（材料学专业论文）基于数控加工原型的快速模具制造工艺研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 在快速模具制造的两种方法中，直接法虽然在缩短模具制造周期、降低成本 等方面具有优势而备受关注，但离实际应用还有一定差距。目前发展较快的快速 原型技术却因专用激光成型设备以及原型材料过于昂贵而限制了应用范围。随着 计算机和控制技术的发展，数控加工设各已广泛应用于制造企业，而精密成型技 术经过多年的发展，理论和实际操作过程都已经十分成熟。在此背景下，本课题 提出了将数控加工技术与现代精密材料成型技术结合，以期克服激光快速原型技 术在表面及尺寸精度低、机械性能低以及成本高、尺寸规格受限制等方面的不足， 开发种基于数控加工技术的低成本、高精度快速金属模具制造工艺。 该工艺的工艺路线为在c a d 环境中对零侔的c a d 数据送行整个飘造系统钓 精度控制及前期误差补偿，然后用加工中心快速加工出精密成型用的蜡模、泡沫 塑料模或高分子材料模具原型并优化其加工工艺和后处理工艺、最后通过石膏型 等精密铸造工艺并使用研制的铝合金模具材料制造出模具，使之在少量加工或者 不加工条件下能用于实际生产。工艺的重点在于寻找一种适用于数控加工和精密 成型的专用原型材料，探讨并研究该原型材料的数控加工工艺和精密成型工艺； 通过研究s i 、c u 、r e 、z r 等元素对铝合金高温性能的影晌，开发一种适合于复杂 模具型腔铸造成型的铝合金模具材料，并对该材料的表面强韧化、模具后处理等 方面进行初步研究，使其能应用于快速模具。 以上述工艺路线为思路，试验中采用一些在实际应用的零件对基于数控加工 原型的快速模具工艺进行了实践。结果表明：基于数控加工原型的快速模具制造 工艺，与目前研究较多的激光快速原型相比较，节省了昂贵的快速原型设备和原 型用材料使得模具制造成本可以降低3 0 、模具制造周期缩短3 0 ，具有更 易于推广应用、实现制模过程流程化等优点；和传统的模具制造技术相比，可以 大大降低模具总的制造成本、减少昂贵数控) 3 r i s e 费用、缩短模具制造周期，为企 业带来很大的经济效益。 关键词：模其制造，快速模具，数控加工，石膏型，精密铸造 重塑墅量望! 兰焦笙塞 茎苎塑墨 a b s t r a c t f o rt w om e t h o d so f r a p i dt o o l i n g ( r t ) ，t h ed i r e c tr a p i dt o o l i n g ( d r t ) m e t h o d h a sb e e ng r e a t l yf o c u s e df o ri t ss h o r tm a n u f a c t u r i n gc y c l ea n dl o wc o s t ，b u ti t c a n ，t l a r g e u s e p r a c t i c ep r e s e n t ；t h er a p i dp r o t o t y p i n g ( r p ) t e c h n i q u ed e v e l o p i n gr a p i d l yh a s b e e nl i m i t e di t s a p p l i c a t i o nf o rn e e d i n gs p e c i a le q u i p m e n t sa n de x p e n s i v ep r o t o t y p e m a t e r i a l s w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fc o n t r o l s y s t e m ，t h e n u m e r i c a l c o n t r o l ( n c ) e q u i p m e n t sh a v eb e e nw i d e l yu s e di nm a n u f a c t u r i n g ；m e a n w h i l ep r e c i s i o np r o c e s sh a s m a d e g r e a t l yp r o g r e s si nt h e o r ya n dp r a c t i c e i no r d e rt oo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g eo f r pi nl o ws u r f a c ep r e c i s i o n , b a dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，h i g hc o s to f m o u l da n dl i m i t e d a p p l i c a t i o n ，al l e wp r o c e s si n t e g r a t i n gn u m e r i c a lc o n t r o lw i t hm o d e r np r e c i s i o nf o r m i n g w a s p r e s e n t e di nt h i st h e s i s t h er o u t i n gw a st h a tt h ed e v i a t i o na n dp r e c i s i o no fw h o l es y s t e mh a v eb e e n a c c u r a t e l yc o m p e n s a t e da n dc o n t r o l l e di nc a d e n v i r o n m e n tb yt h r e e d i m e n s i o nd a t a ， t h e nt h ep r o t o t y p e so f s p e c i a lp a r a f f i n ，f o a mo ro t h e rm a c r o m o l e c u l em a t e r i a l sw e r e r a p i d l ym a c h i n e di n n u m e r i c a lc o n t r o lc e n t e r , t h ep a r a m e t e ro fm a c h i n i n ga n dp o s t p r o c e s s i n gm u s tb eo p t i m i z e d ，f i n a l l yt h ef i n i s hm o u l do rs e m i m a n u f a c t u r e dp r o d u c t w a se a s tb yg y p s u mm o u l dc a s t i n gt e c h n o l o g yi na l u m i n u ma l l o y s t h ek e y p o i n t so f t h i s p r o c e s sw e r et w oa s p e c t s ：t h ef i r s t ，ap r o t o t y p em a t e r i a la d a p t i n gt o n u m e r i c a l c o n t r o lm a c h i n i n ga n dp r e c i s i o nf o r m i n gw o u l db er e s e a r c h e da n di t sn c m a c h i n i n g p a r a m e t e r sa n di t sf o r m i n gp r o c e s sm u s tb eo b t a i n e d ；s e c o n d ，t od e v e l o pa a l u m i n u m m a t e r i a lu s e di nf o r m i n go f c o m p l e x m o u l dd i eb y i n v e s t i g a t i n g t h ei n f l u e n c eo f s i ，c u ， r e ，z r o na l u m i n u m a l l o y s b a s e do nt h ea b o v ec o n s i d e r a t i o n ，s o m em o u l d so fp a r t sw e r ep r a c t i c e di n e x p e r i m e n tb yt h i sp r o c e s st ou s e i np r o d u c t i o n t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ec o s to f m o u l dc a l lb er e d u c e d3 0 a n dt h em a n u f a c t u r i n gc y c l ec a nb er e d u c et o - 7 0 a s c o m p a r e d 、i mr pt e c h n o l o g y , t h e c h a r a c t e r i s t i co ft h i s p r o c e s s i s e a s y t ou s ei n i n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n de a s yt oc o n t r o li np r o c e d u r e c o m p a r e dw i mt r a d i t i o n a lm o u l d m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s , t h i sp r o c e s sc a r lg r e a t l yd e c r e a s e t h ew h o l ec o s to f m o u l d ，s a v e e x p e n s i v e c o s to n m a n u f a c t u r i n g m e t a lm a t e r i a l s ，r e d u c em a n u f a c t u r i n gc y c l eo f m o u l d ， a n dc o r p o r a t i o nw i l lb eb e n e f i t e df r o mt h i sp r o c e s sf i n a l l y k e y w o r d s ：m o u l dm a n u f a c t u r i n g r a p i dt o o l i n g n u m e r i c a lc o n t r o lg y p s u mm o u l d p r e c i s i o nc a s t i n g i i 兰塑翌塑塑坠兰型燮一! 笪丝 l 绪论 1 1 引言 模具是现代工业材料成型的主要工具，在电子、汽车、电机、电器、仪器、 仪表、家电和通信等产品中，6 0 8 0 的零部件都要依靠模具成形。用模具生产 制件所具备的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗，是其它加工 制造方法所不能比拟的。模具的质量和制造速度在很大程度上代表了一个国家的 制造业技术发展水平。 9 0 年代以后，随着市场竞争的日趋激烈，制造商产品开发速度加快，用户对 产品的外形要求也越来越高，这就使得产品的生产模式正在由传统的大批量生产 向能灵活适应市场的中、小批量生产转变，在这种条件下，羁期长，精度低的传 统模具制造技术已经不能满足市场要求，制约了企业产品的上市时间，从而降低 企业的市场竞争能力，人们将目光转向了快速模具胄4 造技术( r p m ) 。 世晃先进工业化目家的r p m 技术在经历了模型与零件试制、快速树脂软模制 造阶段后，目前_ f f 向快速金属模具制造( r m t ) 方向发展，特别是兴起于本世纪 8 0 年代术期的快速原型技术，为快速模具制造开辟了很好的途径。目前已经提出 众多的r m t 方法可分为由r p 系统制作的快速原型复制金属模具的间接法和根据 c a d 数据直接由r p 系统制造金属模具的直接法两大类。直接快速模具制造指的 是利用不同类型的快速原型技术直接制造出模具本身，然后进行一些必要的后处 理和机加工以获得模具所要求的机械性能、尺寸精度和表面粗糙度。目前能够直 接制造金属模具的r p 工艺包括激光选区烧结( s l s ) 、三维打印( 3 d p ) 、形状沉 积制造( s d m ) 和三维焊接( 3 d w e l d i n g ) 等。尽管直接快速模具制造具有其独 特的优点：制造环节简单能够较充分地发挥r p 技术的优势，特别是与计募机技 术密切结合，快速完成模具制造：对于那些需要复杂形状的内流道冷却的模具与 零件，采用直接r t 有着其他方法不能替代的独特优势”7 ”。但与之相比，间接快 速模具制造是通过快速原型技术与传统的模具翻制技术相结合制造模具，由于这 些成熟的翻制技术具有多样性，可以根据不同的应用要求，使用不同复杂程度和成 本的工艺，一方诿可以较好地控翩模具的精度( 可达r 3 2 1 6 z m ) 、表面质量、 机械性能与使用寿命；另一方面也可以满足经济性的要求。因此，目前工业界多 数使用间接快速模具制造技术。这类技术包括喷涂模具、中低熔点合金模具、表 面沉积模具、电铸模、铝颗粒增强环氧树脂模具、硅胶模以及快速精密铸造模具 等，已用于制造锻造模具、冲压模，压铸模、玻璃模等。但是这种方法需专甩的 激光成型设备，且制作原型的材料价格昂贵，限制了其应用范围。 j ! i i 坠! 塑堂垡笙苎 ! 堑丝 目前数控加工技术在制造业应用越来越广泛，数控加工设备已由原来的高精 端设备变成大多数工厂具有的普通设备。精密材料成型技术发展迅速，典型的有 泡沫实型消失模精密铸造技术及石膏型精密铸造技术。因此将数控加工技术和精 密材料成型技术相结合，开发一种成本更低、周期更短的快速模具技术将大大提 高模具制造的竞争力，在模具工业应用上具有很大的发展前景。 1 2 国内模具发展状况 我国模具制造企业超过1 7 0 0 0 家，大多数属于分散生产的小型企业，从规模 和能力上，大致可以分为三类l ：5 ：| ： ( 1 ) 较大型的模具厂。历史悠久，设备齐全，有一定的生产规模和技术支持， 能够生产不同类型的模具，但是近年来也面临国外企业和国内大量的小型模具制 造企业的竞争。 ( 2 ) 大型企业集团附属的模具制造厂或模具制造中心，如汽的附属的工具 厂、东风公司的模具厂、江铃汽车公司的模具中心，海尔、科龙、康佳、格力等 集团都拥有自己模具制造中心或模具分厂。这些集团拥有很强的模具制造设备和 技术力量，能够承担本企业集团的全部或大部分的模具制造任务，使模具行业最 强有力的生产力量。据粗略估计，产品厂的模具生产能力占全国模具生产能力的 7 5 。 ( 3 ) 近2 0 年来迅速发展起来的大量中小型模具制造厂，这些企业占模具制 造企业的9 0 左右，规模小，设各简单，生产能力不大，技术力量薄弱，当经营 模式灵活，制造周期短，可以适应小批量生产的、对模具精度和寿命要求不高的 简易模具的需要。这类厂发展很快，随市场需要不断提高，逐渐从低档产品向中 高档产品发展。 我国的很多模县企业生产规模小，跨行业、投资密集，专业化、商品化和技 术管理水平都比较低。一般模具国内可以自行制造，但很多大型复杂、精密和长 寿命的多工位级迸模大型精密塑料模复杂压铸模和汽车覆盖件模等仍需依靠进 口，近年来模具进口量己超过国内生产的商品模具的总销售量。我国模具工业现 有能力只能满足需求量的6 0 左右，模具标准件的商品率也不到2 0 ，还不能适 应国民经济发展的需要。 目前我国冲压模占5 0 左右，塑料成形模约占2 0 ，拉丝模( 工具) 约占1 0 ，而世界上发达工业国家和地区的塑料成形模比例般占全部模具产值的4 0 以t 。冲压模大多为简单模、单工序模和复合模等，精冲模，精密多工位级进模 还为数不多，模具平均寿命不足1 0 0 万次，模具最高寿命达到l 亿次以上，精度 达到3 5 “埘，有5 0 个以e 的级进工位，与国际上最高模具寿命6 亿次，平均模 里压奎堂堡主堂垡鲨塞 ! 堡笙 具寿命5 0 0 0 万次相比，还具有一定的差距。塑料模具平均寿命约为8 0 万次左右， 主要差距是模具零件变形大、溢边毛刺大、表面质量差、模具型腔冲蚀和腐蚀严 重、模具排气不畅和型腔易损等注射模精度已达到5 埘以下，最高寿命已突破 2 0 0 0 万次，型腔数量已超过1 0 0 腔【6 】，和国外的差距日益缩小。 汽车、摩托车行业作为模具的最大市场，在工业发达国家占整个模具市场6 0 以上。目前我国汽车产量在2 7 0 万辆左右，车型约为1 7 5 种，将有更新型和改装 车型4 4 0 种。汽车换型时，约有8 0 的车身模具需要更新，一个型号的汽车，所 需模具多达几千套，价值上亿元。如一个车型的轿车共需模具4 0 0 0 套，价值2 3 亿元，其中进口模具就需近千万美元。摩托车产量已超过1 0 0 0 万辆，有8 0 0 0 多 个车型。单台摩托车约需零件2 0 0 0 种，其中一半以上必须用模具生产1 7 j 。 家电行业也是模具的大市场，如单台电冰箱需用模具生产的零件约有1 5 0 个， 共需模其约3 5 0 套，价值约4 0 0 多万元：单台洗衣机需用模具生产的零件约5 0 0 个，共需模具约2 0 0 套，价值2 0 0 0 3 0 0 0 万元；单台空调器，仅塑料模就需近2 0 0 套，价值1 5 0 万元；单台彩电大约有1 5 0 个零件需用模具生产，共需楱具约1 4 - 0 套，价值7 0 0 万元。另外，通讯设备、p v c 塑料门窗、上下水管道、铝型材挤压 模、自行车、电机、缝纫机、仪器、仪表等行业中的产品也是模具的一个主要市 场m 】。 为了提高市场竞争力，产品商为了实现降低产品成本，加快产品上市时削， 要求模具制造商在模具成本、制造周期等方面提出更高的要求。快速制模技术， 是将传统的制模方法与快速成形技术相结合，使模具制造周期短、成本低、经济 效益好，在精度和使用寿命方面满足生产要求，可在短期内迅速推出满足用户需 求的一定批量的产品，大幅度地降低了新产品丌发研制的成本和投资风险，缩短 了新产品研制和投放市场的周期，在小批量、多品种、改型快的现代制造模式下 具有很大的优势。 1 3 模具制造技术的发展趋势 我国模具制造技术发展迅速，逐渐由单一、具体、细节的设计及各道工序的 加工过程向设计、制造技术的系统化、集成化过程转变，目前已经成为现代先进 制造技术的重要组成部分。为了适应这制造商为满足市场需求而对产品开发和模 具敏捷制造的要求，近年来国内的模具制造技术也向以下几个方面发展a 1 ) 模具c a d c a e c a m 正向集成化、三维化、智能化和网络化方向发展 传统的二维模具结构设计已越来越不适应现代化生产和集成化技术要求。目 前很多的c a d 软件包括了曲面实体几何造型、复杂形体工程制图、工业设计高级 渲染、塑料模设计专家系统、复杂形体c a m 、艺术造型及雕刻自动编程系统、逆 重庆人学硕士学位论文 1 绪论 向工程系统及复杂形体在线测量系统等，实现模具设计、分析、制造的三维化、 无纸化，以立体的、直观的感觉来设计模具。所采用的三维数字化模型能方便地 用于产品结构的c a e 分析、模县可制造性评价和数控加工、成形过程模拟及信息 的管理与共享，全数字化实现模具设计、制造、装配、检验、测试及生产管理的 全过程，获得虽佳的经济效益。美国在其 2 1 世纪制造企业战略中指出，如果 在2 0 0 6 年实现汽车工业的c a d m ，c a e ，c a p p 伊d m 集成，采用基于i n t e m e t 的敏捷生产虚拟工程方案，可以使汽车开发周期从4 0 个月缩短到4 个月l 引。 2 ) 模具检测、加工设备向精密、高效和多功能方向发展 精密、复杂、大型模具的发展，对检测设备和加工设备的要求越来越高。现 在精密模具的精度已达2 3 ，l ，如三坐标测量仅、不仅可以实现高精度的测量， 还可以实现从测量实物一建立数学模型一输出工程图纸一模具制造的逆向技术的 的开发和应用。铣削加工作为型腔模具加工的重要手段，高速铣削具有工件温升 低、切削力小、加工平稳、加工质量好、加工效率高( 为普通铣削加工的5 1 0 倍) 及可加工硬材料( 6 0 h r c ) 等诸多优点，因而在模具加工中目益受到重视。 3 ) 快速经济制模技术发展迅速 快速经济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 与寿命又能满足精度和使用寿命方面的使用要求，是综合经济效益比较显著的一 类制造模具的技术。快速制模技术主要有快速原型制造技术( r p m ) 、表面成型制 模技术、浇铸成型制模技术、挤压成型技术、无模多点成形技术等f 1 “。 r p m 与传统快速经济模具相结合，快速开发试制新产品，已成为快速经济模 具一个重要的发展方向。r p m 经过各种应用探讨后，j 下大力向着快速模具制造 ( r t m ) 方向发展，并已取得很大进展。各种快速经济制模技术在推广应用过程 中也会不断完善成熟和发展。随着高新技术的发展，各种技术的复合与渗透，为 适应生产中的不同需求，今后必定会形成一些新型、节约能源、节约材料的快速 制模技术。 4 ) 模具材料及表面处理技术发展迅速 因选材和用材不当，致使模具过早失效，大约占失效模具的4 5 以上。在模 具材料方面，常用冷作模具钢有c r w m n 、c r l 2 、c r l 2 m o v 和w 6 m 0 5 c r 4 v 2 ，火 焰淬火钢( 如日本的a u x 2 、s x l 0 5 v ( 7 c r s i m n m o v ) 等；常用新型热作模具钢有美 国h 1 3 、瑞典q r 0 8 0 m 、q r 0 9 0 s u p r e m e 等；常用塑料模具用钢有预硬钢( 如美 国v 2 0 ) 、时效硬化型钢r 如美国p 2 1 、日本n a k 5 5 等) 、热处理硬化型钢( 如美国 d 2 ，日本p d 6 1 3 、p d 5 5 5 、瑞典一胜自1 3 6 等) 、粉末模具钢( 如日本k a d l 8 和k a s 4 4 0 ) 等；覆盖件拉延模常用h t 3 0 0 、q t 6 0 - 2 、m o c r 、m o - v 铸铁等，大型模架用h t 2 5 0 。 多工位精密冲模常采用钢结硬质合金及硬质合金y g 2 0 等。在模具表面处理方面， 4 j 重堡奎兰堡主兰堡丝苎 ! 堡堡 其主要趋势是：由渗入单一元素向多元素共渗、复合渗( 如t d 法1 发展；由一般扩 散向c v d 、p v d 、p c v d 、离子渗入、离子注入等方向发展；可采用的镀膜有： t i c 、t i n 、t i c n 、t i a l n 、c r n 、c r 7 c 3 、w 2 c 等，同时热处理手段由大气热处理 向真空热处理发展。另外，目前对激光强化、辉光离子氮化技术及电镀( 刷镀) 防腐 强化等技术也日益受到重视。 5 ) 模具工业新工艺、新理念和新模式逐步得到了认同 在成形工艺方面，主要有冲压模具功能复合化、超塑性成形、塑性精密成形 技术、塑料模气体辅助注射技术及热流道技术、高压注射成形技术等。另一方面， 随着先进制造技术的不断发展和模具行业整体水平的提高，在模具行业出现了一 些新的设计、生产、管理理念与模式。具体主要有：适应模具单件生产特点的柔 性制造技术；创造最佳管理和效益的团队精神，精益生产；提高快速应变能力的 并行工程、虚拟制造及全球敏捷制造、网络制造等新的生产管理方式；广泛采用 标准件通用件的分工协作生产模式；适应可持续发展和环保要求的绿色设计与制 造等。 1 4 本课题研究的目的和意义 当今企业的竞争集中表现在产品款式、新产品开发周期及产品生产规模方面 的竞争。模具作为新产品生产的关键工装，其设计与生产日益成为新产品丌发周 期的决定因素。在汽车工业中，过去新车型的开发周期一般为十年，现在缩短为 二到三年，福特及丰田新车型的开发周期仅为一年半，这一切都得益于企业模具 设计与制造水平的提高。随着产品开发周期的缩短，相应地对模具制造周期也提 出了更高的要求，因此人们将目光重新转移到了快速模具制造技术上。 发展于2 0 世纪9 0 年代的快速原型技术( r a p i dp r o t o t y p i n g m a n u f a c t u r i n g ， 简称r p 或r p m ) 是指在计算机控制与管理下，由零件c a d 模型直接驰动，采用 材料精确堆积复杂三维实体的原型或零件制造技术，是一种基于离散堆积成型原 理的新型快速模具制造方法。该技术已经能非常成功地制作包括树脂、塑料、纸 类、石蜡、陶瓷等材料的原型，但往往不能作为功能性零件，只能在有限的场合 用来替代真难的金属和其它类型功能零件做功能实验，并且需要专门的设备和原 型材料的局限性，限制了该技术广泛应用。传统技术如精密铸造、消失模成型等 经过长期发展，已相对成熟，但不能适应信息时代的快速柔性要求，因此在未来 一段时期内，必须将快速成型技术与传统成型技术结合起来，开发尺寸稳定性好 的制模材料，实现制模过程的短流程化和工作环境的安定化以提高模具精度，实 现快速模具技术的敏捷化磊4 造。 近年来，随着计算机控制技术的发展，计算机图形处理能力有了很大的发展， 重庆火学硕士学位论文 1 绪论 基于c a d c a m 技术进行图形交互设计的自动编程日趋成熟，该方法具有速度快、 精度高、直观、便于检查等优点，因此在制造行业得到广泛应用。在模具行业， 掌握数控加工技术与否及加工过程中数控化率的高低已经成为企业是否具有竞争 力的象征，并成为模具技术研究的一个热点。 因此，本课题提出了将数控加工技术与现代精密材料成型技术结合，克服快 速原型技术在表面及尺寸精度、机械性能低以及成本高、尺寸规格受限制等方面 的不足，开发一种基于数控加工技术的、低成本、高精度的快速会属模具制造工 艺。 该工艺根据经过精确误差补偿的c a d 数据，由数控加工设备快速加工出精密 成型专用的蜡模、泡沫塑料模或者可加工高分子材料模具，由所研究的模具材料 制得金属模具成品或者半成品。所采用工艺路线如图1 1 所示。 该工艺重点在整个制造系统的精度控制及前期误差补偿；研究开发一种适用于 数控加工和精密成型的专用原型材料，探讨专用原型材料的快速、高精度加工工 艺、精密成型工艺；开发一种应用于浇注模具和塑料模具的模具材料，并对该材 料的表面强韧化、模具后处理等方面进行初步研究。该工艺与目前研究较多的基 于快速原型的快速模具制造工艺相比，精度更易于控制、具有速度更快，易于推 广应用，可以实现制模过程流程化等优点。 模 二维图纸 具数控原型一模型表面处理 实卤法 一模点择 图1 1 本课题拟采用的工艺路线 f i g1 1 t h ep r o c e s su s e di nt h i st h e s i s 重量茎兰皇生竺垡垫 一 ! 堡望竖墨童! 垄垫垄量垫笙垫三王苎 2 快速模具制造技术与数控加工工艺 传统模具制造的方法很多，如数控铣削加工、成形磨削、电火花加工、线切 割加工、铸造模具、电解加工、电铸加工、压力加工和照相腐蚀等，由于这些工 艺复杂、加工周期长、费用高而影n p j t 新产品对于市场的响应速度。而传统的快 速模具( 例如中低熔点合金模具、电铸模、喷涂模具等) 因其工艺粗糙、精度低、寿 命短，很难完全满足用户的要求。而快速原型( r p ) + 快速模具技术( r t ) 将采 用快速原型早期、多回路、快速信息反馈的设计和制造方法，结合各种计算机模 拟和分析手段，形成一套全新的模具设计与箭造系统。r p + r t 能解决大量传统加 工方式难以解决的问题，可以获得一般切削加工不能获得的复杂形状，可以根据 c a d 模型直接将复杂型腔曲面制造出来，在最终生产模具开模之前进行新产品试 制与小批量生产，可以大大提高产品开发的一次成功率，有效地缩短开发时间和 节约开发费用，因此得到了很大的发展”j 。 2 1 陕速模具技术 快速模具根据不同的制模工艺方法，可以分为直接快速模具和间接快速模具。 直接快速原型模具，以快速原型件直接作为模具，可以用作砂型铸造模具、低熔 点合金浇注模、试成形用注塑模、熔模铸造的蜡型、蜡型的替代品和蜡型的成形 模：间接快速模具指以快速原型件为母模，通过型腔复制制作模具，包括硅橡胶 复制、金属冷喷涂、精密铸造、树脂材料性强复制等f ”j 。 2 1 】、直接制模法 直接法尤其是直接快速制造金属模具( d r m t ：d i r e c tr a p i d m e t a lt o o l i n 曲方法 制造环节简单、能够充分发挥r p 技术的优势，特别是与计算机技术紧密结合，能 够快速完成模具；对那些需要复杂形状的内流道冷却的模具与零件，采用直接r t 法有其他方法不能替代的优势【4 。但是直接法在模具精度和性能控制方面比较困 难，特殊的后处理设备与工艺使成本有较大提高，模具的尺寸也受至较大的限制。 因此d r m t 技术研究和应用的关键在于如何提高模具的表面精度和制造效率以及 保证其综合性能质量，从而直接快速制造耐久、高精度和表面质量能满足工业化 批量生产条件的金属模具。目前已出现的d r m t 方法主要有：以激光为热源的选 择性激光烧结法( s l s ：s e l e c t i v e l a s e rs i m e r i n g ) 和激光生成法( l g ：l a s e r g e m e r a t i n g ) ；以等离子电弧等为热源的熔积法( p d m ：p l a s m ad e p o s i t i o n m e t h o d 或 p p w ：p a s m ap o w d e rw e l d i n g ) ：喷射成形的三维打印法( 3 d p ：3 d - d i m e n s i o n a a l p r i n t i n g ) ；形状沉积制造( s d m ) 工艺以及美国3 d s y s t e m s 公司开发的a i m 侠速 重鉴查兰堡主堂堡堡苎 ! 堡望塑墨型堕垫查皇墼篓垫三三茎 制模工艺工艺h , 1 5 1 。 2 1 2 、间接制模法 和直接制模法相比，间接铡模法通过快速原型技术与传统的模具翻制技术相 结合来制造模具，由于翻制技术已经十分成熟并具有多样性，可以根据不同的应 用要求、使用不同复杂程度和成本的工艺。一方面可以较好地控制模具的精度、 表面质量、机械性能与使用寿命，另一方面也可以满足经济性的要求。因此，间 接快速模具制造技术为目前工业界广泛使用。这类技术包括喷涂模具、中低熔点 合金模具、表面沉积模具、电铸模、铝颗粒增强环氧树脂模具、硅胶模以及快速 精密铸造模具等。 赜涂模具 喷涂模具包括金属冷喷模具和等离子喷涂( 熔射) 模具。金属冷喷模具采用 t a f a 等公司的喷涂设备，用喷枪在r p 原型的表面上喷射一层簿度可以达到2 m m 甚至更厚的金属壳层，然后用铝颗粒与树脂混合材料作为背衬物并且埋入冷却管 道，涂层与背衬材料转移结合，去除r p 原型之后即可制得模具。喷涂表面的复制 性能非常好，尺寸精度高，还可以进行抛光以改善表面粗糙度。采用等离子喷涂( 熔 射) 技术，可以获得高熔点金属涂层( 如不锈钢涂层) ，这样制得的模具表面硬度高、 表面质量好、经济耐用、制作简单，使用寿命更是大大超过金属冷喷模具。中i i 威雄采用该方法制造模具获得了良好的效果j m 。1 。 中低熔点合金模具 典型的中熔点合金有锌基合金，低熔点合金有b i s n 合金。铸造中低熔点合金 模具指以r p 原型为母模，将r p 原型翻制为硅胶模，再由硅胶模翻制石膏模，通 过石膏模精铸得到锌基合金模具。该工艺在汽车车身覆盖件拉延模具设计中获得 广泛应用。清华大学开发的新工艺采用无焙烧精密陶瓷型技术，完成l o m 原型到 陶瓷型的转换，再进行低熔点合金( b i s n 合金) 精密铸造获得金属模具。b i s n 合金熔点为1 3 8 。c ，调整b i 与s n 比例可以控制在凝固时微缩或微涨的量值，因而 不会引起残余应力而发生变形，可保证高精度。工艺路线为：根据c a d 模型制造 l o m 原型，将它翻制为具有足够尺寸精度的陶瓷型，对于陶瓷型进行特殊处理后， 在约1 4 0 。c 的温度下，浇铸出b i s n 低熔点合金汽车覆盖件拉延模具。此模具可以 制造1 0 0 3 0 0 件汽车覆盖件零件，完全可以满足汽车试制模具的需要。 沉积技术制造的模具 美国的爱达荷国家工程与环境实验室( i n e e l ) 研制的r s p ( r a p i ds o l i d i f i c a t i o n p r o c e s s l 快速制模技术的原理是采用普通的工具合金( 如p 2 0 、h 1 3 与d 2 工具钢或 其他合金) 粉末，通过沉积技术在r 原型的表面形成一层具有足够厚度的沉积层。 在增压的作用下，熔融金属液体进入喷头，在高速气体的带动下，金属微粒甚至 里堡茎羔望堂堡! ! 垒奎 ! 堡望堡星堕! 垄垫查兰壑笙垫三三苎 可以以增原子的方式沉积在表面上，能够把r - p 原型表面极细微的特征复制下来。 表面粗糙度可以达到3 i r a ，沉积率为2 2 7 k g h ，适用于此项工艺的材料不仅有金 属，而且包括陶瓷、聚合物等各类材料问。 电铸模 电铸模是一种结合快速原型和传统电铸的快速模具技术。其过程为：先对r p 原型表面进行必要的处理，如打磨、抛光、涂敷导电层等；然后置入电铸槽中， 通过常温电铸获得金属壳层，该壳层的内表面精确地复制出了r p 原型的外表面： 通过中高温烧结去除金属壳内的原型；最后在稹具框和金属壳外侧之间浇铸低熔 点合金或铝粉一树脂混合材料背衬，即可得到电铸模f 1 4 , 2 0 。 除了上述的几种方法之外，国外研究及应用事例还有3 d s y s t e m s 公司的基于 s l a 原型的粉术成形烧结+ 浸渗快速复制( k e l t 0 0 1 ) i 艺、c e m c o m 公司的镀镍+ 陶 瓷复合( n c c ，n i c k e l c e r a m i cc o m p o s i t e ) 2 t 2 生、i d a h on a t i o n a l e n g i n e e r i n ga n d e n v i r o n m e n t a ll a b 的快速凝固工艺( r s p ，r a p i ds o l i d i f i c a t i o np r o c e s s ) 和s o l i g e n t e c h i n c ，公司的基于d s c p 金属薄壳成形系统的铸造工艺、b a d g e r p a t t e r n 公司的锌 合金喷涂+ 树脂金属复合材料补强工艺和东京大学的r h s t ( r a p i dh a r ds p r a y t o o l i n g ) 以及日产汽车公司的熔射快速制造金属模具法等【l ”。 k e l t o o l 方法的工艺路线是：由s l a 方法生成快速原型一硅橡胶翻模得到模具 的负型一填充金属粉末及粘结剂一放入高温炉膛内进行烧结、渗铜一得到最终模 具。模具型腔经过热处理后表面硬度可以达到4 8 5 0 h r c 。用a 6 工具钢制造的 模具能够生产数千件产品，但此法制模过程时间长，且工艺复杂。 n c c 方法首先在s l a 方法生成的快速原型上镀上一层厚约1 5 i n m 的镍，然 后在镍质镀层上用化学反应凝固陶瓷材料( c b c ，c h e m i c a l l yb o n d e dc e r a m i c ) 作背 村补强，将原型分离后得到最终模具。这一方法具有与s l a 工艺同等的精度，可 用于注塑模制造，但要解决电镀工序时间长和需处理废液污染等问题。 r s p 方法是用高速隋性气体将熔化的金属液体雾化，喷射在石蜡、翅料或陶 瓷原型f 通过s l a 、s l s 或l o m 方法制造) 上，生成一薄层金属，补强背衬并除去 原型后得到模具。此法可制作注塑模具和冲压模具，但是为了提高制件的表面质 量和机械性能需要进行时效处理，增加了制模时间。 b a 证e rp a t t e r n 公司、东京大学和日产汽车公司熔射制模法的基本工艺都是在 原型表面形成熔射层，然后对熔射层进行补强并将熔射原型去除得到金属模具。 但b a 证e rp a t t e r n 公司只能熔射低熔点锌合金，并采用树脂金属复合材料对熔射层 补强，致使模具的耐磨性和热传导性，只能用于数百件注塑成形。东京大学开发 的r h s t 方法则是以不锈钢或碳化钨合金等高融点材料为熔射材料，并以金属材 料对熔射层背衬补强，从而极大地改善了熔射摸具的耐久性，使其能用于表面光 9 重苎丛型里垡兰鎏堂生 ! 堡鲨堡墨鱼! 堑垫查量塑笙垫三：兰苎 滑或带天然精细皮革纹饰塑料产品的大批量注塑成型以及金属薄板成形。臼产汽 车公司的熔射制模法也采用不锈钢作为熔射材料，并采用树脂。金属复合材料补强， 已用于数万至二十多万件的轿车覆盖件成形，但与r h s t 法相比，该法不能用于 表面带天然精细皮革纹饰耐久注塑模具的制造，使用范围受到限制。 表2 1 几种快速制模技术的性能参数 开发单位使用材料尺寸规格 尺寸精度表面精度表面硬度 3 0 4 、3 1 6 不锈钢、 铁镍合金、h 1 3 略高于铸 u m fs a n d i an a t i o n a ll a b 小0 5 m mr c 5 9 3 工具钢、碳化钛金 造精度 属陶瓷等 p a p i d d t m 公司低碳钢、铜中、小r b 7 5 t 0 0 1o 2 5 m m 聚合物、金属或尚 0 5 】与铸造精 3 d pm i t中、小r c 3 0 瓷粉末 度相当 n c cc e m c o m 公司镍中、小0 1 3 m m0 1 “mr b 6 5 a 6 工具钢、不锈 热处理后 k e l t o o l3 d s y s t e m s 公司 中、小土o 1 达到 钢、碳化钨等 r c 4 8 5 0 i d a h on a t i o n a l p 2 0 、h 1 3 、d 2 to 1 与e d m 时效处理 r s p e n g i n e e r i n g a n d 具钢 大、中 o 2 精度相当r 6 1 6 4 e n v i r o n m e n t a ll a b 东京大学和华中理不锈钢、碳化物台 大、中、 r h s t 最适合数控加工类零件：形状复杂，加工精度要求高，用普通机床无法 加工或虽然能加工但很难保证产品质量的零件；复杂曲线轮廓或复杂曲面的零件： 难测量、难控制进给、难控制尺寸的具有内腔的壳体或盒状零件：必须在次装 夹中合并完成铣、镗、铰等多道工序的零件； ( 2 ) 比较使和数控加工类零件：在普通机床上加工失衡容易受到人为因素干 扰，材料又昂贵的零件；在普通机床上必须有复杂专用工装的零件；需要多次更 改设计后才能定型的零件；在通用机床上加工需要作长时间调整的零件；在通用 机床上加工，生产效率较低或体力强度很大的零件； ( 3 ) 部使和数控加工的零件：装夹困难或完全靠找正定位来保证加工精度的 零件；加工余量很不稳定，且数控机床上无在线检测系统可自动调整零件的坐标 位置的零件。 2 ，2 2 数控机床 从1 9 5 7 年第一台数控钒床投入使用以来的几十年闻，数控机床