专题论文-快速制模技术

专题 快速制模技术 模具是制造业中使用量大、影响面广的工具产品。没有型腔模、压铸模、铸模、深拉模和冲压模，就无法生产出被广泛应用和具有竞争价格的塑料件、合金压铸件、钢板件和锻件。在现代批量生产中，没有高水平的模具，就没有高质量的产品，它对企业提高生产效率、降低生产成本也有重要的作用。据国外最新统计分析，金属零件粗加工的 75%、精加工的 50%和塑料零件的 90%是用模具加工完成的。因此，模具工业也被称为 “皇 冠工业 ” 。 由于市场竞争的日益激烈，产品更新换代的速度不断加快，多品种小批量将成为制造业的重要生产方式，在 这种情况下，制造业对产品原型的快速制造和模具的快速制造提出了强烈的要求。 高速加工技术的出现，为模具制造技术开辟了一条崭新的道路。 快速制模技术是一种快捷、方便、实用的模具制造技术。特别适用于新产品开发试制、工艺验证和功能验证以及多品种小批量生产。 快速制模技术 特点 快速模具制造技术与传统的模具制造技术相比 ,具有如下特点： （ 1)制造方法简单，工艺范围广 由于快速模具制造是基于材料逐层堆积的成形方法，工艺过程相对简单、方便和快捷，它不仅能适应各种生产类型特别是单件小批的模具生产，而且能适应各种复杂程 度的模具制造；它既能制造塑料模具，也能制造金属模具。模具的结构愈复杂，快速模具制造的优越性就更突出。 （ 2）模具材料可强韧化和复合化 快速模具制造工艺能方便地利用在合金中添加元素或结晶核心，改变金属凝固过程或热处理等手段，可改善和提高模具材料的性能；或者在合金中添加其它材料，可制造复合材料模具。 (3)设计周期短，质量高 由于 而可有效地降低人为的设计缺陷。设计师可利用 造的高精度模型，在设计阶段就可对产品的整体或局部进行装配和综合评价，并不断改进 ，大大地提高了产品的设计质量。 （ 4）便于远程的制造服务 由于 信息技术的应用，缩短了用户和制造商之间的距离，利用互联网可进行远程设计和远程服务，能使有限的资源得到充分的发挥，用户的需求能得到最快的响应。 快速制模技术类型 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上的使用要求，是综合经济效益比较显著的一类制造模具的技术，概括起来，有以下几种类别。 1快速原型制造技术 快速原型制造技术简称 80 年代后期发展起来 的一种新型制造技术。美国、日本、英国、以色列、德国、中国都推出了自己的商业化产品，并逐渐形成了新型产业。 光、光学扫描、 计算机辅助设计（ 计算机辅助加工 (数控 (合应用的高新技术。在成型概念上以平面离散、堆积为指导，在控制上以计算机和数控为基础，以最大柔性为总体目标。它摒弃了传统的机械加工方法，对制造业的变革是一个重大的突破，利用 技术已被汽车、航空、家电、船舶、医疗、模具等行业广泛应用。下面简述一下目前已经商业化的几 种典型快速成型工艺。 过微机控制激光，按着确定的轨迹，对液态的光敏树脂进行逐层扫描，使被扫描区层层固化，连成一体，形成最终的三维实体，再经过有关的最终硬化打光等后处量，形成制件或模具。 激光立体光刻技术主要特点是可成型任意复杂形状，成型精度高，仿真性强，材料利用率高，性能可靠，性能价格比较高。适合产品外型评估、功能实验、快速制造电极和各种快速经济模具。但该技术所用的设备和光敏树脂价格 昂贵，使其成本较高。 用激光选择性地对其分层切片，将得到的各层截面轮廓层层粘结，最终叠加成三维实体产品。 其工艺特点是成型速度快，成型材料便宜、成本低，因无相变，故无热应力、收缩、膨胀、翘曲等，所以形状与尽寸精度稳定，但成型后废料块剥离较费事，特别是复杂件内部的废料剥离。该工艺适用于航空、汽车等和中体积较大制件的制作。 型通过分层软件将其分层，在计算机控制下，使激光束依据分层的切片截面信息对粉末逐层扫描，扫描到的粉末烧结固化(聚合、烧结、粘结、化学反应等 )，层层叠加，堆积成三维实体制件。 该技术最大特点是能同时用几种不同材料 (聚碳酸脂、聚乙烯氯化物、石蜡、尼龙、造砂 )制造一个零件。 据 出半流动状态的热塑材料沉积固化成精确的实际制件薄层 ，自下而上层层堆积成一个 三维实体，可直接做模具或产品。 3 3术用微机控制一个连续喷墨印刷头，依据分层软件逐层选择性地在粉末层上沉积液体粘结材料，最终由顺序印刷的二维层堆积成一个三维实体，犹如不使用激光的快速制模技术。该技术主要应用在金属陶瓷复合材料的多孔陶瓷预成型件上，其目标是由 2表面成型制模技术 表面成型制模技术，主要是利用喷涂、电铸、化学腐蚀等新的工艺方法形成型腔表面及精细花纹的一种工艺技术，实际应用中包 括以下几种类型。 电弧喷涂成型技术的原理是：利用 2根通电的金属丝之间产生电弧的热量将金属丝熔化，依靠高压气体将其充分雾化，并给予一定的动能，高速喷射在样模表面，层层镶嵌，形成一金属壳体，即型腔的内表面，再用充填基体材料 (一般为金属粉粒与树脂的复合材料 )加以支撑加固，提高其强度和刚性，连同金属模架组合成模具。 这种制模技术工艺简单、成本低，制造周期非常短，型腔表面的成型仅需几个小时，节省能源和金属材料，一般型腔表面仅 2真性极强，花纹精度可达到 m。目前该技术被广泛地用于飞机、汽车的内饰件模具、家电、家 具 、制鞋、美术工艺品等表面形状复杂及花纹精细的各种聚氨酯制品的吹塑、吸塑、 泡及各类注射成型模具中。 电铸成型技术的原理同电镀一样，是依样模 (现成制品或按制品图纸制成的母模 )为基准 (阴极 )，置放在电铸液中 (阳极 )，使电铸液中的金属离子还原后一层一层地沉积在样模上，形成金属壳体，将其剥离后，与样模接触的表面即为模具的型腔内表面。 该技术主要特点是节省材料、模具制造周期短，电铸层硬 度可达 40高了耐磨性和寿命，粗糙度、尺寸精度与样模完全一致，适用于注射、吸塑、吹塑、搪塑、胶木模、玻璃模、压铸模等模具型腔及电火花成型电极的制造。 蚀刻技术是光学、化学、机加工综合应用的一种技术，它的基本原理是先把花纹图案制成胶片，再把胶片上的花纹图案复制在已涂上光敏材料的模具型腔表面上，经过化学处理，模具型腔表面形成不被蚀刻部分的保护层，再根据模具材质，选择相应蚀刻工艺，将花纹图案蚀刻在模具内表面上。 该技术的主要特点是时 间短、费用低，修补破损花纹图案可做到天衣无缝。 3浇铸成型制模技术 浇铸成型制模技术的共同特点是依样件为基准，浇铸出 凸 、凹模，型腔表面不需要机械加工。实际制模中主要有以下几种类型。 铋锡合金快速制模技术是经样件为基准，以 锡 )二元共晶合金(熔点 138 ，胀缩率万分之三 )为材料，有精密铸造的方法同时铸出凸模、凹模、压边圈的一种技术。该技术的特点是制模成本低，合金可重复使用，制造周期短，尺寸精度高，形状、尺寸与样件完全相符，一次铸模寿命可 达 500，非常适合新产品开发、工艺验证、样品试制及中小批量和平。 这是一种以样件 (或样模 )为基准，以熔点为 380 左右的锌基合金为材料，分别浇注凸、凹模，原则上型腔表面不进行机械加工的一种制模技术。该技术特点是制模成本低、周期短，适用于制作薄板大型拉伸模、冲裁模及塑料模。 这是一种以样模 (或工艺模型 )为基准，以树脂或其复合材料为流体材料，先浇注出凸 (凹 )模，再依据凸 (凹 )模贴上蜡片 (间隙层 )，浇注凸 (凹 )模。该技术成型的型腔表面不需机械加工。 该技术与 点是模具尺寸精度高、制造周期短、成本低，是新产品试制、小批量生产工艺装备的新途径。适用于制作大型覆盖件拉伸模 (也可局部镶钢 )、真空吸塑、聚氨酯发泡成型模、陶瓷模、仿型靠模、铸造模等。 柔态硅橡胶制作 成块，再靠高压力与模型完全吻合。 4挤压成型技术 利用铍铜合金的良好的导热性和稳定性，经固熔时效处理后，采用冷 挤压制造模具凹模型腔。其特点是制造周期短，型腔精度高 ( )，表面粗糙度强度高，寿命可达 50万次，无环境污染。 该技术是利用金属材料在细化晶粒、一定成型温度、低变形速率条件下，材料具有最佳超塑性时，将事先制作好的凸模，用较小的力便可挤压出凹模的一种快速经济制模技术。超塑成型材料的典型代表是 L。 5无模多点成形技术 无模多点快速成形技术是以 术为主要手段，利用计算机控制高度可调基本体群形成上下成形面，代替传统模具对板料进行三维曲面成形的又一现代先进制造技术。此项技术可以随意改变变形路径与受力状态，提高材料的成形极限，可反复成 形，以此消除材料内部的残余应力，实现无回弹成形。6凯维朗 (带冲裁落料制模技术 新型钢带冲裁落料制模技术是一种不同于一般具有凸、凹模结构的钢带模，它是由单刃钢带与特制垫板组成的新型快速经济制模技术。这种模具重量轻，一般只有 200工精度为 命可达到 5造成本低。 7模具毛坯的快速制造技术 实型铸造 由于大量的模具是属于单件或小批量生产，模具毛 坯的制造质量和周期及成本对最终的模具质量和周期及成本的影响是至关重要的。 现代模具毛坯已广泛地采用子实型铸造技术，所谓实型铸造就是利用泡沫塑料 (聚苯乙烯 聚甲基丙烯酸酯 作代替传统的木模或金属模，造型后不需取出模型，便可以浇铸，泡沫塑料模型的高温液体金属作用下，迅速燃烧气化而消失，金属液取代原来泡沫塑料模型所占有的位置，冷凝后形成铸件。实型铸造在实际应用中有下列几种情况。 即用 55的全干没有任何粘结剂的石英砂造型，用 提高铸件表面粗糙度，防止粘砂或塌箱。 负压实型铸造又称 技术是使用全干而无粘结剂的石英砂做型砂，用 沫塑料做模型，在塑料薄膜的密封条件下，让整个铸型在负压条件下 (真空度 行液体金属浇铸，铸件凝固后解除负压即可得到表面光洁的铸件。 利用树脂砂做型砂，用 沫塑料做模型，在常温、常压下进行 液体金属浇铸而制取铸件。利用实型铸造的技术制造模具毛坯具有尺寸精度高 ( )，加工余量小 (一般在 5右 )，不需要拔模斜度，不需要制型芯与泥芯撑，节省金属材料，节省做木模型的木材，制造周期短，成本低。该技术适合大型、复杂、单件模具毛坯的生产。陶瓷型精铸、失蜡精铸等技术在提高模具毛坯精度、降低加工工时、缩短制造周期、降低成本等方面也显示出其特有的优越性。 8其它方面技术 为了简化模具的结构设计，降低模具成本，缩短模具制造周期，在国内外也先后出现了一些其它方面新技术的应用，如快换模架、冲压单 元、刃口堆焊、镶块铸造、氮气弹簧等。 氮气弹簧是一种新型弹性功能部件，用它代替弹簧、橡胶、聚氨酯或者气垫，它能够准确地提供压边力，在较小空间便可产生较大初始弹压力，不需预紧，在模具整个工作过程中弹压力基本恒定。弹压力大小及受力点位置可随时、准确、方便地调整，简化模具拉伸、压边、卸料等结构，简化模具设计，缩短制模周期，调试模具方便，缩短更换模具时间，提高生产效率。 由于产品品种的增多，使模具在生产中更换变得十分频繁，于是如何缩短冲压设备的 停机时间，提高生产效率，快速换模技术受到了人们的关注。 目前发达工业国家的一些大公司换模速度达到了惊人的程度，是否具有快速换模技术已成为企业技术进步的一项标志。总的趋势就是减少模具在设备上安装、固定、调整的时间，这既要在设备结构设计上予以考虑，又要在模具的结构设计、标准化方面予以考虑，将机上的作业尽可能地放在机下做。 压单元组合技术 冲压单元组合技术是将常规的冲模分解为一个个简单的单元冲模，根据工序件的要求，排列组合，在同一次冲程内完成多种冲压工序的新型工艺装备，工作时冲压 单元不与冲床滑块联接，只需滑块打击即可完成冲压工作。单独使用时它就是 1副完整模具。它可以用来加工板料或型材的冲孔、落料、切角、切槽、切断及浅拉伸等。具有组装快捷、使用方便、通用性强、经济性好等特点，特别适合多品种、中小批量生产。 在冲模制造中，以普通灰铸铁为基体，在刃口部位堆焊高硬度的合金钢，以代替模具钢镶块，这一技术成为世界先进工艺之一。这是一项节省制造工时，节省昂贵的模具钢材，缩短模具制造周期的快速经济制模技术。 目前熔化极氩弧焊技术的应用，大大地提高了刃 口堆焊的速度和质量。这项技术世界各国模具行业已广泛采用，取得了良好的经济效益。 这是一种用实型铸造的工艺方法制造冲模刃口的方法，即用合金钢铸件镶块代替锻造合金钢镶块。目前由于铸造工艺和热处理工艺不断完善和提高，铸造镶块的内在质量有了保证，故其应用范围在不断扩大。这项以铸代锻的新技术的突出特点是节省贵重模具钢材，简化模具制造工序，由于加工余量小，节省了大量机加工工时，缩短模具制造周期，降低模具成本。 可加工 塑料在发达的工业国家应用较普遍，特别是在汽车、飞机等制造业中，主要代替木材或金属制作汽车车身主模型、靠模、检具和铸造模型等。可加工塑料的主要特点是兼备木材和金属的优良加工性能，制作工艺简捷 (可采用模塑、浇注、拼粘、雕塑等方法 )、尺寸稳定性好、不变形、耐潮湿、耐腐蚀、易修复、易改型、重量轻、制作周期短、成本低。 国内外 快速制模技术 现状 制造模具的材料通常是一 些 难加工材料，目前国内模具型腔一般都釆用电火花加工（ 型。 随着 生产的发展和产品更新换代速度的加快，对模具的生产效率和制造质量提出了越来越高的要求， 于 是电火花加工存在的问题就逐渐暴露出来。从物理本质上说，电火花加工是一种靠放电烧蚀的 “ 微切削 ” 工艺，加工过程非常之缓慢；在电火花对工件表面进行局部高温放电烧蚀过程中，工件材料表面的物理 常会在型腔表面产生微细裂纹，表面粗糙度也达不到模具的要求，因而经过电加工 后 的型腔类零件一般还要进行费力、费时的手工研磨和抛光。因此，电火花加工的生产效率很低，制造质量不稳定，在许多场合，模具已成为影响新产品开发速度的一个关键因素。 20 世纪 90 年代以来，在国外模具工业中开始逐渐应用高速切削 (法进行型腔的加工，并且取得了很好的效果。高速切削方法 优点如下： 产品质量好 高速切削以高 于 常规切速 10 倍左右的切削速度对零件进行高速加工，毛坯材料的 余 量还来不及充分变形就在瞬间被切离工件，工件表面的残 余 应力非常小；切削过程中产生的绝大多数热量（ 95%以上）被切屑迅速带走，工件的热变形小；高速加工过程中，机床主轴以极高的转速（ 1000080000 r/转，激振频率远远离开了 “ 机床 刀具 工件 ” 系统的固有频率範围，零件加工过程平稳无冲击。因此零件的加工精度高，表面质量好，粗糙度可达 上。经过高速铣削的型腔，表面质量能达到磨削的水平，故常常可省去 后 续的许多精加工工序。 生产效率高 用高速加工中心或高速铣床加工模具，可以在工件一次装夹中，完成型腔的粗、精加工和模具零件其它部位的机械加工，即所谓 “ 一次过 ” 技术（ 切削速度很高，加工过程本身的效率比电加工要高出好几倍。除此以外，它既不要做电极，常常也不需要 后 续的手工研磨与抛光，又容易实现加工过程自动化。因此，高速加工技术的应用，使模具的开发速度大为提高。 工艺范围