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現代快速經濟制造模具技術分析
點擊次數：2696 發布時間：2011-1-18
隨著經濟的發展，新的技術革命不斷取得新的進展和突破，技術的飛躍發展已經成為推動世界經濟增長的重要因素。市場經濟的不斷發展，促使工業產品越來越向多品種、小批量、高質量、低成本的方向發展，為了保持和加強產品在市場上的競爭力，產品的開發周期、生產周期越來越短，于是對制造各種產品的關鍵工藝裝備—模具的要求越來越苛刻。
一方面企業為追求規模效益，使得模具向著高速、精密、長壽命方向發展；另一方面企業為了滿足多品種、小批量、產品更新換代快、贏得市場的需要，要求模具向著制造周期短、成本低的快速經濟的方向發展。計算機、激光、電子、新材料、新技術的發展，使得快速經濟制模技術如虎添翼，應用范圍不斷擴大，類型不斷增多，創造的經濟效益和社會效益越來越顯著。
2快速經濟制模技術類型
快速經濟制模技術與傳統的機械加工相比，具有制模周期短、成本低、精度與壽命又能滿足生產上的使用要求，是綜合經濟效益比較顯著的一類制造模具的技術，概括起來，有以下幾種類別。
2.1快速原型制造技術
快速原型制造技術簡稱RPM，是80年代后期發展起來的一種新型制造技術。美國、日本、英國、以色列、德國、中國都推出了自己的商業化產品，并逐漸形成了新型產業。
RPM是電腦、激光、光學掃描、*的計算機輔助加工（CAM）、數控（CNC）綜合應用的*。在成型概念上以平面離散、堆積為指導，在控制上以計算機和數控為基礎，以zui大柔性為總體目標。它摒棄了傳統的機械加工方法，對制造業的變革是一個重大的突破，利用RPM技術可以直接或間接地快速制模，該技術已被汽車、航空、家電、船舶、醫療、模具等行業廣泛應用。下面簡述一下目前已經商業化的幾種典型快速成型工藝。
2.1.1激光立體光刻技術（SLA）
SLA技術是交計算機CAD造型系統獲得制品的三維模型，通過微機控制激光，按著確定的軌跡，對液態的光敏樹脂進行逐層掃描，使被掃描區層層固化，連成一體，形成zui終的三維實體，再經過有關的zui終硬化打光等后處量，形成制件或模具。
激光立體光刻技術主要特點是可成型任意復雜形狀，成型精度高，仿真性強，材料利用率高，性能可靠，性能價格比較高。適合產品外型評估、功能實驗、快速制造電極和各種快速經濟模具。但該技術所用的設備和光敏樹脂價格昂貴，使其成本較高。
2.1.2疊層輪廓制造技術（LOM）
LOM技術是通過計算機的三維模型，利用激光選擇性地對其分層切片，將得到的各層截面輪廓層層粘結，zui終疊加成三維實體產品。
其工藝特點是成型速度快，成型材料便宜、成本低，因無相變，故無熱應力、收縮、膨脹、翹曲等，所以形狀與盡寸精度穩定，但成型后廢料塊剝離較費事，特別是復雜件內部的廢料剝離。該工藝適用于航空、汽車等和中體積較大制件的制作。
2.1.3激光粉末選區燒結成型技術（SLS）
SLS技術是將計算機的三維模型通過分層軟件將其分層，在計算機控制下，使激光束依據分層的切片截面信息對粉末逐層掃描，掃描到的粉末燒結固化（聚合、燒結、粘結、化學反應等），層層疊加，堆積成三維實體制件。
該技術zui大特點是能同時用幾種不同材料（聚碳酸脂、聚乙烯氯化物、石蠟、尼龍、ABS、鑄造砂）制造一個零件。
2.1.4熔融沉積成型技術（FDM）
FDM技術是由計算機控制可擠出熔融狀態材料的噴嘴，根據CAD產品模型分層軟件確定的幾何信息，擠出半流動狀態的熱塑材料沉積固化成的實際制件薄層 ，自下而上層層堆積成一個三維實體，可直接做模具或產品。
2.1.5三維印刷成型技術（3D-P）
3D-P技術用微機控制一個連續噴墨印刷頭，依據分層軟件逐層選擇性地在粉末層上沉積液體粘結材料，zui終由順序印刷的二維層堆積成一個三維實體，猶如不使用激光的快速制模技術。該技術主要應用在金屬陶瓷復合材料的多孔陶瓷預成型件上，其目標是由CAD產品模型直接生產模具或功能性制作。
2.2表面成型制模技術
表面成型制模技術，主要是利用噴涂、電鑄、化學腐蝕等新的工藝方法形成型腔表面及精細花紋的一種工藝技術，實際應用中包括以下幾種類型。
2.2.1電弧噴涂成型制模技術
電弧噴涂成型技術的原理是：利用2根通電的金屬絲之間產生電弧的熱量將金屬絲熔化，依靠高壓氣體將其充分霧化，并給予一定的動能，高速噴射在樣模表面，層層鑲嵌，形成一金屬殼體，即型腔的內表面，再用充填基體材料（一般為金屬粉粒與樹脂的復合材料）加以支撐加固，提高其強度和剛性，連同金屬模架組合成模具。
這種制模技術工藝簡單、成本低，制造周期非常短，型腔表面的成型僅需幾個小時，節省能源和金屬材料，一般型腔表面僅2-3mm厚，仿真性*，花紋精度可達到0.5μm。
目前該技術被廣泛地用于飛機、汽車的內飾件模具、家電、家俱、制鞋、美術工藝品等表面形狀復雜及花紋精細的各種聚氨酯制品的吹塑、吸塑、PVC注射、PU發泡及各類注射成型模具中。
2.2.2電鑄成型技術
電鑄成型技術的原理同電鍍一樣，是依樣模（現成制品或按制品圖紙制成的母模）為基準（陰極），置放在電鑄液中（陽極），使電鑄液中的金屬離子還原后一層一層地沉積在樣模上，形成金屬殼體，將其剝離后，與樣模接觸的表面即為模具的型腔內表面。
該技術主要特點是節省材料、模具制造周期短，電鑄層硬度可達40HRC，提高了耐磨性和壽命，粗糙度、尺寸精度與樣模*一致，適用于注射、吸塑、吹塑、搪塑、膠木模、玻璃模、壓鑄模等模具型腔及電火花成型電極的制造。
2.2.3型腔表面精細花紋成型的蝕刻技術
蝕刻技術是光學、化學、機加工綜合應用的一種技術，它的基本原理是先把花紋圖案制成膠片，再把膠片上的花紋圖案復制在已涂上光敏材料的模具型腔表面上，經過化學處理，模具型腔表面形成不被蝕刻部分的保護層，再根據模具材質，選擇相應蝕刻工藝，將花紋圖案蝕刻在模具內表面上。
該技術的主要特點是時間短、費用低，修補破損花紋圖案可做到天衣無縫。
2.3澆鑄成型制模技術澆鑄成型制模技術的共同特點是依樣件為基準，澆鑄出凸、凹模，型腔表面不需要機械加工。實際制模中主要有以下幾種類型。
2.3.1鉍錫合金制模技術
鉍錫合金快速制模技術是經樣件為基準，以Bi-Sn（鉍錫）二元共晶合金（熔點138℃，脹縮率萬分之三）為材料，有精密鑄造的方法同時鑄出凸模、凹模、壓邊圈的一種技術。該技術的特點是制模成本低，合金可重復使用，制造周期短，尺寸精度高，形狀、尺寸與樣件*相符，一次鑄模壽命可達500-3000件，非常適合新產品開發、工藝驗證、樣品試制及中小批量和平。
2.3.2鋅基合金制模技術
這是一種以樣件（或樣模）為基準，以熔點為380℃左右的鋅基合金為材料，分別澆注凸、凹模，原則上型腔表面不進行機械加工的一種制模技術。該技術特點是制模成本低、周期短，適用于制作薄板大型拉伸模、沖裁模及塑料模。
2.3.3樹脂復合成型模具技術
這是一種以樣模（或工藝模型）為基準，以樹脂或其復合材料為流體材料，先澆注出凸（凹）模，再依據凸（凹）模貼上蠟片（間隙層），澆注凸（凹）模。該技術成型的型腔表面不需機械加工。
該技術與CAD/CAM相結合，特點是模具尺寸精度高、制造周期短、成本低，是新產品試制、小批量生產工藝裝備的新途徑。適用于制作大型覆蓋件拉伸模（也可局部鑲鋼）、真空吸塑、聚氨酯發泡成型模、陶瓷模、仿型靠模、鑄造模等。
2.3.4硅橡膠制模技術該技術以制件原型或模型為基準，將柔態硅橡膠制做成塊，再靠高壓力與模型*吻合。
2.4擠壓成型技術
2.4.1冷擠壓成型
利用鈹銅合金的良好的導熱性和穩定性，經固熔時效處理后，采用冷擠壓制造模具凹模型腔。其特點是制造周期短，型腔精度高（IT7級），表面粗糙度Ra=0.025μm,強度高，壽命可達50萬次，無環境污染。
2.4.2超塑成型制模技術
該技術是利用金屬材料在細化晶粒、一定成型溫度、低變形速率條件下，材料具有*超塑性時，將事先制作好的凸模，用較小的力便可擠壓出凹模的一種快速經濟制模技術。超塑成型材料的典型代表是Zn-22%AL。
2.5無模多點成形技術
無模多點快速成形技術是以CAD/CAM/CAT技術為主要手段，利用計算機控制高度可調基本體群形成上下成形面，代替傳統模具對板料進行三維曲面成形的又一現代*制造技術。此項技術可以隨意改變變形路徑與受力狀態，提高材料的成形極限，可反復成形，以此消除材料內部的殘余應力，實現無回彈成形。
2.6凱維朗（KEVRON）鋼帶沖裁落料制模技術
新型鋼帶沖裁落料制模技術是一種不同于一般具有凸、凹模結構的鋼帶模，它是由單刃鋼帶與特制墊板組成的新型快速經濟制模技術。這種模具重量輕，一般只有200kg，加工精度為±0.35-0.50mm，可適合各種黑色和有色金屬的0.5-0.65mm厚的板料加工。壽命可達到5-25萬次，制造成本低。
2.7模具毛坯的快速制造技術—實型鑄造
由于大量的模具是屬于單件或小批量生產，模具毛坯的制造質量和周期及成本對zui終的模具質量和周期及成本的影響是至關重要的。
現代模具毛坯已廣泛地采用子實型鑄造技術，所謂實型鑄造就是利用泡沫塑料（聚苯乙烯—PS或聚甲基丙烯酸酯—PMMA）制作代替傳統的木模或金屬模，造型后不需取出模型，便可以澆鑄，泡沫塑料模型的高溫液體金屬作用下，迅速燃燒氣化而消失，金屬液取代原來泡沫塑料模型所占有的位置，冷凝后形成鑄件。實型鑄造在實際應用中有下列幾種情況。
2.7.1干砂實型鑄造
即用55-100目的全干沒有任何粘結劑的石英砂造型，用EPS或PMMA泡沫塑料制作的模型涂掛0.2-1mm厚透氣性良好的耐火涂料層，以提高鑄件表面光潔度，防止粘砂或塌箱。
2.7.2負壓實型鑄造
負壓實型鑄造又稱V法造型。該技術是使用全干而無粘結劑的石英砂做型砂，用EPS或PMMA泡沫塑料做模型，在塑料薄膜的密封條件下，讓整個鑄型在負壓條件下（真空度0.4-0.67MPa）進行液體金屬澆鑄，鑄件凝固后解除負壓即可得到表面光潔的鑄件。
2.7.3樹脂砂實型鑄造
利用樹脂砂做型砂，用EPS或PMMA泡沫塑料做模型，在常溫、常壓下進行液體金屬澆鑄而制取鑄件。利用實型鑄造的技術制造模具毛坯具有尺寸精度高（ISO9級），加工余量小（一般在5mm左右），不需要拔模斜度，不需要制型芯與泥芯撐，節省金屬材料，節省做木模型的木材，制造周期短，成本低。該技術適合大型、復雜、單件模具毛坯的生產。陶瓷型精鑄、失蠟精鑄等技術在提高模具毛坯精度、降低加工工時、縮短制造周期、降低成本等方面也顯示出其*的*性。
2.8其它方面技術為了簡化模具的結構設計，降低模具成本，縮短模具制造周期，在國內外也先后出現了一些其它方面新技術的應用，如快換模架、沖壓單元、刃口堆焊、鑲塊鑄造、氮氣彈簧等。
2.8.1氮氣彈簧在模具上的應用
氮氣彈簧是一種新型彈性功能部件，用它代替彈簧、橡膠、聚氨酯或者氣墊，它能夠準確地提供壓邊力，在較小空間便可產生較大初始彈壓力，不需預緊，在模具整個工作過程中彈壓力基本恒定。彈壓力大小及受力點位置可隨時、準確、方便地調整，簡化模具拉伸、壓邊、卸料等結構，簡化模具設計，縮短制模周期，調試模具方便，縮短更換模具時間，提高生產效率。
2.8.2快速換模技術
由于產品品種的增多，使模具在生產中更換變得十分頻繁，于是如何縮短沖壓設備的停機時間，提高生產效率，快速換模技術受到了人們的關注。
目前發達工業國家的一些大公司換模速度達到了驚人的程度，是否具有快速換模技術已成為企業技術進步的一項標志。總的趨勢就是減少模具在設備上安裝、固定、調整的時間，這既要在設備結構設計上予以考慮，又要在模具的結構設計、標準化方面予以考慮，將機上的作業盡可能地放在機下做。
2.8.3沖壓單元組合技術
沖壓單元組合技術是將常規的沖模分解為一個個簡單的單元沖模，根據工序件的要求，排列組合，在同一次沖程內完成多種沖壓工序的新型工藝裝備，工作時沖壓單元不與沖床滑塊聯接，只需滑塊打擊即可完成沖壓工作。單獨使用時它就是1副完整模具。它可以用來加工板料或型材的沖孔、落料、切角、切槽、切斷及淺拉伸等。具有組裝快捷、使用方便、通用性強、經濟性好等特點，特別適合多品種、中小批量生產。
2.8.4刃口堆焊技術
在沖模制造中，以普通灰鑄鐵為基體，在刃口部位堆焊高硬度的合金鋼，以代替模具鋼鑲塊，這一技術成為*工藝之一。這是一項節省制造工時，節省昂貴的模具鋼材，縮短模具制造周期的快速經濟制模技術。
目前熔化極氬弧焊技術的應用，大大地提高了刃口堆焊的速度和質量。這項技術世界各國模具行業已廣泛采用，取得了良好的經濟效益。
2.8.5實型鑄造沖模刃口鑲塊技術
這是一種用實型鑄造的工藝方法制造沖模刃口的方法，即用合金鋼鑄件鑲塊代替鍛造合金鋼鑲塊。目前由于鑄造工藝和熱處理工藝不斷完善和提高，鑄造鑲塊的內在質量有了保證，故其應用范圍在不斷擴大。這項以鑄代鍛的新技術的突出特點是節省貴重模具鋼材，簡化模具制造工序，由于加工余量小，節省了大量機加工工時，縮短模具制造周期，降低模具成本。
2.8.6可加工塑料在模具制造中的應用
可加工塑料在發達的工業國家應用較普遍，特別是在汽車、飛機等制造業中，主要代替木材或金屬制作汽車車身主模型、靠模、檢具和鑄造模型等。可加工塑料的主要特點是兼備木材和金屬的優良加工性能，制作工藝簡捷（可采用模塑、澆注、拼粘、雕塑等方法）、尺寸穩定性好、不變形、耐潮濕、耐腐蝕、易修復、易改型、重量輕、制作周期短、成本低。
3結束語
快速經濟制模技術種類很多，其所具有的特點、應用范圍各不相同，本文僅能概括地做一些簡單介紹，每種技術在具體應用和實施過程中尚有許多具體的工藝過程、工藝參數及其技術特性。
模具是基礎工業之一，在化市場經濟和各種*的迅猛發展形勢下，快速經濟模具賦予了新的使命和全新的內涵，分類不斷增加，快速經濟制模材料向著多品種系列化邁進，工藝不斷有新的創新和突破，與之配套設備相繼問世，服務領域在不斷地拓寬，創造的經濟效益越來越顯著。隨著商品經濟的發展，激烈的市場競爭，產品更新換代的加速，對快速經濟制模技術在縮短周期、降低成本，提高精度和延長壽命方面的要求勢必會越來越高。由于它能使企業贏得市場，創造顯著的經濟效益，越來越受到企業家的青睞和有關領導部門的極大關注與政策資金的支持。
各種快速經濟制模技術在推廣應用過程中也會不斷完善成熟和發展。由于*的發展，各種技術的復合與滲透，為適應生產中的不同需求，今后必定會形成一些新型、節約能源、節約材料的快速制模技術。