| 摘要:本文概述了滚塑成型的基本原理、工艺特点和模具设计要点.研究了用LOM原型覆膜技术快速精密铸造滚塑用铸铝模的工艺方法,并展望了计算机模拟与控制技术在滚塑成型中的应用前景.
滚塑成型又称为旋转成型(Rotational Moulding),它是将定量的粉状树脂装入冷态的模具中,由滚塑机带动模具绕两根互相垂直的转轴进行缓慢的公转和自转,同时用外加热源加热模具,从而使树脂粉末熔融并借助自身的重力均匀地涂布于整个模具内腔表面,很后经冷却脱模后得到中空制品的方法［1］.
滚塑成型起源于20世纪40年代,与传统的中空塑料制品成型方法(如注塑、吹塑、热成型等)相比,滚塑成型在投资成本、装备制造周期及工艺灵活性等方面的优势是其它成型方法所无法比拟的(见表1)［2,3］.因而在国外滚塑成型早已形成工业化生产,近年来更是以10～15％的年增长率持续递增［4］,成为小批量生产中、大型或超大型全封闭与半封闭的空心无缝容器的很理想、很经济、很有效的方法.我国从90年代中期才开始引进滚塑成型设备,有关滚塑原料、机械、模具及工艺等方面尚有许多值得探索与研究的课题.
表1 滚塑成型与其它成型方法的比较
Tab.1 Comparison between rotational moulding and other forming methods |
注 ◎:好或有利;○:一般;×:差或不利
1 滚塑模具设计概要
模具是滚塑成型中不可缺少的重要装备.合理设计滚塑模具结构和正确选用模具材料是获取表面光洁无气泡、壁厚均匀无应力的优质制品的首要保证.
1.1 滚塑模具结构设计
滚塑模具是一个内腔形状与塑料制品外形相符的薄壁壳体.为方便脱模,在制品的很大截面处设有一个或多个分模面,并在分模处设置有C形夹头等快速装夹的卡具,以保证成型过程中不溢料,成型结束后又能快速取出制品和重新加料.同时,为了将加热过程中模内受热膨胀的空气以及熔融物料内低分子化合物分解产生的大量气体排出模腔,滚塑模具必须在模具上盖或有孔的地方设置排气管,以免模具受压或制品表面起泡.排气管一般采用薄壁的金属氟塑料管,管子直径由制品尺寸和物料性能决定(一般薄壁制品按每立方米模具体积10～12 mm孔径设定［5］),管子长度应保证其末端伸入到模腔中心.为避免在旋转时树脂粉末从排气口溢出,内管口要用玻璃丝、钢丝绒、石墨粉等充填.
笔者所面对的滚塑制品是直径为750 mm、壁厚为10 mm的聚乙烯塑料弯管、三通管以及圆球体、椭球体、立方体、多面体等,各个制品都有全封闭的、敞口的以及局部开口的多种变化形式.为降低生产成本,模具设计时尽量做到一模多用,即在模具大结构不变的情况下,通过局部零件的拆换生产出不同样式的制品.如在图2所示的模具中,采用氟塑料(F4)或石棉板做成绝缘隔热盖(小孔用堵头)衬在模具内的相应位置上,使熔融物料无法粘模,冷却脱模后就可得到敞口或局部开口的塑料制件;而将此隔热盖换成金属盖,则可获得全封闭制件.
1.2 模具材料选择和壁厚设计
滚塑成型对模具材质强度要求不高,但必须具有良好的热传导性,并能抵挡频繁加热与冷却过程中的应力交替.显然低碳钢、铝、不锈钢等都是理想的制模材料.模具壳体的壁厚设计按常压容器的设计规范进行,即从刚度计算出发,结合制品厚度、加热方式及制模方法等综合考虑.
针对前述滚塑制品的特征,为了保证过渡曲面的成形质量,同时尽可能地降低模具成本,我们在设计时对具有复杂曲面的管道、球体等采用了5～8 mm厚度的铸造铝合金(ZL111)模具,而对形状相对简单的立方体、多面体等采用了3～5 mm的不锈钢板经板金加工后焊接而成的模具,在实际生产中取得了良好的效果.
2 铸铝模的快速精密铸造
用传统的砂型铸造生产的铸件精度低、制模周期长,铸件表面质量更无法达到滚塑模的要求,铸后还需人工打磨抛光.因此,生产滚塑用铸铝模就必须采用精密铸造方法,同时引入快速制模技术,缩短模具的制造周期.只有这样,滚塑成型投资少、见效快的优势才能得以充分显示.
2.1 模壳精密铸造方法
现代精密铸造的工艺方法多种多样,对于像滚塑模具这样尺寸较大且形状复杂的单件铸件采用石膏型或陶瓷型铸造是非常经济的.
石膏型或陶瓷型铸造是采用糊状的石膏或陶瓷浆料代替型砂制造铸型的方法,其铸型表面的光洁程度远超出普通砂型,所获得的滚塑模内壁表面粗糙度可达Ra 0.8～1.6 μm,不需要再加工即可满足成形的要求.特别是采用石膏型或陶瓷型后,再配合采用热模差压浇注法,使铸铝合金的流动性大大提高,进一步减小了滚塑模体的壁厚,对加快滚塑成型中的热量传导、缩短成型周期是十分有利的.
2.2 快速制模技术
快速制模技术即运用快速造型技术RPM(Rapid Prototyping Moulding)制得的原型直接或间接地加工各种金属模具的方法,是集CAD/CAM、化工、材料和精密机械等很新成就于一身的高新技术.
目前发展比较成熟的快速造型方法有激光造型法SLA、薄板层积法LOM、熔丝沉积法FDM和选择性激光烧结法SLS等［6］.在滚塑模制造中,用经过表面覆膜处理的LOM原型代替木模直接制造石膏型、陶瓷型(大件)或由原型经硅橡胶模过渡转换得到石膏型、陶瓷型(小件),再用石膏型、陶瓷型浇注出金属模具的方法,实现铸铝模的精密铸造将是十分有利的.
LOM(Laminated Object Manufacturing)即薄板层积法,其基本原理首先采用CAD软件进行零件的三维立体造型并转换成STL数据格式,随后根据工艺要求,按照一定的厚度对CAD模型进行分层,生成二维截面信息,再与加工参数相结合生成零件的层面加工信息,用此信息来控制激光束对涂有热融胶的薄片材料(纸、塑料薄膜或复合材料等)进行逐层切割和粘结,很终层层堆积生成三维实体原型［7］.
但是,由薄层材料堆积而成的原型,表面不够光洁,特别是曲面部分实际上呈阶梯形,若用此原型代替木模直接制造石膏型或陶瓷型将增加起模阻力;而且在灌注石膏或陶瓷浆料后,原型吸附了浆料中的水分,起模更加困难,甚至可能破坏原型.因此需对LOM原型表面进行覆膜处理(即在原型表面覆盖一层高分子薄膜)后再用于制造石膏或陶瓷型,不仅可使起模轻松便利,也延长了原型的使用寿命.
3 滚塑加工的计算机模拟与控制技术
滚塑加工时的各项工艺条件对制件质量起着举足轻重的作用.长期以来生产中靠经验来确定塑料粉末颗粒的大小与形状、模具旋转速度、加热温度与时间及冷却时间等工艺参数,带有一定的盲目性和偶然性,需在实际的成型过程中不断地尝试与修正,既耗时又费力.
进入90年代以后,世界各国纷纷开始了滚塑成型的计算机模拟与控制技术的研究,主要着眼于PE(聚乙烯)磨粉工艺控制、成型工艺控制及粉料和熔体的流动与热传导模拟等,目前比较成熟的软件有ROTOLOG 、ROHEAT等.其基本思想是在滚塑模内不同位置上设置一系列长短不一的热电偶,适时测量模腔内部各点的实际温度,由计算机自动绘制模内塑料熔体的温度曲线,并且比照依据流变理论所建立的熔体理想成型曲线,自动地调整不同树脂、不同模具壁厚状况下的炉留期、冷却期和成型周期［8］等工艺参数,从而为实施滚塑成型的在线控制打下了基础.
4 结 束 语
滚塑成型是生产大型中空塑料制品很经济而有效的方法.要在国内推广应用滚塑成型,就必须吸收国外的先进技术,开发更多更好的滚塑原料,提高滚塑设备的自动化水平,缩短模具设计与制造周期.本文所提出的用LOM原型覆膜技术实现滚塑用铸铝模的快速精密铸造的方法只是简化模具制造过程、缩短模具制造周期的一项措施.相信随着现代材料工业和机械制造与自动化技术的不断进步,滚塑成型技术在我国也会得到飞速的发展.
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