环氧树脂基快速模具材料的优化

　　摘要：根据快速模具材料的特殊性要求，本文讨论了树脂基快速模具材料在不同配比情况下其弯曲强度、冲击韧性、浇注能力、硬度和机械加工性等性能的对比关系，从而得到综合性能最佳的树脂基快速模具材料。
　　关键词：快速模具；模具材料；环氧树脂
　　0前言
　　树脂模具材料与其他材料的快速模具制造相比，其具有极高的形状稳定性、弯曲强度、冲击韧性、浇注能力、硬度和机械加工性能以及好的耐热、耐高温性、良好的表面特性和耐腐蚀性等，相对重量较轻又便于改型或修理以及速度更快，成本更低，更易于推广应用的优点,不但缩短了模型、模具制作时间、降低了模型及模具制作成本、提高模型及模具加工精度等，而且推动了模型、模具工业的快速发展。有关这种模具的组成材料的研制是非常重要的，而该复合材料选用不同的配比其性能也不同。
　　1树脂基快速模具材料成分的选择
　　根据快速模具材料的特殊性要求，必须满足:能在常温、常压下进行浇注;流动性好,容易充满各种型腔;固化时生成低沸点物或气体很少;化学反应均匀,体积收缩较小,不易产生缩孔及残余内应力。常用的模具材料有氨基树脂和环氧树脂。氨基树脂是一种缩合型高分子，虽其制备工艺成熟，且成本较低而应用于造纸助剂、织物整理剂、胶粘剂等，且其膜虽然硬度高，但很脆，而且耐化学侵蚀性和耐水性较差，很少用于玻璃纤维网布涂层。环氧树脂耐化学药品性能优良，特别是耐酸耐碱性能。将环氧树脂通过化学方法引入氨基树脂，可以提高氨基树脂的耐化学性能和韧性，获得优于丙烯酸树脂用于玻璃纤维网布涂层的性能且成本低于丙烯酸树脂。试验用的材料成分如下：
　　基体材料：环氧树脂E44(6101)；
　　增强材料：短切玻璃纤维（长度为1.5-3mm的无碱短切玻璃纤维）；
　　固化剂：二乙烯三胺；
　　稀释剂：501(660)环氧树脂活性稀释剂；
　　填料：陶瓷颗粒、石墨及铝粉；
　　消泡剂：JT-XH；
　　阻燃增韧剂：磷酸酯。
　　2试验部分
　　2.1试验方案
　　复合材料的配方见表1。按照表中配方，制得各种标准试样。各试样均在石膏中固化制得。
　　2.2试验条件
　　万能回转头铣床：X6232
　　台式钻床：ZJ4113
　　电热鼓风干燥箱
　　微机控制电子万能试验机：SWY液压机
　　布氏硬度计：布氏硬度机YSS—890型
　　冲击试验机：JB30B冲击试验机037型
　　
　　表1环氧树脂基快速模具材料的配方
　　
　　3试验结果及讨论
　　
　　3.1各试样机械性能的比较
　　
　　通过定的试验装置测量出四种环氧树脂基复合材料试样的各种性能。表2中列出了四种环氧树脂基复合材料试样的机械性能。
　　
　　表2四种环氧树脂基快速模具材料试样的机械性能
　　
　　由表2可以看出:
　　（1）弯曲强度:对于1试样，环氧树脂百分含量比较大，而增韧剂、玻璃纤维以及石墨等的含量较低，因此复合材料的脆性较大，抗弯强度比较低。并且，由于环氧树脂在固化时与固化剂发生快速的化学反应，致使固化后的试样中存在大量气孔，更降低了试样的弯曲强度性能。随着环氧树脂含量的相对降低，以及增强材料的不断增加，试样的抗弯强度得到提高。而4试样相对于3试样稀释剂的含量过高，引起复合材料弯曲强度的降低。
　　（2）冲击韧性:影响复合材料冲击韧性的最主要因素是环氧树脂和增韧剂。对于1试样，环氧树脂在复合材料中所占的相对百分含量较大，而增韧剂相对含量很小，使得复合材料的脆性较大。随着环氧树脂含量的相对降低，以及增韧剂相对含量的增加，试样抗冲击能力不断增强，冲击韧性有上升趋势。后三种试样的冲击韧性明显比第一种的冲击韧性值高，充分说明,添加消泡剂，有效避免材料在固化过程中产生大量的气孔，提高了试样的致密度，更好的避免了应力集中缺陷的存在。而4试样相对于3试样弯曲强度呈下降趋势，主要是因为稀释剂和玻璃纤维的含量过高，引起试样冲击韧性降低。
　　（3）硬度方面:环氧树脂的相对含量是影响硬度的重要因素，其百分含量越小，则材料的硬度越大。同时，玻璃纤维和铝粉的含量对于材料的硬度影响也较大，当它们的含量增加时，硬度有上升的趋势，由实验数据可知，4相对于3有下降的趋势，这主要是因为稀释剂相对含量增大。
　　（4）密度:四种试样的密度逐次增加，环氧树脂基复合材料的密度受环氧树脂和稀释剂百分含量的影响较大，它们所占的比例越大，复合材料的密度则越小。从表中可知，四种复合材料的密度都相对较小，可以有效降低模具的质量。
　　（5）流动性:环氧树脂基复合材料的流动性主要受稀释剂和短切玻璃纤维相对质量的影响，随着稀释剂百分含量的增加，材料的流动性随之增强。而对于短切玻璃纤维，不仅很好地提高了树脂材料的力学性能和热变形温度，降低了线胀系数，提高了耐疲劳和抗蠕变性能，改善了电性能，而且选择长度为1.5-3mm的无碱短切玻璃纤维相对于长玻璃纤维，很好地提高了复合材料的流动性。然而随着石墨和陶瓷颗粒的增加，适当地降低了环氧树脂基复合材料的流动性，因此，4配方流动性略低于3配方。
　　3.2各试样机械加工性能的比较
　　在一般情况下，环氧树脂基复合材料制得的产品需用车削、钻削、扩孔、磨孔和攻丝等方法进行切削加工，方能够达到模具要求的尺寸精度和表面粗糙度数值。而清理塑料坯件的浇口、冒口、飞边和毛刺等，只有通过机械加工的方法才能达到要求。
　　在台式钻床上对四种试样进行钻孔加工，孔直径为10.5mm，钻刀转速为1500转/分，可以发现1材料最难加工，2和4两种材料制得的试样较易加工，主要是因为1试样环氧树脂的百分含量高，材料脆性较大，机械加工性能差。而通过增韧剂和石墨含量的增加，材料的韧性提高，有利于钻孔加工。4试样之所以比3试样难加工一些，主要是因为玻璃纤维的含量过高，影响刀具对材料的加工。
　　在万能回转头铣床对四种试样进行铣削加工，铣刀的转速为700转/分。通过对铣削加工后的试样表面进行分析，1和2较为粗糙，且1中有明显的气孔存在，而3和4试样通过铣削加工后的表面较为平整，几乎没有气孔的存在。这是因为，在1和2两种材料中固化剂相对含量比较大，在固化剂加入环氧树脂中的时候，迅速发生化学反映，产生一定的气泡，而温度迅速提高，特别是对于1，没有添加消泡剂，因此在干燥箱中固化后会产生一定的气孔，导致表面粗糙的同时，也很大地影响了试样的强度。3和4两种复合材料就很好地克服了上述缺点，因此通过铣削加工，能够达到模具要求的尺寸精度和表面粗糙度。
　　
　　4结论
　　（1）在四种试验方案中，采用约33.3%环氧树脂配、3.3%固化剂、33.3%稀释剂、9.7%短玻璃纤维、6.7%阻燃增韧剂、2.8%陶瓷颗粒、4.9%石墨、1.6%消泡剂、3.3%铝粉的配比下制得的试样弯曲强度、冲击韧性和硬度均最好，而且有优良的机械加工性能，密度适中，并且这种复合材料在浇注过程中流动性最好。因此，这种种复合材料最适合快速模具制造。
　　（2）采用树脂基复合材料快速模具制造技术快速制造产品，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，而且缩短新产品研制和投放市场的周期，满足批量小、品种多、改型快的现代制造模式的要求，为企业带来显著的经济效益和时间效益。
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