手动式简易蜡模快速成型装置设计

唐崭锋，陈虎城，范志强，冉光龙

（桂林电子科技大学 机电工程学院，机械电子基础实验教学中心，广西 桂林 541004）

熔模铸造的整体流程为：蜡模模具型腔的加工→蜡模的成型→通过失蜡铸造对零件的最终成型。其既可应用于实践生产，也是模具制造工艺学等课程的主要实验之一。本研究在对熔模铸造了解的基础上，研究关于蜡模的成型部分。

在熔模铸造中，模具成型应用极为普遍，据统计，75%粗加工工业产品零件、50%精加工产品零件都需要用模具成型的加工方法，压铸成型在各种成型方法中占有非常重要的地位[1-2]。

实验教学需要开发一款简易的蜡模成型装置来提升学生的动手能力，以及加深对蜡模加工成型过程的了解。生产中，传统的蜡模成型装置结构复杂，一般进行大批量、固定形状产品生产[3]，对于多形状，单件、小批量产品的生产，操作麻烦，成本较高。因此，本文在传统模具成型装置的基础上进行了结构简单，装置轻量，操作简便，压铸迅速等改进设计。

一款简易的手动式蜡模快速成型装置的设计方法，且通过实验对其压铸的效果进行了验证。实验表明，能在5s内完成蜡模的成型，且成型效果良好，既可用于实验教学，也可用于单件、小批量的微型零件生产。

1 蜡模成型概述

传统蜡模成型类似于塑料模成型，先使用机加工的方法制造出成型蜡模的模具，将模具放入装置中锁紧，再通过操作装置来最终的实现蜡模成型，通常可采用螺杆式和压铸式将熔融的石蜡注射入模具型腔中，一般的注射成型装置有专门的注射机构、锁紧机构、顶出机构、传动机构[4-5]。近年来，新发展的快速成型技术采用逐步添加材料的方式来成型蜡模[6]。

本装置设计以一般的压铸成型为基本原理[7],螺杆、螺母作为传动机构[8],手动快速拆装模具。由于石蜡的熔点低，故不需要很高的注射温度，因此可采用外部加热的方法先将石蜡（在活塞缸内）加热至半熔融的状态。

2 装置方案设计

本装置的设计以压铸成型为基本原理，采用机械传动的方式来简易、快速的成型蜡模。

2.1 机械结构设计

手动蜡模快速成型装置结构示意图如图1所示，主要包括手轮、传动丝杆、传动螺母、活塞、活塞缸、复位弹簧、支撑架、上模板等。通过手轮转动带动传动丝杆，丝杆驱动活塞向下运动，压铸结束复位弹簧将活塞弹出。其余部件为型腔，由使用者按需要设计。由计算和实验表明，装置压铸模具的最大型腔尺寸为85cm3，最大注射压力约为1MPa，最大入射速度为25mm/s。

图1 蜡模成形装置结构示意图

2.2 工作原理

图2为蜡模成形装置实物图，主要包括驱动部分、成型部分和结构支撑部分。驱动部分与顶板采用紧固螺母固定连接，成型部分与底座采用双头螺柱连接。喷有脱模剂的模具至于上模板和底座之间，用双头螺柱将底座与上模板连接。先将装有石蜡的缸通过外部加热装置加热至55℃，使得石蜡处于半熔融状态后，放于上模板。手轮驱动丝杆，丝杆带动活塞向下运动，活塞接触到石蜡后，手轮快速地旋转将半熔融的石蜡经过上模板和活塞缸的通孔，压入模具型腔中。

图2 蜡模成型装置实物图

此时，弹簧被压缩，保持3s左右的时间，压注完毕，手轮带动丝杆旋转退出，弹簧将活塞顶出。活塞与缸体从装置中取出后，松开连接上模板和底座的双头螺柱上的锁模螺母，拆下模具后取出成型件，对于复杂结构难脱模的成型件，可通过借助气压等方式取下，使用流程示意图如图3所示。

图3 装置使用流程图

3 压铸实验效果

图4（a）为压铸前所需的模具型腔，实验以模具型腔作为下模，与上模板通过双头螺柱锁模后，形成封闭型腔，型腔容积约为30cm3，以20mm/s的入射速度压注，图4（b）为压铸后的蜡模效果图。由多个不同形状的蜡模压铸实验表明：将模具放入装置中锁紧，石蜡放入活塞缸中一起加热至55℃，能保证在5s内实现蜡模的压铸；且本装置操作简便，手轮的驱动力范围20N～100N，可压铸最薄厚度为1mm的蜡模。从图4（b）中看出设计的压蜡装置压铸后的蜡模充型效果良好，而且其表面光滑没有缺陷，能够满足一定精度要求。

图4 实验效果图

4 本装置与其他蜡模成型技术特点分析

4.1 3D打印蜡模

3D打印蜡模适合于小件小批量的生产，成型速度快，能够制造出具有复杂三维结构的蜡模，这是其他蜡模成型技术难以做到的。但也有其不足之处[9]：

（1）3D打印件表面会有层纹。目前行业中所用的光固化3D打印机受工作原理局限，打印出的蜡模都存在层纹，影响蜡模表面精度。尽管层纹大部分都可以通过打磨去除，但费时费力。打印层纹出现在纵向Z轴，模型线条弧度较大时，层纹更加明显。

（2）3D打印时使用的可铸造树脂材料性能对翻铸成功率影响较大，3D打印蜡模主要使用蓝蜡和紫蜡作为材料，其具有较长的行业使用经验和较好的翻铸成功率，因此行业内大多数3D打印翻铸厂家也更熟悉蓝蜡和紫蜡。近年来随着3D打印技术的普及，光固化3D打印机厂家的数量快速增长，由厂家配制的不同性能的可铸造树脂种类也越来越多。由于缺乏翻铸工厂的测试，很多可铸造树脂的翻铸成功率尚不明确。

（3）3D打印蜡模成本高，通常被用于首饰制造，相对于零件生产或者实验教学则显得不够经济。

4.2 普通蜡模成型

在一般的工业生产中，熔模精铸主要由模具制造、蜡模制造、壳型制造及随后的干燥、焙烧、浇注、凝固等工序组成。蜡模是用来形成铸件型腔的模样，要获得尺寸精度和表面光洁度高的铸件，首先蜡模本身就应该具有高的尺寸精度和表面光洁度。而蜡模制造过程中影响蜡模尺寸精度的因素比较复杂，工艺参数较多，所以蜡模尺寸精度变化范围比较大。此外，蜡模本身的性能还应尽可能使随后的制壳等工序简单易行。为得到高质量的蜡模，除了应有好的压型（压制蜡模的模具）外，还必须选择合适的制模材料（简称模料）和合理的制模工艺[10]。

一般工业生产中的蜡模成型技术对于小零件，小批量的生产来说，成本高，工序繁杂，耗时久，虽然制造出的蜡模精度高，表面光洁度高，质地均匀，但还是得不偿失，特别是精度和性能要求不高的零件。由于其地域与时间的限制，可能不适用于一些学校的实验教学。

4.3 本装置蜡模成型

本装置针对小批量，小零件的生产以及实验教学而设计，其操作简易，压铸效果良好。但是本装置不适用于现代化大批量生产以及三维结构复杂的产品制作。

按照一般的工艺，要铸出良好的蜡模，蜡罐温度需要控制在56～58 ℃、压力控制在3～4 MPa、起模时间控制在45～55s内。

由于本装置密封性好，且所铸的蜡模体积小，喷射后在型腔中冷却速度快，材料受水分等杂质的影响性小，则本装置压铸的工艺要求低于上述一般工艺要求也可铸出合格的蜡模。使用本装置压铸的射蜡压力保持在1MPa左右，起模时间在5s左右即可，上述实验已经证明此法可铸出合格蜡模。

相对于一般的的铸模方法来说，利用本装置铸模具有成本低，性价比高的优势，其操作简单、适合小批量单件生产、适合教学中压蜡使用。

5 结束语

本文以压铸成型为基本原理，开发出一款简易的蜡模成型装置，既可用于实验教学，也可用于单件、小批量零件的生产。装置经实验测试能在5s内完成模蜡的成型，具有较高的生产效率。装置本身结构简单，操作方便。成型效果良好，能够获得较好的蜡模质量。