（机械工程专业论文）基于快速成形技术的石膏型快速模具制造技术.pdf

基于快速成形技术的石膏型快速模具制造技术 摘要 本文对基于快速成形技术的石膏型快速模具制造技术进行了深入研究。目的 是探索和完善该制模工艺，分析和解决其中的技术难点，使该项技术成为由快 速原型到快速模具的切实可行的工艺。针对此目的，本文在整套工艺的完善上 进行了大量工作，完成了基于快速原型的石膏型快速模具制造。本文指出，基 于快速成形技术的石膏型快速模具制造技术是以快速原型为母模，通过硅胶模 转制技术得到石膏型，最后采用石膏型精密铸造的方法获得最终模具。 论文的主要研究成果有： 1 将快速成形技术、硅胶模转制技术和石膏型精密铸造技术相结合，提出了基 于快速成形技术的石膏型快速模具制造技术，使模具制造在提高质量、缩短 研制周期、提高制造柔性等方面取得r 明显的效果，为金属模具制造开辟了 一条新的技术途径，具有广阔的应用前景和巨大的经济效益。 2 ，对整个石膏型成形工艺进行了研究，完成了石膏混合料配方的研究，确定了 石膏型真空造型及烘干焙烧工艺参数，并对合金的浇注进行了一定的研究。 3 基于石膏型快速模具制造技术产业化的实际需要，研制了石膏型真空造型设 备。 关键词：快速原型，硅胶模，石膏型 r pb a s e d r a p i d m o u l d m a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u e su s i n g p l a s t e rc a s t i n g a b s t r a c t t h e r a p i d m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y o f p l a s t e rc a s t i n g d i e sb a s e do n r a p i d p r o t o t y p i n g ( r p ) i ss y s t e m a t i c a l l ya n dd e e p l y s t u d i e di nt h i s p a p e r t h er pb a s e d r a p i dm o u l dm a k i n gp r o c e s sb yp l a s t e rc a s t i n gi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r f u l lr p b a s e dm o u l dm a k i n gp r o c e s sw i t hp l a s t e rc a s t i n gi sd e v e l o p e da f t e rt e c h n i q u eb r e a k t h r o u g hi sm a d e r pb a s e dm o u l dm a k i n gp r o c e s sw i t hp l a s t e rc a s t i n gt e c h n i q u ef i r s t l yu s e sr a p i d p r o t o t y p ea s m a s t e rm o l d ，t h e ng e tg y p s u mm o u l dt h r o u g hs i l i c o n er u b b e rm o u l d ， l a s t l yb e c o m e t h ef i n a lm e t a lm o u l d u s i n gp l a s t e rp r e c i s i o nc a s t i n gt e c h n o l o g y t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r e ： 1 c o m p o s e do fr pt e c h n o l o g y , s i l i c o n e r u b b e rm o u l dt e c h n o l o g ya n dp l a s t e r p r e c i s i o nc a s t i n gt e c h n o l o g y , r p b a s e dm o u l d m a k i n gp r o c e s sw i t hp l a s t e rc a s t i n g t e c h n o l o g y h a sb e e na d v a n c e d t h i s p r o c e s s m a k e si t p o s s i b l e t o r a p i d l y m a n u f a c t u r ea l lk i n d so fm o u l d sw i t hs h o r tt i m e sa n dl o wc o s t ，a n di tf i tt h en e w d e v e l o p m e n ts t r a n do fm o u l dm a k i n gt e c h n o l o g y , s oi t w i l lh a v ew i d ea p p l y p r o s p e c t a n dm a k e r p r o s p e c t 2 f u l lp l a s t e rc a s t i n gm o u l dm a k i n gp r o c e s sh a sb e e nr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r ， p l a s t e r b a t c hc o m p o n e n th a sb e e n s t u d i e d ，p l a s t e rv a c u o f o r m i n gp r o c e s s i n g p a r a m e t e r sa n dd r y i n g r o a s t i n gp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sh a v eb e e nd e f i n e d , a l l y m o u l d sh a v eb e e nm a n u f a c t u r e d u s i n gp l a s t e rp r e c i s i o nc a s t i n g 3 b e c a u s eo ft h ea c t u a lr e q u i r e m e n to fr pb a s e dr a p i dm o u l dm a k i n gp r o c e s sb y p l a s t e rc a s t i n gt e c h n o l o g yi n d u s t r i a l i z a t i o n , p l a s t e rv a c u o f o r m i n ge q u i p m e n t h a s b e e nf a b r i c a t e d k e y w o r d ：r a p i dp r o t o t y p e ，s i l i c o n er u b b e rm o u l d ，g y p s u m m o u l d 合肥工业大学 本沦文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名： 主席( 工作单位职称) ： 委 必兰 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得合肥工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名： 签字日期：a v 年p 月i 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解舍肥工业大学有关保留、使用学位沧文的靓定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交沦文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权台肥 工业大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行榆索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名导师签名 签字日期：佴乃以自签字日期：夕i p 年f 月f 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 致谢 本文是在导师赵韩教授的悉心指导下完成的。赵韩教授从作者的论文选题、 实验工作到论文写作都给予了极大的关心。同时，在整个论文工作中还自始至 终得到了单忠德博士的帮助，在此表示由衷的感谢。赵教授广博的学识、开阔 的视野、严谨的治学态度以及献身于袒国科研事业的敬业精神，都使作者受益 匪浅，在此，作者表示深深的敬意和衷心的感谢 在作者学习期间，同学们给予了热情的帮助。在此，向所有给予关心和帮助 的老师和同学表示衷心的感谢f 最后，作者还要特别感谢学校的老师和领导，足他们给予作者极大地关心、 支持和鼓励，使得作者能够如期完成学业。 作者：李晓蓓 2 0 0 4 年8 月 1 1 现状分析 1 1 1 快速成形技术1 1 7 1 第一章引言 快速成形技术( r a p i dp r o t o t y p i n g ，问称r p 技术) 是一种基于离散堆积成形 思想的新型成形技术，它是将计算机辅助设计、辅助制造、数字控制、精密伺服 驱动和新材料等先进技术集予一体，依据产品的三维设计模型，分层切片得到各 层截面的轮廓，并通过激光粘结或热熔得到各截面的轮廓并逐步形成三维产品。 l i p 技术彻底摆脱了传统的“去除”加工法，将复杂的三三维加- t 分解成简单的一： 维加工的组合，从而降低r 传统制造方法需要几周或几个月设计制造的时间和昂 贵的费用。根据围外统计，r p 技术只需要传统加t 方法3 0 5 0 的工时和2 0 - 3 5 的成本就能直接制造产品样品或模具。r p 原型目前已广泛地应用于机械、电子、 汽车、航空、航天领域，随着该项技术的日臻完善，将给制造业带来一场革命。 r p 技术是由c a d 模型直接驱动的快速制造复杂形状三维物理实体的技术的 总称。t e n 、，tw o h l e r s 对r p 技术作了如下描述：r p 指通过特殊加工工艺实现 的一种设计的物理模型。r p 系统依据三维c a d 模型资料、c t 和m r l 扫描资料 和由三维实物数字化系统创建的资料，通过各种使能方法，把液体、粉末或者薄 片形态的材料堆积起来制造物理实物。我们实验室对r p 技术的描述则更为详细： r p 技术是基于离散堆积成形原理的新趔数字化成形技术。它是在计算机的控制 管理下，根据零件的c a d 模型，通过材料的精确堆积，制造原形或零件的。其 成形过程是，首先用c a d 软件设汁出“零件”的c a d “电子模型”，然后根据 具体工艺要求，将其按一定厚度分层，即将其离散为一系列二维层面，在将这些 离散信息同加工参数相结合，生成n c 代码输入成形机。成形机则依照n c 代码， 顺序加工各单元层面并彼此结合，从而得到与“电子模型”对于的三维实体，亦 即物理模型或原型。利用分层制造方法，可以快速、高精度地从c a d 数据完成 用于原型制造。 目前r p 技术在“分层制造”思想的基础上，已出现了几十种工艺，并且新 的工艺还在不断涌现。现今比较成熟并已经投入商品化生产的工艺主要有s l a 、 l o m 等。 s l a ( s t e r e o l i t h o g r a p h ya p p a r a t u s ) 工艺也称光造型或立体光刻，s l a 技术是 基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长和强度的紫外 光( 如x = 3 2 5 n m ) 的照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从 液态转变成固态。图1 - 1 为s l a 工作原理图。液槽中盛满液态光固化树脂，激 光束在偏转镜作用下，能在液态表面上扫描，扫描的轨迹及光线的有无均由计算 机控制，光点打到的地方，液体就固化。成型开始时，工作平台在液面下一个确 定的深度，聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描，即逐点固化。当一 层扫描完成后，未被照射的地方仍是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层高 度，已成型的层面上又布满一层树脂，刮平器将粘度较大的树脂液面刮平，然后 再进行下二层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零 件制造完毕，得到一个三维实体模型。 l o m ( l a m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g ) 工艺也称叠层实体制造或分层实体 制造( 如图1 2 ) ，其材料采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆 上一层热熔胶。加工时，热压辊热压片材，使之与下面已成形的工件粘接：用 c 0 2 激光器在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与 外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网格；激光切割完成后，工作台带动已 成形的工件下降，与带状片材( 料带) 分离；供料机构转动收料轴和供料轴，带动 料带移动，使新层移到加工区域；工作台上升到加工平面；热压辊热压，工件的 层数增加一层，高度增加一个料厚；再在新层上切割截面轮廓。如此反复直至零 件的所有截面粘接、切割完，得到分层制造的实体零件。 紫外激 成形 图卜ls l a 原理图工艺 1 1 2 石膏型精密铸造技术。跏1 【1 2 z 图l 一2 l o m 工艺原理图 石膏型铸造是一种特种铸造工艺，其定义为将金属熔液浇注到以石膏为基料 制成的铸型内，金属冷却后，经清理即可获得金属零件或模具。其工艺过程是先 将模样固定在专供灌浆用的砂箱平板上；再将按一定比例配置半水石膏、填料、 添加剂以及适量的水，在真空下混制成浆体，并迅速将浆体灌入有模样的砂箱中； 待浆体凝结，且硬化体具有一定的湿强度后即可脱模；再经过烘干、焙烧成为石 膏型；最终在真空状态下浇注，获得金属件。 石膏型铸造可以分为石膏型精密铸造和石膏型熔模精密铸造。石膏型熔模精 密铸造是2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种新技术，是石膏型精密铸造和熔模铸造 相结合的产物。石膏型精密铸造所用模样主要是金属、硅橡胶和木材，造型完成 后，取出模样即可形成铸型，模样一般可以反复使用。而石膏型熔模精密铸造的 模样主要是蜡模，还有气化模、水溶性模等。蜡模是在石膏型焙烧前先熔失，气 化模是在石膏型焙烧过程中分解气化，水溶芯是在石膏灌浆前即溶失。 r p 技术与石膏型精密铸造相结合主要有两种途径：一种是采用l o m 、f d m 、 s l s 或s l a 工艺制造的原型作为母模或硅橡胶中间转化模，进行石膏型精密铸 造；另一种是采用r p 原型作为主模型，翻制硅橡胶，采用硅橡胶翻制蜡型或直 接采用l o m 等工艺制造的原型，进行石膏型熔模铸造。石膏型精密铸造与r p 技术相结合，可以用来铸造精密、复杂、薄壁有色金属件，铸出的金属件具有表 面粗糙度低、尺寸精度高、变形小等特点，而且采用特种膨胀石膏还可以补偿铸 造时的金属凝固收缩量。将r p 技术应用到石膏型精密铸造中，用以制造出有色 金属模具，可以大幅度缩短制造周期、降低成本，可以实现复杂型腔模具的的近 净成形。 石膏型以石膏混合料的浆体灌浆成型，浆体的流动性很好，又在真空下充填， 其成型性能优良。浆料在凝结过程中又有轻微的膨胀，复模性优异、铸型精确、 光洁，这是其它精密铸造方法无法比拟的。 石膏型精密铸造适合于制造金属熔化温度低于石膏分解温度的合金( 单纯的 石膏在1 3 0 0 。c 左右发生热分解) ，故浇注温度高于此温度的合金如铸铁、铸钢等， 部不能用石膏型铸造。只有铅、锡等低熔点合金、锌合金、铝合金及部分铜合金， 才能用石膏型铸造。 1 1 3 快速模具技术1 1 3 h 1 8 l 采用r p 技术制造用于新产品开发与试制的快速模具制造技术( r a p i d t o o l i n g , 间称r t ) ，近年来的发展极为迅速。传统模具制造的方法有很多，如：数控铣削 加工、成形磨削、电火花加工、线切割加工、电解加工、电铸加工、压力加工和 照相腐蚀等。由寸二这些工艺复杂、时间长、费用高而影响了新产品对于市场的响 应速度。丽传统的快速模具( 例如中低熔点合金模具、电铸模、喷涂模具等) 又 由于工艺粗糙、精度低、寿命短，很难完全满足用户的要求。此外，即使是传统 的快速模具，也常常因为模具的设计与制造中出现的问题无法改正，而不能做到 真正的“快速”。因此，应用r p 技术制造快速模具，在最终生产模具开模之前 进行产品的试制与小批量生产。可以大大提高产品开发的一次成功率，有效地肖 约开发时间和费用。 r p + r t 技术提供了一条从模具的c a d 模型直接制造模具的新的概念和方 法，它将模具的概念设计和加工工艺集成在一个c a d c a m 系统内，为并行工 程的应用创造了良好的条件。r t 技术采用早期、多回路、快速信息反馈的设计 与制造方法，结合各种计算机模拟与分析手段，形成了一整套全新的模具设计与 制造系统。r t 技术能够解决大量传统加工方法( 如切削加工工艺) 难以解决甚 至不能解决的问题，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 模型无需数控切削加工直接将复杂的型腔曲面制造出来，从模具的概念设汁到制 造完毕仅为传统加工方法所需时间的1 3 左右，使模具制造在提高质量、缩短研 制周期、提高制造柔性等方面取得了明显的效果。 随着r p 技术成形精度提高和材料发展，更多的r p1 = 艺应用于快速模具制 造，这些新的模具制造_ 丁艺的特点是r p 技术与传统的技术相结合，两者互相补 充，使得进一步提高设计质量、缩短设计制造周期、降低生产成本。快速模具与 传统制模的比较如表1 - 1 所示。 快速模具的目标是以较低的成本，快速地生产出具有较好尺寸精度、表面粗 糙度和一定复杂度的模具。根据模具的使用寿命，快速模具的种类可以分为软模 具、中间模具和硬模具。 表1 - 1 快速模具与传统制模的比较 【项目快速模具传统模具 l 制造时间和成本不受零件复杂度的影响受零件复杂度的影响 尺寸精度和表面好的尺寸精度和粗糙度更好的尺寸精度和粗糙度 粗糙度 驱动方式直接c a d 模型驱动常0 造间接c a d 模型驱动制造 模具尺寸中小尺寸模具大中小尺寸模具 模具类型软模具、过渡模具和硬模具硬模具 模具相对寿命在2 0 0 次以下定义为软模具( s o f tt o o l i n g ) ，寿命在2 0 0 - 5 0 0 0 次定义为中间模具或过渡模具( f i mt o o l i n go r b r i d g e t o o l i n g ) ，寿命在5 0 0 0 次以 上为硬模具- ( h a r dt o o l i n g ) 。过渡模具的产生是为适合中小批量零件生产，是一种 周期短、成本低的模具制造工艺。 基于r p 原型的软模具制造技术如图l 一3 所示。 图1 3 基子r p 原型的软模其技术 以r p 原型作母模，浇注蜡、硅橡胶、环氧树脂、聚氨脂等软材料，构成软 模具，这些软模具可用作试制、小批量生产用注塑模，或制造硬模具的中间过渡 模、低熔点合金铸造模。这些软模具具有很好的弹性、复印性和一定的强度，在 浇注成形复杂工模具时，可以大大简化模具的结构设计，并便于脱模。中间模具 的提出是针对中批量零件的生产而提出的，并不是代替软模具技术。具体如图 1 - 4 所示。 图1 - 4 中间模具( f i r m t o o l i n g ) 的主要工艺 硬模具可以生产几千到上百万件零件，其材料主要有金属或最终模具材料制 成。硬模具可以分为间接模具和直接模具，具体分类如图1 - 5 所示。 图1 - 5 金属模具制造工艺 1 1 4 国内外研究状况1 1 9 l 幽i 在世界科技发达的国家，r p + r t 技术得到了迅猛发展，并取得了显著成果。 日本的中川威雄及其合作者采用等离子喷涂( 熔射) 技术，在r p 原型或过 渡模型上，喷涂高温合金材料形成金属型壳，移去母模后，在金属形壳背面进行 金属补铸，形成硬背衬，经处理制造获得模具。可以获得高熔点金属涂层，例如 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。 美国的i d a h o 国家工程与环境实验室( 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 o r a t o r y ，i n e e l ) 一种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 ) 快速 制模技术。它的原理是采用普通的工具合金( 如p 2 0 、h 1 3 与d 2 工具钢或其它 合金) 的粉末，通过沉积技术在r p 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 可以以增原子的方式沉积在表面上，这样便能够把r p 原型表面极细微的特征复 制下来。表面光洁度可以达到3 i - t i n ，每小时的沉积率为2 2 7 k g h r 。适用于此项工 艺的材料不仅包括金属，而且包括陶瓷、聚合物等各类材料。 q u i c kc a s t i n g 是美国3 ds y s t e m s 公司推出的一种工艺。它利用立体光刻 ( s l a ) 工艺获得零件，模具的半中空r p 原型，然后在原型的外表面挂浆，得到 6 一定厚度和粒度的陶瓷壳层，紧紧地包裹在原型的外面，再放入高温炉中烧掉 s l a 半中空原型，得到中空的陶瓷型壳，即可用于精密铸造。浇铸后得到的金 属模具还要进行必要的机加工，使得其表面质量和尺寸精度达到要求。该方法的 优点是用s l a 原型代替原来精密铸造中的蜡型，从而大大提高铸造原型的精度， 并且大大加快制造速度。 美国3 ds y s t e m s 公司还推出了一种粉末冶金快速模具工艺，这种工艺称作 3 d k e l t o o l 。它的制作过程为：首先用s l a 原型翻制出硅胶模作为中间转换模， 然后将混有树脂粘结剂的工具钢粉末灌注到中间模具中，待材料凝固后取出得到 模具生坯件，通过烧结去除粘结剂，得到内部疏松结构( 约3 0 孔隙率) 的模具 熟坯件，最后经过渗铜处理增加材料的致密度和机械强度，通过简单机加工进一 步保证模具的精度( 可达0 0 4 m m ) ，即得k e l t o o l 模具。 在国内，清华大学首先提出无焙烧陶瓷型制模技术，以r p 原型为母模，将 r p 原型翻制为硅胶模，再由硅胶模翻制陶瓷型，通过陶瓷型精铸得到金属模具。 以铸造用的陶瓷粉末或型砂为原料，可以直接制成铸造用的型壳。在c a d 环境中，直接将零件模型转换为壳型，再配以浇冒口系统。犁壳的厚度可取5 1 0 m m ，烧结过程中，非零件部分进行烧结，零件部分仍是粉末。烧结完成后将 粉末倒出，再经固化处理就获得铸造用的型壳。用此方法，省去传统精密铸造过 程中蜡型、泡沫塑料模、木模的制作等多种工艺过程，是传统铸造过程的重大变 革。一般一个壳型只能使用一次。 采用l o m 工艺成型的纸基原型可直接来代替传统木模，不仅大大缩短了制 模时间，而且原型的尺寸精度比木模高，强度和尺寸稳定性也优于木模。快速成 型件具有较好的机械强度和稳定性，坚如硬木，可承受高温2 0 0 。c 。经表面处理 后，可用做砂型铸造的木模，一般可用来重复制作5 0 1 0 0 件砂型。 1 2 论文选题背景及意义1 2 l 】 工模具存在一个巨大的市场，世界范围内已经达到6 5 0 亿美元产值的水平 ( 亚洲占3 9 ，北美3 1 ，欧洲2 3 ) 。这个市场对于模具的要求是全面的，如 精度、材料、寿命、尺寸、形状复杂程度以及快速性。由于市场全球化以及竞争 的加剧，模具市场对于每一种模具技术最首要的、带有先决性的要求足其快速性， 即从设计到进入市场的时间，这就是快速成形技术和快速模具技术相结合的根本 原因。 目前国内外发展了基于r p 技术的直接制模与间接制模技术，直接制造金属 模目前存在精度低，材料性能差的缺点。堆积金属( 黑色金属、有色金属以及其 它耐高温合金等) 的难度决定了直接的金属模具制造在未来的5 - 6 年内无法在该 领域中占据主要地位。这一期间内，主要还是间接的快速模具制造技术，即需要 进行r p 原型转换而制造模具的技术占主要地位。 在间接的快速模具制造技术中，主要的工艺是r p 技术与铸造技术相结合， 通过精密铸造的方式，制造获得金属模具。在制造过程中，根据零件的复杂程度 需要进行工艺转换。影响工艺转换的主要因素是金属模具、零件合金的种类、形 状、大小及精度。 r p 原型向金属转换可选择的铸造工艺很多如砂型铸造、陶瓷型铸造、消失 模铸造、石膏型精密铸造、熔模铸造、v 法铸造等。列出各种工艺转换方法的外 观质量和适应范围如表1 2 所示。 由于用作试制的快速金属模具要求尺寸精度高、表面质最好，因此以选择石 膏型精密铸造、陶瓷型精密铸造、熔模铸造为宜。其中陶瓷型精密铸造适合于制 造大型金属模具，尤其是黑色金属模具：而石膏型精密铸造则适合于有色金属零 件、模具的制造如锌合金、铝合金、铅合金以及铋锡合金等中、低熔点合金；熔 模铸造贝9 主要适合于生产中小型的各种金属零彤模具。因此，我们在中、低熔 点合金的金属零件、模具的制造工艺中，选择石膏型精密铸造工艺。 表1 2 精密铸造制模工艺比较 工艺方法尺寸精度表面粗糙度( r a )尺寸界限复杂程度 熔模铸造 c t 4 - - 60 8 - - - 3 2中小型模具 复杂模具 石膏型铸造 c t 4 6o8 16 中小型模具复杂模具 消失模铸造 c t 5 7l6 - - , 6 3各种模具 复杂模具 砂型铸造 c t 5 832 1 2 5各种模具 中等复杂 陶瓷型铸造c t 4 60 8 3 2大型模具 中等复杂 真空铸造 c t 5 7l6 32大型模具 中等复杂 1 3 论文主要研究内容 论文所选课题源自机械工业共性技术基金会的“快速原型零件制造技术在 模具及零件制造巾的应用研究”项目。该项目由机械科学研究院、清华大学共同 承担，项目于1 9 9 8 年立项，2 0 0 1 年通过鉴定。 项目日标：研究成果可应用于生产回转体类复杂零件模具( 模具、零件的 材质分别为铸铁和铝合金) ，零件模具的轮廓尺寸( 长宽高) 在5 5 0 4 5 0 5 0 0 m m 以内，复杂零件j 奠具达到中等精度，满足产品的使用性能，可用于生 产。 论文主要研究内容有： 1 石膏型的材料配方。 2 基于r p 技术的单个零件模具制造工艺。 3 基于r p 技术的多个零件模具制造工艺。 9 第二章基于快速成形技术的石膏型快速模具制造技术 2 1 技术路线 首先在图形工作站上建立石膏型精密铸造用母模的三维c a d 实体模型，然 后采用非线性有限元分析软件对所建三维c a d 实体模型进行金属凝固过程模 拟分析，根据分析结果修正三维c a d 实体模型，此过程反复进行直至满足要 求。对修正后的二维c a d 实体模型进行预处理，将处理后的数据传给快速成 形机进行r p 原型制造，制造出r p 原型后，对r p 原型进行表面处理，得到石膏 型精密铸造用母模。 按比例称取适量的石膏粉、填料和添加剂，混合配制为石膏混合料。在真 空条件下，将水与石膏混合料混合、搅拌制得石膏浆料。将r p 原型固定于型 板上，放置模框，在r p 原型及模框表面涂脱模剂，真空下迸行石膏混合搅拌 及灌浆，灌浆结束后立即破除真空，在石膏型具有一定湿强度时起模，得到 石膏型。将石膏型烘干、焙烧，最后进行石膏型精密铸造，得到所需金属铸 件。对于复杂的原型可先由r p 原型翻制硅胶模，再由硅胶模翻制石膏型。其 工艺过程如图2 1 、图2 2 所示。 图2 - i 基于r p 技术的石膏型快速模具制造工艺流程 1 0 1 母模2 翻制硅胶模 艮历 ：、一，乡g ：z 么! 一| 3 硅胶模 雨忑i 丌飞盯 卜_ 盐8 翊，飞骷 雌：叠：二： 4 浇灌石膏型 5 石膏型6 合箱浇铸 qf 7 卜 一 。、 卜一一、 卜、 7 金属模具 图2 - 2 基于r p 技术的石膏型快速模具制造工艺图 2 2 用作母模的r p 原型的制备 在基于r p 技术的石膏型快速模具制造工艺中，要得到尺寸精度高、表面粗 糙度低的精密铸件，首先要保证母模的质量，因此母模的设计和制造是个 极为关键的环节。该工艺采用r p 技术制造出的r p 原型作为母模，为快速获 得高质量的模具提供了可靠的保证，同时由于r p 技术具有很高的制造柔性， 这也为修改模具结构和尺寸提供很好的保证。 2 2 1r p 原型制造工艺 在众多的r pt 艺中，以l o m 工艺最适合基于r p 技术的石膏型快速模具制 造技术。这是因为l o m 工艺可以制造获得尺寸比较大的原型，而且尺寸精度较 高，适合于金属模具的快速制造。 l o m 工艺制造r p 原型的过程如下： 1 在图形工作站上( 如s g i 图形工作站) 建立r p 原型的三维c a d 模型。 若用户提供的为图纸，则直接在工作站上通过三维实体建模软件系统( 如 p r o e n g i n e e r ，u g ，i - d e a s ，c a t i a ，s o l i d w o r k s 等) ，得到r p 原型的三维c a d 、 、j缢 模型；若用户提供的为实物，则可以通过栅线扫描仪、激光扫描仪和工业c t 机 及相应的图形处理软件系统等，得到r p 原型的三维c a d 模型； 2 将r p 原型的三维c a d 模型以s t l 文件格式输出； 3 读取s t l 文件，建立s t l 文件的拓扑信息结构，对s t l 文件的错误检 验及修正，对三维c a d 模型进行分层处理，对激光扫描路径进行优化，生成分 层信息文件( s l i ，c l 文件) ； 4 读取分层信息文件( s l i ，c l i 文件) ，对分层信息进行网格划分及“刀偏” 处理，生成填充信息及网格划分文件( n e t 文件) ： 5 读取s t l 文件，对s t l 文件的线框模型及光照实体模型进行显示： 6根据每一层的分层及填充信息，逐层生成各层的n c 代码： 7 根据n c 代码或分层及填充信息，对整个加工成型过程进行模拟； 8 根据r p 成型设备的加工速度、加工工艺步骤、加工材料等因素，估算 出实际成型过程的加工时间和材料消耗； 9 根据r p 原型的加工层面信息，由计算机根据n c 代码控制快速成型设 备，对其中某一层面进行加工处理，在涂覆纸上切割出工艺边框和快速原型的边 缘轮廓线，将不属于r p 原型的材料切割成网格状，从而获得一个层面； 1 0当一层制造完毕后，r p 成型设备的工作台面相对堆积头f 降一层厚度的 距离，再加工新的一层，这样逐层迭加直至整个r p 原型加工完成，再将不属于 r p 原型的材料小块剥除，最终获得所需的三维实体快速原型； 1 1 对所获得的r p 原型进行后处理，如修模、表面覆膜、着色等，使之达 到作为母模所需的要求。 2 2 2l i p 原型设计及后处理工艺 为了使用作母模的l o m 原型能够满足后续工序的要求，我们在l o m 原型 的设汁及后处理工艺中必须主意以下几点： 1 l o m 原型的表面处理 为了解决l o m 原型受潮以及制造铸型时，涂料浸润原型表面而使原型发生 膨胀与翘曲变形等问题，必须对l o m 原型表面进行特殊处理。我们对l o m 原型 表面进行覆膜处理，这样可以较好地解决l o m 原型受潮及浆料浸润等问题。对 l o m 原型表面进行覆膜处理，即在l o m 原型表面覆一层非极性高分子隔离薄膜， 避免l o m 原型与外界直接接触。一般采用在l o m 原型表面涂一薄层不为硅酸乙 酯水解液溶解、不与乙醇起作用的涂料，根据具体情况可选取：乳胶、8 2 1 腻子 粉、漆片、硝基油漆等。 2 l o m 原型的表面粗糙度 l o m 原型的表面粗糙度应尽可能的小，一般情况l o m 原型的表面粗糙度应 比铸件高二级，如铸件粗糙度要求为r a 16 6 3 m m 时，l o m 原型的粗糙度应 达到r a 0 4 16 m m 。 3 l o m 原型的尺寸精度 为了保证生产出的铸件各部分尺寸均能在要求的公差范围内，l o m 原型的 尺寸精度应比铸件高一些。 4 起模斜度 直接使用l o m 原型作为母模时，l o m 原型与石膏型之间存在较大模力，故 需要稍大一点的起模斜度，常用起模斜度为3 。5 。；如果使用硅胶模作为中问 过渡模具，由于硅胶模存在良好的柔性，故l o m 原型的起模斜度可取的小一些， 常用起模斜度为0 。3 0 3 。 5 铸件收缩率 铸造金属收缩率的变化会引起铸件尺寸变化，影响铸件收缩率的几个主要 因素如下： 1 ) 铸型温度与金属浇注温度； 2 ) 浇注系统的布置及铸型的退让性： 3 ) 铸造金属化学成分的变化。 若要精确地预测铸件收缩率，可以通过快速模具制造系统计算获得。不 断修正l o m 原型各部分的尺寸，逐步提高铸型铸件的尺寸精度。 6 l o m 原裂分型面的确定 在确定l o m 原型分型面时应注意以下几点： 1 ) 尽量不采用曲线分型面： 2 ) 为了起模方便，分型面一般选取在铸件的最大截面上，但不要使原型在一箱 内过高： 3 ) 铸件的重要加工面或大部分加工面，应和加工基准商尽可能放在同一砂箱 内，最好放在下箱里； 4 ) 分型面上应有定位销。 2 3 硅胶模转制技术 直接由l o m 原型制造石膏型时，l o m 原型脱模能力差，如果零件比较复 杂，则起模难度较大。要解决这个问题，一，可以在制造l o m 原型时增大原型 的拔模斜度，但这势必影响到尺寸精度：= ，可以使用硅橡胶转制技术，把l o m 原型和石膏型之间的力转化成原型与硅胶模以及硅胶模与石膏型之间的力。硅橡 胶具有很好的柔软性、弹性和脱模性，复印性和尺寸稳定性极佳，可以在室温下 固化，固化时不发热。能够很好地将原型的复杂曲面复制下来，并且具有合适的 硬度和固化时间。因此在模具型腔形状复杂、花纹细腻、拔模斜度极小，甚至无 拔模斜度的情况下，可以采用硅胶模转制技术将r p 原型转制为硅胶模，再由 硅胶模作为母模制得石膏型。 2 3 1 硅胶模制模用硅橡胶 硅胶模通常采用室温固化硅橡胶作为模具材料。室温固化硅橡胶具有如下 些优点：耐高、低温性：耐臭氧老化、耐氧老化、耐光老化和耐候老化性能；吸 湿性极低，不与其它材料粘合，具有良好的生理惰性；高透气性。因此硅胶模作 为中间转换模不会对铸件的最终质量产生负面影响。我们使用e s s i l 2 4 0 双组分 按照一定比例配制硅橡胶。e s s i l 2 4 0 的一些物理特性如表2 1 所示。 1 4 表2 1e s s i l 2 4 0 硅橡胶的某些物理特性 测试标准组分a组分b 混合重量比1 0 0 ：1 0 颜色透明透明 混合硬化后颜色半透明 密度i s 0 1 6 7 5111l 混台后密度l s 0 1 6 7 5 1 1 混合后可用时间( m m ) 9 0 离模时间 2 6 0 。c 硬度( s h o r e a )i s 0 8 6 8 4 0 伸张强度( m p a ) i s 0 5 2 77 0 断裂伸长( ) 3 5 0 撕裂强度c k n m ) i s 0 3 4 - 9 41 5 2 3 。2 硅胶模制造工艺 硅胶模的制造流程为： 1 快速原型经过打磨和表面处理以后，悬挂在敞口的箱体内( 箱体的内轮廓尺 寸= 快速原型轮廓尺寸+ 2 0 3 0 m m ) ； 2 在r p 原型和箱体内侧均匀涂抹脱模剂( 一般使用凡士林) ； 3 按一定比例称取硅橡胶组分a 和b ，混合搅拌后，在真空中抽负压除气2 - 3 次； 4 除气至无气泡产生时，再进行浇注，然后抽负压5 - 1 0 m i n ，以除去浇注过程 中卷入的气体； 5 室温固化2 4 小时，或在烘箱中( 6 0 c ) 圆化2 小时，即可得到硅橡胶模具。 图2 3 为硅橡胶制作工艺流程图。等硅橡胶经过静置失去流动性以后，从真 空设备中取出箱体，放入烘箱中低温固化，等硅橡胶完全凝固后，开模即可取得 硅胶模。开模的方式需要考虑随后零件的浇铸要求。零件越是复杂，开模面也必 然越复杂。 萨p 伊 2 4 小结 图2 - 3 硅胶模制造工艺 阼阼罔 基于r p 技术的石膏型快速模具制造技术是r p 技术、硅胶模转制技术和石 膏型精密铸造技术的有机集成。运用r p 技术制造l o m 原型作为工艺中的母模， 其质量直接决定铸件的最终质量，可以说是万里长征的第一步。硅橡胶制模技术 主要用于试制及小批超生产用注塑模、精铸蜡模制作以及各种间接模具快速皋0 造 技术中的中间过渡模。l o m 原型作为母模，没有良好的脱模能力，且其表面质 量容易被破坏：而硅胶模具有很好的柔性，脱模能力很强，且不影响尺寸精度， 因此使用硅胶模作为中间过渡模，降低工艺难度。 第三章石膏型真空造型设备 3 1r p 原型制造设备1 2 2 我们通过多功能快速成形机m r p m s i i i ( 如图3 - 1 ) 制造l o m 原型，该设 备是将l o m 、f d m 两种快速成形工艺集成的多功能快速成型系统，具有极好的 开放性，允许用户在其上自行开发适合自己需要的快速成形工艺，适度开放部分 控制软件，在机械结构上具有良好的可扩展性，其主要技术指针见表3 1 。 表3 1 多功能快速成形机一m r p m s i i i 主要技术指针 s s m 工艺m e m 工艺 成形空间 6 0 0 4 8 0 x5 0 0m m 35 0 0 4 0 0 4 5 0i n f 【1 3 扫描速度 0 5 0 0 m m s5 0 0 m m s 材料涂覆纸 精铸石蜡、a b s 、尼龙 精度 0 1 m m o 1 5n h n 电源 2 2 0 v 、单向、5 0 h z 功率 小于3 k w 运行环境工业p c 5 8 6 1 3 3 、内存3 2 m 、硬盘5 4 0 m b 、w i n d o w s 9 5 n t 图3 - 1 多功能快速成形机一m r p m s 1 i i 3 2 硅胶模真空造型设备 在由l o m 原型转制硅胶模的过程中，由于液态硅胶粘度很大、流动性极差， 经混合搅拌之后，会有大量的气泡存在于胶料中，难以排除；而且灌硅胶时难免 会卷入部分气体，这部分气体会以气泡的形式滞留于胶料中；同时存在于胶料中 的气泡若与l o m 原型相接触，就会吸附在l o m 原型表面，导致硅胶转制模型 腔表面出现气孔，以上这些问题都将严重影响硅胶转制模的翻制质量。要解决以 上问题，硅橡胶的混合搅拌后必须进行除气、而浇注必须在真空下进行，这样才 能避免硅胶模中出现气泡。为此我们使用德国m k v l 真空注型机( 如图3 - 2 ) 来完成硅胶模转制技术。 图3 - 2m k v 一1 真空注型机 m k v i 真空注型机使得液态硅胶在混合搅拌后能够完全除气，并实现了在 真空条件下进行硅橡胶浇注，这样不仅能够很好地除去胶料中的气泡，也能使液 态胶料流注到l o m 原型任何微小细薄的部位，从而使硅胶转制模与快速原型完 全吻合。其主要技术参数见下。 最大注胶量： 1 0 0 0 9 最大箱内尺寸：5 0 0 ( 宽) 5 0 0 ( 长) x5 5 0 ( 高) i r l l r l 真空泵排气量：6 0 m 3 m 最高真空发： 7 5 c m h g 抽真空时间：3 m i n ( 由0 - - 7 5 c m h g ) 放气时间： 2 5 s e c 搅拌方式：电动搅拌 注料方式：手动注料 动力电要求：3 8 0 3 5 0 功率：1 5 k w 机体重量： 1 5 0 k g 在使用m k v 一1 真空注型机完成硅胶模制备时，必须主意以下一些问题： 1 l o m 原型的分型面优先选择大平面、原型重要的部位应在分型面以下、非装 配面优先选为分型面，分型面的选取不能影响硅胶模的使用寿命。 2 硅橡胶价格一般在1 0 0 之o o 砌曲依g ，密度为1 1 9 c m 3 ，一副中小型的硅橡 胶模具价格一般在1 0 0 0 2 0 0 0 r m b 之间。材料计算的不合理，会造成硅橡胶 的浪费，进而提高生产成本。因此在工艺设计过程中，要充分考虑材料的利 用率。 3 硅橡胶必须混合搅拌后才能放入真空注型机的真空室中，而不能直接使用真 空机的搅拌器进行搅拌。 4 胶料混合搅拌后，必须完全除气，除气时胶料体积不得超过容器的1 5 。 3 3 石膏型真空造型设备 对于型腔形状复杂、表面花纹细腻的r p 原型在浇灌石膏浆料时会出现灌浆 不到位、分层、较大裂纹、夹气等缺陷。为了解决上述问题，我们提出了在真空 环境下混合搅拌及振动灌浆工艺，并根据工艺要求设计和制造了石膏型真空造型 系统，如图3 3 、3 4 所示。 图3 - 3 石膏型真空搅拌灌浆设备 1 9 1 电动机2 一动密封装置 3 一搅拌室4 一搅拌器5 二通阀 卜灌浆室7 一真空表 图3 - 4 真空搅拌灌浆系统结构图 其主要技术参数如下： 石膏浆料最大称量值： 1 5 k g 最大真空度：01 m p a 搅拌室尺、r ： 由2 5 0 x 6 0 0 r a m 灌浆室尺寸： 中6 0 0 6 0 0 r a m 二通阀门尺寸： 书1 5 x1 2 0 m m 搅拌杆转速范围： o 1 7 0 0 m m s 搅拌杆倾斜角度： 1 8 。 控制系统电气原理如图3 5 所示，由振动器、控制阀、接触器、热继电器、 定时器、蜂鸥