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1、速成形与快速模具制造蔡咏梅 孙文磊 李力 张科 鞠俭(1新疆大学机械工程学院，新疆科力先进制造技术责任有限公司，乌鲁木齐) 摘 要：本文介绍了基于快速成形技术的快速模具制造方法，着重研究了软模制造中硅胶模及电极制模的工作原理，并结合具体实例介绍其设计步骤，制作工艺及其中的一些关键性技术。指出快速模具制造技术是降低产品开发成本，缩短开发周期的有效手段，适合新产品研制与开发中小批量生产的要求。关键词：快速成形；快速制模；硅胶模；电极制模一、引 言近10年来，制造业市场环境发生了巨大的变化，迅速将产品推向市场已成为制造商把握市场先机的重要保障。因此，产品快速开发技术将成为赢得21世纪制造业市场的关键
2、。快速成形技术(Rapid Prototyping & Manufacturing以下简称RPM)是一种集计算机辅助设计、精密机械、数控激光技术和材料学为一体的新兴技术，它采用离散堆积原理，将所设计物体的CAD模型转化成实物样件。由于RPM采用将三维形体转化为二维平面分层制造原理，对物体构成复杂性不敏感，因此物体越复杂越能体现它的优越性。以RP为技术支撑的快速模具制造RT(Rapid Tooling)也正是为了加快新产品开发周期，早日向市场推出适销对路的，按客户意图定制得多品种、小批量产品而发展起来的新型制造技术。由于产品开发与制造技术的进步，市场不断追求新颖、奇特、多变的消费导向,使得产品（
3、尤其是消费品）的寿命周期越来越短成为不争的事实。如，汽车、家电、计算机等产品。采用快速模具制造技术制模与传统的模具制造相比，制作周期为传统的1/3-1/10，生产成本仅为1/3-1/5。所以国外工业发达国家已将RPM/RT作为缩短产品开发时间及模具制作周期的重要研究课题和制造业核心技术之一，我国也已开始了快速制造业的研究与发展应用工程。二、基于RPM的快速模具制造方法模具是制造业必不可少的手段工具，其中用得最多的有铸模、注塑模、冲压模和锻模等。传统制作模具的方法是：对木材或金属毛坯进行车、铣、刨、钻、磨、电蚀等加工，得到所需模具的形状和尺寸。这种方法既费时又费钱，特别是汽车、摩托车和家电所需的
4、一些大型模具，往往要花费数十万元以上，制作周期长达数月至一年。而基于RP技术的RT直接或间接制作模具，使模具的制造时间和成本大大缩短。1.用快速成形机直接制作模具由于一些快速成形机制作的制件有较好的机械强度和稳定性，因此快速成形件可直接用作模具。例如，KINERGY公司ZIPPY快速成形机生产出的制件坚如硬木，可承受200高温，经表面处理（如喷涂清漆，高分子材料或金属）后可用作砂形铸造木模，低熔点合金铸造模，试制用注塑模以及熔模铸造的压型。当作砂型铸造的木模时，它可用来重复制作50-100件砂型。作为蜡模的成型模时，它可用来重复注射100件以上的蜡模。用SLS快速成形机能选择性的融合包裹热塑性
5、粘结剂的金属粉，制成模具的半成品，烧结金属粉并在孔隙渗入第二种金属（铜）从而制作金属模。2.用快速成形件作母模，复制软模具(Soft tooling) 用快速成形件作母模，可浇注蜡、硅橡胶、环氧树脂、聚氨脂等软材料，构成软模具，或先浇注硅橡胶、环氧树脂模（即蜡模的压型），再浇注蜡模。其中蜡模可用于熔模（失蜡）铸造，硅橡胶模、环氧树脂模等可用作试制用注塑模或低熔点合金铸造模。3.用快速成形件作母模，复制硬模具(Iron tooling)用快速成形件作母模，或据其复制的软模具，可浇注（或涂覆）石膏、陶瓷、金属基合成材料、金属，构成硬模具（如各种铸造模、注塑模、蜡模的压型、拉伸模），从而批量生产塑料
6、件或金属件。这种模具有良好的机械加工性能，可进行局部切削加工，以获得更高的精度，或镶入嵌块、冷却系统、浇注系统等。用金属基合成材料浇注成的蜡模的压型，其模具寿命可达1000-10000件。还可以用快速成形系统制作电脉冲机床用电极来制造硬模。即用快速成型件作母体，通过喷镀或涂覆金属、粉末冶金、精密铸造、浇注石墨粉或特殊研磨，可制作金属电极或石墨电极。三、基于RP的快速模具制造的应用1.硅橡胶模（Silicon Rubber Mold）制作佛头、线圈硅橡胶有很好的弹性和复制性能，用它来复制模具可不考虑拔模斜度，基本不会影响尺寸精度，而且这种材料有很好的切割性能，用薄片就可容易地将其切开且切面间非常
7、贴合，因此用它来复制模具时可以先不分上下模，整体浇注出软模后，再沿预定分模面将其切开，取出母模，得到上下两个软模。(1)试验用设备和材料SPS-600激光快速成形机HVC-1真空注型机恒温箱日产KE-1310ST透明硅橡胶日产CAT-1310固化剂(浇注时，KE-1310ST与CAT-1310以100：10混合)PX215真空注型硬制聚氨脂树脂（异氰酸脂,多元醇1：1混合）(2)制模工艺路线CAD三维造型软件STL文件制作模框浇注硅橡胶和固化剂的混合物SLA快速成形作母件固化分模树脂浇注使用Ug、SolidEdge 等软件进行三维实体造型，以STL文件格式保存，将文件输入快速成形机作出制件，处
8、理后作为硅橡胶母模，组合模框后将硅橡胶和固化剂的混合物浇注于框中，真空脱泡，固化后剖切取出母样即得硅胶模。最后在真空注型机中浇注塑料样件。流程如右图：(3)制作硅胶模具时注意事项对加成型硅橡胶而言，不要在室温下固化，而以40-60加温固化。分模面的选取一定要注意将外观面朝下，在内观面的合适位置上粘注胶棒。如果零件有倒钩，可以在硅胶模上作45度切口，但注意不要割断。在一些树脂不易流满的死角处一定要做气孔。对不容易进行分模的原型件可以喷少许离型剂。对形状复杂的（倒钩、斜面很多），两半模无法满足脱模条件的，开模时可以将硅橡胶模具剖开成数块来处理。但要注意在浇注塑料件的时候，合模应精确，否则会因模具的
9、错位或合模不紧而影响浇注品的精度。(4)应用图例图1 佛头的制作图2 线圈的制作2.电极（electroforming）快速制造精铸摆杆(1)工作原理快速成形系统制作电脉冲机床用电极来制造硬模。是利用基于电极和工件之间（正、负极）脉冲性放电的电腐蚀现象来蚀除多余的金属，对金属材料（型腔）进行加工，从而达到对尺寸和表面质量要求的目的。原理图如下：RC电极型腔工作液电源(2)精铸摆杆制作工艺如右SLA快速成形机作母件利用喷镀法由母件制作上、下形状电极通过电蚀加工出摆杆上、下模腔制作蜡模利用蜡模进行铸造工艺流程在此摆杆制作工艺中，电极的制作是关键。我们首先用快速成形机制作出母件，在其表面进行金属喷镀
10、构成铜电极壳体，然后取出电极壳体，在电极壳体的背面注射环氧树脂，用电极固定座与电极壳体连接构成铜电极。这就是电极的制作过程。(3)操作事项电脉冲加工过程中，电极与被加工表面之间的间隙应适中。过大，极间电压不能击穿极间介质，从而不能产生火花放电，过小，容易短路。加工工件必须放在较高绝缘强度的液体介质中进行。通常采用泵和过滤器使工作液循环过滤。精加工电极表面应尽可能光洁，以便减少模腔表面的后处理工作量。这种方法由于通过电极的电流较大会产生大量的热，如果散热不够好，镀层和母体易分离，只是电极镀层畸变、破裂，加剧损耗。为此，可在电极中设置相应的冷却道，或在镀层靠近处放入金属嵌块来改善导热。(4)应用图例图3中从左向右依次为SLA快速原型件、上半形状电极及模具、下半形状电极及模具、蜡模。图3剪毛机摆杆四、结束语快速成型技术,快速制模技术在企业新产品开发中起着重要作用。它极大地缩短了新产品的开发周期，降低了开发阶段的成本，避免了不必要的开发风险。在21世纪，新产品的快速开发成为企业生存与发展命脉时，该项技术必将得到广泛应用与发展。参 考 文 献1 王运赣，快速成型技术。华中理工大学出版社 1999.9.2 王旭,最新塑料成形工艺与模具。上海：上海科学技术出版社，1996.3 金涤尘，宋放之，现代模具制造技术。机械工业出版社，2001.
