摘要：根據快速模具材料的特殊性要求，本文討論了樹脂基快速模具材料在不同配比情況下其彎曲強度、沖擊韌性、澆注能力、硬度和機械加工性等性能的對比關系，從而得到綜合性能最佳的樹脂基快速模具材料。
　　關鍵詞：快速模具；模具材料；環氧樹脂
　　0前言
　　樹脂模具材料與其他材料的快速模具制造相比，其具有極高的形狀穩定性、彎曲強度、沖擊韌性、澆注能力、硬度和機械加工性能以及好的耐熱、耐高溫性、良好的表面特性和耐腐蝕性等，相對重量較輕又便于改型或修理以及速度更快，成本更低，更易于推廣應用的優點,不但縮短了模型、模具制作時間、降低了模型及模具制作成本、提高模型及模具加工精度等，而且推動了模型、模具工業的快速發展。有關這種模具的組成材料的研制是非常重要的，而該復合材料選用不同的配比其性能也不同。
　　1樹脂基快速模具材料成分的選擇
　　根據快速模具材料的特殊性要求，必須滿足:能在常溫、常壓下進行澆注;流動性好,容易充滿各種型腔;固化時生成低沸點物或氣體很少;化學反應均勻,體積收縮較小,不易產生縮孔及殘余內應力。常用的模具材料有氨基樹脂和環氧樹脂。氨基樹脂是一種縮合型高分子，雖其制備工藝成熟，且成本較低而應用于造紙助劑、織物整理劑、膠粘劑等，且其膜雖然硬度高，但很脆，而且耐化學侵蝕性和耐水性較差，很少用于玻璃纖維網布涂層。環氧樹脂耐化學藥品性能優良，特別是耐酸耐堿性能。將環氧樹脂通過化學方法引入氨基樹脂，可以提高氨基樹脂的耐化學性能和韌性，獲得優于丙烯酸樹脂用于玻璃纖維網布涂層的性能且成本低于丙烯酸樹脂。試驗用的材料成分如下：
　　基體材料：環氧樹脂E44(6101)；
　　增強材料：短切玻璃纖維（長度為1.5-3mm的無堿短切玻璃纖維）；
　　固化劑：二乙烯三胺；
　　稀釋劑：501(660)環氧樹脂活性稀釋劑；
　　填料：陶瓷顆粒、石墨及鋁粉；
　　消泡劑：JT-XH；
　　阻燃增韌劑：磷酸酯。
　　2試驗部分
　　2.1試驗方案
　　復合材料的配方見表1。按照表中配方，制得各種標準試樣。各試樣均在石膏中固化制得。
　　2.2試驗條件
　　萬能回轉頭銑床：X6232
　　臺式鉆床：ZJ4113
　　電熱鼓風干燥箱
　　微機控制電子萬能試驗機：SWY液壓機
　　布氏硬度計：布氏硬度機YSS—890型
　　沖擊試驗機：JB30B沖擊試驗機037型
　　
　　表1環氧樹脂基快速模具材料的配方
　　
　　3試驗結果及討論
　　
　　3.1各試樣機械性能的比較
　　
　　通過定的試驗裝置測量出四種環氧樹脂基復合材料試樣的各種性能。表2中列出了四種環氧樹脂基復合材料試樣的機械性能。
　　
　　表2四種環氧樹脂基快速模具材料試樣的機械性能
　　
　　由表2可以看出:
　　（1）彎曲強度:對于1試樣，環氧樹脂百分含量比較大，而增韌劑、玻璃纖維以及石墨等的含量較低，因此復合材料的脆性較大，抗彎強度比較低。并且，由于環氧樹脂在固化時與固化劑發生快速的化學反應，致使固化后的試樣中存在大量氣孔，更降低了試樣的彎曲強度性能。隨著環氧樹脂含量的相對降低，以及增強材料的不斷增加，試樣的抗彎強度得到提高。而4試樣相對于3試樣稀釋劑的含量過高，引起復合材料彎曲強度的降低。
　　（2）沖擊韌性:影響復合材料沖擊韌性的最主要因素是環氧樹脂和增韌劑。對于1試樣，環氧樹脂在復合材料中所占的相對百分含量較大，而增韌劑相對含量很小，使得復合材料的脆性較大。隨著環氧樹脂含量的相對降低，以及增韌劑相對含量的增加，試樣抗沖擊能力不斷增強，沖擊韌性有上升趨勢。后三種試樣的沖擊韌性明顯比第一種的沖擊韌性值高，充分說明,添加消泡劑，有效避免材料在固化過程中產生大量的氣孔，提高了試樣的致密度，更好的避免了應力集中缺陷的存在。而4試樣相對于3試樣彎曲強度呈下降趨勢，主要是因為稀釋劑和玻璃纖維的含量過高，引起試樣沖擊韌性降低。
　　（3）硬度方面:環氧樹脂的相對含量是影響硬度的重要因素，其百分含量越小，則材料的硬度越大。同時，玻璃纖維和鋁粉的含量對于材料的硬度影響也較大，當它們的含量增加時，硬度有上升的趨勢，由實驗數據可知，4相對于3有下降的趨勢，這主要是因為稀釋劑相對含量增大。
　　（4）密度:四種試樣的密度逐次增加，環氧樹脂基復合材料的密度受環氧樹脂和稀釋劑百分含量的影響較大，它們所占的比例越大，復合材料的密度則越小。從表中可知，四種復合材料的密度都相對較小，可以有效降低模具的質量。
　　（5）流動性:環氧樹脂基復合材料的流動性主要受稀釋劑和短切玻璃纖維相對質量的影響，隨著稀釋劑百分含量的增加，材料的流動性隨之增強。而對于短切玻璃纖維，不僅很好地提高了樹脂材料的力學性能和熱變形溫度，降低了線脹系數，提高了耐疲勞和抗蠕變性能，改善了電性能，而且選擇長度為1.5-3mm的無堿短切玻璃纖維相對于長玻璃纖維，很好地提高了復合材料的流動性。然而隨著石墨和陶瓷顆粒的增加，適當地降低了環氧樹脂基復合材料的流動性，因此，4配方流動性略低于3配方。
　　3.2各試樣機械加工性能的比較
　　在一般情況下，環氧樹脂基復合材料制得的產品需用車削、鉆削、擴孔、磨孔和攻絲等方法進行切削加工，方能夠達到模具要求的尺寸精度和表面粗糙度數值。而清理塑料坯件的澆口、冒口、飛邊和毛刺等，只有通過機械加工的方法才能達到要求。
　　在臺式鉆床上對四種試樣進行鉆孔加工，孔直徑為10.5mm，鉆刀轉速為1500轉/分，可以發現1材料最難加工，2和4兩種材料制得的試樣較易加工，主要是因為1試樣環氧樹脂的百分含量高，材料脆性較大，機械加工性能差。而通過增韌劑和石墨含量的增加，材料的韌性提高，有利于鉆孔加工。4試樣之所以比3試樣難加工一些，主要是因為玻璃纖維的含量過高，影響刀具對材料的加工。
　　在萬能回轉頭銑床對四種試樣進行銑削加工，銑刀的轉速為700轉/分。通過對銑削加工后的試樣表面進行分析，1和2較為粗糙，且1中有明顯的氣孔存在，而3和4試樣通過銑削加工后的表面較為平整，幾乎沒有氣孔的存在。這是因為，在1和2兩種材料中固化劑相對含量比較大，在固化劑加入環氧樹脂中的時候，迅速發生化學反映，產生一定的氣泡，而溫度迅速提高，特別是對于1，沒有添加消泡劑，因此在干燥箱中固化后會產生一定的氣孔，導致表面粗糙的同時，也很大地影響了試樣的強度。3和4兩種復合材料就很好地克服了上述缺點，因此通過銑削加工，能夠達到模具要求的尺寸精度和表面粗糙度。
　　
　　4結論
　　（1）在四種試驗方案中，采用約33.3%環氧樹脂配、3.3%固化劑、33.3%稀釋劑、9.7%短玻璃纖維、6.7%阻燃增韌劑、2.8%陶瓷顆粒、4.9%石墨、1.6%消泡劑、3.3%鋁粉的配比下制得的試樣彎曲強度、沖擊韌性和硬度均最好，而且有優良的機械加工性能，密度適中，并且這種復合材料在澆注過程中流動性最好。因此，這種種復合材料最適合快速模具制造。
　　（2）采用樹脂基復合材料快速模具制造技術快速制造產品，不但突破了快速原型由于其制造方法要求的使用材料的限制，而且縮短新產品研制和投放市場的周期，滿足批量小、品種多、改型快的現代制造模式的要求，為企業帶來顯著的經濟效益和時間效益。
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