冲压模具的快速成型

毕业设计冲压模具的快速成型学生姓名： 张文泽 学号： 125011214系 部： 机械工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 梁红玉 二一四年六月诚信声明 本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目：冲压模具的快速成型 系部： 机械工程系 专业： 机械设计制造及其自动化 学号： 125011214 学生： 张文泽 指导教师（含职称）： 梁红玉（教授）专业负责人： 田静 1设计的主要任务及目标本课题的主要任务是研究冲压模具的快速成型制造工艺过程，其中包括对冲压模具的熟悉、采用三坐标测量机对冲压模具的测量、用Pro/Engineer三维建模软件对冲压模具的建模、用快速成型设备制造模具原型、将模具原型装配等。通过对该课题的研究，熟悉冲压模具快速成型制造的工艺过程，为将来的生产生活打下良好的理论基础。2设计的基本要求和内容（1）熟悉整套冲压模具，其凹模、凸模、以及各部分零件等。（2）熟悉三坐标测量机，采用三坐标测量机对冲压模具的各部分进行测量。（3）采用三维建模软件Pro/Engineer对冲压模具的各部分进行建模。（4）熟悉快速成型原理，并用快速成型机床制造冲压模具的原型。（6）按论文撰写规范撰写规范完成论文的撰写以及各项答辩等工作。3主要参考文献2李奇涵.冲压成形工艺与模具设计M.第二版.北京:科学出版社,20103宋满仓.模具制造工艺M.北京:电子工业出版社,2010.14王广春,赵国群.快速成型与快速模具制造技术及其应用M.第三版.北京：机械工业出版社,2013.15郑叔芳,吴晓琳.机械工程测量学M.北京:科学出版社，1999.8支保军,胡静,李绍勇.Pro/ENGINEER Wildfire 5.0中文版入门与提高M.北京:清华大学出版社,2011.84进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1收集资料、撰写开题报告并做开题答辩1月10日3月10日2拆装、熟悉冲压模具3月11日3月28日3对三坐标测量机进行研究并做中期答辩3月28日4月29日4对快速成型机床进行研究并制造模具4月29日5月20日5撰写毕业论文说明书并做毕业答辩5月20日6月18日冲压模具的快速成型摘要:模具是工业生产中使用极为广泛的基础工艺装备。先进制造技术的出现正急剧改变着制造业的产品结构和生产过程，对模具行业也是如此，模具制造现代化正成为国内外模具业发展的一种趋势。快速成型制造（Rapid Prototyping & Manufacturing，RP&M）技术，是上世纪80 年代中期速发展起来的应用于制造业的先进制造技术。将快速成型技术应用与模具的制造，利用快速原型作母模来翻制模具，便产生了基于快速原型的快速模具制造技术（Rapid Tooling，RT）。本文以一套模具为例，首先采用三坐标测量机对其各部分进行测量，在获得精准测量数据后，采用快速成型制造工艺对其进行制造，以此来阐述模具的快速成型制造这一技术。关键词：模具、模具制造、快速成型、三坐标测量机Rapid Prototyping of Press toolAbstract: Mold industrial production is the basic technical equipment which is widely used in industrial production .The emergence of advanced manufacturing technology is rapidly changing the product mix and production process of manufacturing, the same holds true for the mold industry. Mould manufacturing modernization is becoming a trend of the development of the mould at home and abroad. Rapid Prototyping Manufacturing (Rapid Prototyping & Manufacturing, RP&M) technique was developed in the mid - 1980s, applied in the advanced manufacturing technology of manufacturing industries, rapid prototyping is used as the master pattern to the mold, then to produce a rapid tooling which is based on rapid prototype manufacturing technology (Rapid Tooling, RT).In this paper, based on a set of mould as an example, the Coordinate Measuring Machine can be used to measure the parts. After obtaining accurate measured data, the adoption of rapid prototyping manufacturing technology is aim to state the technology of the rapid prototype manufacturing.Keywords: Mold Mold manufacturing Rapid prototyping Coordinate measuring machine目 录1.绪论11.1课题的提出的背景及意义11.2论文研究的主要内容及研究手段21.2.1本文研究的主要内容21.2.2本文研究的主要手段21.3本文的主要参考文献22. 冲压模具及冲压模具传统制造工艺42.1冲压与冲压模具的概念42.1.1冲压成形基本问题42.1.2冲压模具基本结构52.2模具传统制造工艺概述62.2.1模具制造的基本要求与特点62.2.2模具制造的工艺路线72.2.3模具传统的主要加工方法82.3冲裁模的传统制造工艺102.3.1冲裁模凸模和凹模的主要技术要求102.3.2冲裁模凸模和凹模的传统制造工艺过程102.3.3冲裁模的装配和调整153. 快速成型173.1快速成型与快速成型技术概述173.2快速成型技术的原理173.3快速成型基本工艺过程183.3.1三维模型构造183.3.2三维模型的近似处理183.3.3三维模型的切片处理193.3.4截面加工193.3.5截面叠加193.3.6后处理193.4快速成型的主要工艺方法及分类203.5熔融沉积快速成型工艺213.5.1熔融沉积快速成型工艺的基本原理213.5.2熔融沉积快速成型材料223.6冲裁模的熔融沉积快速成型工艺过程233.6.1前处理233.6.2成型263.6.3后处理273.7熔融沉积快速成型工艺因素分析273.7.1熔融沉积快速成型工艺主要影响因素分析273.7.8 冲裁模熔融沉积快速成型时所遇问题分析及解决304.三坐标测量机314.1三坐标测量机概述314.2三坐标测量机的基本原理及组成314.2.1三坐标测量机的基本原理314.2.2三坐标测量机的基本组成324.3三坐标测量机的分类334.4三坐标测量机的测量系统344.4.1标尺系统344.4.2测头系统354.4三坐标测量机的控制系统工作原理374.4.1手动型与机动型控制系统374.4.2 CNC型控制系统374.4.3测量进给控制384.5三坐标测量机软件系统384.5.1编程软件394.5.2测量软件包394.5.3系统调试软件394.5.4系统工作软件404.6三坐标测量机的应用405.总结415.1论文撰写过程总结415.2课题研究得出结论415.3展望42参考文献43致谢45III太原工业学院毕业设计1.绪论1.1课题的提出的背景及意义产品的制造离不开模具，而模具的设计、制造是一个多环节、多反复的复杂过程。传统的模具制造要用到车、铣、刨、钻、磨、电蚀等加工方法，才能得到所需的模具形状和尺寸。要设计和制造出一副合格的模具，往往需要经过由设计、加工到试模的多次反复，因此模具制作成本高、周期长，而且精度不易保证，有时甚至造成模具的报废。当前，随着人类进入信息时代和全球化统一市场的形成，企业间的竞争愈来愈激烈，产品更新的周期越来越短，对产品的质量要求也越来越高，传统模具生产已很难适应当前的形势。快速成型制造技术（Rapid Prototyping，RP）是20世纪80年代后期发展起来的一种先进制造技术，它将现代计算机辅助技术、激光加工技术及新材料技术集于一体，其原理是根据对三维CAD电子模型进行分层切片处理，得到一系列的二维截面轮廓，然后用激光束或其它方法切割、固化或烧结某种状态材料，得到一层层的产品截面并逐步叠加成三维实体。RP技术摒弃了传统机械加工的材料“去除”加工法，而采用全新的材料“增长”加工法，将复杂的三维加工分解成简单的二维加工的组合。目前，这一新技术在工业发达国家中己被应用于航空航天、汽车制造、医疗器械以及家电等行业中，其中汽车制造业中应用所占的比例最大，约占25%左右。随着近年来RP技术迅速发展，出现了一个新领域快速模具制造（Rapid Tooling，RT）。RT采用RP技术直接或间接制造模具，只需传统加工方法的1030%工时和2035%的成本，既大大提高了新产品的研制速度，又节省了新产品试制和模具制造的费用，因此，该技术一问世便得到人们的高度重视，成为企业提高竞争力的有力手段。随着计算机、激光、电子、新材料、新技术的发展，快速原型及快速制模技术如虎添翼，应用范围不断扩大，类型不断增多。快速制模技术与传统的机械加工相比，具有制模周期短、成本低、精度与寿命又能满足生产使用要求的特点，可以迅速响应市场和用户需求的变化,加快产品投放市场的速度，对于形状比较复杂的中小型模具，具有比较显著的综合经济效益。本文“冲压模具的快速成型”，正是在这种背景下提出的。虽然这一课题早有提出及研究，但撰写本文目的在于对冲模具的快速成型这一技术进行详细阐述。1.2论文研究的主要内容及研究手段1.2.1本文研究的主要内容本文以一套冲压模具为例，详细阐述了模具快速成型的基本过程、方法，以及模具快速成型过程常采用的设备、软件等，并对模具的传统制造工艺以及先进制造工艺进行了比对。本文共分五章，第一章绪论，介绍了这一课题产生的背景及这一课题研究的主要内容；第二章冲压模具简介，以本文所选定的冲压模具为例，介绍了冲压模具的基本结构以及传统制造工艺。第三章冲压模具的快速成型，该章详细介绍了快速成型技术的同时，结合选定的冲压模具介绍了冲压模具快速成型的方法。第四章三坐标测量机的应用，该章重点介绍了现今机械领域先进的测量设备“三坐标测量机”，并结合冲压模具的测量详细介绍了其使用方法，三坐标测量机与快速成型设备的结合应用，不失为是一种先进的“反求”理论。第五章总结，对本文的研究结果以及研究中发现的问题做了总结，并对这一课题中存在的不足提出了展望。1.2.2本文研究的主要手段研究过程中，首先选定一套冲压模具；然后采用三坐标测量机对其进行测绘工作，结合模具的设计、制造得到二维图后用Pro/E对模具的各部分进行三维建模；再对三维模型进行数据处理转化为快速成型设备系统可识别的文件；最后通过快速成型设备获得快速原型，并将快速原型进行装配，进行模具结构的合理性检验等工作。1.3本文的主要参考文献在本文撰写过程中，重点参考了由王广春、赵国群等主编的快速成型与快速模具制造技术及其应用一书，该书详细阐述了快速成型技术，并将快速成型技术与模具的制造结合在一起，为快速模具制造提供了理论基础。除此之外还参考了由太原理工大学张昌明于2006年5月撰写的硕士学位论文基于RP的快速模具制造技术研究。本文的撰写过程中所收集的参考文献内容涉及到了测量技术、模具设计、模具制造、快速成型技术等，所收集文献类型涉及到期刊、专著、论文等，在此不一一列出，详见“参考文献”。同时，特别感谢太原工业学院梁红玉教授在本文的撰写过程中给予的大力的帮助与指导。2. 冲压模具及冲压模具传统制造工艺2.1冲压与冲压模具的概念2.1.1冲压成形基本问题（1）冲压基本概念冲压是一种先进的材料（金属或非金属）加工方法，它是建立在材料塑性变形的基础上，利用模具和冲压设备对板料进行加工，以获得要求的零件形状、尺寸和精度。冲压加工因制件的形状、尺寸和精度的不同，所采用的工序不同。根据材料的变形特点可将冷冲压工序分为分离工序（二维冲压工序）和成形工序（三维冲压工序）两类。分离工序是指板料在冲压力作用下，变形部分的应力达到强度极限以后，使坯料发生断裂而产生分离。分离工序包括落料、冲孔、剪切、切断、切槽切口和切边等几大类，其所用的冲模可通称为冲裁模，其中有代表性的为落料模、冲孔模、切边模以及包含多道工序的复合模和连续模。成形工序是指坯料在冲压力作用下，变形部分的应力达到屈服极限，但未超出抗拉强度极限，使板料产生塑性变形，称为具有一定形状、尺寸与精度制件的加工工序。（2）冲压模具基本概念冲压模具是指在冲压加工中，将材料（金属或非金属）加工成零件（或半成品）的一种特殊工艺装备，称为冲压模具，由于冲压加工一般是在常温下进行的， 冲压模具俗称冷冲模。冲压模具的形式很多，一般可按以下几个主要特征分类，根据工艺性质分类，可分为冲裁模、弯曲模、拉深模、成型模等；根据工序组合程度分类，可分为单工序模和级进模（也称连续模）。本文所选模具为冲裁模，即沿封闭或敞开的轮廓线使材料产生分离的模具。2.1.2冲压模具基本结构以本文所选模具为例进行分析，整套模具如图2.1所示。图2.1模具可分为上模、下模两部分，如图2.2所示。图2.2冲压模具中上模最显著的特征是具有模柄，此部分与压力机相连。同时由上模座、垫板、导套、凸模、定位销、螺栓等组成，见图2.3。图2.3，上模及其组成下模由下模座、导柱、凹模、凹模板、定位销、螺栓等组成，见图2.4。图2.4，下模及其组成此为冲压冲裁模具的基本结构，其他类型的冲压模具亦有其具体的结构，但既然是冲压模具就必然具有模柄这一特征，以及上模座、下模座、导柱、导套、垫板、等部件，只是不同冲压模具凸凹模的结构设计不同而已，在此不再赘述。2.2模具传统制造工艺概述2.2.1模具制造的基本要求与特点（1）模具制造的基本要求在工业产品生产中，应用模具的目的在于保证产品质量，提高生产率和降低生产成本等。为此，除了正确进行模具设计，采用合理的模具结构之外，还必须以先进的模具制造技术作为保证。制造模具时，不论采用哪一种方法都应满足制造精度高、使用寿命长、制造周期短、模具成本低，这四个基本要求。这四个指标是相互关联、相互影响的。片面追求模具精度和使用寿命必然会导致制造成本的增加。当然，只顾降低成本和缩短制造周期而忽视模具精度和使用寿命的做法也是不可取的。在设计与制造模具时，应根据实际情况作全面的考虑，即应在保证制品质量前提下，选择与制品生产量相适应的模具结构和制造方法，使模具成本降低到最低限度。（2）模具制造的特点严格来说模具制造也属机械制造的研究范畴，但一个机械制造能力较强企业，未必都能承担模具制造任务，更难保证制造出高质量的模具。因为模具制造难度较大，与一般机械制造相比有许多特俗性，如：制造质量要求高，形状复杂，材料硬度高，单件生产等。2.2.2模具制造的工艺路线模具制造的基本工艺路线如图2.5所示。图2.5首先，根据制品零件图样或实物进行估算，然后进行模具设计、零件加工、装配调整、试模，直到生产出符合要求的制品。分析估算，在接受模具制造委托时，首先要根据制品零件图样或实物，分析研究将采用模具的套数、模具结构及主要加工方法，然后进行模具估算，估算的内容包括：模具费用、交货期、模具总寿命、制品材料、所用设备等。模具设计，在进行模具设计时，首先要尽量多收集信息，并认真地加以研究，然后进行模具设计。模具制图，设计模具时对模具绘制零件图和装配图。装配图，如果模具设计方案及结构已经确定，就可以绘制装配图。零件图，零件图要根据装配图绘制，使其满足各种配合关系，并注明尺寸公差及表面粗糙度，有的还要求写明技术条件。标准件不必画零件图。零件加工，每个需要加工的零件，都必须按图样要求制订其加工工艺（填写工艺卡），然后分别进行粗加工、半精加工、热处理及精修抛光。装配调整，装配就是把加工好的零件组合在一起构成一幅完整的模具。在这一过程中，仅仅把加工好的零件紧固，或是打入定位销等纯装配操作是及少见的。一般都是在装配调整过程中进行一定的人工整修或机械加工。试模，装配调整好的模具，还需要安装在机器设备上（如冲床、注射机等）进行试模。检查模具在运行过程中是否正常，所得到的制品形状尺寸等是否符合要求。如有不符合要求的则必须拆下来加以修正，以便再次试模，直到完全能正常运行并能加工车合格的制品。2.2.3模具传统的主要加工方法将材料加工成模具的方法，主要有机械加工、特种加工、塑性加工、铸造和焊接等。（1）机械加工机械加工（即传统的切削与磨削加工）是模具制造不可缺少的一种重要的加工方法。即使是用其他加工方法制造模具，也需要切削或磨削加工来完成某些工作。例如模架加工、模坯加工、模具面型加工以及孔类加工等。机械加工的明显特点是加工精度高、生产效率高，而且用相同的机床或工具可以加工出各种形状和尺寸的工件。但是，用机械加工方法加工复杂形状时，其加工速度很慢，硬的材料也难于加工；材料的利用率不高；而且还要求有熟练的操作工人。尽管如此，在模具制造过程中机械加工仍然是主要的加工手段。（2）特种加工特种加工是有别于传统机械加工方法的非传统加工方法，也称电加工。从广义上说，特种加工是指那些不需要用比工件更硬的工具，也不需要在加工过程中施加明显的机械力，而是直接利用电能、化学能、声能、光能等来除去工件上的多余部分，以达到一定的形状、尺寸和表面粗糙度要求的加工方法，其中包括电火花成形加工、电火花线切割加工、电解加工、电化学抛光、电解磨削、电铸、化学腐蚀、超声波加工、激光加工等。特种加工相对于传统的机械加工，有如下特点：加工情况与工件的硬度无关，可以实现以柔克刚；工具与工件一般不接触，加工过程不必施加明显的机械力；可加工各种复杂形状的零件；易于实现加工过程自动化。正因为特种加工有上述这些可贵的特点，所以特种加工在模具制造中得到越来越广泛的应用，并成为模具加工中的一种重要方法。（3）塑性加工塑性加工主要是冷挤压制模法，即将淬火过的成形模（原阳模）强有力的压入未进行硬化处理的模坯（钢或其他软质材料）内，使原阳模的形状复印在被压模坯上，制成所需要的模具。冷挤压制模法所成形的模具完全不需要将型面进行精加工，它制模速度快、省料，可以制成各种复杂型面的模具，且形状精确，利于用一套原模制造多副相同模具。这种制模法一定要事先一个成形的原阳模，而且压制后的模具在淬火时会引起变形。（4）铸造对于一些精度和使用寿命要求不高的模具，人们往往会用简单方便的铸造法快速制成。（5）焊接焊接法制模是将分散加工好的模块焊接在一起，形成所需的模具。这种制模方法与整体加工相比，加工简单、快速省料、尺寸大小不受限制。但精度难以保证，易残留热应变及内部应力，承受冲击的能力差。主要用于精度要求不高的大型模具的制造，或是用于模具修复。2.3冲裁模的传统制造工艺冲压模具包括冲裁模、弯曲模、成形模和冷挤压模等。本文所采用的模具为冲裁模，下面以本文所选定的冲裁模为例重点介绍冲裁模具的制造工艺。2.3.1冲裁模凸模和凹模的主要技术要求凸模、凹模是冲裁模的主要工作零件。凸模与凹模都有雨制件轮廓形状一样的锋利刃口，凸模和凹模之间存在一圈很小的间隙。在冲裁时，板料对凸模和凹模刃口产生很大的侧压力，导致凸模和凹模都与制件或废料发生摩擦、磨损。模具刃口越锋利，冲裁件断面质量越好。合理的凸、凹模间隙能保证制件有较好的断面质量和较高的尺寸精度，并且还能降低冲裁力和延长模具使用寿命。凸、凹模一般应该满足以下几点要求：既是结构合理；高的尺寸精度、形位精度、表面质量和刃口锋利；足够的刚度和强度；良好的耐磨性；一定的疲劳强度。这些要求在模具制造过程中都有加以注意。2.3.2冲裁模凸模和凹模的传统制造工艺过程对于同一个零件，由毛坯制成零件的途径是多种多样的，也就是说，一个零件可以有几种不同的工艺过程。工艺过程不同，则生产率、成本以及加工精度往往也有显著的差别。为了保证零件质量、提高生产率和降低成本，在制定工艺过程的时，应根据零件图样的要求和工厂的实际生产条件，制定出一种最合理的工艺过程。现以本文所选冲裁模的凸凹模为例，采用传统的车、铣、刨、磨等机械加工方法进行制造，对凸模和凹模编制加工工艺。（1）凸模工艺过程本文所述冲裁模的凸模如图2.6所示，图2.6此凸模由凸模固定板、冲裁刃一、冲裁刃二三部分装配而成，如图2.7，冲裁刃一与冲裁刃二过盈装配于凸模固定板上。图2.7凸模固定板 冲裁刃一 冲裁刃二凸模固定板的零件图见图2.8，材料为Cr12MoV，硬度为5862HRC，其加工工艺过程工艺见表2.1，图2.8表2.1零件序号工序工艺要求凸模固定板1备料10097202铣削至1009720，且各面间保持垂直、平行。3钻孔钻10通孔、螺纹孔；钻B、C装配孔，孔径小于各冲压孔最小边。4铣削铣削两B、C装配孔至接近要求尺寸，并留出0.5mm余量。5磨削铣削两B、C装配孔至接近要求尺寸，并留出0.4mm余量。6铰铰6个螺纹孔至尺寸要求7热处理热处理至6064HRC。8磨削至各面至尺寸要求9钳局部修整，注意装配面冲裁刃一的零件图见图2.9，材料为Cr2MoV，硬度为5862HRC，其加工工艺过程工艺见表2.2，图2.9表2.1零件序号工序工艺要求冲裁刃一1备料4219742铣削铣至42.519.574.5。3磨削磨至42.519.574.5。4热处理热处理至6064HRC。5磨削各面均匀去除至尺寸要求。7钳局部修整，抛光工作面，刃磨刃口。冲裁刃二零件的零件图见图2.10，材料为Cr2MoV，硬度为5862HRC，其加工工艺过程工艺见表2.3，图2.10表2.3零件序号工序技术要求冲裁刃二1备料4219742铣削将各表面铣出，留余量0.5mm。3磨削将各表面磨至余量0.4mm。4热处理热处理至6064HRC。5磨削各面均匀去除至尺寸要求。6钳局部修整，抛光工作面，刃磨刃口。根据上述表格中对凸模固定板、冲裁刃一、冲裁刃二的制造工艺将其制造完成后，再将凸模按照过盈配合要求装配完成。以上为此冲裁模凸模的传统制造工艺及要求。（2）凹模工艺过程本文所述冲裁模的凹模如图2.11所示，图2.11凹模的零件图见图2.12，材料为Cr2MoV，硬度为5862HRC，其加工工艺过程工艺见表2.4，图2.12表2.4零件序号工序工艺要求凹模1备料10097252铣削至100.597.520.5，且各面间保持垂直、平行。3磨削至100.497.420.4，且各面间保持垂直、平行。4钻孔钻10通孔、11通孔；钻刃口孔，孔径小于各冲压孔最小边。5铣削铣削两刃口孔至接近要求尺寸，并留出0.5mm余量。6磨削磨削两刃口孔至接近要求尺寸，并留出0.4mm余量。7热处理热处理至6064HRC。8磨削至各面至尺寸要求。9钳局部修整，抛光刃口。根据以上工艺要求，完成对冲压模具凹模的加工制造。以上即为此冲裁模凹模的传统制造工艺及要求。2.3.3冲裁模的装配和调整要制造出一幅合格的冲裁模，除了保证模具零件的加工精度外，还必须做好装配工作。装配就是按照规定的技术要求把所有零件连接起来，使之成为合格的模具。装配是模具制造过程的一个重要环节，装配质量的好坏将直接影响冲件的质量和模具的使用寿命。在装配之前，必须仔细研究图样，根据模具结构的特点和技术要求，确定合理的装配次序和装配方法。此外，还应该检查模具零件的加工质量，如凸、凹模刃口尺寸等，然后按照规定的技术要求进行装配。模具装配以后必须在生产条件下进行试冲。冲出的工件按冲压零件产品图或试样进行检查验收。在检查验收过程中，如发现各种缺陷，则要仔细分析，找出原因，并对模具进行适当的调整和修理，然后再试冲，直到模具正常工作并得到合格的冲件为止。3. 快速成型3.1快速成型与快速成型技术概述快速成型（也称快速原型）制造技术（Rapid Prototyping & Manufacturing，RP & M）。它借助计算机、激光、精密传动和数控等现代手段，将计算机辅助设计和计算机辅助制造集成于一体，根据计算机构造的三维模型，能在很短的时间内直接制造产品模型或样品，无需传统的机械加工机床和模具。快速成型技术的出现，开辟了不用刀具、模具而制作原型和各类零部件的新途径，也改变了传统的机械加工去除式的加工方式，而采用逐层累积式的加工方式，带来了制造方式的变革。从理论上讲，添加成型方式可以制造任意复杂形状的零部件，材料利用率可达100%。和其他先进技术相比，快速成型技术具有自由成型制造、制造过程快速、添加式和数字化驱动成型方式、技术高度集成、突出的经济效益、广泛的应用领域等特点。随着快速成型软件、硬件设备与快速成型材料的不断发展和完善，快速成型件的强度和精度得到不断提高，快速成型技术已经逐渐的深入到快速模具制造领域，基于快速成型方法制造各类简易、经济的快速模具已成为快速成型制造技术的应用的热点。3.2快速成型技术的原理快速成型的制造方式是基于离散堆积原理的累加式成型，从成型原理上提出了一种全新的思维模式，即将计算机上设计的零件三维模型，表面三角化处理，存储成STL文件格式，对其进行分层处理，得到各层截面的二维轮廓信息，按照这些轮廓信息自动生成加工路径，在控制系统的操作下，选择性的固化或烧结或切割一层层的成型材料，形成各个截面轮廓薄片，并逐步顺序叠加成三维实体，然后进行实体的后处理，形成原型，如图3.1所示。图3.13.3快速成型基本工艺过程3.3.1三维模型构造由于快速成型系统只接受计算机构造的产品三维模型，然后才能进行切片处理，因此首先应在计算机上用CAD软件，如：Pro/Engineer，I-DES，Solid Work等，根据产品要求设计三维模型，在本论文中采用Pro/Engineer软件进行三维建模；或将已有的二维三视图转换成三维模型；或在仿制产品时，用扫描机对已有的产品实体进行扫描，得到三维模型，即反求工程的三维重构。3.3.2三维模型的近似处理由于产品上往往有一些不规则的自由曲面，加工前必须对其进行近似处理。最常用的方法是用一系列小三角形平面来近似逼近自由曲面。每个小三角形用三个顶点坐标和一个法向量来描述。三角形的大小是可以选择的，从而得到不同的曲面近似程度。经过近似处理的三维模型文件成为STL格式文件，它由一系列相连的空间三角形组成，这类似于实体数据模型的表面有限元网格划分。STL文件格式可以被大多数快速成型机所接受，因此被工业界认为是目前快速成型数据的准标准，几乎所有类型的快速成型制造系统都采用STL数据格式。典型的CAD软件都有转换和输出STL格式文件的接口，但有时输出的三角形会有少量错误，需要进行局部的修改。3.3.3三维模型的切片处理由于快速成型工艺是按一层层截面轮廓来进行加工，因此加工前必须从三维模型上沿成型高度方向每间隔一定的间距进行切片处理，以便提取截面的轮廓。间隔的大小按精度和生产率要求选定。间隔越小，精度越高，但成型时间越长。间隔的范围为0.05mm0.5mm，常用0.1mm，能得到相当光滑的成型曲面。切片间隔选定后，成型时每层叠加的材料厚度应与其相适应。各种成型系统都带有切片处理软件，能自动提取模型的截面轮廓。3.3.4截面加工根据切片处理的截面轮廓，在计算机控制下，快速成型系统中的成型头（如激光扫描头或喷头）在xy平面内自动按截面轮廓进行扫描，切割纸（或固化液态树脂，烧结粉末材料，喷射粘结剂和热熔材料），得到一层层截面。3.3.5截面叠加每层截面成型之后，下一层材料被送至已成型的层面上，然后进行后一层截面的成型，并与前一层面相粘结，从而将一层层的截面逐步叠合在一起，最终形成三维产品。3.3.6后处理从成型机中取出成型件，进行打磨、涂挂，或放进高温炉中烧结，进一步提高其强度。对于SLS工艺，成型件放入高温炉中烧结是为了使粘结剂挥发掉，以便进行渗金属处理（如渗铜）。快速成型制造工艺流程如图3.2所示，图3.23.4快速成型的主要工艺方法及分类快速成型技术是20世纪80年代中期发展起来的一项高新技术，从1988年世界上第一台快速成型机问世以来，快速成型技术的工艺方法目前已有十余种。根据所使用的材料和建造技术的不同，目前应用比较广泛的方法有：采用光敏树脂材料通过激光照射逐层固化的光固化成型法（Stereo Lithography Apparatus，SLA）、采用纸材等薄层材料通过逐层粘结和激光切割的叠层实体制造法（Laminated Object Manufacturing，LOM）、采用粉状材料通过激光选择性烧结逐层固化的选择性激光烧结法（Selective Laser Sintering，SLS）和熔融材料加热融化挤压喷射冷却成型的熔融沉积制造法（Fused Deposition Manufacturing，FDM）等。本文所采用的快速成型方法为：熔融材料加热融化挤压喷射冷却成型的熔融沉积制造法（Fused Deposition Manufacturing, FDM）。3.5熔融沉积快速成型工艺3.5.1熔融沉积快速成型工艺的基本原理熔融沉积又叫熔丝沉积，它是将丝状的热熔性材料加热熔化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。喷头可沿x轴和y轴方向移动，而工作台则沿z轴方向移动。如果热熔性材料的温度始终稍高于固化温度，而成型部分的温度稍低于固化温度，就能保证热熔性材料挤喷出喷嘴后，随即与前一层面熔结在一起。一个层面沉积完成后，工作台按预定的增量下降一个层的厚度，再继续熔喷沉积，直至完成整个实体模型。熔融沉积制造工艺的基本原理如图3.3所示。图3.3，熔融沉积工艺基本原理熔融沉积快速成型工艺在原型制作时需要同时制作支撑，为了节省材料成本和提高沉积效率，新型熔融沉积快速成型设备采用了双喷头，如图3.4所示，图3.4，双喷头熔融沉积工艺的基本原理一个喷头用于沉积模型材料，一个喷头用于沉积支撑材料。一般来说，模型材料丝精细而且成本较高，沉积的效率也低；而支撑材料丝较粗且成本较低，沉积的效率也较高。双喷头的优点除了沉积过程中具有较高的沉积效率和降低模型制作成本以外，还可以灵活地选择具有特殊性能的支撑材料，以便于后处理过程中支撑材料的去除，如水溶材料、低于模型材料熔点的热熔材料等。本文实验中所采用的快速成型设备为双喷头熔融沉积快速成型机。3.5.2熔融沉积快速成型材料熔融快速成型时所使用的材料主要有两种类型，一是成型材料，另一是支撑材料。（1）成型材料熔融沉积快速成型制造技术的关键在于热融喷头，喷头温度的控制要求使材料挤出时既保持一定的形状又有良好的粘结性能。除了热熔喷头以外，成型材料的相关特性（如材料的粘度、熔融温度、粘结性以及收缩率等等）也是该工艺应用过程中的关键。熔融沉积快速成型材料主要有ABS及医学专用的ABSi、MABS塑料丝、蜡丝、聚烯烃树脂丝、尼龙丝及聚酰胺丝等。本文所采用的材料为ABS工程塑料丝，该材料耐用无毒，具体性能见表3.1。表3.1材料抗拉强度/抗弯强度/冲击韧度/（）延伸率（）邵氏硬度玻璃化温度/ABS22411076105104（2）支撑材料熔融沉积快速成型工艺对支撑材料的要求是能够承受一定的高温、与成型材料不浸润、具有水溶性或者酸溶性、具有较低的熔融温度、流动性要特别好等。3.6冲裁模的熔融沉积快速成型工艺过程和其他几种快速成型工艺过程类似，熔融沉积快速成型的工艺过程可以分为前处理、成型及后处理三个阶段。下面以本文所选冲裁模凸模为例采用熔融沉积快速成型方式，对熔融沉积快速成型工艺过程进行具体介绍。3.6.1前处理前处理内容主要包括三维造型获取快速成型数据源以及对模型数据进行分层处理。（1）CAD数字建模采用Pro/Engineer软件通过凸模的二维图样，对冲压模具的凸模、进行三维建模设计，如图3.5所示，建模完成后，输出为STL快速成型需要的文件，如图3.6所示。图3.5 图3.6（2）载入模型将STL文件读入专用的分层软件，如图3.7所示，视窗中的长方体框架即为所使用的快速成型机的成型空间。图3.7（3）STL文件校验与修复快速成型工艺对STL文件的正确性和合理性有较高的要求，主要是保证STL模型无裂缝、空洞，无悬面、重叠面和交叉面，以面造成分层后出现不封闭的环和歧义现象。一般我们通过CAD系统直接输出为STL模型时，发生错误的概率较小。图3.8为校验无误显示的信息。图3.8（4）确定摆放方位STL数据校验无误后，即可调整模型制作的摆放方位，调整摆放方位主要遵循以下几个依据：第一是考虑模型表面精度，第二是考虑模型强度，第三是考虑支撑材料的施加，第四是考虑成型所需要的时间。其中考虑模型强度在熔融沉积快速成型中比其他几种成型工艺都显得更为重要。摆放方位调整好后，如果需要同时制作几个模型，还需要对调整好方位的模型进行复制或者调如不同的模型对其进行摆放方位调整并排列。综合考虑冲压模具凸模制作时的各种影响因数，确定一个最优的摆放方案，图3.9为最优摆放方案。图3.9（5）确定分层参数分层参数的确定就是对加工路径的规划及支撑材料的施加过程。通常情况下，分层参数是不需要进行改动的，设备调试好之后，会保存一个合理的参数集。如果对成型质量有更高的要求，也可以根据所掌握的参数设定经验，进行改动。分层参数包括层厚参数、路径参数及支撑参数等。层厚影响着模型制作表面质量及制作的时间，FDM成型中层厚范围相对于其他几种工艺较宽，通常为0.1mm0.4mm。冲压模具凸模制作的分层参数如图3.10所示。图3.10（6）储存分层文件分层参数设定完毕后，可对模型进行分层。分层完成后得到一个由层片累积起来的模型文件，存储为所用所用快速成型机识别的格式，以进行调用和修改。图3.11给出的是冲压模具凸模模型典型层片的轮廓形状。图3.11至此，前处理工作结束。3.6.2成型首先，打开快速成型机，将设备与计算机连接起来，并载入前处理生成的切片模型。工作台清洁后开始系统初始化，也就是x、y、z轴归零的过程，之后成型室进行预热，到设定温度后便可以执行打印模型命令，快速成型机开始自动进行叠层制作。刚开始时应注意观察支撑材料的粘结情况，如果发现支撑材料并没有很好地粘结在工作台上，应果断取消打印。模型成型结束后，取出模型，如图3.12所示。整个制作过程28分钟。图后处理FDM工艺成型的模型后处理比较简单，主要就是去除支撑和打磨。3.7熔融沉积快速成型工艺因素分析3.7.1熔融沉积快速成型工艺主要影响因素分析（1）材料性能的影响材料性能的变化直接影响成型过程及型件精度。材料在工艺过程中要经过固体熔体固体的两次相变，在凝固过程中，由材料的收缩而产生的应力变形会影响成型件精度。如ABS丝材，其收缩的因素主要有如下两点，一是热收缩，二是分子取向收缩。热收缩即材料因其固有的膨胀率而产生的体积变化，它是收缩产生的主要原因。成型过程中，熔态的高分子材料在填充方向上被拉长，又在随后的冷却过程中产生收缩，而取向作用会使堆积丝在填充方向的收缩率大于与该方向垂直方向的收缩率。为了提高精度，应减小材料的收缩率，可通过改进材料的配方来实现，而最基本的方法是在设计时考虑收缩量进行尺寸补偿。在目前的数据处理软件中，只能在x、y、z三个方向应用“收缩补偿因子”，即针对不同的零件形状和结构特征，根据经验采用不同的因子大小，这样零件成型时的尺寸实际上是略大于CAD模型的尺寸，当冷却凝固时，设想按照预定的收缩量，零件尺寸最终收缩到CAD模型的尺寸。（2）喷头温度和成型室温度的影响喷头温度决定了材料的粘结性能、堆积性能、丝材流量以及挤出丝宽度。喷头温度太低，则材料粘度加大，挤丝速度变慢，这不仅加重了挤压系统的负担，极端情况下还会造成喷嘴堵塞，而且材料层间粘结强度降低，还会引起层间剥离；而温度太高，材料偏向于液态，粘度变小，流动性强，挤出过快，无法形成精确控制的丝，制作时会出现前一层材料还未冷却成型，后一层就加压与其上，从而使得前一层材料坍塌和破坏。因此喷头温度应根据丝材的性质在一定范围内选择，以保证挤出的丝呈熔融流动状态。成型室的温度会影响到成型件的热应力大小。温度过高，虽然有助于减小热应力，但零件表面易起邹；而温度太低，从喷嘴挤出的丝骤冷使成型件热应力增加，容易引起零件翘曲变形。由于挤出丝冷却速度快，在前一层截面已完全冷却凝固后才开始堆积后一层，这会导致层间粘接不牢固，会有开裂的倾向。为了顺利成型，一般将成型室的温度设定为比挤出丝的熔点温度低12。（3）挤出速度的影响挤出速度是指喷头内熔融态的丝从喷嘴挤出的速度，单位时间呃逆挤出丝体积与挤出速度成正比。在与填充速度合理匹配范围内，随着挤出速度增大，挤出丝的截面宽度逐渐增加，当挤出速度增大到一定值，挤出的丝粘附于喷嘴外圆锥面，就不能正常加工。（4）填充速度与挤出速度交互的影响填充速度应与挤出速度匹配。填充速度比挤出速度快，则材料填充不足，出现断丝现象难以成型。相反，填充速度比挤出速度慢，熔丝堆积在喷头上，使成型面材料分布不均匀，表面会有疙瘩，影响原型质量。（5）分层厚度的影响分层厚度是指在成型过程中每层切片截面的厚度。由于每层有一定厚度，会在成型后的实体表面产生台阶现象，这将直接影响成型后实体的尺寸误差和表面粗糙度。对熔融沉积快速成型工艺而言，完全消除台阶现象是不可能的。一般来说，分层厚度越小，实体表面产生的台阶越小，表面质量也越高，但所需的分层处理和成型时间会变长，降低了加工效率。相反，分层厚度越大，实体表面产生的台阶也就越大，表面质量越差，不过加工效率则相对较高。为了提高成型精度，可在实体成型后进行打磨、抛光等后处理。（6）成型时间的影响每层的成型时间与填充速度、该层的面积大小及形状的复杂程度有关。若层的面积小，形状简单，填充速度快，则该层成型的时间就短；相反，时间就长。在加工时，控制好喷嘴的工