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(1)電鑄原型及材料選擇
電鑄是從原型表面生長成型的。因此,電鑄用的原型是實(shí)現(xiàn)電鑄過程的重要工具。
所謂原型,就是原始的造型。也叫做模板、芯模或樣件。電鑄的目的就是從原型上進(jìn)行復(fù)制。對(duì)于以復(fù)制為目的的加工來說,電鑄技術(shù)也就是各種成型物外形最好的克隆技術(shù)。因此,電鑄原型的設(shè)計(jì)和制作是電鑄加工最重要的前期技術(shù)。
如果是以電鑄的方法制造模具的型腔,這時(shí)的原型相當(dāng)于一個(gè)陽模,而電鑄成型制品就是用來復(fù)制這個(gè)原型的陰模。由于電鑄過程是以電沉積金屬對(duì)原型進(jìn)行包覆式鍍覆,所以通常將原型稱為芯模。
電鑄原型對(duì)電鑄的成敗起著關(guān)鍵的作用。因此,在電鑄之前,要在電鑄的原型上多用功夫,才能收到事半功倍的效果。如果對(duì)電鑄原型缺乏全面的認(rèn)識(shí),要想做好電鑄加工是有困難的。
但是電鑄不僅僅只是用來制造模具,也用來直接或間接生產(chǎn)產(chǎn)品。這時(shí),電鑄過程的產(chǎn)物就是一件產(chǎn)品,而不是用做再加工的模具。
電鑄的另一個(gè)應(yīng)用是用來生產(chǎn)特殊材料,比如金屬箔或網(wǎng),或者制造異形管、曲面等。對(duì)于這些不同用途的電鑄,要選用不同的原型。
有時(shí)原型就是一件成品,是一件準(zhǔn)備拿來仿制的樣件。這種樣件有時(shí)還是不能被破壞的,但是卻又要一模一樣地復(fù)制出來,這就要用到各種原型的復(fù)制技術(shù)。再在復(fù)制出的原型上進(jìn)行電鑄。
總之,電鑄用的原型非常重要而又五花八門。人們經(jīng)過一百多年的實(shí)踐,對(duì)電鑄原型的認(rèn)識(shí)也在進(jìn)一步深化。隨著材料技術(shù)和電沉積技術(shù)的進(jìn)步,以前不可能作為原型的材料和制品現(xiàn)在也可以用做電鑄的原型??梢哉f在不同的生產(chǎn)力水平下,使用著不同的原型材料和制作方法。
以碟片的制造為例,在采用鋼盤作平面載音器記錄聲音之后,制造錄音的原型曾經(jīng)用過的材料有涂石蠟的鋅盤、純蠟盤、涂有硝化纖維的鋁盤和鍍有光亮銅層的耐蝕鋼盤。經(jīng)歷了近百年發(fā)展、唱片工業(yè)生產(chǎn)制造原型的材料經(jīng)歷過四次改變。而現(xiàn)在,在用激光技術(shù)來記錄和復(fù)制聲音的情況下,原型材料已經(jīng)是特殊的光學(xué)玻璃。
原型材料的選擇要考慮到材料科學(xué)的當(dāng)代水平,以及材料技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的合理性。同時(shí),還要考慮材料的物理、化學(xué)和力學(xué)性能。
①材料的表面導(dǎo)電性。制作原型的材料表面應(yīng)該是導(dǎo)電的,因此很多原型采用金屬材料制作。如果是非金屬材料制作的原型,則要進(jìn)行表面金屬化處理,使其表面具有導(dǎo)電性,才能進(jìn)行電鑄加工。
②材料的熱性能。由于涉及原型的制作、脫出和電鑄精度等問題,制作電鑄原型材料的熱物理性能對(duì)電鑄制品的質(zhì)量有著直接的影響。包括材料的體積和線膨脹系數(shù)、熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率、熱容量、熱穩(wěn)定性、耐冷性等。在對(duì)原型進(jìn)行化學(xué)和物理加工而涉及到溫度變化時(shí),所用材料應(yīng)不受影響和損壞。在尺寸方面要考慮易于與母型分離。
③材料的物理性能。用于制作電鑄原型的材料的密度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率、彈性模量、沖擊韌性、硬度等要根據(jù)不同電鑄制品的不同要求而有所考慮。所采用的材料應(yīng)能允許進(jìn)行機(jī)械加工和承受一定的載荷。
④材料的化學(xué)性能。材料的抗蝕性、耐浸蝕能力、形成氧化膜的速度、導(dǎo)電層與非金屬基體的附著力、氫脆性、溶脹性、金屬鈍化性、腐蝕疲勞極限等都是要加以考慮的因素,要使原型能經(jīng)受溶液韻浸蝕作用,還要與電鑄材料不產(chǎn)生相互作用。
⑤材料的特殊性能。所謂特殊性能,是指光學(xué)、磁性、表面粗糙度、抗表面滲氫能力、熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、絕緣性等,有時(shí)某些性能可能是決定性的,例如易熔性原型的熔點(diǎn)。
根據(jù)以上電鑄原型選用材料的原則,我們可以將電鑄原型分成兩大類:一是金屬原型類;另一種非金屬原型類。
如果從模具原型的使用情況來看,電鑄原型又可以分為一次使用原型和反復(fù)使用性原型。
(2)金屬原型
金屬原型是電鑄加工中常用的原型。由于金屬具有良好的導(dǎo)電性能,在其表面獲得電沉積金屬層很方便。另一方面,金屬又具有良好的加工性能,可以獲得很高的光潔度,可以拋光至鏡面,也可以加工成各種特殊的形狀。因此,在選用電鑄原型材料時(shí),金屬原型是首選。
以前對(duì)可以用做電鑄原型的金屬有一些限定,也就是說并不是所有金屬都可以用做電鑄原型。而現(xiàn)代的材料和表面處理技術(shù)可以使任何金屬都可以用做電鑄原型,至少在理論上是這樣的。
雖然金屬有著許多共性,但是畢竟金屬本身也有自己的分類和不同的特性,有時(shí)這種性質(zhì)的差別還非常大。因此,即使用金屬來做電鑄原型,也會(huì)因材而異,不可一概而論。細(xì)分起來,有如下幾種。
①低熔點(diǎn)金屬或合金。低熔點(diǎn)金屬或合金適合做一次性電鑄原型,但是材料本身則是可以通過回收而反復(fù)使用。比如鉛、錫和它們的合金。這是與非金屬一次性原型最大的不同,也是低熔點(diǎn)金屬或合金原型材料的優(yōu)點(diǎn)之一。
鋅和鎘以及它們的合金也可以用做制造一次性或反復(fù)使用性原型。
低熔點(diǎn)金屬制作原型的優(yōu)點(diǎn)是成型方便,也可以利用模具包括膠膜進(jìn)行成型,其缺點(diǎn)是不易獲得主光亮度的表面,并且表面硬度不高,容易劃傷。
②易溶金屬或合金。易溶金屬是指能在化學(xué)溶液里被溶解的金屬。這種金屬最為典型的是鋁及其合金。由于鋁的加工成型性能比低熔點(diǎn)金屬或合金要好得多,力學(xué)性能也要好許多。且表面可以獲得有方便脫模作用的氧化膜,因此既可以作為反復(fù)使用性原型,也可以用做一次性使用原型。當(dāng)用做一次使用原型時(shí),不是靠高溫熔化來脫出芯模,而是以化學(xué)溶解的方法讓鋁在堿性腐蝕劑中溶解掉。鎂及其合金也和鋁一樣可以用做這類電鑄原型。
③易加工高強(qiáng)度金屬。銅及其合金等屬于這類原型材料。銅合金有良好的加工性能和力學(xué)性能,可以制作出精密的原型制品,并且可以通過表面鍍鎳和鉻而使之具有良好的脫出性能。
耐蝕鋼和普通鋼也可以制作原型,比如45號(hào)鋼。耐蝕鋼在工業(yè)中被用來制作電鑄波導(dǎo)管。有些原型是在鋼上電鍍光亮銅后用于電鑄,比如唱片制造中的鎳模就是以這種材料為原型在氨基磺酸鹽鍍鎳中制取的。而用于紡織品染色的帶孔滾筒是在銅質(zhì)圓柱狀原型上電鑄獲得的。
采用不銹鋼或鈦制成的空心圓柱體原型是用來連續(xù)電鑄金屬箔或網(wǎng)的工具。這時(shí)將圓柱的兩端用塑料等進(jìn)行屏蔽,隨著原型的緩慢旋轉(zhuǎn),就可以從其表面揭下電鑄出來的箔或網(wǎng)。因?yàn)椴讳P鋼和鈦表面的天然鈍化膜對(duì)電鑄層與原型的分離有較好的效果。有些金屬原型僅僅對(duì)表面做簡單的處理就可以進(jìn)行電鑄,比如以鋁合金所制成的原型,但是有些金屬原型要經(jīng)過比較復(fù)雜一些的前處理才能夠進(jìn)入電鑄程序。
(3)非金屬原型
非金屬原型由于加工成型性能好,容易較快和較方便地表達(dá)形狀復(fù)雜的造型,因此是制造電鑄原型的主流材料。
常用的非金屬原型材料有各種樹脂、塑料、石膏、石蠟、木材等,但是非金屬原型在電鑄前必須要對(duì)其表面進(jìn)行金屬化處理,否則是不能進(jìn)行電鑄的。比如塑料、石蠟等。因此,從方便電鑄的角度看,盡量采用金屬原型為好,但是金屬原型只適合于形狀簡單和加工周期短的制品,對(duì)于復(fù)雜的制品,如果采用金屬制作原型,所費(fèi)的功夫不亞于人工開金屬模,不如就直接制造金屬模,不必再用電鑄。因此,無論是從成本、加工周期、精細(xì)程度等各個(gè)方面來看,采用非金屬制作原型都比金屬原型方便。
在快速成型技術(shù)產(chǎn)生以后,快速成型機(jī)所用的材料也多數(shù)為非金屬材料,比如光固化樹脂、激光燒結(jié)陶瓷、硅溶膠粘接陶瓷、熱壓膠紙等。