冲压模具（五）的快速成型技术

冲压模具的快速成型摘要：近年来，快速成型技术和逆向工程技术发展迅速，尤其是模具制造领域应用非常广泛，将快速成型技术与逆向工程技术相结合，可以在已有样件或原型的基础上进行复制和产品的创新再设计，缩短新产品的设计和研制周期，适应市场的多品种、小批量的快速响应能力。关键字：快速成型技术，特点，分析，前景，三坐标测量RapidprototypingofprogressivemetalstampingtoolsAbstract:inrecentyears,therapidprototypingtechnologyandreverseengineeringtechnologyhasdevelopedrapidly,especiallyinmouldmanufacturingfieldofapplicationisverybroad,combiningrapidprototypingtechnologyandreverseengineeringtechnology,canbeonthebasisoftheexistingsamplesorprototypestoreproduceandproductsinnovationdesign,shorteningtheperiodofthedesignanddevelopmentofnewproducts,toadapttothemarketmanyvarieties,smallbatch,fastresponseability.Keywords:rapidprototypingtechnology,characteristics,analysisandprospect,threecoordinatemeasuring目录前言.11概述.21.1冲压模具介绍.21.2快速成型概述.31.3快速成型系统的基本工作原理.41.4快速成型制造的发展.42RPM技术的原理和特点.62.1RPM技术的原理.62.2RPM技术发热内涵.72.2.1实体自由成型制造（SFF）.82.2.2直接CAD制造（DCM）.82.2.3离散堆积制造（DCM）.82.2.4即时制造（IM）.82.2.5分成制造（LM）.92.2.6材料添加制造（MIM）.92.3RPM技术的特点.93几种常用的RPM方法.113.1立体光刻（StereoLithographyApparatus，SLA）.113.2分层实体制造（LaminatedObjectManufacturing，LOM）.113.3选择性激光烧结（SelectiveLaserSintering，SLS）.123.4熔融沉积成形（FusedDepositionModeling，FDM）.124三坐标测量数据处理步骤.14参考文献.33致谢.340前言快速成型(rapidprototyping,RP)技术是在计算机技术、数控技术、激光技术和新材料上的基础上发展起来的一种先进制造技术。它具备如下特点：原形的复制性、互换性高、制造工艺与制造原型的几何形状无关，在加工复杂曲面时更显优越；加工周期短，成本低，成本与产品复杂程度无关，一般制造费用降低50%，加工周期缩短70%以上，高度技术集成，实现了设计制造一体化；制造原型所用的材料不限，各种金属与非金属材料均可使用，因而，得到广泛应用。快速成型技术自80年代问世以来，在成型系统、材料方面有了长足的进步，同时推动了快速制模技术（rapidtooling，RT）和快速制造技术（rapidmanufacturing，RM）的发展。快速成型技术（RP）是制造技术的一次飞跃，它从成型原理上提出了一个全新点的思维模式，即将计算机辅助设计（CAD），计算机辅助制造（CAM）。计算机数字控制（CNC）、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体，依据计算机构成的工件三维设计模型，对其进行分层切片，得到各层截面的二维轮廓信息，按照这些轮廓信息由成型头在控制系统的控制下，选择性的固化或切割一层层的成型材料，形成各个截面的轮廓，并逐渐顺序堆加成三维工件。经过十余年的发展，目前已成熟的快速成型技术的与商品化的快速成型机有SLA、LOM、SLS、FDM、及TDP等型号，被广泛地应用于工业和医疗领域，已取得了丰硕的成果。同时快速成型技术还派生了一个全新的领域快速模具制造，以供批量生产塑料件或金属件。例如。可根据RP原型零件复制硬环氧树脂模具，生产塑料件或注塑模；根据RP原型零件复制硅橡胶模具，生产塑料件或注塑模等等。但是由于该技术的成本高，制件的精度、强度和耐久性等方面还不能满足用户的期望，暂时阻碍了RP技术的推广和普及。但是该技术近年来迅速在我国的工业造型、制造、建筑、艺术、医学、航天、考古和影视等领域得到良好的应用。快速自动成型技术为企业提高竞争力提供了一种先进的手段。11概述1.1冲压模具介绍冲压模具-在冷冲压加工中，将材料（金属或非金属）加工成零件（或半成品）的一种特殊工艺装备，称为冷冲压模具（俗称冷冲模）。冲压-是在室温下，利用安装在压力机上的模具对材料施加压力，使其产生分离或塑性变形，从而获得所需零件的一种压力加工方法。冲压模具是冲压生产必不可少的工艺装备，是技术密集型产品。冲压件的质量、生产效率以及生产成本等，与模具设计和制造有直接关系。模具设计与制造技术水平的高低，是衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志之一，在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。冲压模具的形式很多，冲模也依工作性质,模具构造,模具材料三方面来分类。一般可按以下几个主要特征分类：（1）根据工艺性质分类a.冲裁模沿封闭或敞开的轮廓线使材料产生分离的模具。如落料模、冲孔模、切断模、切口模、切边模、剖切模等。b.弯曲模使板料毛坯或其他坯料沿着直线（弯曲线）产生弯曲变形，从而获得一定角度和形状的工件的模具。c.拉深模是把板料毛坯制成开口空心件，或使空心件进一步改变形状和尺寸的模具。d.成形模是将毛坯或半成品工件按图凸、凹模的形状直接复制成形，而材料本身仅产生局部塑性变形的模具。如胀形模、缩口模、扩口模、起伏成形模、翻边模、整形模等。（2）根据工序组合程度分类a.单工序模在压力机的一次行程中，只完成一道冲压工序的模具。b.复合模只有一个工位，在压力机的一次行程中，在同一工位上同时完成两道或两道以上冲压工序的模具。c.级进模（也称连续模）在毛坯的送进方向上，具有两个或更多的工位，在压力机的一次行程中，在不同的工位上逐次完成两道或两道以上冲压工序的模具。2（3）依产品的加工方法分类依产品加工方法的不同，可将模具分成冲剪模具、弯曲模具、抽制模具、成形模具和压缩模具等五大类。a.冲剪模具：是以剪切作用完成工作的，常用的形式有剪断冲模、下料冲模、冲孔冲模、修边冲模、整缘冲模、拉孔冲模和冲切模具。b.弯曲模具：是将平整的毛胚弯成一个角度的形状，视零件的形状、精度及生产量的多寡，乃有多种不同形式的模具，如普通弯曲冲模、凸轮弯曲冲模、卷边冲模、圆弧弯曲冲模、折弯冲缝冲模与扭曲冲模等。c.抽制模具：抽制模具是将平面毛胚制成有底无缝容器。d.成形模具：指用各种局部变形的方法来改变毛胚的形状，其形式有凸张成形冲模、卷缘成形冲模、颈缩成形冲模、孔凸缘成形冲模、圆缘成形冲模。e.压缩模具：是利用强大的压力，使金属毛胚流动变形，成为所需的形状，其种类有挤制冲模、压花冲模、压印冲模、端压冲模。1.2快速成型概述21世纪是以知识经济和信息社会为特征的时代，制造业面临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。在制造业日趋国际化得状况下，缩短产品开发周期、减少新产品的投资风险和开发成本，已成为企业获取利润和赖以生存的关键。快速成型技术(rapidprototyping,RP)就是直接从计算机设计方案产生三维实体的快速成型技术，涉及机械工程、自动控制、激光、计算机、材料等多个学科，是由现代制造技术迅速发展的需要应运而生的，快速成型技术自20世纪80年代问世以来，在成型系统、材料方面有了长足的进步，同时推动了快速制模（rapidtooling，RT）、快速制造（rapidmanufacturing，RM）的发展，90年代终末期是RP技术蓬勃发展的阶段。在科技部的领导和支持下，全国先后成立了近10家旨在推广应用RP技术的“快速原型制造技术中心”，863/CIMS课题专家组还将快速成型技术纳入发展项目。因而，该技术近半年迅速在我国的工业造型、制造、建筑、艺术、医学、航天、考古和影视等领域得到良好的应用。快速成型技术是近年来发展起来的直接根据CAD模型快速生产样件或零件的成型技术总称。它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，3是先进制造技术的重要组成部分。与传统制造方法不同，快速成型从零件的CAD模型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件。快速成型技术把复杂的三维制造转化为二维叠加，在不用模具和工具的条件下，堆积成型几乎任意复杂的零部件，极大的提高了生产效率和制造柔性。快速成型技术发展非常迅速，目前已形成了相当大的市场。与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造技术一起，已成为现代模型、模具、和零件制造的强有力手段，在航空航天、汽车摩托车、家电等设计制造领域得到了广泛应用。1.3快速成型系统的基本工作原理RP系统可以根据零件的形状，每次制做一个具有一定微小厚度和特定形状的截面，然后再把它们逐层粘结起来，就得到了所需制造的立体的零件。当然，整个过程是在计算机的控制下，由快速成形系统自动完成的。不同公司制造的RP系统所用的成形材料不同，系统的工作原理也有所不同，但其基本原理都是一样的，那就是分层制造、逐层叠加。这种工艺可以形象地叫做增长法或加法。每个截面数据相当于医学上的一张CT像片；整个制造过程可以比喻为一个积分的过程。RP技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。RP技术的基本原理是：将计算机内的三维数据模型进行分层切片得到各层截面的轮廓数据，计算机据此信息控制激光器（或喷嘴）有选择性地烧结一层接一层的粉末材料（或固化一层又一层的液态光敏树脂，或切割一层又一层的片状材料，或喷射一层又一层的热熔材料或粘合剂）形成一系列具有一个微小厚度的的片状实体，再采用熔结、聚合、粘结等手段使其逐层堆积成一体，便可以制造出所设计的新产品样件、模型或模具。自美国3D公司1988年推出第一台商品SLA快速成形机以来，已经有十几种不同的成形系统，其中比较成熟的有UV、SLA、SLS、LOM和FDM等方法1.4快速成型制造的发展国际上首台快速成型机于1987年诞生于美国，是由美国3DSystems公司制造的快速成型系统SLA-1，采用立体光刻法的快速成形制造系统。41998年在我国上海举行的第七届国际模具技术和设备展览会上，美国、日本、德国、新加坡等国都展出了RPM设备。目前全世界已有2000多台RPM系统投入使用。我国RPM技术的研究始于1991年。清华大学、西安交通大学、华中科技大学、南京航空航天大学等高校和北京隆源RPM公司、广州中望商业机器有限公司等都在RPM的研究与应用放面取得了显著成果。清华大学现已开发出“M-RPMS-”型多功能快速成型制造系统，这是我国自主知识产权的世界唯一拥有两种RPM工艺的系统。52RPM技术的原理和特点2.1RPM技术的原理快速成型制造技术：是一种基于离散堆积成型思想的新型成型技术，是综合利用CAD技术、数控技术、激光加工技术和材料技术实现从零件设计到三维实体原型技术实现从零件设计到三维实体原型制造一体化的系统技术。RPM的流程图62.2RPM技术发热内涵RPM技术不是使用一般意义上的模具或刀具，而是利用光、热、电等物理手段实现材料的转移与堆积；原型是通过堆积不断增大，其力学性能不但取决于成型材料本身，而且与从成型材料本身，而且与成型中所施加的能量大小及施加方式有密切关系；在成型工艺控制方面，需要对多个坐标系进行精确的动态控制；RPM技术的不同称谓：实体自由成型制造（SolidFreeformFabrication,SFF）直接CAD制造（DirectCADManufacturing,DCM）离散堆积制造（DispersedCumulateManufacturing,DCM）即时制造（InstantManufacturing,IM）分成制造（LayeredManufacturing，LM）材料添加制造（MaterialIncreaseManufacturing，MIM）72.2.1实体自由成型制造（SFF）SFF它表明RPM技术无需专用的模腔或夹具，零件的形状和结构也相应不受任何约束。RPM工艺是用逐层变化的截面来制造三维形体，在制造每一层片时都和前一层自动实现联接，不需要专用夹具或工具，使制造成本完全与批量无关，既增加了成型工艺的柔性，又节省了制造工装和专用工具的成本。2.2.2直接CAD制造（DCM）DCM反映了RPM是CAD模型直接驱动，计算机中的CAD模型通过接口软件直接驱动RPM设备，接口软件完成CAD数据向设备数控指令的转化和成型过程的工艺规划，成型设备则像打印机一样“打印”零件，完成三维输出，RPM由于采用了离散/堆积的加工工艺，CAD和CAM能够很顺利地结合在一起，课容易地实现设计与制造一体化。2.2.3离散堆积制造（DCM）离散堆积制造是现代成型学理论中在成型技术发展进行总结的基础上提车的，表明了模型信息处理工程的离散型，强调了成型物理过程的材料堆积性，体现了RPM技术的基本成型原理，具有较强的概括性和适应性。2.2.4即时制造（IM）8IM它反映了RPM技术的响应性。由于无需针对特定零件制定工艺操作规程，也无需要专用夹具和工具，RPM技术制造一个零件的全过程远远短于传统工艺相应过程，使得RPM技术尤其是适合新产品的开发，显示了其适合现代科技发展的快速反应的特征和时代要求。2.2.5分成制造（LM）LM是将复杂的三维加工分解成一系列二维层片的加工，着重强调层作为制造单元的特点，每层课采取更低维单元进行累加或高维单元进行加工得到。2.2.6材料添加制造（MIM）MIM是将材料单元采用一定方式堆积、叠加成型，有别于车削等基于材料去除原理的传统加工工艺2.3RPM技术的特点快速成型制造系统是与CAD集成的RPMS，属于CIMS的目标产品的范畴，具有以下特点：高度柔性，可以制造任意复杂形状的三维实体；CAD模型直接驱动，设计制造高度一体化；成型工程无需专用夹具或工具；9无需人员干预或较少干预，是一种自动化的成型过程；成型全过程的快速性；技术的高度集中成型，带有鲜明的高新技术特征。103几种常用的RPM方法3.1立体光刻（StereoLithographyApparatus，SLA）SLA法也称为立体印刷，或称为光造型，又称为光敏液相固化法。是基于液态光敏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。立体光刻的工艺原理3.2分层实体制造（LaminatedObjectManufacturing，LOM）LOM法又称为叠层实体制造，或称为层合实体制造法。是事先在薄片材料涂覆上一层热熔胶。加工时，热压辊热压片材，使之与下面已成形的工件粘结；用CO2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；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。11分层实体制造的工艺原理3.3选择性激光烧结（SelectiveLaserSintering，SLS）SLS法又称为选区激光烧结法。它是利用粉末状材料成形的。将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面，并刮平；用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面；材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成形的部分连接；当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，选择地烧结下层截面。选择性激光烧结的工艺原理3.4熔融沉积成形（FusedDepositionModeling，FDM）12FDM法又称为熔丝沉积成形法。所用材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、尼龙等。材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出；材料迅速凝固，并与周围的材料凝结。熔融沉积成形的工艺原理134三坐标测量数据处理步骤（1）运行执行软件“Tutor”，点击界面（图1）按钮“电源”，激活图1程序区，获得界面图2，再点击图2中按钮“程序区”，进入直接检验界面（图3），点击“直接检验”按钮，进入测量界面（图4）；14图2图315图4（2）点击“轴找正”按钮，进入坐标系调用界面（图5），点击图5“调入坐标系”按钮，进入调入界面（图6），找到自己保存坐标系的目16录，选择调用如图7，并按”ok”调用成功：图6图7（3）点击图8中“存储”按钮，进入测量元素调用界面（图9），在图9中点击“调用”，进入测量元素调用元素保存目录选择，如图10，点击“ok”确定调用测量元素成功，此时界面如图11；17图8图918图10图11（4）在“参考坐标系”选项栏选择调入的坐标系编号“1”如图12，在19图12元素列表中选择测量元素1或2，可核查坐标系原点坐标值的正确性，点击“ok”按钮退出存储界面（图13）；图12图13（5）点击图13中“关系”按钮，进入距离、角度等关系运算界面（图14），若计算距离就点击图14中“距离”按钮，再点击“自由选择”按20钮，进入距离计算界面（图15），图1421图15（6）在图15中“参考坐标系”列表中选择坐标系编号“1”，在“存储”下框内填入编号“42”（因为你们测量的全部元素有41个），“块号”下框内也填入“42”，在元素A框内选择“存储”，然后在对应的下列表框中选择计算距离的第一元素编号如“3”，同理在元素B框内选择“存储”，并在下列表框中选择计算距离的第二元素编号如“7”，如图16，点击“ok”即计算元素“3”和“7”的距离，并存储在编号42单元，保存数据可以进入“存储”界面查看，角度等其余计算关系过程雷同；22图16（7）点击“形位”按钮，进入形位误差检测与计算界面（图17）23图17选择界面上部5个形位计算按钮之一，如“平行度”，拉动右边进度条至底部，点击“自由选择”按钮，进入平行度计算界面（图18），24图18激活“存储”按钮，并下框填入存储编号，编号排列紧跟以前用过的编号，不要与前面有的编号重复一样，否则会后面编号替代前面编号，在几何元素框内，选择平行度被测元素编号如“3”和基准1元素编号如“12”，选择距离，并输入两平行元素的有效距离比如10，如图19，再点击“ok”得到平行度计算结果，并保存在后续的存储编号中，如图20，其余形位关系计算过程与平行度雷同；25图19图20（8）查看计算结果，点击“存储”按钮，进入存储元素列表界面（图2621），拉动右边进度条至底部，点击计算距离元素编号“43”，并在左边对应的元素相关参数里找到代表距离的代码“DS”，计算结果为“45.6866”，如图22，再点击右边列表框中另一计算平行度元素编号“44”，左边参数框中平行即为平行度误差值，如图23。图2127图22图23（9）测量数据保存文件形式输出，点击“输出”按钮，进入输出设置界28面（图24），点击图24右上角文件1，再按“”按钮，此时要你输入保存数据文件名如图25，自取“11”，点击按钮“”成功，点击“ok”按钮退出。注意：此步骤只有在计算关系之前设置好，后面计算的元素会自动保存在刚才命名的文件“11”中；如果所有计算完成后再做保存设置，则此时必须逐个元素一一保存。如下操作图2429图25（10）点击“存储