龔運息

(廣西科技大學，廣西 柳州545006)

汽車零部件企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)試制，是汽車主機廠整車產(chǎn)品開發(fā)的一個組成部分。隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，整車開發(fā)的速度越來越快，由平均2～3 年開發(fā)一款新車型，到現(xiàn)在2 年開發(fā)一款新車型。由于激烈的市場競爭，汽車零部件企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)如何快速響應(yīng)主機廠的開發(fā)速度，是擺在零部件企業(yè)面前的一道難題?？焖倌＞咧圃旒夹g(shù)的應(yīng)用，為實現(xiàn)產(chǎn)品的小批量試制提供了條件，加快了零部件產(chǎn)品的開發(fā)速度，提升了汽車零部件企業(yè)產(chǎn)品快速開發(fā)的能力。

1 快速模具制造技術(shù)

1.1 快速模具制造技術(shù)的方法

近年來，隨著汽車制造技術(shù)的發(fā)展，快速模具制造技術(shù)(即RT 技術(shù))不斷創(chuàng)新，新技術(shù)新工藝得到廣泛應(yīng)用。因此，快速模具制造方法較多，比較有代表性的有以下幾種:

(1)基于快速原型技術(shù)的間接制模法，如硅橡膠模具;

(2)基于快速原型技術(shù)原理的直接制模法;

(3)以快速原型和鑄造、熔射等技術(shù)相結(jié)合的間接制模法與直接制模法;

(4)采用鋅基低熔點含金制造模具;

(5)其他快速制模技術(shù)，如環(huán)氧樹脂模具、噴涂成形模具等。

本文將針對上述第一種基于快速原型技術(shù)的硅橡膠模具制造加以論述。

1.2 基于快速原型技術(shù)的快速硅膠模具制造

快速原型技術(shù)又稱快速成形制造技術(shù)(即RP 技術(shù))，誕生于上世紀80 年代后期，是基于材料累加成形的一種高新制造技術(shù)，被認為是20 世紀制造領(lǐng)域的一次革命性突破?？焖俪尚渭夹g(shù)是將CAD、CAM、CNC、精密伺服驅(qū)動和新材料等技術(shù)集成一體的先進技術(shù)。它的成形過程:依據(jù)計算機上設(shè)計的產(chǎn)品三維模型(CAD 數(shù)模)，快速成型機系統(tǒng)對其進行分層切片，得到各層截面的輪廓，再依不同工藝將不同的材料逐層疊加形成，從而得到三維實體產(chǎn)品。

本文中快速硅膠模具制造所用的快速原型件是某款微型汽車發(fā)動機風扇。該風扇通過基于SLA 技術(shù)的激光快速成型機成形獲得。

1.3 快速硅膠模具制造設(shè)備

快速硅膠模具制造設(shè)備系統(tǒng)，是德國MCP 公司的MCP 4/05 真空注型機和VGO1500 加熱烘干機。MCP 4/05規(guī)格:真空室尺寸為1350 mm ×900 mm ×1050 mm，真空壓力50 Pa，最大成型重量為5.5 kg。VGO1500規(guī)格:內(nèi)腔尺寸為1500 mm ×1000 mm ×1500 mm，容量18 kW，加熱范圍5～200℃。硅膠模具制造和產(chǎn)品小批量試制將在這兩臺設(shè)備中完成。如圖1。

1.4 快速硅膠模具制造流程

硅膠模具制造需要的一些主要材料:快速原型件、硅膠和固化劑、脫模劑、木質(zhì)高密板、塑料棒、軟膠管、膠帶紙及其他輔助材料。主要工具:電子天平、硅膠容器桶、電動攪拌器、開模嵌、開模刀、盛料斗及其他輔助工具。其流程如下:

2 硅膠模具制造過程

2.1 原型件表面處理

該原型件是基于SLA 技術(shù)的激光快速成型機制作的某款微型汽車發(fā)動機風扇。因原型件成形時產(chǎn)生的“階梯效應(yīng)”，其疊層斷面之間一般常存在縫隙或凹凸不平的臺階紋，需要進行修補、打磨、拋光以及強化處理，以提高原型件表面的光滑程度，同時增強抗?jié)裥浴⒖篃嵝院统叽绶€(wěn)定性。質(zhì)量好的原型件才能提高硅膠模型腔的粗糙度，保持尺寸準確，產(chǎn)品特征清晰，使得翻制的產(chǎn)品具有較高的表面質(zhì)量。

最后強調(diào)，原型件表面必須噴涂適量脫模劑，以防原型件與硅膠粘接，方便脫模。如圖3a、3b 所示，分別為未經(jīng)過、經(jīng)過表面處理的發(fā)動機風扇原型件。

2.2 分模面和澆注口、排氣口的設(shè)計制作

分模面的選擇通常為零件的邊緣棱線上。澆注口的設(shè)計要考慮兩點:一是澆注口的定位應(yīng)該使得樹脂到達型箱各個邊緣的路徑長短相同;二是澆注口的定位盡可能地處在零件型腔的底部。制作澆注口通常選用光滑的圓柱狀尼龍棒，并在距端頭1.5 mm 處一周車削加工出“V”型槽，以便開模時尼龍棒方便取出。澆注口數(shù)量為1～2 個，依據(jù)零件大小和結(jié)構(gòu)而定。

排氣口的布置，其位置則盡可能地處在零件型腔的上部，排氣口的數(shù)量視零件大小確定，一般為4～8個。排氣口的直徑很小，約為1～1.5 mm。

經(jīng)過表面處理的發(fā)動機風扇原型件，在其扇葉和扇葉體邊粘貼膠紙，制成分離面。選擇扇葉底部制作澆口，選擇扇葉上部制作排氣孔。

2.3 圍框制作

圍框是安放原型件、盛裝硅膠，進而固化制成硅膠模具的成型箱。圍框的制作材料通常選取15 mm 厚的木板、高密板。圍框容積的確定以圍框板內(nèi)壁距離原型件50～100 mm 為限。圍框容積太大，浪費硅膠材料;反之，圍框容積太小，又影響模具的強度。

2.4 硅膠和固化劑準備

(1)計算所需硅膠和固化劑重量

根據(jù)圍框型腔有效容積，再減去原型件的體積，參照硅膠的密度計算所需硅膠的重量。固化劑用量按硅膠與固化劑比例為10 ∶1 份額量取固化劑。用電子秤計量。

本案例中，硅膠重量=(圍框型腔容積-原型件體積)×硅膠密度=(13872 -154)×1.08 =14.8 kg，故放固化劑重量1.48 kg。

(2)硅膠和固化劑混合在桶裝容器中，用電動攪拌器充分攪拌約6 min，放入MCP 4/05 真空注型機中抽真空(第一次抽真空)，脫泡，除去膠料攪拌時混入的空氣及部分反應(yīng)產(chǎn)物。

2.5 倒模

將抽真空后的硅膠倒入之前準備好的圍框內(nèi)，倒入后的硅膠隨即覆蓋風扇原型件、分模面，并粘接固定澆注口、排氣棒材料。

2.6 硅膠再抽真空、烘干并固化

把盛有硅膠的圍框放入MCP 4/05 注型機真空室，再次進行抽真空，目的主要是脫去在澆注時因吸附或受堵而殘存在硅膠料中的氣泡。這些氣泡對模具質(zhì)量有很大的影響，除泡不徹底會在模具表面和內(nèi)部產(chǎn)生氣孔等缺陷。抽真空時間設(shè)定大約15 min，到時間，抽真空自動停止。通過送氣系統(tǒng)使得真空室內(nèi)外氣壓平衡后，才可打開艙門，將硅膠從真空室里取出，轉(zhuǎn)移到加熱烘干箱中加熱至40℃，加速硫化反應(yīng)，保持12 h，直至硬化。這里要說明一點，硬化了的硅膠，極富彈性。質(zhì)量越好的硅膠，彈性越好，韌性和剛性也越好。

2.7 開模

在硅膠硬化后，模具就可打開了。開模工具準備有開模刀、開模鉗、記號筆等。在打開之前通過澆注口通入壓縮空氣，使得模具與原型件分開，便于下一步脫模。

首先，拔出澆注口、排氣口材料，清理澆注口、排氣口，確保通暢。

然后用記號筆沿分離面畫出硅膠模分割波浪線，用開模刀按波浪線切開硅膠模。切割過程中，切口應(yīng)切成鋸齒狀，并保持切割路徑盡可能地對著分離面，確保切開的截面與分離面始終接近，符合分模工藝設(shè)想。切割完畢，即可利用開模鉗張開模具，將原型件取出后。模具分為上下兩部分(如果形狀復(fù)雜的零部件，則需要分離多塊模具)。將硅膠上殘留的膠帶和硅膠屑去掉，至此，風扇的硅膠模具制作完成。圖4 為開模過程，圖5 為制作完成的模具。

3 產(chǎn)品小批量的制作

3.1 硅膠模具預(yù)熱

硅膠模具預(yù)熱是復(fù)制零件前的一項重要準備工作，預(yù)熱的模具可以達到復(fù)制零件所需要的溫度，使得整個模具的溫度均衡，保證澆注件的質(zhì)量。第一次開始預(yù)熱的溫度和時間分別為70℃、2 h，隨后的零件連續(xù)復(fù)制無需預(yù)熱，只要把模具放置在加熱烘干箱保溫即可。

3.2 A、B 料的選擇和稱量

產(chǎn)品小批量制作的材料是液態(tài)狀A(yù)、B 料，常用的是類ABS、PE、PP、PC 等。制作風扇零件的材料取類ABS 的A、B 料。兩者的混合比例為1∶1。

本案例中，風扇的重量經(jīng)稱量確定為177 g?？紤]有澆注口和排氣口以及一些工藝用料，所以，稱取A、B料各106 g，合計212 g，略有20%富余。

3.3 真空澆注

把制作好的兩半硅膠模合模蓋上，并用膠帶捆綁固定。然后再放入真空澆注機中抽真空15 min，使?jié)沧⒖趯事┒纷欤旬a(chǎn)品材料放入澆注機的杯中，起動攪拌。A、B 混合料通過澆管、澆道口流入模具型腔。

3.4 固化處理

固化過程在加熱烘干箱完成。固化溫度70℃，固化時間60 min(不同材料有不同時間)。

3.5 開模取樣

待固化完成后，取出模具開模取樣，這樣產(chǎn)品就被制造出來了。取樣后，把模具清理干凈，繼續(xù)做第二件樣品。

3.6 樣件的后處理

從硅膠模取出的樣件，會附帶澆注口、排氣口等材料，樣件表面或許會有一些小氣孔或瑕疵。后處理就是打磨清除附帶材料，修補填充氣孔等缺陷。

依上述工藝循環(huán)，利用硅膠模不斷制作出樣件，從而實現(xiàn)風扇產(chǎn)品的小批量試制。圖6 為風扇樣件小批量試制的過程和產(chǎn)品。

4 結(jié)語

以快速原型技術(shù)為基礎(chǔ)的快速制模技術(shù)，是一種快捷、方便、實用的模具制造技術(shù)，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本。該模具的精度和壽命，及其模制產(chǎn)品的性能均可以滿足某種特定的功能需要。該風扇產(chǎn)品裝機后隨發(fā)動機通過了奧地利AVL 公司的性能試驗，取得了良好的效果?？梢钥隙?，快速模具制造技術(shù)特別適用于新產(chǎn)品開發(fā)試制，工藝驗證和功能驗證以及多品種小批量生產(chǎn)，深受客戶歡迎，具有良好的應(yīng)用前景。

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