CN101463181B - 一种自润滑复合材料及自润滑复合材料模具的制造方法 - Google Patents
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Abstract
自润滑树脂基复合材料制备方法及采用该材料制造模具的方法，首先将环氧树脂、固化剂、铁粉或铝粉、纳米三氧化二铝粉或二氧化硅粉、二硫化钨或二硫化钼，碳纤维及偶联剂混合，经过球磨、真空除气过程制成自润滑树脂基复合材料，将自润滑树脂基复合材料浇注到模具中，加热固化得到自润滑树脂基复合材料模块；以模具的型面数据为基准，通过型面CAD数据的偏移，偏移量为模块尺寸的1/3～1/2，生成靠模CAD数据，制造靠模板，以靠模板为基准，粘结、堆积树脂模块，制造出模具毛坯，然后在树脂模块背部浇注高强度水泥混凝土，用于补强。将得到的模具毛坯数控铣削加工，得到模具型面。
Description
技术领域
本发明属于复合材料制备及模具制造领域，具体涉及一种自润滑树脂基复合材料制备方法及采用该材料制造模具的方法。
背景技术
目前，模具的制造方法主要分为两类：传统模具制造方法和快速模具制造方法。传统模具制造方法包括数控铣床铣削加工、电火花加工、线切割加工、电解加工、电铸建工等。这些制造方法普便存在着工艺复杂、加工周期长、成本高等不足，不适合于小批量和个性化产品的制造。
申请号为03134500.X的专利申请“电弧喷涂汽车覆盖件冲压模具快速制造方法”，以金属电弧喷涂技术为主，结合玻璃钢成型，环氧树脂成型、电刷镀等技术实现了汽车覆盖件模具的快速制造。该方法包括喷涂母模准备，基体处理，金属电弧喷涂，背衬材料填充、电刷镀等工艺步骤。
申请号为200410155567.2的专利申请“复合树脂模具”，公开一种复合树脂模，包括由模具骨架，填充物和包固层组成。该树脂模具还包括由结晶石膏注成的模体，模体型面上包覆的由玻璃纤维布和E446101环氧树脂积层所形成的FRP背层和刷涂由尤洛树脂、爱牢达树脂或由含确定比例金刚砂的E446101环氧树脂所形成的耐磨表层。
US528005的美国专利：Machinable，High Strength Epoxy ToolingCompostions，公开了一种可加工高强度复合材料的制备方法。它是由质量分数为5％～12％的双酚A型环氧树脂，质量分数为3％～8％的polyoxypropylene amine catalyst，质量分数为60～85％的主要成分为铁粉的三种不同粒径的填料，质量分数5％～15％的粒径小于250μm的玻璃纤维和质量分数为0.01～1％的表面活性剂组成。但是该发明制造的材料没有自润滑性能。
Appl.No.08/840,003的专利：Tooling die insert and rapid method forfabricating same公开了一种压模嵌入件的快速制造方法。首先用光固化或者其它快速成型方法制造和嵌入件形状一样的母模，然后装配母模后向其中灌注软模材料制成软模，再向软模中填充金属粉，将金属粉通过冷压凝固后形成“绿件”，将“绿件”热压后就可形成固实的模具。
快速模具制造方法主要是针对新车型开发和样车试制。目前使用较多的有如下几种：中低熔点浇注技术、金属喷涂技术、铸铁浇注/数控加工技术、树脂浇注技术。中低熔点合金存在模具材料凝固收缩变形问题，并且模具型面受母模表面质量限制，模具精度，表面粗糙度难以保证。金属喷涂制造模具的周期和质量存在相当大的不确定性，并且喷涂表面的精度也不高。树脂基复合材料浇注在模具制造过程中存在材料收缩，浇注过程中产生气泡等问题。总的来说，快速模具制造方法普遍存在模具精度不高的问题。
发明内容
针对现有的模具制造技术中存在的精度不高和使用材料中不具有自润滑功能的问题，本发明提供一种自润滑树脂基复合材料及制备方法。同时提供一种采用自润滑树脂基复合材料制造模具的方法。
本发明的自润滑树脂基复合材料的制备方法为：按质量百分比将25.2～35.5％的环氧树脂、22.3～31.6％的固化剂、28.3～41.9％的铁粉或27.4～43.2％的铝粉、1.5～3.9％的纳米三氧化二铝粉或1.8～3.9％的纳米二氧化硅粉、1.4～3.9％的二硫化钨或二硫化钼，1.8～4.4％的碳纤维，1～2％的偶联剂混合，然后将混合物在球磨机上球磨5～6小时，球磨完毕后在真空注型机中真空脱气5～10分钟，用于制造自润滑模块。
按照上述方法得到的自润滑树脂基复合材料：含质量百分比25.2～35.5％的环氧树脂、22.3～31.6％的固化剂、28.3～41.9％的铁粉或27.4～43.2％的铝粉、1.5～3.9％的纳米三氧化二铝粉或1.8～3.9％纳米二氧化硅粉、1.4～3.9％的二硫化钨或二硫化钼，1.8～4.4％的碳纤维，1～2％的偶联剂。
本发明的环氧树脂为E型环氧树脂E-51、E-44或E-42；固化剂为脂环族多胺中温固化剂；自润滑粒子为粒径为0.1～2.0μm的二硫化钼粉、二硫化钨粉或碳纤维；偶联剂采用通式为Y(CH2)nSiX3的硅烷偶联剂，其中，n＝0～3；X为氯基、甲氧基、乙氧基、甲氧基乙氧基、乙酰氧基等，Y其团为氨基或者环氧基。
自润滑树脂基复合材料制造模具的方法包括发下步骤：
1)自润滑复合材料模块制备
根据所需制作的模具的大小，制备长为100～200mm，宽为30～60mm，高度为15～30mm的复合材料模块，根据模块的尺寸制备相应模块的模具，浇注前在模块模具表面涂脱模剂并预热到80℃～85℃，将自润滑树脂基复合材料浇注到预热完毕的模具中，并将模具置于80℃～85℃的恒温箱中预固化6～7小时，脱模后，在135℃～145℃下后固化16～17小时得到自润滑树脂基复合材料的模块
2)支撑模板和模具围框的制备
依据模具的CAD数据，对需要加工的模具的表面数据向内或向外偏移，得到支撑模板型面数据，偏移量为制备的模块高度的1/3～1/2，得到支撑模板的相关数据，以支撑模板的相关数据加工制造支撑模板，根据模具结构制造模具围框，将支撑模板和围框连接并固定。
3)模块堆积
以支撑模板为基准，采用强力粘接剂粘接，堆积复合材料模块，得到大致的模具型面轮廓，经24小时待强力粘接剂粘接完全固化后得到需要的模具毛坯。
4)灌注支撑
模块堆积完毕后翻转围框，取出支撑模板，向围框中灌注高强度水泥直至水泥凝固；
5)数控加工模具
按照需要加工的模具表面的数据，使用数控机床对模具毛坯进行数控加工，加工完毕后即得到模块化自润滑树脂基复合材料模具。
本发明的母模采用石膏，木材、泡沫塑料或者钢板制成。
本发明制备自润滑复合材料能提高模具的耐磨性能，向环氧树脂中加入铁粉，铝粉，纳米SiO2粉，纳米Al2O3粉等粉末通过弥散增强提高材料机械性能，向材料中加入MoS2，WS2，碳纤维等自润滑粒子以提高材料表面的耐磨性能。采用本发明制备的高性能自润滑树脂基复合材料模块堆积制造模具型面毛坯。采用高强度水泥作为支撑材料以降低模具成本，使用数控机床加工模具表面以保证模具精度。
该模具制造方法结合传统模具制造方法和快速模具制造方法，取长补短。制造周期介于两种制造方法之间，但是具有成本低，精度高等特点。
附图说明
图1是本发明模具模块的示意图。
图2是本发明模具水泥补强的示意图。
图3是本发明模具数控加工的示意图。
其中1是复合材料模块，2是模具围框，3是支撑模板，4是高强度水泥，5是加工机床主轴及加工刀具
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
一种自润滑树脂基复合材料：含质量百分比25.2～35.5％的环氧树脂、22.3～31.6％的固化剂、28.3～41.9％的铁粉或27.4～43.2％的铝粉、1.5～3.9％的纳米三氧化二铝粉或1.8～3.9％纳米二氧化硅粉、1.4～3.9％的二硫化钨或二硫化钼，1.8～4.4％的碳纤维，1～2％的偶联剂。
本发明的环氧树脂为E型环氧树脂E-51、E-44或E-42；固化剂为脂环族多胺中温固化剂；自润滑粒子为粒径为0.1～2.0μm的二硫化钼粉、二硫化钨粉或碳纤维；偶联剂采用通式为Y(CH2)nSiX3的硅烷偶联剂，其中，n＝0～3；X为氯基、甲氧基、乙氧基、甲氧基乙氧基、乙酰氧基等，Y其团为氨基或者环氧基。
一种自润滑树脂基复合材料的制备方法为：按质量百分比将25.2～35.5％的环氧树脂、22.3～31.6％的固化剂、28.3～41.9％的铁粉或27.4～43.2％的铝粉、1.5～3.9％的纳米三氧化二铝粉或1.8～3.9％的纳米二氧化硅粉、1.4～3.9％的二硫化钨或二硫化钼，1.8～4.4％的碳纤维，1～2％的偶联剂混合，然后将混合物在球磨机上球磨5～6小时，球磨完毕后在真空注型机中真空脱气5～10分钟，以80～85℃加热固化。
采用自润滑树脂基复合材料制造模具的方法，包括下述步骤，参见图1--图3：
1)复合材料模块的制备
将复合材料采用浇注的方法制成长方体，根据所需制作的模具的大小，模块尺寸为100～200mm，宽为30～60mm，高度为15～30mm，根据模块的尺寸制备相应模块的模具，浇注前在模块模具表面涂脱模剂并预热到80℃～85℃，将自润滑树脂基复合材料浇注到预热完毕的模具中，并将模具置于80℃～85℃的恒温箱中预固化6～7小时，脱模后，在135℃～145℃下后固化16～17小时得到自润滑树脂基复合材料的模块1，具体实验数据请见下表：
2)支撑模板3和模具围框2的制备，
依据模具的CAD数据，对需要加工的模具的表面数据向内或向外偏移，得到支撑模板型面数据，偏移量为制备的模块高度的1/3～1/2，得到支撑模板3的相关数据，以支撑模板3的相关数据加工制造支撑模板3，根据模具结构制造模具围框2，将支撑模板3和围框2连接并固定。
3)模具毛坯制造
以支撑模板3为基准，采用强力粘接剂粘接，堆积复合材料模块1，将空间填满，经24小时待强力粘接剂粘接完全固化后得到需要的模具毛坯。见图1
4)灌注支撑
将复合材料模块堆积完毕固化后的模具，翻转围框，取出支撑模板，向围框中灌注高强度水泥4，直至水泥凝固，见图2；
5)数控加工模具
按照需要加工的模具表面的数据，使用数控机床5对由模块堆积并经固化后的模具毛坯进行数控加工，加工完毕后即得到模块化自润滑树脂基复合材料模具，见图3。
下表是本发明自润滑树脂基复合材料的制备方法中的实施例的具体数据；
| 实施例 | 环氧树脂 | 固化剂 | 铁粉 | 铝粉 | 纳米三氧化二铝粉 | 纳米二氧化硅粉 | 二硫化钼 | 二硫化钨 | 碳纤维 | 偶联剂 | 球磨时间小时 | 加热固化温度 | 真空脱气时间分钟 |
| 1 | 35.5 | 31.5 | 28.4 | 1.8 | 1.8 | 1 | 5 | 80 | 6 | ||||
| 2 | 26 | 23.3 | 41.8 | 3.9 | 3 | 2 | 6 | 83 | 8 | ||||
| 3 | 35.5 | 31.6 | 28.3 | 1.8 | 1.8 | 1 | 5.5 | 85 | 10 | ||||
| 4 | 26.1 | 23.3 | 40.8 | 3.9 | 3.9 | 2 | 5.3 | 82 | 5 | ||||
| 5 | 35.5 | 31.6 | 28.3 | 1.8 | 1.8 | 1 | 5.8 | 84 | 7 | ||||
| 6 | 26.1 | 22.3 | 41.8 | 3.9 | 3.9 | 2 | 5.1 | 81 | 9 | ||||
| 7 | 35.4 | 31.6 | 28.4 | 1.8 | 1.8 | 1 | 5.6 | 82 | 6 | ||||
| 8 | 25.2 | 23.3 | 41.8 | 3.9 | 3.9 | 1.9 | 5.9 | 85 | 5 | ||||
| 9 | 35.4 | 31.6 | 28.4 | 1.8 | 1.8 | 1 | 6 | 83 | 8 | ||||
| 10 | 26.1 | 23.2 | 41.8 | 3.9 | 3.9 | 1.1 | 5 | 80 | 7 | ||||
| 11 | 35.5 | 31.6 | 28.3 | 1.8 | 1.8 | 1 | 5.2 | 81 | 10 |
| 12 | 26.1 | 23.3 | 41.8 | 3.8 | 3.5 | 1.5 | 5.8 | 80 | 9 | ||||
| 13 | 35.4 | 31.6 | 28.4 | 1.8 | 1.8 | 1 | 5.4 | 83 | 8 | ||||
| 14 | 26.1 | 23.2 | 41.8 | 3.6 | 3.9 | 1.4 | 5 | 81 | 7 | ||||
| 15 | 35.5 | 31.6 | 28.3 | 1.8 | 1.8 | 1 | 6 | 84 | 5 | ||||
| 16 | 26.1 | 23.3 | 41.8 | 3.9 | 3.9 | 1 | 6 | 82 | 9 | ||||
| 17 | 35.5 | 31.5 | 28.4 | 1.8 | 1.8 | 1 | 5 | 83 | 6 | ||||
| 18 | 26 | 23.3 | 41.9 | 3.9 | 3.9 | 1 | 5.6 | 81 | 10 | ||||
| 19 | 35.5 | 31.6 | 28.4 | 1.7 | 1.8 | 1 | 5.7 | 80 | 10 | ||||
| 20 | 26.1 | 23.4 | 41.7 | 3.9 | 3.9 | 1 | 5.4 | 85 | 9 | ||||
| 21 | 35.5 | 31.5 | 28.4 | 1.8 | 1.8 | 1 | 5.9 | 82 | 8 | ||||
| 22 | 26.1 | 23.3 | 41.8 | 3.9 | 3.9 | 1 | 6 | 84 | 7 | ||||
| 23 | 35.4 | 31.6 | 28.4 | 1.8 | 1.8 | 1 | 5.2 | 83 | 5 | ||||
| 24 | 26.1 | 23.3 | 41.8 | 3.9 | 3.9 | 1 | 5 | 82 | 9 | ||||
| 25 | 30.6 | 27.2 | 36.2 | 1.5 | 3.1 | 1.4 | 5.8 | 80 | 9 | ||||
| 26 | 34.3 | 30.3 | 27.4 | 3.4 | 3.4 | 1.2 | 5.4 | 85 | 6 | ||||
| 27 | 29 | 26.4 | 35.6 | 3.4 | 4.4 | 1.2 | 5.6 | 81 | 5 | ||||
| 28 | 27.2 | 24.2 | 43.2 | 2.7 | 1.4 | 1.3 | 5.7 | 80 | 8 |
以上实施例中所用的环氧树脂为E型环氧树脂E-51、E-44或E-42；固化剂为脂环族多胺中温固化剂；二硫化钼粉、二硫化钨粉或碳纤维的粒径为0.1～2.0μm；偶联剂采用通式为Y(CH2)nSiX3的偶烷偶联剂，其中，n＝0～3；X为氯基、甲氧基、乙氧基、甲氧基乙氧基、乙酰氧基等，Y其团为氨基或者环氧基。
Claims (7)
1.一种自润滑复合材料的制备方法，其特征在于：首先按质量百分比将25.2～35.5％的环氧树脂、22.3～31.6％的固化剂、28.3～41.9％的铁粉或27.4～43.2％的铝粉、1.5～3.9％的纳米三氧化二铝粉或1.8～3.9％的纳米二氧化硅粉、1.4～3.9％的二硫化钨或二硫化钼、1.8～4.4％的碳纤维和1～2％的偶联剂混合，然后将混合物在球磨机上球磨5～6小时，球磨完毕后在真空注型机中真空脱气5～10分钟，用于制造自润滑模块。
2.根据权利要求1所述的自润滑复合材料的制备方法，其特征在于：所说的环氧树脂为E型环氧树脂E-51、E-44或E-42。
3.根据权利要求1所述的自润滑复合材料的制备方法，其特征在于：所说的固化剂为脂环族多胺中温固化剂。
4.根据权利要求1所述的自润滑复合材料的制备方法，其特征在于：所说的二硫化钼、二硫化钨和碳纤维的粒径为0.1～2.0μm。
5.根据权利要求1所述的自润滑复合材料的制备方法，其特征在于：所说的偶联剂采用通式为Y(CH2)nSiX3的硅烷偶联剂，其中，n＝0～3；X为氯基、甲氧基、乙氧基、甲氧基乙氧基或乙酰氧基，Y基团为氨基或者环氧基。
6.一种按照权利要求1所述的制备方法得到的自润滑复合材料，其特征在于：含质量百分比25.2～35.5％的环氧树脂、22.3～31.6％的固化剂、28.3～41.9％的铁粉或27.4～43.2％的铝粉、1.5～3.9％的纳米三氧化二铝粉或1.8～3.9％纳米二氧化硅粉、1.4～3.9％的二硫化钼粉或二硫化钨、1.8～4.4％的碳纤维和1～2％的偶联剂。
7.一种采用权利要求1所述制备方法得到的自润滑复合材料的模具的制造方法，其特征在于：
1)自润滑复合材料模块制备
根据所需制作的模具的大小，制备长为100～200mm，宽为30～60mm，高度为15～30mm的复合材料模块，根据模块的尺寸制备相应模块的模具，浇注前在模块模具表面涂脱模剂并预热到80℃～85℃，将自润滑树脂基复合材料浇注到预热完毕的模具中，并将模具置于80℃～85℃的恒温箱中预固化6～7小时，脱模后，在135℃～145℃下后固化16～17小时得到自润滑树脂基复合材料的模块；
2)支撑模板和模具围框的制备
依据模具的CAD数据，对需要加工的模具的表面数据向内或向外偏移，得到支撑模板型面数据，偏移量为制备的模块高度的1/3～1/2，得到支撑模板的相关数据，以支撑模板的相关数据加工制造支撑模板，根据模具结构制造模具围框，将支撑模板和围框连接并固定。
3)模具毛坯制造
以支撑模板为基准，采用强力粘接剂粘接，堆积复合材料模块，将空间填满，经24小时待强力粘接剂粘接完全固化后得到需要的模具毛坯。
4)灌注支撑
将复合材料模块堆积完毕固化后的模具，翻转围框，取出支撑模板，向围框中灌注高强度水泥，直至水泥凝固；
5)数控加工模具
按照需要加工的模具表面的数据，使用数控机床对模具毛坯进行数控加工，加工完毕后即得到模块化自润滑树脂基复合材料模具。
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| CN101463181A (zh) | 2009-06-24 |
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