模具论文

摘要：将快速原型技术与金属电孤喷潦技术相结合，开发一种新的扳料成形模具快速制造方法。介绍了该方法的关犍工艺和实施步骤．井通过具体实倒对试方法进行验证。实践表明，谊方法制模周期短、成本低．模具综合性能好，在复杂冲压模吴试制、冲压件小批量生产中具有很好的应用前景。 关键词：模具制造；快速原型；电弧喷涂；板料成型

自由曲面拉延件在汽车车身中占有很大比例。此类零件冲压工艺复杂，其模具制造周期长、成本高，一般要通过反复调试、修正才能满足要求。为了适应激烈的市场竞争，在新产品开发或小批量试翩时经常采用制造周期短、成本低的简易模具-如低熔点合金模、锌基合金模、环氧树脂模等。目前这些方法在工程实践中都有应用，但仍然存在这样或那样的缺点。本文采用金属电弧喷潦(arc meta[spraying，AMS)技术实现简易冲压模具快速制造。AMs工艺简单、成本低、模具复型性好。进一步将AMs技术与快速原型(rapidprototyping，RP)技术结合，能实现冲压模具制造的快速闭环反馈控制，缩短模具开发周期，降低开发成本。 1 RP技术与快速模具制造

RP技术是20世纪90年代兴起的一项全新制造技术，已经在产品设计评估、产品功能试验、模具制造等方面得到广泛应用。RP技术校心由两部分组成：①对复杂三维CAD模型“切层”，生成一系列简单的二维平面轮廓数据。②成形材料遥层叠加生成三维实体零件。RP制造技术不同于传统的材料去除加工方法，它体现的是全新的材料“生长”理念，实现了制造的快速性、柔性化和集成化．RP制造技术以重复的简单二维操作实现三维复杂零件成形，所以其制造遵度和成本与零件复杂性无关，特别适合于制造形状复杂、传统方法难以加工甚至无法加工的零件． 模具制造是RP技术最重要的应用领域。以RP技术为核心形成了新的模具快速制造理念，即RT(rapid tooling)技术。近年来，RT技术的研究和工程应用发展迅速，按模具制造方式RT技术可分为直接制模莹和间接制模法两大类r“。直接制模法是指由RP制造系统直接制造出供生产使用的模具，而不经过中间转换环节的方法．主要有烧结浸渗法、金属熔积法、薄钢板层叠法等[1]。这种方法不依赖传统模具制造工艺．易于实现自动化，受到广泛重视，但目前基本处于研究阶段，离工程实用还有一定距离。间接制模法是以RP原型作为模型．通过复型方法结合传统工艺制造模具的方法，主要有硅橡胶模，环氧树脂模、金属喷涂模、Kehool模、精密铸造模等。这种方法比较灵活、应用范围广，可翻造多种材料的模具，是目前实现RT的主要途径．并在实际工程中得到不同程度的应用。以往的实践表明，运用RP／RT技术比传统的数控加工制造模具，周期缩短1／lO～l／3，成本降低1／5～1／3[2]。 2金属电弧喷涂模具制造工艺 电弧喷涂的基本原理是以两根分别接直流电源正负极的金属丝(直径2 mm～3 ram)作自耗性电投，利用其端部产生的电弧将自身熔化I处于电弧点正后方的喷嘴射出高速、高压空气使熔化的金属脱离且雾化成微粒，以极高速度撞击基体表面，形成光滑、致密、低气孔率的金属涂层。电弧喷涂的主要优点如下伽：④粳粒变形充分，孔隙率低，涂层均匀致密}②喷涂时基体受热轻微，涂层应力小，基本无变形}③喷涂效率高，对于锌丝喷涂速率可达到30 kg／h。 电弧喷涂工艺参数主要有电压、雾化气压、喷涂距离和喷枪移动速度等。电弧电压影响金属颗粒的粒度大小．电压太高、太低都会造成粒子尺寸增大．影响徐层致密度。雾化气压影响金属颗粒的粒度和氧化程度．气压过低时，易形成粗大颗粒，滁层氧化物含量增加．变得疏松，但过大的气压会干扰热源。喷涂距离对金属颗粒飞行时间、涂层温度变化有较大影响，随着喷涂距离的增加，金属颗粒温度、沉积率下降，造成涂层致密度降低，硬度下降，涂层中氧化物含量增加，过小的喷涂距离会造成涂层表面温升大，内应力增加，容易引起涂层鼓包缺陷。喷枪移动速度对涂层局部沉积速度、温度变化有很大影响，速度太低会造成局部热量聚集，导致内应力增加。引起涂层鼓包缺陷；模具喷涂时，应该选较大的喷枪移动速度．对于面积较小的模具，应采用问歇璜涂方式，以避免局部热量聚集。 电弧喷涂技术最早用于金属表面防护．进入20世纪80年代．该技术逐渐被用于模具制造，但以往的应用多局限于注塑模制造[2]。本文尝试将该技术用于简易板料成形模具制造。ASM模具制造就是在预先制各好的模具原型上喷涂金属，形成均匀致密的金属薄壳，然后在此金属薄壳内填充加固材料，形成坚固的表面金属化简易模具。AMS工艺流程见图1。

图1 AMS模具造工艺流程 ASM制模技术具有以下优点：①工艺简单，不需要价格昂贵、复杂的机械加工设备}制模周期短，成本低，特别适合于新产品开发和小批量生产．符合日趋激烈的市场竞争的需求．②与非金属材料模具，如环氯树脂模相比，表面硬度、耐磨性、光洁度等性能太槽度提高。③复型性好。对模型材料要求较低，能在金属、木材，塑料、石膏等多种材料制作的模型表面喷涂。④制模精度高，在适当的喷涂工艺条件下基本无热变形问题，这一点优于低熔点台金模和锌基台金模。⑤对模具尺寸适应性强，从数平方毫米到敷平方米的模具都可进行喷涂成形。

3 RP技术和AMS技术结合的模具快速制造系统

从目前RP技木的发晨水平看，要直接制造出供生产用的模具还比较困难，将RP技术与传统制模工艺相结合仍然是快建模具制造的主要方法。AMS技术很适合于简易模具制造。但其前提是要有预先制备好的零件或模具原型。将RP技术和AMS技术相结合能充分发挥二者的优势．称这种方法为RP—AMS模具制造方法，在此基础上可以形成模具设计到模具制造的快速闭环反馈系统（见图2）。

图2 RP—Ac蜥料戚形横^棚造快速闭环反馈系蛀 该系统工作过程如下：①由cAD或快速反求系统给出初始设计，并将设计数据转换为STL模型{②由RP系统制造模具原型．原型材料根据具体的RP工艺而有所不同；@采用AMS工艺制造简易冲压模具iRP原型不一定适合直接用于AMS工艺或者为了节省费用，往往需要进行模型转换，如翻制石膏模、硅橡胶模等；④零件试冲压，进行质量及精度评价，对于金属板料成形件主要考察其开裂、起皱及回弹情况；根据评价结果提出模具修正方案；⑤将修正方案输CAD系统，或者通过快速反求技术获得新的模具STL模型，然后制作新的RP原型和新的简易模具；⑥通过一到两次的循环迭代，即可获得较满意的金属喷涂模具。这样的模具可用于新产品试制和小批量生产．更重要的是模具设计数据可以直接用于钢模具制造。

4 快速成型 4.1快速成性原理 快速成型技术是将计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机数字控制(CNC)、精密伺服驱动、激光和材料科学等先进技术集于一体的新技术。其基本构思是：任何三维零件都可以看作是许多等厚度(或不等厚度)的二维平面轮廓沿某一坐标方向叠加而成。因此，依据计算机上构成的产品三维设计模型，可先将CAD系统内的三维模型沿高度方向切分成一系列平面几何信息，即对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓，按照这些轮廓，形成各个截面轮廓，并逐层叠加成三维产品。快速成型技术彻底摆脱了传统的“去除”加工法(即：部分去除大于工件的毛坯上的材料，而得到工件)，采用全新的“增长”加工法(即：用一层层的截面材料逐步叠加成大工件)，将复杂的三维加工分解成简单的二维加工的组合。因此，它不必采用传统的加工机床和模具，只需传统加工方法312／o-50％的工时和20％-35％的成本，就能直接制造产品样品或模具。快速成型技术的优点： (1)通过快速成型技术，可以自动、直接、快速、精确地 将设计思想转变为具有一定功能的模型或直接制造产品，从而可以对产品设计进行快速评估、修改及功能试验，大大缩短了产品的研制周期。 (2)将快速成型技术用于企业的新产品研发过程，可以大大缩短新产品的研制周期，确保新产品的上市时间，提高企业对市场的快速反应能力。 (3)可以降低开模风险和新产品研发成本；及时发现产品设计的错误，做到早找错、早更改，避免更改后续工序所造成的大量损失，提高新产品投产的一次成功率。因此，快速成型技术的应用已成为制造业新产品开发的一项重要策略。 快速成型技术的技术体系

图1一个典型的快速原型制造技术体系 上图给出了一个比较完整的快速成型技术的技术体系。该体系包含：CAD造型、反求工程、数据转换、原型制造以及物性转换等基本环节。 下面对它们分别进行简要介绍。 1)CAD造型 利用各种CAD软件进行几何造型，得到零件的三维CAD模型，这是快速成型技术制造过程的第一步。 目前比较著名的CAD造型软件系统有：Pro／Engineer，UG，IDEAS，AutoCAD等。许多CAD软件在系统中加入了一些专用模块，可将三维造型结果离散化，生成面片模型文件(STL文件等)或层片模型文件(LEAF文件、CLI文件等)。 2)反求工程 实物零件件是快速成型技术体系中零件几何信息的重要来源。几何信息包括零件的几何信息．但这些信必须通过反求工程进行数字化。 反求过程的整个H程主要有两部分组成。首先是零件表面的数字化，提取零件表面的三维数据，其次进行三维重构，得到三维CAD模型和模片模型。 3)数据转换 三维CAD造型或反求工程得到的数据必须进行大量的处理， 才能用于控制RP成型设备的零件。 数据处目的过程主要包括： (1)表面离散化 (2)分层处理等 (3)根据工艺要求进行填充处理 (4)对数据进行检验和修正转换生成数控代码 4)原型制造 利用快速成型设备将原材料堆积为三维物理实体。 5)物性转换 通过快速成型系统制造的零件的力学性能，物理性质往往 不能直接满足实际生产的要求。仍然需要进一步处理，即物性转 换。 该环节是RP技术实际应用的一个重要环节。如果硅橡胶铸造。陶瓷型精密铸造、金属精密制等多项配套制造技术与RP技术相结合，形成快速铸造，快速模具制造等先进技术，这一环节是RP技术走向工业应用的重要桥梁。 4.2 快速成型的过程 快速成型的过程包括： (1)前处理(三维模型的构造，三维模型的的切片处理 (2)分层叠加成型(截面轮廓的制造与截面轮廓的叠合)。