（材料加工工程专业论文）基于rp的快速制模精度分析与研究.pdf

摘要 目前，随着市场竞争的不断加剧，要求企业必须快速响应市场和用户的需求。 而模具是制造各种产品的关键工艺装备，为了加强产品的市场竞争力，客观上要 求缩短模具的丌发周期、降低模具制造成本。基于快速原型的快速制模技术具有 制模周期短、成本低、精度和寿命又能满足使用要求的特点，有显著的综合经济 效益。本文将快速制模和陶瓷型精密铸造技术相结合，提出了基于快速原型的陶 瓷型快速制模技术，为余属模具制造开辟了一条新的技术途径。 基于快速原型的快速制模技术因起步不久，还正处于发展阶段，应用于实际 生产中还面临许多挑战，其中突出的问题就是基于离散累加原理制造原型的表面 及尺寸精度、综合机械性能难于满足高精度、高表面质量的耐久模具的制造要求， 各工艺过程之问尺寸的传递规律尚不明确等，本文就是针对快速制模尺寸精度方 面问题进行研究和探讨的。 本文通过对快速制模与精密铸造结合的工艺进行分析对比，并对采用陶瓷型 精密铸造来快速制模的工艺过程进行了探讨，总结了陶瓷型精密铸造工艺过程中 影响尺寸变化的因素。 基于r p 的陶瓷型制模方法属于精密铸造范畴，而金属凝固过程温度随时间 和空间急剧变化，材料热物性参数也随温度变化，同时还存在相交，是属于典型 的非线形瞬态热传导问题。虽然凝固过程中的温度场和应力应变场是双向耦合 的，但由于应力应变场对温度场的影响非常小，可以忽略不计。基于这一思想， 有效、合理地简化了有限元的求解模型，并建立了有限元分析精度控制系统。 在模拟计算时本文采用a n s y s 的热一结构耦合模块，利用间接求解法，建立 了凝固过程温度场及应力应变模拟分析，通过对不同长、宽的模型进行模拟得到 铸件尺寸收绵量及收缩率，为复杂的凝固过程中温度及尺寸变化提供了理论依据 和指导，给快速制模的尺寸控制提供了可靠的补偿依据，最终得到满足尺寸精度 要求的制件。 关键词：快速制模尺寸补偿精度控制模拟应力和变形 a b s t r a c t i nt h em o r ec o m p e t i t i v em a r k e ta tt h ep r e s e n t ，t h e e n t e r p r i s e sh a v et oq u i c k l y r e s p o n s et o t h ec u s t o m e r sr e q u i r e m e n t sf o rt h e c o m m o d i t y m o u l di s t h ek e yo f p r o c e s se q u i p m e n t r e d u c i n gt h ed e v e l o p m e n tp e r i o da n dt h em a n u f a c t u r i n gc o s t ， m o u l di sr e a s o n a b l em e a s u r e st oi m p r o v ei t sc o m p e t i t i v e n e s s t h e r a p i dt o o l i n gb a s e d o nt h er a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yh a st h ea d v a n t a g eo fs h o r tm a n u f a c t u r i n g p e r i o d ， l o wc o s ta n ds a t i s f i e dp r e c i s i o na n dl i f e ，w h i c hh a st h ep r o m i n e n te c o n o m i cb e n e f i t s i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h ec o m b i n a t i o no f r a p i dt o o l i n ga n dc e r a m i cp r e c i s i o nc a s t i n g t e c h n o l o g y ，t h ec e r a m i cr a p i dt o o l i n gt e c h n o l o g yw i t hr a p i dp r o t o t y p i n gi sa n a l y z e d ， w h i c h p r o v i d e san e w m e t h o df o rm e t a l l i cm o u l d m a n u f a c t u r i n g t h e r a p i dt o o l i n gt e c h n o l o g y b a s e do n r a p i dp r o t o t y p i n g n o wi sa tt h e d e v e l o p i n gs t a g e s o m e e x i s t e dp r o b l e m sa r et h es u r f a c ea n dd i m e n s i o n p r e c i s i o no f p r o t o t y p i n gb a s e do nt h et h e o r yo fd i s c r e t ec u m u l a t i n g ，t h ep o o rg e n e r a lm e c h a n i c a l p r o p e r t yf o rh i g hp r e c i s i o na n dh i g hs u r f a c eq u a l i t yo fd u r a b l em o u l d ，t h ea m b i g u o u s d i m e n s i o nt r a n s f e r r i n gl a wa m o n ge a c hp r o c e s s r ea b o v ep r o b l e m sa r et h em a i n o b s t a c l e sf o r r a p i dt o o l i n gd e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o n t h es t u d y a n d c o u n t e r m e a s u r ef o rt h er a p i dt o o l i n gp r e c i s i o ni sd o n ei nt h i sp a p e r t h ec o m b i n a t i o np r o c e s so fr a p i dt o o l i n ga n dp r e c i s i o nc a s t i n gt e c h n o l o g yi s s t u d i e d ，a n de a c hp r o c e s sa r r a n g e m e n ti sc o m p a r e d ，a tl a s tt h er a p i dt o o l i n gm e t h o d a d o p t i n g c e r a m i cp r e c i s i o nc a s t i n gt e c h n o l o g yi sa n a l y z e d ，a n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r o nd i m e n s i o nd e v i a t i o n d u r i n g t h ec e r a m i c p r e c i s i o nc a s i n gp r o c e s si sf o u n d m o u l do fc e r a m i cm o d e lb a s e do nr a p i dp r o t o t y p i n gm a n u f a c t u r i n gb e l o n g st o t h ec a t e g o r yo fp r e c i s ec a s t i n g t h et e m p e r a t u r ec h a n g e sr a p i d l yw i t ht h es p a c ea n d t i m eo fm e t a ls o l i d i f i c a t i o n ，t h es a m et h i n gh a p p e n st oh o tp h y s i c sp e r f o r m a n c e sa n d p h a s et r a n s i t i o n ，w h i c hb e l o n g s t ot h e t y p i c a l n o n l i n e a r r a p i d t r a n s i e n th e a t c o n d u c t i o n t h et e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s s s t r a i nf i e l d 。w h e nm e t a ls o l i d i f i c a t i o n a r et w o - w a yc o u p l i n g ，t h ei n f l u e n c eo fs t r e s s s t r a i nf i e l dt o w a r d st e m p e r a t u r ef i e l di s v e r ys m a l l ，w h i c hc a nb ei g n o r e d a c c o r d i n gt ot h i st h e o r y , r e a s o n a b l ys i m p l i f yt h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o l v i n gm o d e l ，a n de s t a b l i s haf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sp r e c i s e c l o s er i n gc o n t r o l l i n g s y s t e m t h eh o t s t r u c t u r ec o u p l i n gm o d u l ei sa d o p t e dw h e na n a l o g o u s l yc a l c u l a t e ，b y i 【 i n d i r e c ts o l v i n gm e t h o das i m u l a t i o na n a l y s i so nt e m p e r a t u r ef i e l da n ds i z ec h a n g e s i m u l a t i o ni se s t a b l i s h e d ，t h r o u g hs i m u l a t i n go fm o d e l so fd i f f e r e n tl e n g t ha n dw i d t h t h es h r i n k a g ea m o u n ta n ds h r i n k a g ep e r c e n t a g eo fd i f f e r e n tb a s i cs i z ec a s t i n gc a nb e f o u n d ，w h i c hc a no f f e r t h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o na n dg u i d ef o r t e m p e r a t u r ea n d s i z e c h a n g e i n c o m p l i c a t e ds o l i d i f y i n g c o u r s ea n do f f e rt h er e l i a b l ec o m p e n s a t i o n b a s i sf o rs i z ec o n t r o l l i n go fr a p i dt o l l i n g ，t h ec a s t i n gw h i c hc a nm e e ts i z ep r e c i s i o n d e m a n dc a nb eg o tf i n a l l y k e yw o r d s ：r a p i dt o o l i n g ，c o m p e n s a t e d i m e n s i o n ，p r e c i s i o nc o n t r o t i n g ， s i m u l a t e ，s t r e s s d e f o r m a t i o n i i i 武汉埋：r 大学硕十学位论文 第1 章概述 设计和制造技术的进步是在社会需求的外部刺激和科学技术的内部推动下 不断向前发展的。在当今竞争激烈的市场中，产品更新换代的步伐不断加快，缩 短产品的开发周期，提高企业快速反应市场的能力是企业生存的关键i “。同时， 随着计算机、微电子、信息、自动化、新材料、激光技术和现代化企业管理技术 的突飞猛进发展，各种先进的设计思想和制造方法应运而生，由原来串行方式逐 步衍变成并行工程，并进而发展为快速反馈设计和快速产品开发。这些设计模式 的提出，既给当代制造业注入了新的“血液”和动力，也是按照市场驱动的自然发 商模式演化的必然结果1 2 j 。 快速原型制造( r a p i dp r o t o t y p i n gm a n u f a c t u r i n g ，r p m ) 技术就是在这样社 会背景下于2 0 世纪8 0 年代后期产生于美国，并迅速扩展到同本与欧洲乃至全世 界，逐步形成并发展起来的，被认为是近2 0 年来制造领域的一项重大突破p j 。 1 1 快速原型制造的原理及特点 快速原型制造是采用离散( 软件) 堆积( 材料) 的原理来制造零件的，它 能根据产品的三维模型，快速制作产品的原型或直接制造产品【4 l 。r p m 是将计 算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助制造( c a m ) 、计算机数字控制( c n c ) 、精密 伺服驱动，激光技术及材料科学等先进技术集于一体的，正在蓬勃发展的一项 新型的制造技术。 快速原型制造过程如图1 - 1 所示【”。首先根据零件的形状，利用c a d 系统 创建零件的三维模型，再通过数据处理将三维模型分割成一系列的二维平面模型 ( 前处理) ，然后将原型材料置于成形台上( 内) ，利用快速原型设备按照层片的 形状进行扫描，使材料逐层成型，通过逐渐叠加二维薄层来最终形成三维实体( 自 由成形) 原型后，再经必要的后处理，使其在外观、强度和性能等方面达到零部 件设计的要求( 后处理) 。 快速原型彻底摆脱了传统的“去除式”加工法一去除大于工件的毛坯上的材 料米得到工件，而采阁全新的“增长式”加工法一用一层层的二维模型逐步叠加 成大：r 件，将复杂的三维加工分解成简单二维加工的组合吼因此，它不必采用 传统的加工机床和工模具，该技术创立了产品开发的新模式，使设计人员以前所 武汉理r 火学硕士学位论文 r 三泵j j i 磊祥l j 一 型些兰竺到 t 修躲 快速删件i 圈1 1 快速原型制造过程 未有的直观形式体会设计的感觉，感性而迅速地验证和检查所设计的产品结构和 外形，从而使设计工作进入了一个全新的境界，改善了设计过程中人机交流，缩 短了产品开发的周期和制造成本，只需传统加工方法1 0 3 0 的加工时闻和 2 0 3 5 的加工成本就能直接制造出产品样品和模具，加快了产品更新换代的 速度，降低了企业投资新产品的风险，加强了企业引导消费的力度，同时，r p 技术还有力地支持了并行工程的实施，可为制造业企业带来不可估量的收益。 快速原型技术具有以下特点【7 l ： 1 ) 特别适合于形状复杂、不规则的、精细的零件加工； 2 ) 减少了对熟练技术工人的需求； 3 ) 成功地解决了c a d 中三维造型“看得见，摸不着”的问题： 4 ) 生产柔性高，只需改变c a d 数据就可以生产各种形状的零件模型； 5 ) 技术集成，设计制造一体化； 6 ) 不需要专门的工装、夹具和模具，大大缩短了新产品的试制时间； 7 ) 零件的复杂程度和生产批量与制造成本无关。 以上特点决定了快速原型法适合于快速单件及小批量零件制造，复杂形状零 辜罢歪 武汉理j ：大学硕士学位论文 件的制造，模具设计与制造，也适合于难加工材料的制造，外形设计检查，装配 检查和快速反求工程等。 1 2 快速原型制造的典型工艺及应用 r p m 包括快速原型( r a p i dp r o t o t y p i n g ，r p ) 、快速模具( r a p i d t o o l i n g ，r t ) 和快速制造( r a p i dm a n u f a c t u r i n g ，r m ) 三个方面。r p 技术经过2 0 年的发展， 与其相应的快速原型制造工艺及应用技术亦得到了较大发展。 1 2 1 快速原型制造的典型工艺 目前比较成熟的快速原型工艺方法已有1 0 余种1 8 , 9 1 ，其中光固化原型法 ( 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 s l a ) 、叠层实体制造法( l a m i n a t e do b j e c t m a n u f a c t u r i n g - - l o m ) 、激光选区烧结法( s e l e c t i v e l a s e r s i n t e r i n g - - s l s ) 、熔融 沉积法( f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g - - f d m ) 得到了广泛应用，下面着重介绍这 几种典型的快速原型制造工艺。 ( 1 ) 光固化成型工艺( s l a ) s l a 的原理是将容器中盛满液态光敏树腊，在一定强度的紫外激光束控制 系统的控制下按零件的各分层截面信息在光敏树脂表面进行逐点扫描，被扫描区 域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。一层固化完毕后， _ 作台下移一个层厚的距离，在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树 腊，然后刮板将粘度较大的树脂液面刮平，进行下一层的扫描加工，新固化的一 层牢固地粘结在前一层上，如此重复直至整个零件制造完毕，得到一个三维实体 造型。 光固化成型技术制作的原型可以达到机磨加工的表面效果，其优点表现在： 1 ) 成型过程自动化程度很高； 2 ) 成型尺寸精度高，表面质量好； 3 ) 可制作结构十分复杂的模型，还可直接制作面向熔模精密铸造的具有中 空结构的消失模。 但其应用也有很多缺点，具体表现在： 1 ) 成型过程中伴随着物理和化学变化，制件容易弯曲，成型需要设置支撑； 2 1 设备运转及维护成本高，可使用材料种类少； 3 ) 液态树脂具有气味和毒性，并且需要避光保存； 武汉理j l ：大学硕士学位论文 4 ) 制件需要二次固化，并且固化后的性能比较脆，易断裂。 ( 2 ) 叠层实体制造工艺( l o m ) 计算机用于接收和存储制件的三维模型，沿模型的高度方向提取一系列的横 截面轮廓线，发出控制指令，原材料存储及送进机构将存于其中的原材料逐步送 至工作台上方，热粘压机构将一层层材料粘合在一起，激光切割系统按照计算机 提取的横截面轮廓线，逐一将工作台上方的材料切割出轮廓线，并将无轮廓区切 割成小方网格以便在成型之后能剔除废料，可升降工作台支撑成型制件，并在每 层成型之后降低一个材料厚度，以便送料、粘合和切割毅的一层材料，数控系统 执行计算机指令，控制材料的送进，然后粘合、切割，最终形成三维制件。 叠层实体制造工艺有以下优点： 1 ) 制件精度高，可制作大尺寸的制件； 2 1 制件能承受高达2 0 0 。c 的温度，有较高的硬度和较好的力学性能，可进行 各种切削加工，也无需后固化处理，不用设置支撑结构： 3 ) 原材料价格便：商，制作成本低，并且废料易剥离； 4 1 设备能长时间连续运行，可靠性高，寿命长，操作方便。 其缺点表现在： 1 1 制件抗拉强度和弹性不够好； 2 、制件易吸湿膨胀； 3 、制件表面有台阶纹，成型后需进行表面打磨。 ( 3 ) 熔融沉积成型工艺( f d m ) 熔融沉积工艺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。喷头可以沿着x 轴方向移动，而工作台则沿y 轴方向移动。如果 熔融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 体造型。 熔融沉积制造工艺应用广泛，它具有以下优点： 1 1 系统构造原理和操作简单，维护成本低，系统运行安全，成型速度快： 2 、使用的原材料无毒，且利用率高，寿命长； 3 1 可以成型任意复杂程度的零件，成型过程中无化学变化，制件翘曲变形 小；支撑去处简单；用蜡成型的零件原型，可以直接用于熔模铸造。 其缺点表现在： d 武汉理i 。人学硕士学位论文 1 ) 制件表面有明显的条纹： 2 ) 成型需要设置支撑： 3 ) 需对这个截面进行扫描投覆，成型时间较长。 ( 4 ) 选择性激光烧结工艺( s l s ) 选择性激光烧结工艺又称为选区激光烧结，其加工过程是采用铺粉辊将层 粉末材料平铺在已成型零件的上表面，并加热至恰好低于该粉末烧结点的某温 度，控制系统控制激光束按照该层的截面轮廓在粉层上扫描，使粉末的温度升至 熔化点，进行烧结并与下面已成型的部分实现粘结。当层截面烧结完后，工作 台下降一个层厚，铺料辊又在上面铺上一层均匀密实的粉末，进行新一层截面的 烧结，直至完成整个模型。 选择性激光烧结工艺最大的独特性是能够直接制作金属制品，并且还具有以 下优点： 1 ) 可采用的原材料种类多，市才料利用率高，价格便宜，成本低； 2 ) 制作工艺简单，成型精度高； 3 ) 不需设置支撑结构。 其缺点表现在： 1 1 能量消耗高； 2 ) 原型表面粗糙疏松多孔以及对某些材料需要单独处理。 1 2 2 快速原型制造的应用 r p 技术给制造业带来了一场巨大的革命，目前它的主要应用【1 0 1 2 1 如下： ( 1 ) 新产品丌发及验证 采用r p m 技术可在不需要其他手段支撑情况下，在几个小时或几天内将设 计图纸或c a d 模型制成r p 三维实体模型。设计者可以根掘此原型对外形、装 配关系等方丽的设计方案进行评定、模拟试验分析、生产可行性评估，并能迅速 得到用户剥设计方案的反馈信息。这样，就可以把可能出现的问题解决在设计阶 段，使新产品刀：发的费用和时间最著减少。 在新产：品丌发中，如遇多利t 方案，对各方案产品的性能和效果尚需经过实物 试验力能可靠地确定时，可用r p m 技术制成各种方案的原型制件，再进行模拟 试验分析和4 - ：产可行性评估，从而找出最好的设计方案。 ( 2 ) 快速模具制造 通过r p 与传统制造工艺结合制造余属模具。目前，基于r p 的快速模具制 武汉理1 i 大学硕士学位论文 造( r t ) 主要用于制造铸造模具和塑料模具。 ( 3 ) 快速制造金属零件 r p m 技术与铸造技术相结合是由快速原型原理转化为金属零件的最佳途 径。其方法有通过r p 刹制压型、直接复制铸模或消失型铸造熔模，亦可由设计 模型直接得到型壳、型心( 原型) ，采用r p 原型得到消失型铸造熔模是一种较 快的精铸方法。 ( 4 ) 在医学中用于器官模型制作 r p m 技术在医学领域中的应用取得了很好的效果。其方法是将以数字成像 技术为基础的c t ( 断层成像) 、m r i ( 核磁共振) 等诊断方法与r p 系统相结合， 即把所获得的人体扫描的分层截面图像，经计算机三维重构后将数据提供给r p 系统，得到人体局部或内脏器官( 原型) 。这样就可以显示该部位病变情况和实 体结构，可用于临床辅助诊断和复杂手术方案的确定，或供教学使用。此外，亦 可利用r p 原型来制作假肢等身体部位。 ( 5 ) 快速制造技术与反求工程的集成 在反求工程中引入r p m 技术，能使反求检测结果以最快的速度仿制出优化 设计的产品原型。 r p m 技术与三坐标测量仪、三维激光扫描仪、工业c t 和m r i 仪、自动断 层扫描仪等反求测量手段以及传统的数控加工相结合，形成了一个包括设计、制 造、检测的快速设计制造反馈系统，这样就加快了反求工程的发展，扩大了快速 原型制造技术的应用范围。 此外，r p m 技术还可在微绌加工、工艺品制作、文物复制及建筑模型制作 等方面得到应用。 1 3 基于r p 的快速制模技术的应用与发展 自1 9 8 7 年美国3d s y s t e m 公司推出第一套r p 系统s l a 一1 以来，随着各 种原型方法的出现和相关应用技术的开发，r t 技术不仅只用于模型的快速建 造，其应用范围已拓展到机械、汽车、航空航天、电子、医疗、艺术、建筑等 行业，并取得了显著的效果【n 。“。 囡外许多公司和高校在基于r p 的快速制模技术方面开展的较多的研究和 应用工作。 1 ) f ：= 本三菱推出了m r m ( m i t s u b i s h ir a p i dm o u l d i n g ) 快速制模系统，它 武汉理f ：大学硕士学位论文 能将原型直接转换成模具，尺寸精度高、制模成本低，制模时间短，所制造的 模具主要用于塑料件加工。 2 ) 美国、加拿大的许多大公司与铸造公司联合，研究将r p m 技术应用到 快速模具制造中的工艺路线，已成功地生产出锻模、注塑模、钣金冲压模以及 精密铸件的铸模。 3 ) 美国依阿华州立大学提出了一种利用r p 技术快速制造模具的新工艺， 利用r p 技术快速制造出一种薄壁壳型，然后浇入熔融的蜡制成实心模用来进 行砂型铸造生产出异型铜电极，最后用该咆极对金属坯料( 通过仿形铣加工已 初具形状的模具1 进行e d m 加工，从而生产出难以用一般方法生产的高强度 钢模。 4 ) 美困d t m 公司开发的快速制模技术，该技术用s l s 工艺烧结包含树 脂的钢粉末，制成半成品后，再经过渗铜和其他后处理工艺得到铜合金的注塑 模腔和模芯镶块。掘称尺寸精度为士0 2 5 m m l o o m m ，r a 1 ”m ，强度相当 于p 2 0 钢或7 0 7 5 铝，可注塑5 万件。 5 ) m i t 进行了以3d p 工艺直接原型金属模具的研究，用不锈钢粉末铺 平压实，经喷射粘结剂得到绿件( g r e e np a r t s ) ，再经脱粘、烧结、渗铜等后处 理工艺，制成了有复杂冷却通道的金属注塑模具。 6 ) 日水一家公司研制了一种用于s l a 工艺的光固化树脂材料，由r p 系 统直接制成模具，注塑原型制料为a b s 时寿命可达数十件。 7 ) 美国a c c e l e r a t e d t e c h n o l o g i e s 公司开发出e p o x y t o o l i n g 、s p r a y m e t a l t o o l i n g ? c a s tk i r ks i t et o o l i n g j3 dk e l t o o lt m 、l a s e t f o r ms t1 0 0 ，d i r e c t a i m t m 、 o p t o m e c 和p r o m e t a lt m 等快速制模方法，另外，a l b r i g h t t e c h n o l o g i e si n c 、h a r r i n g t o np r o d u c td e v e l o p m e n tc e n t e r 等许多公司能提供 不同的快速制模服务。 国内对快速制模技术的研究开始于2 0 世纪9 0 年代初，近年来一些高校和 企业纷纷展丌了对快速制模技术的研究。 1 1 西安交通大学研究了从原型到石墨电极的制备方法，并开发了石墨电 极研磨机( g e t - 5 0 0 a ) ，还) 1 ：展了陶瓷型精密铸造，硅橡胶复型、简易树脂型 腔及利用电铸法直接制作金属模具的研究。 2 1 上海交通大学丌发了基于r p 原型的涂层转移精密铸造技术，并为汽 车行业制造了多类模只。 3 1 华巾科技大学研究出一种原型复膜技术，快速制造铸模，翻制出了铝 武汉理1 ：火学硕士学位论文 合金模具和铸铁模具。 4 ) 清华大学正在丌展大型陶瓷型技术、尺寸凝固模拟技术等研究。 5 ) 清华大学激光快速原型中心用研制开发的r p 系统制作出许多复杂的 原型和模具，他们所开发的m r p m s 系统已经被国外客户所购买。 6 ) 深圳殷华激光快速原型及模其技术有限公司引进金属冷喷涂制模机和 快速石墨电极研磨机，丌展以原型为母模采用上述设备制作金属模具的研究。 7 1 南京航空航天大学对陶瓷粉末、金w t 4 末的激光烧结原型方法做了大 量的研究工作，并取得许多成果。 8 ) 南京理工大学j f 在进行r p m 微型制造应用研究。 9 ) 北京隆源公司开展了快速铸造技术的应用研究，其r p 服务中心己用 几种方法为企业制作了精密铸模。 1 0 ) 武汉理工大学在快速原型和快速模具制造方面进行了应用研究，并取 得了多项研究成果。 随着市场产品更新换代的加速，对快速经济制模技术在缩短周期、降低成 本、提高精度和延长寿命方面的要求会越来越高。虽然近年来，我国在快速制 模研究方面取得了一定成果，但从整体上看，我国在r t 技术的研究开发水平 以及r t 技术应用推广的广度和深度上与国外还有较大的差距。从目前的研究 现状来看，现在的科研机构都把重点放在工业化、产业化方向，进一步提高原 理速度和开发材料方面，降低系统价格和运行成本，但对模具尺寸精度的研究方 面投入不足。然而，在r t 中模具的制造精度存在很多需要解决的问题，而模具 的精度是产品经济效益和社会效益的保证，因此，提高r t 中模具的制造精度既 是r t 技术发展的要求，又是该技术推广应用的前提条件。 1 4 本文研究的主要内容 鉴于我国在基于r p 的快速制模( r t ) 中与国外存在较大差距和快速制模 精度的重要性，本文拟对r t 精度进行研究，使制模精度达到生产要求。快速制 模精度与产品数模、原型及原型向模具的转换等因素有关，其中数模的构建、原 型的制作精度国内外进行了较多研究【1 7 1 ，而数模与原型i 原型与模具、数模与模 具之州尺寸精度的研究尚无报道，因此本文将重点对原型向模其的转换精度进行 研究，通过对快速制模过程的计算机模拟，找出原型向模具尺寸精度的转换规律， 建立基于r p 的快速制模精度控制系统。 武汉理i _ 大学硕士学位论文 第2 章基于r p 的快速制模技术 传统的快速模具制造方法很多，如中低熔点合金模具、电铸模、喷涂模具等 l i s t ，但由于这些方法工艺粗糙、精度低、寿命短，很多时候难以完全满足用户 的要求，并且在制造过程中，往往因为模具的设计与制造中出现问题无法及时改 萨而不能做到真币意义上的“快速”，应用范围受到了一定的限制。 基于r p 的快速制模技术是应用快速原型工艺及相应的后续工艺，实现模具 快速制作的一种技术方法。它是将传统的制模方法与快速原型制造技术相结合的 产物，已经成为现代模具制造的强有力手段【1 。本章介绍基于r p 的快速制模方 法、陶瓷型精密铸造工艺进行了研究和比较，提出快速原型技术与陶瓷型精密铸 造的集成制模方法，能够使两者优点充分发挥。 2 1 基于r p 的快速制模方法 基于r p 快速制作模具的方法1 2 0 - 2 3 】可以分为直接制模法( d i r e c tr a p i dt o o l i n g d r t ) 和间接制模法( i n d i r e c tr a p i dt o o l i n g - - i r t ) 。 2 1 1 直接制模法 直接制模是基于r p 技术，将模具c a d 的结果由r p 系统直接制造成出树脂 模、陶瓷模和金属模具，该法不需要用r p 系统制造样件，也不依赖传统的模具 制造工艺。 随着r p 技术的发展，可用来制造原型的材料越来越多，性能也在不断改进， 一些非金属r p 原型已有较好的机械强度和热稳定性，因此可以直接用作模具， 直接快速制模技术包括3 种工艺方法。 ( 1 ) 直接软模制造技术 采用各种快速原型技术包括s l a 、s l s 、l o m 等，可以直接将c a d 模型( 虚 拟模型) 转换为具有一定机械性能的非金属原型( 物理原型) ，在许多场合下可 作为软模具使用，用于小批量塑料零件的生产。 ( 2 ) 准直接快速制模技术 这里准喜接主要是指通过r p 技术生产的模具还需要较多的后续工作刊能用 于1 件的生产，其主要方法是通过r p 方法将包有粘结剂的金属粉( s l s ) 、金属 武汉理j ：大! 学硕士学位论文 悬浮液( s l a ) 、带有金属粒子的塑料丝( f d m ) 成型为半成品，再经过粘结剂 的去除和渗金属等后续工艺从而产生模具。上述模具可用于中等批量的塑料零件 和蜡模的生产。 ( 3 ) 直接快速制模技术 该项技术可直接从r p 系统制造高密度的金属模具，通常采用金属粉末的选 择性激光烧结成型技术( s is ) 。它包括两种工艺方法：第一，金属粉末大功率 激光烧结成型法，印利用高功率激光( 1 0 0 0 w 以上) 对金属粉末进行扫描烧结， 逐层叠加成型，成型件经表面后处理( 打磨、精加工) 即完成模具制作；第二， 混和金属粉术激光烧结成型法，即金属粉末为两种金属粉末的混合体，其中一种 熔点较低，起粘结剂的作用。 2 1 2 问接制模法 间接制模的过程需要先制造一个母模( 一般由快速原型系统建立) ，由这样 的母模产生模具的型芯。 ( 1 ) 用r p 原型为母模的快速软模制造法 如果零件的批量较小( 几十到几千件) ，则可用非钢铁材料制作成本相对较 低的软模具。其工艺为用r p 技术制作零件原型，然后以r p 原型为母模，浇注 蜡、硅橡胶、环氧树脂、聚氨酯等软材料，构成软模具。其中，蜡模用于熔模铸 造；硅橡胶、环氧树脂、聚氨酯等用作小批量生产用注塑模，或低熔点合金( 如 锌合金、铝合金) 铸造模。这些软材料具有很好的弹性、复印性和一定的强度， 在浇注原型复杂模具时，可以大大简化模具的结构设计，并便于脱模。如用硅橡 胶来复制模具时，可不考虑增设拔模斜度，基本不会影响尺寸精度。室温硫化硅 橡胶有很好的切割性能，用薄刀片就可容易地将其切开，并且切面间非常贴合， 因此用它来复制模具时，可以先不分上下模，整体浇注出软模后，再由预定分模 面将其切丌，取出母模，得到上下两个母模。室温硫化硅橡胶强度较低，由其构 成的软模具寿命为1 0 2 5 件。高温硫化硅橡胶具有比室温硫化硅橡胶更好的性 能，可承受4 3 0 5 0 0 的高温，硬度为h a s 5 5 7 5 ，抗压强度为1 2 4 6 0 1 m p a ， 用这种材料制成的锌合金离心铸造模寿命可达2 0 0 5 0 0 件。环氧树脂合成材料 构成的软模具寿命可达3 0 0 件。 ( 2 ) 用r p 原型为母模的快速硬模( 金属模具) 制造法 1 1 陶瓷型精密铸造制造模具 在批量生产金属注塑模具时可采用此法。其工艺过程为：r p 原型一复制软 武汉理l 大学硕士学位论文 模一移去母模一在软模中浇注或喷涂陶瓷浆料一浇注金属一型腔表面抛光一加 入浇注系统和冷却系统一批量生产模具，具体工艺过程将在后面介绍。 2 ) 熔模精密铸造制作模具 在批量生产金属模具时，先得用r p 原型或根据原型复制的中间过渡模制成 蜡模的原型模( 压型) ，然后利用该原型模制造蜡模，再用熔模铸造工艺制成金 属模具。在单件生产复杂的模具时，也可用s l a 、s l s 、f d m 及l o m 法加工的 纸、石蜡、树脂和塑判等r p 原型代替蜡模，在r p 原型上直接涂挂耐火浆料， 用类似熔模铸造方法制壳浇注金属模具。由于原型可以直接从c a d 数据产生， 传统方法中用于制作蜡模的压型设计和制作都不必要了，从而使精密铸造工艺得 到简化。 3 ) 金属熔射喷涂制造模具 在r p 原型或过渡模型为母模的表面上，用电弧或等离子喷涂雾状金属，形 成金属硬壳层，移去母模后，在金属壳背面补铸金属基合成材料或环氧树脂，形 成硬背衬，经后处理得到金属面、硬背衬模具。这种方法操作较简单，制作的模 具机械性能较好，精度也容易保证，可以制作工作压力较高的模具，模具寿命可 达1 0 0 0 一一3 0 0 0 0 件。 4 ) 用化学粘结陶瓷制作模具 以r p 原型为母模制作软模具，利用软模具快速制作陶瓷材料模具。其工艺 过程为：快速原型制作纸质母模一浇注硅橡胶、环氧树脂、聚氨酯等软材料，构 成软模一移去母模一在软模中浇注化学粘结陶瓷( c b s ) 一在2 0 5 下固化c b s 型腔一型腔表面抛光一加入浇注系统和冷却系统一小批量生产注塑模。这种陶瓷 模具的寿命约为3 0 0 件。 5 、采用铝基合成材料制造模具 以r p 原型为母模，浇注硅橡胶等软材料形成软模具，移去母模后，室温下 在软模中浇注铝基合成材料，形原型腔，型腔经后处理后制得模具。由于是在室 温下浇注，避免了高温熔化金属浇注导致的较大翘曲变形，精度容易得到保证。 这种方法制作的注塑模具寿命一般为5 0 0 5 0 0 0 件( i r 决于被注射原型零件的材 判和形：状) 。 6 1 利用r p 原型制作e d m 电极用于模具加工 注塑模等多种模具经常用电脉冲加工机床( e d m ) 加工，利用r p 原型或其 工岂转换模，可阻采用研磨法、精密铸造法、电铸法、粉末冶金法、石墨原型法 等，快速制作石墨电极或金属电极，用于模具加工。用r p 技术制作的电极精度 武汉理一l ：大学硕士学位论文 高，表面质量好，制造速度快，成本低。 金属模具的快速制造是r p 技术的努力目标，世界先进工业化国家的r p m 技术也是在经历了模型与零件试制、快速软模制造( r s t ，r a p i ds o f tt o o l i n g ) 的 阶段后，目前正向快速硬模( 金属模具) 制造( r h t ，r a p i d h a r d t o o l i r 【g ) 方向发展， r h t 已成为国际er p m 技术应用研究开发的重点。 图2 1 为基于r p 的快速金属模具制造过程。 图2 - 1 基于r p 的快速金属模具制造过程 2 2 陶瓷型精密铸造工艺 陶瓷型铸造技术是由英国的肖氏( s h o w ) 兄弟于本世纪5 0 年代发明的，经过 多年来的不断改进而发展起来的一科，精密铸造方法【。 武汉理工大学硕： = 学位论文 2 2 1 陶瓷型铸造工艺过程 陶瓷型铸造工艺流程见图2 2 。以耐火度高、热膨胀系数小的耐火材料作为 骨料，硅酸乙酯水解液为粘结剂，配制成陶瓷浆料，在催化剂作用下经灌注、结 胶、硬化、起模、喷烧、焙烧等一系列工序制成表面光洁、尺寸精度高的陶瓷型， 经浇注生产精密铸件【2 5 】。 硅酸乙脂j ! ! 1 0 硅酸乙脂水解液 l i 掣 耐父藉料l 堡型鳖整求妊铸件 催花剂j结胶r 化起模i 刍 +奉 喷烧打箱 + 焙烧l 熏烟+ 合箱 浇! f 主 熔豫 图2 2 陶瓷型铸造工艺流程图 图2 3 为陶瓷型铸造过程示意图l 硐：在母模a ) 上均匀覆盖一层3 r a m 厚的 等厚薄膜作为粗母模b ) ，将粗母模放在型板上，进行底套造型c ) ，底套造型完 毕后取出母模及等厚薄膜d ) ，将去除等厚薄膜的母模放回型板，盖上底套，这 样在母模与底套之问形成灌浆用的间隙空腔e ) ，将预先配置好的陶瓷浆料搅拌 均匀后，从灌浆口灌入空腔f ) ，待陶瓷浆料胶凝后起模g ) ，起模后立即点燃陶 瓷型，同时进行喷烧h ) ，即得至6 所需陶瓷型，然后合箱、浇注i ) ，待铸件冷却 后，清理铸件i ) 。 勉庞 a ) b )c ) 豳避锄 d )e ) 武汉理i ：大学硕十学位论文 蕊渤四 曲h ) j ) 图2 ，3 陶瓷型精密铸造过程示意图 a ) 母棋b ) 覆盖等厚薄膜( 粗母模) c ) 底套造型d ) 取出母模及薄膜e ) 放回母模 f ) 滞浆g ) 起模h ) 喷烧j ) 合箱浇注j ) 清理抛光 为提高以原型做母模、用陶瓷型铸造翻制的快速金属模具的质量，还应根据 实际情况对陶瓷型造型材料及工艺进行适当的改进。 2 2 2 陶瓷型造型材料选取 陶瓷型所用造型材料包括耐火材料、粘结剂、催化剂、脱模剂、透气剂等。 1 ) 耐火材料。陶瓷型所用的耐火材料要求杂质少，熔点高和热膨胀系数小。 可作为陶瓷型的耐火材料有刚玉粉、铝矾石、碳化硅及锆粉等。 2 ) 粘结剂。陶瓷型常用的粘结剂是硅酸乙脂水解液。为了防止陶瓷型在喷 烧及焙烧阶段产生大的裂纹，在水解时往往还加入0 5 左右的醋酸或甘油。 3 ) 催化剂。硅酸乙脂水解液的p h 值通常在0 2 0 2 6 之间，其稳定性较好， 故当其与耐火材料混合成浆料后，并不能在短时间内结胶。为了使陶瓷浆料能在 要求的时间内结胶，必须加入催化剂。常用的催化剂有氢氧化钙、氧化镁、氢氧 化钠以及氧化钙等。 4 ) 脱模剂。硅酸乙脂水解液对模型的润湿性很强，因此在造型时，为了防 止粘膜，损害型腔表面质量，需用脱模剂以使模型与陶瓷浆料表面容易分离。常 用的脱模剂有上光蜡、变压器油、机油、有机硅油及自j 、l 士林等。 5 ) 透气剂。陶瓷型经过喷烧后，虽然表面能形成无数显微裂纹，在一定程 度上增进了铸型的透气性，但与砂型比较，它的透气性还是很差的，须向陶瓷浆 判中加入透气剂以改善陶瓷型的透气性。常用的透气剂是双氧水，加入后双氧