（机械电子工程专业论文）基于快速原型技术的玻璃模具加工工艺的研究.pdf

摘要 本课题将快速原型制造技术中的s l a 法和熔模铸造、有限元分析、电火花加工等技 术结合起来，应用到玻璃模具的快速制造中，开发了一种实现玻璃模具快速原型的新工 艺。 在对具有自由曲面的玻璃器皿的模具制造过程中，首先，由三座标测量机来对实物 模型进行采样，精度可达到3 a m ，将采集的有序数据点利用p r o e 三维软件进行造型， 再通过快速原型技术制造获得高精度的树脂样件，所得样件的加工尺寸精度高，表面质 量好，制作周期短，成本低；其次，开发了基于s l 原型的快速精铸紫铜电极的制各工 艺，并运用有限元模拟技术，对型壳的焙烧过程进行模拟，预测热裂纹出现的位置，采 取有效的改进工艺、优化型壳焙烧工艺方案，为型壳的制各提供了依据；在制作模具的 毛坯时采用了过渡石膏模制作砂型的型芯，中空本模制作毛坯外形，大大简化了模具木 模的制作，节约了毛坯的制作时间；最后利用电火花加工技术，可以使模具型腔获得了 很高的光洁度和尺寸精度。本文结合实例对以上工艺进行了验证，结果表明，所制得的 工艺完全可以制作出合格的铸件。因此，基于快速原型技术的玻璃模具制造工艺可以省 去复杂的工装，大大提高制造速度，并降低成本，能有效的提高模具的表面质量和使用 性能，这尤其是在新产品试制，少量多品种，具有自由曲面的中小型模具方面有很好的 应用前景。 关键词：s l a 快速原型法；玻璃模具；熔模铸造；有限元分析i 电火花加工 山东理工大学硕士学位论文 a b s t r a c i a b s t r a c t t h i ss t u d yi sp u r p o s e dt od e v e l o pan e w # a s sm o u l dr a p i df o u n d r yb yc o m b i n i n gt h e s l ar a p i dp r o t o t y p i n ga n df u s ef o u n d r y , f i n i t ea n a l y s i s ，e l e c t r i cs p a r km a c h i n i n g t e c h n o l o g ye t c i nt h ec o u l s eo ff r e ef o r m sg l a s sm o u l d ，a tf i r s t ，t h ed a t ac a nb eg o tf r o mt h es a m p l et o t h eo b j e c tm o d e lo nt h ec o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e , t h ea c c u r a c yc a na t t a i nt h e3 m s t h ec o l l e c t e do r d i n a ld a t ai su s e dt os c u l p ts h a p eb yt h r e e d i m e n s i o n a ls o f t w a r ep r o e a n dt h e nt h eb i g hp r e c i s i o nr e s i n i cp r o t o t y p ec 蛆b eg o tb yr a p i dp r o t o t y p e t h er e s i n i c p r o t o t y p ea c q u i r e st h eh i g ha c c u r a c yd i m e n s i o n ，s m o o t h - f a c e d ，s h o r tt i m ea n dl o wc o s t s e c o n dw ee m p o l d e ru s i n gs l p r o t o t y p e s t oi n a k ee l e c t r i cs p a r km a c h i n i n g se l e c t r o d e , t h e f i n i t ee l e m e n tm e t h o di sa p p l i e dt ot h ep r o c e s s i tc a ne f f e c t i v e l yp r e v e n tt h es h e l lc r a c k ， a n do f f e rt h eg i s tf o rt h ep r e p a r a t i o no fs h e l l t h ed d r d t h ec o r eo f m o l dr o u g h c a s ti sm a d e u s i n gg e s s oa n dc o l o p h o n ya n du s i n gr o u g h c a s t sw o o d e nm o d e lw i t ham i d d l eh o l et o m a k em o l d s s oi tg r e a t l ys i m p l et h et e c h n i c so fw o o d e nm o l da n ds h o r tt h et i m e f i n a l l y ， t h ea p p l i c a t i o no fe l e c t r i cs p a r km a c h i n i n gc a ng e tp r e c i s i o ns m o o t hm o u l dl u m e n t l l i s p r o c e s sh a sw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t sf o rn g , vp r o d u c y s t r i a lp r o d u c t i o nf e a t u r i n gm u c h v a r i e t ya n ds m a l lq u a n t i t ya n de s p e c i a l l yf o r t h em i d d l ea n ds m a l l - s i z e dw i t hf r e ef o r m s k e y w o r d s ：s l ar 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 ，i n v e s t m e n tc a s t i n g ，g l a s sm o l d ，f i n i t e a n a l y s i s ，e l e c t r i cs p a r kr o a c h i n g 独创性声明； y 8 6 0 1 9 0 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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，也不包含为获得山东理工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了谢意。 研究生签名：孙驾 时间：瓣彳月z 同 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在 不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，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应遵守此协议) 研究生签名 导师签名 稚乌 埘驾 时间：m ( 年月善r 时间：衲f 年f 月占只 1 1 课题的来源及意义 第一章绪论 在人们的日常生活中，玻璃器皿越来越受到人们的喜爱，从最常见的玻璃瓶、玻 璃杯、化妆瓶、医药保健瓶到造型各异的玻璃活具、盘碗、花鸟瓶和人物瓶等工艺品， 都带给人们精神和物质两方面的享受。然而玻璃器皿的质量、成型的生产率与玻璃模 具的设计有着极为密切的关系，由于玻璃模具在玻璃容器生产中占有极其重要的地 位，以至于国外玻璃容器制造商把玻璃模具放在这样一个高度上来认识模具是工 业生产的基础工艺装备。因此。要生产出高质量的玻璃器皿，必须提高玻璃模具的 设计水平。 我国瓶罐行业发展较落后，模具的设计仍主要依靠经验，手工进行。特别是在设 计形状复杂的玻璃瓶模具时，往往需要经过反复试验、多次修改才能完成，而且模具 设计人员必须对玻璃在成型过程中的变化有较透彻的了解，因而延长了设计周期，加 重了设计人员的工作量嘲。八十年代，制造模具的手段主要是依赖普通的机械加工设 备，对于形状复杂的模具则是依靠钳工的技能来完成：到了九十年代，c a d c a m 技 术、数控加工技术及e d m = ! ) d - r 技术逐步被广泛应用，制造出一般的模具已经不是问 题；进入世纪，网络技术、计算机应用等i t 技术飞速发展，谁能掌握主动，抢占先 机，把i t 技术尽快应用到模具企业，谁就能在开拓市场、提高企业核心竞争能力方 面占有优势”。 从二十世纪九十年代开始，市场环境发生了巨大的变化，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玻璃器肛，而且还 必须很快地生产制造出来，抢占市场。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慢与被动。 传统的制造技术是从毛坯上去除多余的材料，形成所需的零件，故称之为“去除” 加工法，而快速原型法的加工思想则与之完全相反，它是根据零件的三维模型数据， 采用材料逐层或逐点堆积的方法，迅速而精确地制造出该零件，所以也叫“增加”加 工法”，快速原型技术是集c a d 技术、数控技术、激光加工以及材料工程科学等多 学科和多种新技术为一体的新型的先进制造技术。在快速原型的基础上采用快速间接 制模技术，与传统制造技术相比，没有采用传统的加工机床和工具，两只需传统加工 方法3 0 5 0 的工时和2 0 3 5 的成本，极大提高了零件的加工效率和降低了模 具制造成本”1 。 山东理 - 人学颂 。学位论立第章绪 论 皇g 目囊皇目皇霉置墨曼置曼崮_ 曼鼻曼曼邕审墨蜀墨皇量量皇啊罩曼量暑_ h it _ 鼍墨置罡詈詈鼍碲曼皇置毫詈曼皇曼詈毋曹曼量墨吕曼曩蕾 曰莳我国的玻璃器皿生产厂家很多，玻璃模具的需求量也很大，仅对淄博市的 些玻璃器皿的生产厂家的调研可知，目前淄博市每年的玻璃模具的用量有几百吨，价 值达三百余万元，全国的玻璃模具的用量可达数亿元，而且由于玻璃器皿造型日趋个 性化的需要，会带来更大的模具市场，而我国模具企业区域分布和发展很不均衡，主 要集中在广东和浙江两省，其产量约占全国总量的6 0 以上，整个北方地区的产量仅 占2 0 左右”1 。但北方的模具销售市场却很大，大量北方企业要千里迢迢到南方制做 模具，使得模具生产周期和售后服务都受局限，一定程度上违反了模具的生产规律。 因此该项目将有助于加强玻璃模具产业化的生产能力，在一定程度上改变山东在玻璃 模具生产能力不足的现状。 1 2 目前玻璃模具制造技术的局限性 传统的制模技术大都是依据样模( 母模) 采用拷贝的方式( 如铸造、喷涂、电 铸、复合材料浇注等) 或者是通过机加工的方法来制造模具的主要工作零件( 凸、凹 模或模腔、模芯) 。因此，样模( 母模) 就成为模具制造的关键，样模的精度直接决 定了模具精度。传统的样模制做方法大都是采用原件改制或人工敲制、手工刻制，工 艺落后，精度很低，制造周期长，直接影响了模具的制造精度和生产效率。因此，人 们常认为模具制作精度低、生产周期长，只能应用于精度要求较低和批量少的生产场 合。因此，如何缩短模具生产周期和提高模具精度己成为制模技术继续深入发展的关 键，这也是本课题的主要目的。 数控机床，由于其精确的定位精度和轮廓形状控制精度，被广泛应用于玻璃模具 加工”1 。但模具行业属微利行业，机床成本太高，势必提高模具造价，降低竞争力。 五轴机床的价格大约比三轴枫床高出5 0 以上，而且c a m 编辑软件价格轴比三轴的机 床高出更多，使用费用也增加许多”1 。 目前的数控系统，曲面的编程能力还较弱，必须借助c a m 辅助编程系统。c a m 的 输入指令，早期为a p t 语言，现在多为图形交互方式输入，不管使用何种编程指令输 入方式，其曲面处理能力是关键。 曲面编程的要做到“：第一、曲面相交后，必须能对曲面单独编程加工。本来两 个曲面都是解析曲面，若按整体曲面考虑，则只能按自由曲面处理。例如在电视机玻 壳模具加工中就遇到过。电视机屏模具，是由直纹面和球面( 若电视机不是纯平电视) 组成，若按整体处理，其走刀只能是网格走刀加工。因各部曲率相差太大，加工质量 较差，后序抛光非常费劲。另外，还应能编程局部型面加工，以解决局部小曲率或曲 面相交处小圆弧过渡半径的加工效率；第二、要具有毛坯切除功能的编程能力。由于 模具单件居多，毛坯不可能都进行铸造，有的直接用整料加工，其材料切除量较大。 第三、c a m 软件必须能编程粗加工程序对离散点的拟合能力要强。一般c a m 软件的 2 山东删t 人学颁 岸位论文 第一苹鞲论 数学处理公式不对用户透明，当工件形状的曲率相差较大时，对均匀b 样条，小曲 率处将会产生振荡。 切削加工，只是玻璃模具加工的一个环节，一般来说，一个玻璃模具并不是完全 由切削加工完成的。由于刀具切削条件的限制，对小圆角，小尺寸深腔，尖角过渡形 状，则必须由电火花加工来完成”。玻璃模具加工的单件与曲面复杂多样性，高速切 削的条件试验很费时间，并且机床造价也高，数控系统、刀具等费用都要高很多，要 计算总体成本。高效率功能的机床，并不一定产生加工的高效率“”。因此，面对日益 要求个性化的玻璃模具市场，数控加工表现出很大的局限性，迫切需要一种新的技术 来加以支持。 快速原型制造技术( r p ) 是集精密机械制造、计算机、n c 技术、激光成形技术和 材料科学最新发展的高科技技术，嫉与六十年代出现的n c 制造技术相媲美，被公认 为是继n c 技术之后的又一次技术革命“”。r p 技术的出现，为快速制模技术的发展 创造了条件，r p 技术的引入可以说是传统快速制模技术与现代先进制造技术结合的 最佳典范。 i 3 快速原型技术 1 3 1 快速原型技术的原理 快速原型技术是用离散分层的原理制作产品原型的总称，其原理为“”：产品三维 c a d 模型一分层离散一按离散后的平面几何信息逐层加工堆积原材料一生成实体模 型。该技术集计算机技术、激光加工技术、新型材料技术于一体，依靠c a d 软件，在 计算机中建立三维实体模型，并将其切分成系列平面几何信息，以此控制激光束的 扫描方向和速度，采用粘结、熔结、聚合或化学反应等手段逐层有选择地加工原材料， 从而快速堆积制作出产品实体模型。 i 3 2 快速原型技术的加工特点 快速原型技术突破了“毛坯一切削加工一成品”的传统的零件加工模式，开创了 不用刀具制作零件的先河，是种前所未有的薄层迭加的加工方法。快速原型的“快” 并不是由于成型过程中机器运转速度快引起的，诚然，快速运行很重要，但根本原因 在于，机器运行由零件c a d 模型直接驱动和高度柔性所导致的从设计到制造的全过程 的快速性”“。理解和认识快速成形应从这个角度出发，否则会陷入“快速原型不快” 的疑问中。 与传统的切削加工方法相比，快速原型加工具有以下优点“”： ( 1 ) 可迅速制造出自由曲面和更为复杂形态的零件，如零件中的凹槽、凸肩和空 心部分等，大大降低了新产品的开发成本和开发周期； ( 2 ) 属非接触加工，不需要机床切削加工所必需的刀具和夹具，无刀具磨损和切 削力影响： ( 3 ) 无振动、噪声和切削废料； ( 4 ) 可实现夜间完全自动化生产； ( 5 ) 加工效率高，能快速制作出产品实体模型及模具； ( 6 ) 快速原型的材料可选择的种类较多。 1 4 快速模具制造技术的发展状况 快速原型制造技术的出现给快速模具制造( i 盯) 开辟了新路“。近几年，基于快速 成形制造技术的快速模具制造( r p m r t ) 己成为模具制造业的热点，并被广泛地研究 和应用，显示出极强的生命力。它是一项制造周期短、成本低的制模技术。随着市场 经济的发展，多品种小批量产品不断增多，各种产品更新抉代的周期缩短。诸多高新 技术的发展及其相互的结合，使快速制模技术的应用范围不断扩大，类型不断增多。 已经披采用的r t 技术有树脂制模、低熔点合金制模等，在工业生产中创造了显著的 经济效益。 利用r p 技术制棱可分为直接法和间接法两种“”。直接法就是绕过传统的模具制 造程序，一步得到所设计的模具；间接法则是利用快速原型系统制得母模，再用传统 的方法通过一次或数次翻模来得到最终模具。在直接制模法尚不成熟的情况下，本课 题采用了间接制模。 香港的快速原型科技中心目前可提供多种快速制模服务。可以快速制作铝模、金 属树b 旨( 7 0 a i + 3 0 液态树脂) 模、p u 树脂模，也可通过喷涂低熔点金属( 如锌、锡、 锌合金) 来制模，用b e c u 、工具钢等做精密铸造模具，用塑料和低熔点合金做旋转铸 模等等“”。西安交通大学激光快速原型与模具制造中心，采用基于光固化成型的坏氧 树脂模具技术制造了部分模具，其中，互感器制模使用了石膏过渡模，能长期工作干 1 4 0 以上。雕花肥皂盒注塑模具，使用寿命近千件：北京隆源公司研制出选择性激 光烧结系统并配备了三维数字化仪，能做出复杂的原型，已用几种方法为企业制作了 精密模具；上海交通大学丌发了基于r p 涂层转移铸造技术并为汽车行业制造了多类 模具：华中理工大学研究出一种原型复膜技术快速制造铸模，翻制出了铝合金模具和 铸铁模块。 世界先进工业化国家的r p m 技术在经历了模型与零件试制、快速软模制造阶段 后，目前正向快速硬模即金属模具制造( r p m ) 方向发展，r p t 已成为国际r p t 技术 应用研究丌发的热点。在直接制模法尚不成熟的情况下，目前具有竞争力的r m t 技 术主要是粉末烧结、电铸、铸造和熔射等间接制模法“”。国内外这方面的研究非常活 4 山东理t 人学埘1 ：学位论文 第一章 鳞 论 跃，有许多余属模具间接快速制造技术的研究及应用事例，如3 d s y s t e m s 公司的基于 s l a 原型的粉末成形烧结+ 浸渗快速复制工艺；c e m c o m 公司的镀镍+ 陶瓷复合工艺 和s o l i g e n t e c h i n c 公司的基于d s c p 余属薄壳成形系统的铸造工艺；b a d g e r p a t t e m 公 司的锌合金喷涂+ 树脂金属复合材料补强工艺；东京大学的r h s t 以及开产汽车公 司的快速制造余属模具法等。 快速制模法与高速铣削加工相比，在表面带精细复杂形状和放电加工难以省去的 模具制造方面占有优势，开发加工数据生成比数控加工数据生成要容易一些，并能同 时获得所需形状和表面精度，材料选择自由度大唧1 ，但这种技术并没有真正广泛地应 用到玻璃模具的生产设计中，笔者对淄博的玻璃模具厂的调查发现其设备为传统的机 床设备，对有形状复杂的曲面的模具无法加工；对江苏省常熟市、江阴市等众多知名 的玻璃模具的生产厂家的调查发现，其生产设备均为数控加工设备，对瞌面的加工在 一定程度上能实现，但受很大的局限性或需经过复杂的工序。如何使快速制模技术与 玻璃模具技术结合在一起，使快速原型技术更大的发挥其优势，本文就是在这样的研 究背景下，通过对快速原型技术、熔模铸造技术、电火花加工技术的综合研究，制定 了相应的工艺路线，并通过实践验证了该路线的可行性，为下步该工艺的产业化奠定 了基础。 1 5 本文的主要工作 1 5 1 研究路线 在查阅相关资料和调研的前提下，分析该项目的新颖性、先进性和实用性，形成 系统的理论基础，首先由三座标测量机来对实物模型进行采样，将采集的有序数据点 利用p r o e 三维软件进行造型，再根据玻璃材料的热膨胀性能及电火花加工放缩量 等因素得到型腔和电极的尺寸，再通过快速原型技术制造获得高精度的型芯和电极的 树脂样件；进而用得到的树脂样件制作电火花加工的电极和毛坯：一方面采用基于 s l 原型的快速精铸工艺来制作紫铜电极，同时运用有限元模拟技术，对型壳的焙烧 过程进行模拟，根据型壳的温度和应力分布图，采取有效措施预防型壳开裂，进而浇 铸得到紫铜电极：另一方面制作模具的毛坯，采用了树脂样件反制石膏模制作毛坯的 砂型型芯，中空木模制作毛坯外形，制作玻璃模具毛坯；最后应用电火花加工技术， 用紫铜电极加工毛坯的内腔，得到精密光洁的模具内腔。具体研究路线如下如图1 1 所示： 1 5 27 - 作具体实施方案 ( 1 ) 将三座标机测得的有效数据点，利用三维造型软件绘制出模型的空间造型 山东壤t 人学坝 j 学位论文 第一章绪 论 ! ! ! e ! s ! ! 目_ e e 目i 。_ 一 i 量 f 2 ) 根据材料热膨胀性能等因素计算玻璃型腔模的成型尺寸，再由电火花加工的 要求得到电极的深度和径向尺寸，并利用快速原型技术完成电极树脂原型和毛坯型芯 树脂原型的制作； f 3 1 用s l 原型代替蜡模熔模铸造电火花加工用的紫铜电极时，先对光固化树脂的 膨胀原理和型壳材料的热膨胀性能等方面进行了分析，得到了型壳焙烧的晟佳工艺， 并运用有限元模拟技术，对型壳的焙烧过程进行模拟，有效地预防型壳的开裂： f 4 1 利用毛坯型芯的树脂原型做石膏过渡模反制得到毛坯的砂型型芯，中空的木 模与型芯定位后做毛坯的外形，填砂分箱后，取出木模，合箱浇铸得到玻璃模具的毛 坯： ( 5 ) 用紫铜电极加工所得到的玻璃毛坯得到光滑的型腔内壁。 圄1 1 基于快速原型的玻璃模具加工工艺路线 6 山东理t 人学颁【学位论义 第二章快速原型技术及树厝原型的制作 第二章快速原型技术及树脂原型的制作 具有自由曲面特征的零件在现代工业中的应用越来越广泛，尤其是在航天、航空、 造船、汽车和模具等行业中。对自由曲面零件的加工是经常遇到的问题，同时也是尚 未得到很好解决的问题，这主要是由于自由曲面几何造型的复杂性与加工的复杂性使 加工效率低、周期长、精度不高。 。 本文的研究对象是带有自由曲面的玻璃杯如图2 1 ，为简化研究过程，将该玻璃 杯的尺寸缩小一半，在这种情况下，借助激光测量系统和反向工程技术，以实现对自 由曲面零件的快速制造为目标，通过自由曲面的接触测量、测量点数据处理、测量点 数据的自由重建等技术，结合模具材料性能及电火花加工技术要求，得到模具型腔的 造型尺寸，再用快速原型机做出毛坯的型芯和电火花加工用的电极的树脂件。 图2 1 玻璃杯的外观图 2 1 三座标测量模型的尺寸 21 1 三座标测量机的组成及原理 三座标测量机是近3 0 年发展起来的一种高效率的新型精密测量仪器如图2 2 所 示，它可以进行零件和部件的尺寸、形状及相互位置的检测，并可对连续曲面进行扫 描及制备数控机床的加工程序，由于它的通用性强、测量范围大、精度高、效率高、 能与柔性制造系统相联接，已成为一类大型精密仪器，故有“测量中心”之称o “。 三座标的组成：三座标测量机种类很多，但大体上皆有若干具有一定功能的部分 组合而成，可分为主机、测头、电器系统三大部分，如图2 1 所示： 三维测量的原理是：将被测量物体置于三座标测量机的测量空间，可获得被测量 物体上各测量点的坐标位置根据这些点的空间坐标值，经过数学运算，求出被测的 几何尺寸、形状和位置。 山末理r 人学坝| 。学位论史 第二章快速原型技术及树脂原型的制作 圈2 2 三座标测量机 2 1 ，2 由三座标测量的数据得到兰维遗型图 本实验采用意大利c o o r d 3 公司的a r e s l 0 7 ，5 型三座标测量机来测量玻璃杯的外 形尺寸，该设备是当今世界最先进的具有接触式和非接触式激光扫描功能的精密型坐 标测量机。主要技术参数如下： 测量范围：1 0 0 0 x 6 5 0 x 5 0 0 不确定度：接触式空间测量精度：( 3 + 3 5 l 1 0 0 0 ) 肛 重复精度：3 非接触式整体精度：1 0 9 特征精度：2 p 重复精度：3 扯 3 d 移动速度：3 4 m m i n 工作台承重：7 0 0 k g 按s c a n 模式产生的文件是数据库类型的文件，包含按w i n m e i l 格式产生的点。 三座标测量得到的数据如表2 1 所示： 表2 1 三座标测量得到的数据 - 4 4 3 6 4 4 3 6 4 4 3 6 - 4 4 3 6 4 4 3 6 - 4 4 3 6 - 4 4 3 6 - 4 4 3 6 - 4 4 3 6 - 4 4 3 6 _ 4 4 3 6 - 4 4 3 6 _ 4 4 3 6 - 4 4 3 6 - 4 4 3 6 - 4 4 3 6 - 4 4 3 6 - 4 4 3 6 - 4 4 3 6 - 4 4 3 6 - 4 4 3 6 4 4 3 6 - 4 4 3 6 - 4 4 3 6 - 4 4 3 6 - 4 4 3 6 - 4 4 3 6 4 4 3 6 - 4 4 3 6 - 4 4 3 6 - 4 4 3 6 - 4 4 3 6 - 4 4 3 6 - 4 4 3 6 - 4 4 3 6 4 6 7 1 2 4 7 1 2 5 4 5 8 1 2 4 5 9 4 2 4 6 0 7 7 4 6 2 1 4 4 6 5 0 6 4 6 6 6 9 4 6 8 s 4 4 7 3 0 6 4 7 5 2 1 4 7 7 5 8 4 8 0 0 1 4 8 5 2 0 4 8 7 9 3 4 9 4 3 3 4 9 7 4 0 5 0 0 6 1 5 0 1 4 0 s 5 1 1 5 1 5 1 5 4 6 5 1 9 6 0 - 5 2 7 8 4 5 3 1 7 3 5 3 5 9 0 5 3 8 1 ) 1 5 4 2 2 6 s 4 6 4 7 5 5 0 0 5 5 5 8 1 8 5 6 1 5 7 5 6 4 6 3 s 6 7 2 s 5 7 0 9 4 5 7 2 0 1 3 1 4 7 5 3 1 3 9 2 2 9 3 9 3 2 8 3 9 8 2 6 9 0 2 2 5 4 0 6 2 2 4 2 2 2 0 9 3 2 1 9 4 4 3 1 6 - 4 7 7 1 4 9 9 1 1 3 s 0 8 1 2 0 2 7 9 0 7 1 7 5 9 5 4 6 5 9 3 1 8 9 1 7 2 0 o 2 6 0 2 6 4 5 - 4 0 9 8 - 5 5 3 7 8 4 1 7 - 9 0 8 0 1 0 5 3 1 1 1 2 4 4 1 2 6 7 9 1 4 1 1 7 1 5 5 5 9 1 8 4 7 1 1 9 9 3 5 2 l - 4 0 5 2 2 8 8 1 2 5 8 6 5 - - 2 7 3 6 3 4 4 3 6 4 4 3 6 - 4 4 3 6 4 4 3 6 4 4 3 6 - 4 4 3 6 - 4 4 3 6 - 4 4 3 6 _ 4 4 3 6 - 4 4 3 6 - 4 4 3 6 - 4 4 3 6 - 4 4 3 6 _ 4 4 3 6 4 4 3 6 - 4 4 3 6 4 4 3 6 o 4 3 6 - 4 4 3 6 - 4 4 3 6 - 4 4 3 6 - 4 4 3 6 - 4 4 3 6 - 4 4 3 6 - 4 4 3 6 - 4 4 3 6 - 4 4 3 6 4 4 3 6 - 4 4 3 6 4 4 3 6 - 4 4 3 6 4 4 3 6 - 4 4 3 6 - 4 4 3 6 - 4 4 3 6 5 7 2 4 1 5 7 2 3 8 5 7 1 4 1 5 6 9 5 5 5 6 6 9 1 5 6 3 5 5 5 5 4 6 2 5 4 9 0 2 5 3 5 5 6 5 1 9 7 2 5 1 0 2 4 5 0 0 8 2 4 9 0 8 7 4 8 0 4 5 4 5 8 5 6 4 4 7 4 2 4 3 6 4 5 4 2 6 0 3 4 1 6 5 1 4 0 8 7 3 4 0 3 0 2 4 0 1 1 2 4 0 0 5 3 4 0 1 0 5 4 0 2 4 5 4 0 4 6 9 4 1 0 9 8 4 1 7 5 9 4 2 4 9 9 4 3 2 7 6 4 4 0 4 4 4 4 7 3 5 4 5 3 2 8 4 5 8 2 8 4 6 2 3 6 2 8 8 6 2 - 3 0 3 6 2 - 3 1 8 6 3 3 3 3 5 3 - 3 4 8 3 4 - 3 6 3 0 4 - 3 9 1 8 0 - 4 0 5 7 4 - 4 3 2 5 8 - 4 5 7 7 4 - 4 6 9 6 6 _ 4 8 1 2 6 4 9 2 5 1 _ 5 0 3 3 4 5 2 3 7 4 t 5 3 3 7 4 5 4 3 8 9 5 5 4 5 8 1 5 6 6 2 5 - 5 7 9 1 2 - 5 9 3 1 0 6 0 0 4 1 6 0 7 9 7 6 1 5 5 5 6 2 2 9 6 6 3 o u 6 4 3 9 4 6 5 7 5 1 _ 6 7 0 6 5 6 8 3 4 6 6 9 6 4 0 7 0 9 8 5 7 2 3 7 3 - 7 3 7 9 4 - 7 5 2 4 6 随着三维设计软件的广泛应用，可以采用作图法解决测量曲线的误差的问题”， 在此不作为研究的重点。在测量曲线时，关掉探头半径补偿，将得到的数据输入三维 造型软件p r o e 中，得到理论空叫曲线，经过建立基准面、绘制草图，再根据球头 的半径得到测量值的补偿，偏置得到实际测量的空间曲线如下图2 3 所示，旋转、放 缩变换得到我们所需要的三维造型如图2 4 所示。 9 始强”缸舵躬材船舶钉勰盼如钉鸵站弘弱弘卯鼹钞缸配以矾酷砸甜勰毋 ：o o s o 7 8 9 曲n nh：2撕坞”妁n勉船m黔弱”勰盐如孔弛站弘辐 山东理t 人学侦i 学位论义 第二章快速景型技术及树脂原型的制作 图2 3 带有空间曲线的模型图2 4 放缩后的图型 2 2 精确计算模具的型腔和电火花电极尺寸 玻璃的成型方法很多，其中吹制成型、压制成型采用金属型腔模具。玻璃在金属 型腔成形时的定型硬化过程中，制品的表面不可避免的产生温度差玻璃中部的温度 t c 。与距离x ( c m ) 处的温度t i 之差与x 2 成正比，可表示为”“： t c p t x = b x 2( 2 - 1 ) 式中：b 是玻璃温度分布常数，和玻璃的化学成分有关。模具在玻璃的冷却硬化 过程中，既是散热体又是蓄热体。它通过型面从玻璃中吸取并积蓄热量，并以辐射和 对流的形式通过模具外表面将热量传给外界，同时从型面到模具外表面的温度分布保 持一定的稳定性，即吸取的热量和传给外界的热量相等。成型时模具温度分布制度如 表2 2 所示： 表2 2 玻璃型腔模具的温度分布制度 从表2 2 中可以看到玻璃模具在成型时保持较高的温度，为了防止玻璃冷却过度 产生较大的内应力而形成裂纹，即脱模时模具成型尺寸及制品尺寸都包括不容忽视的 热膨胀部分，在模具成型尺寸计算中必须加以考虑。玻璃的热膨胀系数和玻璃的化学 组成有关，见表2 3 所示。玻璃厚度上的温度分布对玻璃热膨胀也有影响。考虑到上 述因素，对玻璃型腔模成型尺寸的精确计算进行理论推导。 0 表2 3 玻璃在软化温度以下的膨胀系数 2 2 1 成型尺寸型腔径向尺寸的计算方法： 玻璃在金属型腔模成型时，高温( 1 0 2 5 - - 1 2 5 0 c ) 的玻璃液经模具冷却硬化后 脱模时，制品与型面接触的尺寸和在成型模具温度下的成型尺寸是相等的1 ，即有： d l 。= d l 。 d 2 。= d 2 m ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 式中：d ：。、d ：。品脱模是外、内径向尺寸；o l 。、d ：分别是型腔、型芯在成型 模温下的外、内径向尺寸。当温度升高时，玻璃中质点的热振动振幅增加，质点间距 大因而呈现热膨胀，由于玻璃中质点的热振动是非定向的，因此，玻璃热膨胀不存在 各向异性的现象。另外，由于玻璃的特殊性可假设玻璃制品在脱模时弹性变形可忽略 不计。 图2 5 吹制成型示意图 卜一吹气头 2 一型腔板 如图2 5 所示，玻璃制品在脱模时其中问层温度根据( 2 1 ) 式可得： t 叩= t a + b ( t y 2 ) 2 ( 2 4 ) 山东理t 人学顺i j 学位论义 第二章快速原型技术及树腊原堂的制作 i i r i i e 曼皇皇鼍声暑皇置邕阜曼i 皇皇墨_ 置t e 式中：t d 是制品在脱模时的表层温度：t 是制品的厚度( 诹1 ) 。考虑玻璃热膨胀 和玻璃厚度上的温度分布，脱模时玻璃制品的外径尺寸可按下式计算： d l ，= d i p + ( d l p - t ) c t p ( t 叩- t o ) + t o 【p 以p - b t 2 2 - t o ) ( 2 5 ) 式中：t o 是室温，可取2 0 ；d i p 是制品室温时的外径尺寸。仳。是玻璃在温度 范围( t 。一t ，) 内热膨胀系数的加权平均数，可按下式计算： 。5 o 【i ( t 印- t , ) + c c z n t 2 ) “+ 0 【。( o 。t n ) + ，- ( t n l ) 】，( k 。t d ) ( 2 6 ) 式中、。分别是温度范围( t t p ) 、( t 一1 ：) 、( t n 1 ：l 一) 、( 瓦一1 ：i ) 内 的玻璃热膨胀系数。 考虑金属热膨胀及模具温度分布情况，脱模时型腔径向尺寸按下式计算： d l 。d i 。【l 妃。( i 。+ t 2 。一2 t o ) 2 】( 2 7 ) 式中：d 。室温的型腔径向尺寸；。是型腔金属材料的热膨胀系数；t ，。、t ：。 分别是型腔内表面和外表面的温度。根据( 2 2 ) 式比较( 2 5 ) 与( 2 ，7 ) 式得： d i 。= 2 d l 。【2 + a 。m ( t i + t 2 。一2 t o ) 】 ( 2 8 ) d 。的制造偏差和玻璃成型对型腔磨损等因素有关。由于模具在使用中的磨损使 型腔径向尺寸趋于增大，另外玻璃模具在使用中必须定期抛光维护应预留抛光余量， 因此其制造偏差为负偏差，而且为了保证制造偏差引起的制品尺寸偏差尽可能少其制 造偏差值应不超过制品公差1 3 ，即： 6 i = i 3( 2 - 9 ) 式中：6 ，是d 。的制造偏差：。是d 。的制造公差。 因此，型腔径向尺寸标注如下： ( d 。) ! 。 本课题中采用的是某种硅酸盐玻璃，化学组成、t 如下： s 0 2 c 口o n 口2 0 7 0 61 4 4 ll5 0 0 吹制成型的玻璃制品尺寸是：t = 2 5 m m ，型腔材料使用新型铸铁，根据材料得： d ，。= 9 5 e 一6 c 一，从材料中知b = 2 5 ；t im 、t z 。分别取其温度范围的平均值，脱模时 t d 寸i m ； t i 。2 5 15 。c ，t2 。= 2 5 0 c ，t d = 5 | 5 c 一。 将上述各项数据集从表二中查的数掘带2 k ( 2 4 ) 、( 2 - 5 ) 、( 2 6 ) 、( 2 - 8 ) 、( 2 - 9 ) 等式进 行计算结果如下： 山东理工大学硕士学位论文第二章快速原型技术及树魔原塑的髑作 t 。p = 5 5 4 。c ；a p = 1 3 2 6 e - 6 。c ；d 1 。1 0 0 4 d 1 p 2 2 2 电极水平尺寸的设计 加工型腔模时的工具电极尺寸，一方面与模具的大小、形状、复杂程度有关，另一 方面与电极材料，加工电流，深度、余量及间隙等因素有关。与主进轴头进给方向垂直 的电极尺寸称为水平尺寸，计算时应加入放电间隙和平动量，任何有内、外直角及圆弧 的型腔，可用下式确定阻1 c t = d i 。k b ( 2 - 1 0 ) 式中口是电极水平方向尺寸； d ，。是型腔的名义尺寸： k 是与型腔尺寸有关的系数 直径方向( 双边) k = 2 ，半径方向( 单边) k = i ： b 是电极单边缩放量( 包括平动头偏心量，一般取o 5 口0 9 m m ) 。 b = s i + h 。+ h 一 ( 2 一1 1 ) 其中s 是电火花加工时单面加工间隙； h 一是前一规准加工时表面微观不平度最大值； h 一是本规准加工时表面微观不平度最大值： 取k = 2 ，b = 0 5 m ：伍= d 。一1 2 2 3 按平均收缩率来计算型腔深度尺寸 型腔深度尺寸计算以其最小尺寸为名义尺寸，同时有正公差，标注为h ，对型腔 深度不考虑脱模磨损，其平均尺寸为： h m c p = h m + 氏2 对应器皿上的高h p 为最大尺寸，偏差为负偏差， 小成型收缩量为0 6 ，其平均收缩量为o 7 嘲。 h e c p = h p a 2 ( 2 1 2 ) 取最大成型收缩量为o 8 ，最 h m c p = h p c p + h m c p 占s c p h m c p = 1 一h r c r p z h p c r + 晒x h p c v + 6 玉h p c p 若取修模余量为占。，2 ，h 。= 【h 。，】+ 8 直，其中。是平均收缩量。 ( 2 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 1 5 ) 玻璃模具的制造公差6 m _ o 0 3 5 百忑 ( 2 1 6 ) 取h p ；j ；36 0 r a m ，= o 6 m m ；可以得到h m c p ；6 0 1 2 m m ；6 。司1 3 7 m m ，圆整到0 0 5 r a m ， 得h m = 6 0 1 2 + o 山东理工大学硕士学位论文 第= 章快速原型技术及树脂原型的制作 2 2 4 电极总高度的确定 电极总高度的确定，可按下式计算1 l = h 、。+ ，( 2 1 7 ) 式中工是除装夹部分外的电极的总高度； h 。是电极每加工一个型腔，在垂直方向的有效高度，包括型腔深度和电极端面损 耗量，并扣除端面加工间隙值； f 是考虑到加工结束时，电极夹具不和夹具模块或压板发生接触，以及同一电极需 重复使用而增加的高度。 取f 等于5 0 m m ，卜1 1 0 m m 由此我们可以得到型腔内腔和电极的造型图2 6 ，2 7 所示： 圈2 6 型腔内腔的造型图2 7 塑腔电极的造型 2 3 快速原型技术的离散堆积成型原理 快速原型技术是基于离散堆积成型原理的成型方法。在研究之前有必要回顾一 下传统的成型方法，即去除成型和受迫成型。 2 3 1 去除成裂和受迫成型 去除成型，即去除余量材料而成型。从人类的祖先敲击石块制造石器到现代多轴联 动的高速加工中心铣削精密零件，均为从整体材料上分离下多余的材料以获得人们要求 的形状、结构、精度和表面粗糙度的成型方法，现在机械制造科学将车、铣、刨、磨、 电火花加工、高能柬以及电弧、火焰切割、化学腐蚀加工、蚀亥4 加工等均视为去除成型。 受追成型，即材料在型腔约束下成型，利用材料可塑性，在模具或砧子的约束下， 按模具型腔的形状与结构或在砧子的作用下成型，这就是模锻、挤压、扎制、碾压以及 拉拔成型。 去除成型与受迫成型的特点“1 ： 4 山东挫t 人学f o l | i 学位论义 第二苹快速原型技术及树嚣原型的制怍 ( 1 ) 材料的成型过程与其制备过程是分离的。去除成型是对通过受迫成型获得的 坯料进行加工，它与材料制备过程是不同的过程；受追成型与成型材料的制备关系密 切，成型过程可以改变材料内部性能，但仍属两个范畴。 ( 2 1 成型的信息过程与物理过程是分离的。这是去除成型和受迫成型的另一个显 著特点。成型的信息过程包括被成型件的设计、成型工艺的制定、成型过程的实时控 制等；成型的物理过程是指使材料获得形状改变、内部组织和性能的变化。成型的信 息过程基本上要预先完成，成型过程中仅作适当实时修改。 2 3 2 快速原型过程的离散分析 r t 成型过程可分为离散和堆积两个过程，如2 8 图所示，离散过程将三维实体 的c a d 模型沿一定方向分解，即将连续的实体( 表面) ，按一定厚度采样，分解成不 连续的层片，得到一系列截面数据，各种工艺根据各自的工艺要求，对截面数据进行 处理( 如填充，偏移等) ，通过合理的工艺规划，生成控制成型工具的运动轨迹。在 堆积过程中，成型工具在运动轨迹的控制下，加工出层片，并将生成的层片与已生成 部分堆积、连接，层片生成与堆积连接过程循环往复，直至零件全部加工完成m 。 显然，离散过程是一种数据处理过程，对三维c a d 模型进行离散化的数据处理， 而堆积过程是一种物理实现过程，通过物理实体的运动完成层片的堆积成型。在这两 个过程中间则需要根据各种r p 工艺的不同进行合理的工艺规划，主要是根据成形特 点和用户要求合理制定工艺规则，生成堆积单元的运动轨迹，选择合理的工艺参数。 图2 8r p 工艺的基本过程 2 3 3 离散堆积成型与其它成型原理相比 离散一堆积成型将材料离散成材料单元，然后在c a d 模型的直接