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(材料加工工程专业论文)基于快速原型的金属粉浆无压浇注成型与烧结实验研究.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
山东大学硕士学位论文 基于快速原型的金属粉浆无压浇注成型与烧结实验研究 摘要 目前,基于快速原型( 1 心) 制造的快速模具工艺的种类很多,其中按照 制模材料的不同,可分为简易软模和钢质硬模。由于钢质模具的快速性,可以 使得设计人员想象中的概念模型快速地转换成为试验产品,而试验产品一旦成 功,人们又可以利用钢质模具的刚度与硬度较大批量地投入生产,使产品快速 占领市场,为企业赢得先机。因而对于钢质硬模的快速制作工艺的研究与开发, 更是国内外快速原型应用领域研究的熟中之热。 本文在综合分析国内外各种基于快速原型的快速模具工艺技术的基础上, 提出的基于快速原型的金属钢质硬模快速制造工艺流程,是快速原型技术与粉 末冶金技术相结合的一种工艺方法,为快速制作钢质模具提供了一种新的工艺 思路本文主要对该工艺中的关键技术环节金属粉浆无压浇注成型与烧结进 行了实验研究 金属粉浆是将一种特殊的液态有机粘结剂与金属粉末按照一定比例混合 均匀形成的一种液态浆体材料,其中粘结剂应选用流动性较好的液态环氧树 脂本文分别选用进口的型号为d p i 4 0 0 的热固性树脂、国产的不饱和类1 9 矿 聚酯树脂、以及在其基础上加有环氧的1 9 9 。聚酯树脂为粘结剂,通过实验对 比分析,认为其中国产不饱和类的1 9 9 。环氧聚酯树脂是比较适合本实验的粘 结剂材料。 而对于其中金属粉末的使用,本文建立了两种粒径不同的双形态混合铁粉 颗粒密排的数学模型,并据此模型推导出了它们密排的质量配比公式在实验 中,将两种粒径不同的双形态混合铁粉在高扭矩混料机上充分混合,使他们达 到密排的效果,然后分别使用双形态混合铁粉和单一形态的铁粉做出形状相同 的四组试样进行了对比分析,分析表明:采用由粒径不同的两种铁粉组成的双 形态混合铁粉,一方面由于微观上铁粉颗粒密排严密,可以使得浇注成型的试 样更加密实,从而了减少粘结剂的体积含量,有利于粘结剂的脱除:另一方面 粒径较小的铁粉颗粒可以填补粒径较大的铁粉颗粒之间的大孔隙,避免粘结剂 积聚成团,使粘结剂在铁粉颗粒之间分布较为均匀,而且大小颗粒之间可以建 1 1 1 摘要( a b s t r a c t ) 立良好的支架,为粘结剂的脱除提供通畅的通道,不但有利于粘结剂的脱除, 而且有利于内部孔隙分布均匀的骨架状材料的制备 金属粉浆无压浇注成型工艺是在真空脱泡的情况下,无需压力而仅靠重力 的作用直接将金属粉浆浇注进事先通过r p 制作好的硅橡胶软模中,然后经过 粘结剂的固化而直接成型的一种快速成型方法。本文通过大量实验,对该工艺 中材料的选用和配备,粉浆流动性的控制、粉浆的浇注成型等关键工艺技术进 行了分析总结 本文还将金属粉浆无压浇注成型的注型坯在氢气保护气氛中进行了烧结, 并经过多次的实验和分析,给出了比较合理的烧结工艺规范,即在烧结的起始 阶段,进行较长时间的持续低温烧结,将试样中的粘结剂均匀脱除;然后以适 当的升温速率将温度升至不高于铁粉液态烧结的临界温度点,将铁粉颗粒烧结 在一起,从而制得内部孔隙均匀分布的骨架状试样。这种骨架状试样的制得, 十分有利于进行渗铜致密并最终制得金属模具制件 本文最后将金属粉浆无压浇注成型与烧结研究的结果进行了实例应用。实 例应用表明,本文给出的金属粉浆无压浇注成型与烧结工艺能够制得骨架状制 品,同时也表明本文研究结果为基于快速原型的金属钢质硬模的快速制造工艺 提供了必要的理论基础与关键的技术支持。 关键词:快速模具金属粉浆无压浇注成型烧结 山东大学硕士学位论文 i i i m i m a = = j | 目目| e 日e ! 日_ _ _ e ! g ! 自e 目_ ! ! ! ! 日t _ _ 目g 自_ 一 e x p e r i m e n t a ls t u d yo np r o c e s s e so f m e t a ls l u r r y s n o n - p r e s s i n gc a s t i n ga n ds i n t e r i n gb a s e d o n r a p i dp r o t o 咖i n g a b s t r a c t c u n x m l y ,m o r ea n dm o r em e t h o d so f r a p i dt o o l i n gb a s e do nr a p i dp r o t o t y p l n g & m a n u f a c t u r i n g0 凹& h da r ed e v e l o p e d a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tk i n d so ft h e m o u l dm a t e r i a l s ,t h e ya r eb a s i c a l l yd i v i d e di n t ot h es i m p l es o f tm o u l da n ds t e e l h a r dm o u l d t h ec h a r a c t e r i s t i c so fr a p i ds t e e lh a r dm o u l dc a n h e l pd e s i g n e r st o e f f e c t i v e l ya n dq u i c k l yc o n v e r tt h e i rc o n c e p t st ot r i a lp r o d u c t s o n c et h et r i a l sa r e s u c c e s s f u l l yc o n d u c t e d , p e o p l ec a nu s es t e e lh a r dm o u l dt op r o d u c ea p p l i e d p r o d u c t s m e a n w h i l ec o m p a n i e sn e e dt oe x p l o r ea n dt r a i nt h em a r k e t sf o rt h e i rn e w p r o d u c t st og a i nt h em a j o r i t ym a r k e ts h a r e sa n db u i l dt h ea d v a n t a g e so v e rt h e i r c o m p e t i t o r s t h e r e f o r e , ab i ga m o u n to f e f f o r th a sb e e nd o n a t e dt ot h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to f r a p i ds t e e lh a r dm o u l db o t hd o m e s t i c a l l ya n di n t e r n a t i o n a l l y a f t e rc o n d u c t e dac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fd i f f e r e n tm e t h o d s o fr a p i d t o o l i n gb a s e do nr p & m , e x p e r i m e n t a ls t u d yo np r o c e s s e so fm e t a ls l u r r y s n o n - p r e s s i n gc a s t i n ga n ds i n t e r i n gb a s e do nr pi sp u tf o r w a r d t h i st e c h n i q u ei sa c o m b i n a t i o no fr p & ma n dp o w d e rm e t a l l u r g y ,a n di tc r e a t e san e ww a yf o rr a p i d s t e e lh a r dm o u l d m e t a l ss l u r r yi sak i n do fl i q u i ds l u r r ym a t e r i a lw h i c hi sam i x t u r eo fc e r t m n p r o p o r t i o no fo r g a n i cl i q u i d v i s c i d i t ym a t e r i a la n dm e t a lp o w d e r , w h i l et h e v i s c i d i t ym a t e r i a ls h o u l dc h o o s el i q u i de p o x yr e s i nw h i c hh a sb e t t e rf l u i d i t y t h e i m p o r t e dd p - 4 0 0c a l o r i cs o l i dr e s i n , l o c a l1 9 矿n o n - s a t u r a t i o np o l y e s t e rr e s i na n d l o c a l1 9 矿n o n - s a t u r a t i o np o l y e s t e re p o x yr e s i na r er e s p e c t i v e l yc h o s e na sv i s c i d i t y m a t e r i a l t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h el o c a l1 9 9 # n o n - s a t u r a t i o np o l y e s t e r e p o x yr e s i ni st h em o s ts u i t a b l ev i s c i d i t ym a t e r i a lf o rt h i se x p e r i m e n t t od e e p l ye x p l o r et h em e t a lp o w d e ru t i l i z a t i o n , m a t h e m a t i c a lm o d e l sh a v e b e e ns t u d i e dr e g a r d i n gt ot w ot y p e so fi r o np o w d e r 埘t l ld i f f e r e n tg r a i nd i a m e t e r s a n dt h e i ro r d e rq u a l i t ym a t c hf o r m u l ai se d u c e db a s e do nt h em o d e l i nt h e e x p e r i m e n gt h em i x i n gm a c h i n ef u l l ym i x e st h et w ot y p e so fi r o np o w d e rm i x t u r e t om a k et h ee v e nd e n s i t y t h e nu s i n gt h i sd o u b l em o d a l i t yi r o np o w d e rm i x t u r ea n d s i m p l ef i n ec a r b o n y li r o ng r a i n st om a k eu pf o u ri d e n t i c a lt r i a lg r o u p sa n dc o m p a r e v 摘要( a b s t r a c t ) t h o s eg r o u p s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea d o p t i o no ft w od o u b l em o d a l i t yi r o n p o w d e rm i x t u r eh a st w oa p p a r e n ta d v a n t a g e s :f r o mm i c r o c o s m i cp e r s p e c t i v e ,t h e d e n s ei r o ng r a i ns t r u c t u r em a k e st h es i n t e r i n gs a r n p l ps o l i d e r , t h e r e a f t e rt h ec u b a g e c o n t e n to fv i s c i d i t ym a t e r i a li sr e d u c e da n di ti sg o o df o rv i s c i d i t ym a t e r i a lt ob e b u r n to f f ;a tt h es a m et i m e ,t h ec a r b o n y li r o ng r a i n sc a nf i l lu pt h eg a p sa m o n gt h e i r o np o w d e rg r a i n sw i t hl a r g e rd i a m e t e rw h i c hh e l p st op r e v e n tv i s c i d i t yt o a c c u m u l a t ei n t oc o n g l o b a t i o n a sar e s u l t ,t h ev i s c i d i t yc a l lb ee v e n l yd i s t r i b u t e d a m o n gi r o np o w d e rg r a i n s m e a n w h i l ea b e t t e rs t r u c t u r ec a l lb eb u i l tu pb e t w e e n s m a l la n dl a r g eg r a i n sw h i c hp r o v i d ef r e ec h a n n e l sf o rv i s c i d i t ym a t e r i a lt ob e b u r n t o f f m e t a ls l u r r y sn o n - p r e s s i n gc a s t i n ga n ds i n t e r i n gt e c h n i q u ed on o tn e e d p r e s s r r e tb u tg r a v i t yt od i r e c t l yc a s tt h em e t a ls l u r r yi n t ot h es o rs i l i c o nr u b b e r m o u l dm a d ei na d v a n c e t h ea r t i c l ed i dd e e p l yr e s e a r c ho ns o m ek e yt e c h n i q u e si n t e r m so f t h em a t e r i a ls e l e c t i o n , s l u r r yf l u i d i t yc o n t r o la n dm e t a ls l u r r y sc a s t i n ge t c s o m es a m p l e sg o tb ym e t a ls l u r r y sn o n - p r e s s i n gc a s t i n ga r es i n t e r e dw i t h h y d r o g e n sp r o t e c t s o m er e a s o n a b l es i n t e r i n gc r i t e r i o n sh a v eb e e nw i t h d r a w n f r o mt h ee x p e r i m e n t sa sf o l l o w s :a tt h eb e g i n n i n go ft h es i n t e r i n gp e r i o d , g i v e l o n g e ra n dc o n t i n u o u s l yl o wt e m p e r a t u r es i n t e r i n ga n dt h ev i s c i d i t ym a t e r i a lo f t h e t r i a lp r o d u c t sw i l lb ee v e n l yb u r n to f f w h e r e a f l e f ,t h et e m p e r a t u r ei si n c r e a s e d g r a d u a l l yu n t i li ti sj u s tb e l o w9 0 0 cw h i c hi s t h em a r g i nt e m p e r a t u r eo fi r o n l i q u i dm e l lt os i n t e rt h ei r o ng r a i n st oa c c u m u l a t et o g e t h e rw h i c hh e l p st oa c h i e v e m e t a l s k e l e t o ns t r u c t u r ep r o d u c t s f i n a l l y , t h ea r t i c l ei n t r o d u c e st h er e s u l t so ft h em e t a ls l u r r y sn o n - p r e s s i n g c a s t i n ga n ds i n t e r i n gt e c h n i q u et op r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n p r o v e st h a tm e t a ls l u r r y sn o n - p r e s s i n gc a s t i n ga n ds i n t e r i n gt e c h n i q u ec a nm a k e g o o df i n a lm e t a l s k e l e t o ns t r u c t u r ep r o d u c t s ,a n da l s ot h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r e s e a r c hp r o v i d e se s s e n t i a lf i m d a m e n t a lt h e o r i e sa n dt e c h n i q u es u p p o r t sf o rr a p i d s t e e lh a r dm o u l d k e yw o r d s :r a p i dt o o l i n g m e t a ls l u r r y n o n - p r e s s i n gs i n t e r i n g v i o 原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名:础 日期: 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅 和借阅:本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名:避导师签名:国之坐芝日期: 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 从上个世纪9 0 年代开始,市场环境发生了巨大变化。一方面表现为消费 者需求的日益主体化、个性化和多样化;另一方面则是产品制造商们都着眼于 全球市场的激烈竞争面对市场,不但要迅速地设计出符合人们消费需求的产 品,而且必须很快地生产制造出来,抢占市场随着计算机技术的迅速普及和 c a d ,c a m 技术的广泛应用,产品从设计造型到制造都有了很大发展,而且产 品的开发周期、生产周期、更新周期越来越短企业的发展战略已经从上世纪 6 0 年代“如何做的更多”、7 0 年代“如何做的更便宜”、8 0 年代“如何做的更 好”、9 0 年代的“如何做的更快”,发展到现在的“如何做的既好又快”因此, 面对一个迅速变化且无法预料的买方市场,以往传统的大批量生产模式对市场 的响应就显得越来越迟缓与被动。快速响应市场需求,已成为制造业发展的重 要走向【l 】 上述制造战略的变迁,导致产品的生产模式也正在由传统的大、中批量向 具有灵活性、易变性和快速市场反应能力的中、小批量甚至是符合客户个性要 求的单件转变,而且随着现代高科技的不断涌现,人们审美观的不断提高,人 们对产品质量和开发阶段样品质量的概念已发生很大的变化。此时传统的模具 制作过程复杂、耗时长、费用高的缺点就成为设计和制造的瓶颈,因此,基于 快速原型的快速模具制造技术是加快新产品开发速度,降低新产品开发成本尤 为重要的因素,也是适应上述产品生产模式转变的必然要求。 快速原型( 也称快速成形) 制造技术( 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 , r p & m ) 是借助计算机、激光、精密传动和数控等现代手段,将计算机辅助设 计( c a d ) 和计算机辅助制造( c a m ) 集成于一体,根据在计算机上构造的 三维模型,能在很短时间内直接制造产品样品,无须传统的机械加工机床和模 具【2 l 。该项技术创立了产品开发的新模式,使设计师以前所未有的直观方式体 会设计的感觉,感性而迅速的验证和检查所设计的产品结构和外形,从而使设 计工作进入了一种全新的境界,改善了设计过程中的人机交流,缩短了产品开 第一章绪论* 发的周期,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。 而以r p & m 原型作母模来翻制模具的快速模具制造技术( r a p i d t o o l i n g , r t ) ,进一步发挥了快速原型制造技术的优越性,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开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 制造模式下具有强劲的发展势头。随着快速原型软硬件设备与快速原型材料的 不断发展和完善,快速原型制造件的强度和精度得到不断的提高,用快速原型 的方法制造各类模具己成为r p & m 应用的热点方向之一( 3 】。 目前,基于快速原型的快速模具按功能用途可分为塑料模、铸( 型) 模、 冲压模、锻造模及石墨电极研磨母模;根据不同的制模工艺方法,快速模具可 分直接快速模具和间接快速模具;按制模材料可分为简易软模( 硅橡胶模具应 用最为广泛) 和金属钢质硬模【4 1 而对于金属钢质硬模的快速制作工艺的研究 与开发,更是国内外r p & m 研究的热中之热这是由于金属钢质模制作的快 速性,可以使得设计人员想象中的概念模型快速地转换成为试验产品,而试验 产品一旦成功,人们又可以利用金属钢质模的刚度与硬度大批量地投入生产, 使产品快速占领市场,为企业赢得先机。而本课题基于快速原型的金属粉浆无 压浇注成型与烧结实验研究,正是基于这样的生产要求而提出的。 1 2 基于快速原型的金属钢质硬模快速制造工艺的研究现状 l 、快速原型( r p & m ) 技术与快速模具( r t ) 技术的发展现状 快速原型技术,又称实体自由成型技术或桌面制造技术,是2 0 世纪8 0 年代初在美国出现,9 0 年代在全球得到迅速发展的- f - i 综合性、交叉性前沿 技术,是先进制造技术的重要组成部分,也是制造技术的一次飞跃,具有很高 的加工柔性和很快的市场响应速度,为制造技术的发展创造了一个新的机遇。 直接从计算机模型制作三维物体的快速原形技术,是出现代设计和现代制 造技术迅速发展的需求应运而生的,它涉及机械工程、自动控制、激光、计算 机、材料等多个学科,近年来,该技术迅速在工业造型、制造,建筑、艺术、 医学、航空、航天和影视等领域得到良好的应用。r p & m 技术为企业提高竟 山东大学硕士学位论文 争力提供了一种先进的手段 自美国3 ds y s t e m 公司1 9 8 8 年推出第一台商品s l a 1 快速原型机并 卖给b a t e r h e a l t h a r e 、p r a t t a n d w h i t n e y 和e a s t m a n _ k o d a k 时,就标志着快速原型 技术工业化应用的开始目前已有近2 0 种不同的原型系统,其中比较成熟的 有s l s 、l o m 、s l a 以及f d m 等方法i 强技术与快速模具技术结合还可 快速实现模型、模具或样件的小批量生产这对于新产品试制以及单件或小批 量的生产模式尤为重要 r p & m 技术在不需要任何刀具、模具及工装卡具的情况下,可将任意复 杂形状的设计方案快速转换为三维实体模型或样件,这就是r p 技术所具有 的潜在的革命意义它为技术人员之间,以及技术人员与企业决策者、产品的 用户等非技术人员之间提供了一个更加形象、完整、方便的工程交流工具。快 速、准确以及制造复杂模型的能力是r p & m 技术突出的优点用r p & m 技术 快速制造出的模型或样件可直接用于新产品设计验证;功能验证、外观验证、 工程分析、市场订货以及企业的决策等,非常有利于早找错早修改早优化,从 而大大提高了新产品开发的一次成功率,缩短了开发周期,降低了研发成本 同时,r p & m 技术有力地支持了并行工程的实旖,可为制造业企业带来不可 估量的收益。 目前r p & m 与r t 技术的发展现状和趋势为恤1 2 1 : ( 1 ) 金属零件、功能梯度零件的直接快速制造,使快速原型技术向快速 制造技术转变。目前的快速原型技术主要用于制作非金属样件,由于其强度等 机械性能较差,远远不能满足工程实际需求,所以其工程化实际应用受到较大 限制。从上世纪9 0 年代初开始,探索实现金属零件直接快速制造的方法已成 为r p 技术的研究热点,国外著名的r p 技术公司均在进行金属零件快速原型 技术研究。可见,探索直接制造满足工程使用条件的金属零件的快速原型技术, 将有助于快速原型技术向快速制造技术的转变,能极大地拓展其应用领域。此 外,利用逐层制造的优点,探索制造具有功能梯度、综合性能优良、特殊复杂 结构的零件,也是一个新的发展方向。 ( 2 ) 快速原型设备和技术的创新与工艺的改进目前,快速原型技术的 原型精度为o 1 m m 数量级,表面质量还较差,有待进一步提高。最主要的是 第一章绪论 原型零件的强度和韧性还不能完全满足工程实际需要,因此如何完善现有快速 原型工艺与设备,提高零件的原型精度、强度和韧性,降低设备运行成本是十 分迫切的。此外,快速原型技术与传统制造技术相结合,形成产品快速开发一 制造系统也是一个重要趋势,如快速原型技术结合精密铸造,可快速制造高质 量的金属零件。另一方面,许多新的快速原型制造设备与工艺正处于开发研究 之中。不同行业、不同应用场合对快速原型设备有一定的共性要求,也有较大 的个性要求如医院受环境和工作条件的限制。外科大夫希望设备体积小、噪 音小,因此开发专门针对医院使用的便携式快速原型设备将很有市场潜力另 一方面,汽车行业的大型覆盖件尺寸多在l m 左右,因此研制大型的快速原型 设备也是很有必要的。 ( 3 ) 优化数据处理技术的研究。快速原型数据处理技术主要包括将三维 c a d 模型转存为s t l 格式文件和利用专用r p 软件进行平面切片分层。由于 s t l 格式文件的固有缺陷,会造成零件精度降低:此外,由于平面分层所造成 的台阶效应,也降低了零件表面质量和原型精度。优化数据处理技术可提高快 速原型精度和表面质量。目前,正在开发新的模型切片方法,如基于特征的模 型直接切片法、曲面分层法等。 ( 4 ) 成型材料系列化、标准化。目前快速成型材料大部分是由各设备制 造商单独提供,不同厂家的材料通用性很差,而且材料成型性能还不十分理想, 阻碍了快速成型技术的发展。因此,开发性能优良的专用快速成型材料,并使 其系列化、标准化,将极大地促进快速原型技术的发展 ( 5 ) 拓展新的应用领域。快速原型技术的应用范围正在逐渐扩大,这也 促进了快速原型技术的发展。目前快速原型技术在医学,医疗领域的应用,正 在引起人们的极大关注,许多科研人员也正在进行相关的技术研究此外,快 速原型技术结合逆向( 反求) 工程,实现古陶瓷、古文物的复制,也是一个新 的应用领域。 2 、基于快速原型的金属钢质硬模快速制造工艺的研究现状 近几年来,金属零件、金属钢质硬模的直接快速制造,使快速原型技术向 快速制造技术的转变,是国内外r p & m 及r t 领域内研究的热点及发展方向 目前的快速原型技术主要用于制作非金属样件,由于其强度等机械性能较差, 山东大学硕士学位论文 远远不能满足工程实际需求,所以其工程化实际应用受到较大限制。可见,探 索直接制造满足工程使用条件的金属零件的快速原型技术,以及在此基础上进 行金属钢质硬模快速制造技术的研究开发。将有助于快速原型技术向快速制造 技术的转变,并能极大地拓展其应用领域。 已经开发出的基于快速原型的快速模具制造技术中,可以制得金属钢质硬 模的工艺方法有:k e l t o o l t m 法快速制模,直接金属粉末激光烧结制模( d i r e c t m e t a ll a s e rs i n t e r i n g ,d m l s ) 、间接金属粉末激光烧结成形( r a p i d t o o l t m ) 、 激光近原型技术( l a s e r e n g i n e e r e d n e t s h a p e ,l e n s ) 、镍和陶瓷混合物模具制 造技术( n c ct o o l i n g ) ,电弧喷涂快速制模等,他们各自的应用及研究现状分 别介绍如下: k e l t o o l t m 法制模是国外应用较多、较早,而且也是比较成熟的金属模具 制作工艺。k e l t o o l t m 法制模工艺由美国3 d 系统公司开发成功,后转让给美国 k e l t o o l 公司,该制模方法可用于制造具有数百万件次寿命的注塑模。k e l t o o l 法实际上是一种粉末冶金工艺,主要工艺过程为:( 1 ) 由原型件制各模具的负 型,( 2 ) 将钨粉和a 6t 具钢粉与有机粘结剂混合并添入负型,( 3 ) 高温烧结 并渗铜以填补钨骨架的空隙。 k e l t o o l 模具由于具有较高的洛氏硬度,具有非常好的模具寿命,可以生 产百万件以上的产品,但是模具生产周期较长,平均为4 周,其中制作内嵌件 需要8 1 0 天,而且内嵌件的尺寸较小,一般在1 5 2 x 2 0 3 x1 0 1 m m 以下,公差 为士o 0 0 2 m m 【1 3 1 5 】 直接金属粉末激光烧结制模( d i r e c tm e t a ll a s e rs i n t e r i n g ,d m l s ) ,是 由德国e o s 公司开发的,可不用中间粘结剂而直接烧结金属从而直接制造金 属零件或模具的技术,所制造出的模件密度目前最接近纯金属密度。 该技术利用较大的能量密度的激光烧结由青铜和镍及某些添加剂构成的 金属颗粒,每层厚度可达0 0 5 m m ,同时这种材料能通过设置合理的工艺参数“ 保证极有限的烧结收缩变形,因而其尺寸精度可达0 0 5 r a m ,烧结结束后再渗 入适量的环氧树脂可大大提高原型件的抗弯强度( 不渗入环氧树脂时的抗弯强 度为2 0 0 m p a ,渗入后可提高到4 0 0 m p a ) 但是由于渗入了环氧树脂,使得成 型零件难于利用电加工的方法进行后续加工,同时其材料使用范围也极其有 5 第一章绪论 限据文献 1 3 】和【1 6 】,采用该方法制造的模具注射3 0 玻璃硬化的塑料,其 寿命可达1 5 0 0 0 件。 间接金属粉末激光烧结制模( r a p i d t o o l t m ) ,是由美国d t m 公司开发 的一种用于快速制模的粉末成形技术脚该成形技术是依据t e x a s 大学获得的 专利技术为基础,然后致力于粉末类快速原型机器的研发与生产之后开发成功 的r a p i d t o o l t m 是利用d t m 公司的s l s ( s e l e c t i v e l a s e rs i n t e r i n g ) 系统的 s i n t e r s t a t i o n 2 5 0 0 机器来实现的。 制模周期短是r a p i d l b o l t m 工艺的主要优点,而且其成形材料中含有 4 0 4 5 的铜,因此模具在使用过程中冷却效果好;该工艺最大的缺点是在 1 1 0 0 以上的高温渗铜时会导致制件的变形 以美国d t m 公司生产的专用材料r a p i d s t e e l t m 为成型材料,使用该工艺 制作的模具模芯,其材料力学性能优于材料a 1 7 0 1 5 ,模具寿命可达5 万件以 上图i 1 给出的是采用r a p i d t o o l t m 工艺制作的模具型, - 6 t 1 6 1 图! - ir a p i d d p 制模工艺制作的模具型芯 镍和陶瓷混合物模具制造技术( n c ct o o l i n g ) ,利用塑料r p 模型作为母 型,在母型上用电镀的方法镀上一层镍金属,制造出一个镍金属薄壳,这个薄 壳与母型接触的内表面完全反映了待注射成型零件的表面形状及尺寸特征。由 于薄壳的强度低,因此在薄壳的非成型面以高强度陶瓷粉充填,并要求陶瓷材 料具有很小的收缩系数和合适的热物理性能 美国c e m c o m 公司开发了该技术,并成功开发了所用的陶瓷材料,其导 热性能介于钢和混有铝粉的环氧树脂之间,熟胀性能与镍及周围钢摸架具有很 6 4 山东大学硕士学位论文 好的匹配性,因而降低了各自之间的应力。这种复合材料模具非常适合制造尺 寸较大的零件( 大于2 5 0 x 2 5 0x 2 5 0 r a m ) 如果母型用立体光固化快速成型 ( s l a ) 方法制作,则其尺寸精度将不低于s l a 件的精度该技术制作的模 具用于塑料注射成型时其寿命至少为5 0 0 0 伊埘。 电弧喷涂快速制模技术是在国内应用比较多的金属模具制造工艺,该工艺 能在任意材料( 金属、塑料,木材、石膏等) 母模表面上形成金属壳( 2 3 m m ) , 适应于小批量生产( 注塑件5 0 0 0 件左右) 。其具体步骤是: ( 1 ) 制作模型原型,留出一定收缩率下的脱模角度和间隙; ( 2 ) 打磨和修整模型; ( 3 ) 模型固定于模盒中,选择分型面、流道和浇口位置; ( 4 ) 采用类似制造硅橡胶模具的方法,先将分型面一侧用粘土包覆,在 另一侧的模型上喷涂,喷涂前,模型和分型面涂上脱模剂; ( 5 ) 安装顶出销和嵌件: ( 6 ) 型壳逐层喷涂,厚度为2 衄左右,喷涂每层之间的时间不可太长, 以避免由于氧化而导致型壳分层; ( 7 ) 在模盒中填入背衬材料,背衬材料一般用铝粉或铝颗粒填充的环氧 树脂,在背衬中设计冷却或加热孔道; ( 8 ) 背衬材料固化后,将底面加工平整; ( 9 ) 分型面一侧的模具制作完毕后,将模盒翻转,剥去另一部分模型和 分型面的粘土,露出模型; ( 1 0 ) 按照上述步骤完成分型面另一侧的模具制造,获得完整的模具。 该工艺具有成本低、速度快、精度高的特剧1 1 - 1 8 1 3 本课题研究的意义 目前应用s l s 法能够直接制作粉末金属模具,而且用该系统制造的钢铜 合金注塑模具,可注塑5 万件工件以上,但此法在烧结过程中材料发生较大收 缩,精度难以控制。由于采用的是铺粉方式。所以不管使用哪种形式的粉末, 激光烧结后的金属的密度较低、多孔隙、强度较低。要提高烧结零件强度,必 须进行后处理,如浸渗树脂、低熔点金属,或进行热等静压处理。但这些后处 7 第一章绪论 理会改变金属零件的精度。虽然通过渗透低熔点金属的工艺,可以使机械性能 大大提高,但是需要很长的时间,而且对于复杂形状的塑料成形件也是不合适 的。 硅橡胶软模在快速制造类似塑料产品的树脂件中得到了普遍应用,但是硅 橡胶软模的寿命一般仅有几十件;为提高批量注塑产品的生产需要,产生了电 弧喷涂快速制模技术,电弧喷涂模由于采用的是低熔点合金材料,其较低的强 硬度指标仅能用于中小批量的注塑件的生产,而且注塑工艺参数也受到相当严 格的限制。 而目前机械制造产品的生产模式正在由传统的大、中批量向具有灵活性、 易变性和快速市场反应能力的中、小批量甚至是符合客户个性要求的单件转 变。面对市场,不但要迅速地设计出符合人们消费需求的产品,而且必须很快 地生产制造出来,抢占市场。快速地制造金属钢质模具,使得设计人员想象中 的概念模型快速地转换成为试验产品,而试验产品一旦成功,又可以利用金属 钢质模具的刚度与硬度大批量地投入生产,使产品快速占领市场,为企业赢得 先机。因此,研究基于快速原型的金属钢质硬模的制造工艺,满足中等批量注 塑产品快速投放市场的生产需求,具有非常迫切的现实意义。 基于快速原型金属钢质硬模的快速制造工艺,实际上是快速成型工艺和粉 末冶金工艺相结合的一种快速模具制造技术。由于模具基体是单一或多种金属 元素的混合物,从而可方便提高模具的强度和硬度。大大提高模具寿命,同时 甚至可以通过某种金属元素来改善模具的某些性能。比如采用一种具有良好的 抗磨和低扭曲性的a 6 模具钢和一种硬度和耐磨性极佳的碳化钨组成的双形态 混合物,并渗入铜进行致密,所得金属钢质硬模,其硬度一般可达到3 0 3 4 r c , 热处理后可达到4 6 5 0 r c 。而且由于铜的存在,还可以提高模具的强度和导热 率,有利于保护模具,提高寿命,一般这种模具寿命可达数十万件。而且由于 其制作工艺的便捷性,在小批量产品注型模具制作中具有较好的应用前景 金属粉浆无压浇注成型与烧结是基于快速原型金属钢质硬模的快速制造 工艺中核心的关键技术环节本课题对金属粉浆的无压浇注成型与烧结过程进 行实验研究。分析总结合理的工艺参数,材料配比,烧结规范及相应的质量控 制措施,旨在为基于快速原型金属钢质硬模的快速制造工艺奠定一定的实验基 8 山东大学硕士学位论文 础和技术支持,必将对该工艺的促进和发展具有重要的意义。 1 4 本课题研究的主要内容 本文第二章中系统介绍了基于快速原型金属钢质硬模的快速制造工艺的 基本原理,及目前r p & m 与p t 技术、发展概况,该部分内容为本课题研究 的基础。 本文的第三章,详细介绍了粉浆无压浇注成型工艺的实验研究,包括硅橡 胶软模的制作工艺过程,粘结剂的选择,双形态混合铁粉的使用以及配比的确 定,影响粉浆流动性的因素等 一 本文在第四章介绍了对粉浆无压浇注成型工艺所成型的待烧试样进行烧 结的工艺实验,提出了合理的烧结规范并通过各种不同粘结剂的试样对比, 迸一步确定了合适的粘结剂的选择,以及双形态混合铁粉的使用。并通过o m 光学图象观察烧结后的骨架状试样,发现内部组织结构和孔隙分布是均匀的 本文在第五章中,应用基于快速原型的金属粉浆无压浇注成型与烧结工 艺,进行了菜碟制件的实例制作。一方面应用其中的一些实验结论,另一方面 进一步完善其中的一些工艺规范,并积累更加坚实的实验基础。 基于快速原型金属钢质硬模的快速制造工艺技术是一项兴起不久的高新 制造技术,它必将以其较短的制作周期,低廉的制作成本,较高的模具精度, 较长的使用寿命以及便于实现的工艺路线等优势,赢得广泛的应用前景本文 对该项制造技术的核心关键技术环节基于快速原型的金属粉浆无压浇注成 型与烧结进行了实验研究,旨在为基于快速原型金属钢质硬模的快速制造工艺 奠定必要的理论基础和技术支持本文在最后一章里提出了该工艺技术的发展 方向,以及在本文研究的基础上还要迸一步深化的研究工作。 9 第二章基于快速原型金属钢质硬模的快速制造的技术基础及工艺流程 第二章基于快速原型金属钢质硬模快速 制造工艺的技术基础及工艺流程 2 1 引言 快速原型( 也称快速成形) 制造技术( 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 , r p & m ) 是上世纪九十年代伴随计算机技术、激光成形技术和新材料技术的发 展而产生的,它是一种全新的制造技术,是基于新颖的离散傩积( 亦郎材料 累加) 成形思想,根据零件c a d 模型,快速自动完成复杂的三维实体( 原型) 制造不同种类的快速原型系统因所用成形材料不同,成形原理和系统特点也 各有不同,但是,其基本原理都是一样的,那就是“分层制造,逐层叠加”,类 似于数学上的积分过程形象地讲,快速成形系统就像是一台“立体打印机”。 快速原型技术是
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