快速成型与快速制造在模具加工中的应用

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1、快速成型与快速制造在模具加工中的应用胡联军戴春祥上海大学快速制造工程中心1．模具的发展概况与发展方向模具是现代工业生产中使用极为广泛的工艺装备，在某些产品(如塑料件)的批量化成形加工中，模具成形甚至是唯一的加工工艺。模具在成形工艺中对成形件尺寸、形状精度和内在质量具有重要作用[1]。用模具生产制件所表现出来的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗，是其它加工制造方法所不能比拟的。模具生产技术水平的高低，己成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志，在很大程度上决定着产品的质量、效益和产品的开发能力[2]。2．传统模具发展的瓶颈传统的模具制造要用到车

2、、铣、刨、钻、磨、电火花等加工方法，才能得到所需的模具形状和尺寸。要设计和制造出一副合格的模具，往往需要经过由设计、加工到试模的多次反复，因此模具制作成本高、周期长，而且精度不易保证，有时甚至造成模具的报废。以母模或样件为基础制造各种模具现有很多方法，其共同特点是速度快、成本低。但是母模的获取是这些技术的“瓶颈”，特别是复杂形状的母模，用传统的机加工方法制造母模不但速度慢而且受到加工机械本身的限制。如果用现成产品做母模，这样只能仿造而不是创新，同时现成的母模难以补偿制造过程中的各种尺寸收缩。20世纪80年代以来，随着市场竞争的日趋加剧，要求企业必须能快速响

3、应市场和用户的需求，促使工业产品的生产模式由传统的大、中批量向具有灵活、易变性和快速反应能力的中、小批量转变。在这种条件下，传统的模具制造方法由于其自身固有的生产周期长、投入风险高、产品改进困难等缺点，在一定程度上成为企业在市场竞争发挥活力的制约因素。针对传统的机械加工模具制造技术的上述缺点，近年来研究开发了适用于新产品、样机试制和中、小批量规模生产的基于快速原型技术的快速模具制造技术。快速模具的基本技术特征是非机械加工型腔复制，其关键技术之一是母模原型件的设计与制造。基于快速原型制造的快速模具技术集成快速原型制造高新技术和传统的非机械加工型腔复制技术，发

4、挥各自优势，己成为产品快速更新换代和新产品开发及中、小批量生产的有效手段之一[3]。43.现代模具工业的发展方向现代工业的发展，对模具技术的要求越来越高。综观现代模具技术，正向如下的方向发展[4]。1)高精度。多工位级进模、精冲模、精密塑料模的精度均在0.003－0.005mm，甚至更高。2)寿命长。现代模具的寿命比传统模具的寿命高出5－10倍。而传统模具的寿命一般只有它的1/10-1/50。3)高生产率。由于采用多工位的级进模、多能模、多腔注塑模和层叠注塑模等先进模具，可以极大地提高生产率，从而带来显著的经济效益。4)结构复杂。随着社会需求的多样化和个性

5、化以及许多新材料、新工艺的广泛应用，对现代模具的结构形式和型腔要求也日益复杂。若采用传统的模具制造方法，不仅成本高，生产率低，而且很难保证模具的质量要求。4.快速成形技术及其在模具工业中的应用在当前激烈竞争的市场经济中，产品的更新换代日益加快，小批量、多品种是总的发展趋势，新产品的样件试制也越来越多，传统铸造模具的现状已很难适应当前的形势。因此，研制和开发新的模具设计、制造技术势在必行，快速成型技术的出现，为使用各种制模技术注入了新的活力，很好地解决了复杂形状母模获取的“瓶颈”问题。快速模具制造RT(RapidTooling)技术正是在这种形势下被开发出来

6、的，并在现代模具的生产中发挥了重要作用。快速成形技术(RapidPrototyping，简称RP)是20世纪80年代末期迅速发展起来的一种先进制造技术。它是将计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机数字控制(CNC)、精密伺服驱动、激光和材料科学等先进技术集于一体的新技术。其突出特点就是不需要任何工装夹具便能根据产品的CAD数据快捷地制造出具有一定结构和功能的原型甚至产品[5]。其基本构思是：任何三维零件都可看成是许多二维平面沿某一坐标方向迭加而成，因此可利用分层切片软件，将计算机产生的CAD三维实体模型处理成一系列薄截面层，并根据各截面

7、层形成的二维数据，控制材料在工作台上一层一层地生成二维轮廓，用粘贴、熔结、聚合作用或化学反应等手段，逐层地固化液体(或粘结固体)材料，从而快速堆积制作出所要求形状的零部件(或模型)[6]。快速成型的过程包括：4前处理(三维模型的构造、三维模型的近似处理、三维模型的切片处理)、分层叠加成型(截面轮廓的制造与截面轮廓的叠合)和后处理(表面处理等)。快速成形技术彻底摆脱了传统的“去除”加工法(即：部分去除大于工件的毛坯上的材料，而得到工件)，采用全新的“增长”加工法(即：用一层层的小毛坯逐步叠加成大工件)，将复杂的三维加工分解成简单二维加工的组合，因此，它不必采

8、用传统的加工机床和工模具，只需传统加工方法30%－50%的工时和2