基于快速模具實現產品小批量試制的探討

龔運息

(廣西科技大學，廣西 柳州545006)

汽車零部件企業的產品開發試制，是汽車主機廠整車產品開發的一個組成部分。隨著汽車技術的發展，整車開發的速度越來越快，由平均2～3 年開發一款新車型，到現在2 年開發一款新車型。由于激烈的市場競爭，汽車零部件企業的產品開發如何快速響應主機廠的開發速度，是擺在零部件企業面前的一道難題。快速模具制造技術的應用，為實現產品的小批量試制提供了條件，加快了零部件產品的開發速度，提升了汽車零部件企業產品快速開發的能力。

1 快速模具制造技術

1.1 快速模具制造技術的方法

近年來，隨著汽車制造技術的發展，快速模具制造技術(即RT 技術)不斷創新，新技術新工藝得到廣泛應用。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)基于快速原型技術的間接制模法，如硅橡膠模具;

(2)基于快速原型技術原理的直接制模法;

(3)以快速原型和鑄造、熔射等技術相結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，如環氧樹脂模具、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的硅橡膠模具制造加以論述。

1.2 基于快速原型技術的快速硅膠模具制造

快速原型技術又稱快速成形制造技術(即RP 技術)，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，被認為是20 世紀制造領域的一次革命性突破。快速成形技術是將CAD、CAM、CNC、精密伺服驅動和新材料等技術集成一體的先進技術。它的成形過程:依據計算機上設計的產品三維模型(CAD 數模)，快速成型機系統對其進行分層切片，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動機風扇。該風扇通過基于SLA 技術的激光快速成型機成形獲得。

1.3 快速硅膠模具制造設備

快速硅膠模具制造設備系統，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規格:內腔尺寸為1500 mm ×1000 mm ×1500 mm，容量18 kW，加熱范圍5～200℃。硅膠模具制造和產品小批量試制將在這兩臺設備中完成。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 技術的激光快速成型機制作的某款微型汽車發動機風扇。因原型件成形時產生的“階梯效應”，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，同時增強抗濕性、抗熱性和尺寸穩定性。質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，產品特征清晰，使得翻制的產品具有較高的表面質量。

最后強調，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，分別為未經過、經過表面處理的發動機風扇原型件。

2.2 分模面和澆注口、排氣口的設計制作

分模面的選擇通常為零件的邊緣棱線上。澆注口的設計要考慮兩點:一是澆注口的定位應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。澆注口數量為1～2 個，依據零件大小和結構而定。

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。

經過表面處理的發動機風扇原型件，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產物。

2.5 倒模

將抽真空后的硅膠倒入之前準備好的圍框內，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。這些氣泡對模具質量有很大的影響，除泡不徹底會在模具表面和內部產生氣孔等缺陷。抽真空時間設定大約15 min，到時間，抽真空自動停止。通過送氣系統使得真空室內外氣壓平衡后，才可打開艙門，將硅膠從真空室里取出，轉移到加熱烘干箱中加熱至40℃，加速硫化反應，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 產品小批量的制作

3.1 硅膠模具預熱

硅膠模具預熱是復制零件前的一項重要準備工作，預熱的模具可以達到復制零件所需要的溫度，使得整個模具的溫度均衡，保證澆注件的質量。第一次開始預熱的溫度和時間分別為70℃、2 h，隨后的零件連續復制無需預熱，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

產品小批量制作的材料是液態狀A、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，風扇的重量經稱量確定為177 g。考慮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，使澆注口對準漏斗嘴，把產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，這樣產品就被制造出來了。取樣后，把模具清理干凈，繼續做第二件樣品。

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，利用硅膠模不斷制作出樣件，從而實現風扇產品的小批量試制。圖6 為風扇樣件小批量試制的過程和產品。

4 結語

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

［1］王廣春，趙國群. 快速成型與快速模具制造技術及其應用［M］. 北京:機械工業出版社，2010.

［2］崔怡，趙娟，張月娥.硅橡膠模具快速制作工藝［J］.模具工業，2009，35(5).

［3］蔡詠梅，張科，鞠儉.快速成形技術在模具制造中的應用［J］. CAD/CAM 與制造業信息化，2005(1).

［4］張秀國.快速模具制造技術的現狀及其發展趨勢［J］.科技與企業，2012(21).