手動式簡易蠟模快速成型裝置設計

唐嶄鋒，陳虎城，范志強，冉光龍

（桂林電子科技大學 機電工程學院，機械電子基礎實驗教學中心，廣西 桂林 541004）

熔模鑄造的整體流程為：蠟模模具型腔的加工→蠟模的成型→通過失蠟鑄造對零件的最終成型。其既可應用于實踐生產，也是模具制造工藝學等課程的主要實驗之一。本研究在對熔模鑄造了解的基礎上，研究關于蠟模的成型部分。

在熔模鑄造中，模具成型應用極為普遍，據統計，75%粗加工工業產品零件、50%精加工產品零件都需要用模具成型的加工方法，壓鑄成型在各種成型方法中占有非常重要的地位[1-2]。

實驗教學需要開發一款簡易的蠟模成型裝置來提升學生的動手能力，以及加深對蠟模加工成型過程的了解。生產中，傳統的蠟模成型裝置結構復雜，一般進行大批量、固定形狀產品生產[3]，對于多形狀，單件、小批量產品的生產，操作麻煩，成本較高。因此，本文在傳統模具成型裝置的基礎上進行了結構簡單，裝置輕量，操作簡便，壓鑄迅速等改進設計。

一款簡易的手動式蠟模快速成型裝置的設計方法，且通過實驗對其壓鑄的效果進行了驗證。實驗表明，能在5s內完成蠟模的成型，且成型效果良好，既可用于實驗教學，也可用于單件、小批量的微型零件生產。

1 蠟模成型概述

傳統蠟模成型類似于塑料模成型，先使用機加工的方法制造出成型蠟模的模具，將模具放入裝置中鎖緊，再通過操作裝置來最終的實現蠟模成型，通常可采用螺桿式和壓鑄式將熔融的石蠟注射入模具型腔中，一般的注射成型裝置有專門的注射機構、鎖緊機構、頂出機構、傳動機構[4-5]。近年來，新發展的快速成型技術采用逐步添加材料的方式來成型蠟模[6]。

本裝置設計以一般的壓鑄成型為基本原理[7],螺桿、螺母作為傳動機構[8],手動快速拆裝模具。由于石蠟的熔點低，故不需要很高的注射溫度，因此可采用外部加熱的方法先將石蠟（在活塞缸內）加熱至半熔融的狀態。

2 裝置方案設計

本裝置的設計以壓鑄成型為基本原理，采用機械傳動的方式來簡易、快速的成型蠟模。

2.1 機械結構設計

手動蠟模快速成型裝置結構示意圖如圖1所示，主要包括手輪、傳動絲桿、傳動螺母、活塞、活塞缸、復位彈簧、支撐架、上模板等。通過手輪轉動帶動傳動絲桿，絲桿驅動活塞向下運動，壓鑄結束復位彈簧將活塞彈出。其余部件為型腔，由使用者按需要設計。由計算和實驗表明，裝置壓鑄模具的最大型腔尺寸為85cm3，最大注射壓力約為1MPa，最大入射速度為25mm/s。

圖1 蠟模成形裝置結構示意圖

2.2 工作原理

圖2為蠟模成形裝置實物圖，主要包括驅動部分、成型部分和結構支撐部分。驅動部分與頂板采用緊固螺母固定連接，成型部分與底座采用雙頭螺柱連接。噴有脫模劑的模具至于上模板和底座之間，用雙頭螺柱將底座與上模板連接。先將裝有石蠟的缸通過外部加熱裝置加熱至55℃，使得石蠟處于半熔融狀態后，放于上模板。手輪驅動絲桿，絲桿帶動活塞向下運動，活塞接觸到石蠟后，手輪快速地旋轉將半熔融的石蠟經過上模板和活塞缸的通孔，壓入模具型腔中。

圖2 蠟模成型裝置實物圖

此時，彈簧被壓縮，保持3s左右的時間，壓注完畢，手輪帶動絲桿旋轉退出，彈簧將活塞頂出。活塞與缸體從裝置中取出后，松開連接上模板和底座的雙頭螺柱上的鎖模螺母，拆下模具后取出成型件，對于復雜結構難脫模的成型件，可通過借助氣壓等方式取下，使用流程示意圖如圖3所示。

圖3 裝置使用流程圖

3 壓鑄實驗效果

圖4（a）為壓鑄前所需的模具型腔，實驗以模具型腔作為下模，與上模板通過雙頭螺柱鎖模后，形成封閉型腔，型腔容積約為30cm3，以20mm/s的入射速度壓注，圖4（b）為壓鑄后的蠟模效果圖。由多個不同形狀的蠟模壓鑄實驗表明：將模具放入裝置中鎖緊，石蠟放入活塞缸中一起加熱至55℃，能保證在5s內實現蠟模的壓鑄；且本裝置操作簡便，手輪的驅動力范圍20N～100N，可壓鑄最薄厚度為1mm的蠟模。從圖4（b）中看出設計的壓蠟裝置壓鑄后的蠟模充型效果良好，而且其表面光滑沒有缺陷，能夠滿足一定精度要求。

圖4 實驗效果圖

4 本裝置與其他蠟模成型技術特點分析

4.1 3D打印蠟模

3D打印蠟模適合于小件小批量的生產，成型速度快，能夠制造出具有復雜三維結構的蠟模，這是其他蠟模成型技術難以做到的。但也有其不足之處[9]：

（1）3D打印件表面會有層紋。目前行業中所用的光固化3D打印機受工作原理局限，打印出的蠟模都存在層紋，影響蠟模表面精度。盡管層紋大部分都可以通過打磨去除，但費時費力。打印層紋出現在縱向Z軸，模型線條弧度較大時，層紋更加明顯。

（2）3D打印時使用的可鑄造樹脂材料性能對翻鑄成功率影響較大，3D打印蠟模主要使用藍蠟和紫蠟作為材料，其具有較長的行業使用經驗和較好的翻鑄成功率，因此行業內大多數3D打印翻鑄廠家也更熟悉藍蠟和紫蠟。近年來隨著3D打印技術的普及，光固化3D打印機廠家的數量快速增長，由廠家配制的不同性能的可鑄造樹脂種類也越來越多。由于缺乏翻鑄工廠的測試，很多可鑄造樹脂的翻鑄成功率尚不明確。

（3）3D打印蠟模成本高，通常被用于首飾制造，相對于零件生產或者實驗教學則顯得不夠經濟。

4.2 普通蠟模成型

在一般的工業生產中，熔模精鑄主要由模具制造、蠟模制造、殼型制造及隨后的干燥、焙燒、澆注、凝固等工序組成。蠟模是用來形成鑄件型腔的模樣，要獲得尺寸精度和表面光潔度高的鑄件，首先蠟模本身就應該具有高的尺寸精度和表面光潔度。而蠟模制造過程中影響蠟模尺寸精度的因素比較復雜，工藝參數較多，所以蠟模尺寸精度變化范圍比較大。此外，蠟模本身的性能還應盡可能使隨后的制殼等工序簡單易行。為得到高質量的蠟模，除了應有好的壓型（壓制蠟模的模具）外，還必須選擇合適的制模材料（簡稱模料）和合理的制模工藝[10]。

一般工業生產中的蠟模成型技術對于小零件，小批量的生產來說，成本高，工序繁雜，耗時久，雖然制造出的蠟模精度高，表面光潔度高，質地均勻，但還是得不償失，特別是精度和性能要求不高的零件。由于其地域與時間的限制，可能不適用于一些學校的實驗教學。

4.3 本裝置蠟模成型

本裝置針對小批量，小零件的生產以及實驗教學而設計，其操作簡易，壓鑄效果良好。但是本裝置不適用于現代化大批量生產以及三維結構復雜的產品制作。

按照一般的工藝，要鑄出良好的蠟模，蠟罐溫度需要控制在56～58 ℃、壓力控制在3～4 MPa、起模時間控制在45～55s內。

由于本裝置密封性好，且所鑄的蠟模體積小，噴射后在型腔中冷卻速度快，材料受水分等雜質的影響性小，則本裝置壓鑄的工藝要求低于上述一般工藝要求也可鑄出合格的蠟模。使用本裝置壓鑄的射蠟壓力保持在1MPa左右，起模時間在5s左右即可，上述實驗已經證明此法可鑄出合格蠟模。

相對于一般的的鑄模方法來說，利用本裝置鑄模具有成本低，性價比高的優勢，其操作簡單、適合小批量單件生產、適合教學中壓蠟使用。

5 結束語

本文以壓鑄成型為基本原理，開發出一款簡易的蠟模成型裝置，既可用于實驗教學，也可用于單件、小批量零件的生產。裝置經實驗測試能在5s內完成模蠟的成型，具有較高的生產效率。裝置本身結構簡單，操作方便。成型效果良好，能夠獲得較好的蠟模質量。