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摘要：介紹了適合于多品種、小批量農業機械生產的基于快速成型的金屬樹脂模具快速制造技術，包括金屬樹脂模具材料的研究，金屬樹脂模具快速制造過程、關鍵工序分析以及快速制模方法的特點。
關鍵詞: 機械制造工藝與設備；金屬樹脂模具；快速成型；原型零件；材料性能

前言

快速成型技術(Rap id p ro to typ ing，簡稱RP) 是20 世紀80 年代末期才開始商品化的一種高新制造技術，被稱為自60 年代數控技術以來制造業的一次革命，在世界各地的各個行業得到了廣泛應用，同時派生出了一個全新的領域——快速模具制造，以供快速、批量生產塑料件或金屬件。作者研究基于快速成型的金屬樹脂模具快速制造技術，以實現農業機械中金屬拉延件和塑料件的快速制造。

1 快速成型原理及原型零件制造

快速成型原理為分層疊加制造，本文以液態光敏聚合物選擇性固化(簡稱SLA ) 為例說明快速成型原理及原型零件的制造過程。如圖1 所示，液槽中盛滿液態光敏樹脂，激光束在偏轉鏡作用下，在液態表面掃描，掃描的軌跡及光線均由計算機控制，光點打到的地方，液體就固化。成型開始時，工作平臺在液面下一確定的深度，聚焦后的光斑在液面上按計算機的指令逐點掃描，即逐點固化。當一層掃描完成后，未被照射的地方仍是液態樹脂。然后升降臺帶動平臺下降一層高度，已成型的層面上又布滿一層樹脂，刮平器將粘度較大的樹脂液面刮平，再進行下一層的掃描，新固化的一層牢固地粘在前一層上。如此重復直到整個零件制造完畢，便可從液槽中取出一個分層制造的三維實體零件，也就是原型零件[ 1 ]。快速成型技術具有以下特點: ①成型速度快，從CAD 設計到原型零件制成，一般只需幾個小時至幾十個小時。②設計制造一體化，CAD 和CAM 能夠很好地結合。③自由成型制造，自由的含義: 一是指可以根據零件的形狀，無須專用工具的限制而自由地成型，二是指不受零件形狀復雜程度限制。④高度柔性，僅需改變CAD 模型，重新調整和設置參數即可生產出不同形狀的零件模型。⑤技術高度集成，帶有鮮明的時代特征。⑥制造成本與零件的復雜程度基本無關。

圖1SLA 快速成型系統原理圖
1. 原型零件2. 紫外激光3. 光敏樹脂4. 液面5. 刮平器6. 升降臺

2 金屬樹脂模具材料的配方

環氧樹脂應用相當廣泛，其特點是固化反應過程中不釋放低分子產物，固化物收縮率小，成型壓力低，而且固化強度高，尺寸穩定，較耐高溫，較為適合轉化快速原型零件為金屬樹脂模具過程的要求。以金屬粉末和環氧樹脂為基料，作者研究了不同添加劑對金屬樹脂材料性能的影響，各種金屬樹脂模具材料的配方如表1 所示。

按表1 配方將稱量好的環氧樹脂倒入容器，加入稀釋劑和金屬粉末，充分攪拌均勻，加入適量固化劑和其他添加劑(有的不加)。不斷攪拌，待充分混合均勻后倒入成型模具中成型，脫模后置于恒溫箱中充分固化。制得各種標準試樣，然后進行性能測試，配方試樣的性能測試值如表2、表3 所示，性能測試結果分析如下。

(1) 硬度

從表2 可以看出試樣5、6 的硬度最大，而其他幾種試樣的硬度相差不大，這可能是因為試樣5、6所用環氧樹脂不同，其固化物的分子鏈剛性較大的緣故。同時，環氧樹脂的相對含量也是影響硬度的主要因素，從試樣1、2、3 的硬度大小可看出這一點。

(2) 磨損性能

從表2 可以看出，試樣1 磨損體積最大，耐磨性最差。而試樣4 磨損體積最小，僅為11441 mm 3，說明其耐磨性最好，用作模具材料較為適宜。

(3) 拉伸強度

由表2 可以看出，試樣1 的拉伸強度最小，這可能與試樣1 所用鋁粉較多、環氧樹脂相對用量減小有關。而試樣3 則因用的是銅粉，其密度大，在金屬樹脂中占有體積小，環氧樹脂相對用量較多，故其結合緊密，拉伸強度最高。試樣2、4、5、6 的拉伸強度相差不是很大。由此表明，金屬粉末的品種和含量是影響拉伸強度的主要因素。

(4) 線脹系數
在相同條件下，對3 種金屬樹脂試樣2、4、5 進行了熱膨脹性能分析，在25～ 200℃范圍內，得到它們的TMA 曲線的特征數據見表3 。從表3 可以看出，3 種試樣的線脹系數在25～ 200℃相差不是很大。但在不同的溫度范圍內，它們的線脹系數相差懸殊，試樣2 在55.3～ 82.5℃膨脹最快，而在82.5～200℃膨脹速度明顯減緩。由此表明試樣2 適于在此溫度范圍內使用，其膨脹幅度不會很大。試樣4 在151.8～ 157.5℃膨脹極為迅速，線脹系數高達4.855×10^{- 3}/K，而在25～ 151.8℃時，其膨脹卻較為緩慢，當溫度升高至157.5℃ 時突然收縮，這可能是因為試樣4 固化不完全，當溫度升高時發生固化收縮所致。試樣5 在25～ 200℃膨脹速度相差不大，開始較為迅速，在25～ 75.5℃時線脹系數為2.428×10^{- 4}/K，升至7515℃ 時出現一段水平線，達到92. 8℃時重新開始膨脹，到200℃時線脹系數為4.275×10^-5/K。由此表明，在25～ 200℃溫度范圍內用試樣5 作模具材料膨脹幅度不大。

從以上的分析可以得到以下結論:

(1) 對于以環氧樹脂和金屬粉末為基料的金屬樹脂材料，材料中的環氧樹脂、固化劑、金屬粉末等是影響材料性能的直接因素。

(2) 在試樣配方中，試樣5 硬度高，強度適中，且在25～ 200℃時線脹系數不大，較為適合用作金屬樹脂模具的材料，可用做低熔點塑料模具材料; 試樣4、6 比較適合用做拉伸模。

3 制模過程

基于RP 技術的金屬樹脂模具快速制造工藝參見文獻[2 ]，制模過程分析如下。

(1) 設計制作原型。首先按照前述RP 原型的設計制作原則，利用快速成型技術設計制作模具原型零件。

(2) 原型表面處理。原型表面必須進行光整處理，采用刮膩子、打磨等方法，盡可能提高原型光潔度，然后涂刷聚氨脂漆2～ 3 遍，使其表面達到一定的光潔度。

(3) 設計制作金屬模框。根據原型的大小和模具結構設計制作模框。模框的作用: 一是在澆注樹脂混合料時防止混合料外溢; 二是在樹脂固化后模框與樹脂粘結在一起形成模具，金屬模框對樹脂固化體起強化和支撐的作用。模框的長和寬應比原型尺寸放大一些，一般原型放到模框內，模框內腔與原型的間隔應在40～ 60 mm ，如圖2 所示。高度亦應適當考慮。澆注時模框表面要用四氯化碳清洗，去除油污、鐵銹、雜物，以使環氧樹脂固化體能與模框結合牢固。

(4) 選擇和完善分型面。無論是澆注金屬環氧樹脂模具還是考慮用模具生產產品，都要合理選擇模具的分型面。這不僅為脫模提供方便，而且是提高產品質量、盡可能減少重復修整工作等必須考慮的技術措施。另外，嚴禁出現倒拔模斜度，以免出現無法脫模等現象。

(5) 上脫模劑。選用適當的脫模劑，在原型的外表面(包括分型面)、平板上均勻、細致地噴涂脫模劑。

(6) 涂刷模具膠衣樹脂。把原型和模框放置在平板上，原型和模框之間的間隙要調整一致。將模具膠衣樹脂按一定的配方比例，先后與促進劑、催化劑、固化劑混合攪拌均勻，即可用硬細毛刷等工具將膠衣樹脂刷于原型表面，一般刷0.2～ 0.5 mm 厚即可。

(7) 澆注凹模。如圖2 所示，當表面膠衣樹脂開始固化但還有粘性時(一般30 m in) ，將配制好的金屬環氧樹脂混合料沿模框內壁(不可直接澆到型面上) 緩慢澆入其中的空間。澆注時可將平板支起一角，然后從最低處澆入，這樣有利于模框內氣泡逸出。

(8) 澆注凸模。待凹模制成后，去掉平板，如圖3所示放置，在分型面及原型內表面均勻涂上脫模劑，然后在原型內表面及分型面涂刷膠衣樹脂。待膠衣樹脂開始固化時，將配制好的混合料沿模框內壁緩慢澆入。

(9) 分模。在常溫下澆注的模具，一般1～ 2 天就可基本固化定型，即能分模。

(10) 取出原型及修模。由于金屬樹脂混合料固化時具有一定的收縮量，分模后，原型一般留在凹模內。取原型時，可用簡單的起模工具，如硬木、銅或高密度塑料制成的楔形件，輕輕地楔入凹模與原型之間，也可同時吹入高壓氣流或注射高壓水，使原型與凹模逐步分離，取原型時，應盡量避免用力過猛、重力敲擊，以防止損傷原型和凹模。

特性研究和蝸殼水力設計研究等4 個方面的研究進展，這幾個方面的研究是相互促進和影響的。關于蝸殼的

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