（材料加工工程专业论文）rpm与精铸成形工艺相结合实现金属功能样件的快速设计及制造的研究.pdf

y 够8 q 皤 r p m 与精铸成形工艺相结合 实现金属功能样件的快速设计及制造的研究 材料加工工程专业 研究生：杨世洲导师：闵小俊 f 在当今激烈竞争的市场中，要使产品又快又好又省地生产, q - i 来，其关键就 在手是否拥有先进的制造技术。快速原型技术就是适应这种市场需求而发展起 来的一种高新技术。但比较成熟的快速原型几乎都是塑料、蜡料或其他无机非 金属材料，然而在很多场合都要求使用金属材料的功能样件，因此其适用范围 受到很大限制。如何将这些快速原型转化成金属功能样件( 特别是金属工模具 这种重要的工艺装备) 就成为影响这种高新技术应用的关键。本文正是根据这 种科学技术及社会市场需求，重点对s l a 快速原型、s l s 快速原型作为精密 铸造模样来制造金属功能样件进行了深入的研究。、j 本文的作者使用m d tr 5 0 及s o l i d w o r k s2 0 0 0 两种三维造型软件 完成了三维模型的建模工作，并对两种软件在微机里的建模精度、及输出s t l 格式文件的模型精度进行了详细的讨论。对几种广泛使用的快速原型系统进行 了阐述，并分析了它们制作的原型特点。结合s l a 、s l s 两种快速原型系统 所制作的原型作为精密铸造的模样来制造金属功能样件所遇到的问题进行了 大量的实验( 包括原型的残余灰分测量、原型与粘接剂接触角的测量、原型的 涂覆性实验及原型烧失后的铸型粉末发气性测量) ，说明这两种系统制作的树 脂、塑料或蜡料原型在通过陶瓷型铸造工艺或熔模铸造工艺直接制造金属功能 样件时，都存在着定的问题。蝴如，s l a 系统制作的丙烯酸环氧树脂原型 存在焙烧过程中膨胀系数大于铸型的膨胀系数，若不采取一定的工艺措施，往 往会使铸型开裂，而无法浇注金属液：s l s 系统制作的原型表面粗糙，因此在 使用前，应对原型进行后处理( 浸树脂液，并固化，或浸液体蜡料，最后打磨 表面) ；s l s 原型在通过精密铸造工艺制造金属功能样件的过程中，应向浆料 或涂料中加入润湿剂，改善原型的表面润湿状况；在焙烧时应倒置焙烧，使热 塑性的原型尽量流出铸型，减少原型烧失后的残余灰分对金属功能样件的影 响：并且有些s l s 原型( 例如改性a b s 塑料原型、h i p s 树脂原型) 的热膨 胀系数比熔模铸造型壳的大，因此在焙烧过程中若不采取一定的工艺措施往往 会造成型壳开裂，甚至无法浇注金属液。丁最后对s l a 丙烯酸环氧树脂原型、 s l s 改性a b s 塑料原型、s l s 蜡料原型在采取一定工艺措施的情况下通过精 密铸造工艺( 磷酸盐浆料自硬铸型工艺或熔模铸造工艺) 成功地制造出了金属 功能样件。 关键词：微机三维几何造型，s t l 快速原型，精度x 表面粗糙度，接触角 残余灰分膨胀系数精铸成形工艺金属功能样件 a s t u d y o nt h e i m p l e m e n t a t i o no fr a p i d d e s i g n & r a p i dm a n u f a c t u r eo fm e t a lf u n c t i o n a le x e m p l a r s b yc o m b i n a t i o no fr p m a n dp r e c i s i o nc a s t i n gp r o c e s s m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：s h i z h o uy a n gs u p e r v i s o r ：x i a 脚u nm i n i no r d e rt op r o d u c eg o o dp r o d u c t sb yr a p i da n ds a v i n gm e a n s ，i ti st h ek e yt o p o s s e s sa d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y i nt o d a y ss e v e r e l yc o m p e t i t i v e m a r k e t s r a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yi sj u s to n eo fh i g ha n dn e wt e c h n o l o g y h o w e v e r i t sa p p l i e da r e ai sg r e a t l yl i m i t e db e c a u s e m a t e r i a l su s e di n m a n u f a c t u r i n gr a p i dp r o t o t y p e s a r ea l m o s tp l a s t i c ，w a xo ro t h e ri n o r g a n i c & n o n - m e t a lm a t e r i a le t c a n dw er e q u i r em e t a lf u n c t i o n a le x e m p l a r si nm a n ya r e a s s oh o wt oc o n v e r tt h er a p i dp r o t o t y p e si n t om e t a lf u n c t i o n a le x e m p l a r s ( e s p e c i a l l y , t h i sk i n do fi m p o r t a n tt e c h n i c a le q u i p m e n t sl i k em e t a u i ep a t t e r n t o o l i n g ) w i l l g r e a t l yi n f l u e n c et h ea p p l i c a t i o no ft h eh i 曲一n e wt e c h n o l o g y a c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n tf o rs c i e n c e & t e c h n o l o g ya n d s o c i a lm a r k e t t h em a n u f a c t u r eo f m e t a l f u n c t i o n a le x e m p l a r sb ys l aa n ds l sr a p i dp r o t o t y p e su s e da sp a t t e r n si n p r e c i s i o nc a s t i n gi se m p h a t i c a l l ys t u d i e d t h ea u t h o ro ft h ep a p e rh a si m p l e m e n t e d3 dg e o m e t r ym o d d i n gb ys u c h3 d g e o m e t r ym o d e l i n gs o f t w a r e 龉m d tr s 0a n ds o l i d w o r k s2 0 0 0 a n da l s o d i s c u s s e dm o d e l i n ga c c u r a c ya n dm o d e la c c u r a c yb ye x p o r t i n gs t lf o r m a tf i l e si n t h et w ok i n do fs o f t w a r eb yp c s e v e r a lu s e d w i d e l yr a p i d - p r o t o t y p i n gs y s t e m s a r ec o n c l u d e da n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fr a p i dp r o t o t y p e sm a n u f a c t u r e db yt h e mi s a n a l y z e d o w i n gt of a c i n gag r e a td e a lo f p r o b l e m si nt h ec o u r s eo f m a n u f a c t u r i n g m e t a lf u n c t i o n a le x e m p l a r sb yc o m b i n i n gs l ar a p i dp r o t o t y p e s ，s l sr a p i d p r o t o t y p e sa n dp r e c i s i o nc a s t i n gp r o c e s s ，ag r e a td e a lo fe x p e r i m e n t s ( i n c l u d e di n m e a s u r e m e n to fp r o t o t y p e s r e s i d u a la s hc o n t e n t ，m e a s u r e m e n to fc o n t a c ta n g l e b e t w e e np r o t o t y p ea n db i n d e r , t e s t i n go fc o a t i n gt h i c k n e s so np r o t o t y p e s ，t e s t i n g o fg a se v o l u t i o no fm o l df l o u ra f t e rr o a s t i n gp r o t o t y p e si nm o u l d ) a r em a d e b y t h e s et e c h n i c a lp a r a m e t e r sw ec a l ld r a wac o n c l u s i o nt h a tt h e r ea r es o m es p e c i a l p r o b l e m sw h e nt h ep r o t o t y p e sm a d eo fr e s i n ，p l a s t i c ，o rw a x c a l lb ed i r e c t l yu s e d i n m a k i n gm e t a l f u n c t i o n a l e x e m p l a r st h r o u g hs h a wp r o c e s s o rp r e c i s i o n i n v e s t m e n tc a s t i n gp r o c e s s f o re x a m p l e ，a sh e a te x p a n s i o nc o e f f i c i e n to fs l a p r o t o t y p e sf r o ma c r y l i ce p o x yr e s i ni su s u a l l yl a r g e rt h a nt h a to ft h em o u l di nt h e c o u r s eo fs i n t e r i n g ，m o u l dc r a c k so f t e no c c u rw i t h o u ts o m et e c h n i c a lm e a s u r e ss o t h a tw ec a l l tp o u rl i q u i dm e t a l a ss l sp r o t o t y p e s r o u g hs u r f a c e ，t h e ys h o u l db e a f t e r - t r e a t e d ( d i pl i q u i dr e s i n ，s o l i d i f y , o rd i pl i q u i dw a x ，g r i n dt h ep r o t o t y p e s s u r f a c e ) b e f o r eu s e d w h e ns l sp r o t o t y p e sa r eu s e di nm a n u f a c t u r i n gm e t a l f u n c t i o n a le x e m p l a r st h r o u g hp r e c i s i o nc a s t i n gp r o c e s s ，w e t t i n ga g e n ts h o u l db e a d d e di ns l u r r yo rd o p ei no r d e rt oi m p r o v ew e t t i n gc o n d i t i o no np r o t o t y p e s s u r f a c e w h e ns i n t e r e d ，m o u l ds h o u l db ep l a c e du p s i d ed o w ns ot h a tt h e r m o p l a s t i c p r o t o t y p e sc a l lg r e a t l yf l o wo u tf r o mm o u l dc a v i t i e s t h i sw i l ld e c r e a s er e s i d u a l a s h i n f l u e n c eo nm e t a lf u n c t i o n a le x e m p l a r s a n dh e a te x p a n s i o nc o e f f i c i e n to f s o m es l sp r o t o t y p e s ( f o re x a m p l e ，m o d i f i e da b sp l a s t i cp r o t o t y p e s ，h i p sr e s i n p r o t o t y p e s ) i sl a r g e rt h a nt h a to fi n v e s t m e n ts h e l l ，s os h e l lc r a c k so f t e no c c u ri nt h e c o u r s eo fs i n t e r i n gw i t h o u ts o m et e c h n i c a lm e a s u r e ss ot h a tw ec a n tp o u rl i q u i d m e t a l f i n a l l y , t h ea u t h o rs u c c e s s f u l l ym a n u f a c t u r e dm e t a lf u n c t i o n a le x e m p l a r s b yp r e c i s i o nc a s t i n gp r o c e s s ( s e l f - c u r i n gs l u r r ym o u l dw i t hp h o s p h a t eb i n d e ro r i n v e s t m e n tc a s t i n g ) w i t hs l ap r o t o t y p e sf r o ma c r y l i ce p o x yr e s i n ，s l sp r o t o t y p e s f r o mm o d i f i e da b s p l a s t i ca n ds l sp r o t o t y p e sf r o mw a x k e yw o r d s ：p c3 dg e o m e t r ym o d e l i n g ，s t l ，r a p i dp r o t o t y p e ，a c c u r a c y , s u r f a c e r o u g h n e s s ，c o n t a c ta n g l e ，r e s i d u a l a s h c o n t e n t ，h e a te x p a n s i o n c o e f f i c i e n t ，p r e c i s i o nc a s t i n gp r o c e s s ，m e t a lf u n c t i o n a le x e m p l a r 绪论 1 绪论 面对着迅速变化且竞争激烈的市场，产品制造商们不但要很快地设计出符 合人们消费需求的产品，而且必须很快地制造出来，抢占市场。因此，以往的 传统生产模式对市场的响应就显得越来越迟缓和被动。快速响应市场需要，已 成为制造业发展的重要方向。 快速原型技术r p m ( r a p i dp r o t o t y p em a n u f a c t u r i n g ) 便是适应这一市场 需求而产生的一种先进制造技术。它自从上世纪八十年代末出现以来，便得到 了快速发展，并且不断完善。但是，现在比较成熟的快速原型系统制造的原型 几乎都是塑料、蜡料或其他无机非金属材料，其适用范围受到很大限制，所以 我们很有必要研究如何使用这些快速原型通过传统的制造工艺来完成这些金 属功能件( 特别是金属工模具这种重要的工艺装备) 的制造。 使用快速原型作为精密铸造的模样来制造金属功能件是比较可行的一种 途径。近年来，结合快速原型技术r p m 及精密铸造成形工艺快速地制造模具 正在形成一种全新的模具制造技术一快速模具制造法。快速原型技术的应用极 大地缩短了模具制造的周期，降低了成本，提高了模具制造柔性，因此受到了 工业界的高度重视“，。 但是，我们在这篇文章中所指的金属功能件并不单纯指上面提到的金属模 具，并且它与用其它方法制造的金属功能件的定义也是不一样的，因此我们在 这里称之为“金属功能样件”。所谓的“金属功能样件”就是那些生产数量少， 形状可能又相当复杂、技术条件又十分严格、用传统加工方法进行制造也相当 困难的金属功能件，它主要用于进行产品设计和运行状况的快速评价，而不是 用于大批量的金属功能件的生产。例如在航空、航天、汽车、轮船等制造业中 所使用的模具，进行产品开发或试运行时所使用的那些金属功能样件：在医疗 领域中使用来代替病变骨骼或关节的那些金属假肢或关节；在工艺品领域中所 创新的金属艺术品以及仿真的古老金属工艺品等。下面我们就对这些金属功能 样件的现状进行进一步的阐述。 叫川人学硕l 学位论文 1 1 金属功能样件制造的现状 11 1 模具制造业的现状 模具是生产很多产品的重要工艺装备，它已广泛地应用于各工业制造部 门。传统的模具制造常需要较长的时间和较高的费用，随着产品增加，换型加 快，急需寻求更快更省的模具制造工艺“。目前，在国内外，尤其是在中小企 业，模具的设计、制造一般都是依靠手工设计、绘图、描图以及依据图样组织 生产( 即以二维图形设计为基础的机械加工方式) 0 1 。对于型面十分复杂、带 有特殊曲面的模具来说，采用传统的二维工程图设计在模具形状与结构的表达 上难以做到准确，如模具的两曲面之间的相贯线、截交线以及一些交叉线上的 过渡圆角不容易在设计者头脑中构思清楚，想用画二维图来辅助求出投影，一 般是难以解决的。同时对带有特殊曲面的模具一般的机械加工也是难以符合要 求的。二维工程图表达零件三维信息的局限性，以及复杂型面的精确加工都是 制约这类模具开发的瓶颈。1 。模具在机械加工时对材料也有限制，例如难于切 削加工的材料无法进行制造，而且采用机械加工的生产周期较长“1 。对于一般 的产品从设计到模具验收需要一段很长的时间，按传统的设计手段，只有在模 具验收合格后才能进行整机的装配以及进行其它各方面的验收。对于在实验中 发现的设计不合理之处，需要对原来的设计进行修改，再相应的对模具进行修 改。这样就会在设计与制造过程中造成大量重复性的工作，使模具的制造周期 加长，设计及制造成本增加。 面对这些弊端，模具制造业在模具的设计上就迫切需要一种全新的设计方 式，它可以直接根据需要方便而快速地在计算机上建立一个描述零件的形状、 结构与工艺特征及材料属性的信息完全的产品模型。并可由此生成具有详细结 构细节的三维实体图形，还可生成具有真实感的图形和图像，这种模型完全可 以代替物理模型用于交流设计思想，并可作为设计模具的初始信息和设计依 据；同时在零件设计的基础上能按照一定的工艺方案完成工艺参数的处理、模 具的设计。在模具的制造上也迫切需要一种能快速、低成本地制造出具有特殊 曲面的模具制造方式。“。这种快速模具制造( r a p i dt o o l i n g ) 方式实现的关 键就在于能否在模具的设计与制造中采用先进的制造技术。r p m 技术正是在这 一方面应用的一个例子“”。 2 绪论 1 1 2 金属功能样件在其它行业的应用状况 在航空、航天、汽车、轮船等制造业中，其基础的核心部件般均为金属 零件，而且相当多的金属零件是非对称性的、有不规则曲面的或结构复杂而内 部又含有精细结构的零件。这些零件的生产常采用铸造或解体加工的方法。在 铸造生产中，模板、芯盒、压铸模、压蜡型的制造往往是用机械加工的方法来 完成的，有时还需要钳工进行修整，不仅周期长，耗资大、而且从模具设计到 加工制造是一个多环节的复杂过程，略有失误有时甚至要全部返工。对于一些 形状十分复杂的铸件，例如火箭发动机泵壳、高速涡轮、叶片、叶轮、发动机 缸体、缸盖等，即使使用数控加工中心等昂贵的设备来加工，在加工技术与工 艺可行性方面仍有很大困难，甚至采用原来的传统加工方法是不可能实现的。 可以想象，如果遇到此类零件的试制或小批量生产，其制造周期、成本是很难 预料的，并且风险是相当的大。因此，在这些领域，迫切需要一种能快速、低 成本、高质量地制造出具有特殊曲面金属功能样件的先进制造技术。 在医疗领域，已经能够通过断层扫描技术( c t ) 获得伤者所需替换部位 器官的三维数据，并且利用快速成型技术制造出这些器官，这种技术主要应用 于人工关节、假肢的设计制造、医学诊断、手术模拟等“。这种技术缩短了手 术时间，金属器官的制造精度也得到了提高，容易获得满意的治疗效果。 在工艺品的领域，现在已经能够使用三维激光数字化仪来反求复杂工艺品 ( 特别是具有复杂自由曲面的工艺品，如人体模型) 的三维几何模型数据。这 些数据经计算机处理后可以直接输入快速原型机进行原型制作。在原型制作好 后，结合精密铸造或其它方法可以复制出所需要的工艺品。改变了传统的采用 手工进行工艺品模型的构造，再采用精密铸造或其它方法进行复制的工艺。这 种方法缩短了制作周期，并且有利于工艺品的不断修改。 1 2 快速原型技术 1 2 1 快速原型技术的原理 快速原型技术( r p m ) 是上世纪八十年代末发展起来的一种先进制造技术。 这一高新技术是制造技术的一项突破性进展。它是建立在c a d c a m 、激光技术、 数控技术和材料科学基础上的设计和制造零件原型的新制造技术。r p m 技术的 原理就是将计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助制造( c a u ) 、计算机辅助控制 p q 川人学坝l 学位论文 ( c n c ) 、精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体，依据计算机上构成的产 品三维设计模型，对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓。按照这些轮廓， 激光束选择性地切割一层层的纸，或固化一层层的液态树脂，或烧结一层层的 粉末材料，或热喷头选择性地熔覆一层层的塑料，或喷头选择性地向粉末材料 喷射粘结剂等，形成各截面轮廓并逐步叠加成三维产品”3 。因此它不同于传统 的切削加工方法，它是一种“使材料生长而不是去掉材料的制造过程”1 。它 体现的是一种离散堆积的成形原理，是数字化驱动的成形技术，一个制造单 元就对应了一个数字脉冲，即数字化的过程不仅是驱动了工具，而且直接驱动 材料成形的数字化制造，从而获得了成形制造过程最大的柔性和快速性”1 。 这种新兴的制造技术将立体成形变成平面加工，对将要成形的几何实体外 形几乎不存在任何限制，形状特别复杂的物体和简单的物体可以用同样的方法 进行制造，而且同样容易。在复杂形体的成形能力方面，它具有传统制造技术 无法比拟的优势，受到工程界的高度重视，并在国内外得到迅速的发展。 1 2 2 快速原型技术的种类及特点 快速原型技术按成型方式可分为：立体印刷( s l a s te r e o l i th o g r a p bya p p a r a tus ) 、分层实体制造( l o m - - l a m i n a t e d o b j e c tm a n u f a c t u r i n g ) 、选域性激光烧结( s l s s e l e c t i v el a s e r s i n t e r i n g ) 、熔融沉积成形( f d 卜f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ) 、直接壳型 铸造( d s p c d i r e c ts h e l lp r o d u c t i o nc a s t i n g ) 等0 3 。 从快速原型技术的原理和成型方式可以看出，它具有以下特点0 1 ： 制造原型所用的材料种类较多，主要为非金属材料( 包括有机及无机 的材料) ； 原型的复制性好； 制造工艺与原型的几何形状无关，在加工复杂曲面时更显优势： 加工周期短，成本与产品复杂程度无关： 高度技术集成，可实现设计制造一体化。 1 3 结合r p m 和精铸成形工艺的金属功能祥件设计及制造 随着计算机图形学的发展，三维设计功能也日夜完善。三维设计是从三维 绪论 开始，它符合人们的思维习惯，而且可视化程度高。设计者设计产品的构思总 是从三维开始的，制造出的产品当然也是三维的。构思与产品中间的设计过去 却是二维的，现在若用三维设计把这种颠倒的关系理顺过来，进行演染并赋予 材料属性后在计算机上就能看到有真实感的零件，同时还可进行干涉检查，以 模拟三维装配时是否存在错误。此外，还可以迸一步进行c a m 、c a e 方面的 工作。 c a b 是计算机技术在设计过程中的应用，它在工业生产中的作用已得到广 泛共识。然而由于过去的计算机性能的限制，体现着c a d 最新技术的高档软 件几乎都是工作站级的，基于u n i x 操作系统，微机上的多数c a d 软件主要侧 重于二维功能。软件的发展呼唤更高更快的计算机系统，而计算机硬件的更新 为开展更好的c a d 系统创造了前提条件。当前随着高档微机的性能越来越向 工作站靠近，具有工作站性能的微机c a d 软件系统已经出现，比如美国s o l i d w o r k s 公司于1 9 9 5 年推出的新一代微机c a d 软件s o l i dw o r k s “，a u t o d e s k 公司推出的m d t ，p t c 公司推出的p r o e n g i n e e r 2 0 0 0 i 等。并且随着这些微型 计算机价格越来越便宜，使得原来只能在工作站级运行的三维造型软件在一些 中小企业也能得到充分的应用。并且这些三维造型软件的功能正在不断增强， 更多的c a d 软件已具有c a m 、c a e 方面的功能模块。所以。本文的作者认为 现在低价位的微机和适合于微机上运行的三维造型软件已经能够适合于一般 中小企业三维造型方面的需要。 从第一代商业化快速原型制造系统1 9 8 7 年在美国3 ds y s t e m s 公司问世至 今，快速原型技术的研究和开发工作开展得如火如茶。目前，国外开发并销售 r p 系统的企业有2 0 多家。 国内r p 研究起步是在1 9 9 1 年左右，北京隆源自动成型系统有限公司、清 华大学、华中理工大学、上海交通大学等单位在成型理论、工艺、设备、材料、 软件开发等方面做了大量的研究工作。有些单位已开发出商品化、能够做出复 杂原型的r p 系统。例如，北京隆源自动成型系统有限公司开发出的a f s - - 3 0 0 激光快速成型机( 选域性激光烧结系统) 、清华大学研制的多功能快速造型系 统m r p m s 和基于f d m 的熔融挤出成型系统( m e m 2 5 0 ) 等0 1 。 近年来，将微机三维几何造型技术、快速原型技术和铸造技术应用到模具 ( 金属功能样件) 设计与制造中，正在形成一种全新的模具设计与制造工艺一 四川人学顾i 学位论文 快速模具设计与制造法。它能缩短模具制造周期，降低成本，提高模具制造柔 性，对缩短新产品的设计、开发和试制周期起到了关键作用，受到工业界的高 度重视“仲1 。 修改后的3 d - - c a d 模型 图1 1快速原型与铸造工艺集成流程 r p m 技术与铸造工艺集成来快速制造零件模具的技术，是c a d 、c a m 、c a e 、 r p m 和铸造工艺等技术的集成。由于技术集成度高，所以从c a d 模型到物理实 体模型的转换过程快，制造周期缩短，生产成本降低。作为一种新工艺，为了 提高其制造精度，提出了如图卜1 所示的制造工艺流程“”。 采用c a d 可直接驱动制造铸型，使用铸造车间通用的型壳造型材料，不需 要模样或芯盒，在c a d 环境中，直接将零件模型转换为铸型。成形过程中，非 零件部分进行烧结或粘结，零件部分仍是粉末。成形完成后将粉末倒出，即可 直接制造出了砂芯和砂型。用此方法，省去传统精密铸造过程中蜡模、泡沫塑 料模的制作等多种工艺过程，是传统铸造过程的重大变革。对于小批量复杂零 件的生产，可以节约大量费用和时间。目前，主要的工艺有直接壳型铸造d s p c 、 s l s 砂型烧结成形工艺。这些工艺的显著特点是特别适合单件或小批量复杂零 件的制造，不存在铸型与砂芯的装配关系，铸型和砂芯可一体化制造完成。在 制造过程中，包括了浇口、冒口的三维数字模型。首先进行金属凝固收缩率的 模拟，然后再修改、优化c a d 模型，最后对模型进行分层，驱动快速原型机直 接制造出铸型，铸型经焙烧等处理后即可浇注金属合金，制造出金属功能零件 模具。 采用c a d 模型间接驱动铸型成形的金属功能样件模具制造的主要工艺过 程是：首先设计零件模具的三维c a d 模型，为了进行金属收缩率的凝固模拟， 绪论 在c a d 造型过程中，需要将浇口、冒口一并设计。通过采用m a r c 软件对金属 收缩率的凝固模拟试验，优化铸型与零件间的边界条件和工艺参数，金属的收 缩率可以较精确地确定，缩小了缩尺的范围，尤其是对于一些关键尺寸，可以 实现尺寸跟踪，从而更好地保证了最终零件模具的尺寸精度。优化后的c a d 模型，经分层后可以用来驱动快速原型的制造，获得铸造用模样。将快速原型 技术与铸造技术相结合，可以快速、低成本地小批量试制金属零件。c a d 模型 可以采用f d m 、s l s 、s g c 、b m p 工艺直接制造蜡模原型，直接用于熔模铸造工 艺中。例如基于f d m 原型快速制造模具零件，以f d m 原型代替熔模铸造中的 蜡模，直接在f d m 原型上涂挂耐火浆料，待耐火浆料固化后。再焙烧除去f d m 原型，剩下铸造用型壳，进行浇注，也可以采用其他r p m 工艺，制造出r p m 原型，翻制硅橡胶模或环氧树脂模，再压制蜡模，铸造出相应的金属功能零件。 此方法适合中等复杂程度的中、小型的金属功能零件模具1 。 r p m 技术也可以直接与砂型铸造、石膏型铸造或陶瓷型铸造等相结合制造 金属功能零件。l o m 原型具有很好的硬度和机械强度，经表面处理后，用作砂 型铸造的木模，可用来重复制造5 0 l00 件砂型。或者翻制硅橡胶软模具， 制造出蜡模，然后再与石膏型、陶瓷型铸造相结合，用于中等复杂、不易起模 零件的铸造。 我们相信，微机三维几何造型技术、快速原型技术与精密铸造成形工艺的 有机结合，为各种规模的企业开发和生产复杂金属功能铸件提供了一种现实可 行的途径。快速原型技术与铸造技术的有机结合，对于用高新技术改造传统的 铸造工业，使其面貌焕然一新，增强铸造行业的竞争能力，必将产生巨大而深 远的影响。 1 4 研究目的 本文研究的目的就是针对当前对复杂金属功能样件模具的技术要求越来 越高，从研究到生产之间周期越来越短，而用传统工艺制作又相当困难的问题， 而提出“用快速原型技术和精密铸造成形工艺相结合来实现金属功能样件的快 速设计与制造”。 具体讲，这种金属功能零件的制造过程就是，采用微机三维几何造型软件 进行零件的几何形体设计或直接读入零件的几何图形，然后根据零件的制造工 四川1 人学顾 ：学位论立 艺引入工艺参数对零件的几何形状进行工艺性的修改。若要得到的模型是制作 零件的模具，则将作了工艺参数处理后的零件三维几何模型与模框进行三维形 体的交、差、并等逻辑运算或利用三维造型软件的模具制作模块，制作出所需 要的模具模型。将零件模具的三维几何模型在微机上以快速原型机能接受的 图形文件格式( s t l 或i g e s 等) 输出到快速原型机，经快速原型机里数据 处理系统将输入的图形文件进行处理后，产生c n c 代码控制快速原型机，制作 出所需要的塑料或其它可熔的或可烧失材料的样件作为精密铸造工艺的模样 而铸造出金属功能零件模具坯件，也可用快速原型机制出的由耐火材料( 如 陶瓷或壳型砂) 构成的样件作为铸型而浇铸出金属功能零件模具坯料。 1 5 研究内容、研究方案及研究意义 研究内容 评价和筛选适合于微机三维几何造型的三维几何造型软件( 以 m d t 和s o l i d w o r k s 作为评价软件) 及其相应的快速原型数据处理 软件，以及相应的硬件配置。 讨论和评价微机三维几何造型软件的主要功能和利于零件设 计的先进特征，同时考察其不足之处，并寻求改进和弥补的途径。 考察微机三维几何造型软件的图形输出文件格式和快速原型 机能接受的图形文件格式，评价三维几何造型软件和快速原型机 之间交换的文件和相关信息交换的各种方式，并推荐合适的交换 方式，对所存在的问题加以研究、提出解决途径。 讨论和分析快速原型系统的数据准备软件( 包括加支撑功能) 对输入模型切片的容错性，及对缺陷与未缝合的处理。 讨论和分析快速原型制造系统及其原型特点，分析影响原型精 度的因素，并采取措施进行控制；选择适合于金属功能样件制造 的快速原型系统及相应的原型。 讨论和评价快速原型与精密铸造工艺相结合制造金属功能零 件模具的可能途径和可能存在的问题，并提出解决措施。 研究方案 依据几何造型原理、零件设计、工艺参数处理对现今的计算机 绪论 配置、系统软件和几何造型软件做出选择( 以m d t 和s o l i d w o r k s 作为评价软件) 。 在所选择的几何造型软件内，以几个比较特殊的零件为例对几 何造型软件在零件设计、工艺参数处理或模具设计方面的能力作 出评价，并找出不足之处。 从功能、运算速度、可扩展性等几个方面对所选择的几何造型 软件进行比较，并选择出性能好的一种几何造型软件。 对几何造型软件能输出的文件格式和快速原型机所能接受的 文件格式进行对比分析，找出一种适合于几何造型软件与快速原 型机之间数据交换的文件格式，并分析它们之间的转换精度及解 决办法。 讨论和分析几种典型的快速原型制造系统及其原型特点，分析 影响原型精度的因素，并采取措旌进行控制；选择适合金属功能 样件制造的快速原型系统及相应的原型。 通过一系列实验来探讨快速原型与精密铸造成形工艺相结合 在金属功能样件制造方面可能存在的问题，并给出解决措施。“使 用快速原型作精密铸造模样进行金属功能零件制造”的实例来验 证方案的可行性。 研究意义 结合微机三维几何造型、快速原型和精密铸造工艺的金属功能样件设计及 制造方案能提高企业的产品开发和研制能力，迅速响应市场变化，同时对促进 铸造企业的技术进步也能起到很大的作用。 微机三维几何造型及j c 建模精度、模型输j 精度的控制 2 微机三维几何造型及其建模精度、模型输出精度的控制 在对基于微机三维几何造型、快速原型和精密铸造工艺的金属功能零件的 设计及制造方案进行讨论时，首先应根据各个行业对复杂零件的技术要求( 包 括尺寸公差、形位公差，材质等) ，对现今流行的微机级三维几何造型软件、 系统软件和硬件配置( 即设计平台) 作出评价，并选择适合要求的方案；在所 选择的设计平台上进行复杂零件的三维几何造型、工艺参数处理，对于三维几 何造型软件不能直接完成或难于完成的设计工作，提出解决办法并加以解决或 提出解决途径。 2 1 设计平台的选择 2 1 1 三维几何造型对设计平台的要求 为完成零件设计中的规则形体和不规则形体( 即具有自由曲面的形体) 设 计，下面我们分别通过对三维几何造型的原理和模式，曲面造型这两个部分进 行论述，以找出相应的零件几何造型解决方案，并据此提出零件的三维几何造 型对设计平台的要求。 - 三维几何造型的原理和模式 几何模型描述的是具有几何特性的形体。它包括有两种重要的信息，即几 何信息( g e o m e t r i ci n f o r m a t i o n ) 和拓扑信息( t o p o l o g i c a li n f o r m a t i o n ) 。 几何信息是指描述几何元素( 如点、线、面等) 空间位置和大小的信息，如点 的空间坐标值、线段的长度等。拓扑信息是指几何元素之间的相互连接关系的 信息。它只反应几何元素的结构关系，而不考虑它们各自的绝对位置，这种关 系称为拓扑关系。几何元素之间共有九种拓扑关系，即面一面相邻性、边一 边相邻性、顶点一顶点相邻性、边一面相邻性、顶点面相邻性、顶点一边相邻性、 面边包含性、面顶点包含性、边一顶点包含性“。 几何造型是指一种技术，它能将物体的形状储存在计算机内，形成该物体 的三维几何模型，并能为各种具体应用提供信息，如能随时在任意方向显示物 体形状，计算体积、重心、惯性矩，由模型产生有限网格，由模型进行碰撞、 干涉检查等。这个模型是对原物体的确切的数学描述或是对原物体某种状态的 真实模拟“”。 叫川人学倾 。学位论文 三维形体在计算机内的三种储存模式决定了几何造型的三种模式“： 线框模型( w i r e f r a m em o d e l ) 线框模型以线条来表现三维模型的轮廓线。线框模型的优点主要是可以产 生任意视图，视图问能保持正确的投影关系。构造模型时操作简便，在c p u 时间及存储方面开销低。但此种模型不能消隐、不能计算物性，不能自动划分 有限元网格，不能检查物体间碰撞、干涉等。 表面模型( s u r f a c em o d e l ) 这种模型通常用于构造复杂的曲面物体，构形时常常利用线框功能，先构 造一线框图，然后用扫描或旋转等手段变成曲面，当然也可以用系统提供的许 多曲面图素来建立各种曲面模型。表面模型的优点是能实现以下功能：消隐、 着色、表面积计算、二曲面求交、数控刀具轨迹生成、有限元网格划分等。它 的缺点是有时产生对物体二义性理解( 缺乏面、体之间的拓扑关系，无法区分 面的哪一侧在体内，哪一侧在体外) 。 实体模型( s o l i dm o d e l ) 实体模型与表面模型的不同之处在于确定了表面的哪一侧存在实体这个 问题。常用的方法是用向边的右手法则确定所在面的外法线的方向( 即用右手 沿着边的顺序方向握住，大拇指所指向的方向则为该面的外法线的方向) 。实 体模型的数据结构不仅记录了全部几何信息，而且记录了全部点、线、面、体 的拓扑信息，这是实体模型与线框模型或表面模型的根本区别。正因为如此， 实体模型成了设计与制造自动化及集成的基础。实体模型是我们所选择的三维 几何造型软件应具备的基本造型模式。 实体模型的造型能力 实体模型的构造方法常用计算机内存储的体素( p r i m i t i v e ) ，经集合 论中的交、并、差布尔运算构成复杂形体。但这也仅仅局限于诸如球体、 长方体、圆柱体等规则实体的构造，它无法构造出具有复杂型面、自由曲 面的实体模型，例如在模具上经常遇到带有复杂、特殊曲面的实体模型。 因此，我们还需要通过曲面造型对实体模型的这一缺陷进行弥补、增强。 - n u r b s 曲面截取实体方式对实体模型造型能力的增强 l曲面设计基础一n u r b s 方法 复杂外形的零件设计和制造是任何c a d c a m 软件必须解决的重要问题，这 微机_ 三维几何造型及其建模精度、模型输精度的控制 实际上是曲线、曲面理论在工程上的具体应用，随着实体造型技术的不断成熟， 曲面、实体迫切要求融为一体，即采用精确曲面为壳的实体。这就需要用统一 方法表示自由型曲面和初等解析曲面，从而导致了非均匀有理b 样条( n u r b s ) 的广泛流行。国际标准化组织( i s o ) 在1 9 9 1 年颁布的工业产品几何定义的 s t e p 标准中，n u r b s 被定义为唯一的自由型曲线、曲面表示方法。自从美国 s d r c 公司的i d e a s 软件中率先采用n u r b s 以后，e d s 公司的u n i g r a p h i c s ， c o m p u t e rv i s i o n 的c a d d s 5 ，a 1 i a s 公司的a 1 i a ss t u d i o ，a u t o d e s k 公司的 a u t o s u r f 以及c a t i a 、c a d a m 、c i m a t r o n9 0 等软件中都纷纷采用了此技术。 n u r b s 的巨大魅力在于其优越的功能与潜在的开发能力，它为统一表示二 次曲线与自由型曲线曲面找到了精确的数学方法，可以在一个几何设计系统中 使用统一的数学模型，克服了过去采用普通