电弧喷油法制作钢基塑料模具初探

精密成形工程 JOURNAL OF NETSHAPE FORMIN G EN GINEERING 第2 卷　第2 期 80 2010 年3 月 电弧喷油法制作钢基塑料模具初探 刘勇, 王军民 (宜春职业技术学院机电系, 江西宜春336000) 摘要: 基于快速成形的方法制造各类快速模具已成为RP &M 应用的热点问题。介绍了金属喷油制模 法的原理和特点、电弧喷油快速模具制作的工艺过程、喷油所用设备和材料,列举了金属喷油制模法在鞋底 模具开发中的应用实例。金属喷油制模法具有工艺简单,制模周期短,成本低,复型性好等特点,适合于新产 品开发和小批量多品种生产。 关键词: 快速制模技术; 金属喷油制模; 喷抢; RP 中图分类号: TB476 文献标识码: A 文章编号: 167426457 (2010) 0220080204 收稿日期: 2010202213 作者简介: 刘勇(1981 - ) ,男,材料加工工程硕士,主要研究方向为材料成形与控制。 The Resea rch of Elect ric Arc Sp raying Rapid Steel Molding L IU Yong , WA N G J un2mi n ( Yichun Vocation Technical College Elect romechanical College ,Yichun 336000 ,China) Abs t ract : The method of manufacturing rapid molding has been a focal point of the RP &M. This paper int roduces the principle and feature of metal spray molding and the technical process of elect ric arc spraying rapid molding ,and the equipment and material of elect ric arc spraying. It also enumerates the application example of elect ric arc spraying rapid molding in the shoe2bottom mold exploitation. Metal spray molding has the features of simple process , short manufacturing period , low cost , better replicability , adapting to new product exploitation and small2lot or versatile delivery , meet s the necessity of the more and more drastic market competition. Key words : rapid molding technique ; metal spray molding ; ejection gun ; RP 在制造业日趋国际化的状况下,缩短产品开发 周期和减少开发新产品投资风险,成为企业赖以生 存的关键。近年来,制造业市场的制造战略重点正 在发生从成本与质量到时间与响应的重大转移。快 速将多样化的产品推向市场是制造商把握市场先机 而求生存的重要保障,快速响应制造已成为国际研 究的热点,应运而生的快速成形、快速制模等快速制 造技术为企业提高竞争力提供了一种先进的手段。 该技术是基于材料累加成形的一种高新制造技术, 被认为是20 世纪制造领域的一次革命性突破,可制 造注塑模、压铸模、冲压模、橡胶模等各类精密复杂 模具。目前已广泛应用于汽车、航空航天、船舶、家 电、工业设计、医疗、建筑、工艺品制作以及儿童玩具 等领域,并且随着这一技术本身的不断发展和完善, 其应用范围将不断拓宽[1 ] 。 1 塑料模、橡胶模快速制造技术——— 金属喷油制模法 1. 1 金属喷油制模法简介 金属喷油制模法是将快速原型与热喷油、快速 第2 卷　第2 期　刘勇等:电弧喷油法制作钢基塑料模具初探　81 凝固等方法相结合的间接制模法,其工艺是将熔融 或半熔融的金属颗粒喷射到通过SLA、SLS 或 LOM 方法制造的原型上,生成金属薄层,然后补强 背衬并除去原型后得到模具产品。目前有2 种形 式,即雾化喷射法(快速凝固工艺RSP) 、喷油法。 当模具要求的寿命在3000 件以下时,一般采用以 RP 原型作母模,将低熔点的熔化金属(如锌铝合 金) 充分雾化后以一定的速度喷射到母模的表面,形 成模具型腔表面,充填背衬复合材料,制作锌铝合金 软模具。当模具要求的寿命在几十万件以上时,钢 模就显得很有必要了。 金属喷油制模法以样模为标准,模具型腔尺寸、 几何精度完全取决于样模,型腔表面及其精细花纹 一次同时形成,故制模速度快,制造周期短,模具寿 命长,成本低,仅为数控法加工钢模的1/ 3～1/ 5 。 模具表面光洁度好,工艺简单,设备要求低,比较适 合于注射成形模、压铸模、板料压延模的快速制造。 文中是镭于基于金属喷油制模法的钢基注射成形 模、压铸模、板料压延模、陶瓷板料成形压模的快速 制造。此制造方法以电弧喷油技术为主,结合RP 原型技术、陶瓷成形、环氧树脂成形及电刷镀等技 术,实现了注射成形模、压铸模、板料压延模、陶瓷板 料成形压模的快速、低成本制造,为长寿命模具试制 提供了快速、经济的服务。 1. 2 金属喷油制模法特点 本发明涉及的金属喷油制模法具有以下特 点[ 2 ] 。 1) 工艺简单,制模周期短,成本低,适合于新产 品开发和小批量多品种生产,符合日趋激烈的市场 竞争的需求。 2) 由于采用高熔点金属作喷油材料,模具承受 工作压力大大提高,耐磨性提高,寿命较传统低熔点 喷油材料有明显增长。 3) 复型性好,对喷油模型材料无苛刻要求,能 在由塑料、石膏、陶瓷、木材、金属等材料制成的喷油 基体表面进行喷油。 4) 对模具尺寸适应性强,从几个平方毫米到几 个平方米的尺寸范围内都可进行喷油成形。 5) 制模精度高,在适当的工艺条件下,可成功 控制热变形问题。对产品表面花纹有很好的复制 性,大大提高生产效率。 6) 最终形成的模具横断面上呈现梯度结构,各 结构层具有不同的机械性能,既满足了模具强度要 求,又降低了模具制造成本。 刷镀层提高模具表面硬度和耐磨性;金属喷油 层形成金属型面,具有较好的修磨性;玻璃钢层提高 模具的抗拉、抗剪性能;环氧树脂和铁砂混合物层提 高模具整体承载能力;快干高强度水泥在不降低模 具强度的情况下,可以降低模具制造成本。 7) 能有效与其他快速成形技术相结合,提高新 产品开发效率和产品生产周期。 1. 3 金属喷油制模法工序 金属喷油制模的工序大致可分为5 个步骤。 1) 模型准备。模型可由许多材料制成,包括塑 料、石膏、陶瓷、橡胶、木材等。模型的制备方法有: 建立三维模型,然后对其进行分层切片,并由快速成 型机制作出样模;由产品实物通过硅胶翻制石膏、陶 瓷基体喷油母模;或者直接由数控加工出来的石膏、 木材、塑料等材料制成的喷油母模。 模型准备中最重要的是清理制作出来的模型表 面,如进行抛光等处理和均匀涂抹一层脱模剂。 2) 金属喷油模型。脱模剂干燥后,选择最佳的 喷油参数,即可开始在模具上喷油金属,形成金属薄 壳,即模具型腔表面。喷油时应保证使喷抢连续运 动,防止涂层过热变形,喷抢始终保持与基体工作点 处曲面垂直。涂层厚度一般可控制在2～3 mm。 3) 制作模具框架,浇注模具的填充材料。如果 模具在工作中要受到内压力或模具必须安装在成形 机上工作,模具必须有框架结构且制成的框架应带 有填料。故应制作金属框架,并制作质量比为2 ∶1 ∶3 的环氧树脂、增强纤维、金属粉末或细颗粒的混 合物作为填充材料。 应使填充材料具有较高的热导率和较低的凝固 收缩率以及较高的抗压强度和耐磨性能。 金属喷油壳体只是为模具提供了高质量型面, 它自身承受冲击力较弱,必要的情况下在背后黏附 一层5～8 mm 厚的玻璃钢层并放置钢制框架并且 浇注环氧树脂金属沙的混合物。如果是陶瓷胚料压 制成形模具,还需要再填充一层快干高强度水泥,以 增强承载强度。如图1 所示。 4) 脱模及模具型腔表面抛光处理。脱模后要 把残留在金属涂层表面的脱模剂清洗干净,然后再 82 精密成形工程　2010 年3 月 图1 喷油效果示意 Fig. 1 Spraying effect diagrammatic sketch 根据不同的需要,对模具进行抛光、应用电刷镀技术 镀高硬度合金层,以提高表面硬度和耐磨性。 对于低熔点金属制作的模具,为了提高模具表 面硬度和耐磨性,在喷油层表面刷镀一层20 μm 镍 合金,使其表面显微硬度达到HV500～700 。影响 电刷镀质量的参数主要是刷镀电压和镀液温度。综 合考虑耐磨性和显微硬度,实验证明,对于快速镍, 镀液初始温度32～35 ℃,工作电压12 V 为其最佳 工艺参数;对于致密快镍,镀液初始温度25 ℃左右, 工作电压12 V 为其最佳工艺参数。 5) 制造模具零件,组装试模。由电弧喷油的原 理,最终制作的模具在横断面上呈现梯度层状结构, 各结构层可获得不同的机械力学性能。设计并制作 出模架等模具零件,组装试模。 1. 4 喷油设备与喷油材料 金属电弧喷油工作系统一般由喷油电源、送丝 机构、喷抢和压缩气体等系统组成。XDP25 型电弧 喷油设备工作稳定可靠,使用维护方便,能胜任繁重 的喷油工作,其基本参数见表1 。 表1 喷油基本参数 Table 1 Basic spraying parameters 电源电 压/ V 额定电 流/ A 压缩空气 压力/ MPa 送丝速度 / (m·min - 1) 喷抢移动速 度/ (m·s - 1) 喷油距 离/ mm 380 200 0. 6 0～4. 8 0. 2～0. 5 150～200 用于电弧喷油制模的材料,在满足低熔点、低收 缩率的情况下,应尽可能具有较好的力学性能和较 致密的涂层组织。目前市场提供的电弧喷油用丝材 有铝、锌、铜、镍、不锈钢、铝青铜、巴氏合金、复合丝 等许多品种。高熔点金属,如钢、镍、铜等在喷油时 涂层收缩率、热应力、孔隙率都比较大,涂层易开裂、 翘曲、剥落。目前只有低熔点的锌、铝丝材应用于模 具制造,本发明主要是用80 # 钢和不锈钢3Cr13 等 高熔点材料制作长寿命塑料、橡胶、陶瓷产品胚料压 制模具。 2 金属喷油快速制造注塑模技术的应 用实例 金属喷油注塑模具的成功应用范例,鞋底模如 图2 所示。 图2 模具整体结构 Fig. 2 The integral st ructure of mold 工序:直接用鞋底实物或样模翻制硅胶模,然后 再制作陶瓷喷油基体。在基体上喷油模具型腔面— 制作金属框架—金属颗粒与环氧树脂混合物填充— 凸、凹模分离与模具表面清理抛光—机加工模具零 件—组装试模。 优点:缩短模具制作周期,一般为3 天左右。可 明显降低成本。对鞋底花纹有非常好的复制性,可 大大提高模具加工的效率。适合于制造聚氨酯、 PVC 鞋底等。 现以PVC 塑料女鞋底注塑模具为例,将电弧喷 涂成形过程综述如下。 1) 样模是以市场选购的比较流行的PVC 塑料 女鞋底原件为样模。 2) 根据产品要求确定模具分型面,并涂刷离型 剂和脱模剂。离型剂和脱模剂应涂刷均匀,每次涂 刷应在上次涂刷干燥后再进行。 3) 待离型剂、脱模剂干燥后进行第1 次喷油, 形成金属喷油的凹模壳体。 4) 将壳体按要求找平,安装凹模框架,并浇注 少量树脂砂填充加实,对壳体进行支撑和加固。 5) 凝固后翻转:在分型面样模上涂刷离型剂和 脱模剂,并在相应部位上组装镶嵌金属件。 6) 干燥后进行第2 次喷油,形成金属喷油的凸 第2 卷　第2 期　刘勇等:电弧喷油法制作钢基塑料模具初探　83 模壳体。 7) 安装凸模框架,并浇注凸模基体填充材料, 同时注意周边封闭。 8) 凝固后,按分型面将凸、凹模分开,取出样 模,即完成模具型腔的电弧喷油成形。 9) 合模加工上下平面,以保证模具的平行。 10) 连接上下模板,组装注射嘴等钢件。 11) 上机注射成形。 3 结语 1) 金属喷油制模法具有工艺简单,制模周期 短,成本低,复型性好,适合于新产品开发和小批量 多品种生产,符合日趋激烈的市场竞争的需求的特 点。 2) 金属喷油制模法可广泛应用于钢基注射成 型模、压铸模、板料压延模、陶瓷板料成型压模的快 速制造。 3 结语 采用正交试验的方法,就旋轮与芯模之间的间 隙δ、旋轮进给比f 、主轴转速n 对工件壁厚t 、壁厚 差ε、工件内径di 等3 个目标函数的影响显著性进 行了研究,并采用综合平衡法对工艺参数进行优化 分析,得出以下结论。 1) 对工件壁厚的影响,3 个因素中旋轮与芯模 之间的间隙δ对工件壁厚t 的影响最显著, 其次是 旋轮进给比f ,而主轴转速n 对壁厚影响最不显著。 2) 对工件壁厚差的影响,3 个因素中旋轮与芯 模间隙δ,旋轮进给比f 对工件壁厚差ε的影响显 著性相当,而主轴转速n 对壁厚差的影响最不显著。 3) 对工件内径的影响, 3 个因素对旋压件内径 尺寸di 的影响次序由主到次为:旋轮与芯模之间的 间隙δ、旋轮进给比f 、主轴转速n。 4) 对杯形毛坯单道次拉深旋压的多目标参数 优化问题,可以采用综合平衡法有效地确定所需的 工艺参数。