消失模鑄造用聚苯乙烯模塊結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

消失模鑄造用聚苯乙烯模塊結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

用于制造消失模件的彎曲模型的形狀尺寸對消失模件的尺寸起著決定性的作用。在設(shè)計彎曲模型的腔尺寸時，不僅要考慮金屬硬化的收縮率和零件材料的收縮率外，還要考慮聚苯乙烯樣本（以下簡稱模型）的收縮率。因為模型在注射前會經(jīng)歷不同程度的收縮，這會影響鑄造盤的尺寸精度。在嚴重的情況下，板材可能會被丟棄。因此，對樣品收縮特性的研究已成為消失模件中的一個重要課題之一。在影響模樣收縮的眾多工藝因素中,可發(fā)性聚苯乙烯(EPS)珠粒粒徑、預(yù)發(fā)泡時間、預(yù)發(fā)泡珠粒熟化時間、成形蒸汽壓力、模樣的貯存溫度及放置時間的影響較大\*2,3\#,研究這些工藝因素對模樣收縮的影響,獲得它們與模樣收縮率之間的關(guān)系,對于消失模鑄造用發(fā)泡模具型腔尺寸的設(shè)計及最終生產(chǎn)出符合尺寸要求的合格鑄件具有重要的理論和實用意義。1模具型腔尺寸測量可發(fā)性聚苯乙烯(EPS)珠粒的預(yù)發(fā)泡采用蒸缸預(yù)發(fā)泡法,將國產(chǎn)EPS珠粒在一定的預(yù)發(fā)泡時間下預(yù)發(fā)泡,然后放置一定的時間,待發(fā)泡成形用。預(yù)發(fā)泡珠粒的發(fā)泡成形是將經(jīng)過一定熟化時間的預(yù)發(fā)泡珠粒填入模具(模具型腔尺寸為Φ50mm×100mm),經(jīng)振動緊實后放入預(yù)熱的蒸缸,通入蒸汽在一定的溫度下保持一定的時間,待預(yù)發(fā)泡珠粒在模具型腔中發(fā)泡成形后取出模具,并用水激冷后取出模樣,立即測量其高度,然后將模樣放入濕度為40%～60%的烘箱中,在不同的溫度下保持一定的時間后取出,測量其高度。利用測得的模樣高度,按下式計算模樣收縮率:式中δ——模樣收縮率hˉhˉ——模樣高度的測量平均值H——模具型腔的高度(100mm)2試驗結(jié)果與討論2.1收縮的變化結(jié)果從圖1～圖4可以看出,模樣從模具中取出時大約有0.2%的收縮,此后,在室溫貯存條件下,隨著放置時間的延長,模樣收縮逐漸增大,大約在30天后收縮穩(wěn)定在0.65%～0.80%。模樣從模具中取出時的收縮系由模具激冷造成模樣中珠粒泡孔內(nèi)的發(fā)泡劑和水蒸氣冷凝所致,而在隨后放置過程中的收縮則是殘留在模樣中的珠粒泡孔內(nèi)發(fā)泡劑和水分的逐漸揮發(fā),以及珠粒泡孔壁內(nèi)應(yīng)力的逐漸釋放所致。由圖可知,在模樣放置的前一段時間(約20天)內(nèi),模樣收縮速度較快,20天后收縮則較平緩。這是因為珠粒在發(fā)泡成形后,泡孔內(nèi)應(yīng)力較高,使模樣在放置初期發(fā)泡劑和水分逸出較多,收縮速度較快;放置后期由于模樣泡孔內(nèi)應(yīng)力以及所含發(fā)泡劑和水分已顯著降低,故模樣逸出量較少,收縮比較平緩;當(dāng)珠粒泡孔壁內(nèi)應(yīng)力基本釋放完畢,泡孔內(nèi)發(fā)泡劑和水分與外界平衡時,模樣收縮基本停止,其尺寸趨于穩(wěn)定。2.2預(yù)發(fā)泡時間對模具收縮的影響在粒徑為0.8mm、熟化時間48h、成形蒸汽壓力40kPa、室溫貯存的條件下,相同類型的同粒徑EPS珠粒經(jīng)不同的預(yù)發(fā)泡時間后制得的模樣收縮率測試結(jié)果(見圖1)表明:隨著預(yù)發(fā)泡時間的增加,模樣收縮增大。其原因是由于在預(yù)發(fā)泡時,發(fā)生珠粒的膨脹,并且隨著預(yù)發(fā)泡時間的延長,珠粒膨脹會加劇,使得珠粒泡孔壁內(nèi)的應(yīng)力也相應(yīng)增大,增大的應(yīng)力在模樣放置時釋放出來,導(dǎo)致了模樣收縮的增加。由圖1還可以看到,預(yù)發(fā)泡時間在模樣成形后的冷卻過程中及放置的前15天對模樣收縮幾乎沒有影響,這是因為模樣中應(yīng)力的釋放是一個漸進的過程(類似于自然時效),而在15天之后,隨著模樣中應(yīng)力的逐漸釋放,預(yù)發(fā)泡時間越長的模樣釋放的應(yīng)力越多,收縮也越大。2.3帶皮內(nèi)固結(jié)充填的模具收縮率在預(yù)發(fā)泡時間為2min、熟化時間48h、成形蒸汽壓力40kPa、室溫貯存的條件下,不同粒徑的同種類型EPS珠粒制得的模樣收縮率測試結(jié)果(見圖2)表明:隨著EPS珠粒粒徑增大,模樣收縮減小,這是由于粒徑大的EPS珠粒在預(yù)發(fā)泡后的密度較粒徑小的大,因而在成形發(fā)泡時膨脹小,珠粒泡孔內(nèi)應(yīng)力減小,使得模樣收縮減小。此外,粒徑大的珠粒表面積大,發(fā)泡劑和水分在珠粒預(yù)發(fā)泡和熟化時逸出較多也是導(dǎo)致模樣收縮減小的原因之一。2.4預(yù)發(fā)泡珠粒熟化時間對試樣收縮的影響在粒徑為0.8mm、預(yù)發(fā)泡時間2min、成形蒸汽壓力40kPa、室溫貯存條件相同時,隨著預(yù)發(fā)泡珠粒熟化時間的增加,模樣收縮減小(如圖3所示)。因為預(yù)發(fā)泡珠粒在熟化時,會伴隨著發(fā)泡劑和水分的逸出,珠粒熟化時間越長,發(fā)泡劑和水分的損失越多,相應(yīng)地模樣中殘留的發(fā)泡劑和水分含量越少,從而模樣收縮減小。2.5高的貯存溫度如圖4所示,在粒徑為0.8mm、預(yù)發(fā)泡時間2min、熟化時間48h條件下,隨著成形蒸汽壓力提高,模樣收縮減小。這是因為預(yù)發(fā)泡珠粒在成形發(fā)泡時,高的成形蒸汽壓力不但有利于發(fā)泡劑從珠粒泡孔內(nèi)逸出,還會如同退火處理那樣,減小模樣中珠粒泡孔壁內(nèi)的應(yīng)力,從而減小模樣收縮。由圖4還可以看到,模樣貯存溫度對模樣最后總的收縮并沒有太大影響,但高的貯存溫度能加劇模樣收縮,在50℃下貯存,大約15天就使模樣的尺寸趨于穩(wěn)定,而在室溫(25℃)下,則需要30天左右,這可能與高的貯存溫度有利于模樣中發(fā)泡劑和水分的較快逸出,以及模樣中應(yīng)力的較快釋放有關(guān)(類似于人工時效)。在以上進行的工藝試驗中,由于模樣為形貌簡單的圓柱狀試樣,可以認為各部分收縮程度相同,而在實際生產(chǎn)中,鑄件的形貌比較復(fù)雜,這必然會對模樣的尺寸精度造成影響,這是因為鑄件形貌的復(fù)雜性,相應(yīng)使得模具型腔的形貌也比較復(fù)雜,當(dāng)珠粒在充填型腔時,就會由于型腔各部分尺寸的差別較大(尤其某些部位的斷面尺寸較小時)而出現(xiàn)充填程度不一致,造成成形后的模樣中存在密度梯度,引起模樣中各部位收縮程度不一樣。由前面分析知:模樣中應(yīng)力釋放是引起模樣收縮的主要原因之一。如果模樣中各部位收縮程度不一致,模樣就會在應(yīng)力釋放較多的部位產(chǎn)生變形,從而影響模樣的尺寸精度。所以對于形貌復(fù)雜的鑄件,其模樣的收縮率應(yīng)結(jié)合具體的工藝條件及形貌對模樣尺寸精度的影響來確定。3影響因素及對策(1)模樣在貯存放置時會逐漸收縮,并在一定時間(室溫貯存約30天,50℃貯存約15天)后收縮基本停止,模樣尺寸趨于穩(wěn)定,模樣總的收縮率約為0.65%～0.80%。(2)在EPS珠粒粒徑、預(yù)發(fā)泡時間、預(yù)發(fā)泡珠粒熟化時間及成形蒸汽壓力四個工藝因素中,以成形蒸汽壓力對模樣收縮的影響最大,其次是預(yù)發(fā)泡珠粒熟化時間,而EPS珠粒粒徑和預(yù)發(fā)泡時間的影響則相對較小。(3)模樣貯存溫度對模樣最后總的收縮率幾乎沒有影響,但高的貯存溫度能夠加劇模樣收縮,使模樣在較短的時間內(nèi)尺寸趨于穩(wěn)定。(4)在實際生產(chǎn)中為了減少模樣收縮,應(yīng)最大限度地提高成形蒸汽壓力,增加預(yù)發(fā)泡珠粒熟