紙漿模塑模具材料的性能及其應(yīng)用

曲曉晴 黃俊彥 高娟娟

(大連工業(yè)大學(xué),遼寧大連,116034)

紙漿模塑模具材料的性能及其應(yīng)用

曲曉晴 黃俊彥 高娟娟

(大連工業(yè)大學(xué),遼寧大連,116034)

針對(duì)制作紙漿模塑模具用材料的基本要求,綜述了各種制模材料的特性及其對(duì)紙漿模塑生產(chǎn)的影響,介紹了用各種材料制作紙漿模塑模具的方法及其應(yīng)用,為紙漿模塑模具的制作和生產(chǎn)提供參考。

紙漿模塑;模具材料;材料特性;制模方法

紙漿模塑制品這一新興的綠色環(huán)保型產(chǎn)品已被越來(lái)越多的人們所認(rèn)識(shí)和接受,其產(chǎn)品具有原料來(lái)源廣、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、無(wú)污染、易降解、可回收并可再生利用等優(yōu)點(diǎn),符合環(huán)保要求[1-2]。隨著紙漿模塑制品生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,市場(chǎng)不斷拓展,產(chǎn)品性能也在不斷完善[3],但仍跟不上人們對(duì)紙漿模塑制品越來(lái)越高的質(zhì)量要求。在紙漿模塑制品的生產(chǎn)中,模具是整套設(shè)備的關(guān)鍵部件之一[4]。模具的結(jié)構(gòu)、形狀和精度直接決定紙漿模塑制品的性能[5]。提高模具的質(zhì)量、降低模具制作成本已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的焦點(diǎn)。模具的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)的技術(shù)要求高,投入大,周期長(zhǎng),風(fēng)險(xiǎn)也大。目前,模具的設(shè)計(jì)制作及其所使用的材料也在不斷地被研究和探討,并逐步在改進(jìn)和提高。

紙漿模塑制品的模具 (以下簡(jiǎn)稱模具)的耐用性除了取決于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及使用與維護(hù)情況外,最根本的問(wèn)題是制模材料的性質(zhì)能否符合模具的加工與使用要求。因此,根據(jù)模具的結(jié)構(gòu)和使用情況,合理選用制模材料,是模具設(shè)計(jì)人員的重要任務(wù)之一。目前,制模材料仍以鋼材為主,但根據(jù)紙漿模塑制品的成型工藝條件,也可采用低熔點(diǎn)合金、低壓鑄鋁合金、黃銅及其他非金屬材料等[6-7]。

本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐及相關(guān)文獻(xiàn),綜述了各種制模材料的特性及其對(duì)紙漿模塑生產(chǎn)的影響,介紹了用各種材料制作模具的方法及其應(yīng)用,旨在為模具的制作和生產(chǎn)提供參考。

1 金屬制模材料的基本要求

制造模具所采用的金屬材料,應(yīng)具備下列性能:

(1)良好的加工性,即經(jīng)熱處理后材料變形小。因?yàn)槟＞咝螤罘倍?在淬火以后如果變形太大,會(huì)增大加工難度,或根本不易加工。

(2)良好的拋光性。紙漿模塑制品常要求具有較好的光澤度和外觀,因而模具必須要經(jīng)過(guò)拋光處理,選用的金屬材料不應(yīng)含有粗糙的雜質(zhì)和氣孔等。

(3)良好的耐磨性。紙漿模塑制品的表面光澤度和尺寸精度都與模具表面的耐磨性有直接關(guān)系,因此要求模具有很高的耐磨性,模具表面硬度大,可承受生產(chǎn)操作中對(duì)模具的機(jī)械摩擦和劃傷。

(4)良好的耐腐蝕性。濕紙模及其添加劑對(duì)模具的表面有化學(xué)腐蝕作用,所以需選用耐腐蝕或經(jīng)表面處理后的金屬材料。

2 制模材料

常用的金屬制模材料有鋼材 (合金工具鋼、不銹鋼)、有色金屬材料 (鋁合金、黃銅)、銅基球狀粉末冶金材料,用于小批量生產(chǎn)的模具也可以用環(huán)氧樹(shù)脂或低熔點(diǎn)合金制造。

2.1 鋼材

要制得使用壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定的模具,鋼材是重要的材料之一。所用的鋼材應(yīng)滿足機(jī)械加工、剛度和強(qiáng)度、熱傳導(dǎo)及抗腐蝕等方面的要求。常用的鋼材有合金工具鋼和不銹鋼。

(1)合金工具鋼

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB1299—2000,可用作紙漿模塑模具的合金工具鋼的鋼號(hào)及化學(xué)成分見(jiàn)表1。

(2)不銹鋼

不銹鋼能在一定的溫度和腐蝕條件下長(zhǎng)期工作,并保證其力學(xué)和物理性能不變。但其價(jià)格比一般鋼材貴得多,而且它的切削加工性能也比較差。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 1220—2007,可用以制造紙漿模塑模具的不銹鋼的牌號(hào)和化學(xué)成分見(jiàn)表2。

2.2 有色金屬材料

(1)鋁合金

鑄造鋁合金具有較高的耐腐蝕性和一定的強(qiáng)度、硬度、耐熱性及焊接性,它比鋼材更易于切削加工成型,可以大幅度縮短模具加工周期,因此在紙漿模塑模具中得以廣泛應(yīng)用[3]。鑄鋁模具適宜作為尺寸較小的模具、適用于中等批量生產(chǎn)規(guī)模,在生產(chǎn)紙漿模塑制品時(shí),由于成型壓力不大,可有較長(zhǎng)的使用壽命。精鑄成型的鋁合金模具可以直接用于精度要求不高的工業(yè)內(nèi)包裝制品,而生產(chǎn)精度要求較高的工業(yè)內(nèi)包裝制品的模具則必須采用鋁合金板材經(jīng)過(guò)塑性加工和焊接來(lái)制造。

紙漿模塑模具所用的鑄造鋁合金主要為鋁硅合金,根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 1173—1995,其牌號(hào)和化學(xué)成分見(jiàn)表3。

紙漿模塑模具所用的鋁及鋁合金加工產(chǎn)品主要是變形鋁,根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 3190—2008,其牌號(hào)和化學(xué)成分組成見(jiàn)表4。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 3880—1997,紙漿模塑模具所用的鋁及鋁合金軋制板材的力學(xué)性能見(jiàn)表5。

表1 合金工具鋼的鋼號(hào)及化學(xué)成分%

表2 不銹鋼的牌號(hào)和化學(xué)成分%

表3 鑄造鋁合金的牌號(hào)和化學(xué)成分%

表4 變形鋁及鋁合金的牌號(hào)和化學(xué)成分組成 %

表5 鋁及鋁合金軋制板材的力學(xué)性能

(2)黃銅

用于紙漿模塑模具的鑄造銅合金主要是普通黃銅,根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB 1176—1987,其牌號(hào)和化學(xué)成分見(jiàn)表6。

表6 鑄造普通黃銅的牌號(hào)和化學(xué)成分 %

(3)銅基球狀粉末冶金材料

在使用定型模具進(jìn)行濕紙模壓榨烘干過(guò)程中,附在定型模具上的濾網(wǎng)會(huì)使制品表面產(chǎn)生網(wǎng)痕,濾網(wǎng)雖然有模具的支撐,但在頻繁擠壓中會(huì)很快變形甚至破損。為了解決這個(gè)問(wèn)題,業(yè)內(nèi)人士開(kāi)始研制一種采用銅基球狀粉末冶金材料制造的新型無(wú)網(wǎng)模具,這種無(wú)網(wǎng)定型模具具有精度高、內(nèi)外表面光滑、無(wú)網(wǎng)痕等優(yōu)點(diǎn),壽命是一般有網(wǎng)模具的 10倍,而且成本僅為傳統(tǒng)模具的 50%左右。

(4)低熔點(diǎn)合金

利用低熔點(diǎn)合金澆鑄制模方法,可以以紙漿模塑樣品作為母模直接翻倒出轉(zhuǎn)移模具。低熔點(diǎn)合金澆鑄制模不僅可以縮短模具的制造周期,節(jié)約大量鋼材,同時(shí)還能節(jié)省勞力。這種模具只能適于小批量紙漿模塑制品或試制產(chǎn)品的生產(chǎn)。低熔點(diǎn)合金的種類較多,目前使用的較簡(jiǎn)單的一種是鉍 58%和錫 42%的鉍錫合金。

低熔點(diǎn)合金熔化與澆鑄工藝過(guò)程如下:將混合好的鉍錫合金料置于熔鍋內(nèi),加熱至 140℃左右 (溫度測(cè)量可采用半導(dǎo)體點(diǎn)溫計(jì)或普通溫度計(jì)),熔化均勻后即可澆鑄在準(zhǔn)備好的紙模樣品母模上成型,鑄型后的鑄件冷卻 0.5 h左右,最后修正鑄件澆鑄時(shí)留下的殘痕,即可制作出轉(zhuǎn)移模。

2.3 環(huán)氧樹(shù)脂

環(huán)氧樹(shù)脂一般用以制造成型模具中的轉(zhuǎn)移模,具有一定的機(jī)械強(qiáng)度、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和工藝性能,可縮短模具生產(chǎn)周期,降低模具成本。為保證模具的制造精度,可采用澆注法直接從對(duì)應(yīng)的凸?；虬寄Ｉ?(或者石膏過(guò)渡模)翻倒制造出模具。這種模具與低熔點(diǎn)合金模具一樣,也只能適用于小批量紙漿模塑制品或試制產(chǎn)品的生產(chǎn)。

環(huán)氧樹(shù)脂制模所用材料如下:

(1)環(huán)氧樹(shù)脂:環(huán)氧樹(shù)脂品種很多,目前廣泛使用的有雙酚 A類環(huán)氧樹(shù)脂和脂環(huán)族環(huán)氧樹(shù)脂。雙酚 A類環(huán)氧樹(shù)脂黏結(jié)力高,化學(xué)穩(wěn)定性好,收縮率低,機(jī)械和電氣性能良好,如環(huán)氧樹(shù)脂 634#、環(huán)氧樹(shù)脂 6101#。

脂環(huán)族環(huán)氧樹(shù)脂黏度低、工藝性能好,分子結(jié)構(gòu)緊密,固化后硬度大,耐熱性和耐紫外光老化等特性好,如環(huán)氧樹(shù)脂 6207#。

(2)填料:填料可降低成本、減少環(huán)氧樹(shù)脂用量、降低制成環(huán)氧樹(shù)脂模具的線膨脹系數(shù)和收縮性,提高其機(jī)械強(qiáng)度。常用填料有鋁粉、氧化鋁、石英粉、碳化硅、鋼絲絨、玻璃纖維等。

(3)硬化劑:硬化劑促進(jìn)環(huán)氧樹(shù)脂的固化反應(yīng)。常用硬化劑有乙二胺、間苯二胺、順丁烯二酸酐、均苯四酸二酐、鄰苯二甲酸酐等。

(4)封閉劑:使用石膏模作為過(guò)渡模時(shí),涂在石膏模上的封閉劑為聚乙烯醇。聚乙烯醇是白色無(wú)味的粉末,能溶解于水中。封閉劑的主要作用是不使環(huán)氧樹(shù)脂液在澆注過(guò)程中滲入石膏模微孔內(nèi)。

(5)脫模劑:常用的脫模劑有硅油、二硫化鉬。硅油是一種含硅的合成材料,常用的二甲基硅油是無(wú)色透明的油狀物。二硫化鉬是藍(lán)灰色的固體粉末,有金屬光澤,耐酸性較強(qiáng),作為脫模劑用的二硫化鉬粒度越細(xì)越好。

環(huán)氧樹(shù)脂澆注材料的配方見(jiàn)表7所示。

2.4 制模過(guò)渡材料

模具的過(guò)渡材料是用來(lái)制造初造型的母模或在樣品上翻倒制模所用材料。過(guò)渡材料有木材、型砂、石蠟、硅橡膠、石膏、樹(shù)脂等[7-8]。

3 濾網(wǎng)材料

濾網(wǎng)是網(wǎng)模中的關(guān)鍵部件,濾網(wǎng)的好壞直接影響到制品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。濾網(wǎng)有金屬網(wǎng)和塑料網(wǎng),金屬網(wǎng)又分黃銅網(wǎng)、不銹鋼網(wǎng)和鍍鉻網(wǎng),網(wǎng)絲直徑在0.15～0.25 mm之間。按網(wǎng)的編織方法又分為單經(jīng)網(wǎng)、三經(jīng)網(wǎng)、捻織網(wǎng)和雙層織網(wǎng)等。網(wǎng)孔幾何形狀有正方形、長(zhǎng)方形和六邊形孔。網(wǎng)目一般在 40～65目之間[8-10]。

表7 環(huán)氧樹(shù)脂澆注材料

3.1 黃銅網(wǎng)和不銹鋼網(wǎng)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 5330—2003,黃銅網(wǎng)和不銹鋼網(wǎng)的規(guī)格見(jiàn)表8。

國(guó)內(nèi)某紙漿模塑廠為滿足同行對(duì)模具用網(wǎng)的需求,結(jié)合自身從事模具加工和生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn),根據(jù)紙漿模塑模具對(duì)絲網(wǎng)的特殊要求,采用進(jìn)口不銹鋼絲進(jìn)行特殊加工處理,成功研制出用于紙漿模塑工業(yè)包裝制品、餐具制品模具的專用 Z MW系列不銹鋼網(wǎng)。其主要品種及參數(shù)見(jiàn)表9。

Z MW系列不銹鋼網(wǎng)除具有一般不銹鋼網(wǎng)的表面光滑、耐腐蝕、韌性好、耐壓、抗拉、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)外,還具有柔軟度和馴服度好、打折不反彈等特點(diǎn),很容易包覆在各種復(fù)雜幾何形狀 (如凸凹面、弧面、小溝、槽等)的模具上。產(chǎn)品的各種物理性能與進(jìn)口的紙漿模塑專用不銹鋼網(wǎng)接近,且價(jià)格低廉,是紙漿模塑模具優(yōu)良的網(wǎng)材。

表8 工業(yè)用金屬絲編織方孔篩網(wǎng)規(guī)格

表9 ZMW系列不銹鋼網(wǎng)的主要品種及參數(shù)

3.2 塑料網(wǎng)

濾網(wǎng)用的塑料網(wǎng)主要為造紙行業(yè)用的聚酯成形網(wǎng),其規(guī)格見(jiàn)表10[11]。

表10 聚酯成形網(wǎng)產(chǎn)品參數(shù)

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著“綠色包裝”的悄然興起和紙漿模塑設(shè)計(jì)與生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展,紙漿模塑制品擁有廣闊的市場(chǎng)前景。在開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)紙漿模塑模具過(guò)程中,研究各種制模材料的特性及如何恰當(dāng)?shù)剡x用各種模具材料,對(duì)于提高紙漿模塑設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的技術(shù)水平,降低紙漿模塑制品的生產(chǎn)成本,滿足用戶的多樣需求,提高經(jīng)濟(jì)效益,有著十分重要的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。

[1] 劉志忱,黃俊彥.紙漿模塑制品的模具設(shè)計(jì)[J].紙和造紙,2001(3):27.

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[3] 陳海燕.紙漿模塑制品的模具設(shè)計(jì)研究[D].西安:西安理工大學(xué),2007.

[4] 張新昌.我國(guó)紙漿模塑工業(yè)包裝的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].包裝工程,2003,24(1):4.

[5] 陳海燕,和克智.Pro/ENG INEER在紙漿模塑模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].包裝與食品機(jī)械,2006,24(6):35.

[6] 王文生.紙漿模制品的模具設(shè)計(jì) [J].黑龍江造紙,2004(4):40.

[7] 于永建,張新昌.紙漿模塑產(chǎn)品的模具設(shè)計(jì)[J].機(jī)電信息,2003(22):27.

[8] 于永建.紙漿模塑真空吸濾成型機(jī)理及其模具參數(shù)研究[D].無(wú)錫:江南大學(xué),2005.

[9] 劉志忱.紙漿模塑機(jī)理及其模具設(shè)計(jì)研究[J].廣東包裝,2001(2):12.

[10] 于 巖.基于 RERP的紙漿模塑模具關(guān)鍵技術(shù)研究[D].無(wú)錫:江南大學(xué),2008.

[11] 東光縣利源網(wǎng)業(yè)有限公司.聚酯成形網(wǎng)產(chǎn)品參數(shù)[EB/OL].http://www.czly-china.com/html/cpsss w.html.

Characteristics ofM ouldMater ials in PulpM olded Production

QU Xiao-qing HUANG Jun-yan＊GAO Juan-juan
(Dalian Polytechnic University,Dalian,Liaoning Province,116034)

According to basic requirementsofmouldmaterials,the characteristicsofmouldmaterials and factors influencingpulp molded production were summarized.The moldingmethods of variousmould materials and their application in pulp molded production were introduced.It provided the reference formould making in pulp molded production.

pulp molded;mould materials;material characteristics;moldingmethod

TS76

A

0254-508X(2010)12-0066-05

曲曉晴女士,在讀碩士研究生;主要研究方向:商品包裝技術(shù)。

(＊E-mail:hjunyan@126.com)

2010-08-06(修改稿)

(責(zé)任編輯:郭彩云)