毕业设计（论文）-压铸模具（二）快速成型技术研究.doc

毕业设计压铸模具（二）快速成型技术研究机械工程系张兆森102011418学生姓名： 学号： 机械设计制造及其自动化系 部： 梁红玉专 业： 指导教师： 二一四年六月诚信声明本人郑重声明：本设计及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成设计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（二）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：102011418学生：张兆森 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 刘伟军.快速成型技术及应用M.北京:机械工业出版社.2 牛永红,罗海玉.快速成形技术及研究动向J. 天水师范学院学报,2004,24（2）：23-25.3 梁荣茗等.三坐标测量机的设计、使用、维修与检定.北京：中国计量出版社，2001.4 李春祥,彭淑慧,谢鹏寿.快速成型技术原理及应用J.甘肃工业大学学报,2000,26(3):89-90.4进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1分析课题要求，拟定开题报告；2013.122014.3.142熟悉相关设备及操作流程2014.3.152014.4.243整理资料，进行中期检查2014.4.244编写论文2014.4.252014.5.255整理论文，准备答辩2014.5.262014.6.10压铸模具（二）快速成型技术研究摘要：本文阐述了压铸模具与快速成型技术的基本概念，分析了快速成型技术的国内外发展现状和成型方式。详细的介绍了几种常见的快速成型方法的工作原理和特点以及三坐标测量机的工作原理和结构特征。重点讨论了利用快速成型技术制作模具的工艺过程。利用快速成型技术进行压铸模具制造能够改善传统的压铸模具制造周期长，成本高，精度低的问题，带来更大的经济和社会效益。关键词：快速成型，压铸模具，原理，三坐标测量The Research about Rapid Prototyping Technology of Casting MouldAbstract：The thesis introduces the basic concepts of casting mould and rapid prototyping technology, analysis the development status of rapid prototyping technology at home and abroad and the forming method. At the same time, the thesis describes the operating principle and characteristics of several common rapid prototyping methods, the operating principle and structure characteristics of CMM. On the other hand, the technological process of making mould using rapid prototyping technology has mainly discussed.Combined with the mould manufacturing and rapid prototyping technology can improve the long manufacturing cycle, high cost, and low precision problems of the traditional casting mould, thus bring greater economic and social benefits.Key Words：Rapid prototyping，Casting mould，Principle，CMM目 录II引 言11绪论21.1 课题提出的目的及意义21.2 快速成型概述21.2.1 快速成型技术产生的背景和发展史21.2.2 RP技术国内现状31.2.3快速成型技术的基本原理31.3 三坐标测量概述42 压铸模具的设计52.1 压铸模具概述52.1.1 压铸模具现状52.1.2 压铸模具的产业发展62.2 压铸模具的结构72.3 压铸模具的设计过程73 快速成型技术的工艺及技术特点93.1 快速成型的原理及工艺过程93.1.1 技术原理93.1.2 工艺过程93.2 快速成型技术的分类113.3 快速成型技术的特点和优越性123.4 几种常用的快速成型方法143.5 快速成型技术体系184 三坐标测量原理及结构194.1 三坐标测量机工作原理194.2 三坐标测量机的组成194.3 三坐标测量机的结构特点214.4 三坐标操作基本步骤224.5 三坐标测量机的分类及发展234.5.1 分类234.5.2 三坐标测量机的发展趋势245 实验结果分析265.1 课题研究的内容265.2 实验的具体过程265.3 实验中存在的问题及解决办法325.4 熔融沉积快速成型工艺因素分析32结 论36参考文献37致 谢38太原工业学院毕业设计引 言1快速成型技术又称快速原型制造(Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM)技术，是诞生于20世纪80年代后期的一种以材料堆积成型为基础的一种新的制造技术，被认为是制造业近20年来伟大的变革。RP技术可以精确快速的按照零件的二维或者三维模型直接制造出模具原型或者直接制造零件，这种技术为制作零件原型和用来试验的模型等方面提供了一种高效经济的手段，这都要归功于它将CAD，反求工程，数控技术，激光技术等一系列高新技术集与一体。通俗的讲，快速成形技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。在过去的生产铸造件的过程中，通常是依靠机械加工的办法来制造压铸模、芯盒、模板、压蜡型等，最后还需要钳工进行加工修整，既浪费时间又浪费金钱，而且精度也不高。当遇到一些形状复杂的薄壁铸件，例如船用螺旋浆、飞机发动机的叶片，汽车、拖拉机的缸体、缸盖等，模具的制造更是一个困扰工人们很久的问题。虽然一些数控机床、仿型铣床等高级设备已被一些大型企业和铸造厂引进，但是也存在很多弊端：这些设备价格昂贵是最大的问题，还有模具加工的周期长，机床的编程由于没有很好的软件系统支持也很困难。面对当今世界日益严峻的经济市场的竞争，日益加快的产品的更新换代，压铸模具加工的现状渐渐变得很难适应当前的形势。而快速成型制造技术的出现为解决这个问题提供了一条颇具前景的新路。1 绪论1.1 课题提出的目的及意义(1)课题的目的运用快速成型技术，可以大大节约资金，缩短开发时间。将压铸模具制造与快速成型技术相结合，可以显著的改善传统的压铸模具制造的困境，缩短周期，降低费用，提高精度。并且可以利用反求工程制作一些复杂的零件。(2)课题的意义21世纪是以信息社会和知识经济为特征的时代，当今信息社会中瞬息万变的市场对其产品小批量多品种要求的严峻挑战正严重制约着机械制造业。在日趋国际化的制造业中，一个企业能否获得可观的利润并且得以生存，关键是能不能缩短产品开发的周期，提高生产质量，降低成本。利用快速成型技术不需要任何机械加工中的刀具和夹具以及模具，它能根据产品的三维CAD数据快速高效的制造出新产品，模具和模型。因此，快速成型技术的推广特别是在模具制造中的应用可以大大缩短模具开发的周期，降低模具制造成本，提高模具制造质量。在过去的生产铸造件的过程中，通常是依靠机械加工的办法来制造压铸模、芯盒、模板、压蜡型等，最后还需要钳工进行加工修整，既浪费时间又浪费金钱，而且精度也不高。当遇到一些形状复杂的薄壁铸件，例如船用螺旋浆、飞机发动机的叶片，汽车、拖拉机的缸体、缸盖 等，模具的制造更是一个困扰工人们很久的问题。而快速成型制造技术的出现为解决这个问题提供了一条颇具前景的新路1。1.2 快速成型概述1.2.1 快速成型技术产生的背景和发展史(1)随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分激烈，产品的开发速度日益成为主要矛盾。在这种情况下，自主快速产品开发(快速设计和快速工模具)的能力(周期和成本)成为制造业全球竞争的实力基础。(2)制造业为满足日益变化 的用户需求，要求制造技术有较强的灵活性，能够以小批量甚至单件生产而不增加产品的成本。因此，产品的开发速度和制造技术的柔性就十分关键。(3)从技术发展角度看，计算机科学、CAD技术、材料科学、激光技术的发展和普及为新的制造技术的产生奠定了技术物质基础。对于快速成型技术的研究始于1970年代，但是直到1980年代末才逐渐出现了成熟的制造设备。美国3M公司的Alan J.Herbert（1982年）、日本名古屋市工业研究所的小玉秀男（1980年）、美国UVP公司的Charles W. Hull（1984年）、日本大阪工业技术研究所的丸谷洋二（1984年），各自独立地提出了快速成型的技术设想，实现的材料和方式有差 异，但均以多层叠加并固化来产生实体。在1986年，Charles W. Hull在美国获得了光固化立体造型 设备（SLA）的专利，标志着快速成型技术即开始进入实用阶段，在设计领域及汽车工业上有广泛应用。1.2.2 RP技术国内现状2我国快速成型技术的研究开始于20世纪90年代初，最早是由南京航天航空大学、清华大学、华中科技大学、西安交通大学等著名高校和北京隆源公司等开始研究的。他们的研究侧重方面各不相同，但都取得了极为显著的成果。随着制造工业的飞速发展，我国的快速成型技术也渐渐 日趋完善。目前，我国已自主研发出一些已经接近或达到美国 公司 同类产品的快速成型设备，相比较而言材料和设备的价格要更加便宜。近年来，在西安、天津、深圳、重庆、上海等地在国家科技部的支持下已经初步形成了RP设备的和材料的制造 体系，并具备了向公司企业提供快速成型技术的服务，积极有效的推动了快速成型技术在我国的广泛推广和应用，使我国的快速成型技术日益趋于专业化，市场化，为我国国民经济的高速发展作出了巨大的贡献。1.2.3快速成型技术的基本原理快速成型有很多种工艺方法，但基本的工作原理都类似于3D打印，那就是将具有一定厚度的材料一层一层的堆积起来。其使用的材料可以是塑料、陶瓷等。通俗的讲，就好比一张纸是一个二维图，但是几百张纸叠加到一起就变成具有一定厚度的三维体。1.3 三坐标测量概述3三坐标测量机简称CMM，是1958年才开 始出现的一种高效率的新型精密测量设备。二十多年来，发展很快，已被广泛应用于农业机械、仪器制造、电器工业、动力机械、建筑机械，特别是汽车和航空工业，用以测量各种机械零件、模具等的形状尺寸、孔位、孔中心距以及各种形状的轮廓。七十年代以来，随着电子技术和计算技术的发展，加上配备了较大容量的电子 计算机，使三坐标测量机得到了更大的发展，不但能测绘形状复杂的轮廓，而且能直接为数控绘图机和数控机床制备数控纸带，成为一种模型量数字化的转换设 备，越来越被人们所重视。坐标测量机的发展，与其他许多事物一样，也是由简单到复杂，逐步发展起来的，大致可以分为以下几个阶段。(1)原始的测量机(2)初期的测量机(3)带有电传记录系统的测量机(4)带有小型电子计算机进行数据处理的测量机(5)计算机控制的测量机: 点到点控制 连续扫描控制(6)通用测量机检验线(7)数控测量中心2 压铸模具的设计2.1 压铸模具概述压铸模具是铸造液态模锻的一种方法，一种在专用的压铸模锻机上完成的工艺。它的基本工艺过程是：金属液先低速或高速铸造充型进模具的型腔内，模具有活动的型腔面，它随着金属液的冷却过程加压锻造，既消除毛坯的缩孔缩松缺陷，也使毛坯的内部组织达到锻态的破碎晶粒。毛坯的综合机械性能得到显著的提高。2.1.1 压铸模具现状(1)国内压铸模具现状：我国压铸模具行业发展迅速，总产量增长明显，国产压铸模具总产量仅次于美国，已经跃居世界第二位，成为名符其实的压铸大国。能有如此成就主要源于我国凭借着得天独厚的广阔市场以及相对低廉的资源与劳动力优势，已非常明显的性价比在国际压铸件贸易市场中占据着较大优势，很据形势来看，未来我国压铸行业发展前景十分广阔。虽然我国的压铸模具在“十一五”期间有了重大的突破。但是其国际知名度排位仍然靠后，产量也日益攀升但是大多数压铸模具仅供于国内的需求。由于技术的制约使得质量难以突破，同时国内的一些大型需求企业也频频向国外的压铸模具企业伸出橄榄枝，严重的贸易逆差使得国内压铸企业举步维艰。(2)国际压铸模具现状：在国际压铸模具市场竞争日趋激烈的情境下，日本压铸模具业也在努力降低生产成本。在市场规模上，不论产值或国内需求以日本衰退最为明显。日本模具厂商在技术上较重视抛光与研磨加工制程，德国模具厂商则由提高机械加工与放电加工的精度与效率着手，以降低手工加工的时间。日本压铸模具业正逐渐将技术含量不高的模具转向人力成本低的地区生产，只在本国生产技术含量较高的产品，日本这种加快向国外转移的趋势，这使日本本国压铸模具使用量减少。(3)影响我国压铸模具业发展的因素分析：制约我国压铸模具行业发展的主要原因有： 国内压铸模具在原材料的使用上面仍有许多不足之处； 技术的落后，是我国压铸模具产业的发展受到了非常大的阻碍； 我国压铸模具业的配套体系也不完善。图2.1为一套压铸模具。图2.1 压铸模具2.1.2 压铸模具的产业发展新型合金压铸模具产品在我国销售良好，但这种现象并不代表者在全世界销售都很好，国外市场的需求往往与国内有着不同之处。据有关专家表示，制约我国压铸模具外销的主要原因有三：(1)国内压铸模具在原材料的使用上仍有很多不足之处；(2)技术的落后也是我国压铸模具业发展的阻碍之一；(3)我国压铸模具业的配套体系也不完善。这些是制约我国压铸模具业发展的瓶颈所在，我国压铸模具业只有突破了这些瓶颈，在国际市场上的占有率将大有提高。压铸与模具既有区别又有联系，压铸模具行业的诞生就是二者最完美的结合，换句话来说，压铸、模具、压铸模具是三个不同的行业，其关系主要以几个方式存在：压铸、模具一体化，模具全部自己制造，也很少给别的企业做模具；专业压铸模具制造，没有压铸；只有压铸，没有模具制造能力。随着产业分工的加剧，产业界限的逐渐模糊以及产业交叉的发展，三个行业之间应该加强联系，互相学习，将三种行业融为一体，以“一体化”的形式存在，相信后期我国的压铸模具产业将会迎来更多更大的发展机遇和空间。2.2 压铸模具的结构4压铸模具一般情况是由动模和定模这两个半模组成的。当然也有更为复杂的不止两个半模的压铸模具。图2.2为压铸模具的组成：图2.2 压铸模具的组成压铸模具各组成部分的作用：(1)直浇道：这个部分包含分流锥、浇口套等，它横浇道连通或者与压室。(2)浇注系统：包括内浇道、直浇道、横浇道等，这个系统是用来使合金液进入型腔的通道。(3)型腔：代表铸件的几何形状，它是在镶块上被形成的。(4)抽芯系统：包括斜杠、滑块、油缸等，这个机构的运动是指活动型芯的抽出及插入运动。(5)排溢系统：用来存储残渣以及排出气体。(6)温度控制系统：用冷却的水和加热的油来控制压铸模具的温度。(7)顶出机构：里面有 顶杆等机构，用来将压铸件从型腔中顶出来。(8)动模框：包含支撑板、套板，连接动模固件并且使其固定。2.3 压铸模具的设计过程4(1)压铸模具设计时需要注意到的问题： 为了方便日常的维护，并且保证动作稳定，设计时要使结构尽可能的简单和先进。 考虑到调试过程中要进行一些必要的修改，所以浇注系统的可被修改性要被考虑进去。 为了保证模具配合的可靠性以及制造出的压铸件的精度问题，加工过程中选用的公差、加工余量等都要合理。 为了延长模具的使用寿命，模具的材料要合理选用，热处理工艺也要可靠合理。 为了防止压铸件生产过程中产生变形，压铸件应具有一定的强度和刚度来承受压力。 压铸模具的零件要尽可能 的选用标准件，使经济性得到改善。(2)压铸模具的设计过程： 按照产品使用的材料类别、产品的形状和精度等各项指标对该产品进行工艺分析，订出工艺。 确定产品在模具型腔中摆放的位置，进行分型面、排溢系统和浇注系统的分析和设计。 对各个活动的型芯拼装方式和固定方式进行设计。 抽芯距和力的设计。 顶出机构的设计。 确定压铸机，对模架和冷却系统设计。 核对模具和压铸机的相关尺寸，绘制模具及各个部件的工艺图。 设计完成。3 快速成型技术的工艺及技术特点3.1 快速成型的原理及工艺过程3.1.1 技术原理快速成形技术是在计算机控制下，基于离散、堆积的原理采用不同方法堆积材料，最终完成零件的成形与制造的技术。(1)从成形角度看，零件可视为“点”或“面”的叠加。从CAD电子模型中离散得到“点”或“面”的几何信息，再与成形工艺参数信息结合，控制材料有规律、精确地由点到面，由面到体地堆积零件。(2)从制造角度看，它根据CAD造型生成零件三维几何信息，控制多维系统，通过激光束或其他方法将材料逐层堆积而形成原型或零件。3.1.2 工艺过程快速成型的制造方式是基于离散堆积原理的累加式成型，从成型原理上提出了一种全新的思维模式，即将计算机上设计的零件三维模型，表面三角化处理，存储成STL文件格式，对其进行分层处理，得到各层截面的二维轮廓信息，按照这些轮廓信息自动生成加工路径，在控制系统的控制下，选择性的固化或烧结或切割一层层的成型材料，形成各个截面轮廓薄片，并逐步顺序叠加成三维实体，然后进行实体的后处理，形成原型 5。(1)构建实体模型：快速成型技术得以顺利进行必须有给定模型的CAD数据，这些数据可以通过绘图软件如AutoCAD、Pro/E、SolidWorks等得到，还可以通过其它方式如三坐标测量、投影光栅发、激光扫描测量法等得到所需的点云数据。(2)对实体模型离散处理：加工前要对实体模型进行一些处理，以防止模型一些不规则表面的影响，例如某些无法实现的曲线，在实际烧制时需要以极其细小的直线段来代替。目前快速成型技术中比较普遍被采用的是STL格式文件，所有的RP系统都能接受STL文件进行加工制造，而几乎所有的CAD系统也都能把CAD模型从自己专有的文件格式导出为STL文件。它用许多微小的三角形平面来代替复杂的模型，用一个法向矢量 3 个顶 点 坐标来进行描述，模拟精度的高低由三角形的数量来决定。STL格式文件有两种输出形式，一种是二进制码，一种是ASCII码，ASCII码输出形式所占用的空间比二进制码要大，但ASCII码可以被检查和阅读。(3)实体造型的分层处理：实际加工方向一般沿Z向进行加工，然后用一系列固定间隔的平面将模型离散化。间隔亚毫米级到毫米级不等，一般常用0.1mm，成型精度随间隔的缩小而提高，但同时加工时间也会延长。(4)成型加工：在计算机控制下，相应的成型头进行扫描，将分层好的材料在工作台上层层堆积，然后将各层粘结，最终得到原型产品。(5)成型零件的后处理：一般需要去除对于一些上大下小的实体模型而做的支撑材料。还需要进行一些必须的后处理，例如包括工件的剥离、后固化、修补、打磨、抛光和表面强化处理等。图3.1和3.2为快速成型技术的一般工艺过程图3.1 快速成型离散和叠加过程图3.2 快速成型工艺过程3.2 快速成型技术的分类5快速成型技术是20世纪80年代中期发展起来的一项高新技术，从1988年世界上第一台快速成型机问世以来，快速成型技术的工艺方法目前已有十余种。根据所使用的材料和建造技术的不同，目前应用比较广泛的方法有：采用光敏树脂材料通过激光照射逐层固化的光固化成型法（Stereolithography Apparatus,SLA）、采用纸材等薄层材料通过逐层粘接和激光切割的叠层实体制造法(Laminated Object Manufacturing,LOM)、采用粉状材料通过激光选择性烧结逐层固化的选择性激光烧结法(Selective Laser Sintering,SLS)和熔融材料加热熔化挤压喷射冷却成型的熔融沉积制造法(Fused Deposition Manufacturing,FDM)等。各种快速成型制造工艺的基本原理都是基于离散的增长成型原型或制品。快速成型技术从广义上讲可以分为两类：材料累积和材料去除，但是目前人们谈及的快速成型制造方法通常指的是累积式的成型方法（材料累积），而累积式的快速成型制造方法通常是依据原型使用的材料及其构建技术进行分类的，如图3.3所示。图3.3 快速成型工艺方法的分类3.3 快速成型技术的特点和优越性5(1)快速成型技术的特点快速成型技术的出现，开辟了不用刀具、模具而制作原型和各类零部件的新途径，也改变了传统的机械加工去除式的加工方式，而采用逐层累积式的加工方式，带来了制造方式的变革。从理论上讲，添加成型方式可以制造任意复杂形状的零部件，材料利用率可达100%。和其他先进制造技术相比，快速成型技术具有如下特点： 自由成型制造自由成型制造也是快速成型技术的另一个用语。作为快速成型技术特点之一的自由成型制造的含义有两个方面：一是指无需使用工具、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具、模具费用；二是指不受形状复杂程度的限制，能够制作任意复杂形状与结构、不同材料复合的原型或零件。 制造过程快速从CAD数模或实体反求获得的数据到制成原型，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得多。该项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，而通过传统的钢制模具制作产品，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。 添加式和驱动成型方式无论哪种快速成型制造工艺，其材料都是通过逐点、逐层的方式累积成型的。无论哪种 制造工艺，也都是通过CAD数字模型直接或间接的驱动快速成型设备系统进行原型制造的。这种通过材料添加来制造原型的加工方式，是快速成型技术区别于传统的机械加工方式的显著特征。这种由CAD数字模型直接或间接地驱动快速成型设备系统的原型制作过程，也决定了快速成型的制造快速和自由成型的特征。 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、精密伺服驱动技术、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。 突出的经济效益快速成型技术制造原型或零件，无需工具、模具，也与原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，快速成型的设计可视化、外观评估、装配及功能检验以及快速模具母模的功用，显著缩短了产品的开发与试制周期，带来了明显的时间效益。也正是因为快速成型技术具有突出的经济效益，才使得该项技术一出现，便得到了制造业的高度重视和迅速而广泛的应用。 广泛的应用领域除了制造原型外，该项技术也特别适合于新产品的开发、单件及小批量零件制造、不规则或复杂形状零件制造、模具设计与制造、产品设计的外观评估和装配检验、快速反求与复制，以及难加工材料的制造等。这项技术不仅在制造业具有广泛的应用，而且在材料科学与工程、医学、文化艺术及建筑工程等领域也有广阔的应用前景。(2)快速成型技术的优越性在产品设计和制造领域应用快速成型技术，能显著地缩短产品投放市场的周期，降低成本，提高质量，增强企业道德竞争能力。具体而言以下几方面受益。 设计者受益采用快速成型技术后，设计者在设计的最初阶段，就能拿到实在的产品样品，在单个零件和装配部件的级别上，对产品设计进行校验和优化，并可在不同阶段快速修改、重改。这将给设计者创造一个优良设计环境，无需多次反复思考、修改，即可尽快得到优化结果，从而显著缩短设计周期和降低成本。 制造者受益制造者在产品设计的最初阶段也能拿到实在的产品样品，甚至试制用的工具、模具及少量产品，这使得他们能及早对产品设计提出意见，做好原材料、标准件、加工工艺、模具等的准备工作，最大限度地减少失误和返工，大大节省工时、降低成本。3.4 几种常用的快速成型方法6(1)光固化成型利用光能的化学和热作用可使液态树脂材料产生变化的原理，对液态树脂进行有选择的固化，就可以在不接触液态树脂材料的情况下制造所需的三维实体原型，利用这种光固化的技术进行逐层成形的方法，称之为光固化成形法。国际上通称Stereolithography,简称SL,也有用SLA表示的。其成型过程如图3.4所示。图3.4 光固化快速成型过程光固化树脂是一种透明、黏性的光敏液体。当光照射到该液体上时，被照射的部分由于发生聚合反应而固化。通常有两种工作方式。一种是将紫外光通过一个遮光掩模照射到树脂表面，使该树脂接受面曝光，而另一种是用扫 描头将激光束扫描到树脂表面使之曝光。液态树脂被照射部分发生固化，成形为所需形状的一层，然后用同样的方式在该层面上进行新一层截面轮廓的照射、固化，依此类推，从而将一层层的截面轮廓逐步叠加在一起，最终形成三维原型。(2)分层实体制造分层实体快速成型制造技术由计算机、原材料存储及送进机构、热粘压机构、激光切割系统、可升降工作台、数控系统和机架等组成。其中，计算机用于接收和存储工件的三维模型，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（如底面有热熔胶和添加剂的纸）逐步 送至工作台的上方。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，逐一在工作台上方的材料上切割出轮廓线，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。网格的大小根据被成型件的形状复杂程度选定，网格越小，越容易剔除废料，但切割网格花费的时间较长，否则反之。可升降工作台支撑成型的工件，并在每层成型之后，降低一个材料厚度（通常为0.10.2mm），以便送进、粘合和切割新的一层材料。数控系统执行计算机发出的指令，控制材料的送进，然后粘合、切割，最终形成三维工件原型。图3.5为叠层实体制造的原理简图。1激光器 2压辊 3纸材 4材料送进辊筒 5升降台 6叠层 7当前叠层轮廓线图3.5 分层实体制造技术的原理简图(3)选择性激光烧结选择性激光烧结（Selective Laser Sintering,简称SLS），其成型机理不同于其他几种快速成型方法，从理论上来说，任何受热后能够黏结的粉末都可以用做SLS烧结的原材料，虽然目前研制成功的可实用的SLS原材料只有十几种，但其范围已覆盖高分子、陶瓷、金属粉末和它们的复合粉。因此，应用SLS还可以快速制造出陶瓷和金属制件，这是这种方法区别于其他几种成形技术的显著之处。另外，SLS因为可以重复利用未烧结的粉末，因此其无材料浪费现象。SLS的应用范围很广泛。图3.6为SLS的基本组成。图3.6 选择性激光烧结系统的的基本组成激光器、激光光路系统、扫描镜、工作台、供粉筒、扑粉辊、工作缸组成选择性激光烧结的系统。其加工过程是在已经成型的零件的表面上平铺上一层粉末。并逐渐加热，直到温度恰好低于该粉末的烧结点。激光束在控制系统的控制下在粉层上按照这一层的截面轮廓进行扫描，在激光束的作用下粉末的温度逐渐升至熔化点，这样这层粉末就与下面已经成型的部分粘结在了一起。工作台的高度随着上一层的截面烧结完成而下降一个层的厚度，然后铺料辊在上面继续铺上一层粉末，继续进行新一层的烧结，就这样一层一层知道完成整个模型。在成型过程中，模型的空腔和悬臂部分的支撑靠的是未经烧结的粉末，不必像光固化成型那样还需要另外的支撑工艺结构。CO2激光器是选择性激光烧结所使用的激光器，尼龙、纤维尼龙、金属、聚碳酸酯等都是SLS可以选用的原料，还有一些发展中的物料。实体烧结完成后，粉末块回到初始位置然后将其取出，在工作台上用刷子将加工件表面的粉末刷掉，再利用压缩空气去掉其余残留的粉末。图3.6为SLS的基本组成。(4)熔融沉积快速成型熔融沉积是通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出经过加热而熔化的丝状热熔性材料。工作台上下运功，喷头沿X轴方向运动。加工过程中，热熔性材料的温度比固化温度稍高，成型部分的温度比固化温度稍低，这样热熔性材料被喷出喷嘴后，就会与前面的一层熔结在一起。工作台在一个层面沉积完成后随即按照预定的增量下降一个层的高度，就这样一层一层的熔喷沉积，直到完成整个实体模型。熔融沉积的过程为：在供料辊上缠绕上实心丝原材料，然后由电动机驱动辊子旋转，实心丝材靠辊子与材料之间的摩擦力逐渐向着喷头的出口送去。为了保证丝材能够顺利的准确的被送到喷头的内腔，在供料辊与喷头之间有一个有低摩擦材料制成的导向套。在喷头前端的一个电阻丝式的加热器的作用下，实心丝材被加热至熔融，再经过喷口熔覆在工作台上实物的轮廓就在丝材冷却后形成了。丝材的材料受到结构的限制，加热器的功率不会太大，因而其材料一般为熔点不太高的热塑性塑料或者是蜡。丝材熔融沉积的最大厚度为0.150.25mm，这个厚度随着喷头的运动速度而变化。图3.7为FDM的工作原理简图图3.7 FDM成型机的工作原理简图熔融沉积快速成型有一个缺点，那就是在烧制工件的时候需要先制作支撑结构，现在新型的FDM设备一般采用双喷头，这样材料成本被节省了，而且提高了沉积效率。采用双喷头时一个喷头用于制作支撑，另一个喷头用于沉积模型材料。沉积模型比沉积支撑效率要低，而且模型材料丝比沉积材料丝精细而且成本较沉积材料丝高。双喷头有很多优点，最突出的一点就是沉积过程中可以提高沉积效率和降低制作成本。为了便于在最后去除支撑材料，具有特殊性能的支撑材料例如水溶材料、低于模型材料熔点的热熔材料等都可以被双喷头灵活的选择。3.5 快速成型技术体系如图3.8所示图3.8 快速成型技术体系大致包含CAD制造、反求工程、数据转换、制造原型等环节。4 三坐标测量原理及结构4.1 三坐标测量机工作原理任意一个零件体都可以看作是由一系列三维空间点所组成，因此对任何几何体的测量都可以看作是进行三维空间点的测量，因此评定每一个几何形状的关键之处就是精确的采集到空间点坐标。三坐标测量机的基本原理是将被测物体放置于三坐标测量空间，然后测出被测零件表面上各点在空间中的位置，得到这些点在空间三个坐标位置的距离，再将这些坐标数值用计算机进行处理，拟合形成球、圆锥、圆柱、圆、曲面等元素，通过计算得出其形状及其他几何数据。三坐标测量机可看做一种可在三个相互垂直的导轨上移动的探测器，这个探测器以非接触或接触的方式传递讯号，三个方向的位置测量系统经计算机计算出工件的（XYZ）坐标。三坐标测量机的测量功能有轮廓精度测量、定位精度测量、尺寸精度测量等。4.2 三坐标测量机的组成7作为一种测量仪器，三坐标测量机主要是比较被测量与标准量，并将比较结果用数值表示出来。三坐标测量机需要三个方向的标准器（标尺），利用导轨实现沿相应方向的运动，还需要三维测头对测量进行探测和瞄准。此外，三坐标测量机还具有数据自动处理和自动检测等功能，需要由相应的电气控制系统与计算机软硬件实现。三坐标测量机可分为主机、测头、电气系统三大部分，如图4.1所示： 图4.1 三坐标测量机的组成(1)主机三坐标测量机的主机结构有以下几部分，见图4.2图4.2 主机结构框架结构：指测量机的主题机械结构架子。它是工作台、立柱、桥框、壳体等的集合体。标尺系统：重要组成部分，包括线纹尺、精密丝杆、感应同步器、光栅尺、磁尺及光波波长及数显电气装置等。导轨：实现三维运动，多采用滑动导轨、滚动轴承导轨和气浮导轨，以气浮导轨为主要形式。气浮导轨由导轨体和气垫组成，包括气源、稳压器、过滤器、气管、分流器等气动装置。驱动装置：实现机动和程序控制伺服运动功能。由丝杆丝母、滚动轮、钢丝、齿形带、齿轮齿条、光轴滚动轮、伺服马达等组成。平衡部件：主要用于Z轴框架中，用以平衡Z轴的重量，使Z轴上下运动时无偏重干扰，Z向测力稳定。转台与附件：使测量机增加一个转动运动的自由度，包括分度台、单轴回转台、万能转台和数控转台等。(2)三维测头三维测头即是三维测量传感器，它可在三个方向上感受瞄准信号和微小位移，以实现瞄准和测微两项功能。主要有硬测头、电气测头、光学测头等。测头有接触和非接触式之分。按输出分，有用于发信号的触发式测头和用于扫描的瞄准式测头、测微式测头等。(3)电气系统 电气控制系统：是三坐标测量机的电气控制部分，具有单轴与多轴联动控制、外围设备控制、通信控制和保护与逻辑控制等。 计算机硬件部分：包括各式PC机和工作站。 测量机软件：包括控制软件和数据处理软件。可进行坐标变换与测头校正，生成探测模式与测量路径，还用于基本几何元素及其相互关系的测量、形状与位置误差测量、齿轮、螺纹与凸轮的测量、曲线与曲面的测量等，具有统计分析、误差补偿和网络通信等功能。 打印与绘图装置：根据测量要求打印输出数据、表格、绘制图形等。4.3 三坐标测量机的结构特点(1)三坐标测量机为单边活动桥式结构，这种结构能确保测量精度并且提高稳定性，还能显著的提高运动性能。(2)三个方向的导轨均采用天然花岗岩石，具有高精密性，都具有一样的温度特性和刚性。(3)三轴导轨全部采用预载荷自洁式高精度空气轴承，能确保运动更平稳，并保护导轨不受磨损。(4)RENISHAW自粘开放式金属光栅尺，更接近花岗岩石的热膨胀系数，设备的稳定性显著提高。(5)一般采用公司自主研发的软件，能够使测量数据更加精确。图4.3所示为一台三坐标测量机图4.3 三坐标测量机4.4 三坐标操作基本步骤(1)校验测头 利用三坐标测量机对工件进行测量的第一步就是对测头进行校验，也是很重要的一步。对测头进行校验，就是要依据工件的尺寸和形状来选择配套的测针、测头，选好测头后，还需要对测头进行校准，以达到所要求的测量精度。 (2)建立坐标系 第二步是建立工件的坐标系，如果有工件的实体模型的话，模型坐标系也是要建立的，然后拟合工件的坐标系和模型的坐标系。建立坐标系要确定三个方面： 确定一个基准平面， 确定一个平面轴线，即X或者Y轴， 确定一个点，这个点即是坐标原点。 (3)测量工件 建立好坐标系接着就可以开始正常的工件的测量，工件测量一般分为三个步骤：首先,分析工件，对工具的基本元素如点、线、面、圆、圆柱、圆锥等进行测量。然后，根据工件的形状，进行形状的公差分析，方法是用基元素进行分析。最后一步根据前提条件输出检测报告。4.5 三坐标测量机的分类及发展74.5.1 分类 (1)按自动化程度分 数字显示及打印型：主要用于几何尺寸测量，能以数字形式显示或记录测量结果以及打印结果，一般采用手动测量。 带小型计算机的测量机：由计算机可进行诸如工件安装倾斜的自动校正计算、坐标变换、孔心距计算、偏差值计算等，并可预先储备一定量的数据，通过计量软件存储所需测量件的数学模型和对曲线表面轮廓进行扫描计算。 计算机数字控制（CNC）型：带小型计算机的测量机的测量过程任然是手动或机动的，计算机数字控制型（CNC）可按照编制好的程序自动进行测量。按功能可分为： 编制好的程序对已加工好的零件进行自动检测，并可自动打印出实际值和理论值之间的误差以及超差值。 可按实际测量结果编程。与数控加工中心配套使用，将测量结果经计算机后置处理，生成针对各种机床的加工控制代码。 (2)按结构形式与运动关系分类 按结构形式分为移动桥式、龙门式、悬臂式、水平臂式、坐标镗床、卧镗式和仪器台式等。 (3)按测量范围分类 小型坐标测量机：主要用于测量小型精密的模具、工具、刀具与集成线路板等，测量精度高，测量范围，一般是X轴方向小于500mm。 中型坐标测量机：测量范围在X轴方向为500-2000mm.精密等级为中级，也有精密型的。 大型坐标测量机：测量范围在X轴方向大于2000mm.精密等级为中等或低等。 (4)按精度分类三坐标测量机按精度可分为低精度、中精度和高精度的测量机，低、中、高精度三坐标测量机大体上可以这样划分：低精度测量机的单轴最大测量不确定度大体在1X10-4 L左右，而空间最大测量不确定度为（2-3）x10-4lL，其中L为最大量程；中等精度的其单轴与空间最大测量不确定度分别约为1x10-5 L和（2-3）X10-5 L；精密级的则分别小于1X10-6 L和（2-3）X10-6 L。4.5.2 三坐标测量机的发展趋势三坐标测量机自开发以来，至今已有30年。在此期间，它与计算机技术的发展相结合取得了惊人的进展，从而在精测仪器中占有相当大的比重。从目前国内外三坐标测量机发展状况和科技、生产对三坐标测量机提出的要求看，在今后一段时间内，它的主要趋势体现在一下几个方面。(1)高精度化三坐标测量机自开发以来，一直要求具有高精度，当前随着加工精度的显著提高，这种要求更趋强烈。要提高精度有许多问题需要解决，其中最重要的是机械主体的基本结构问题。当前三坐标测量机仍是由三相正交的三轴组成笛卡尔坐标系的模式。与多轴自动化机床相似，正确的选择测量机工体的型式是十分重要的。一般来说，在测量小型工件时，使用高柔性卧式主轴最有利。为实现更高精度的测量精度，在中等规格尺寸测量机领域中，国外最新的三坐标测量机均采用了单一的桥式结构。(2)非接触测量探测技术在三坐标测量机中占有重要位置。从原理上说只要测头能探及，三坐标测量机就能测量。三坐标测量机的测量效率也首先取决于探测速度。为了完善测量机功能，还必须发展各种附件。三坐标测量机除了机械本体外，测头是测量机达到高精度的关键，也是坐标测量机的核心，与其他各项技术指标相比，提高测头的性能指标难度最大。如由OPTON和LETTZ公司开发的实用高精度测头三维电感测头取得专利已有近20年历史，但至今改进不大。由于非接触测头具有许多优点，探测技术发展的第一个重要趋势是，非接触测头将得到广泛的应用。十分重要的是，在微电子工业中有许多二维图案，如大规模集成电路掩模，它们是用接触测头无法测量的。近年来国外三坐标测量机发展十分迅速，光学三坐标测量机的核心就是非接触测量。(3)使用现场化迄今为止，三坐标测量机只是在某种特定的环境条件（温度、粉尘、振动等）下使用，但是随着其有效性广泛为人们所认识，将会越来越要求在加工现场使用，或作为在线测量设备使用。这里还存在不少需待解决的问题，例如直接与精度有关的温度和振动等问题，对粉尘或切削油的处置方法、自动生产线节拍的高速化等。目前各生产厂家正在投入力量进行研制，已有带防尘结构的产品进入市场。(4)成为制造系统的组成部分从发展趋势来看，三坐标测量机正逐渐成为机械制造业的主导检测设备，将越来越多地用于生产线，成为制造系统的一个组成部分。没有其他任何测量仪器，具有三坐标测量机这样的柔性、万能性，能在计算机控制下完成各种复杂测量，能与加工机床交换信息，完成保证质量、控制加工的任务；或根据测试结果，构成CAD、CAM软件，实现逆向工程。5 实验结果分析5.1 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