20世纪 90年代以来 ,国内外相继研究开发了基于计算机辅助设计(ＣＡＤ)和快速原型技术 (ＲＰ＆Ｍ) ,适合于小批量生产的快速模具制造技术。在以材料转换法为基础的间接快速模具制造中 ,快速原型技术为高尺寸精度的母模制造提供了一条快速、经济、可靠的途径 ;精密铸造为模具原型的材料转换提供了高效、经济的手段<1～3> 。1
快速原型技术 (ＲＰ＆Ｍ)的基本原理快速原型技术 (ＲＰ＆Ｍ)是一种基于离散堆积思想 ,采用“分层制造 ,逐层叠加”原理 ,在计算机控制下 ,根据零件ＣＡＤ模型 ,进行材料三维精确堆积的零件或产品原型快速制造技术<4～ 6 > 。以快速原型技术为基础的快速模具可分为直接快速模具和间接快速模具。直接快速模具是基于ＲＰ＆Ｍ技术 ,将模具ＣＡＤ的结果由ＲＰ系统直接制造成形的方法 ,该法不需用ＲＰ系统制作样件 ,也不依赖传统的模具制造工艺 ,但由于该方法目前主要只适用于金属材料 ,且制件尺寸精度、表面质量、综合力学性能不好 ,并没有得到广泛应用 ;间接快速模具是利用ＲＰ＆Ｍ技术制造产品零件原型 ,作为母模、模芯和制模工具 ,再用传统工艺实现材料转换制造出模具的方法 ,该方法灵活性较大 ,适应性强 ,在国内外已有较好的应用 ,是一种比较成熟的制模方法<7,8> 。2 基于快速原型技术和陶瓷型精密铸造的进气歧管模具制造 进气歧管为铝合金薄壁复杂铸件 (见图 1) ,倾翻重力浇注成形。由于铸件分型面不规则 ,用传统的数控加工中心加工 ,切削量大 ,不仅费时 ,还将大大增加生产成本。因此 ,该铸件模具特别适合用快速原型与陶瓷型铸造相结合的方法 ,制造近净成形模坯 ,辅以配合面机加工 ,达到降低加工切削量 ,缩短工期 ,节约成本 ,提高经济效益的目的。为了避免开发阶段因陶瓷型铸造的尺寸精度与表面粗糙度控制不好而影响进气歧管铸造模具的制造进度 ,采用了陶瓷型铸造近净成型与数控少量终加工相结合的工艺线路。图 1 进气歧管铸件模具试制采用的工艺流程如图 2所示。图 2 进气歧管模具制造工艺流程2 .1 三维ＣＡＤ模型根据产品的二维图纸 ,用Ｉ ＤＥＡＳ建立零件三维模型 ;然后根据零件的铸造工艺特点及倾翻重力浇注的特性 ,确定其铸造工艺及相关参数 ,包括浇、冒口及芯盒的射砂系统等 ,完成铸件的外模和芯盒模具设计 ,并建立相应的三维模型 (见图 3、图 4 )。2 .2 模具的快速原形制造将外模和芯盒的ＣＡＤ模型转换成ＳＴＬ文件格式 ,然后送到ＺＩＰＰＹⅠ快速原型机上进行模具快速原型的制作。ＺＩＰＰＹⅠ快速原型机是纸质ＬＯＭ快速原形机 ,它由图 3 进气歧管外模的 图 4 进气歧管芯盒的
三维模型 三维模型计算机、纸料存储及送进机构、热压机构、激光切割系统、升降工作台和数控系统组成。其中 ,计算机用于接受和存储产品的三维模型 ;纸料存储及送进机构将存于其中的纸料 (纸料底面有热熔胶和添加剂 )逐步送至工作台的上方 ;热压机构将纸料逐层粘合在一起 ;激光切割系统按照计算机提供的横截面轮廓线 ,逐一在工作台上方的纸料上割出相应的轮廓线 ,并将废料区切割成小碎片 ;可升降工作台支撑正在成形的样件 ,并在每层成形之后 ,降低 1层纸厚 ,以便送进、粘合和切割新的纸层 ;数控系统执行计算机发出的指令 ,将纸料逐层送至工作台上方进行粘合、切割 ,最终形成快速原型纸质件。制作的外模和芯盒纸质件原型见图 5和图 6。图 5 外模快速成形纸质件 图 6 芯盒快速成形纸质件2 .3 陶瓷型精密铸造为了降低成本 ,试验采用带水玻璃砂套的陶瓷型。陶瓷型制备时 ,先用水玻璃砂制好底套 ,在模具的快速原型件表面涂上脱模剂 ,然后用配置好的陶瓷浆料 (硅酸乙酯水解液和耐火材料 )浇灌出模具的陶瓷型。陶瓷型经喷烧和焙烧后直接浇注电渣熔炼的Ｈ13模具钢。2 .4 精加工与调试模具铸坯除去浇、冒口并热处理后 ,在数控加工中心上进行终加工。由于采用陶瓷型精密铸造 ,表面粗糙度达到Ｒａ 3.2 ,尺寸精度达 0 .15ｍｍ/ 10 0ｍｍ ,只须加工掉预留的加工余量 ,配上辅助构件 ,即得到进气歧管铸造模具成品 (见图 7)。经安装、调试后 ,模具的使用效果与用常规机加工法制造的模具相同。3 传统机加工制模法和快速制模法的比较分析 表 1和表 2分别列出了传统机加工制模法和基于快速原型和陶瓷型精密铸造的快速模具快速制造法的成本和工期比较。图 7 进气歧管铸造模具表 1 进气歧管模具成本比较 万元 /副材料费用 快速原型件费用 机加工费用合计传统制模法 1 .680 0 .52 2 .2 0快速制模法 0 .91 0 .80 .1 7 1 .88表 2 进气歧管模具工期比较 ｄ/副坯料制备时间热处理时间机加工时间 合计传统制模法 3 5 2 0 2 8快速制模法 5 5 7 1 7 从表 1和表 2可知 ,采用快速制模法时 ,快速原型的制作费用在模具成本中占有较高的比例 ,但总成本却因模具钢材利用率的大幅度提高和机加工费用的大幅度降低而比常规机加工制模法低 15 %左右。如果制作多副快速原型模具 ,则成本还会大幅度降低。另外 ,随着快速原型技术的普及和耗材的国产化 ,模具原型的制作费用所占成本比例会随之降低。从工期上看 ,快速制模法虽然增加了纸质模具的制作时间 ,但却显著减少了模具的机加工时间 ,最终使模具主体部分的制作工期缩短了 4 0 %左右 ,使模具的总体制造周期缩短了 10 %～15 %。如果制作多副模具 ,模具快速原型可多次使用 ,则可显著缩短后继模具制造的时间基于快速原型技术的进气歧管模具制造$重庆大学@曹韩学
$重庆大学@龙思远
$重庆RP&T中心@朱飞
$重庆RP&T中心@江华钰
$重庆RP&T中心@荣联仁
$重钢因斯特模具有限公司@程健
$重钢因斯特模具有限公司@侯强
$重庆特种设备质量安全检测中心@傅伟模具制造;;快速原型技术;;
快速模具;;精密铸造介绍了以快速原型技术和精密铸造技术进行进气歧管铸造模具制造的情况。结果表明 ,该工艺可更充分地发挥快速原型技术和精密铸造的优势 ,取得了缩短工期和降低成本的效果1 张连洪,崔国起,钟宏辉等.基于快速原型制造的快速模具技术.机械设计,1999(9):36～38
2 郑卫国,颜永年.快速成形技术的原理、应用与发展.焦点,2001(6):3～6
3 董选普,黄乃瑜,吴树森等.复杂薄壁金属零件的快速制造技术.铸造,2001(6):321～324
4 天津快速成型中心.快速原型技术推进制造业发展.焦点,2001(6):9～10
5 王广春,赵国群,贾玉玺等.基于RP&M的快速模具制造技术.山东工业大学学报,2000,30(2):182～187
6 张海鸥.快速模具制造技术现状及其发展趋势.模具工业,2000(6):84～89
7 王广春,赵国群,杨艳.快速成型与快速模具制造技术.新技术新工艺,2000(9):30～32
8 崔世强,崔波,刘青社.基于快速成型制造技术的快速模具制造.河北工业科技,2000,17(2):47～50占成本比例会随之降低。从工期上看 ,快速制模法虽然增加了纸质模具的制作时间 ,但却显著减少了模具的机加工时间 ,最终使模具主体部分的制作工期缩短了 4 0 %左右 ,使模具的总体制造周期缩短了 10 %～15 %。如果制作多副模具 ,模具快速原型可多次使用 ,则可显著缩短后继模具制造的时间基于快速原型技术的进气歧管模具制造$重庆大学@曹韩学
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$重庆特种设备质量安全检测中心@傅伟模具制造;;快速原型技术;;快速模具;;精密铸造介绍了以快速原型技术和精密铸造技术进行进气歧管铸造模具制造的情况。结果表明 ,该工艺可更充分地发挥快速原型技术和精密铸造的优势 ,取得了缩短工期和降低成本的效果1 张连洪,崔国起,钟宏辉等.基于快速原型制造的快速模具技术.机械设计,1999(9):36～38
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5 王广春,赵国群,贾玉玺等.基于RP&M的快速模具制造技术.山东工业大学学报,2000,30(2):182～187
6 张海鸥.快速模具制造技术现状及其发展趋势.模具工业,2000(6):84～89
7 王广春,赵国群,杨艳.快速成型与快速模具制造技术.新技术新工艺,2000(9):30～32
8 崔世强,崔波,刘青社.基于快速成型制造技术的快速模具制造.河北工业科技,2000,17(2):47～50
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