压铸模具（一）快速成型技术研究

毕业设计 压铸模具（一）快速成型技术研究102011316孙殿欣学生姓名： 学号： 机械工程系系 部： 机械设计制造及其自动化专 业： 梁红玉指导教师： 二零一四年 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： 压铸模具（一）快速成型技术研究 系部： 机械工程系 专业： 机械设计制造及其自动化 学号：102011316 学生： 孙殿欣 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通过查阅相关资料文献，了解快速成型机的结构和各项参数及其工作原理；进行模具的拆装，了解压铸模具动定模的结构和设计过程；了解三坐标测量机的结构和工作原理，熟悉其操作过程并测量动定模的尺寸；用三维绘图软件绘制出动定模的实体模型；用快速成型机烧结出模具模型；比较原始模具和加工得到的模具模型，对其差别进行归纳总结；按照学校要求编写毕业设计论文。2设计的基本要求和内容（1）了解快速成型机和三坐标测量机的工作原理；（2）对模具进行拆装，了解模具的结构，找出动定模进行测绘；（3）用三坐标测量机测量模具，用三维绘图软件做出模具的三维实体模型；（4）用快速成型机烧结出模具的模型，完成其它相关零件的绘制；（5）编写毕业设计论文，总结设计取得的效果和体会，提出自己的论点和建议；3主要参考文献1 孙秀英.面向RP的VRML模型浏览与分层研究D.西安科技大学,2006.2 丘宏扬,谢嘉生,刘斌.快速成型技术研究中的若干关键问题J.锻造机械,2001.3 徐江华,张敏.快速成型技术在工业设计中的应用J.包装工程,2004.4进度安排设计（论文）各阶段名称起 止 日 期1分析课题要求，拟定开题报告 2013.12-2014.3.102熟悉相关设备及操作流程 2014.3.11-2014.4.103整理资料，进行中期检查 2014.4.11-2014.4.254编写论文 2014.4.26-2014.5.205整理论文，准备答辩 2014.5.21-2014.6.10太原工业学院毕业设计 压铸模具（一）快速成型技术研究摘要：压铸模具的快速成型技术研究可以大大缩短产品的开发周期,满足产品的个性化、多样化需求,加快开发进度。为了更好地进行研究，会涉及到快速成型机与三坐标测量仪等设备的使用。通过对模具进行拆装,了解压铸模具动定模的结构和设计过程，并测出动定模的尺寸，同时用三维绘图软件制出动定模的实体模型。用快速成型机烧结出模具模型，利用三坐标测量仪精确的测出所要的数据，然后比较原始模具和加工得到的模具模型，对其差别进行归纳总结。关键词：压铸模具，动模与定模，快速成型机，三坐标测量仪，pro/E软件 The Research about Rapid Prototyping Technology of Casting MouldAbstract: Casting mold rapid prototyping technology research can greatly shorten the product development cycle,Meet the personalized products, diverse needs and accelerate development progress.In order to better study will involve the use of rapid prototyping machines and coordinate measuring instrument and other equipment.Disassembly of the mold, Casting mold to understand the structure and dynamic fixed mold design process, and measure out a given die size, while the three-dimensional solid model of graphics software system deployed by the fixed mold.Sintering rapid prototyping machine with a mold model, using coordinate measuring instrument accurate data to be measured and then compared to the original model of the mold and die machining was performed summarize their differences.Key Words: Casting molds, die and move the fixed mold, rapid prototyping machines, CMM, pro / E Software 目 录 前言11.模具的拆装21.1模具拆装的目的和要求21.2模具拆装前的准备21.3模具拆装的内容和步骤21.3.1对模具结构的观察分析21.3.2拟定模具拆卸顺序及方法31.4模具拆装时的注意事项42.模具的测量42.1三坐标测量机42.1.1三坐标测量机的分类及构成52.1.2三坐标测量机的测量应用72.2零件的测量93.模具的加工103.1 快速成型技术简介103.1.1 快速成型的基本原理103.1.2快速成型的工艺过程113.1.3快速成型技术的特点123.2 RP工艺方法简介133.2.1典型RP工艺方法简介133.2.2 典型快速成型工艺比较163.3快速成型技术的优点163.4快速成型技术在发展中所存在的主要问题173.4.1快速成型技术研究中存在的问题173.4.2 快速成型技术软件系统存在的问题183.5 快速成型技术的发展方向184 实验结果分析194.1 课题研究的内容194.2 实验的具体过程204.3 实验中存在的问题及解决办法264.4 熔融沉积快速成型工艺因素分析26结论30参考文献31致谢32I太原工业学院毕业设计 前言 快速成型(rapid prototyping, RP)技术是在计算机技术、数控技术、激光技术和新材料上的基础上发展起来的一种先进制造技术。它具备如下特点：原形的复制性、互换性高、制造工艺与制造原型的几何形状无关，在加工复杂曲面时更显优越；加工周期短，成本低，成本与产品复杂程度无关，一般制造费用降低50%，加工周期缩短70%以上，高度技术集成，实现了设计制造一体化；制造原型所用的材料不限，各种金属与非金属材料均可使用，因而，得到广泛应用。 国际上首台快速成型机于1987年诞生于美国，是由美国3DSystems公司制造的快速成型系统SLA-1，采用立体光刻法的快速成形制造系统。 1998年在我国上海举行的第七届国际模具技术和设备展览会上，美国、日本、德国、新加坡等国都展出了RPM设备。 目前全世界已有2000多台RPM系统投入使用。 我国RPM技术的研究始于1991年。 清华大学、西安交通大学、华中科技大学、南京航空航天大学等高校和北京隆源RPM公司、广州中望商业机器有限公司等都在RPM的研究与应用放面取得了显著成果。清华大学现已开发出“M-RPMS-”型多功能快速成型制造系统，这是我国自主知识产权的世界唯一拥有两种RPM工艺的系统。 通过对快速成型技术发展的研究，可以使其更好的用于压铸模具等工艺生产中。为决策层提供决策直观性，减少人为缺陷,提高设计质量，缩短设计周期,加快开发进度，提供样件，更好的用于新产品开发中的并行工程，用于逆向工程技术。 快速成型技术可以大大缩短产品的开发周期,满足产品的个性化、多样化需求,在工业设计中得到广泛应用。但由于该技术的制作精度、强度和耐久性还不能满足工程实际的需要,加之设备的运行及制作成本高,一定程度上制约着RP技术的普遍推广。随着研究的不断深入,制约快速成型发展的因素会逐步解决,应用领域会不断得到拓展。 1.模具的拆装模具拆装在学习模具结构与设计知识之时，有明显的作用。通过对压铸模具的拆装，可以进一步了解模具的结构及工作原理，了解模具的零部件在模具中的作用，零部件相互间的装配关系，掌握模具的装配过程、方法和各装配工具的使用。1.1模具拆装的目的和要求 模具拆装的目的：通过对模具的拆卸和装配，培养学生的动手能力、分析问题和解决问题的能力，使学生能够综合运用已学知识和技能；对模具典型结构及零部件装配有全面的认识，为理论课的学习和模具设计奠定良好的基础。 模具拆装的要求：掌握典型压铸模具的工作原理、结构组成、模具零部件的功用、相互间的配合关系以及模具零件的加工要求；能正确地使用模具装配常用的工具和辅具；能正确地草绘模具结构图、部件图和零件图；掌握模具装拆一般步骤和方法；通过观察模具的结构能分析出零件的形状；能对所拆装的模具结构提出自己的改进方案；能正确描述出该模具的动作过程。1.2模具拆装前的准备 拆装的模具一套 拆装的工具游标卡尺、角尺、内六角扳手、平行铁、台虎钳、锤子、铜棒等常用钳工工具。1.3模具拆装的内容和步骤1.3.1对模具结构的观察分析 接到具体要拆装的模具后，需进行仔细观察分析，并做好记录： (1)模具类型分析对给定模具进行模具类型分析与确定。(2)工序与制件的分析，通过对模具分析，了解模具所完成的工序 (3)模具的工作原理，对于压铸模具，要求分析其浇注系统类型、分型面及分型方式，顶出系统类型等。 (4)模具的零部件分析并记录模具各零件的名称、功用、相互间装配关系。1.3.2拟定模具拆卸顺序及方法 拟定模具拆卸顺序及方法，按拆模顺序将模具拆为几个部件，再将其分解为单个零件深入了解。 （1）拆卸模具之前，应先分清可拆卸件和不可拆卸件，针对各种模具须具体分析其结构特点，制定模具拆卸顺序及方法的方案，提请指导教师审查同意后方可拆卸。 （2）拆卸时一般首先将上下模分开，然后分别将上下模作紧固用的紧固螺钉拧松，再打出销钉，用拆卸工具将模芯各板块拆下，最后从固定板中压出动模、动定模等，达到可拆卸件全部分离。 对于压铸模先将动模和定模分开，分别将动、定模的紧固螺钉拧松，再打出销钉，用拆卸工具将模具各主要板块拆下，然后从定模板上拆下主浇注系统，从动模板上拆下推出系统，拆散推出系统各零件，从固定板中压出型芯等零件，有侧面分型系统时，拆下侧面分型系统各零件 。 （3）拆卸模具 按所拟拆卸顺序进行模具拆卸。要求分析拆卸连接件的受力情况，对所拆下的每一个零件进行观察、测量并做记录。记录拆下零件的位置，按一定顺序摆放好，避免在组装时出现错误或漏装零件。 拆卸注意事项。准确使用拆卸工具和测量工具，拆卸配合时要分别采用拍打、压出等不同方法对待不同的配合关系的零件。注意保护模具，使其受力平衡，切不可盲目用力敲打，严禁用铁铘头直接敲打模具零件。不可拆卸的零件和不宜拆卸的零件不要拆卸。拆卸过程中特别要注意操作安全，避免损坏模具各器械。拆卸遇到困难时分析原因，并请教指导教师。遵守课堂纪律，服从教师的安排。 （4）拟定模具装配顺序及方法 把已拆卸的模具零件清洗后，按先拆的零件后装，后拆的零件先装为一般原则制订装配顺序。 按顺序装配模具按拟定的顺序将全部模具零件装回原来位置。注意正反方向，防止漏装，其他注意事项与拆卸模具相同，遇到零件受损不能进行装配时应在老师的指导下学习用工具修复受损零件后再装配。 装配后检查 观察装配后模具是否与拆卸前一致，检查是否有错装和漏装等现象。1.4模具拆装时的注意事项 拆卸和装配模具时，首先应仔细观察模具，务必搞清楚模具零部件的相互装配关系和紧固方法，并按钳工的基本方法进行，以免损坏模具零件。 在拆装过程中，切忌损坏模具零件，对老师指出不能拆卸的部位，不能强行拆卸。拆卸过程中对少量损伤的零件应及时修复，严重损坏的零件应更换。 注意模具的维护与保养。2.模具的测量一般来讲，由于模具的零部件多，装配复杂，从生产实际和测量成本来讲尽量采用常规测量工具。如游标卡尺、千分尺、量规、测微仪、塞尺、量块等。当然还有形位误差测量工具。如三坐标测量机、工具显微镜等。由于模具的零部件复杂与繁多，所以本文就只对压铸模具的动模与定模进行测量，因此必须了解与熟悉测量工具三坐标测量机。2.1三坐标测量机 三坐标测量机（Checking and Measuring Machine）是一种以精密机械为基础，综合应用电子技术、计算机技术、光栅与激光干涉技术等先进技术的检测仪器，其精度高于一般的数控机床，被广泛应用在模具、汽车、航空、航天、机械等制造业，可对产品的几何尺寸和形位公差进行精确检测。工业发达国家，测量机已经非常普及，大约每七台数控机床要配备一台三坐标测量机。三坐标测量机的主要功能是：（1）可实现空间坐标点的测量，可方便的测量各种零件的三维轮廓尺寸、位置精度等。测量精确可靠，万能性强。 （2）由于计算机的引入，可方便的进行数字运算与程序控制，并具有很高的智能化程度。因此它不仅可方便地进行空间三维尺寸的测量，还可实现主动测量和自动检测。 （3）三坐标测量机除了具备常规的几何尺寸和形位公差检测功能外，在逆向工程技术和曲面坐标检测方面具有特殊的优势。三坐标测量机充分显示了在测量方面的万能性、测量对象的多样性。在模具制造业中应用广泛。 三坐标测量机充分显示了在测量方面的万能性、测量对象的多样性。在模具制造业中应用广泛。2.1.1三坐标测量机的分类及构成 1三坐标测量机分类三坐标测量机按其工作方式可分为:点位测量方式和连续扫描测量方式。点位测量方式是由测量机采集零件表面上一系列有意义的空间点，通过数学处理，求出这些点所组成的特定几何元素的形状和位置。连续扫描测量方式是对曲线、曲面轮廓进行连续测量，多为大、中型测量机。三坐标测量机按结构分类，有桥式测量机、龙门式测量机、水平臂（单臂或悬臂）、坐标镗床式式测量机和便携式测量机。测量方式大致可分为接触式（如机械式）与非接触式（如光学式）两种。按测量范围可分为大型、中型和小型。按测量精度可分为精密型（计量型），一般放在有恒温条件的计量室，用于精密测量，分辨能力为0.5m2m 。另一类为生产型，一般放在生产车间，用于生产过程检测，分辨能力5m或10m。2三坐标测量机的构成 三坐标测量机的结构形式如图2.1.1所示，是由三个正交的直线运动轴构成的，这三个坐标轴的相互配置位置对测量机的精度以及对被测工件的适应性影响较大。三坐标测量机的基本构成主要由测量机主体、测量系统、控制系统和数据处理系统组成。a、b）悬臂式；c、d）桥式；e、f ）龙门式；g）立柱式；h）坐标镗床式 图3.1.1三坐标测量机的构成 （1）三坐标测量机的主体测量机主体包括沿X轴移动的主滑架，沿Y向移动的副滑架，测头安装在沿z向移动轴上，测量工作台。（2）三坐标测量机的测量系统三坐标测量机的测量系统包括测头和标尺。 标尺系统 是用来度量各轴的坐标数值的。目前三坐标测量机上使用的标尺大多的是光栅尺，有些测量机使用了同步感应器，为了达到更高的精度，有的测量机甚至使用了激光干涉仪。测头是三坐标测量机用来拾取信号的，因而测头的性能直接影响测量精度和测量效率，没有先进的测头就无法充分发挥测量机的功能。测头 测头的类型按测量方法可分接触式和非接触式两类。在接触式测量头中又分机械式测头和电气式测头。此外，生产型测量机还配有专用测头式切削工具，如专用铣削头和气动钻头等。（3） 三坐标测量机控制系统和数据处理系统 控制系统 控制系统是三坐标测量机的关键组成部分之一。其主要功能是：读取空间坐标值，控制测量瞄准系统对测头信号进行实时响应与处理，控制机械系统实现测量所必需的运动，实时监控坐标测量机的状态以保障整个系统的安全性与可靠性等。 三坐标测量机分为手动型、机动型和CNC型。早期的坐标测量机以手动型和机动型为主，其测量是由操作者直接手动或通过操纵杆完成各个点的采样，然后在计算机中进行数据处理。随着计算机技术、数控技术的发展，CNC型控制系统变得日益普及，它是通过程序来控制坐标测量机自动进给和进行数据采样，同时在计算机中完成数据处理。图2.1.2为系统控制原理图。数控系统控制器功率驱动器电机机械传动伺服系统测量与反馈 图2.1.1系统控制原理图数据处理系统 数据处理系统包括计算机、专用的软件系统、专用程序或程序包。计算机是三坐标测量机的控制中心，用于控制全部测量操作、数据处理和输入输出。在用于检测时通过该系统，操作者可以在该系统内手动编制检测程序（对话式窗口编程）、自动编制程序（通过引入CAD模型自动生成检测程序）、自学习编程（机器记下所有指令代码，在多批次重复检测时，不需再编程）、脱机编程（在该系统外部编制好程序通过公用结口引入）。在进行检测时可以根据定义对检测的尺寸、形位误差进行处理，有的还可以对结果加以判断和调整。在用于测量时，该系统可以进行大量的数据处理并通过内部的几何元素定义生成相应的几何体，然后通过公共接口传出该系统以作他用。2.1.2三坐标测量机的测量应用目前机械制造业、汽车工业、电子工业、航空航天工业和国防工业等都广泛使用三坐标测量机，三坐标测量机已成为现代工业检测和质量控制不可缺少的测量设备。 1.可用于加工的轻型三坐标测量机三坐标测量机除用于零件的测量外，还可用于如划线、打冲眼、钻孔、微量铣削及末道工序精加工等轻型加工，在模具制造中可用于模具的安装、装配。 2.多种几何量的测量测量前必须建立坐标系，并根据被测件的形状特点选择测头并进行测头的定义和校验，并对被测件的安装位置进行找正。（1）坐标系的概念 机床坐标系 也称作绝对坐标系。机床坐标系是测量机出厂时设定，它的原点一般是在、（、）标尺的初始端。一般在测量机初始启动时，都要“回零”，就是初始化回原点。如果不能正常回零，测量机软件或硬件上存在某种错误。一般在较低端的测量机（如较一般的划线机）上会用到机床坐标系，它需要操作者将工件的某轴线摆放到机床坐标系的相应轴线平行，然后建立相对坐标系再测量。 工件坐标系测量时一般都用工件坐标系，该坐标系是操作者在制件检测前生成的坐标系。对于某些大型测量机，在需要承载能力较大的情况下，床身和工作台分开安装，也就是说工作台的变形、破坏不会影响到测量机本身的精度，此时必须用到工件坐标系。工件测量坐标系设定后，即可调用测量指令进行测量。 （2）角度的校验和触头的定义 在触头更换后，系统启动需要把触头的定义输入到指定的地方，由于一般系统采用的自动补偿接触检测、测量，也就是说实际上检测、测量的是接触头的球心，得到的结果是系统自动“加了一个半径”。 触头或加长杆更换后或在初次进行零件检测、测量时必须要对侧头的各个摆角进行校验，否者会在不同的角度测量（检测）同一点值时出现偏差，这个偏差跟加长杆、探针长度、接触头的大小都有关系。一般大部分测量机厂家都是用标准球（也叫基准球）进行校验。 （3）工件找正 零件的找正是指在测量机上用数学方法为工件的测量建立新的坐标基准。测量时，工件任意地放在工作台上，其基准线或基准面与测量机的坐标轴（x、y、z轴的移动方向）不需要精确找正，为了消除这种基准不重合对测量精度的影响，用计算机对其进行坐标转换，根据新基准计算校正测量结果。零件找正的主要步骤有：确定初始参考坐标系。运行找正程序。选定第一坐标轴。调用相应子程序进行测量并存储结果。选第二坐标轴。调用相应子程序进行测量并存储结果。对于三维找正中的第三轴，系统自动根据右手坐标准则确定。 （4）触头选用对于测量工件的材质、测量零件的形状、测量部位在测量前都是触头选择的因素。 （5）触头运动方式触头在测量时，在运动方向的选择上必须要在理论上保证测量数据的可靠性及准确度。 3.实物程序编制对于在数控机床上加工的形状复杂的零件，当其形状难于建立数学模型使程序编制困难时，常常可以借助于测量机。通过对木质、塑料、粘土或石膏制的模型或实物的测量，得到加工面几何形状的各项参数，经过实物程序软件系统的处理，输出所需结果。例如高速数字化扫描机实际上是一台连续扫描测量方式坐标测量机，主要用于对模具未知曲面进行扫描测量，可将测得的数据存入计算机，根据模具制造需要，实现（1）对扫描模型进行阴、阳模转换，生成需要的CNC加工程序。（2）借助绘图设备和绘图软件得到复杂零件的设计图样即生成各种CAD数据。2.2零件的测量 利用三坐标测量机测绘出模具部件的尺寸，其中重点记录动模与定模的尺 寸。 3.模具的加工 用三坐标测量机测量出模具中动模与定模的尺寸数据之后，利用pro/E软件将动模与定模的三维实体模型绘制出来，然后运用快速成型机将模具做出来。 3.1 快速成型技术简介快速成型(Rapid Prototyping)是上世纪80年代末及90 年代初发展起来的 新兴制造技术，是由三维CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的总称。它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。与传统制造方法不同，快速成型从零件的CAD几何模型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件。通过与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段相结合，已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段，在航空航天、汽车摩托车、家电等领域得到了广泛应用。快速成型技术自问世以来，得到了迅速的发展。由于RP技术可以使数据模型转化为物理模型，并能有效地提高新产品的设计质量，缩短新产品开发周期，提高企业的市场竞争力，因而受到越来越多领域的关注，被一些学者誉为敏捷制造技术的使能技术之一3.1.1 快速成型的基本原理与传统的机械切削加工，如车削、铣削等“材料减削”方法不同的是，“快速成型制造技术”是靠逐层融接增加材料来生成零件的，是一种“材料迭加”的方法，快速成型技术采用离散/堆积成型原理，根据三维CAD模型，对于不同的工艺要求，按一定厚度进行分层，将三维数字模型变成厚度很薄的二维平面模型。再将数据进行一定的处理，加入加工参数，在数控系统控制下以平面加工方式连续加工出每个薄层，并使之粘结而成形。实际上就是基于“生长”或“添加”材料原理一层一层地离散叠加，从底至顶完成零件的制作过程。快速成型有很多种工艺方法，但所有的快速成型工艺方法都是一层一层地制造零件，所不同的是每种方法所用的材料不同，制造每一层添加材料的方法不同。该技术的基本特征是“分层增加材料”，即三维实体由一系列连续的二维薄切片堆叠融接而成。如图4.1.1所示。图4.1.1 RP的成形原理3.1.2快速成型的工艺过程（1）三维模型的构造：按图纸或设计意图在三维CAD设计软件中设计出该零件的CAD实体文件。一般快速成型支持的文件输出格式为STL模型，即对实体曲面做近似的所谓面型化处理，是用平面三角形面片近似模型表面。以简化CAD模型的数据格式。便于后续的分层处理。由于它在数据处理上较简单，而且与CAD系统无关，所以很快发展为快速成型制造领域中CAD系统与快速成型机之间数据交换的标准，每个三角面片用四个数据项表示。即三个顶点坐标和一个法向矢量，整个CAD模型就是这样一个矢量的集合。在一般的软件系统中可以通过调整输出精度控制参数，减小曲面近似处理误差。如Pre/1E软件是通过选定弦高值作为逼近的精度参数。（2）三维模型的离散处理（切片处理）：在选定了制作(堆积)方向后，通过专用的分层程序将三维实体模型(一般为STL模型)进行一维离散，即沿制作方向分层切片处理，获取每一薄层片截面轮廓及实体信息。分层的厚度就是成型时堆积的单层厚度。由于分层破坏了切片方向CAD模型表面的连续性，不可避免地丢失了模型的一些信息，导致零件尺寸及形状误差的产生。所以分层后需要对数据作进一步的处理，以免断层的出现。切片层的厚度直接影响零件的表面粗糙度和整个零件的型面精度，每一层面的轮廓信息都是由一系列交点顺序连成的折线段构成。所以，分层后所得到的模型轮廓已经是近似的，层与层之间的轮廓信息已经丢失，层厚越大丢失的信息越多，导致在成型过程中产生了型面误差。（3）成型制作：把分层处理后的数据信息传至设备控制机，选用具体的成型工艺，在计算机的控制下，逐层加工，然后反复叠加，最终形成三维产品。（4）后处理：根据具体的工艺，采用适当的后处理方法，改善样品性能。3.1.3快速成型技术的特点与传统的切削加工方法相比，快速原型加工具有以下特点：1.自由成型制造：自由成型制造也是快速成型技术的另外一个用语。作为快速成型技术的特点之一的自由成型制造的含义有两个方面：一是指无需要使用工模具而制作原型或零件，由此可以大大缩短新产品的试制周期，并节省工模具费用；二是指不受形状复杂程度的限制，能够制作任何形状与结构、不同材料复合的原形或零件。2.制造效率快：从CAD数模或实体反求获得的数据到制成原形，一般仅需要数小时或十几小时，速度比传统成型加工方法快的多。该项目技术在新产品开发中改善了设计过程的人机交流，缩短了产品设计与开发周期。以快速成型机为母模的快速模具技术，能够在几天内制作出所需材料的实际产品，而通过传统的钢质模具制作产品，至少需要几个月的时间。该项技术的应用，大大降低了新产品的开发成本和企业研制新产品的风险。3.由CAD模型直接驱动：无论哪种RP制造工艺，其材料都是通过逐点、逐层以添加的方式累积成型的。无论哪种快速成型制造工艺，也都是通过CAD数字模型直接或者间接地驱动快速成型设备系统进行制造的。这种通过材料添加来制造原形的加工方式是快速成型技术区别传统的机械加工方式的显著特征。这种由CAD数字模型直接或者间接地驱动快速成型设备系统的原形制作过程也决定了快速成型的制造快速和自由成型的特征。 4.技术高度集成：当落后的计算机辅助工艺规划（Computer Aided Process Planning,CAPP）一直无法实现CAD与CAM一体化的时候，快速成型技术的出现较好的填补了CAD与CAM之间的缝隙。新材料、激光应用技术、精密伺候驱动技术、计算机技术以及数控技术等的高度集成，共同支撑了快速成型技术的实现。5.经济效益高：快速成型技术制造原型或零件，无须工模具，也与成型或零件的复杂程度无关，与传统的机械加工方法相比，其原型或零件本身制作过程的成本显著降低。此外，由于快速成型在设计可视化、外观评估、装配及功能检验以及快速模具母模的功用，能够显著缩短产品的开发试制周期，也带来了显著的时间效益。也正是因为快速成型技术具有突出的经济效益，才使得该项技术一经出现，便得到了制造业的高度重视和迅速而广泛的应用。6.精度不如传统加工；数据模型分层处理时不可避免的一些数据丢失外加分层制造必然产生台阶误差，堆积成形的相变和凝固过程产生的内应力也会引起翘曲变形，这从根本上决定了RP造型的精度极限。3.2 RP工艺方法简介图4.2 快速成型主要工艺方法及其分类目前快速成型主要工艺方法及其分类见图3.2所示。下面主要介绍目前较为常用的工艺方法。图4.3立体光固化成型法原理图3.2.1典型RP工艺方法简介1.光固化法(SLA)光固化法(SLA)是目前最为成熟和广泛应用的一种快速成型制造工艺（如图4.3）。这种工艺以液态光敏树脂为原材料，在计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓轨迹对液态树脂逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合(固化)反应，从而形成零件的一个薄层截面。完成一个扫描区域的液态光敏树脂固化层后，工作台下降一个层厚，使固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂然后重复扫描、固化，新固化的一层牢固地粘接在一层上，如此反复直至完成整个零件的固化成型如图4.3。SLA工艺的优点是精度较高，一般尺寸精度可控制在0.01mm;表面质量好;原材料利用率接近100%;能制造形状特别复杂、精细的零件;设备市场占有率很高。缺点是需要设计支撑;可以选择的材料种类有限;制件容易发生翘曲变形;材料价格较昂贵。该工艺适合比较复杂的中小型零件的制作。2.选择性激光烧结法(SLS,Selective Laser Sintering) 图4.4选择性激光烧结法原理图选择性激光烧结法(SLS)是在工作台上均匀铺上一层很薄(100-200)的作金属(或金属)粉末，激光束在计算机控制下按照零件分层截面轮廓逐点地进行扫描、烧结，使粉末固化成截面形状。完成一个层面后工作台下降一个层厚，滚动铺粉机构在已烧结的表面再铺上一层粉末进行下一层烧结。未烧结的粉末保留在原位置起支撑作用，这个过程重复进行直至完成整个零件的扫描、烧结，去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理后便获得需要的零件。用金属粉或陶瓷粉进行直接烧结的工艺正在实验研究阶段，它可以直接制造工程材料的零件如图4.4。SLS工艺的优点是原型件机械性能好，强度高;无须设计和构建支撑;可选材料种类多且利用率高(100%)。缺点是制件表面粗糙，疏松多孔，需要进行后处理;制造成本高。采用各种不同成分的金属粉末进行烧结，经渗铜等后处理特别适合制作功能测试零件;也可直接制造金属型腔的模具。采用蜡粉直接烧结适合于小批量比较复杂的中小型零件的熔模铸造生产。3.熔融沉积成型法(FDM,Fused Deposition Modeling)图45熔融沉积成型法原理图这种工艺是通过将丝状材料如热塑性塑料、蜡或金属的熔丝从加热的喷嘴挤出，按照零件每一层的预定轨迹，以固定的速率进行熔体沉积（如图4.5）。每完成一层，工作台下降一个层厚进行迭加沉积新的一层，如此反复最终实现零件的沉积成型。FDM工艺的关键是保持半流动成型材料的温度刚好在熔点之上(比熔点高1左右)。其每一层片的厚度由挤出丝的的直径决定，通常是0.250.50mm。FDM的优点是材料利用率高;材料成本低;可选材料种类多;工艺简洁。缺点是精度低;复杂构件不易制造，悬臂件需加支撑;表面质量差。该工艺适合于产品的概念建模及形状和功能测试，中等复杂程度的中小原型，不适合制造大型零件。4.分层实体制造法（LOM, Laminated Object Manufacture）LOM工艺是将单面涂有热溶胶的纸片通过加热辊加热粘接在一起，位于上方的激光切割器按照CAD分层模型所获数据，用激光束将纸切割成所制零件的内外轮廓，然后新的一层纸再叠加在上面，通过热压装置和下面已切割层粘合在一起，激光束再次切割，如此反复逐层切割、粘合、切割直至整个模型制作完成如图4.6。图4.6分层实体制造法原理图LOM工艺优点是无需设计和构建支撑;只需切割轮廓，无需填充扫描;制件的内应力和翘曲变形小;制造成本低。缺点是材料利用率低，种类有限;表面质量差;内部废料不易去除，后处理难度大。该工艺适合于制作大中型、形状简单的实体类原型件，特别适用于直接制作砂型铸造模。5.三维印刷法(3DP,Three Dimensional Printing )三维印刷法是利用喷墨打印头逐点喷射粘合剂来粘结粉末材料的方法制造原型。3DP的成型过程与SLS相似，只是将SLS中的激光变成喷墨打印机喷射结合剂。该技术制造致密的陶瓷部件具有较大的难度，但在制造多孔的陶瓷部件（如金属陶瓷复合材多孔坯体或陶瓷模具等）方面具有较大的优越性。3.2.2 典型快速成型工艺比较几种典型的快速成型工艺比较如表3.2.2所示：光固化成型SLA分层实体制造LOM选择性激光烧结SLS熔融沉积成型FDM三维打印技术3DP优点（1）成型速度快，自动化程度高，尺寸精度高；（2）可成形任意复杂形状；（1）无需后固化处理；（2）无需支撑结构；（1）制造工艺简单，柔性度高；（2）材料选择范围广；（1）成型材料种类多，成型件强度高；（2）精度高，表面质量好，易于装配；（1）成型速度快；（2）成型设备便宜。缺点（1）需要支撑结构；（2）成型过程发生物理和化学变化，容易翘曲变形；（1）不适宜做薄壁原型；（2）表面比较粗糙，成型后需要打磨；难。（1）成型件的强度和精度较差；（2）能量消耗高；（1）成型时间较长；（2）需要支撑；（1）一般需要后序固化；（2）精度相对较低。3.3快速成型技术的优点 （1）快速成型作为一种使设计概念可视化的重要手段，计算机辅助设计零件的实物模型可以在很短时间内被加工出来，从而可以很快对加工能力和设计结果进行评估。 （2）由于快速成型技术是将复杂的三维型体转化为两维截面来解决，因此，它能制造任意复杂型体的高精度零件，而无须任何工装模具。 （3）快速成型作为一种重要的制造技术，采用适当的材料，这种原型可以被用在后续生产操作中以获得最终产品。 （4）快速成型操作可以应用于模具制造，可以快速、经济地获得模具。 （5）产品制造过程几乎与零件的复杂性无关，可实现自由制造,这是传统制造方法无法比拟的。3.4快速成型技术在发展中所存在的主要问题在制造业日趋国际化的状况下，缩短产品开发周期和减少开发新产品投资风险，成为企业赖以生存的关键。因此，快速成型、快速制模、快速制造技术将会得到进一步发展。3.4.1快速成型技术研究中存在的问题 （1）材料问题.目前快速成型技术中成型材料的成型性能大多不太理想，成型件的物理性能不能满足功能性、半功能性零件的要求，必须借助于后处理或二次开发才能生产出令人满意的产品。由于材料技术开发的专门性，一般快速成型材料的价格都比较贵，造成生产成本提高。 （2）高昂的设备价格.快速成型技术是综合计算机、激光、新材料、CAD/CAM集成等技术而形成的一种全新的制造技术，是高科技的产物，技术含量较高，所以，目前快速成型设备的价格较贵，限制了快速成型技术的推广应用。 （3）功能单一.现有快速成型机的成型系统都只能进行一种工艺成型，而且大多数只能用一种或少数几种材料成型。这主要是因为快速成型技术的专利保护问题，各厂家只能生产自己开发的快速成型工艺成型设备，随着技术的进步，这种保护体制已成为快速成型技术集成的障碍。 （4）成型精度和质量问题.由于快速成型的成型工艺发展还不完善，特别是对快速成型软件技术的研究还不成熟，目前快速成型零件的精度及表面质量大多不能满足工程直接使用的需要，不能作为功能性零件，只能作原型使用。为提高成型件的精度和表面质量，必须改进成型工艺和快速成型软件。 (5) 应用问题.虽然快速成型技术在航空航天、汽车、机械、电子、电器、医学、玩具、建筑、艺术品等许多领域都已获得了广泛应用，但大多仅作为原型件进行新产品开发及功能测试等，如何生产出能直接使用的零件是快速成型技术面临的一个重要问题。随着快速成型技的进一步推广应用，直接零件制造是快速成型技术发展的必然趋势。 (6) 软件问题。随着快速成型技术的不断发展，快速成型技术的软件问题越来越突出，快速成型软件系统不但是实现离散/堆积成型的重要环节，对成型速度，成型精度，零件表面质量等方面都有很大影响，软件问题已成为快速成型技术发展的关键问题。3.4.2 快速成型技术软件系统存在的问题 （1）快速成型软件大多是随机安装，无法进行二次开发 （2）各公司的软件都是自行开发，没有统一的数据接口 （3）随机携带的快速成型软件都只能完成一种工艺的数据处理和控制成型 （4）已商品化的通用性软件价格较贵，功能单一，只能进行模型显示、加支撑、错误检验与修正等中的一种或几种功能，而且也存在数据接口问题，不易集成。 （5）商品化的软件还不完善，不能满足当前快速成型技术对成型速度、成型精度和质量的要求。 （6）当前的数据转换模型缺陷较多，对CAD模型的描述不够精确，从而影响了快速成型的成型精度和质里。3.5 快速成型技术的发展方向RP技术虽然有其巨大的优越性，但是也有它的局限性，由于可成型材料有限，零件精度低，表面粗糙度高，原型零件的物理性能较差，成型机的价格较高，运行制作的成本高等，所以在一定程度上成为该技术的推广普及的瓶颈。从目前国内外RP 技术的研究和应用状况来看，快速成型技术的进一步研究和开发的方向主要表现在以下几个方面： （1）大力改善现行快速成型制作机的制作精度、可靠性和制作能力，提高生产效率，缩短制作周期。尤其是提高成型件的表面质量、力学和物理性能，为进一步进行模具加工和功能试验提供平台。 （2）开发性能更好的快速成型材料。材料的性能既要利于原型加工，又要具有较好的后续加工性能，还要满足对强度和刚度等不同的要求。 （3）提高RP 系统的加工速度和开拓并行制造的工艺方法。目前即使是最快的快速成型机也难以完成象注塑和压铸成型的快速大批量生产。将来的快速成型机需要向快速和多材料的制造系统发展，以便可以直接面向产品制造。 （4）开发用于快速成型的RPM 软件。这些软件有快速高精度直接切片软件，快速造型制造和后续应用过程中的精度补偿软件，考虑快速成型原型制造和后续应用的CAD 等。 （5）开发新的成型能源。目前大多数成型机都是以激光作为能源，而激光系统的价格和维修费用昂贵，并且传输效率较低。这方面也需要得到改善和发展。 （6）RPM 与CAD、CAM、CAPP、CAE 以及高精度自动测量、逆向工程的集成一体化。该项技术可以大大提高新产品的第一次投入市场就十分成功的可能性，也可以快速实现反求工程。 （7）研制新的快速成型方法和工艺。除了目前SLA、LOM、SLS、FDM 外，直接金属成型工艺将是以后的发展焦点。 （8）提高网络化服务，进行远程控制，实现全球化异地协同合作。4实验结果分析4.1 课题研究的内容 目前我国的压铸模具生产水平还有待进一步提高，压铸模具的发展对于提高我国内的模具和铸造产业具有十分重要的产业。本课题为压铸模具的快速成型技术研究，其主要内容为从给定的实物模具出发，经由测量设备、测量成品取得资料数据 , 再进入CAD/CAM软件或专业技术软件,建立工程CAD资料,并以快速成型机制作模型。比较模型与原型，探讨快速成型技术在模具制造行业所发挥的重要作用。4.2 实验的具体过程(1)CAD数字建模通过模具的二维图样，进行三维建模设计。试验中画二维图样所需要的原型数据是通过接触式测量中的三坐标测量机（CMM）得到的。三维实体模型的设计是通过三维绘图软件Pro/E进行的。设计得到的动、定模三维模型如图5.1所示。图5.1 动定模的三维模型STL文件是美国3D Systems公司提出的一种在CAD与RP系统之间交换数据的格式化文件，由于它格式简单，并且适用于所有的RP系统和CAD系统，所以已成为快速成型系统中事实上的标准数据输入格式。建模完成后，输出为快速成型需要的STL格式文件。(2)载入模型将STL格式文件读入专用的分层软件，如图5.2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5.2 成型空间(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模型屋裂缝、空洞，无悬面、重叠面和交叉面，以免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5.3为校验无误显示的信息。 图5.3 STL文件校验(4)确定摆放位置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显得更加重要