快速制造技術(shù)3D打印技術(shù)金屬噴涂概論

1、1概論1.1模具的定義通俗的講，模具就是作為模型的工具，嚴(yán)格的講，模具是工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)用的工藝裝備，主要應(yīng)用于制造業(yè)和加工業(yè)。它是和沖壓、鍛造、鑄造成形機(jī)械，同時和塑料、橡膠、陶瓷等非金屬材料制品成型加工用的成形機(jī)械相配套，作為成形工具來使用的。模具屬于精密機(jī)械產(chǎn)品，因為它主要由機(jī)械零件和機(jī)構(gòu)組成，如成形工作零件（凸模、凹模） ，導(dǎo)向零件（導(dǎo)柱、導(dǎo)套等），支承零件（模座等） ，定位零件等；送料機(jī)構(gòu)，抽芯機(jī)構(gòu)，推（頂）料（件）機(jī)構(gòu)，檢測與安全機(jī)構(gòu)等。為提高模具的質(zhì)量、性能、精度和生產(chǎn)效率，縮短制造周期，其零、部件（又稱模具組合），多由標(biāo)準(zhǔn)零、部件組成。所以，模具應(yīng)屬于標(biāo)準(zhǔn)化程度較高的產(chǎn)品。一副中小

2、型沖?；蛩芰献⑸淠?，其構(gòu)成的標(biāo)準(zhǔn)零、部件可達(dá)90% ，其工時節(jié)約率可達(dá) 25%45%。1.2模具的功能和作用現(xiàn)代產(chǎn)品生產(chǎn)中，模具由于其加工效率高，互換性好，節(jié)約原材料，所以得到很廣泛的應(yīng)用。采用模具進(jìn)行成形加工，是少、無切屑的主要工裝，在大批、大量加工中，可使材料利用率達(dá) 90% 或以上?，F(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的零件，廣泛采用沖壓、成形鍛造、壓鑄成形、擠壓成形、塑料注射或其它成形加工方法，和成型模具相配套，經(jīng)單工序或多道成形工序，使材料或坯料成形加工成符合產(chǎn)品要求的零件，或成為精加工前的半成品件。如汽車覆蓋件， 須采用多副模具，進(jìn)行沖孔、拉深、翻邊、彎曲、切邊、修邊、整形等多道工序，成形加工為合格零件；

3、電視機(jī)外殼、洗衣機(jī)內(nèi)桶是采用塑料注射方法，經(jīng)一次注射成型為合格零件的；發(fā)動機(jī)的曲軸、 連桿是采用鍛造成形模具，經(jīng)滾鍛和模鍛成形加工為精密機(jī)械加工前的半成品坯件的。高精度、高效率、長壽命的沖模、塑料注射成型模具，可成形加工幾十萬件，甚至幾千萬件產(chǎn)品零件，如一副硬質(zhì)合金模具，可沖壓硅鋼片零件（e型片、電機(jī)定轉(zhuǎn)子片）上億件，稱這類模具為大批量生產(chǎn)用模具。適用于多品種、少批量，或產(chǎn)品試制的模具有：組合沖模，快換沖模，疊層沖?；虺尚湍＞?， 低熔點合金成型模具等；先進(jìn)制造技術(shù)在模具制造領(lǐng)域的應(yīng)用，使得快速模具等到了飛速發(fā)展， 如將快速原型技術(shù)在模具中的應(yīng)用。隨著個性化需求的增加，市場在多品種小批量產(chǎn)品中的

4、競爭日益加劇，在現(xiàn)代加工業(yè)中，此類模具具有重要的經(jīng)濟(jì)價值，稱其為通用、經(jīng)濟(jì)或快速模具。電子、計算機(jī)、現(xiàn)代通信器材與設(shè)備、電器、儀器與儀表等工業(yè)產(chǎn)品的元器件或零、部件越來越趨于微型化、精密化，其零件結(jié)構(gòu)設(shè)計中的槽、縫、孔尺寸要求在0.3mm 以下，批量生產(chǎn)用模具要求很高。如高壓開關(guān)中的多觸點零件，寬度僅為10mm ，卻需沖孔、沖槽、彎曲、三層疊壓等工序， 模具需設(shè)計為 70工位的精密級進(jìn)沖模。又如bp 機(jī)中零件尺寸極其微小，對模具的要求更高。這類微型沖件和塑件用的模具，已成為高技術(shù)模具或?qū)＠湍＞摺４笮湍＞撸?重量在 10t 以上的已很常見，有些模具重量已達(dá) 30t 。 如大型汽車覆蓋件沖模，大

5、型曲軸鍛模，大尺寸電視機(jī)外殼用塑料注射模等重量都在10t 以上。隨著現(xiàn)代化工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，模具的應(yīng)用越來越廣泛，其適應(yīng)性也越來越強(qiáng)。已成為工業(yè)國家制造工藝水平的標(biāo)志和獨立的基礎(chǔ)工業(yè)體系。1.3模具的分類及應(yīng)用模具的用途廣泛，模具的種類繁多，科學(xué)地進(jìn)行模具分類，對有計劃地發(fā)展模具工業(yè)，系統(tǒng)地研究、開發(fā)模具生產(chǎn)技術(shù)，促進(jìn)模具設(shè)計、制造技術(shù)的現(xiàn)代化，充分發(fā)揮模具的功能和作用；對研究、制訂模具技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，提高模具標(biāo)準(zhǔn)化水平和專業(yè)化協(xié)作生產(chǎn)水平，提高模具生產(chǎn)效率，縮短模具的制造周期，都具有十分重要的意義。1.3.1模具分類總體上說模具可分為三大類：金屬板材成型模具，如沖模等；金屬體積成型模具，如鍛（

6、鐓、擠壓）模，壓鑄模等；非金屬材料制品用成型模具，如塑料注射模和壓縮模，橡膠制品、玻璃制品、陶瓷制品用成型模具等。模具的具體分類方法很多，常用的有：按模具結(jié)構(gòu)形式可分為沖模中的單工序模，復(fù)合模，級進(jìn)模等。塑料成型模具中的壓縮模，注射模，擠出模等，按模具使用對象可分為電工模具，汽車模具，電視機(jī)模具等。按模具材料可分為硬質(zhì)合金模具和鋼模等。按工藝性質(zhì)可分為沖孔模，落料模，拉深模，彎曲模，塑料成型模具中的吸塑模，吹塑模等。這些分類方法具有直觀、方便等優(yōu)點，但不盡合理，易將模具類別與品種混用，使種類繁多無序。因此，采用綜合歸納法，將模具分為十大類，各大類模具又可根據(jù)其使用對象、材料、功能和模具制造方法

7、，以及工藝性質(zhì)等，再分成若干小類和品種較為合理，詳見表 1-1。表1-1模具分類序號模具類型模具品種成形加工工藝性質(zhì)及使用對象1.沖壓模具（沖模）沖裁模：少、無廢料沖模，整修模，光潔沖模，深孔沖模，精沖模等單工序模：沖孔模落料模，彎曲模，拉深模，成型模等復(fù)合沖模、級進(jìn)沖模（含傳遞模）、汽車覆蓋件沖模、硅鋼片沖模、硬質(zhì)合金沖模、微型沖件用精密沖模使用金屬 （黑色和有色金屬）板材，通過沖裁模和精沖模，或根據(jù)零件不同的生產(chǎn)批量、沖件精度，采用單工序模、 復(fù)合?；蚣夁M(jìn)模，等相應(yīng)的工藝方法。2.塑料成型模具塑料注射模：立式、臥式、角式注射機(jī)用模具，無澆道模具，電視機(jī)殼、錄音機(jī)殼、洗衣機(jī)桶、汽車保險杠、錄

8、像（音）機(jī)盒注射模等。壓縮模（含壓膠模）、擠塑模（含傳遞模）、擠出模（導(dǎo)型材、管件、薄膜擠出模）、發(fā)泡模（含低發(fā)泡模）、吹（吸）塑模具、塑封模、滾塑模等使用熱固性和熱塑性的塑料，通過注射、壓縮、擠塑、擠出、發(fā)泡、吹塑和吸塑等成形加工為合格塑件的塑件也具有板材和體積成形兩種成形工藝3.壓鑄模熱壓室壓鑄機(jī)用壓鑄模、冷壓室壓鑄機(jī)用壓鑄模、鋁合金壓鑄模、銅合金壓鑄模、鋅合金壓鑄摸、黑色金屬壓鑄模等金屬零件產(chǎn)品如汽車、摩托汽油機(jī)缸體，變速箱體等有色金屬零件（鋅、鋁、銅），通過注入模具型腔的液態(tài)金屬，加壓成形4.鍛造成形模具壓力機(jī)用鍛模、摩擦壓力機(jī)用鍛模、平鍛機(jī)用鍛模、輥鍛機(jī)用鍛模、高速錘機(jī)用鍛模、開（閉

9、）式鍛模、校正模、壓印模、切邊模、沖孔模、精鍛模、多向鍛模、胎模、閉塞鍛模、冷鐓模、擠壓模、拉絲模等采用有色、 黑色金屬的塊料或棒材，絲材，經(jīng)鍛、鐓、擠、拉等工藝成形加工成合格零件，毛坯和絲材5.鑄造用金屬模具易熔型芯用金屬型模、低壓鑄造用金屬型模、金屬澆注用金屬型模等液態(tài)金屬或石蠟等易熔材料，經(jīng)注入模具型腔成形為金屬零件毛坯、鑄造用型芯，工藝品等6.粉末冶金模具成型壓模：實體單向、雙向手動壓模，手動實體浮動壓模，機(jī)動大截面實體浮動壓模，機(jī)動極掌單向壓模，套類單向、雙向、浮動壓模整形模：分手動和機(jī)動模，徑向模，帶外臺階套類全整形模，帶球面件模無臺階實體件自動整形模，軸套拉桿式半自動整形模，軸套

10、通過式自動整形模，軸套全整形自動模，帶外臺階與外球面軸套自動全整形模等主要用于銅基、 鐵基粉末制品的壓制成形。 包括機(jī)械零件， 電器元件（如觸頭等），磁性零件、工具材料， 易熱零件， 核燃料制件的粉末壓制成形7.玻璃制品模具注壓成形模、吹吹法成型瓶罐模、壓吹法成型瓶罐模、玻璃器皿模具等用于玻璃瓶、罐、盒、桶，以及工業(yè)產(chǎn)品零件的成形加工8.橡膠成型模具壓膠模，擠膠模，注射模，橡膠輪胎模（整體和活絡(luò)模）， “o ” 形密封圈橡膠模等汽車輪胎、 “o ” 形密封圈及其它雜件， 與硫化機(jī)配套， 成形加工為合格的橡膠零件9.陶瓷模具各種陶瓷器皿等制品用的成形金屬模具，壓縮模；注射模等建筑用的陶瓷構(gòu)件，陶

11、瓷器皿，及工業(yè)生產(chǎn)用陶瓷零件的成形加工10.經(jīng)濟(jì)模具（快速模具、簡易模具）低熔點合金成形模具，薄板沖模，疊層沖模，硅橡膠模，環(huán)氧樹脂模，陶瓷型精鑄模，疊層型腔塑料模，快速電鑄成形模，金屬電弧噴涂快速模具，與快速原型結(jié)合的快速模具等適用多品種少批量工業(yè)產(chǎn)品用模具，或傳統(tǒng)加工方法成本高、周期長甚至難以加工的產(chǎn)品，具有很高經(jīng)濟(jì)價值1.3.2模具的應(yīng)用由表 1-1 可見， 每一類、 每一種模具都有其特定的用途和使用方法及與其相配套的成形加工機(jī)床和設(shè)備。模具的功能和應(yīng)用與模具類別、品種有著密切的關(guān)系。因為，模具和產(chǎn)品零件的形狀、尺寸大小、精度、材料、材料形式、表面狀態(tài)、質(zhì)量和生產(chǎn)批量等，都需相符合，要滿

12、足零件要求的技術(shù)條件， 即每一個產(chǎn)品零件相對應(yīng)的生產(chǎn)用模具，只能是一副或一套特定的模具。為適應(yīng)模具不同的功能和用途，都需進(jìn)行創(chuàng)造性設(shè)計，造成模具結(jié)構(gòu)形式多變，從而產(chǎn)生了模具類別和品種繁多，并具有單件生產(chǎn)的特征。盡管如此， 由于模具生產(chǎn)技術(shù)的現(xiàn)代化，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，模具已廣泛用于電動機(jī)與電器產(chǎn)品，電子與計算機(jī)產(chǎn)品，儀表、家用電器產(chǎn)品與辦公設(shè)備，汽車，軍械，通用機(jī)械等產(chǎn)品的生產(chǎn)中。其主要原因是由于模具有一系列特點；1）模具的適應(yīng)性強(qiáng)針對產(chǎn)品零件的生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)形式，可采用不同結(jié)構(gòu)和檔次的模具與之相適應(yīng)。如為適應(yīng)產(chǎn)品零件的大批量生產(chǎn)，可采用高效率、高精度和高壽命的、自動化程度高的模具；為適應(yīng)產(chǎn)品試

13、制或多品種、小批量的產(chǎn)品零件生產(chǎn)，可采用通用模具，如組合沖模，快換模具（可用于柔性生產(chǎn)線） ，以及各種經(jīng)濟(jì)模具。根據(jù)不同產(chǎn)品零件的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、精度和批量，以及零件材料和材料性質(zhì)、供貨形式，可采用不同類別和種類的模具與之相適應(yīng)。如鍛件則需采用鍛模，沖件則需采用沖模，塑件則需采用塑料成型模具，薄殼塑件則需采用吸塑或吹塑模具等。2）制件的互換性好即在模具一定使用壽命范圍內(nèi)，合格制件（沖件、塑件、鍛件等）的相似性好，可完全互換。常用模具壽命參見表1-2。表 1-2 常用模具壽命模具種類和名稱模具參考壽命 /萬件說明沖模一般鋼沖模100300平均壽命電機(jī)定轉(zhuǎn)子硬質(zhì)合金沖模40008000e 形電硬質(zhì)合金

14、沖模600010000塑料注射模鋼塑料注射模4060中碳鋼制模具采用優(yōu)質(zhì)模具鋼合金鋼塑料注射模100 以上鑄模中小型鋁合金件用壓鑄模1020中大型鋁合金件用壓鑄模57鍛模齒輪精鍛模11.5一般錘鍛模12經(jīng)濟(jì)模具 （快速模具）硅膠模、金屬電弧噴涂模具等0.000513）生產(chǎn)效率高采用模具成形加工，產(chǎn)品零件的生產(chǎn)效率高。高速沖壓可達(dá)1800 次/min，由于模具壽命和產(chǎn)品產(chǎn)量等因素限制，常用沖模也在200-600 次/min 范圍內(nèi)。 塑件注射循環(huán)時間可縮短在 1-2min 內(nèi)成形，若采用熱流道模具，進(jìn)行連續(xù)注射成形，生產(chǎn)效率則更高，可滿足塑件大批量生產(chǎn)的要求。采用高效滾鍛工藝和滾鍛模，進(jìn)行連桿鍛

15、件連續(xù)滾鍛成形。采用塑料異型材擠出模，進(jìn)行建筑用門窗異型材擠出成形，其擠出成型速度可達(dá))4m/min ?？梢?，采用模具進(jìn)行成形加工與機(jī)械加工相比，不僅生產(chǎn)效率高，而且生產(chǎn)消耗低，可大幅度節(jié)約原材料和人力資源，是進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)的一種優(yōu)質(zhì)、高效、低耗的生產(chǎn)技術(shù)。4) 社會效益高模具是高技術(shù)含量的社會產(chǎn)品，其價值和價格主要取決于模具材料、加工、 外購件的勞動與消耗三項直接發(fā)生的費用和模具設(shè)計與試模（驗）等技術(shù)費用。后者，是模具價值和市場價格的主要組成部分，其中一部分技術(shù)價值計入了市場價格，而更大一部分價值，則是模具用戶和產(chǎn)品用戶受惠變?yōu)樯鐣б妗Ｈ珉娨暀C(jī)用模具， 其模具費用僅為電視機(jī)產(chǎn)品價格的1/30

16、001/5000，盡管模具的一次投資較大，但在大批量生產(chǎn)的每臺電視機(jī)的成本中僅占極小部分，甚至可以忽略不計，而實際上，很高的模具價值為社會所擁有，變成了社會財富。模具是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、適應(yīng)性很強(qiáng)的生產(chǎn)技術(shù)，或稱成型工具、成型工裝產(chǎn)品。模具是技術(shù)含量高、附加值高、使用廣泛的新技術(shù)產(chǎn)品，是價值很高的社會財富。1.4模具的生產(chǎn)過程與工藝過程模具加工的工藝規(guī)程是規(guī)定模具零部件機(jī)械加工工藝過程和操作方法等的工藝文件。模具生產(chǎn)工藝水平的高低及解決各種工藝問題的方法和手段都要通過機(jī)械加工工藝規(guī)程來體現(xiàn)。因此， 模具加工的工藝規(guī)程設(shè)計是一項重要的工作，它要求設(shè)計者必須具備豐富的生產(chǎn)實

17、踐經(jīng)驗和扎實的機(jī)械制造工藝基礎(chǔ)理論知識。模具是機(jī)械產(chǎn)品， 模具的機(jī)械加工類同于其他機(jī)械產(chǎn)品的機(jī)械加工，但同時又有其特殊性。模具一般是單件小批量生產(chǎn)，模具標(biāo)準(zhǔn)件則是成批生產(chǎn)。成型零件的加工精度要求較高，所采取的加工方法往往不同于一般機(jī)械加工方法。模具加工工藝規(guī)程也具有其特殊的一面。1）生產(chǎn)過程生產(chǎn)過程是將原材料或半成品轉(zhuǎn)變成為成品的各有關(guān)勞動過程的總和。一般模具產(chǎn)品的生產(chǎn)過程主要包括以下內(nèi)容：生產(chǎn)技術(shù)的準(zhǔn)備過程這個過程主要是完成模具產(chǎn)品投入生產(chǎn)前的各項生產(chǎn)和技術(shù)準(zhǔn)備工作， 如模具產(chǎn)品的試驗研究和設(shè)計、工藝設(shè)計和專用工藝裝備的設(shè)計與制造，各種生產(chǎn)資料的準(zhǔn)備以及生產(chǎn)組織等方面的準(zhǔn)備工作。毛坯的制造過

18、程如鑄造、鍛造和沖壓等。零件的各種加工過程如模具的機(jī)械加工、焊接、熱處理和其他表面處理等。產(chǎn)品的裝配過程包括部裝、總裝、檢驗試模和油封等。各種生產(chǎn)服務(wù)活動如生產(chǎn)中原材料、半成品、標(biāo)準(zhǔn)件、外購件和工具的準(zhǔn)備、供應(yīng)、運輸、保管以及產(chǎn)品的包裝和發(fā)運等。由上述過程可以看出，模具產(chǎn)品的生產(chǎn)過程是相當(dāng)復(fù)雜的。為了便于組織生產(chǎn)和提高勞動生產(chǎn)率， 現(xiàn)代模具工業(yè)的發(fā)展趨勢是自動化、專業(yè)化生產(chǎn)。 這樣各工廠的生產(chǎn)過程就變得比較簡單，有利于保證質(zhì)量、提高效率和降低成本。如模具零件毛坯的生產(chǎn)，由專業(yè)化的毛坯生產(chǎn)工廠來承擔(dān)，模具上的導(dǎo)柱、 導(dǎo)套、頂桿等零件和模架，由專業(yè)化的標(biāo)準(zhǔn)件廠來完成。這既有利于模具上各種零件質(zhì)量的

19、保證，也有利于降低成本，對于專業(yè)化零部件制造廠和模具制造廠都是有利的。2）工藝過程在模具產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，那些與把原材料變?yōu)槌善分苯佑嘘P(guān)的過程，如毛坯的制造、機(jī)械加工、 熱處理和裝配等過程，稱為工藝過程。 用機(jī)械加工的方法，直接改變毛坯的形狀、尺寸和表面質(zhì)量，使之成為產(chǎn)品零件的工藝過程，稱為模具的機(jī)械加工工藝過程。確定合理的機(jī)械加工工藝過程后，以文字形式形成施工的技術(shù)文件，即為模具的機(jī)械加工工藝規(guī)程。1.5模具制造技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢1.5.1模具制造技術(shù)的現(xiàn)狀模具是當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)的重要手段和工藝發(fā)展方向，在電子，汽車、電機(jī)、電器、儀器、儀表、家電和通訊等產(chǎn)品中，60 80的零部件都要依靠模具成

20、形。模具生產(chǎn)技術(shù)水平的高低，已成為衡量一個國家制造業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志，在很大程度上決定著產(chǎn)品的質(zhì)量、效益和其世界范圍的競爭力。目前， 世界各發(fā)達(dá)國家都十分注重模具工業(yè)的發(fā)展，近年來世界模具年總產(chǎn)值在600650 億美元之間，其中亞洲占40%。1.5.2模具制造技術(shù)的發(fā)展趨勢隨著我國社會主義市場經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展工業(yè)產(chǎn)品的品種增多，產(chǎn)品更新?lián)Q代加快，市場競爭日益激烈。 因此模具質(zhì)量的提高和生產(chǎn)周期的縮短顯得尤為重要，促使模具制造技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)以下趨勢。1）模具粗加工技術(shù)向高速加工發(fā)展。以高速銑削為代表的高速切削加工技術(shù)代表了模具零件外形表面粗加工發(fā)展的方向。高速銑削可以大大改善模具表面的質(zhì)量狀況，

21、并大大提高加工效率和降低加工成本。例如 ingersoll公司生產(chǎn)的vhm 型超高速加工中心的切削進(jìn)給速度為76m/min ，主軸轉(zhuǎn)速為45000r/min ；瑞士 sip 公司生廣的afx 立式精密坐標(biāo)鏜床的主軸轉(zhuǎn)速為30000rmin；日本森鐵工廠生產(chǎn)的mv 一 40 型立式加工中心，其轉(zhuǎn)速達(dá)40 000r/min, 另外，毛坯下料設(shè)備出現(xiàn)了高速鋸床、陽極切割和激光切割等高速、高效率加工設(shè)備，還出現(xiàn)了高速磨削設(shè)備和強(qiáng)力磨削設(shè)備等。2）成形表面的加工向精密、自動化方向發(fā)展。成形表面的加工向計算機(jī)控制和高精度加工方向發(fā)展。 數(shù)控加工中心、 數(shù)控電火花成形加工設(shè)備、計算機(jī)控制連續(xù)軌跡坐標(biāo)磨床和配

22、有 cnc 修整裝備與精密測量裝置的成形磨削加工設(shè)備等的推廣使用，是提高模具制造技術(shù)水平的關(guān)鍵。3）光整加工技術(shù)向自動化方向發(fā)展。當(dāng)前模具成形表面的研磨、拋光等光整加工仍然以手工作業(yè)為主，不僅花費工時多，而且勞動強(qiáng)度大、表面質(zhì)量低。工業(yè)發(fā)達(dá)國家正在研制由計算機(jī)控制、 帶有磨料磨損自動補(bǔ)償裝置的光整加工設(shè)備可以對復(fù)雜型面的三維曲面進(jìn)行光整加工，并開始在模具加工上使用，大大提高了光整加工的質(zhì)量和效率。4）反向制造工程制模技術(shù)的發(fā)展。以三坐標(biāo)測量機(jī)和快速成形制造技術(shù)為代表的反向制造工程制模技術(shù)， 是一種以復(fù)制為原理的制造技術(shù)。它是模具制造技術(shù)上的又一重大發(fā)展，對模具制造具有重大的影響，這種技術(shù)特別適

23、用于多品種、少批量、形狀復(fù)雜的模具制造、對縮短模具制造周期進(jìn)而提高產(chǎn)品的市場競爭能力有重要意義。5）模具 cad/cam術(shù)將有更快的發(fā)展。模具 cad/cam技術(shù)在模具設(shè)計和制造上的優(yōu)勢越來越明顯，它是模具技術(shù)的又一次革命普及和提高模具cad/cam技術(shù)的應(yīng)用是模具制造業(yè)民展的必然趨勢。6）先進(jìn)制造技術(shù)的引入。隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，一些比較先進(jìn)的制造技術(shù)逐步被引入到模具工業(yè)中。如快速原型技術(shù)、高能束技術(shù)等，使得模具的制造手段更加多樣化，并實現(xiàn)傳統(tǒng)加工方法難以完成的結(jié)構(gòu)特征制造，縮短加工周期，降低生產(chǎn)成本。1.6快速模具制造技術(shù)1.6.1快速模具制造技術(shù)簡介隨著全球經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步一體化，制造業(yè)競

24、爭顯得越發(fā)激烈。如何縮短生產(chǎn)周期并降低成本， 成了制造商首要考慮的問題。快速成形與制造 (rpm ： rapid prototyping&manufacturing)是集激光、材料科學(xué)、信息與控制技術(shù)等為一體的分層層積技術(shù)，堪稱20 世紀(jì)后半期制造技術(shù)最重大的進(jìn)展之一。rpm 技術(shù)誕生20 余年來已在汽車、家電、航空、醫(yī)療等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。國外大型企業(yè)如通用、福特、法拉利、豐田、麥道、ibm、at&t 、motorola等以及我國的一些著名企業(yè)，積極在產(chǎn)品設(shè)計過程中采用這項技術(shù)，進(jìn)行產(chǎn)品的有關(guān)設(shè)計檢驗、外觀評審、裝配實驗、動態(tài)分析、光彈應(yīng)力分析、風(fēng)洞實驗等，成功地實現(xiàn)了面向

25、市場的產(chǎn)品造型設(shè)計敏捷化。多品種小批量時代的逐步來臨使得企業(yè)要求模具制造能保證新產(chǎn)品快速占領(lǐng)市場，開發(fā)快速經(jīng)濟(jì)模具越來越引起人們的重視，例如用環(huán)氧聚脂或其中混入金屬、陶瓷、 玻璃等增強(qiáng)材料制作的快速軟模，可用于上百件注塑成形以及汽車覆蓋件試制。其主要特點是制造工藝簡單、生產(chǎn)周期短、價格便宜。但由于材料的導(dǎo)熱性和機(jī)械性能不高，這種模具難以用于高頻率的批量注塑成形以及金屬拉延件批量成形。水泥、陶瓷制作的汽車覆蓋件模具還有待進(jìn)一步改善。相比之下，由于金屬材料具有優(yōu)良的綜合性能，金屬模具低成本快速制造成為rpm 技術(shù)的努力目標(biāo)?？焖僦圃旖饘倌＞?rmt ：rapidmetaltooling) 是 rp

26、m 技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展并取得更大經(jīng)濟(jì)效益所面臨的關(guān)鍵課題，世界先進(jìn)工業(yè)化國家的rpm 技術(shù)在經(jīng)歷了模型與零件試制、快速軟模制造階段后，目前正向rmt 方向發(fā)展， rmt已成為 rpm 技術(shù)研究的國際前沿，該技術(shù)被美國汽車工程雜志評為全球15 項重大技術(shù)之首，受到全球制造業(yè)的廣泛關(guān)注。1.6.2快速模具技術(shù)分類及特點傳統(tǒng)的模具制造方法可分為兩種, 一種是借助母模翻制模具, 另一種就是用數(shù)控機(jī)床直接制造模具。在新產(chǎn)品開發(fā)過程中, 減少模具制造所需成本和時間對縮短整個產(chǎn)品開發(fā)時間及降低成本是最有效的步驟, 快速成型技術(shù)的一個飛躍就是進(jìn)入模具制造領(lǐng)域, 其潛力所在正是能降低模具制造成本并減少模具開發(fā)時間。

27、將快速成型技術(shù)引入模具制造過程后的模具開發(fā)制造就是快速模具制造。目前已提出的眾多rmt方法可分為由cad數(shù)據(jù)及 rp系統(tǒng)制作的快速原型或其他實物模型復(fù)制金屬模具的間接法和根據(jù)cad數(shù)據(jù)直接由rp系統(tǒng)制造金屬模具的直接法兩大類。如圖 1-1 所示。直接法雖然受到關(guān)注，但由于尺寸范圍及精度、表面質(zhì)量、綜合機(jī)械性能等方面存在問題，離實用化尚有相當(dāng)差距，目前最成熟的rmt 法是間接法。圖 1-1 基于 rp的快速模具制造方法的分類及應(yīng)用的流程框圖1)直接制模法直接法尤其是直接快速制造金屬模具(drmt ：directraoid metal tooling) 方法在縮短制造周期、節(jié)能省資源、發(fā)揮材料性能

28、、提高精度、降低成本方面具有很大潛力，從而受到高度關(guān)注。目前的drmt 技術(shù)研究和應(yīng)用的關(guān)鍵在于如何提高模具的表面精度和制造效率以及保證其綜合性能質(zhì)量，從而直接快速制造耐久、高精度和表面質(zhì)量能滿足工業(yè)化批量生產(chǎn)條件的金屬模具。目前已出現(xiàn)的drmt 方法主要有：以激光為熱源的選擇性激光燒結(jié)法(sls?se lectivelaser sintering)和激光生成法 (lg?lasergenerating) ；以等離子電弧等為熱源的熔積法 (pdm ：plasmadetmsitionmethod，或 ppw ：plasma powder welding) ；噴射成形的三維打印法 (3dp：thre

29、edimensionalprinting)。sls選擇性激光燒結(jié)sls選擇性激光粉末燒結(jié)法的工藝大致為：先在基底上鋪上一層粉末，用壓輥壓實后，按照由 cad數(shù)據(jù)得到的層面信息，用激光對薄層粉末有選擇地?zé)Y(jié)。然后將新的一層粉末通過鋪粉裝置鋪在上面，進(jìn)行新一層燒結(jié)。反復(fù)進(jìn)行逐層燒結(jié)和層間燒結(jié)，最終將未被燒結(jié)的支撐部分去除就得到與cad形體相對應(yīng)的三維實體。激光熔敷lg中有代表性的sandianationallab 的 lmf(lasermetalformina) 工藝是在激光熔敷基礎(chǔ)上開發(fā)的直接制模工藝，該工藝采用高功率激光器在基底或前一層金屬上生成出一個移動的金屬熔池， 然后用噴槍將金屬粉末噴入

30、其中，使其熔化并與前一層金屬實現(xiàn)緊密的冶金結(jié)合。在制造過程中，激光器不動，計算機(jī)控制基底的運動，直到生成最終的零件形狀。制件密度為理論密度的90，強(qiáng)度接近于鑄件，機(jī)械性能較好，而且還可調(diào)整送粉組分實現(xiàn)組織結(jié)構(gòu)優(yōu)化。但由于殘余熱應(yīng)力的影響和缺乏支撐材料，精度難以保證， 只適用于簡單幾何形狀的模具，而且與sls過程類似，由于未熔顆粒的粘結(jié)，ra只達(dá)到 12m 。三維打印3dp工藝類似噴墨打印機(jī)，鋪粉裝置將一層粉末鋪在基底或前一層粉末上面，通過噴頭在粉末上噴射固化結(jié)合劑，層層堆積形成三維實體，經(jīng)過燒結(jié)、浸滲，得到最終的模具。michaelss等采用 mit的 3dp技術(shù)直接制造的模具密度相當(dāng)于理論密

31、度的60， 強(qiáng)度低于鑄件，而且精度和表面粗糙度差。等離子熔積等離子熔積法 (pdm) 具有使用材料范圍廣、能獲得滿密度金屬零件的特點。起源于前德國 kruoo 和 thvssen 公司的埋弧焊接，能夠?qū)崿F(xiàn)大型或特大型容器的成形焊，其機(jī)械性能、組織優(yōu)于鑄鍛組織，通過適當(dāng)選擇工藝參數(shù)可以減少殘余應(yīng)力和裂紋發(fā)生，提高堆焊高度。此外，薄鋼板的lom 技術(shù)也可制造金屬模具，但疊層間需焊接等緊固處理，且材料利用率低，薄板熱變形也影響成形精度和粗糙度。分層金屬片板使用金屬片板生產(chǎn)分層金屬模具的設(shè)想和lom的過程類似。 不過，與一般的lom 不同的是，它直接在成型機(jī)上進(jìn)行金屬薄板的疊層制造，根據(jù) cad模型，

32、采用激光或水射流方法形成輪廓。采用擴(kuò)散粘結(jié)將切割的薄板疊全起來，形成偽金屬實體零件，由于板村的厚度較大，會產(chǎn)生臺階效應(yīng)，因此需要精加工處理，同時必須解決結(jié)合技術(shù)的問題，確保最終產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)完整。然而， 上述方法都是基于堆積成形的原理，不可避免要產(chǎn)生側(cè)表面階梯效應(yīng)，致使精度低、表面質(zhì)量差，且存在綜合力學(xué)性能不高等方面的問題，目前尚多用于金屬零件的制造。值得注意的是， stanford大學(xué)的 amonc.h等人最近開發(fā)出形狀沉積制造(sdm) 工藝，并研制出與 cnc加工集成的裝置。 其工藝特點是利用焊接原理熔化焊材( 絲狀) ，并借助熱噴涂原理使超高溫熔滴逐層沉積成形，實現(xiàn)層間冶金結(jié)合。但因焊接弧

33、柱的不穩(wěn)定、以及可控參數(shù)的協(xié)調(diào)性等問題， 很容易出現(xiàn)翹曲和剝離。采用 cnc對外輪廊和表面精整，在解決 rpm 技術(shù)中共有的、因逐層堆積產(chǎn)生的側(cè)表面階梯效應(yīng)造成的精度和表面質(zhì)量問題方面做了有益的嘗試，但這種工藝目前尚局限于簡單形狀金屬零件制造。2) 間接制模法直接制模法根據(jù)要求，能夠在不同部位采用不同材料。然而， 直接制模法受到工藝本身限制， 制造的模具在表面及尺寸精度、大小規(guī)格、 形狀自由度等方面尚不能滿足高精度金屬模具的要求。具有競爭力的快速制模方法主要是將快速成型與鑄造、噴涂、電鍍、粉末成型等傳統(tǒng)成型工藝相結(jié)合的間接制模法。間接制模法主要有以下幾種方法。1)鑄造用快速模傳統(tǒng)的使用rp模型

34、的金屬零件鑄造通常不被認(rèn)為是rt,而是快速加工或者快速鑄造。然而，它是rp與模具有關(guān)的最普遍的應(yīng)用，它直接導(dǎo)致了rt的產(chǎn)生。除去那些鑄造方法，鑄造工業(yè)有一個核心工序，就是利用物理模型生產(chǎn)可用來鑄造金屬的模具。鑄造模型產(chǎn)生過程中使用 rp技術(shù)，使得鑄造廠在生產(chǎn)少量金屬零件時可以不使用模具。a)陶瓷型精密鑄造法在單件生產(chǎn)或小批量生產(chǎn)鋼模時,可采用此法。其工藝過程為:rp 原型作母模浸掛陶瓷沙漿在烤爐里固化模殼燒去母模預(yù)熱模殼燒鑄鋼( 鐵)型腔拋光加入燒注、冷卻系統(tǒng)制成生產(chǎn)用注塑模。其優(yōu)點在于工藝裝備簡單,所得鑄型具有極好的復(fù)印性和極好的表面光潔度以及較高的尺寸精度。工程塑料可以高溫氣化,沒有殘渣,

35、適用于熔模制造。b)砂型鑄造法用 rp 原型作模型來制作砂型 , 再鑄鋼而得到模具的工作部分,可以使?jié)蹭摰男阅艿玫酱蠓岣?用此法幾乎可以制造各種模具,且模具壽命不會有大的降低。abs 材料的高強(qiáng)度特性, 適合制造大的堅固實心模型。c)石蠟精密鑄造法在批量生產(chǎn)金屬模具時一般可采用此法。先利用rp 原型或根據(jù)翻制的硅橡膠、金屬樹脂復(fù)合材料或聚氨脂制成蠟?zāi)５某尚湍?然后利用該成型模生產(chǎn)蠟?zāi)?再用石蠟精鑄工藝制成鋼 ( 鐵) 模具來。 另外, 在單件生產(chǎn)復(fù)雜模具時,亦可直接用rp 原型代替蠟?zāi)！?若用 sl法, 可將原型制成疏松多孔的蜂窩狀結(jié)構(gòu)以便快速澆損,在氧氣充足的條件下,樹脂原型可在 980左

36、右分解成水氣和co2。d)石膏鑄造法利用 rp 原型翻制成石膏鑄型，然后在真空下澆鑄鋁、鋅等非鐵合金模,它可小批量生產(chǎn)注塑產(chǎn)品。用rp 原型作模型澆注低熔合金,作成低熔合金模,可用來壓制鑄造用的砂芯。軟模軟模（ softtooling)基于模具的剛性和耐久性，相對于比較硬的金屬模具講，一般把聚合模具當(dāng)作軟模。a)硅膠模硅膠模應(yīng)用非常廣泛。首先用rp 法制作出“正”的與待成型件相同的母模, 然后在母模周圍澆滿硅橡膠。固化后, 沿所要求的分型面將硅橡膠切開, 取出母模后就制成了硅膠模。為了保證硅膠模的質(zhì)量 , 要求母模表面經(jīng)過拋光處理, 因為模具翻制過程中會將母模表面的幾乎所有特征包括細(xì)微的手印復(fù)

37、制到硅膠模成型面上進(jìn)而復(fù)制到零部件上。硅膠模具有制作速度極快 , 可以澆鑄多種熱固性塑料, 成型件具有較好精度 , 價格非常便宜等優(yōu)點 , 但硅膠模的使用局限于低壓， 小體積和低溫的生產(chǎn)過程不能制作精度要求很高的零件, 壽命短 , 通常只能澆鑄 2530 件。b)環(huán)氧樹脂模使用環(huán)氧樹脂模經(jīng)常是完成注射模生產(chǎn)的功能件短期運轉(zhuǎn)的最快的方法，制作過程類似硅膠模生產(chǎn)過程 , 只是將硅膠換成了摻有鋁粉的環(huán)氧樹脂。整個模具需分兩次澆鑄制成, 因為環(huán)氧樹脂不能象硅膠那樣用刀切分型。環(huán)氧樹脂在固化過程中伴有少量收縮, 因此母模常會損壞。環(huán)氧樹脂的導(dǎo)熱性極差, 用純環(huán)氧樹脂制作的模具進(jìn)行注塑成型時的熱量難以散出

38、,解決的辦法就是在制作環(huán)氧樹脂的模具特征表面, 背后充填導(dǎo)熱性好的材料。這樣制作的模具具有很好的抗壓強(qiáng)度 , 完全可以用于注塑成型一類的壓力成型, 具有研磨性的材料也可以注塑, 壽命達(dá)數(shù)千件。環(huán)氧樹脂模具與傳統(tǒng)注塑模具相比，成本只有傳統(tǒng)方法的幾分之一，生產(chǎn)周期也大大減少。模具壽命不及鋼模，但比硅膠模高，可達(dá)5005000 件，基本可滿足中小批量生產(chǎn)的需要。硬模硬模（ hardtooling）通常指的就是鋼質(zhì)模具，即用間接方式制造金屬模具和用快速成形直接加工金屬模具。a)金屬噴涂模用高速隋性氣體將熔化的金屬液體霧化，噴射在石蠟、塑料或陶瓷原型( 通過sla 、sls或 lom方法制造 ) 上，生

39、成一薄層金屬，補(bǔ)強(qiáng)背襯并除去原型后得到模具。受噴涂設(shè)備和母模受溫限制 , 通常所用金屬材料是低熔點金屬, 如鉛錫合金、鋅合金和鎳等, 常用的噴涂方法是電弧噴涂。如果母模能夠耐受高溫, 也可以噴涂高熔點金屬如不銹鋼。此法可制作注塑模具和沖壓模具， 但是為了提高制件的表面質(zhì)量和機(jī)械性能需要進(jìn)行時效處理，增加了制模時間。b)鎳和陶瓷混合物模具制造技術(shù)此法利用塑料rp 模型作為母型 , 在母型上用電鍍的方法鍍上一層鎳金屬, 制造出一個鎳金屬薄殼 , 這個薄殼與母型接觸的表面完全反映了待注射成型零件的表面形狀及尺寸特征。 由于薄殼的強(qiáng)度低 , 因此在薄殼的非成型面以高強(qiáng)度陶瓷粉充填, 要求陶瓷材料具有很

40、小的收縮系數(shù)和合適的熱物理性能。這種復(fù)合材料模具非常適合制造尺寸較大零件( 大于250mm250 mm250 mm), 如若母型用立體光造型方法制作, 則此法的尺寸精度將不低于原型件的精度 , 用于塑料注射成型時其壽命至少為5 000 件。此方法比較關(guān)鍵問題是電鍍殼體所需的時間較長。c)3d keltool模keltool是目前被認(rèn)為最有發(fā)展前景的一種快速制造金屬模具的方法。它首先用rp 母模型制造出精度較高等的硅膠模, 再往硅膠模中注入精細(xì)粉狀的a6 工具鋼 ( 或不銹鋼)與顆粒更加細(xì)小的碳化鎢的混合物( 注意粉末顆粒的大小是控制模具最終質(zhì)量的一個非常重要的因素) 。然后再向混合物中加入環(huán)氧

41、樹脂類的粘結(jié)劑, 從而使金屬粉末混合物在硅膠模中形成綠件。開模后把綠件在爐中加熱從而使粘結(jié)劑揮發(fā)，同時使金屬粉末混合物燒結(jié)成型,這時的模件中仍有30 % 的空隙 , 所以還需做最后滲銅處理, 最終得到可用于大批量生產(chǎn)( 達(dá)百萬件) 的硬模具。d)利用 rp 原型制作電火花加工（ edm) 用的電極edm方法在模具制造領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛, 它可用來加工形狀極其復(fù)雜的型腔和型芯, 它可以加工硬度極高的用cnc機(jī)床無法加工的材料 , 它還可以加工熱處理后的材料, 從而避免加工后熱處理造成的熱變形。edm 電極的質(zhì)量是影響加工件質(zhì)量的關(guān)鍵因素, 電極本身的費用占 edm加工過程費用的50 % 80 %

42、。目前多用石墨或銅電極, 其使用壽命極短 , 有時為加工一個型腔需更換多個電極, 嚴(yán)重影響edm的加工效率。用rp方法就可快速制造任意形狀的 edm電極, 可以彌補(bǔ)這個不足。石墨電極成形法。 利用 rp 原型翻制石墨電極研具,再利用研具采用平動研磨法制造石墨電極 , 然后用電火花加工金屬模具。電鑄銅電極法。它是在rp 原形表面噴涂一層導(dǎo)電介質(zhì),然后用電鑄法在rp 原型的表面沉淀一層一定厚度的銅得到電鍍銅電極,再利用電極電火花加工模具。電極成形法的優(yōu)點在于隨著模具型腔復(fù)雜程度的提高,批量的增大,其優(yōu)越性就越能得到體現(xiàn)。運用rt技術(shù)突出的特點就是其顯著的經(jīng)濟(jì)效益。由于基于rp技術(shù)的快速模具制造由于

43、技術(shù)集成程度高，從cad數(shù)據(jù)到物理實體轉(zhuǎn)換過程快，因而同傳統(tǒng)的數(shù)控加工方法相比，加工一件模具的制作周期僅為前者的1/3 1/10， 生產(chǎn)成本也僅為1/3 1/5 。表 1-3 為基于rp m 原型快速制作快速模具的技術(shù)選擇：表 1-3快速模具技術(shù)的選擇項目硅橡膠直接aim模噴涂金屬模鋅合金模slsrapidtool3dkellool銑削鋁模研制周期/ 周0.5-21.5-32-42-32-53-62-6成本/ 萬美元0.1-0.50.2-0.50.2-1.50.4-1.50.4-1.00.35-1.00.4-2.5典型件數(shù)10-5010-5050-100050-100050-10000050-

44、1000000050-1000000模具精度/mm0.05/250.08/250.05/250.025/5特征細(xì)節(jié)公差/mm0.050.1270.05注：研制周期系指模具從設(shè)計到進(jìn)入市場的時間（leadingtime）由表可見， 雖然目前由于高速銑削技術(shù)的發(fā)展，大大促進(jìn)了模具的制造速度，但是各種rp+rt 技術(shù)更具有強(qiáng)大的生命力。無論是硅膠模、 噴涂金屬模、 鋅合金模， 還是直接aim 模、sls rapidtool 技術(shù)、 3d keltool技術(shù)，都有著其市場的需要和發(fā)展的空間。1.6.3汽車行業(yè)對快速模具開發(fā)技術(shù)的需求金屬板料沖壓模是工業(yè)生產(chǎn)中最重要的模具種類之一，約有 50% 以上的金

45、屬板材是通過模具加工成形的，我國模具工業(yè)產(chǎn)值的50%60%集中在沖壓模具上。汽車覆蓋件模具是金屬板料沖壓模具的典型代表，對模具設(shè)計制造、沖壓工藝、材料等都有非常高的要求，是一個國家沖壓模具制造水平的重要標(biāo)志。多年來， 汽車模具， 特別是轎車車身覆蓋件模具一直是制約我國轎車工業(yè)發(fā)展的瓶頸。汽車工業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)五大支柱產(chǎn)業(yè)之一，為了適應(yīng)市場需求，汽車換型時間不斷縮短，轎車一般為34 年。一個型號的轎車，所需模具達(dá)幾千副，價值數(shù)億元，轎車換型時，有 80的模具需要更換 , 一個車型平均需大中型覆蓋件模具約260 副，每副大中型覆蓋件模具平均按 2400 工時計算，每年就需936 萬工時。而目前我國

46、大、中型汽車模具生產(chǎn)能力只有 500 萬工時年，尚缺436 萬工時年，滿足率只有53.4，因此，發(fā)展大中型汽車覆蓋件模具生產(chǎn)能力和開發(fā)技術(shù)是我國發(fā)展汽車工業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。要想在激烈的國際競爭中占有一席之地，汽車企業(yè)必須建立起技術(shù)創(chuàng)新機(jī)制，成為自主的 r&d主體，逐步擺脫對技術(shù)引進(jìn)的依附。因此, 我國對新車型試制技術(shù)和車身模具開發(fā)技術(shù)有更緊迫的需求，發(fā)展快速模具制造技術(shù)意義重大。在新車型開發(fā)過程中，樣車試制是其中的重要環(huán)節(jié)，為了能真正反映產(chǎn)品的工藝性能和設(shè)計性能， 國外樣車車身一般采用接近正規(guī)生產(chǎn)工藝來制造，其基本流程為： 簡易模具制造拉延成形激光切邊用數(shù)控制造的胎模翻邊在小型環(huán)形裝配線或

47、裝配臺上焊接激光監(jiān)測車身尺寸質(zhì)量，其中最重要的是簡易模具制造和板金件拉延成形。國內(nèi)樣車金屬鈑金件傳統(tǒng)上大多以手工敲制為主，無法準(zhǔn)確反映產(chǎn)品的工藝性能和裝配關(guān)系，致使在產(chǎn)品投產(chǎn)后才暴露大量的工藝和質(zhì)量問題，不得不進(jìn)行較長時間的質(zhì)量攻關(guān)。目前國內(nèi)汽車車身試制模具技術(shù)主要還是依靠國外，制造周期長、成本高, 一般需618 個月，主要原因是不具備快速低成本的車身模具制造技術(shù)和手段，造成汽車換型緩慢。針對目前現(xiàn)狀， 如果亦步亦趨重復(fù)工業(yè)發(fā)達(dá)國家走過的老路，很難使我國在短時間內(nèi)躋身于模具制造強(qiáng)國之列，必須從我國工業(yè)實際基礎(chǔ)出發(fā)，抓住重點，突出特點，走超常規(guī)發(fā)展的道路。 除加強(qiáng) cad/cae/cam 技術(shù)的

48、應(yīng)用和開發(fā)以外，要特別注重快速模具制造技術(shù)的研究和應(yīng)用。今日之世界， 不是大的戰(zhàn)勝小的，而是快的擊敗慢的，領(lǐng)導(dǎo)通用擊敗福特的斯隆就曾提出“式樣年年翻新、產(chǎn)品檔次齊全”的產(chǎn)品創(chuàng)新戰(zhàn)略。降低成本、縮短交貨時間、迅速響應(yīng)市場變化、 快捷適應(yīng)產(chǎn)品設(shè)計變更是新世紀(jì)模具制造技術(shù)的重要發(fā)展方向，各種新型的快速模具制造技術(shù)得到人們極大的關(guān)注，其中金屬電弧噴涂快速制模技術(shù)已在汽車覆蓋件樣件制造領(lǐng)域得到了很好的工程應(yīng)用，是極具前途的一種快速制模技術(shù)。本書將主要介紹金屬電弧噴涂快速制模技術(shù)在汽車覆蓋件樣件制作領(lǐng)域的應(yīng)用。1.7金屬電弧噴涂快速制模技術(shù)1.7.1金屬電弧噴涂技術(shù)原理電弧噴涂技術(shù)是一種熱噴涂技術(shù)。熱噴涂

49、是指利用不同的熱源來加熱各種被噴涂的材料至熔融狀態(tài)，并借助于霧化氣流的加速使其形成“微粒霧流”，高速噴射到經(jīng)過表面預(yù)處理的基體上， 形成與基體緊密結(jié)合的堆積狀噴涂層的技術(shù)。電弧噴涂過程中，送絲機(jī)構(gòu)將兩根導(dǎo)電金屬絲連續(xù)均勻地送入電弧噴槍中的兩個導(dǎo)電嘴內(nèi)，導(dǎo)電嘴分別連接電源的正極和負(fù)極，保證兩根絲分別帶上正電和負(fù)電，并在兩根絲交叉處之前絕緣。當(dāng)兩絲材端部在噴嘴的交叉處互相接觸時，兩根絲之間就形成短路而產(chǎn)生電弧，使絲材端部熔化，熔化后的金屬液滴被壓縮空氣霧化并加速，以很高的速度噴射到母模表面，與母模表面機(jī)械結(jié)合，形成電弧噴涂涂層。電弧噴涂原理如圖1-2。圖 1-2 電弧噴涂原理圖1.7.2金屬電弧噴

50、涂技術(shù)特點電弧噴涂與其他熱噴涂技術(shù)相比，具有以下幾方面優(yōu)點。1) 結(jié)合強(qiáng)度高電弧噴涂時噴涂金屬材料受到高溫電弧的直接加熱，電弧溫度高達(dá)6000，粒子加熱的程度要遠(yuǎn)較火焰噴涂時高，噴涂粒子的尺寸通常又較火焰噴涂時的粒子大。電弧噴涂時，粒子的熱能與動能均較高，熔滴溫度高，粒子變形量大，因此應(yīng)用電弧噴涂技術(shù)，可以在不提高基體溫度、 不使用貴重打底層材料的情況下獲得高的結(jié)合強(qiáng)度，結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)到20mpa以上。2) 高效、節(jié)能及成本低電弧噴涂的高效率表現(xiàn)在單位時間內(nèi)噴涂金屬材料的質(zhì)量大。電弧噴涂的生產(chǎn)效率正比于電弧電流。表1-4 是噴涂不同材料噴涂電流為100a 時所能夠達(dá)到的生產(chǎn)率（kgh-1)。當(dāng)噴

51、涂電流為300a 時，噴涂各種鋼絲時15kgh-1。噴涂鋅時30kgh-1。噴涂同種金屬絲材，電弧噴涂效率比火焰噴涂提高26 倍。當(dāng)需要更高的生產(chǎn)效率時，可以使用更高的電流。電弧噴涂槍的最大電流可達(dá)1400a。表 1-4 各種材料的電弧噴涂生產(chǎn)率噴涂材料每 100a 的生產(chǎn)率 /kgh-1噴涂材料每 100a 的生產(chǎn)率 /kgh-1鋅10鋼4.2-5.1鋁2.780/20nicr5.4巴氏合金20-28鉬3青銅6.2-6.8電弧噴涂的節(jié)能效果十分突出，能源利用率顯著高于其他噴涂方法。由于噴涂電弧直接作用于噴涂金屬絲的端部而用來熔化金屬，能源利用率可達(dá)90%，是所有噴涂方法中能源利用最充分的。電

52、弧噴涂時的電費只相當(dāng)于火焰噴涂時氧氣、乙炔費用的1/151/20。3) 可以方便地制備復(fù)合合金涂層電弧噴涂時只需要使用兩根成分不同的金屬絲就可以制備出“偽合金”涂層，獲得獨特的綜合性能。 涂層中粒子之間還會存在少量的兩種材料的合金或金屬間化合物。這種偽合金涂層往往兼具兩種組成成分的耐磨性和高導(dǎo)熱性能，可以用于噴涂剎車盤。低碳鋼-蒙乃爾（銅鎳合金）的“偽合金”涂層收縮率特別低，易于機(jī)械加工，便于噴涂內(nèi)孔及修補(bǔ)緊密表面上的缺陷；低碳鋼與錫青銅的“偽合金”涂層是修復(fù)重型機(jī)床導(dǎo)軌的好材料。4) 噴涂質(zhì)量容易保證電弧噴涂時，噴射出的每個粒子都是絲材被電弧熔化后所形成的微小液滴，而不像火焰或等離子噴涂那樣

53、將固態(tài)粉末送到火焰中去加熱。因此粒子得到充分而均勻的加熱，從而保證了噴涂涂層的質(zhì)量。5) 設(shè)備造價低，使用維護(hù)容易電弧噴涂設(shè)備要比等離子噴涂設(shè)備簡單，體積小，質(zhì)量輕，設(shè)備移動容易。不需要瓶裝氣體，也不需要燃料。設(shè)備中唯一的易損件是噴槍中的導(dǎo)電嘴，但它的成本也很低，消耗量也不大。設(shè)備對基體環(huán)境要求低，可長期可靠地在環(huán)境惡劣的現(xiàn)場使用。6) 安全性好電弧噴涂技術(shù)僅使用電和壓縮空氣，不用氧氣、乙炔等易燃?xì)怏w，安全性高。但由于電弧熱源溫度高， 造成在噴涂過程中元素因蒸發(fā)和氧化導(dǎo)致燒損量增加，因此在涂層中元素含量比火焰噴涂層少。在噴涂碳鋼時，由于碳元素?zé)龘p大，而導(dǎo)致涂層硬度降低。而且電弧噴涂材料的范圍比

54、使用粉末材料的噴涂方法窄得多。1.7.3金屬電弧噴涂快速制模技術(shù)電弧噴涂時， 熔化的金屬液滴通過壓縮空氣的作用被霧化并加速，以一定的速度撞擊并沉積到母模表面，快速凝固后形成具有一定厚度的金屬型殼。型殼拷貝了母模的形狀，具有比較好的復(fù)型性，從而獲得所需的模具型面。對金屬型殼進(jìn)行背襯強(qiáng)化、脫模、加工拋光等后處理工藝， 即得到電弧噴涂快速模具。將快速模具進(jìn)行試模調(diào)試之后，便可以用來沖壓零件。電弧噴涂快速制模技術(shù)的工藝過程如圖1 -3 所示，這種制模方式工藝簡單, 成本比較低, 周期比較短 , 復(fù)型性強(qiáng)。電弧噴涂快速模具主要分為三部分：金屬型殼，圍框和背襯。圍框是由鋼板焊接而成，用樹脂粘結(jié)在型殼上，主

55、要用來支撐型殼和起骨架作用。背襯層由背襯材料充填而成，粘附在金屬噴涂層下方，起著支撐和增加強(qiáng)度的作用。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1- 4。圖 1- 3 電弧噴涂快速制模技術(shù)工藝過程圖 1- 4 電弧噴涂快速模具結(jié)構(gòu)示意圖電弧噴涂快速制模工藝過程以噴涂母模為基準(zhǔn)，模具型腔的尺寸、表面粗糙度和幾何精度等完全復(fù)制于母模，所以母模的好壞直接決定著模具的成型性和模具的質(zhì)量，是快速制模的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一 9 。電弧噴涂快速制模技術(shù)的母?？梢允菍嵨锬Ｐ突蛘咴?，也可以是過渡模型等，或者通過數(shù)控加工的木材、石膏等非金屬材料獲得。電弧噴涂快速制模技術(shù)和傳統(tǒng)鋼模制造技術(shù)相比，主要優(yōu)點是制造周期短，成本低。 制作周期的縮短主要

56、是由于模具加工時間大大的減少，制作成本的降低主要是由于模具的加強(qiáng)和支撐部分大部分都是用樹脂砂等廉價材料替代了原來的鋼材，從而降低了成本。 電弧噴涂快速制模技術(shù)廣泛應(yīng)用于注塑模具、車身覆蓋件模具等快速模具的制造，適合小批量、 多品種產(chǎn)品的開發(fā)和試制與生產(chǎn)。1.7.4金屬電弧噴涂快速制模技術(shù)研究現(xiàn)狀1）國外研究現(xiàn)狀在國外，金屬噴涂快速制模技術(shù)也有人稱作熔射快速間接制模法。badaerpattern公司、東京大學(xué)和日產(chǎn)汽車公司的熔射制模法的母模都是快速原型，bader pattern 公司只能熔射低熔點鋅合金，東京大學(xué)和日產(chǎn)汽車公司的熔射制模法采用不銹鋼作為熔射材料，制得的不銹鋼模具已用于數(shù)萬至二十

57、多萬件的轎車覆蓋件成形。英國的sprayform tools&dies ，ltd.公司開發(fā)了一種電弧噴涂鋼基材料快速制造注塑模具的工藝，他們采用氧化鋁粉末與硅膠混合物燒結(jié)的方法制造母模，然后再在其表面噴涂鋼涂層，最終得到鋼制模具。福特公司利用高熔點金屬電弧噴涂制模技術(shù)，生產(chǎn)出用于批量生產(chǎn)的沖壓模具。他們是利用機(jī)器人在冷凍陶瓷反形上噴涂沉積一定厚度的金屬。第一步， 利用五軸數(shù)控機(jī)床在一個成本低且容易加工的方形板上加工出模具的反形。第二步用圍框?qū)⒎葱螄饋?，澆注氧化鋁和硅溶膠的混合泥漿，然后將模型冷凍干燥，得到精確的耐火母模。冷凍凝固是一個不可逆的凝固過程， 使用這種方法來制模主要是因為它可以得到裂紋少和收縮小的模型，可以得到非常精確的模型。第三步， 利用烘箱將冷凍陶瓷模型進(jìn)行干燥和加熱。