产品工程模样与芯盒的设计制作

（一）模样/芯盒设计

模样/芯盒是制造砂型、砂芯的必要工艺装备，对铸件质量、生产成本有极大的影响。模样/芯盒设计的依据应是所设计的工艺，也就是说模样/芯盒设计是在工艺设计确定之后进行的，但需要注意的是，在工艺设计中要充分考虑到模样的结构。

1.模样材料

在铸造生产中广泛应用的模样（包括模板、芯盒）根据制作材料可分为木、金属、塑料、泡沫塑料、菱苦土等模样与芯盒。木模、菱苦土模用于单件、小批量和成批生产，金属模、塑料模用于成批大量生产，泡沫塑料模用于大型单件及复杂程度较高的小批量铸件生产。

用木材制作模样和芯盒，虽然强度低、易吸湿、变形和损坏，但由于它质量小、便宜和易加工，所以目前仍普遍应用于小批量和成批生产中。常用的木材有红松、柏木、杉木等，分别适用于不同等级的模样。木模设计除尺寸外最重要的是根据铸件结构和铸造工艺，充分考虑模样成本、使用寿命及造型效率等进行其结构设计。

金属模与芯盒的主要优点是尺寸精确度高、耐用、工作面比较光滑，缺点是生产周期长、机械加工量大、成本高。因此它适用于成批大量生产。金属模常用的材料有铸造铝合金、灰铸铁和钢。金属模设计的重点是模样尺寸（给修模留有余地）、模样结构（在考虑模样的使用性能的同时要充分考虑机械加工的要求）。

塑料模样用环氧树脂塑料制造而成，其优点是制造成本低、制造工艺简单、制造周期短、变形小、表面光洁。缺点是较脆、制造原料（胺、苯、酮类）毒性较大。

菱苦土模用木屑、菱苦土和卤水配制成的混合料制造，其优点是节约木材40%～60%，工艺简单，加工工时少，变形小，不吸湿，硬度高，表面光洁，耐用。缺点是强度、冲击韧性较木材差，质量比木材大1～2 倍。

泡沫塑料模是用泡沫塑料（如EPS）制作的铸件模样，目前广泛应用于消失模铸造中，在普通砂型铸造中也有应用。泡沫塑料模适用于几乎所有不同批量的铸件生产。由于浇注前泡沫塑料模并不从铸型中取出，因此以前又将这种铸造方法称为“实型铸造”。在浇注过程中，金属液提供热量使泡沫软化、气化后充填铸型，因此又称为“消失模铸造”。一个泡沫塑料模仅能使用一次。

2.模样形式及结构

首先应根据铸造工艺及生产条件（包括生产工厂硬件条件及模样工、造型工的技术水平）、产品批量等选择模样形式，如整体模、刮板模、模板等，然后再设计模样的结构。

模样结构的设计应以制作工艺简单、模样经久耐用、尺寸稳定为追求的目标。具体的模样结构这里就不再详述。

（二）模样制作

本工程实训将用泡沫塑料来制作模样和芯盒，虽然不采用消失模铸造方法，但泡沫模样的制作方法是相同的。下面来了解泡沫塑料模样的制作方法。

模样的形状、尺寸精度和表面质量对铸件的质量起到决定性作用。因此，为了获得合格的铸件，除了选用合适的模样材料、合理的模样结构外，最佳的加工方法和成型工艺参数不仅能确保模样的质量、便于造型、提高制模和造型的生产效率，还可节约材料，取得显著的经济效益。

泡沫塑料模样的制造工艺可分为模具发泡成型和机械加工成型两种。一般来说，对于大量和成批生产用的中、小型模样，采用模具发泡成型方法；对单件和小批生产用的大、中型模样，采用机械加工成型方法。对于形状复杂、铸件尺寸精度和表面质量要求较高的铸件所采用的模样用发泡成型的方法制造适宜。模样的加工制造工艺过程如图3.21 所示。

图3.21　模样加工制造工艺过程

1.模样的机械加工

泡沫塑料板系多孔蜂窝状组织，密度低、导热性差。它的加工原理与木材和金属材料的加工原理不同。若采用普通切削金属的机床和刀具加工泡沫塑料，珠粒将大量脱落，加工表面粗糙、质量差。因此，加工泡沫塑料的刀具刀刃应锋利，并以极快速度进行切削。刀具除作垂直进刀外，需以更快的速度进行横向切削，才能获得良好的效果。

加工的机床设备主要有铣床、车床、磨床、绕锯机和手推平刨等木工机械，也可采用台式泡沫塑料绕锯机、振动式泡沫塑料刨板机以及电热丝切割机等专用设备。

为了保证模样尺寸精度和表面光洁度，加工时一般先用手推平刨机床或用电热丝切割机切割出平直的基准平面，然后再用其他方法如铣削、锯削、车削或磨削等进行精加工。

电热丝切割加工泡沫塑料的方法是应用最广泛的方法之一。它是利用电热丝的热辐射使电热丝周围的泡沫塑料熔化或气化。随着电热丝与泡沫塑料的相对运动，熔化的液态树脂有的沿着电热丝表面气化而离去，有的迅速冷凝成玻璃状的物质，覆盖在切割表面，形成光洁的表面。因此，用电热丝切割模样的表面质量，在很大程度上取决于玻璃状物质的数量和致密度，以及电热丝的直径、加热温度与切割速度。

电热丝的直径越大，切割出的模样表面质量越差。粗加工用的电热丝直径一般为 1～1.2 mm，精加工用的电热丝直径为0.2～0.5 mm。电热丝的切割温度为250～500°C，具体的切割温度应根据电热丝的直径和切割长度而定，可采用变阻器和电流计加以控制调整。

电热丝切割具有操作方便、设备简单、生产率高等优点，其缺点是切割的表面质量较差。这种方法主要用于粗加工模样。

2.模样的手工加工

对于一些形状较复杂的、不规则的异型模样主要是依靠手工加工成型。所以，泡沫塑料模样制造质量的优劣很大程度上取决于制模工的操作水平。

画线取料是模样加工的首道工序。因泡沫塑料内部组织松软，所以画线用笔应采用软质（如6B）和扁薄铅芯的铅笔，否则会形成细槽，影响模样的粗糙度。

加工泡沫塑料模样的手工工具比较简单，生产上常用的修削泡沫塑料的手工工具是披刀。除此之外，我国还成功地使用了泡沫塑料平面手推刨、手提式风动砂轮机和电轧刀、电热丝切割器等特殊手工工具来修削泡沫塑料模样。

综上所述，加工泡沫塑料模样的方法很多，且每种方法都有它的特点和适用范围，除少数模样外，几乎所有的模样都是由多种加工方法结合使用而制成的。复杂的模样综合采用铣、刨、锯、车、磨和电热丝切割，以及手工工具的修削、加工装配而制成的。

为了确保能获得优质的加工模样，必须注意以下两点。(www.xing528.com)

（1）选择优质的泡沫塑料板（块）材是获得合格模样的前提。为了确保模样的强度、刚度和表面质量，选用的泡沫塑料板材的密度不能太低，一般要大于 16 g/dm3，珠粒之间的熔结良好，不能有粗大泡孔或杂质。对于一些表面质量要求高的模样，要选用消失模铸造专用模料制成的泡沫塑料板（块）材。

（2）用机械加工方法制造模样时，选择的切削刀具的结构、加工工序和工艺参数要合理，操作上要严格遵守工艺规范。否则加工好的泡沫塑料模样表面易产生拉毛、珠粒脱落、波状的凹凸表面和小孔等缺陷，严重时会使模样报废。因此，当出现模样或铸件缺陷时要分析造成缺陷的原因，采取有效措施消除缺陷，提高模样和铸件质量。

3.模样的组装工艺

对于形状复杂的泡沫塑料模样，通常采用发泡成型制成若干模片，或用机械及手工将泡沫塑料板加工成几何形状简单的几个部分，严格按图纸尺寸要求将模片粘接组装成一个完整的模样，然后把模样与浇注系统粘接在一起组装成模型簇。所以模样的组装包括模片粘接成模样和模样与绕注系统粘接成模簇两部分。模样的组装是消失模铸造的重要工序。

模样组装常用的粘接方法有冷胶粘接、热熔胶粘接和熔焊粘接等。当采用粘接剂粘接模样时，常用的方法有即除法、辊压法、爬行式涂胶和喷胶涂胶法，其操作可由手工或机器来完成。

为了获得优质的铸件，在浇注过程中不仅要求泡沫塑料模样气化完全、不留残渣，且要求模样组装用粘接剂气化迅速、无残留物。同时粘接剂的用量也应越少越好，否则，过多的粘接剂会导致模样气化不完全，因残留物增加而影响铸件质量。考虑到消失模铸造的特点，泡沫塑料模样用粘接剂应满足以下要求。

（1）快干性能好，并具有一定的粘接强度，不至于在加工或搬运过程中损坏模样。

（2）软化点适中，既满足工艺要求，又方便粘接操作。

（3）分解、气化温度低，气化完全、残留物少。

（4）干燥后应有一定柔韧性，而不是硬脆的胶层。

（5）无毒，对泡沫塑料模样无腐蚀作用。

（6）成本低、来源方便。

用冷胶法粘接时，通常所用的粘接剂为快速固化的热固性有机粘接剂。因为模样粘接后，需要上涂料烘烤干燥，如果用热塑性粘接剂会在烘烤干燥时软化蠕变开胶，模样发生变形。而热固性粘接剂在烘烤时能促使其固化和增加粘接强度。

从形态上来分，常用的热固性粘接剂有乳液型粘接剂和热熔胶粘接剂两类。

（1）乳液型粘接剂。

乳液型粘接剂是粘接剂发展趋势之一，与溶剂型粘接剂相比，具有无溶剂释放，符合环保要求，成本低、不燃，使用安全等优点。与水溶型粘接剂相比，固含量相对较高，可达50%～60%，国内外正在大力研究开发。乳液型粘接剂品类繁多，但适合用于消失模铸造模样粘接的主要有以下两种。

① 聚醋酸乙烯乳液及聚醋酸乙烯改性乳液。聚醋酸乙烯（PVAc）乳液是最重要的乳液粘接剂之一。普通聚醋酸乙烯乳液是以聚乙烯醇作保护胶体进行醋酸乙烯乳液聚合而制成。产品的固含量为 50%～60%，黏度一般为 3～20 Pa·s。这种产品粘接强度高、价格低、无毒、来源方便等，适用于泡沫塑料模样的粘接。但这种单组分的聚醋酸乙烯乳液的耐水性差，在湿热条件下，其粘接强度会大幅度下降，其成模的抗蠕变性差等，由于这些缺点难以满足实际应用要求。近年来，国内外对聚醋酸乙烯乳液改性做了大量的研究工作，目的是提高粘接剂的耐水性、耐热性和粘接强度，特别是初粘强度等。聚醋酸乙烯乳液改性方法主要有共聚改性和复合聚合改性等。共聚改性就是将醋酸乙烯酯单体与另一种或多种单体，如乙烯与丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、具有羧基或多官能团的单体进行二元或多元共聚；或在聚醋酸乙烯乳液中加入少量含活性基团的酸性物及交联剂等，通过共聚合成互穿网络结构的乳液。除共聚改性外，近年来研究采用复合聚合制备核壳结构的改性聚醋酸乙烯乳液，突破了乳液粒子单纯由醋酸乙烯组成的局限，使乳液的综合性能优于通用的聚醋酸乙烯乳液。

② 聚丙烯酸酯乳液。丙烯酸酯系聚合物乳液粘接剂，也是一类重要的乳液粘接剂，其品种很多，应用于很多领域。但用于模样的粘接不仅要有足够的粘接强度，还要有较高的玻璃化温度和足够的柔韧性。由于丙烯酸酯系单体，很容易进行乳液聚合和乳液共聚合，因此可以根据需要通过分子设计和粒子设计方法合成出软硬程度不同的聚丙烯酸酯乳液粘接剂。也可在聚合物分子链上引入羧基、羟基、氨基等活性基团或外加交联剂，制成交联型丙烯酸酯类聚合乳液粘接剂。不管是采用丙烯酸酯与其他单体如苯乙烯共聚，还是在聚合物分子链上引入活性基团，其目的都是为了提高粘接强度、耐水性、耐热性及抗蠕变性，又能保持胶层有一定的柔韧性以满足模样组装要求。

（2）热熔胶。

热熔胶是20 世纪60 年代开始发展起来的一类粘接剂。这类粘接剂与溶剂型和乳液型粘接剂不同，其特性是在室温下呈固态，而在达到其熔点则呈液态。在熔融状态下具有流动性，并显示出高强的粘接力，能很快地与其他物体粘合在一起，待冷却固化后即形成高强度的粘接。

热熔胶一般由基料、蜡类、增粘剂以及抗氧剂、稳定剂等组成。通过配方的差异，可以得到多种性能不同、用途各异的热熔胶。

目前，在生产上模样粘接采用的热熔胶几乎都是聚醋酸乙烯-乙烯（EVA）热熔胶。EVA的性能主要取决于共聚物中醋酸乙烯含量。为了使热熔胶获得理想的粘接强度，EVA 中醋酸乙烯酯含量为25%～43%，熔融指数为20～200 为宜。

热熔胶用的聚醋酸乙烯-乙烯树脂的熔融强度受温度影响比较小，因此配胶时应加入一定量的石蜡和松香、石油树脂等以降低熔融强度，改善流动性和湿润性。此外，EVA 热熔胶中还需加入抗氧剂以防止高温分解，其通用的配方为 EVA 30%～50%，增强剂 20%～40%，石蜡25%～40%，抗氧剂0.5% 等。

热熔胶用于泡沫塑料模样的粘接是可行的，其固化速度快、粘接强度高的特点很适合现代化大批量生产。

泡沫塑料模样粘接用 EVA 热熔胶，软化点控制在 90～100°C，使用温度为 110～120°C。只需单面涂胶，涂匀后，立即将另一面对齐按压约 20 s 就可粘接定位。它特别适合要求快速粘接的手工涂胶，也能适用机器涂胶。

EVA 热熔胶在使用中经常出现的问题是，当热熔胶停留较长时间后，它的黏度会逐渐增大，甚至产生结皮现象，而且，由于热老化使胶在表面形成结焦。为了避免这些现象的发生，除了控制熔胶温度外，在热熔胶配方中还加入低分量的非晶态聚丙烯和用氢化松香甘油酯代替普通松香作增强剂等。

当模样组装用粘接剂连接时，为了保证模样尺寸精度和减少发气量，要求胶涂得薄而均匀，如果涂得过多或厚薄不均都会影响铸件精度和质量。因此，要求用尽量少的粘接剂来达到粘接效果，一般控制涂胶厚度约0.1 mm 为佳。

除采用冷胶或热熔胶粘接模片外，也常采用热熔焊粘接的方法。热熔焊粘接是将泡沫模样两个连接面用电热板加热熔融后，将两个模片压合在一起，如图3.22 所示。

图3.22　热熔焊粘接原理图

与粘接剂连接相比，采用热熔焊连接，浇注时模样的发气量较小，充型速度较快。而采用粘接剂时，由于粘接剂的发气量大，铸件有可能产生气孔或夹渣的倾向较大。