采用模具生产零件具有效率高、质量好、节约能源、节约原材料以及成本低等一系列优点。然而模具 制造(一般称为快速工模具RapidTooling,即RT)是一个多环节、多反复的复杂过 程。传统的模具制造方法成本高,1套简单的塑料注塑模具其价值也在10万元以上。对于小批量 生产,模具的费用占有很大的比例,如果再考虑制造模具本身所用的工装和工具的费用,小批量生 产的成本会很高,这难以适应快速增长的市场需要。快速成形技术不仅能适应各种生产类型,特别 是单件小批量的模具生产,而且能适应各种复杂的模具制造。它既能制造非金属模具,也能制造金 属模具。模具材料还可以强韧化和复合化。由于模具是一项技术密集型产品,其设计制造涉及材料 、工艺、设备等各种因素,制模周期长,一般中等复杂的注塑模、压铸模、锻模的制造都需要3个 月或更长的时间,因此快速成形技术一问世,就被迅速应用于模具制造上。1 快速成形技术 快速成形技术,简称RPM,是20世纪80年代中期发展起来的一种全新制造技术。它是一种集 计责任编辑:冯 民算机辅助设计、数控技术、激光技术与材料科学为一体的新兴技术,采用离散 /堆积方法,能自动迅速地将所设计物体的CAD信息转化为实物原型[1],解决了传统加工方 法的许多技术难题,能一次成形复杂零件或模具,而不需要加工工艺设备。快速成形技术的工艺方 法有多种,其基本原理是一样的。在成形原理上,以材料添加法(如凝固、胶结、焊接、激光烧结 、聚合或其他化学反应等)来形成零件或模具形状,具体过程分为离散与堆积2个阶段[2]。2 直接制造金属模具短工期和小批量的零件制造的最好的方法就是快速成形直接制造模具,它能在 几天内完成非常复杂的零部件模具的制造,而且越复杂越能显示其优越性。用选域激光烧结直接制 作铸造型壳,是在计算机CAD环境中,将设计好的零件三维实体模型直接翻成零件的反型,经过 适当的处理并设计相应的浇冒口系统,得到型壳的CAD图形。在SLS烧结过程中,型壳成为烧结实体,零件仍是未烧结的粉末,将壳体内部的粉末清除干净即是型壳[3]。21 直接制作铸造型壳、渗金属用选域激光烧结技术直接成形的金属模具往往是低密度的多孔结构,可将低熔点相的金属渗入后直接成形金属模具。2 2 直接沉积成形制件的强度与精度问题一直是需要攻克的难题。Optomec公司以钢、钢合金 、铁镍合金、钛铝合金、镍铝合金为原料,采用激光技术,将金属直接沉积成形,其生产的金属模 具强度超过了传统方法的金属模具。DTM公司开发了1种在钢粉外表面包裹薄层聚酯的快速成形 烧结材料,其金属粉末已由碳钢改变为不锈钢,所渗的合金由黄铜改变为青铜,并且不像原来那样 需要中间渗液态聚合物,其加工过程几乎缩短了1/2。经选域激光烧结工艺快速烧结成形后可直 接制造金属模具,这种模具含钢40%,在使用寿命内铸件产量可高达数万件。但这种方法工艺较 复杂。3 间接制造金属模具快速成形可用来间接制造模具。间接制模法指利用快速成形技术首先 制作模芯,然后用此模芯复制硬模具,或采用喷涂金属法获得轮廓形状,或者制作母模复制软模具 等。对快速成形制造技术得到的原型表面进行特殊的处理后代替木模,直接制造石膏型或陶瓷型, 或者由原型经硅橡胶模过渡转换得到石膏型或陶瓷型,再由石膏型或陶瓷型浇注出金属模具[4] 。随着成形制造技术的提高,这种间接制模工艺已基本成熟,其方法则根据零件生产批量大小而不 同。常用的有硅橡胶模,批量50件以下;环氧树脂模,数百件以下;金属冷喷涂模,3000件以下;快速制作EPM电极加工钢模,5000件以上。31 金属冷喷涂模以快速成形原型为样模,将低熔点金属充分雾化后以一定的速度喷射到样模表面, 形成模具型腔表面,背部充填铝的环氧树脂或硅橡胶复合材料支撑,将壳与原型分离,得到精密的 金属模具,也称硬模[5]。这通常指的是用间接方法制造,加入浇注系统、冷却系统和模架构成 注塑模具。其特点是工艺简单,周期短,型腔及表面精细花纹一次同时形成,省去了传统模具加工 中的制图、数控加工和热处理等昂贵、费时的步骤,不需机加工,模具尺寸精度高,成本低。美国 爱达莎工程与环境实验中心采用快速凝固工艺实现了注塑模的快速经济制造。该方法采用快速成形 技术制作的样件作为母样,通过喷涂到母样的金属或合金熔滴的沉积制作模具。其工艺过程为熔融 的工具钢或其他合金被压入喷嘴,与高速流动的惰性气体相遇后形成雾状熔滴,它喷向并沉积到母 样上,复制出母样的表面结构形状,再借助脱模剂使沉积形成的钢制模具与母样分离,即可制出所 需模具。母样使用的材料取决于喷涂其上的合金材料。对于喷涂工具钢来说,可选用陶瓷材料,类似材料还有铝氧粉可供选择。32 熔模制造法制造钢模此法分为制作单件和多件钢铁型腔。1)制作单件钢或铁型腔 工艺过程为 用快速成形系统制作原型母模,将母模浸入陶瓷砂液形成模壳,在炉中固化模壳,烧去母模,浇注 时在炉中预热模壳并在模壳中浇注钢或铁型腔,进行型腔表面抛光,加入浇注系统和冷却系统等后 ,铸造批量生产注塑模。铸造铝、铜之类的失蜡浇注模也可以用此法制作。2)制造多件钢或铁型 腔 用快速成形系统制作原型母模。用金属进行表面喷镀,或用铝基复合材料、硅橡胶、环氧树脂 、聚氨酯浇注,构成蜡模的成型模。在成型模中用熔化蜡浇注蜡膜,浸蜡模于陶瓷砂液中,形成模 壳。在炉中固化模壳,熔化蜡模。在炉中预热模壳并在模壳中浇注钢或铁型腔。进行型腔表面抛光 ,加入浇注系统和冷却系统等,铸造批量生产注塑模。其中蜡模的成型模可反复使用,以便浇注多 个蜡模,从而制造多个钢或铁型腔。它的优点在于可以利用原型制造形状非常复杂的零件。4 直 接或间接制造非金属模具单件小批量产品制造,可以利用快速成形技术和真空注塑技术,直接制造树脂模具,也可以间接制造模具。41 直接制造注塑模、型腔模利用快速成形技术制造的原型直接作为模具型腔。用电化学原理,通过 电解液使金属沉积在原型表面,背衬其他填充材料而制成的模具,具有复制性好、尺寸精度高等特 点,适宜于形状花纹不规则的型腔模具(如人物造型),及不易加工的奇特形状的注塑模型腔(如玩具和鞋模)。42 利用原型直接作为汽化模或代替蜡模利用原型直接作为汽化模或代替蜡模进行熔模铸造,简化了制模工序,节省了制模时间。4 3 利用原型直接复制硅橡胶模由于硅橡胶模有很好的复印性能并可承受一定的高温,所以可以用产品原型当作母模,复制出硅橡胶模,据此可生产塑料件和低熔点金属件。4 4 间接制作硅橡胶模以原型为样件,采用硫化的有机硅橡胶浇注制作硅橡胶模及软模。其工艺过程 为制作原型-对原型表面处理,使其具有较好的表面粗糙度-固定放置原型、模框-在原型表面施 脱模剂-在抽真空装置中抽出硅橡胶混合体中的气泡-浇注硅橡胶混合体得到硅橡胶模具-硅橡胶固化-取出原型[6]。可以用翻成的硅橡胶模具浇注聚氨酯零件。45 间接制作树脂型复合模具以原型为基准,以液态的环氧树脂与有机或无机材料复合作为基体材料 浇注模具是一种间接制模方法,也称桥模,通常可直接进行铸塑生产。其工艺过程为制作原型-表 面处理-设计制作模框-选择设计分型面-在原型表面和分型面刷脱模剂-胶衣树脂浇注凹模-浇 注凸模[7]。采用环氧树脂模具成本只有传统方法的几分之一,生产周期大大减小。模具寿命不 及钢模,但比硅胶模高。1套环氧树脂模具可生产1000～5000件产品,可以满足中小批量的生产需要。46 间接化学粘结陶瓷注型腔用快速成形系统制作纸质母模的原型,浇注硅橡胶环氧树脂、聚氨酯等 软材料,构成软模,移去原型,在软模中浇注化学粘结陶瓷(陶瓷基复合材料)型腔,之后在20 5℃下固化型腔,并抛光型腔表面,加入浇注系统和冷却系统后便制得小批量生产用注塑模。这种 型腔的寿命约为300件。用快速成形技术实现快速模具制造的方法很多,各种方法的比较见表1 。表1 各种方法制造模具的比较Tab.
1 Thecompanisonofvarious techniquesinmanufacturingmould模具类型尺寸壁厚材料批量冷 喷制模中、小中锌合金小陶瓷铸模大、中薄钢或铜大研模模具中、小树脂中、小硬橡胶模具中、小 中硬橡胶小低熔点合金模具大、中、小中锌或铋锡合金小真空模具小树脂小消失模铸造模具大、中 、小厚铸钢或铸铁大5 结 语空前激烈的市场竞争迫使制造企业必须以更快的速度设计,制造出 性能价格比高并满足需要的模具。用快速成形技术实现模具制造的进一步发展与推广必将对制造业 产生巨大的影响。快速成形技术在快速模具制造领域中的应用@张南$邯郸职业技术学院机电系! 河北邯郸 056001
@王刚$河北建筑科技学院建筑设计研究院!河北邯郸 05 6038快速成形;;模具;;快速工模具快速成形技术是20世纪80年代中期发展起来的一种 全新制造技术,它适合各种生产类型,特别是单体小批量的模具生产,而且能适应各种复杂的模具 制造。从快速成形技术的概念出发,阐述了用快速成形技术直接、间接制造金属模具和非金属模具 的原理、工艺和研究现状,指出了它的进一步发展和推广必将对制造业产生巨大的影响。[1] JACOBSF.RapidPrototypingandManufacturingFundamentalsofSereolithograghy[M].Dearbron:SME,1992.525540
[2] PAULF FormRapidPrototypingtoRapidTooling[M].NewYork:ASMEPress,1996 603 614
[3] 王秀峰,罗宏杰 快速原型制造技术[M] 北京:中国轻工业出版社,1996 200 230
[4] 卢清萍 快速原型制造技术[M] 北京:清华大学出版社,1999 51 63
[