（机械电子工程专业论文）电弧熔射成形法快速制造模具技术研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 国内外模具市场巨大，产品的快速更新已经成为在市场竞争中取胜的关键。电弧熔 射成形提供了一种快速制造模具的新思路，其突出优点表现在：成本低、工艺简单、线 材沉积效率高、表面复型性好，能大大缩短从模具试制到投入生产的时间。随着研究和 应用的发展，这一技术必将在加工制造领域发挥其优势。 目前对电弧熔射成形的研究比较多，但熔射材料多集中在低熔点金属或者合金上， 这种熔射模具耐磨性较差，使用寿命较短，与之相应，熔射工艺往往直接在原型或者用 石膏型翻制的原型上进行。为了改善模具的使用性能，本文尝试熔射高熔点不锈钢材料， 并采用陶瓷型翻制原型，很好地解决了熔射基体耐高温热冲击的问题。另外，对熔射成 形制造模具过程中的一系列工艺问题均进行了探讨。本文所做的主要工作如下： 建立了熔射层温度场和应力场分析的有限元模型，全面考虑热传导、热对流和热辐 射对熔射层和基体的影响，对熔射层和基体进行了热和结构的耦合分析，初步模拟了熔 射层逐层叠加的生成过程，分别考察在三种不同的基体预热温度下熔射层的温度场分 布，找出了熔射层的变形规律，与实验吻合较好，重点研究了应力场的分布情况，尤其 对于容易发生失效的关键部位的应力变化趋势进行了详细的探讨。 对陶瓷型造型工艺过程，如：水解液配制、浆料配制、起模、喷烧和焙烧等进行了 全面的研究，解释了陶瓷型造型中常见的工艺问题，最后，重点从三个方面：起模时阳j 、 催化剂加入量和加水量对陶瓷型尺寸精度进行了评价，结果表明，陶瓷型尺寸稳定，复 映效果良好，这为后续熔射成形奠定了基础。 针对熔射高熔点不锈钢材料，考察熔射电流、雾化气体压力和熔射距离等工艺参数 对熔融粒子状态的影响规律，并找到了各自较佳的工艺参数。对熔射成形快速制造模具 的工艺过程，即：熔射模处理、熔射成形、背衬、脱模和后处理等逐一进行了探讨，晟 后，严格按照每一步的工艺规程，制作了饭盒的简易模具。 通过进一步深化对电弧熔射成形中的关键工艺的研究，并向开发较大型、复杂的模 具过渡，可以预见，这种工艺方法将广泛应用在注塑模和冲压模上，并具有广阔的市场 应用前景。 关键词：电弧熔射成形；数值模拟；有限元法；陶瓷型；模具 大连理工大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nr a p i dp r o d u c t i o no f m o u l du s i n ga r cs p r a yf o r m i n g a b s t r a c t m o u l dm a r k e ti sv e r yl a r g eh o m ea n da b r o a d a n dt h es p e e do f p r o d u c t sa i t e m a t i o nl st h e k e yf a c t o ri nc o m p e t i t i o n a r cs p r a yf o r m i n gp r o v i d e san e wm e t h o dt op r o d u c em o u l d r a p i d l y ，a n di t sm e r i t sa r eo u t s t a n d i n g ：l o wc o s t ，s i m p l et e c h n i c s ，h i g he f f i c i e n c yo fw i r e d e p o s i t i o n ，g o o dr e p l i c a t i o ne f f e c t ，a n dp a r t i c u l a r l y ，i tc a nc u tt h et i m es h a r p l yf r o mm o u l d p r e p r o d u c t i o nt op r o d u c t i o n w i t ht h ep r o g r e s so fr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n , t h et e c h n o l o g y w i l lp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nm a n u f a c t u r ef i e l d t h e r eh a v eb e e na l r e a d ys o m er e s e a r c h e so na r cs p r a yf o r m i n gn ow b u tt h es p r a y m a t e r i a li sm o s t l yc o n c e n t r a t e do nm e t a lo ra l l o yw i t hl o wm e l t i n gp o i n t ，a n dt h em o u l d f o r m e db ys u c hm a t e r i a lh a sp o o rw e a r - r e s i s t a n ta n ds h o r tl i f e s p a n m e a n w h i l e ，t h e c o r r e s p o n d i n gs p r a yp r o c e s si sd i r e c t l yd o n eo np r o t o t y p eo ro np l a s t e rm o d e l w h i c hi su s e d f o rr e p l i c a t i n gp r o t o t y p e f o ri m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo fm o u l di nu s e ，s t a i n l e s ss t e e l m a t e r i a lw i t hh i 曲m e l t i n gp o i n ti ss p r a y e di nt h ed i s s e r t a t i o n , a n dc e r a m i cm o d e li su s e df o r r e p l i c a t i n gp r o t o t y p e ，t h e ni tc a ne n d u r et h eh i 曲t e m p e r a t u r ei m p a c td u r i n ga r cs p r a y i n g m o r e o v e r ，as e r i e so ft e c h n i c a lp r o b l e m si nt h ep r o c e s so fm o u l dp r o d u c t i o nh a v ea l s ob e e n s t u d i e d t h em a i nw o r ka n dc o n c l u s i o n si nt h ed i s s e r t a t i o na r ea sb e l o w ： 1 1 1 ef e m 佰i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) m o d e lo ft h es p r a yc o a t i n gi se s t a b l i s h e df o r t e m p e r a t u r ea n ds t r e s sa n a l y s i s ，a n dt h ec o m p o s i t i v ee f f e c t so ft h e r m a ic o n d u c t i o n ，t h e r m a l c o n v e c t i o n ，a n dt h r e m a lr a d i a t i o na r ea 1 1c o n s i d e r e d ，t h e nt h et h e r m a l - s t r u c t u r a lc o u p l i n g a n a l y s i so ft h ec o a t i n gi sc a r r i e do u t m o r e o v e r ，t h ep r o c e s so ft h ec o a t i n gw h i c hg r o w sl a y e r b yl a y e ri ss i m u l a t e de l e m e n t a r i l y b e l o wt h r e ed i f f e r e n tp r e h e a t e dt e m p e r a t u r e so fs u b s t r a t e ， t e m p e r a t u r e f i e l dd i s t r i b u t i o no ft h ec o a t i n gi s1 a i do u t ；a n dd e f o r m a f t o nr u i ei sf o t m do u t ， w h i c hm e e t se x p e r i m e n tw e l l ；t h e ns t r e s s f i e l dd i s t r i b u t i o ni ss t u d i e dp a r t i c u l a r l y ，e s p e c i a l l y f o rt h ek e yp o s i t i o nw h i c hi sp r o n et ow a r p ，t h ec h a n g i n gt r e n do ft h es t r e s si sa n a l y z e di n d e t a i l t h et e c h n i c a lp r o c e s s e so fc e r a m i c m o d e lf o r m i n ga r es t u d i e d a n dt h e nt h eu s u a l t e c h n i c a lp r o b l e m sa r ee x p l a i n e d f i n a l l y ，t h ed i m e n s i o np r e c i s i o no fc e r a m i cm o d e li s e v a l u a t e df r o mt h r e ea s p e c t s ：d e m o u l dt i m e ，a c t i v a t o rc o n t e n t a n dw a t e rc o n t e n t t h er e s u l t s i n d i c a t et h a t ：t h ed i m e n s i o no f c e r a m i cm o d e ii ss t e a d y ，a n dt h er e p l i c a t i o ne f f e c ti sf i n e ，t l l e r l a l lt h e s ew o r k l a y saf i r mf o u n d a t i o n f o rt h el a t t e rs p r a yf o r m i n gp r o c e d u r e a i m e da ts t a i n l e s sm a t e r i a lw i t hh i g hm e l t i n g - p o i n t ，t h ei n f l u e n c er u l eo fs p r a yc u r r e n t ， a t o m i z e da i rp r e s s u r e ，a n ds p r a yd i s t a n c eo nt h es t a t eo fm e l tp a r t i c l e si ss t u d i e s ，a n de a c h g o o dt e c h n i c a lp a r a m e t e ri sf o u n do u t m o r e o v e r ，s u c ht e c h n i c sa ss p r a ym o u l dd i s p o s i n g ， “i i i 陈正江：电弧熔射成形快速制造模具技术的研究 s p r a yf o r m i n g ，b a c k i n g ，d e m o u l d i n g ，a n dp o s tt r e a t m e n ta r ea l ld i s c u s s e d ，t h e nac a n t e e n m o a l di sm a d ef o l l o w i n gt h e s ep r o c e d u r e s a l o n gw i t hf u r t h e rr e s e a r c ho nk e yt e c h n i c si na r cs p r a yf o r m i n g ，t h et e c h n o l o g yw i l lb e w i d e l yu s e df o rb o t hi n j e c t i n gm o m da n dp u n c h i n gm o u l d a n dt h e r ew i l lb eb r o a dm a r k e t f o r e g r o u n df o ri t sa p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：a r cs p r a yf o r m i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；f e m ；c e r a m i cm o d e l ；m o u l d i v - 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：? 叟z 畦 日期：出：兰 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 麓定”，鬻意大逡蓬工大学傈留莠岗莓家有关都f 1 或辊梅送交学位论文熬复印彳牛帮电子 版，允许论文被套阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 豢编入鸯荚数豢露送行稔索，氇弼采雳影饔、臻涕或扫攒等复麓手段操存窝汇编学谴论 文。 作者签名一位笙臣 导师签名： 年月墨 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 工程应用背景 模具作为工业生产的基础工艺装备，在汽车、能源、机械、信息、航空航天、国防 工业和日常生活用品的生产中被广泛应用。据统计，7 5 的粗加工工业产品零件、5 0 的 精加工零件由模具成形；家用电器行业的8 0 零件、机电行业的7 0 以上零件也都要靠 模具加工：因此，模具又被称之为“百业之母”。模具生产的工艺水平及科技含量的高 低，成为衡量一个国家科技与产品制造水平的重要标志，在很大程度上决定着产品的质 量、效益、新产品的开发能力，决定着一个国家制造业的国际竞争力【l l 。 2 0 世纪8 0 年代后期开始，中国模具工业发展十分迅速。据不完全统计，全国( 末含 港、澳、台统计数字) 模具生产及进出口发展情况如表1 1 、表1 2 所示【2 】a 表1 11 9 9 5 年以来中国历年模具产值 t a b 1 1p r o d u c t i o nv a l u eo f m o u l di nc h i n af r o m1 9 9 5 年份 1 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 4 产值( 亿元) 1 4 5 1 6 0 2 0 02 2 02 5 02 8 03 1 63 6 04 5 0 5 3 0 表1 21 9 9 5 年以来中国历年模具进出口情况( 单位：万美元) t a b 1 2i m p o r ta n de x p o r tc o n d i t i o no f m o u l di nc h i n af r o m1 9 9 5 ( u m t ：1 0t h o u s a n dd o l l a r ) 年份 1 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 4 进口 8 1 1 0 09 1 7 9 96 3 0 0 06 6 3 4 88 8 2 7 4 9 7 7 0 0 1 1 1 1 7 4 1 2 7 2 0 01 3 6 9 3 01 8 1 3 0 0 出口4 9 4 l7 0 0 0 9 4 2 8 9 5 9 11 3 2 8 01 7 3 7 4 1 8 7 7 5 2 5 2 3 43 3 6 8 0 4 9 1 0 0 由上表可见，虽然中国模具工业发展迅速，但与需要相比，仍供不应求，其主要缺口 在精密、大型、复杂、长寿命模具方面。另外，在模具的精度、寿命、制造周期及生产 能力等方面，中国与国际水平和工业先进国家相比尚有较大差距。 国际上，世界模具市场仍然是供不应求，近几年，世界模具市场总量一直保持在6 0 0 亿6 5 0 亿美元之间。美、日、法、瑞等国每年出口模具约占其本国模具总产值的l 3 【l 】。 随着国民经济的发展，对模具也提出了越来越高的要求。这个要求是全面的，如精度、 材料、寿命、尺寸、形状复杂程度以及快速性等。由于市场全球化以及竞争的加剧，产 品的多样性表现越来越明显，更新换代速度快，因此，对于模具技术而言，最首要的、 带有先决性的要求便是快速性，只有最大限度的减少产品从设计到进入市场的时间，才 能尽快地占领市场，在国际竞争中获得一席之地。在这种背景下，快速模具制造技术的 研究就显得很有必要了。 陈正江：电弧熔射成形快速制造模具技术的研究 1 2 本文研究的目的和意义 快速模具制造技术( r t ：r a p i dt o o l i n g ) ，是目前快速成形( r p ：r a p i dp r o t o t y p i n g ) 技术中发展最迅速，产值增长最明显的技术之一【3 】。电弧熔射快速制模技术作为快速制模 技术中的一种，具有其特殊的优点，表现在：成本低，设备投资小，对工作环境没 有特殊要求。电弧熔射所使用的设备通常为火焰喷涂的1 1 0 ，为等离子设备的1 3 以下； 工艺简单，易于控制，使用安全。电弧熔射成形使用的仅仅是电能，而没有氧气、 乙炔等易燃易爆气体，操作安全；生产效率高，能源利用率也高。其效率比线材火 焰喷涂的效率提高2 6 倍。等离子喷涂的能量利用率为4 一1 2 ，火焰喷涂为5 一1 3 ， 而电弧喷涂高达5 7 一6 7 ；表面复型性好，对原型材料没有限制，几乎可以完整复印 任意材料的原型；对原型尺寸没有限制，小到数平方毫米、大到数平方米的原型都 可以通过电弧熔射法制造出相应的模具。 由于电弧熔射制模的这些优越性，它正被愈来愈广泛地应用到生产实际中。美国 t a f a 公司利用电弧熔射铜、铝或不锈钢等快速得到各种模具，可用于多种塑料、玻璃 纤维及大型复合材料的生产，另外，该公司还将电弧熔射制模应用于汽车行业中，降低 了成本，并显著提高了经济效益。英国牛津大学与美国福特公司采用电弧熔射制造汽车 覆盖件冲压凸模，取代了原有数控切削加工制模的工艺，制模时间约为原有方法l 5 。 牛滓大学、美国h a s b r o 有限公司、英国喷涂成型工模具有限公司联合研究，采用电弧 喷涂的方法，快速制造儿童高位椅支架的注塑模，显著减少了开发时间。在美国，几乎 所有聚氨酯组合鞋底制造商在自动成型设各上都采用了金属熔射快速制模法进行生产。 另外，在我国南方的一些市县，为了缩短开发周期和降低成本等原因，采用电弧熔射法 快速制造鞋底模具的工厂也为数不少。总的说来，电弧熔射快速制模技术即可以运用在 注塑模具上，也可以运用在冲压模具上。 本文立足于对电弧熔射快速制模法中的关键技术进行研究，深化了对于电弧熔射快 速制造模具工艺过程的认识。从某种意义上讲，电弧熔射制模法是电弧喷涂技术在模具 加工领域的推广应用。本文运用数值模拟方法，对电弧熔射层进行了温度场、应力场和 变形场的有限元分析，这有利于深入了解涂层的受力、变形状态，以及在某种程度上预 测组织结构，指导实验。另外，尝试了一种新的原型翻制工艺，拓宽了间接制模技术中 关键的模型翻制工艺方法。探讨了电弧熔射工艺参数对成形质量的影响规律，为更有效 地利用电弧熔射法来制造模具提供了科学的工艺参数依据。最后进行了电弧熔射快速制 造简易模具的实验。 大连理工大学硕士学位论文 1 ，3 国内外研究进展 1 3 1 快速成形或制造技术 快速成形或制造( r p m ：r a p i dp r o t o t y p i n g & m a n u f a c t u r i n g ) 技术是综合利用c a d 技术、数控技术、激光加工技术、等离子加工技术和材料技术等实现从零件设计到三维 实体原型制造一体化的新技术。快速成形或制造技术自2 0 世纪8 0 年代起源于美国以 来，便很快在欧美、日本得到发展，是基于材料累加法的一种产品设计与制造的新技术。 快速成形或制造技术的方法很多，应用范围也非常广，未形成统一的划分方法。按 照快速成形或制造使用的加工手段和成形方式的不同，可以将r p & m 技术大致分为以 下三大类：基于激光光源的快速成形技术，基于微滴挤出和微流喷射的快速成形技术， 和基于等离子热源的快速成形技术。 基于激光光源的快速成形技术包括：s l a ，l o m ，s l s ，3 d p ( t h r e ed i m e n s i o n a l p r i n t i n g ) 等。基于微滴挤出和微流喷射的快速成形技术，微滴挤出技术主要包括：f d m ( f u s e dd e p o s r i o nm o d e l i n g ) 工艺、m e m ( m e l t e de x t r u s i o nm o d e l i n g ) 工艺等：微流 喷射成形工艺主要包括：m j m ( m u l t i - j e tm o d e l i n g ) 工艺，美国、以色列几家公司的三 维打印3 d p 工艺，以及德国g e n e r i s 公司的i n k - j e tp r i n t i n g 工艺等；基于等离子热源的 快速成形技术主要包括两个方面，快速熔积成形和快速熔射成形。快速熔积成形包括形 状熔积法、三维熔积成形法和形状沉积制造。 进入2 1 世纪以后，世界工业市场和用户需求已经发生了巨大变化。人们对工业产 品的要求也越来越多样化，相应的，产品市场也将从单一品种、大批量生产向按照用户 要求进行多品种、少批量甚至是概念设计的方向转变。目前，越来越明显的迹象显示快 速成形或制造技术已经向快速模具制造技术( r t ，r a p i dt o o l i n g ) 过渡，r p 技术最重 要的应用领域是r t 技术 3 1 。而且，快速成形技术往往偏向于制造某个或某些实物，因 此，从经济效益上看，用来制造实物的模具将更有发展潜力。从工业应用上看，r p 技 术向r t 技术过渡也是一种必然的趋势。 1 3 2 快速模具制造技术 快速模具制造技术目前种类繁多，其中，快速制造金属模具( r m t ：r a p i dm e t a l t o o l i n g ) 则是快速模具制造技术中充满生机，发展较快的一个重要部分。它是新产品迅 速形成高效、低成本、优质的批量生产并抢占市场的必由途径，是r p & m 技术进一步 发展并取得更大经济效益所面临的关键课题，成为当前r t 技术研究的热点。 陈正江：电弧熔射成形快速制造模具技术的研究 ( 1 ) 直接快速制模技术 快速制造金属模具r m t 主要集中在直接制模法和间接制模法两方面。直接快速制 造金属模具( d i r e c tr a p i dm e t a lt o o l i n g ，d r m t ) 主要包括：烧结浸渗法，薄钢板层叠 法，金属熔积法等。直接制模法不存在间接制模法由于转换技术带来的精度损失问题， 可以缩短模具制造周期，是r m t 技术的重要的一支，目前正逐渐成为快速模具制造技 术的热点研究之一。 直接制模法在国内外的应用。烧结浸渗法方面：e x t r u d e h o n e 公司用3 d p 工艺， 向金属粉末喷射粘合剂制造原型，燃烧去除有机树脂，渗铜和锡形成致密金属模具。麻 省理工学院r p 实验室e s a c h s 教授采用f d m 成形后，烧结、渗铜制成注塑模。美国 d t m 公司激光烧结聚酯包覆的不锈钢粉末获得模具，氢气气氛脱脂，高温预烧结，渗 铜处理。e o s 公司的d m l s ( d i r e c t m e t a ll a s e r s i n t e r i n g ) 以及德国e l e c t r o l u x r p 公司 采用的工艺，都是通过烧结使低熔点金属向基体金属渗透，利用体积膨胀来抵消烧结收 缩，使最终收缩率几乎为零。薄钢板层叠法：东京技术研究所采用l o m 工艺金属板 材叠层制造金属模具，取得了显著效果。金属熔积法：美国桑地亚国家实验室采用 大功率激光器熔化金属粉末，逐层熔覆制造金属模具，但成本较高。s l s 工艺实际上也 属于直接制模法，是利用1 0 0 0 w 以上大功率激光器对金属粉扫描烧结，逐层叠加成形， 但是模具往往呈低密度多孔状结构，强度与精度难以保证。类似的还有，o p t o m e c 公司 的l e n s 工艺是采用激光技术将钢合金、铁镍合金、钛镍合金、镍铝合金等直接熔化沉 积成形。瑞士联邦技术研究所的激光金属成形工艺l m f ( l a s e rm e t a lf o r m i n g ) ，金属 零件强度和精度相对较高，但表面光洁度较差。 国内方面，西北工业大学、北京航空航天大学采用激光技术将金属直接熔化成形分 别制作了高温合金零件。西安交通大学快速成形及制造研究中心对直接金属成形工艺进 行了探索性研究，提出了以金属熔焊成形与轮廓高速铣削复合工艺来实现金属零件快速 精密成形。清华大学也在开展这方面工作。 ( 2 ) 直接快速制模技术的局限r 性 虽然直接制模法不需要中间转换工艺，在一定程度上可以减小转换工艺过程的误差 累积现象，但是，这种工艺目前还不成熟，技术上还存在许多难以解决的问题。 这主要集中表现在：尺寸精度较低，表面粗糙度较大，成形质量难以控制等方面。 例如，烧结浸渗法目前仍然难以有效解决烧结过程中表面粗糙度大、尺寸精度难以保证、 机械性能差等问题；薄钢板层叠法虽然也可制造金属模具，但叠层间需焊接等紧固处理， 各叠层之间“台阶效应”也较明显，且材料利用率低，另外，薄板热变形也影响成形精 度和粗糙度；金属熔积法在一定程度上可以提高模具的力学性能，但表面粗糙度和尺寸 大连理工大学硕士学位论文 精度还是得不到提高，且无法制造带精细图案及天然饰纹的模具。目前，直接制模法还 主要停留在实验室阶段，离实际应用还有一定差距，随着国内外在这一领域研究工作的 不断深入，将来有望将该技术得到广泛应用。 目前来看，将原型经过一定的转化过渡工序制得的零件或者模具更具有实用价值， 因此，间接制模法成为模具制造技术的主流。 ( 3 ) 间接快速制模技术 在直接制模法尚不成熟的情况下，目前具有竞争力的间接制模技术主要是粉末烧 结、电铸、铸造和熔射等间接制模法，这方面的研究也非常活跃。由于翻制技术的成熟 性，间接法可以根据制件应用场合和不同的用户需求，分别采用不同复杂程度和不同成 本的工艺，既可以控制制件的精度和表面质量，又能保证使用性能和寿命，同时满足经 济性的要求。 间接制模法的国内外研究现状。美国3 ds y s t e m 公司基于s l a 原型的粉末粘结剂成 形+ 融浸快速复制( k e l t 0 0 1 ) 工艺【5 ：c e m c o m 公司镀镍+ 陶瓷复合( n i c k e l c e r a m i c c o m p o s i t e ，n c c ) i 艺；i d a h o n a t i o n a l e n g i n e e r i n ga n d e n v i r o n m e n t a l l a b 的快速凝固工艺 ( r a p i ds o l i d i f i c a t i o np r o c e s s r s p ) 和s o l i g e nt e c h h l c 公司的基于d s c p 金属薄壳成形系 统的铸造工艺 4 】；b a d g e rp a r e m 公司的锌合金喷涂+ 树脂& 金属复合材料补强工艺和东 京大学的r h s t ( r a p i dh a r ds p r a yt o o l i n g ) 以及日产汽车公司的熔射快速制造金属模具 法等。 r s p 工艺是用高温高速的等离子惰性气体将熔化的金属液体雾化，喷射在原型上， 生成薄层金属，背衬后得到模具。b a d g e r p a r e m 公司、东京大学和日产汽车公司熔射制 模法的基本工艺都是在原型表面形成熔射层，然后对熔射层进行补强并将熔射原型去除 得到金属模具。但b a d g e rp a r e m 公司只能熔射低熔点锌合金，并采用树脂& 金属复合材 料对熔射层补强，导致模具的耐磨性和热传导性差，只能用于数百件注塑成形。东京大 学开发的r h s t 方法则是以不锈钢或碳化钨合金等高融点材料为熔射材料，并以金属材 料对熔射层背衬补强，从而极大地改善了熔射模具的耐久性，使其能用于表面光滑或带 天然精细皮革纹饰塑料产品的大批量注塑成型以及金属薄板成形。日产汽车公司的熔射 制模法也采用不锈钢作为熔射材料，并采用树脂& 金属复合材料补强，已用于数万至二 十多万件的轿车覆盖件成形，但与r h s t 方法相比，该法不能用于表面带天然精细皮革 纹饰耐久注塑模具的制造，使用范围受到限制。 在我国，关于金属模具间接快速制造技术的研究受到高度重视，清华大学、华中理 工大学在铸造模方面取得了许多研究成果；上海交大用精密铸造法快速翻制出汽车轮胎 等金属模具；西安交通大学采用树脂原型、研磨石墨电极、电火花加工出钢质模具：殷 陈正江：电弧熔射成形快速制造模具技术的研究 华公司及烟台机械工艺研究所与烟台泰利汽车快速模具公司合作采用电弧熔射锌合金 制作出快速经济注塑模具。 各间接制模法的特点。铸造法和粉末烧结法尺寸变化大，制模精度不高。电铸复制 精度虽高，但制模时间长、受电铸材料种类限制且需处理废液污染。熔射法具有模具材 料种类和制模尺寸规格限制小、复制精度高等优点。近一、二十年以来，电弧熔射快速 制造模具技术受到了较高的重视并得到了广泛的研究。 1 3 3 电弧熔射成形快速制造模具技术 早在1 9 4 0 年，人们就提出了用金属熔射方法来制造塑料模具的思路，但由于受到 当时基体模型制造存在很大的难度以及制模材料硬度低等技术的限制，没有引起人们的 太大关注，随着电弧熔射技术的不断完善，国际上出现了用该技术制作模具的研究与应 用趋势。1 9 8 6 年波兰的s a r t o w s k im 在第十届国际热熔射会议上介绍了用低熔点合金 熔射制模技术。1 9 8 9 年美国c a r n e g i em e l l o n 大学将激光造型和热熔射相结合制造了注 射模具。 进入2 0 世纪9 0 年代后，随着快速原型制造技术的成熟，模型制作已不存在多大困 难，电弧熔射制模技术逐渐被人们所重视。南洋理工大学c h u ack 等应用此技术所得 注射模具的成本为传统的5 0 t 6 1 。美国t a f a 公司利用电弧熔射铜、铝或不锈钢等，在 原模( 木材、塑料或金属制品) 上制作靠模型壳，填充背衬材料，从而快速得到各种模 具。福特公司采用多个喷嘴的电弧熔射设备，分别用n 2 、灯、空气等作为压缩气体， 进行了电弧熔射高熔点材料模具的研究，采用4 喷枪机器人操作的熔射工艺，已经可以 制造9 1 4 9 1 4 m m 的模具。n e w b e r yap 等人用电弧熔射的方法制得n i 3 a 1 合金模具以及 钢制模具。k e l k a r m 等人对电弧喷涂制模进行了较为系统的研究，并提出了相关的计算 和模拟模型。m a t t h e wk 等对电弧熔射的方法制备n i 合金模具进行了研究。1 9 9 7 年， 英国牛津大学先进材料及复合材料研究中心、美国h a s b r o 有限公司、英国喷涂成型工 模具有限公司联合进行研究，采用电弧喷涂的方法，快速制造工模具( 如生产儿童高位 椅支架的注塑模) ，与传统的工模具制造方法相比，显著减少了从接订单到完成产品设 计至实际投产的时间。 在2 0 0 2 年9 月1 0 1 3 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，以取代原有数控切削加- 1 - 制模的 工艺，制模时间约为原有方法1 5 ，该技术采用陶瓷型熔射模，用机器人电弧熔射最佳 路径和高速冷却方式，使熔射层显微组织为平衡态铁素体和马氏体，马氏体的形成可使 体积膨胀以抵消冷却带来的体积收缩，使钢壳厚达2 c m 。 在国内方面，1 9 8 5 年烟台机械工艺研究所【6 2 1 7 1 进意大利电弧熔射设备d p t b 型、 m c p 。0 0 1 c l p 型，开展了快速制模技术的研究，并与殷华公司、烟台泰利汽车快速模具 6 大连理工大学硕士学位论文 公司合作采用电弧熔射锌合金快速制作注塑模具，取得了满意的效果，制造周期可缩短 1 2 2 3 ，1 2 套模具制造费用节省了1 0 0 0 万元左右。西安交通大学在电弧熔射应用方 面取得了很多成果 1 0 , 1 9 , 5 0 , 5 1 j ，其中包括利用电弧熔射成功的制作了汽车覆盖件模具；电 弧熔射与电铸相结合制造e d m 电极，其制造周期和成本分别为传统电铸的2 5 和 1 0 ；利用智能电弧熔射和电刷镀一体化进行模具制造。大连理工大学、华侨大学、清 华大学、山东大学等单位也进行了电弧熔射制模的研究 3 5 , 5 5 , 5 6 , s 8 , 5 9 , 6 1j 。 目前研究中存在的问题。从电弧熔射材料来看，大部分还采用锌、铝等低熔点金属 或者合金线材，普遍存在成形件硬度低、强度差、耐磨性差、使用寿命短等问题。另一 方面，由于采用的是低熔点金属或者合金，有的工艺不需要经过翻制原型的工序就可以 直接进行喷射5 郇，有的工艺采用的是石膏模型来翻制原型 i o , 5 0 】。但是，如果熔射高熔点 材料的话，无论是低熔点的原型还是石膏模型都会经不起高温冲击而被破坏掉。 1 4 本文研究的思路 电弧熔射成形是一种粒子沉积的工艺过程。电弧熔射层是无数熔融金属粒子撞击熔 射模之后扁平化，然后互相搭接、叠加而逐步“生长”起来的。采用数值模拟技术，探 讨电弧熔射层的形成机理，对电弧熔射层进行了有限元分析，研究了熔射层的温度场分 布，找出了熔射层的变形规律，并着重分析了涂层的应力场分布，从而更好的指导实验。 由于目前熔射材料比较集中在熔射低熔点材料上，使用材料范围狭窄，严重限制了 所制得的模具的使用性能和寿命，因此，针对这种情况，本文尝试熔射高熔点材料进行 快速模具制造技术的研究。 首先，亟待解决的问题是采用全新的原型翻制工艺。由于熔射的是高熔点材料，若 在一般的不耐高温的原型上直接熔射的话，往往会直接损坏原型或者至少会影响到原型 的表面形貌；若采用石膏型来翻制原型的话，笔者已经做过这方面的实验研究，当熔射 像不锈钢丝这样的高熔点材料时，石膏型会呈粉末状溃散、剥落而失效。本文借鉴陶瓷 型铸造的办法，采用陶瓷型来翻制原型，然后在陶瓷型上熔射成形，这样，一方面，提 供了一个能够承受高温冲击的熔射基体；另一方面，原型材料不受限制，无论什么材料， 经过陶瓷型翻制后都可阻实现熔射成形。详细研究陶瓷型的造型工艺，保证陶瓷型有较 高的尺寸精度和良好的表面质量，从而为后续熔射成形提供一个良好的熔射模。 熔射高熔点材料时，所使用的熔射参数跟熔射低熔点材料时的参数是不一样的，而 且，以往的一些论文对熔射参数也进行了一些优化，但是侧重于对经验值的叙述，进行 详细的量化研究做的较少。从根本上讲，熔融粒子状态是影响熔射层质量的决定性因素， 只有保证好的熔融粒子状态，才能获得性能优良的熔射层。而影响熔融粒子状态的因素 陈正江：电弧熔射成形快速制造模具技术的研究 有很多，本文采用固定另外几个参数，逐个考察每个参数对于加工质量的影响规律，最 终得到一组优化之后的工艺参数，最终保证良好的熔射层质量。 电弧熔射成形快速制模过程是一个系统的工程，由若干道重要的工序组成，需严格 按照操作步骤规范的进行全过程的实验，保证每一步工序的质量，制作典型件的熔射模 具。 1 5 本文研究的主要内容 本文的研究目标是：研究电弧熔射法快速制模工艺中的关键技术，并找出基本的成 形规律。运用数值模拟技术，对熔射层进行有限元分析，分析熔射层温度场、位移场和 应力场，并试图指导实验：详细研究陶瓷型翻制原型工艺，保证陶瓷型的尺寸精度和表 面质量，为后续熔射成形提供一个良好的基体；探讨适合于高熔点材料的熔射工艺参数， 优化出一组最佳工艺参数；进行电弧熔射法快速制造模具整个工艺过程的实验。本文的 主要内容如下： 1 数值模拟技术。建立合适的数学模型，运用a n s y s 软件对电弧熔射层进行有 限元分析，研究熔射层的温度场，应立场分布，找出变形规律，讨论熔射条件对成形质 量的影响； 2 探讨陶瓷型翻制工艺。影响陶瓷型精度的因素很多，本文将详细研究各个工艺 参数对陶瓷型精度和表面质量的影响，进行一定数量的实验，优化工艺参数，试图找出 较好的工艺参数，并制作较具有代表性的陶瓷型； 3 针对高熔点材料，优化熔射工艺参数。对电弧熔射成形中涉及到的每一步工艺 过程均进行不同程度的探讨： 4 电弧熔射快速制模实验。按照电弧熔射快速制模技术的整个流程，严格控制每 一道工序的质量，进行熔射制模的实验研究。 大连理工大学硕士学位论文 2 电弧熔射成形技术概述 2 1 电弧熔射原理 电弧熔射的原理如图2 1 所示。采用两根金属丝作为消耗性电极，在两电极间通以 几十伏的直流电，则当两电极接触时，就会在两电极间产生短路，瞬间产生高温，将金 属丝熔化，再利用高压气流将熔融的金属液滴吹到待喷涂的基体上，从而形成熔射层。 经背衬补强和一定的后续工序就可制得模具。 雾化区 ( 图2 1 电弧熔射原理图 f i g 2 1p r i n c i p l ec h a r to f a r cs p r a y i n g 2 2 电弧熔射成形快速制模的优越性 电弧熔射法快速制造的模具既可用于注塑模上，也可用于冲压模方面。相比较其它 间接制模技术，电弧熔射快速制模法的优点表现在： ( 1 ) 制模周期短，适应了当前模具设计与制造由单件大批量生产向按照生产者意图 多品种、变批量生产的发展趋势，有利于新产品的开发； ( 2 ) 工艺简单，易于控制。成本低，设备投资小，对工作环境没有特殊要求； ( 3 1 与非金属材料模具相比，模具的表面硬度、耐磨性、粗糙度等性能有较大的提 高； ( 4 ) 复型性好，对原型材料没有限制，几乎可以完整复印任意材料的原型； ( 5 ) 对原型尺寸没有限制，小到数平方毫米、大到数平方米的原型都可以通过电弧 熔射法制造出相应的模具。 目前国内外大部分采用中、低熔点金属及合金来进行零件和模具快速制造。虽然 z n 、a l 等低熔点金属或合金制作的模具成本低、易于操作，但其强度、硬度都较低， 耐磨性差，寿命较低。为了大幅度提高所制模具的强度、耐磨性能和使用寿命，本文选 用中2 m m 的3 c r l 3 马氏体不锈钢线材进行熔射成形快速制模实验，研究熔射高熔点材 料时出现的一系列工艺问题，探讨解决成形件质量的方法和途径。 陈正江：电弧熔射成形快速制造模具技术的研究 2 3 电弧熔射成形快速制模过程简述 图2 2 直观的展示了电弧熔射成形快速制造模具技术的基本工艺过程。 ( a ) 一般而言，进行电弧熔射成形前应准备好熔射模，熔射模的来源非常广泛，这 将在后续第五章中详细介绍； ( b ) 在熔射模上进行熔射成形，形成一层熔射层； ( c ) 将熔射模连带熔射层一起放入合适大小的型框中，对熔射层进行背衬补强，提 高熔射层的整体强度： ( d ) 将( c ) 步所得实体上、下倒置，进行换面； ( e ) 重复( b ) 步的操作，进行熔射模另外一面的熔射成形； ( f ) 重复( c ) 步的操作，进行另外一面熔射层的背衬补强； ( g ) 将背衬后的上、下型框实体连同熔射层进行分离，取出熔射模； ( h ) 上、下型框实体对正合拢即得模具； ( i ) 将( h ) 步所得模具进行冲压成型或者注塑成型即可制得相应的零件或者产品。 期，盥阚 矗鋈闺 蠢阚越 ( f ) 填充 ( g ) 脱模 ( h ) 模具 ( i ) 零件 图2 2 电弧熔射快速制模示意图 f i g 2 2s k e t c hm a po fr a p i d l yp r o d u c i n gm o u l db ya r cs p r a y i n g 2 4 电弧熔射成形中的关键工艺问题 电弧熔射成形快速制模工艺是一个系统的过程，其中涉及到很多步具体的工艺，而 且各工艺之间具有连续性，因此必须试图解决好各工艺过程中的关键问题，才能有效地 保证加工模具的成形质量。总的说来，电弧熔射成形快速制造模具技术可分为以下几个 关键问题： 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 对电弧熔射层进行有限元