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金属模具快速制造技术
华中科技大学张海鸥

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快速制模(RT)技术，尤其是快速制造金属模具(RMT)技术能够使新产品由设计迅速转变成高效、低成本、优质的批量生产并抢占市场。虽然高速铣削技术对RMT技术发起了挑战，但RMT技术在某些方面仍具有机械加工技术所无可比拟的优势。近年来可用于中、大批量成型生产的耐久性金属模具的快速制造技术受到极大关注。然而，目前的耐久性金属模具，尤其是大中型模具的快速制造技术尚不成熟，这是快速制模技术进一步发展并取得更大经济效益需要解决的关键所在。快速制模技术可分为由RP（快速原型）系统制作的快速原型或由产品原型复制模具的间接法(IRT)，以及由RP系统无模直接制造模具的直接法(DRT)两大类。间接法实际上在RP技术诞生之前就已出现。随着RP技术的诞生而发展起来的直接法，尤其是直接快速制造金属模具的RMT法虽然受到高度关注，但目前由于可成形尺寸范围小，且在精度和材料性能的控制方面尚存在困难，其实用化程度远低于间接法。快速软模制造技术 RT技术在硅胶、树脂等非金属的软模快速制造方面已取得长足进步。由原型快速复制模具的间接法成本低、周期短、形状限制小、复制精度较高，且因软质RP原型表面易精加工，可得到表面质量较高的模具，因而该方法用得最多。另外也有采用SLA激光固化成形的方法，即用直接法制造树脂/金属复合材料注塑模和铝板冲压成形模具等。然而，这些技术大都仅用于试模用模具的制造，模具不但存在耐久性不足的缺陷，而且因热传导性不高，易造成模具表面温度分布不均匀，从而最终影响成型质量。因此，综合机械性能优良、热传导性好及材料稳定性优良的金属模具，特别是耐磨、耐腐蚀的铁系合金的金属硬模快速制造技术更受到人们的关注。快速金属硬模制造技术金属模具的间接快速制造法目前主要有铸造、粉末烧结、电铸、熔射等方法，国内外对此已有许多研究及应用事例。 1、铸造制模法铸造法最早实现了与RP技术的相结合，其中有代表性的是美国3D Systems公司的“Quick Casting”工艺，其特点是采用SLA原型代替蜡模而实现了精密铸造，类似的方法还有采用FDM制造蜡模等。从理论上讲，铸造法可以用来制造注塑模、冲压模、锻造模、压铸模等，但因铸造法本身固有的缺陷，致使模具表面和尺寸精度不高，以至于难以制造表面和尺寸精度要求高的注塑和压铸模具。据报道，最近出现了不用RP原型而直接切削制作注塑和压铸模具的技术。 2、粉末烧结法 3D Systems公司的“Keltool”工艺是粉末烧结法的代表。该方法在原型或硅胶模内注入金属粉末与结合剂的混合物，待其固化后脱模，经烧结、浸渗树脂或铜、锡等后而获得模具。若需要提高模具的精度，可采取添加微细球状粉末等措施。此方法的优点与粉末冶金法相类似，即对使用的材料限制少。其不足之处是复制、烧结、浸渗等工序多，致使制模时间和成本增加。东京大学中川威雄研究室野口裕之开发的“Powder Casting”方法与前者的区别是，先将粉末注入硅胶模内，然后再注入结合剂，经加压、烧结、渗铜等工序后得到不锈钢模具。虽然该方法的精度高于前者，但工艺繁杂，不适于制造大尺寸模具。 3、电铸制模法电铸制模法是一种将快速原型和传统电铸技术相结合的方法，目前已用于高级轿车仪表板的模具制造。以CEMCOM公司的镀镍＋陶瓷复合材料补强(NCC)工艺为例，其基本过程为：先对RP原型表面进行必要的表面精整或导电处理，然后将原型作为母模（阴极）置放在电铸液(阳极)中，电铸液中的金属离子在得到还原后就会逐层沉积在原型上，从而形成电铸壳体，然后再用陶瓷复合材料对壳体进行补强，之后将原型分离就得到了模具型腔。该工艺的主要优点是复制精度高，可用于注塑、搪塑等塑料模具和压铸模等模具型腔的制造以及电火花成型电极的制造。但是，该方法同时也存在着制造周期长、成本较高，以及必须对污染废液进行处理的缺点。（图片）图1 金属硬模熔射制造技术的基本工艺（工艺2是对工艺1的优化） 4、熔射制模法为了解决电铸法存在的问题，并克服原有熔射法制造的低熔点合金模具耐久性的不足，笔者在结合了熔射、复合材料、铸造、物理分离等技术的基础上，成功地开发出了一种由快速原型制造表面带天然饰纹的不锈钢或碳化钨合金注塑模具或金属薄板成形模具的方法。其基本工艺过程如图1所示（工艺2是对工艺1的优化）。该技术的关键是开发了可熔射的高熔点合金，以及易于分离的陶瓷型熔射原型。在研发的过程中，笔者对工艺1进行了一次完善和优化而获得工艺2。这是因为，工艺1所需原型须由RP原型经硅胶模两次复制才能获得，由于工序较多，使精度控制难度增大，而工艺2则省去了1、2两道复制工序，可直接制作熔射原型，从而大大缩短了制模周期、降低了成本以及提高了制模精度，尤其适于大中型金属模具的快速、低成本制造。工艺2允许模具表面使用各种不同硬度的合金，高的硬度可达HRc63，制成的模具尺寸精度可达到0.02%，平均粗糙度为0.2~0.4mm。目前，该技术已获国家发明专利并申请了新的中国和国际发明专利。用此技术制造的注塑模具和成型件如图2所示。（图片）（图片）图2 a、b为熔射法制造的摩托车油箱覆盖件不锈钢模具；c为用该模具注塑的产品在2003年9月10~13日举行的第六届国际工模具大会上，英国牛津大学与美国福特公司发表了采用电弧熔射制造汽车覆盖件冲压凸模，以取代原有数控机床切削加工制模的工艺的研究成果。不过，该技术仍需先制作一个铝质原型，然后采用冷却凝固法，将金属和结合剂混合浆料浇注到箱体中，在-40℃下将其冷冻凝固。经过去除水分、高温处理的步骤，在增加了强度之后，就获得了陶瓷型熔射原型。该技术采用了机器人电弧熔射最佳路径和冷却控制方式，能够使原型表面熔射钢壳厚达2cm，制模时间缩短到了原有方法的1/5，但制模精度未见报道。快速制模技术的发展前景快速制模技术是在与传统的机械加工制模技术的竞争中产生并发展起来的。虽然近年来高速铣削技术得到迅速发展，其高达10多万转/分的铣削速度和良好的表面精度已大大提高了机械加工制模技术的竞争力，再加上电火花加工技术，致使机械加工制模技术成为快速制模技术强大的竞争对手。但是，在制造表面带微细形状、流道复杂，以及具有梯度功能材料和不同材质表面的模具等方面，快速制模技术也有着机加工所无可比拟的优势。此外，快速制模技术还具有能源消耗小、成材率高、环境污染少等优点。这是由于机械或电火花等去除加工的模具制造方法是将坯料去除至需要的形状，此过程必然产生一定的废料，而电铸、熔射等方法则仅在模具表面附着所需的模具材料。若采用直接快速制模法，则仅需逐层堆积至必要的形状即可。因此，快速制模技术具有很好的发展前景，并成为了21世纪制造业最为关注的制模技术之一。目前，我国的汽车、家电、电子/通讯、轻工等诸多行业新产品的开发越来越离不开快速制模技术。对于该技术在我国的发展，笔者认为，我们的长远目标为开发出具有原创性的短流程、高精度的快速制模所需的新材料和新工艺，以形成具有我国自主知识产权的快速制模核心技术。而当务之急则是加大对于大中型、复杂形状、耐久性、高精度金属模具的快速及低成本制造新工艺和新材料的开发力度。 2/11/2006


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