現代快速經濟制造模具技術(1)

1、現代快速經濟制造模具技術1引言隨著全球經濟的發(fā)展，新的技術革命不斷取得新的進展和突破，技術的 飛躍發(fā)展已經成為推動世界經濟增長的重要因素。市場經濟的不斷發(fā)展，促 使工業(yè)產品越來越向多品種、小批量、高質量、低成本的方向發(fā)展，為了保 持和加強產品在市場上的競爭力，產品的開發(fā)周期、生產周期越來越短，于 是對制造各種產品的關鍵工藝裝備 一模具的要求越來越苛刻。一方面企業(yè)為追求規(guī)模效益，使得模具向著高速、精密、長壽命方向發(fā) 展；另一方面企業(yè)為了滿足多品種、小批量、產品更新換代快、贏得市場的 需要，要求模具向著制造周期短、成本低的快速經濟的方向發(fā)展。計算機、 激光、電子、新材料、新技術的發(fā)展，使得快速經濟

2、制模技術如虎添翼，應 用范圍不斷擴大，類型不斷增多，創(chuàng)造的經濟效益和社會效益越來越顯著。2快速經濟制模技術類型快速經濟制模技術與傳統(tǒng)的機械加工相比，具有制模周期短、成本低、 精度與壽命又能滿足生產上的使用要求， 是綜合經濟效益比較顯著的一類制 造模具的技術，概括起來，有以下幾種類別。2.1快速原型制造技術快速原型制造技術簡稱RPM，是80年代后期發(fā)展起來的一種新型制造 技術。美國、日本、英國、以色列、德國、中國都推出了自己的商業(yè)化產品, 并逐漸形成了新型產業(yè)RPM是電腦、激光、光學掃描、先進的新型材料、計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助加工（CAM）、數控（CNC）綜合應用的高新技術。在成型

3、概念 上以平面離散、堆積為指導，在控制上以計算機和數控為基礎，以最大柔性 為總體目標。它摒棄了傳統(tǒng)的機械加工方法，對制造業(yè)的變革是一個重大的 突破，利用RPM技術可以直接或間接地快速制模，該技術已被汽車、航空、 家電、船舶、醫(yī)療、模具等行業(yè)廣泛應用。下面簡述一下目前已經商業(yè)化的 幾種典型快速成型工藝。2.1.1激光立體光刻技術（SLA）SLA技術是交計算機CAD造型系統(tǒng)獲得制品的三維模型，通過微機控制 激光，按著確定的軌跡，對液態(tài)的光敏樹脂進行逐層掃描，使被掃描區(qū)層層 固化，連成一體，形成最終的三維實體，再經過有關的最終硬化打光等后處 量，形成制件或模具。激光立體光刻技術主要特點是可成型任意復

4、雜形狀，成型精度高，仿真 性強，材料利用率高，性能可靠，性能價格比較高。適合產品外型評估、功 能實驗、快速制造電極和各種快速經濟模具。但該技術所用的設備和光敏樹 脂價格昂貴，使其成本較高。2.1.2疊層輪廓制造技術（LOM）LOM技術是通過計算機的三維模型，利用激光選擇性地對其分層切片， 將得到的各層截面輪廓層層粘結，最終疊加成三維實體產品。其工藝特點是成型速度快，成型材料便宜、成本低，因無相變，故無熱應力、收縮、膨脹、翹曲等，所以形狀與盡寸精度穩(wěn)定，但成型后廢料塊剝 離較費事，特別是復雜件內部的廢料剝離。該工藝適用于航空、汽車等和中 體積較大制件的制作。2.1.3激光粉末選區(qū)燒結成型技術（S

5、LS）SLS技術是將計算機的三維模型通過分層軟件將其分層，在計算機控制下， 使激光束依據分層的切片截面信息對粉末逐層掃描，掃描到的粉末燒結固化（聚合、燒結、粘結、化學反應等），層層疊加，堆積成三維實體制件。該技術最大特點是能同時用幾種不同材料（聚碳酸脂、聚乙烯氯化物、石 蠟、尼龍、ABS、鑄造砂）制造一個零件。2.1.4熔融沉積成型技術（FDM）FDM技術是由計算機控制可擠出熔融狀態(tài)材料的噴嘴，根據CAD產品模型分層軟件確定的幾何信息，擠出半流動狀態(tài)的熱塑材料沉積固化成精確 的實際制件薄層，自下而上層層堆積成一個三維實體，可直接做模具或產 品。2.1.5三維印刷成型技術（3D-P）3D-P技術

6、用微機控制一個連續(xù)噴墨印刷頭，依據分層軟件逐層選擇性地 在粉末層上沉積液體粘結材料，最終由順序印刷的二維層堆積成一個三維實 體，猶如不使用激光的快速制模技術。該技術主要應用在金屬陶瓷復合材料 的多孔陶瓷預成型件上，其目標是由 CAD產品模型直接生產模具或功能性制作2.2表面成型制模技術表面成型制模技術，主要是利用噴涂、電鑄、化學腐蝕等新的工藝方法 形成型腔表面及精細花紋的一種工藝技術，實際應用中包括以下幾種類型。221電弧噴涂成型制模技術電弧噴涂成型技術的原理是：利用 2根通電的金屬絲之間產生電弧的熱 量將金屬絲熔化，依靠高壓氣體將其充分霧化，并給予一定的動能，高速噴 射在樣模表面，層層鑲嵌，

7、形成一金屬殼體，即型腔的內表面，再用充填基 體材料（一般為金屬粉粒與樹脂的復合材料）加以支撐加固，提高其強度和剛 性，連同金屬模架組合成模具。這種制模技術工藝簡單、成本低，制造周期非常短，型腔表面的成型僅 需幾個小時，節(jié)省能源和金屬材料，一般型腔表面僅2-3mm厚，仿真性極強，花紋精度可達到0.5 m目前該技術被廣泛地用于飛機、汽車的內飾件模具、家電、家俱、制鞋、 美術工藝品等表面形狀復雜及花紋精細的各種聚氨酯制品的吹塑、吸塑、 P VC注射、PU發(fā)泡及各類注射成型模 具中。2.2.2電鑄成型技術電鑄成型技術的原理同電鍍一樣，是依樣模（現成制品或按制品圖紙制成 的母模）為基準（陰極），置放在電

8、鑄液中（陽極），使電鑄液中的金屬離子還原 后一層一層地沉積在樣模上，形成金屬殼體，將其剝離后，與樣模接觸的表 面即為模具的型腔內表面。該技術主要特點是節(jié)省材料、模具制造周期短，電鑄層硬度可達40HRC, 提高了耐磨性和壽命，粗糙度、尺寸精度與樣模完全一致，適用于注射、吸 塑、吹塑、搪塑、膠木模、玻璃模、壓鑄模等模具型腔及電火花成型電極的 制造。223型腔表面精細花紋成型的蝕刻技術蝕刻技術是光學、化學、機加工綜合應用的一種技術，它的基本原理是 先把花紋圖案制成膠片，再把膠片上的花紋圖案復制在已涂上光敏材料的模 具型腔表面上，經過化學處理，模具型腔表面形成不被蝕刻部分的保護層， 再根據模具材質，選

9、擇相應蝕刻工藝，將花紋圖案蝕刻在模具內表面上。 該技術的主要特點是時間短、費用低，修補破損花紋圖案可做到天衣無縫。2.3澆鑄成型制模技術 澆鑄成型制模技術的共同特點是依樣件為基準，澆 鑄出凸、凹模，型腔表面不需要機械加工。實際制模中主要有以下幾種類型。2.3.1鉍錫合金制模技術鉍錫合金快速制模技術是經樣件為基準， 以Bi-Sn（鉍錫）二元共晶合金（熔 點138C,脹縮率萬分之三）為材料，有精密鑄造的方法同時鑄出凸模、凹模、 壓邊圈的一種技術。該技術的特點是制模成本低，合金可重復使用，制造周 期短，尺寸精度高，形狀、尺寸與樣件完全相符，一次鑄模壽命可達500-3 000件，非常適合新產品開發(fā)、工

10、藝驗證、樣品試制及中小批量和平232鋅基合金制模技術這是一種以樣件（或樣模）為基準，以熔點為380C左右的鋅基合金為材料， 分別澆注凸、凹模，原則上型腔表面不進行機械加工的一種制模技術。該技 術特點是制模成本低、周期短，適用于制作薄板大型拉伸模、沖裁模及塑料 模。233樹脂復合成型模具技術這是一種以樣模（或工藝模型）為基準，以樹脂或其復合材料為流體材料， 先澆注出凸（凹）模，再依據凸（凹）模貼上蠟片（間隙層），澆注凸（凹）模。該技 術成型的型腔表面不需機械加工。該技術與CAD/CAM相結合，特點是模具尺寸精度高、制造周期短、成 本低，是新產品試制、小批量生產工藝裝備的新途徑。適用于制作大型覆蓋

11、 件拉伸模（也可局部鑲鋼）、真空吸塑、聚氨酯發(fā)泡成型模、陶瓷模、仿型靠 模、鑄造模等。2.3.4硅橡膠制模技術該技術以制件原型或模型為基準，將柔態(tài)硅橡膠制做 成塊，再靠高壓力與模型完全吻合。2.4擠壓成型技術2.4.1冷擠壓成型利用鈹銅合金的良好的導熱性和穩(wěn)定性，經固熔時效處理后，采用冷擠壓制造模具凹模型腔。其特點是制造周期短，型腔精度高（IT7級），表面粗糙度Ra=0.025 m強度高，壽命可達50萬次，無環(huán)境污染242超塑成型制模技術該技術是利用金屬材料在細化晶粒、一定成型溫度、低變形速率條件下，材料具有最佳超塑性時，將事先制作好的凸模，用較小 的力便可擠壓出凹模的一種快速經濟制模技術。超

12、塑成型材料的典型代表是Zn-22%AL。2.5無模多點成形技術無模多點快速成形技術是以CAD/CAM/CAT技術為主要手段，利用計算 機控制高度可調基本體群形成上下成形面，代替?zhèn)鹘y(tǒng)模具對板料進行三維曲面成形的又一現代先進制造技術。 此項技術可以隨意改變變形路徑與受力狀 態(tài)，提高材料的成形極限，可反復成形，以此消除材料內部的殘余應力，實 現無回彈成形。2.6凱維朗(KEVRON)鋼帶沖裁落料制模技術新型鋼帶沖裁落料制模技術是一種不同于一般具有凸、凹模結構的鋼帶模， 它是由單刃鋼帶與特制墊板組成的新型快速經濟制模技術。這種模具重量 輕，一般只有200kg，加工精度為).35-0.50mm,可適合各

13、種黑色和有色金 屬的0.5-0.65mm厚的板料加工。壽命可達到5-25萬次，制造成本低。2.7模具毛坯的快速制造技術一實型鑄造由于大量的模具是屬于單件或小批量生產，模具毛坯的制造質量和周期 及成本對最終的模具質量和周期及成本的影響是至關重要的。現代模具毛坯已廣泛地采用子實型鑄造技術，所謂實型鑄造就是利用泡沫塑料(聚苯乙烯一PS或聚甲基丙烯酸酯一PMMA)制作代替?zhèn)鹘y(tǒng)的木?；?金屬模，造型后不需取出模型，便可以澆鑄，泡沫塑料模型的高溫液體金屬 作用下，迅速燃燒氣化而消失，金屬液取代原來泡沫塑料模型所占有的位置， 冷凝后形成鑄件。實型鑄造在實際應用中有下列幾種情況。2.7.1干砂實型鑄造即用55

14、-100目的全干沒有任何粘結劑的石英砂造型，用 EPS或PMMA 泡沫塑料制作的模型涂掛0.2-1mm厚透氣性良好的耐火涂料層，以提高鑄件 表面光潔度，防止粘砂或塌箱。2.7.2負壓實型鑄造負壓實型鑄造又稱V法造型。該技術是使用全干而無粘結劑的石英砂做 型砂，用EPS或PMMA泡沫塑料做模型，在塑料薄膜的密封條件下，讓整 個鑄型在負壓條件下（真空度0.4-0.67MPa進行液體金屬澆鑄，鑄件凝固后解 除負壓即可得到表面光潔的鑄件。2.7.3樹脂砂實型鑄造利用樹脂砂做型砂，用EPS或PMMA泡沫塑料做模型，在常溫、常壓下 進行液體金屬澆鑄而制取鑄件。利用實型鑄造的技術制造模具毛坯具有尺寸 精度高

15、（ISO9級），加工余量?。ò阍?mm左右），不需要拔模斜度，不需要 制型芯與泥芯撐，節(jié)省金屬材料，節(jié)省做木模型的木材，制造周期短，成本 低。該技術適合大型、復雜、單件模具毛坯的生產。陶瓷型精鑄、失蠟精鑄等技術在提高模具毛坯精度、降低加工工時、縮短制造周期、降低成本等 方面也顯示出其特有的優(yōu)越性。2.8其它方面技術為了簡化模具的結構設計，降低模具成本，縮短模具制造周期，在國內 外也先后出現了一些其它方面新技術的應用，如快換模架、沖壓單元、刃口 堆焊、鑲塊鑄造、氮氣彈簧等。2.8.1氮氣彈簧在模具上的應用氮氣彈簧是一種新型彈性功能部件，用它代替彈簧、橡膠、聚氨酯或者 氣墊，它能夠準確地提供壓邊力

16、，在較小空間便可產生較大初始彈壓力，不 需預緊，在模具整個工作過程中彈壓力基本恒定。彈壓力大小及受力點位置 可隨時、準確、方便地調整，簡化模具拉伸、壓邊、卸料等結構，簡化模具 設計，縮短制模周期，調試模具方便，縮短更換模具時間，提高生產效率。2,8.2快速換模技術由于產品品種的增多，使模具在生產中更換變得十分頻繁，于是如何縮 短沖壓設備的停機時間，提高生產效率，快速換模技術受到了人們的關注。目前發(fā)達工業(yè)國家的一些大公司換模速度達到了驚人的程度，是否具有 快速換模技術已成為企業(yè)技術進步的一項標志。總的趨勢就是減少模具在設備上安裝、固定、調整的時間，這既要在設備結構設計上予以考慮，又要在 模具的結

17、構設計、標準化方面予以考慮，將機上的作業(yè)盡可能地放在機下做。283沖壓單元組合技術沖壓單元組合技術是將常規(guī)的沖模分解為一個個簡單的單元沖模，根據工序件的要求，排列組合，在同一次沖程內完成多種沖壓工序的新型工藝裝 備，工作時沖壓單元不與沖床滑塊聯接，只需滑塊打擊即可完成沖壓工作。 單獨使用時它就是1副完整模具。它可以用來加工板料或型材的沖孔、 落料、 切角、切槽、切斷及淺拉伸等。具有組裝快捷、使用方便、通用性強、經濟 性好等特點，特別適合多品種、中小批量生產。284刃口堆焊技術在沖模制造中，以普通灰鑄鐵為基體，在刃口部位堆焊高硬度的合金鋼， 以代替模具鋼鑲塊，這一技術成為世界先進工藝之一。這是一

18、項節(jié)省制造工 時，節(jié)省昂貴的模具鋼材，縮短模具制造周期的快速經濟制模技術。目前熔化極氬弧焊技術的應用，大大地提高了刃口堆焊的速度和質量。這項技術世界各國模具行業(yè)已廣泛采用，取得了良好的經濟效益。285實型鑄造沖模刃口鑲塊技術這是一種用實型鑄造的工藝方法制造沖模刃口的方法，即用合金鋼鑄件 鑲塊代替鍛造合金鋼鑲塊。目前由于鑄造工藝和熱處理工藝不斷完善和提 咼，鑄造鑲塊的內在質量有了保證，故其應用范圍在不斷擴大。這項以鑄代 鍛的新技術的突出特點是節(jié)省貴重模具鋼材，簡化模具制造工序，由于加工 余量小，節(jié)省了大量機加工工時，縮短模具制造周期，降低模具成本。286可加工塑料在模具制造中的應用可加工塑料在發(fā)達的工業(yè)國家應用較普遍，特別是在汽車、飛機等制造 業(yè)中，主要代替木材或金屬制作汽車車身主模型、 靠模、檢具和鑄造模型等?？杉庸に芰系闹饕攸c是兼?zhèn)淠静暮徒饘俚膬?yōu)良加工性能，制作工藝簡捷（可采用模塑、澆注、拼粘、雕塑等方法）、尺寸穩(wěn)定性好、不變形、耐潮濕、 耐腐蝕、易修復、易改型、重量輕、制作周期短、成本低。3結束語快速經濟制模技術種類很多，其所具有的特點、應用范圍各不相同，本 文僅能概括地做一些簡單介紹，每種技術在具體應用和實施過程中尚有許多 具體的工藝過程、工藝參數及其技術特性。模具是基礎工業(yè)之一，在全球化市場經濟和各種高新技術的迅猛發(fā)展形 勢下，快速經濟模具賦予了新的使命和全新的內涵