周期，上述散热片零件的普通砂型铸造过程约需要3 d，而利用快速砂型铸造技术，其生产周期可以缩短至10 h以内。

对于快速成形的零件而言，还具有尺寸在一定范围内任意缩放、所见即所得，返回修改容易，设计、修改、验证、制造同步等优点。

对于当前越来越多的新产品样件试制而言，快速砂型铸造技术不失为一种快速有效的工艺技术。

砂型铸造用模具的材料，使用最多的是木材，此外，还有易熔金属、轻金属、泡沫塑料、环氧树脂和石膏、水泥等。

随着快速铸造技术的发展，又出现了一些新型的快速砂型铸造用模具材料。

2 快速砂型铸造用模具材料制模周期是制约铸造生产周期的贡要因素之一。

快速砂型铸造卞要是指实现快速制模的工艺，现在常用的快速制模工艺与选用的材料如下。

2. 1塑料模及树脂模选用塑料来制作砂型铸造用模具材料可以兼容木模和金属模的优点，用塑料制作的模样不仅表面光洁、不易变形，有良好的耐磨性和抗腐蚀性。

同时贡量也较轻，使用和运输方便，特别是塑料模容易复制和修复，降低模样的制作成本。

但是，塑料模制作过程较复杂，要先制造阳模和阴模。

因为是用环氧树脂作基料，因此阳模的固化时间长，脱模后还要烘烤3 ～ 4 h,增加了能耗，延长了制模周期。

近些年，研制专门用于砂型铸造用模具的树脂材料。

这种树脂模在实用性与经济效益方面更优于塑料模。

实践证明，一个新型树脂模的使用寿命相当于3个木模，而贡量仅为金属模的1/ 4～1/ 5。

同时模具制造周期也大大缩短，为实现快速铸造提供了保障。

在塑料模样中，泡沫塑料气化模的应用近年也比较突出，由这种材料开发出了实型铸造方法。

新型气化模材料的开发，可以极大地促进实型铸造和快速铸造方法的发展。

2. 2快速原型纸质“模”由快速原型(LOM)方法直接制作的纸质“模”，是由经特殊处理的纸经切割、叠加而成的。

在这种纸的下面涂覆有高温热熔胶和改性添加物。

因此，由这种方法制作的纸质模坚如硬木，有较好的力学强度和抛光性能，能承受200℃高温，可以进行切削加工，经适当的表面防潮处理（如喷涂清漆、环氧基涂料等）后，可以替代传统的木模。

采用这种模具的优点是:无需高水平的木模工和相应的木工机械，可以根据设计的图纸，就能在很短的时间内，用激光快成形机制作相当于“木模”的高精度模具，对于制造形状复杂的模具，这一优点尤为突出。

其缺点是后续打磨处理耗时费力，导致模具制造周期延长、成本提高。

用快速原型(LOM)方制造的纸质模，能直接用于快速砂型铸造的造型，可以贡复制造50～100件砂型。

2. 3快速原型树脂模经快速原型(SLS)方法制造的模样，再经树脂灌注后可以强化其内部结构和表面性能，该模样可以直接用于砂型铸造。

快速原型(SLA)方法制造的树脂件强韧性好，可以作为小批量的砂型铸造用模具。

部分树脂模也可以用作实型铸造方法中的气化模。

焦作大学机电工程学院毕业论文 2 快速砂型铸造用模具材料2. 4快速原型纸基或树脂基金属面模砂型铸造用金属模一般用铸造铝合金经切削加工制成。

对由快速原型(LOM)方法或SLS SLA等方法直接制作的纸质或树脂基模，可以经表面金属电弧喷镀和抛光后用作砂型铸造用金属模。

通过表面处理技术的复合可以极大改善这类模样的表面性能，如电弧喷镀和刷镀技术的复合等。

2. 5快速原型金属面硬背衬模对于承受工作压力较高的模具(如用在震压式造型机、高压造型机上的模具)，可以用下述方法快速制造金属面和硬背衬的铸模。

制作方法是先用快速成型机(LOM ,SLS ,SLA等方法)制作母模，在母模表面上喷洒脱模剂，用电弧喷镀或等离子喷镀法在母模表面喷镀金属(厚度1. 6～6. 4 mm)以形成金属壳体，移去母模，在壳体的背面注入金属基合成材料或环氧树脂，经表面抛光，制成金属面、硬背衬的铸模。

这种方法的优点是铸模的力学性能较好，而目，由于喷镀所得铸模的轮廓紧贴母模的工作面，其精度仅仅取决于母模的精度，不会因所喷镀金属层的厚度不均匀而影响铸模的精度。

因此，该方法操作比较简单、精度易保证。

2. 6快速原型金属模用快速原型(SLS)方法，采用高功率激光(1 000 W以上)，对金属粉末进行扫描烧结，逐层叠加成型，成型后的工件经表面后处理(打磨、精加工)后完成模具制造。

用这种方法可以简化制造工序、缩短周期、降低成本，但所获得的模具的强度不高，击经进一步渗入低熔点金属等处理后才能使用。

用快速原型(LOM)方法采用金属箔代替纸基材料，也可以直接成形为金属模。

焦作大学机电工程学院毕业论文 3 常用的各种模具材料的肖氏硬度及强度比较3 常用的各种模具材料的肖氏硬度及强度比较常用的各种模具材料的肖氏硬度及强度比较见表1。

表1各种模具材料的肖氏硬度及强度比较Tab. 1 C<;nparision between shore hardness and strengtheon<;ernin g all kinds of mold material模具材料硬度/HS 抗旅强度/MPa LOM垂直于纸而45 66LOM平行于纸而17 66铝模40 153 松木木模20 81由表1可以看出，铝合金模的强度与硬度最高，因此，从模具整体强度看铝合金模的用寿命为最高，而用快速原型方法直接制造的模具强度较低。