快速制造技术3D打印技术金属喷涂概论

1、1概论1.1模具的定义通俗的讲，模具就是作为模型的工具，严格的讲，模具是工业产品生产用的工艺装备，主要应用于制造业和加工业。它是和冲压、锻造、铸造成形机械，同时和塑料、橡胶、陶瓷等非金属材料制品成型加工用的成形机械相配套，作为成形工具来使用的。模具属于精密机械产品，因为它主要由机械零件和机构组成，如成形工作零件（凸模、凹模） ，导向零件（导柱、导套等），支承零件（模座等） ，定位零件等；送料机构，抽芯机构，推（顶）料（件）机构，检测与安全机构等。为提高模具的质量、性能、精度和生产效率，缩短制造周期，其零、部件（又称模具组合），多由标准零、部件组成。所以，模具应属于标准化程度较高的产品。一副中小

2、型冲模或塑料注射模，其构成的标准零、部件可达90% ，其工时节约率可达 25%45%。1.2模具的功能和作用现代产品生产中，模具由于其加工效率高，互换性好，节约原材料，所以得到很广泛的应用。采用模具进行成形加工，是少、无切屑的主要工装，在大批、大量加工中，可使材料利用率达 90% 或以上。现代工业产品的零件，广泛采用冲压、成形锻造、压铸成形、挤压成形、塑料注射或其它成形加工方法，和成型模具相配套，经单工序或多道成形工序，使材料或坯料成形加工成符合产品要求的零件，或成为精加工前的半成品件。如汽车覆盖件， 须采用多副模具，进行冲孔、拉深、翻边、弯曲、切边、修边、整形等多道工序，成形加工为合格零件；

3、电视机外壳、洗衣机内桶是采用塑料注射方法，经一次注射成型为合格零件的；发动机的曲轴、 连杆是采用锻造成形模具，经滚锻和模锻成形加工为精密机械加工前的半成品坯件的。高精度、高效率、长寿命的冲模、塑料注射成型模具，可成形加工几十万件，甚至几千万件产品零件，如一副硬质合金模具，可冲压硅钢片零件（e型片、电机定转子片）上亿件，称这类模具为大批量生产用模具。适用于多品种、少批量，或产品试制的模具有：组合冲模，快换冲模，叠层冲模或成型模具， 低熔点合金成型模具等；先进制造技术在模具制造领域的应用，使得快速模具等到了飞速发展， 如将快速原型技术在模具中的应用。随着个性化需求的增加，市场在多品种小批量产品中的

4、竞争日益加剧，在现代加工业中，此类模具具有重要的经济价值，称其为通用、经济或快速模具。电子、计算机、现代通信器材与设备、电器、仪器与仪表等工业产品的元器件或零、部件越来越趋于微型化、精密化，其零件结构设计中的槽、缝、孔尺寸要求在0.3mm 以下，批量生产用模具要求很高。如高压开关中的多触点零件，宽度仅为10mm ，却需冲孔、冲槽、弯曲、三层叠压等工序， 模具需设计为 70工位的精密级进冲模。又如bp 机中零件尺寸极其微小，对模具的要求更高。这类微型冲件和塑件用的模具，已成为高技术模具或专利型模具。大型模具， 重量在 10t 以上的已很常见，有些模具重量已达 30t 。 如大型汽车覆盖件冲模，大

5、型曲轴锻模，大尺寸电视机外壳用塑料注射模等重量都在10t 以上。随着现代化工业和科学技术的发展，模具的应用越来越广泛，其适应性也越来越强。已成为工业国家制造工艺水平的标志和独立的基础工业体系。1.3模具的分类及应用模具的用途广泛，模具的种类繁多，科学地进行模具分类，对有计划地发展模具工业，系统地研究、开发模具生产技术，促进模具设计、制造技术的现代化，充分发挥模具的功能和作用；对研究、制订模具技术标准，提高模具标准化水平和专业化协作生产水平，提高模具生产效率，缩短模具的制造周期，都具有十分重要的意义。1.3.1模具分类总体上说模具可分为三大类：金属板材成型模具，如冲模等；金属体积成型模具，如锻（

6、镦、挤压）模，压铸模等；非金属材料制品用成型模具，如塑料注射模和压缩模，橡胶制品、玻璃制品、陶瓷制品用成型模具等。模具的具体分类方法很多，常用的有：按模具结构形式可分为冲模中的单工序模，复合模，级进模等。塑料成型模具中的压缩模，注射模，挤出模等，按模具使用对象可分为电工模具，汽车模具，电视机模具等。按模具材料可分为硬质合金模具和钢模等。按工艺性质可分为冲孔模，落料模，拉深模，弯曲模，塑料成型模具中的吸塑模，吹塑模等。这些分类方法具有直观、方便等优点，但不尽合理，易将模具类别与品种混用，使种类繁多无序。因此，采用综合归纳法，将模具分为十大类，各大类模具又可根据其使用对象、材料、功能和模具制造方法

7、，以及工艺性质等，再分成若干小类和品种较为合理，详见表 1-1。表1-1模具分类序号模具类型模具品种成形加工工艺性质及使用对象1.冲压模具（冲模）冲裁模：少、无废料冲模，整修模，光洁冲模，深孔冲模，精冲模等单工序模：冲孔模落料模，弯曲模，拉深模，成型模等复合冲模、级进冲模（含传递模）、汽车覆盖件冲模、硅钢片冲模、硬质合金冲模、微型冲件用精密冲模使用金属 （黑色和有色金属）板材，通过冲裁模和精冲模，或根据零件不同的生产批量、冲件精度，采用单工序模、 复合模或级进模，等相应的工艺方法。2.塑料成型模具塑料注射模：立式、卧式、角式注射机用模具，无浇道模具，电视机壳、录音机壳、洗衣机桶、汽车保险杠、录

8、像（音）机盒注射模等。压缩模（含压胶模）、挤塑模（含传递模）、挤出模（导型材、管件、薄膜挤出模）、发泡模（含低发泡模）、吹（吸）塑模具、塑封模、滚塑模等使用热固性和热塑性的塑料，通过注射、压缩、挤塑、挤出、发泡、吹塑和吸塑等成形加工为合格塑件的塑件也具有板材和体积成形两种成形工艺3.压铸模热压室压铸机用压铸模、冷压室压铸机用压铸模、铝合金压铸模、铜合金压铸模、锌合金压铸摸、黑色金属压铸模等金属零件产品如汽车、摩托汽油机缸体，变速箱体等有色金属零件（锌、铝、铜），通过注入模具型腔的液态金属，加压成形4.锻造成形模具压力机用锻模、摩擦压力机用锻模、平锻机用锻模、辊锻机用锻模、高速锤机用锻模、开（闭

9、）式锻模、校正模、压印模、切边模、冲孔模、精锻模、多向锻模、胎模、闭塞锻模、冷镦模、挤压模、拉丝模等采用有色、 黑色金属的块料或棒材，丝材，经锻、镦、挤、拉等工艺成形加工成合格零件，毛坯和丝材5.铸造用金属模具易熔型芯用金属型模、低压铸造用金属型模、金属浇注用金属型模等液态金属或石蜡等易熔材料，经注入模具型腔成形为金属零件毛坯、铸造用型芯，工艺品等6.粉末冶金模具成型压模：实体单向、双向手动压模，手动实体浮动压模，机动大截面实体浮动压模，机动极掌单向压模，套类单向、双向、浮动压模整形模：分手动和机动模，径向模，带外台阶套类全整形模，带球面件模无台阶实体件自动整形模，轴套拉杆式半自动整形模，轴套

10、通过式自动整形模，轴套全整形自动模，带外台阶与外球面轴套自动全整形模等主要用于铜基、 铁基粉末制品的压制成形。 包括机械零件， 电器元件（如触头等），磁性零件、工具材料， 易热零件， 核燃料制件的粉末压制成形7.玻璃制品模具注压成形模、吹吹法成型瓶罐模、压吹法成型瓶罐模、玻璃器皿模具等用于玻璃瓶、罐、盒、桶，以及工业产品零件的成形加工8.橡胶成型模具压胶模，挤胶模，注射模，橡胶轮胎模（整体和活络模）， “o ” 形密封圈橡胶模等汽车轮胎、 “o ” 形密封圈及其它杂件， 与硫化机配套， 成形加工为合格的橡胶零件9.陶瓷模具各种陶瓷器皿等制品用的成形金属模具，压缩模；注射模等建筑用的陶瓷构件，陶

11、瓷器皿，及工业生产用陶瓷零件的成形加工10.经济模具（快速模具、简易模具）低熔点合金成形模具，薄板冲模，叠层冲模，硅橡胶模，环氧树脂模，陶瓷型精铸模，叠层型腔塑料模，快速电铸成形模，金属电弧喷涂快速模具，与快速原型结合的快速模具等适用多品种少批量工业产品用模具，或传统加工方法成本高、周期长甚至难以加工的产品，具有很高经济价值1.3.2模具的应用由表 1-1 可见， 每一类、 每一种模具都有其特定的用途和使用方法及与其相配套的成形加工机床和设备。模具的功能和应用与模具类别、品种有着密切的关系。因为，模具和产品零件的形状、尺寸大小、精度、材料、材料形式、表面状态、质量和生产批量等，都需相符合，要满

12、足零件要求的技术条件， 即每一个产品零件相对应的生产用模具，只能是一副或一套特定的模具。为适应模具不同的功能和用途，都需进行创造性设计，造成模具结构形式多变，从而产生了模具类别和品种繁多，并具有单件生产的特征。尽管如此， 由于模具生产技术的现代化，在现代工业生产中，模具已广泛用于电动机与电器产品，电子与计算机产品，仪表、家用电器产品与办公设备，汽车，军械，通用机械等产品的生产中。其主要原因是由于模具有一系列特点；1）模具的适应性强针对产品零件的生产规模和生产形式，可采用不同结构和档次的模具与之相适应。如为适应产品零件的大批量生产，可采用高效率、高精度和高寿命的、自动化程度高的模具；为适应产品试

13、制或多品种、小批量的产品零件生产，可采用通用模具，如组合冲模，快换模具（可用于柔性生产线） ，以及各种经济模具。根据不同产品零件的结构、性质、精度和批量，以及零件材料和材料性质、供货形式，可采用不同类别和种类的模具与之相适应。如锻件则需采用锻模，冲件则需采用冲模，塑件则需采用塑料成型模具，薄壳塑件则需采用吸塑或吹塑模具等。2）制件的互换性好即在模具一定使用寿命范围内，合格制件（冲件、塑件、锻件等）的相似性好，可完全互换。常用模具寿命参见表1-2。表 1-2 常用模具寿命模具种类和名称模具参考寿命 /万件说明冲模一般钢冲模100300平均寿命电机定转子硬质合金冲模40008000e 形电硬质合金

14、冲模600010000塑料注射模钢塑料注射模4060中碳钢制模具采用优质模具钢合金钢塑料注射模100 以上铸模中小型铝合金件用压铸模1020中大型铝合金件用压铸模57锻模齿轮精锻模11.5一般锤锻模12经济模具 （快速模具）硅胶模、金属电弧喷涂模具等0.000513）生产效率高采用模具成形加工，产品零件的生产效率高。高速冲压可达1800 次/min，由于模具寿命和产品产量等因素限制，常用冲模也在200-600 次/min 范围内。 塑件注射循环时间可缩短在 1-2min 内成形，若采用热流道模具，进行连续注射成形，生产效率则更高，可满足塑件大批量生产的要求。采用高效滚锻工艺和滚锻模，进行连杆锻

15、件连续滚锻成形。采用塑料异型材挤出模，进行建筑用门窗异型材挤出成形，其挤出成型速度可达)4m/min 。可见，采用模具进行成形加工与机械加工相比，不仅生产效率高，而且生产消耗低，可大幅度节约原材料和人力资源，是进行产品生产的一种优质、高效、低耗的生产技术。4) 社会效益高模具是高技术含量的社会产品，其价值和价格主要取决于模具材料、加工、 外购件的劳动与消耗三项直接发生的费用和模具设计与试模（验）等技术费用。后者，是模具价值和市场价格的主要组成部分，其中一部分技术价值计入了市场价格，而更大一部分价值，则是模具用户和产品用户受惠变为社会效益。如电视机用模具， 其模具费用仅为电视机产品价格的1/30

16、001/5000，尽管模具的一次投资较大，但在大批量生产的每台电视机的成本中仅占极小部分，甚至可以忽略不计，而实际上，很高的模具价值为社会所拥有，变成了社会财富。模具是现代工业生产中广泛应用的优质、高效、低耗、适应性很强的生产技术，或称成型工具、成型工装产品。模具是技术含量高、附加值高、使用广泛的新技术产品，是价值很高的社会财富。1.4模具的生产过程与工艺过程模具加工的工艺规程是规定模具零部件机械加工工艺过程和操作方法等的工艺文件。模具生产工艺水平的高低及解决各种工艺问题的方法和手段都要通过机械加工工艺规程来体现。因此， 模具加工的工艺规程设计是一项重要的工作，它要求设计者必须具备丰富的生产实

17、践经验和扎实的机械制造工艺基础理论知识。模具是机械产品， 模具的机械加工类同于其他机械产品的机械加工，但同时又有其特殊性。模具一般是单件小批量生产，模具标准件则是成批生产。成型零件的加工精度要求较高，所采取的加工方法往往不同于一般机械加工方法。模具加工工艺规程也具有其特殊的一面。1）生产过程生产过程是将原材料或半成品转变成为成品的各有关劳动过程的总和。一般模具产品的生产过程主要包括以下内容：生产技术的准备过程这个过程主要是完成模具产品投入生产前的各项生产和技术准备工作， 如模具产品的试验研究和设计、工艺设计和专用工艺装备的设计与制造，各种生产资料的准备以及生产组织等方面的准备工作。毛坯的制造过

18、程如铸造、锻造和冲压等。零件的各种加工过程如模具的机械加工、焊接、热处理和其他表面处理等。产品的装配过程包括部装、总装、检验试模和油封等。各种生产服务活动如生产中原材料、半成品、标准件、外购件和工具的准备、供应、运输、保管以及产品的包装和发运等。由上述过程可以看出，模具产品的生产过程是相当复杂的。为了便于组织生产和提高劳动生产率， 现代模具工业的发展趋势是自动化、专业化生产。 这样各工厂的生产过程就变得比较简单，有利于保证质量、提高效率和降低成本。如模具零件毛坯的生产，由专业化的毛坯生产工厂来承担，模具上的导柱、 导套、顶杆等零件和模架，由专业化的标准件厂来完成。这既有利于模具上各种零件质量的

19、保证，也有利于降低成本，对于专业化零部件制造厂和模具制造厂都是有利的。2）工艺过程在模具产品的生产过程中，那些与把原材料变为成品直接有关的过程，如毛坯的制造、机械加工、 热处理和装配等过程，称为工艺过程。 用机械加工的方法，直接改变毛坯的形状、尺寸和表面质量，使之成为产品零件的工艺过程，称为模具的机械加工工艺过程。确定合理的机械加工工艺过程后，以文字形式形成施工的技术文件，即为模具的机械加工工艺规程。1.5模具制造技术的现状与发展趋势1.5.1模具制造技术的现状模具是当代工业生产的重要手段和工艺发展方向，在电子，汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电和通讯等产品中，60 80的零部件都要依靠模具成

20、形。模具生产技术水平的高低，已成为衡量一个国家制造业发展水平的重要标志，在很大程度上决定着产品的质量、效益和其世界范围的竞争力。目前， 世界各发达国家都十分注重模具工业的发展，近年来世界模具年总产值在600650 亿美元之间，其中亚洲占40%。1.5.2模具制造技术的发展趋势随着我国社会主义市场经济的不断发展工业产品的品种增多，产品更新换代加快，市场竞争日益激烈。 因此模具质量的提高和生产周期的缩短显得尤为重要，促使模具制造技术的发展出现以下趋势。1）模具粗加工技术向高速加工发展。以高速铣削为代表的高速切削加工技术代表了模具零件外形表面粗加工发展的方向。高速铣削可以大大改善模具表面的质量状况，

21、并大大提高加工效率和降低加工成本。例如 ingersoll公司生产的vhm 型超高速加工中心的切削进给速度为76m/min ，主轴转速为45000r/min ；瑞士 sip 公司生广的afx 立式精密坐标镗床的主轴转速为30000rmin；日本森铁工厂生产的mv 一 40 型立式加工中心，其转速达40 000r/min, 另外，毛坯下料设备出现了高速锯床、阳极切割和激光切割等高速、高效率加工设备，还出现了高速磨削设备和强力磨削设备等。2）成形表面的加工向精密、自动化方向发展。成形表面的加工向计算机控制和高精度加工方向发展。 数控加工中心、 数控电火花成形加工设备、计算机控制连续轨迹坐标磨床和配

22、有 cnc 修整装备与精密测量装置的成形磨削加工设备等的推广使用，是提高模具制造技术水平的关键。3）光整加工技术向自动化方向发展。当前模具成形表面的研磨、抛光等光整加工仍然以手工作业为主，不仅花费工时多，而且劳动强度大、表面质量低。工业发达国家正在研制由计算机控制、 带有磨料磨损自动补偿装置的光整加工设备可以对复杂型面的三维曲面进行光整加工，并开始在模具加工上使用，大大提高了光整加工的质量和效率。4）反向制造工程制模技术的发展。以三坐标测量机和快速成形制造技术为代表的反向制造工程制模技术， 是一种以复制为原理的制造技术。它是模具制造技术上的又一重大发展，对模具制造具有重大的影响，这种技术特别适

23、用于多品种、少批量、形状复杂的模具制造、对缩短模具制造周期进而提高产品的市场竞争能力有重要意义。5）模具 cad/cam术将有更快的发展。模具 cad/cam技术在模具设计和制造上的优势越来越明显，它是模具技术的又一次革命普及和提高模具cad/cam技术的应用是模具制造业民展的必然趋势。6）先进制造技术的引入。随着现代制造技术的发展，一些比较先进的制造技术逐步被引入到模具工业中。如快速原型技术、高能束技术等，使得模具的制造手段更加多样化，并实现传统加工方法难以完成的结构特征制造，缩短加工周期，降低生产成本。1.6快速模具制造技术1.6.1快速模具制造技术简介随着全球经济的进一步一体化，制造业竞

24、争显得越发激烈。如何缩短生产周期并降低成本， 成了制造商首要考虑的问题。快速成形与制造 (rpm ： rapid prototyping&manufacturing)是集激光、材料科学、信息与控制技术等为一体的分层层积技术，堪称20 世纪后半期制造技术最重大的进展之一。rpm 技术诞生20 余年来已在汽车、家电、航空、医疗等行业中得到广泛应用。国外大型企业如通用、福特、法拉利、丰田、麦道、ibm、at&t 、motorola等以及我国的一些著名企业，积极在产品设计过程中采用这项技术，进行产品的有关设计检验、外观评审、装配实验、动态分析、光弹应力分析、风洞实验等，成功地实现了面向

25、市场的产品造型设计敏捷化。多品种小批量时代的逐步来临使得企业要求模具制造能保证新产品快速占领市场，开发快速经济模具越来越引起人们的重视，例如用环氧聚脂或其中混入金属、陶瓷、 玻璃等增强材料制作的快速软模，可用于上百件注塑成形以及汽车覆盖件试制。其主要特点是制造工艺简单、生产周期短、价格便宜。但由于材料的导热性和机械性能不高，这种模具难以用于高频率的批量注塑成形以及金属拉延件批量成形。水泥、陶瓷制作的汽车覆盖件模具还有待进一步改善。相比之下，由于金属材料具有优良的综合性能，金属模具低成本快速制造成为rpm 技术的努力目标。快速制造金属模具(rmt ：rapidmetaltooling) 是 rp

26、m 技术进一步发展并取得更大经济效益所面临的关键课题，世界先进工业化国家的rpm 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rmt 方向发展， rmt已成为 rpm 技术研究的国际前沿，该技术被美国汽车工程杂志评为全球15 项重大技术之首，受到全球制造业的广泛关注。1.6.2快速模具技术分类及特点传统的模具制造方法可分为两种, 一种是借助母模翻制模具, 另一种就是用数控机床直接制造模具。在新产品开发过程中, 减少模具制造所需成本和时间对缩短整个产品开发时间及降低成本是最有效的步骤, 快速成型技术的一个飞跃就是进入模具制造领域, 其潜力所在正是能降低模具制造成本并减少模具开发时间。

27、将快速成型技术引入模具制造过程后的模具开发制造就是快速模具制造。目前已提出的众多rmt方法可分为由cad数据及 rp系统制作的快速原型或其他实物模型复制金属模具的间接法和根据cad数据直接由rp系统制造金属模具的直接法两大类。如图 1-1 所示。直接法虽然受到关注，但由于尺寸范围及精度、表面质量、综合机械性能等方面存在问题，离实用化尚有相当差距，目前最成熟的rmt 法是间接法。图 1-1 基于 rp的快速模具制造方法的分类及应用的流程框图1)直接制模法直接法尤其是直接快速制造金属模具(drmt ：directraoid metal tooling) 方法在缩短制造周期、节能省资源、发挥材料性能

28、、提高精度、降低成本方面具有很大潜力，从而受到高度关注。目前的drmt 技术研究和应用的关键在于如何提高模具的表面精度和制造效率以及保证其综合性能质量，从而直接快速制造耐久、高精度和表面质量能满足工业化批量生产条件的金属模具。目前已出现的drmt 方法主要有：以激光为热源的选择性激光烧结法(sls?se lectivelaser sintering)和激光生成法 (lg?lasergenerating) ；以等离子电弧等为热源的熔积法 (pdm ：plasmadetmsitionmethod，或 ppw ：plasma powder welding) ；喷射成形的三维打印法 (3dp：thre

29、edimensionalprinting)。sls选择性激光烧结sls选择性激光粉末烧结法的工艺大致为：先在基底上铺上一层粉末，用压辊压实后，按照由 cad数据得到的层面信息，用激光对薄层粉末有选择地烧结。然后将新的一层粉末通过铺粉装置铺在上面，进行新一层烧结。反复进行逐层烧结和层间烧结，最终将未被烧结的支撑部分去除就得到与cad形体相对应的三维实体。激光熔敷lg中有代表性的sandianationallab 的 lmf(lasermetalformina) 工艺是在激光熔敷基础上开发的直接制模工艺，该工艺采用高功率激光器在基底或前一层金属上生成出一个移动的金属熔池， 然后用喷枪将金属粉末喷入

30、其中，使其熔化并与前一层金属实现紧密的冶金结合。在制造过程中，激光器不动，计算机控制基底的运动，直到生成最终的零件形状。制件密度为理论密度的90，强度接近于铸件，机械性能较好，而且还可调整送粉组分实现组织结构优化。但由于残余热应力的影响和缺乏支撑材料，精度难以保证， 只适用于简单几何形状的模具，而且与sls过程类似，由于未熔颗粒的粘结，ra只达到 12m 。三维打印3dp工艺类似喷墨打印机，铺粉装置将一层粉末铺在基底或前一层粉末上面，通过喷头在粉末上喷射固化结合剂，层层堆积形成三维实体，经过烧结、浸渗，得到最终的模具。michaelss等采用 mit的 3dp技术直接制造的模具密度相当于理论密

31、度的60， 强度低于铸件，而且精度和表面粗糙度差。等离子熔积等离子熔积法 (pdm) 具有使用材料范围广、能获得满密度金属零件的特点。起源于前德国 kruoo 和 thvssen 公司的埋弧焊接，能够实现大型或特大型容器的成形焊，其机械性能、组织优于铸锻组织，通过适当选择工艺参数可以减少残余应力和裂纹发生，提高堆焊高度。此外，薄钢板的lom 技术也可制造金属模具，但叠层间需焊接等紧固处理，且材料利用率低，薄板热变形也影响成形精度和粗糙度。分层金属片板使用金属片板生产分层金属模具的设想和lom的过程类似。 不过，与一般的lom 不同的是，它直接在成型机上进行金属薄板的叠层制造，根据 cad模型，

32、采用激光或水射流方法形成轮廓。采用扩散粘结将切割的薄板叠全起来，形成伪金属实体零件，由于板村的厚度较大，会产生台阶效应，因此需要精加工处理，同时必须解决结合技术的问题，确保最终产品的结构完整。然而， 上述方法都是基于堆积成形的原理，不可避免要产生侧表面阶梯效应，致使精度低、表面质量差，且存在综合力学性能不高等方面的问题，目前尚多用于金属零件的制造。值得注意的是， stanford大学的 amonc.h等人最近开发出形状沉积制造(sdm) 工艺，并研制出与 cnc加工集成的装置。 其工艺特点是利用焊接原理熔化焊材( 丝状) ，并借助热喷涂原理使超高温熔滴逐层沉积成形，实现层间冶金结合。但因焊接弧

33、柱的不稳定、以及可控参数的协调性等问题， 很容易出现翘曲和剥离。采用 cnc对外轮廊和表面精整，在解决 rpm 技术中共有的、因逐层堆积产生的侧表面阶梯效应造成的精度和表面质量问题方面做了有益的尝试，但这种工艺目前尚局限于简单形状金属零件制造。2) 间接制模法直接制模法根据要求，能够在不同部位采用不同材料。然而， 直接制模法受到工艺本身限制， 制造的模具在表面及尺寸精度、大小规格、 形状自由度等方面尚不能满足高精度金属模具的要求。具有竞争力的快速制模方法主要是将快速成型与铸造、喷涂、电镀、粉末成型等传统成型工艺相结合的间接制模法。间接制模法主要有以下几种方法。1)铸造用快速模传统的使用rp模型

34、的金属零件铸造通常不被认为是rt,而是快速加工或者快速铸造。然而，它是rp与模具有关的最普遍的应用，它直接导致了rt的产生。除去那些铸造方法，铸造工业有一个核心工序，就是利用物理模型生产可用来铸造金属的模具。铸造模型产生过程中使用 rp技术，使得铸造厂在生产少量金属零件时可以不使用模具。a)陶瓷型精密铸造法在单件生产或小批量生产钢模时,可采用此法。其工艺过程为:rp 原型作母模浸挂陶瓷沙浆在烤炉里固化模壳烧去母模预热模壳烧铸钢( 铁)型腔抛光加入烧注、冷却系统制成生产用注塑模。其优点在于工艺装备简单,所得铸型具有极好的复印性和极好的表面光洁度以及较高的尺寸精度。工程塑料可以高温气化,没有残渣,

35、适用于熔模制造。b)砂型铸造法用 rp 原型作模型来制作砂型 , 再铸钢而得到模具的工作部分,可以使浇钢的性能得到大幅提高,用此法几乎可以制造各种模具,且模具寿命不会有大的降低。abs 材料的高强度特性, 适合制造大的坚固实心模型。c)石蜡精密铸造法在批量生产金属模具时一般可采用此法。先利用rp 原型或根据翻制的硅橡胶、金属树脂复合材料或聚氨脂制成蜡模的成型模,然后利用该成型模生产蜡模,再用石蜡精铸工艺制成钢 ( 铁) 模具来。 另外, 在单件生产复杂模具时,亦可直接用rp 原型代替蜡模。 若用 sl法, 可将原型制成疏松多孔的蜂窝状结构以便快速浇损,在氧气充足的条件下,树脂原型可在 980左

36、右分解成水气和co2。d)石膏铸造法利用 rp 原型翻制成石膏铸型，然后在真空下浇铸铝、锌等非铁合金模,它可小批量生产注塑产品。用rp 原型作模型浇注低熔合金,作成低熔合金模,可用来压制铸造用的砂芯。软模软模（ softtooling)基于模具的刚性和耐久性，相对于比较硬的金属模具讲，一般把聚合模具当作软模。a)硅胶模硅胶模应用非常广泛。首先用rp 法制作出“正”的与待成型件相同的母模, 然后在母模周围浇满硅橡胶。固化后, 沿所要求的分型面将硅橡胶切开, 取出母模后就制成了硅胶模。为了保证硅胶模的质量 , 要求母模表面经过抛光处理, 因为模具翻制过程中会将母模表面的几乎所有特征包括细微的手印复

37、制到硅胶模成型面上进而复制到零部件上。硅胶模具有制作速度极快 , 可以浇铸多种热固性塑料, 成型件具有较好精度 , 价格非常便宜等优点 , 但硅胶模的使用局限于低压， 小体积和低温的生产过程不能制作精度要求很高的零件, 寿命短 , 通常只能浇铸 2530 件。b)环氧树脂模使用环氧树脂模经常是完成注射模生产的功能件短期运转的最快的方法，制作过程类似硅胶模生产过程 , 只是将硅胶换成了掺有铝粉的环氧树脂。整个模具需分两次浇铸制成, 因为环氧树脂不能象硅胶那样用刀切分型。环氧树脂在固化过程中伴有少量收缩, 因此母模常会损坏。环氧树脂的导热性极差, 用纯环氧树脂制作的模具进行注塑成型时的热量难以散出

38、,解决的办法就是在制作环氧树脂的模具特征表面, 背后充填导热性好的材料。这样制作的模具具有很好的抗压强度 , 完全可以用于注塑成型一类的压力成型, 具有研磨性的材料也可以注塑, 寿命达数千件。环氧树脂模具与传统注塑模具相比，成本只有传统方法的几分之一，生产周期也大大减少。模具寿命不及钢模，但比硅胶模高，可达5005000 件，基本可满足中小批量生产的需要。硬模硬模（ hardtooling）通常指的就是钢质模具，即用间接方式制造金属模具和用快速成形直接加工金属模具。a)金属喷涂模用高速隋性气体将熔化的金属液体雾化，喷射在石蜡、塑料或陶瓷原型( 通过sla 、sls或 lom方法制造 ) 上，生

39、成一薄层金属，补强背衬并除去原型后得到模具。受喷涂设备和母模受温限制 , 通常所用金属材料是低熔点金属, 如铅锡合金、锌合金和镍等, 常用的喷涂方法是电弧喷涂。如果母模能够耐受高温, 也可以喷涂高熔点金属如不锈钢。此法可制作注塑模具和冲压模具， 但是为了提高制件的表面质量和机械性能需要进行时效处理，增加了制模时间。b)镍和陶瓷混合物模具制造技术此法利用塑料rp 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, 要求陶瓷材料具有很

40、小的收缩系数和合适的热物理性能。这种复合材料模具非常适合制造尺寸较大零件( 大于250mm250 mm250 mm), 如若母型用立体光造型方法制作, 则此法的尺寸精度将不低于原型件的精度 , 用于塑料注射成型时其寿命至少为5 000 件。此方法比较关键问题是电镀壳体所需的时间较长。c)3d keltool模keltool是目前被认为最有发展前景的一种快速制造金属模具的方法。它首先用rp 母模型制造出精度较高等的硅胶模, 再往硅胶模中注入精细粉状的a6 工具钢 ( 或不锈钢)与颗粒更加细小的碳化钨的混合物( 注意粉末颗粒的大小是控制模具最终质量的一个非常重要的因素) 。然后再向混合物中加入环氧

41、树脂类的粘结剂, 从而使金属粉末混合物在硅胶模中形成绿件。开模后把绿件在炉中加热从而使粘结剂挥发，同时使金属粉末混合物烧结成型,这时的模件中仍有30 % 的空隙 , 所以还需做最后渗铜处理, 最终得到可用于大批量生产( 达百万件) 的硬模具。d)利用 rp 原型制作电火花加工（ edm) 用的电极edm方法在模具制造领域应用非常广泛, 它可用来加工形状极其复杂的型腔和型芯, 它可以加工硬度极高的用cnc机床无法加工的材料 , 它还可以加工热处理后的材料, 从而避免加工后热处理造成的热变形。edm 电极的质量是影响加工件质量的关键因素, 电极本身的费用占 edm加工过程费用的50 % 80 %

42、。目前多用石墨或铜电极, 其使用寿命极短 , 有时为加工一个型腔需更换多个电极, 严重影响edm的加工效率。用rp方法就可快速制造任意形状的 edm电极, 可以弥补这个不足。石墨电极成形法。 利用 rp 原型翻制石墨电极研具,再利用研具采用平动研磨法制造石墨电极 , 然后用电火花加工金属模具。电铸铜电极法。它是在rp 原形表面喷涂一层导电介质,然后用电铸法在rp 原型的表面沉淀一层一定厚度的铜得到电镀铜电极,再利用电极电火花加工模具。电极成形法的优点在于随着模具型腔复杂程度的提高,批量的增大,其优越性就越能得到体现。运用rt技术突出的特点就是其显著的经济效益。由于基于rp技术的快速模具制造由于

43、技术集成程度高，从cad数据到物理实体转换过程快，因而同传统的数控加工方法相比，加工一件模具的制作周期仅为前者的1/3 1/10， 生产成本也仅为1/3 1/5 。表 1-3 为基于rp m 原型快速制作快速模具的技术选择：表 1-3快速模具技术的选择项目硅橡胶直接aim模喷涂金属模锌合金模slsrapidtool3dkellool铣削铝模研制周期/ 周0.5-21.5-32-42-32-53-62-6成本/ 万美元0.1-0.50.2-0.50.2-1.50.4-1.50.4-1.00.35-1.00.4-2.5典型件数10-5010-5050-100050-100050-10000050-

44、1000000050-1000000模具精度/mm0.05/250.08/250.05/250.025/5特征细节公差/mm0.050.1270.05注：研制周期系指模具从设计到进入市场的时间（leadingtime）由表可见， 虽然目前由于高速铣削技术的发展，大大促进了模具的制造速度，但是各种rp+rt 技术更具有强大的生命力。无论是硅胶模、 喷涂金属模、 锌合金模， 还是直接aim 模、sls rapidtool 技术、 3d keltool技术，都有着其市场的需要和发展的空间。1.6.3汽车行业对快速模具开发技术的需求金属板料冲压模是工业生产中最重要的模具种类之一，约有 50% 以上的金

45、属板材是通过模具加工成形的，我国模具工业产值的50%60%集中在冲压模具上。汽车覆盖件模具是金属板料冲压模具的典型代表，对模具设计制造、冲压工艺、材料等都有非常高的要求，是一个国家冲压模具制造水平的重要标志。多年来， 汽车模具， 特别是轿车车身覆盖件模具一直是制约我国轿车工业发展的瓶颈。汽车工业是我国国民经济五大支柱产业之一，为了适应市场需求，汽车换型时间不断缩短，轿车一般为34 年。一个型号的轿车，所需模具达几千副，价值数亿元，轿车换型时，有 80的模具需要更换 , 一个车型平均需大中型覆盖件模具约260 副，每副大中型覆盖件模具平均按 2400 工时计算，每年就需936 万工时。而目前我国

46、大、中型汽车模具生产能力只有 500 万工时年，尚缺436 万工时年，满足率只有53.4，因此，发展大中型汽车覆盖件模具生产能力和开发技术是我国发展汽车工业的当务之急。要想在激烈的国际竞争中占有一席之地，汽车企业必须建立起技术创新机制，成为自主的 r&d主体，逐步摆脱对技术引进的依附。因此, 我国对新车型试制技术和车身模具开发技术有更紧迫的需求，发展快速模具制造技术意义重大。在新车型开发过程中，样车试制是其中的重要环节，为了能真正反映产品的工艺性能和设计性能， 国外样车车身一般采用接近正规生产工艺来制造，其基本流程为： 简易模具制造拉延成形激光切边用数控制造的胎模翻边在小型环形装配线或

47、装配台上焊接激光监测车身尺寸质量，其中最重要的是简易模具制造和板金件拉延成形。国内样车金属钣金件传统上大多以手工敲制为主，无法准确反映产品的工艺性能和装配关系，致使在产品投产后才暴露大量的工艺和质量问题，不得不进行较长时间的质量攻关。目前国内汽车车身试制模具技术主要还是依靠国外，制造周期长、成本高, 一般需618 个月，主要原因是不具备快速低成本的车身模具制造技术和手段，造成汽车换型缓慢。针对目前现状， 如果亦步亦趋重复工业发达国家走过的老路，很难使我国在短时间内跻身于模具制造强国之列，必须从我国工业实际基础出发，抓住重点，突出特点，走超常规发展的道路。 除加强 cad/cae/cam 技术的

48、应用和开发以外，要特别注重快速模具制造技术的研究和应用。今日之世界， 不是大的战胜小的，而是快的击败慢的，领导通用击败福特的斯隆就曾提出“式样年年翻新、产品档次齐全”的产品创新战略。降低成本、缩短交货时间、迅速响应市场变化、 快捷适应产品设计变更是新世纪模具制造技术的重要发展方向，各种新型的快速模具制造技术得到人们极大的关注，其中金属电弧喷涂快速制模技术已在汽车覆盖件样件制造领域得到了很好的工程应用，是极具前途的一种快速制模技术。本书将主要介绍金属电弧喷涂快速制模技术在汽车覆盖件样件制作领域的应用。1.7金属电弧喷涂快速制模技术1.7.1金属电弧喷涂技术原理电弧喷涂技术是一种热喷涂技术。热喷涂

49、是指利用不同的热源来加热各种被喷涂的材料至熔融状态，并借助于雾化气流的加速使其形成“微粒雾流”，高速喷射到经过表面预处理的基体上， 形成与基体紧密结合的堆积状喷涂层的技术。电弧喷涂过程中，送丝机构将两根导电金属丝连续均匀地送入电弧喷枪中的两个导电嘴内，导电嘴分别连接电源的正极和负极，保证两根丝分别带上正电和负电，并在两根丝交叉处之前绝缘。当两丝材端部在喷嘴的交叉处互相接触时，两根丝之间就形成短路而产生电弧，使丝材端部熔化，熔化后的金属液滴被压缩空气雾化并加速，以很高的速度喷射到母模表面，与母模表面机械结合，形成电弧喷涂涂层。电弧喷涂原理如图1-2。图 1-2 电弧喷涂原理图1.7.2金属电弧喷

50、涂技术特点电弧喷涂与其他热喷涂技术相比，具有以下几方面优点。1) 结合强度高电弧喷涂时喷涂金属材料受到高温电弧的直接加热，电弧温度高达6000，粒子加热的程度要远较火焰喷涂时高，喷涂粒子的尺寸通常又较火焰喷涂时的粒子大。电弧喷涂时，粒子的热能与动能均较高，熔滴温度高，粒子变形量大，因此应用电弧喷涂技术，可以在不提高基体温度、 不使用贵重打底层材料的情况下获得高的结合强度，结合强度可达到20mpa以上。2) 高效、节能及成本低电弧喷涂的高效率表现在单位时间内喷涂金属材料的质量大。电弧喷涂的生产效率正比于电弧电流。表1-4 是喷涂不同材料喷涂电流为100a 时所能够达到的生产率（kgh-1)。当喷

51、涂电流为300a 时，喷涂各种钢丝时15kgh-1。喷涂锌时30kgh-1。喷涂同种金属丝材，电弧喷涂效率比火焰喷涂提高26 倍。当需要更高的生产效率时，可以使用更高的电流。电弧喷涂枪的最大电流可达1400a。表 1-4 各种材料的电弧喷涂生产率喷涂材料每 100a 的生产率 /kgh-1喷涂材料每 100a 的生产率 /kgh-1锌10钢4.2-5.1铝2.780/20nicr5.4巴氏合金20-28钼3青铜6.2-6.8电弧喷涂的节能效果十分突出，能源利用率显著高于其他喷涂方法。由于喷涂电弧直接作用于喷涂金属丝的端部而用来熔化金属，能源利用率可达90%，是所有喷涂方法中能源利用最充分的。电

52、弧喷涂时的电费只相当于火焰喷涂时氧气、乙炔费用的1/151/20。3) 可以方便地制备复合合金涂层电弧喷涂时只需要使用两根成分不同的金属丝就可以制备出“伪合金”涂层，获得独特的综合性能。 涂层中粒子之间还会存在少量的两种材料的合金或金属间化合物。这种伪合金涂层往往兼具两种组成成分的耐磨性和高导热性能，可以用于喷涂刹车盘。低碳钢-蒙乃尔（铜镍合金）的“伪合金”涂层收缩率特别低，易于机械加工，便于喷涂内孔及修补紧密表面上的缺陷；低碳钢与锡青铜的“伪合金”涂层是修复重型机床导轨的好材料。4) 喷涂质量容易保证电弧喷涂时，喷射出的每个粒子都是丝材被电弧熔化后所形成的微小液滴，而不像火焰或等离子喷涂那样

53、将固态粉末送到火焰中去加热。因此粒子得到充分而均匀的加热，从而保证了喷涂涂层的质量。5) 设备造价低，使用维护容易电弧喷涂设备要比等离子喷涂设备简单，体积小，质量轻，设备移动容易。不需要瓶装气体，也不需要燃料。设备中唯一的易损件是喷枪中的导电嘴，但它的成本也很低，消耗量也不大。设备对基体环境要求低，可长期可靠地在环境恶劣的现场使用。6) 安全性好电弧喷涂技术仅使用电和压缩空气，不用氧气、乙炔等易燃气体，安全性高。但由于电弧热源温度高， 造成在喷涂过程中元素因蒸发和氧化导致烧损量增加，因此在涂层中元素含量比火焰喷涂层少。在喷涂碳钢时，由于碳元素烧损大，而导致涂层硬度降低。而且电弧喷涂材料的范围比

54、使用粉末材料的喷涂方法窄得多。1.7.3金属电弧喷涂快速制模技术电弧喷涂时， 熔化的金属液滴通过压缩空气的作用被雾化并加速，以一定的速度撞击并沉积到母模表面，快速凝固后形成具有一定厚度的金属型壳。型壳拷贝了母模的形状，具有比较好的复型性，从而获得所需的模具型面。对金属型壳进行背衬强化、脱模、加工抛光等后处理工艺， 即得到电弧喷涂快速模具。将快速模具进行试模调试之后，便可以用来冲压零件。电弧喷涂快速制模技术的工艺过程如图1 -3 所示，这种制模方式工艺简单, 成本比较低, 周期比较短 , 复型性强。电弧喷涂快速模具主要分为三部分：金属型壳，围框和背衬。围框是由钢板焊接而成，用树脂粘结在型壳上，主

55、要用来支撑型壳和起骨架作用。背衬层由背衬材料充填而成，粘附在金属喷涂层下方，起着支撑和增加强度的作用。其结构示意图如图1- 4。图 1- 3 电弧喷涂快速制模技术工艺过程图 1- 4 电弧喷涂快速模具结构示意图电弧喷涂快速制模工艺过程以喷涂母模为基准，模具型腔的尺寸、表面粗糙度和几何精度等完全复制于母模，所以母模的好坏直接决定着模具的成型性和模具的质量，是快速制模的最关键环节之一 9 。电弧喷涂快速制模技术的母模可以是实物模型或者原型，也可以是过渡模型等，或者通过数控加工的木材、石膏等非金属材料获得。电弧喷涂快速制模技术和传统钢模制造技术相比，主要优点是制造周期短，成本低。 制作周期的缩短主要

56、是由于模具加工时间大大的减少，制作成本的降低主要是由于模具的加强和支撑部分大部分都是用树脂砂等廉价材料替代了原来的钢材，从而降低了成本。 电弧喷涂快速制模技术广泛应用于注塑模具、车身覆盖件模具等快速模具的制造，适合小批量、 多品种产品的开发和试制与生产。1.7.4金属电弧喷涂快速制模技术研究现状1）国外研究现状在国外，金属喷涂快速制模技术也有人称作熔射快速间接制模法。badaerpattern公司、东京大学和日产汽车公司的熔射制模法的母模都是快速原型，bader pattern 公司只能熔射低熔点锌合金，东京大学和日产汽车公司的熔射制模法采用不锈钢作为熔射材料，制得的不锈钢模具已用于数万至二十

57、多万件的轿车覆盖件成形。英国的sprayform tools&dies ，ltd.公司开发了一种电弧喷涂钢基材料快速制造注塑模具的工艺，他们采用氧化铝粉末与硅胶混合物烧结的方法制造母模，然后再在其表面喷涂钢涂层，最终得到钢制模具。福特公司利用高熔点金属电弧喷涂制模技术，生产出用于批量生产的冲压模具。他们是利用机器人在冷冻陶瓷反形上喷涂沉积一定厚度的金属。第一步， 利用五轴数控机床在一个成本低且容易加工的方形板上加工出模具的反形。第二步用围框将反形围起来，浇注氧化铝和硅溶胶的混合泥浆，然后将模型冷冻干燥，得到精确的耐火母模。冷冻凝固是一个不可逆的凝固过程， 使用这种方法来制模主要是因为它可以得到裂纹少和收缩小的模型，可以得到非常精确的模型。第三步， 利用烘箱将冷冻陶瓷模型进行干燥和加热。