现代快速经济制造模具技术-- 一篇很好的文章

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现代快速经济制造模具技术
    1引言
    随着全球经济的发展，新的技术革命不断取得新的进展和突破，技术的飞跃发展已经成为
推动世界经济增长的重要因素。市场经济的不断发展，促使工业产品越来越向多品种、小批量、
高质量、低成本的方向发展，为了保持和加强产品在市场上的竞争力，产品的开发周期、生产
周期越来越短，于是对制造各种产品的关键工艺装备—模具的要求越来越苛刻。
    一方面企业为追求规模效益，使得模具向着高速、精密、长寿命方向发展；另一方面企业
为了满足多品种、小批量、产品更新换代快、赢得市场的需要，要求模具向着制造周期短、成
本低的快速经济的方向发展。计算机、激光、电子、新材料、新技术的发展，使得快速经济制
模技术如虎添翼，应用范围不断扩大，类型不断增多，创造的经济效益和社会效益越来越显著。
2快速经济制模技术类型
    快速经济制模技术与传统的机械加工相比，具有制模周期短、成本低、精度与寿命又能满
足生产上的使用要求，是综合经济效益比较显著的一类制造模具的技术，概括起来，有以下几
种类别。
    2.1快速原型制造技术
    快速原型制造技术简称RPM，是80年代后期发展起来的一种新型制造技术。美国、日本、
英国、以色列、德国、中国都推出了自己的商业化产品，并逐渐形成了新型产业。
    RPM是电脑、激光、光学扫描、先进的新型材料、计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助加
工(CAM)、数控(CNC)综合应用的高新技术。在成型概念上以平面离散、堆积为指导，在控制上
以计算机和数控为基础，以最大柔性为总体目标。它摒弃了传统的机械加工方法，对制造业的
变革是一个重大的突破，利用RPM技术可以直接或间接地快速制模，该技术已被汽车、航空、
家电、船舶、医疗、模具等行业广泛应用。下面简述一下目前已经商业化的几种典型快速成型
工艺。
    2.1.1激光立体光刻技术(SLA)
    SLA技术是交计算机CAD造型系统获得制品的三维模型，通过微机控制激光，按着确定的
轨迹，对液态的光敏树脂进行逐层扫描，使被扫描区层层固化，连成一体，形成最终的三维实
体，再经过有关的最终硬化打光等后处量，形成制件或模具。
    激光立体光刻技术主要特点是可成型任意复杂形状，成型精度高，仿真性强，材料利用率
高，性能可靠，性能价格比较高。适合产品外型评估、功能实验、快速制造电极和各种快速经
济模具。但该技术所用的设备和光敏树脂价格昂贵，使其成本较高。
    2.1.2叠层轮廓制造技术(LOM)
    LOM技术是通过计算机的三维模型，利用激光选择性地对其分层切片，将得到的各层截面
轮廓层层粘结，最终叠加成三维实体产品。
    其工艺特点是成型速度快，成型材料便宜、成本低，因无相变，故无热应力、收缩、膨胀、
翘曲等，所以形状与尽寸精度稳定，但成型后废料块剥离较费事，特别是复杂件内部的废料剥
离。该工艺适用于航空、汽车等和中体积较大制件的制作。
    2.1.3激光粉末选区烧结成型技术(SLS)
    SLS技术是将计算机的三维模型通过分层软件将其分层，在计算机控制下，使激光束依据
分层的切片截面信息对粉末逐层扫描，扫描到的粉末烧结固化(聚合、烧结、粘结、化学反应
等)，层层叠加，堆积成三维实体制件。
    该技术最大特点是能同时用几种不同材料(聚碳酸脂、聚乙烯氯化物、石蜡、尼龙、ABS、
铸造砂)制造一个零件。
    2.1.4熔融沉积成型技术(FDM)
    FDM技术是由计算机控制可挤出熔融状态材料的喷嘴，根据CAD产品模型分层软件确定的
几何信息，挤出半流动状态的热塑材料沉积固化成精确的实际制件薄层，自下而上层层堆积
成一个三维实体，可直接做模具或产品。
    2.1.5三维印刷成型技术(3D-P)
    3D-P技术用微机控制一个连续喷墨印刷头，依据分层软件逐层选择性地在粉末层上沉积
液体粘结材料，最终由顺序印刷的二维层堆积成一个三维实体，犹如不使用激光的快速制模技
术。该技术主要应用在金属陶瓷复合材料的多孔陶瓷预成型件上，其目标是由CAD产品模型直
接生产模具或功能性制作。
    2.2表面成型制模技术
    表面成型制模技术，主要是利用喷涂、电铸、化学腐蚀等新的工艺方法形成型腔表面及精
细花纹的一种工艺技术，实际应用中包括以下几种类型。
    2.2.1电弧喷涂成型制模技术
    电弧喷涂成型技术的原理是：利用2根通电的金属丝之间产生电弧的热量将金属丝熔化，
依靠高压气体将其充分雾化，并给予一定的动能，高速喷射在样模表面，层层镶嵌，形成一金
属壳体，即型腔的内表面，再用充填基体材料(一般为金属粉粒与树脂的复合材料)加以支撑加
固，提高其强度和刚性，连同金属模架组合成模具。
    这种制模技术工艺简单、成本低，制造周期非常短，型腔表面的成型仅需几个小时，节省
能源和金属材料，一般型腔表面仅2-3mm厚，仿真性极强，花纹精度可达到0.5μm。
    目前该技术被广泛地用于飞机、汽车的内饰件模具、家电、家俱、制鞋、美术工艺品等表
面形状复杂及花纹精细的各种聚氨酯制品的吹塑、吸塑、PVC注射、PU发泡及各类注射成型模
具中。
    2.2.2电铸成型技术
    电铸成型技术的原理同电镀一样，是依样模(现成制品或按制品图纸制成的母模)为基准(阴
极)，置放在电铸液中(阳极)，使电铸液中的金属离子还原后一层一层地沉积在样模上，形成
金属壳体，将其剥离后，与样模接触的表面即为模具的型腔内表面。
    该技术主要特点是节省材料、模具制造周期短，电铸层硬度可达40HRC，提高了耐磨性和
寿命，粗糙度、尺寸精度与样模完全一致，适用于注射、吸塑、吹塑、搪塑、胶木模、玻璃模、
压铸模等模具型腔及电火花成型电极的制造。
    2.2.3型腔表面精细花纹成型的蚀刻技术
    蚀刻技术是光学、化学、机加工综合应用的一种技术，它的基本原理是先把花纹图案制成
胶片，再把胶片上的花纹图案复制在已涂上光敏材料的模具型腔表面上，经过化学处理，模具
型腔表面形成不被蚀刻部分的保护层，再根据模具材质，选择相应蚀刻工艺，将花纹图案蚀刻
在模具内表面上。
    该技术的主要特点是时间短、费用低，修补破损花纹图案可做到天衣无缝。
    2.3浇铸成型制模技术浇铸成型制模技术的共同特点是依样件为基准，浇铸出凸、凹模，
型腔表面不需要机械加工。实际制模中主要有以下几种类型。
    2.3.1铋锡合金制模技术
    铋锡合金快速制模技术是经样件为基准，以Bi-Sn(铋锡)二元共晶合金(熔点138℃，胀缩
率万分之三)为材料，有精密铸造的方法同时铸出凸模、凹模、压边圈的一种技术。该技术的
特点是制模成本低，合金可重复使用，制造周期短，尺寸精度高，形状、尺寸与样件完全相符，
一次铸模寿命可达500-3000件，非常适合新产品开发、工艺验证、样品试制及中小批量和平。

    2.3.2锌基合金制模技术
    这是一种以样件(或样模)为基准，以熔点为380℃左右的锌基合金为材料，分别浇注凸、
凹模，原则上型腔表面不进行机械加工的一种制模技术。该技术特点是制模成本低、周期短，
适用于制作薄板大型拉伸模、冲裁模及塑料模。
    2.3.3树脂复合成型模具技术
    这是一种以样模(或工艺模型)为基准，以树脂或其复合材料为流体材料，先浇注出凸(凹)
模，再依据凸(凹)模贴上蜡片(间隙层)，浇注凸(凹)模。该技术成型的型腔表面不需机械加工。
  该技术与CAD/CAM相结合，特点是模具尺寸精度高、制造周期短、成本低，是新产品试制、
小批量生产工艺装备的新途径。适用于制作大型覆盖件拉伸模(也可局部镶钢)、真空吸塑、聚
氨酯发泡成型模、陶瓷模、仿型靠模、铸造模等。
    2.3.4硅橡胶制模技术该技术以制件原型或模型为基准，将柔态硅橡胶制做成块，再靠
高压力与模型完全吻合。
    2.4挤压成型技术
  2.4.1冷挤压成型
    利用铍铜合金的良好的导热性和稳定性，经固熔时效处理后，采用冷挤压制造模具凹模型
腔。其特点是制造周期短，型腔精度高(IT7级)，表面粗糙度Ra=0.025μm,强度高，寿命可达
50万次，无环境污染。
    2.4.2超塑成型制模技术
    该技术是利用金属材料在细化晶粒、一定成型温度、低变形速率条件下，材料具有最佳超
塑性时，将事先制作好的凸模，用较小的力便可挤压出凹模的一种快速经济制模技术。超塑成
型材料的典型代表是Zn-22%AL。
    2.5无模多点成形技术
    无模多点快速成形技术是以CAD/CAM/CAT技术为主要手段，利用计算机控制高度可调基本
体群形成上下成形面，代替传统模具对板料进行三维曲面成形的又一现代先进制造技术。此项
技术可以随意改变变形路径与受力状态，提高材料的成形极限，可反复成形，以此消除材料内
部的残余应力，实现无回弹成形。
    2.6凯维朗(KEVRON)钢带冲裁落料制模技术
    新型钢带冲裁落料制模技术是一种不同于一般具有凸、凹模结构的钢带模，它是由单刃钢
带与特制垫板组成的新型快速经济制模技术。这种模具重量轻，一般只有200kg，加工精度为
±0.35-0.50mm，可适合各种黑色和有色金属的0.5-0.65mm厚的板料加工。寿命可达到5-25
万次，制造成本低。
    2.7模具毛坯的快速制造技术—实型铸造
    由于大量的模具是属于单件或小批量生产，模具毛坯的制造质量和周期及成本对最终的模
具质量和周期及成本的影响是至关重要的。
    现代模具毛坯已广泛地采用子实型铸造技术，所谓实型铸造就是利用泡沫塑料(聚苯乙烯—
PS或聚甲基丙烯酸酯—PMMA)制作代替传统的木模或金属模，造型后不需取出模型，便可以浇
铸，泡沫塑料模型的高温液体金属作用下，迅速燃烧气化而消失，金属液取代原来泡沫塑料模
型所占有的位置，冷凝后形成铸件。实型铸造在实际应用中有下列几种情况。
    2.7.1干砂实型铸造
    即用55-100目的全干没有任何粘结剂的石英砂造型，用EPS或PMMA泡沫塑料制作的模型
涂挂0.2-1mm厚透气性良好的耐火涂料层，以提高铸件表面光洁度，防止粘砂或塌箱。
    2.7.2负压实型铸造
    负压实型铸造又称V法造型。该技术是使用全干而无粘结剂的石英砂做型砂，用EPS或PMMA
泡沫塑料做模型，在塑料薄膜的密封条件下，让整个铸型在负压条件下(真空度0.4-0.67MPa)
进行液体金属浇铸，铸件凝固后解除负压即可得到表面光洁的铸件。
    2.7.3树脂砂实型铸造
    利用树脂砂做型砂，用EPS或PMMA泡沫塑料做模型，在常温、常压下进行液体金属浇铸
而制取铸件。利用实型铸造的技术制造模具毛坯具有尺寸精度高(ISO9级)，加工余量小(一
般在5mm左右)，不需要拔模斜度，不需要制型芯与泥芯撑，节省金属材料，节省做木模型的
木材，制造周期短，成本低。该技术适合大型、复杂、单件模具毛坯的生产。陶瓷型精铸、
失蜡精铸等技术在提高模具毛坯精度、降低加工工时、缩短制造周期、降低成本等方面也显示
出其特有的优越性。
    2.8其它方面技术为了简化模具的结构设计，降低模具成本，缩短模具制造周期，在国
内外也先后出现了一些其它方面新技术的应用，如快换模架、冲压单元、刃口堆焊、镶块铸造、
氮气弹簧等。
    2.8.1氮气弹簧在模具上的应用
    氮气弹簧是一种新型弹性功能部件，用它代替弹簧、橡胶、聚氨酯或者气垫，它能够准确
地提供压边力，在较小空间便可产生较大初始弹压力，不需预紧，在模具整个工作过程中弹压
力基本恒定。弹压力大小及受力点位置可随时、准确、方便地调整，简化模具拉伸、压边、卸
料等结构，简化模具设计，缩短制模周期，调试模具方便，缩短更换模具时间，提高生产效率。
  2.8.2快速换模技术
    由于产品品种的增多，使模具在生产中更换变得十分频繁，于是如何缩短冲压设备的停机
时间，提高生产效率，快速换模技术受到了人们的关注。
    目前发达工业国家的一些大公司换模速度达到了惊人的程度，是否具有快速换模技术已成
为企业技术进步的一项标志。总的趋势就是减少模具在设备上安装、固定、调整的时间，这既
要在设备结构设计上予以考虑，又要在模具的结构设计、标准化方面予以考虑，将机上的作业
尽可能地放在机下做。
    2.8.3冲压单元组合技术
    冲压单元组合技术是将常规的冲模分解为一个个简单的单元冲模，根据工序件的要求，排
列组合，在同一次冲程内完成多种冲压工序的新型工艺装备，工作时冲压单元不与冲床滑块联
接，只需滑块打击即可完成冲压工作。单独使用时它就是1副完整模具。它可以用来加工板料
或型材的冲孔、落料、切角、切槽、切断及浅拉伸等。具有组装快捷、使用方便、通用性强、
经济性好等特点，特别适合多品种、中小批量生产。
    2.8.4刃口堆焊技术
    在冲模制造中，以普通灰铸铁为基体，在刃口部位堆焊高硬度的合金钢，以代替模具钢镶
块，这一技术成为世界先进工艺之一。这是一项节省制造工时，节省昂贵的模具钢材，缩短模
具制造周期的快速经济制模技术。
    目前熔化极氩弧焊技术的应用，大大地提高了刃口堆焊的速度和质量。这项技术世界各国
模具行业已广泛采用，取得了良好的经济效益。
    2.8.5实型铸造冲模刃口镶块技术
    这是一种用实型铸造的工艺方法制造冲模刃口的方法，即用合金钢铸件镶块代替锻造合金
钢镶块。目前由于铸造工艺和热处理工艺不断完善和提高，铸造镶块的内在质量有了保证，故
其应用范围在不断扩大。这项以铸代锻的新技术的突出特点是节省贵重模具钢材，简化模具制
造工序，由于加工余量小，节省了大量机加工工时，缩短模具制造周期，降低模具成本。
    2.8.6可加工塑料在模具制造中的应用
    可加工塑料在发达的工业国家应用较普遍，特别是在汽车、飞机等制造业中，主要代替木
材或金属制作汽车车身主模型、靠模、检具和铸造模型等。可加工塑料的主要特点是兼备木材
和金属的优良加工性能，制作工艺简捷(可采用模塑、浇注、拼粘、雕塑等方法)、尺寸稳定性
好、不变形、耐潮湿、耐腐蚀、易修复、易改型、重量轻、制作周期短、成本低。
    3结束语
    快速经济制模技术种类很多，其所具有的特点、应用范围各不相同，本文仅能概括地做一
些简单介绍，每种技术在具体应用和实施过程中尚有许多具体的工艺过程、工艺参数及其技术
特性。
    模具是基础工业之一，在全球化市场经济和各种高新技术的迅猛发展形势下，快速经济模
具赋予了新的使命和全新的内涵，分类不断增加，快速经济制模材料向着多品种系列化迈进，
工艺不断有新的创新和突破，与之配套设备相继问世，服务领域在不断地拓宽，创造的经济效
益越来越显著。随着商品经济的发展，激烈的市场竞争，产品更新换代的加速，对快速经济制
模技术在缩短周期、降低成本，提高精度和延长寿命方面的要求势必会越来越高。由于它能使
企业赢得市场，创造显著的经济效益，越来越受到企业家的青睐和有关领导部门的极大关注与
政策资金的支持。
    各种快速经济制模技术在推广应用过程中也会不断完善成熟和发展。由于高新技术的发
展，各种技术的复合与渗透，为适应生产中的不同需求，今后必定会形成一些新型、节约能源、
节约材料的快速制模技术。摘《模具工业》

表里如意 · 发表于 2006-7-18 15:31:17

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ananzhao · 发表于 2006-7-21 09:16:36

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zhangxuechang · 发表于 2006-9-28 12:18:57

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liaofuc · 发表于 2006-9-29 21:00:50

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honsyn · 发表于 2007-6-28 08:49:41

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