题目快速成形技术在模具制造中的应用Word文件下载.docx
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rapidtoolingtechnology;
siliconrubbermold.
目录
摘要--------------------------------------------------------------------2
第一章绪论----------------------------------------------------3
1.1模具在工业生产中的重要地位------------------------------3
1.2快速成型技术--------------------------------------------4
第二章快速制模技术---------------------------------------------5
2.1快速制模技术的提出--------------------------------------5
2.2快速制模技术的分类--------------------------------------6
2.2.1直接制模法-----------------------------------------7
2.2.2间接制模法-----------------------------------------7
第三章软质模具工艺及设计---------------------------------------8
3.1硅胶模工艺----------------------------------------------8
3.2硅胶模设计----------------------------------------------8
3.2.1技术特点-------------------------------------------8
3.2.2尺寸补偿-------------------------------------------9
3.2.3分型方向的确定及分型面设计------------------------10
3.2.4脱模斜度选取--------------------------------------11
3.2.5浇口、排气口的设计--------------------------------11
3.3硅胶模实验分析-----------------------------------------12
3.3.1工艺过程------------------------------------------12
3.3.2主要工艺参数的确定--------------------------------12
第四章结论与展望---------------------------------------------13
4.1结论---------------------------------------------------13
4.2展望---------------------------------------------------14
参考文献-------------------------------------------------------14
第一章绪论
1.1模具在工业生产中的重要地位
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，是其他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]。
由于用模具加工零件具有生产率高、质量好、节约原材料和成本低等一系列优势。
因此模具在很大程度上决定企业在市场竞争中的应变能力，模具成型已成为现代工业生产的重要手段和工艺发展方向。
80年代以来，中国模具工业发展十分迅速。
国民经济的高速发展对模具工业提出了越来越高的要求，也为其发展提供了巨大的动力。
这些年来，中国模具工业一直以每年巧%左右的增长速度快速发展。
传统的模具制造要用到车、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。
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。
传统的快速制模一般采用己有制件或机加工件作为母模，对于较复杂的和精度要求较高的快速模具，传统的母模设计制造模式显得束手无策，己成为制约快速模具制造技术发展的瓶颈。
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]。
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1）高精度2）寿命长3）高生产率4）结构复杂方向发展[4]。
传统模具设计制造技术，根本不能满足市场对模具的要求。
因此，研制和开发新的模具设计、制造技术势在必行，快速模具制造技术正是在这种形势下被开发出来的，并在现代模具的生产中发挥了重要作用。
快速制模技术与传统的机械加工相比，具有制模周期短、成本低、精度与寿命又能满足生产上的使用要求，快速响应市场和用户需求的变化，产品快速投放市场，特别是对于形状比较复杂的中小型模具，具有比较显著的综合经济效益。
在快速制模技术中，制造出尺寸精度比较高的快速原型是前提，但大部分快速成型得到的原型因材质和成型工艺的限制，不能直接作为模具使用[5]。
只有解决好快速原型向达到使用要求的模具的转化，并且保证在每次工艺转换过程中的尺寸精度要求，才能真正实现模具的快速经济制造。
1.2快速成型技术
快速成形技术是一项集激光、材料、信息及控制等于一体的高新制造技术，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，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。
快速成型技术的成型过程包括:
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）。
其基本成形过程如下图所示:
图.快速成型的成型过程
快速成型技术特点如下:
（l）能以最快的速度将设计思想转变为具有一定结构功能的产品原型或直接制造零件，使设计模型快速生产出来。
（2）成型速度快。
（3）设计制造一体化。
（4）高度柔性。
（5）自由成型制造。
（6）制造费用低。
（7）材料的广泛性。
（8）技术的高度集成。
因此快速成型技术带有鲜明的时代特征。
快速成型技术的主要用途：
其应用范围己拓展到家电、汽车、玩具、轻工、造船、建筑、航空航天、兵器、艺术、考古和影视等行业，并取得了显著的效果。
它的主要用途如下:
（1）新产品研制阶段的验证。
（2）新产品投放市场前的调研和宣传。
（3）快速制模快速制模是快速成型技术的重要应用方向之一。
目前，采用快速成形制造技术的快速模具制造主要用于制造铸造模具和塑料模具。
制模方法可分为间接制模和直接制模两种方式，这在下一章将详细叙述。
（4）医学上的辅助手术确诊和仿生。
（5）RPM技术用于微型制造的研究开发。
（6）新材料的研究。
（7）集成的快速制造技术与反求工程[6]。
快速成型技术的几种典型工艺：
液态光敏树脂选择性固化（SLA）;
分层实体制造（LOM）;
粉末材料选择性烧结（SLS）;
丝状材料选择性熔覆于（FDM）;
粉末材料选择性粘结（3DP）。
第二章快速制模技术
2.1快速制模技术的提出
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。
基于这样的情况，一种应用快速成型方法快速制作工具或模具的技术产生了，我们称为快速制模具技术，目前它己成为快速成型技术的一个新的研究热点。
由于传统模具制作过程复杂、耗时长、费用高，往往成为设计和制造的瓶颈，因此应用快速成型技术快速经济制造模具成为该技术发展的主要推动力之一。
而用快速成型技术直接制造金属零件或模具更是RP领域研究人员的目标，目前也己取得一定的成果，但尚不能应用于实践。
因此需要金属零件或进行批量生产时，还需要将快速成型技术与各种转换技术相结合，间接制造金属零件或模具。
2.2快速制模技术的分类
利用快速成型技术实现快速制模按功能用途可分为注塑模、铸模、蜡型的成形模及石墨电极研磨母模;
按制模材料可分为简易模和钢质硬模;
根据不同的制模工艺划分有直接制模法和间接制模法两种（下面重点介绍）;
根据其强度、表面硬度、使用温度以及加工制品的个数（使用寿命）又可分为软模和硬模。
软模的机械性能、耐热性能和使用寿命低于硬模，适合于小批量塑料的低压浇注和常温固化成型，模具材料有环氧树脂、硅橡胶材料、低熔点合金、锌合金和铝合金。
软模的成本较低，制造方便、精度和表面光洁度较高。
硬模多由金属材料制造，模具强度、表面硬度、耐热性和使用寿命均比软模高，主要用于塑料注射加工模具，目前的发展方向是制造高精度、应用范围广阔的硬模[7]。
具体分类见下图
图.基于快速成型的快速模具制造技术体系
2.2.1直接制模法
基于RPM技术的快速直接制模法是利用快速成形技术直接制造模具本身，再经过一些必要的后处理和机加工以获得模具所要求的机械性能、尺寸精度和表面粗糙度。
该法既不需用即系统制作样件，也不依赖传统的模具制造工艺，而是直接用快速成型件做模具，对金属模具制造尤为快捷，是一种极具开发前景的制模方法。
直接制造的快速模具尺寸精度高，结构精巧，设计灵活，例如流道系统、冷却或加热管路的布置可以更为合理，制造速度更快。
直接制模材料大多是专门的金属粉末或高、低熔点金属粉末的混合物，也可使用专门的树脂。
目前有代表性的直接制模法有:
利用SLS、SAL、3DP、LNES、DMLS等工艺来制作模具。
2.2.2间接制模法
间接制模法是利用RMP技术制造产品零件原型，此原型做为母模、模芯或制模工具（研磨模），再与传统的制模工艺相结合，制造出所需生产零件的模具。
随着即原型制作精度的提高，这种间接制模工艺己基本成熟，其方法则根据模具材料、生产成本和零件生产批量大小而不同。
依据材质不同，间接制模法生产出来的模具一般分为软质模具（SoftTooling）和硬质模具（HardTooling）两大类。
尽管直接快速模具制造在制造环节上比较简单，但它在模具制造精度和性能控制上比较困难、特殊的后处理要求也增加了设备的投入。
与之相比，间接快速模具制造，通过快速成形与传统成型技术的有效结合，比较易于控制模具的精度、表面质量、机械性能，而且根据不同的应用要求还可以使用不同复杂程度和成本的工艺，因此目前工业界多数使用间接快速模具制造。
比较典型的技术有硅胶模工艺、金属冷喷模工艺、快速精密铸造工艺、Keltool工艺和电铸模工艺等[8]。
第三章软质模具工艺及设计
我们选用硅胶模工艺来说明软质模具工艺及其设计。
3.1硅胶模工艺
目前，制模用的硅橡胶是双组分的液体硅橡胶，分为缩合型和加成型两类。
目前，这两种模具硅橡胶材料己在国内外许多行业获得了广泛应用。
一般来说，缩合型模具硅橡胶的撕裂强度较低，在模具制造与使用过程中易被撕破，因此很难适用于花纹深且形状复杂的模具。
在用缩合型模具胶制造厚模具的过程中，由于缩合交联过程中产生的乙醇等低分子物质难于完全排出，致使模具在受热时硅橡胶降解老化而显著影响其使用寿命;
同时由于乙醇等低分子物质的排出致使硫化胶的体积收缩。
因此，缩合型模具硅橡胶大多用作塑料与人造革生产中的高频压花模具或用于一些尺寸要求不精密的工艺品制造。
硅橡胶模具的制作是TR技术中间接制模方法的一种。
硅橡胶模具由于具有良好的柔性和弹性，对于结构复杂、花纹精细、无拔模斜度或具有倒拔模斜度以及具有深凹槽的零件来说，在制件浇注完成后均可直接取出，这是硅橡胶模具相对于其它模具来说所具有的独特的优点。
同时由于硅橡胶模具具有耐高温的性能，因此它在塑料制件和低合金件的制作中具有广泛的用途。
一般情况下硅橡胶模具常用于浇注塑料，即硅橡胶模具常被用做注塑模具。
由于硅橡胶模具具有良好的复制性和脱模性，所以在制作形状复杂，纹理精细的产品方面具有独特的优势。
它的主要优点有：
（1）制作周期短，
（2）成本低，（3）高柔性，（4）耐高温，（5）弹性好工件易于脱模。
它的主要缺点有：
（1）不能用于热注射成形，
（2）导热性较差，（3）使用寿命不长。
3.2硅胶模设计
3.2.1技术特点
在设计硅橡胶模具时，首先要求硅橡胶模具CAD模型工作表面的形状、尺寸必须满足最终制件的功能形状要求，而且其公差与表面粗糙度必须满足最终制件的精度要求。
考虑到利用硅橡胶模具制造零件时的各种热胀冷缩变形、模具磨损、硅橡胶材料应力蠕变以及液体材料固化收缩等物理化学现象，在从最终制件的CAD模型到硅橡胶模具的CAD模型进行特征映射时，必须给出一定的尺寸补偿。
其次，要求硅橡胶模具的CAD模型必须满足脱模斜度、分型方向及分型面、浇口等模具加工工艺形状要求[9]。
在硅橡胶模具的制造过程中，SAL原型的形状特征、精度特征直接决定硅橡胶模具工作表面的相应特征，故在获得了硅橡胶模具的CAD模型后，还必须采用特征映射技术获得SAL原型的CAD模型。
换言之，基于SAL技术的硅橡胶模具设计的最终目的与关键环节是获得SAL原型的CAD模型，这是基于SAL技术的硅橡胶模具设计的根本点。
由于存在LSA原型的制造误差、后处理余量以及利用原型制造模具时的热胀冷缩变形、液体硅橡胶材料硫化收缩等因素，在从硅橡胶模具的SAL模型到SAL原型的CAD模型进行特征映射时，也必须给出一定的尺寸补偿。
硅橡胶模具设计实施步骤如下图所示。
以三维计算机辅助设计软件系统（RPO/E为）平台，首先获得最终制件的三维CAD模型;
其次根据尺寸补偿规律，采用特征映射技术.获得硅橡模具工作表面的形状特征、精度特征;
接着依据最终制件的几何信息，采用可见性理论，自动确定硅橡胶模具的分型方向，并合理设计分型面;
然后根据硅橡胶模具工作表面的上述信息，设计硅橡胶模具的外表面形状与尺寸，从而获得一个完全封闭的CAD模型;
再应用塑料成型CAE软件（MOLD一FLw0、M以、华塑CAE3DRF等），开展液体树脂材料在硅橡胶模具型腔中充填流动的数值模拟，从而实现浇口的优化设计;
最后根据尺寸补偿规律，采用特征映射技术获得CAD模型[10]。
图.硅橡胶模具设计图
3.2.2尺寸补偿
由上图可见，基于SLA技术的硅橡胶模具设计技术包含了两类尺寸补偿。
第1类是从树脂制件的三维CAD模型映射为硅橡胶模具工作表面的三维CAD模型时的尺寸补偿，第2类是从硅橡胶模具工作表面的三维CAD模型映射为SLA原型的三维CAD模型时的尺寸补偿。
其目的是使硅橡胶模具能够尽量多地制造出合格的树脂零件，因此直接或间接影响树脂制件尺寸精度的因素都应列入尺寸补偿的研究范畴[11]。
影响树脂制件尺寸精度的因素很多，树脂制件尺寸误差的产生是诸多因素综合影响的结果，它导致快速制造的树脂零件难以达到注射件那样的精度。
仅从硅橡胶模具设计和制造的角度看，影响树脂制件尺寸精度的因素主要有以下5个方面:
（1）模具成型部分的制造误差A1。
该误差与SAL原型的制造误差、后处理余量以及利用原型制造模具时的热胀冷缩变形、液体硅橡胶材料硫化收缩等因素有关。
（2）模具成型部分的表面磨损A2。
该误差与硅橡胶材料的物理化学组成及硫化成型条件、树脂材料的物理化学组成及固化成型条件、树脂制件的结构、形状和尺寸等因素有关。
（3）模具成型部分的应力蠕变A3。
该误差与硅橡胶材料的永久压缩变形性能、树脂制件的固化成型条件、树脂制件的结构、形状和尺寸以及操作人员的技术水平等因素有关。
（4）由树脂材料收缩率波动所引起的树脂制件的尺寸误差A4。
该误差与不同种类树脂材料标准收缩率的变化、不同批树脂材料固化成型收缩率的差异、树脂材料中水分以及挥发和分解气体等因素有关。
（5）模具上下两部分的安装误差A5。
该误差与分型方向的确定、分型面的设计等因素
有关。
由模具原因致使树脂制件产生的误差为以上误差的总和，即A=A1+A2+A3+A4+A5
因此，为了设计出尺寸合理、使用寿命长的硅橡胶模具，在从树脂制件的三维CAD模型到硅橡胶模具工作表面的三维CAD模型的映射过程中，在进行尺寸补偿前，宜开展液态树脂材料在硅橡胶模具工作型腔中固化成型的CAE研究[12]。
3.2.3分型方向的确定及分型面设计
在设计树脂制件时必须要确定成型时的分型方向以及分型面的位置，并在硅橡胶模具的三维实体造型中设计分型面的形状，而不必在SAL原型制造完成后，硅橡胶硫化成型前由人工确定，这样可以减少人工干预，保证信息流的畅通，从而为并行工程的实施创造良好的条件。
分型面设计是否合理，对树脂制件质量、工艺操作难易程度和模具的设计制造都有很大的影响。
一般情况下，在保证模具上、下两部分安装精度的前提下，分型面的形状应尽可能简单，以便于制件脱模和模具制造。
根据分型面的不同方位，树脂制件可以全部在下模内成型，也可以全部在上模内成型，还可以在上、下模内同时成型。
具体采用哪种形式成型，要根据树脂制件的几何形状、模具浇口以及树脂制件质量要求等因素综合考虑[13]。
分型面位置的确定既要符合传统模具设计中最大投影面，保护制件外表面光滑或转角圆弧过渡，保证重要尺寸等选择原则，又要考虑基于SAL技术的硅橡胶模具制造过程中的预设分型面位置标志，手工刀剖分型等特点[14]。
上述原则可能不会一一满足，甚至会发生冲突，这时应当以模具制造的方便性、可行性为原则，以利于硅橡胶模具零件易脱模和具有较高精度为主要目标，使之尽可能地合理。
3.2.4脱模斜度选取
从本质上说，硅橡胶模具是一类弹性体，具有良好的弹性和强度性能，故与金属模具相比呈现出优异的脱模性能，即使对于小脱模斜度、无脱模斜度的树脂制件，甚至具有一定倒脱模斜度的树脂制件，也具有一定的脱模性能[15]。
但是随着脱模斜度的数值从正值到负值的逐渐变化，在脱模过程中，硅橡胶材料受到的脱模力越来越大，其变形量也越来越大，导致其成型部分的应力蠕变也越来越大，同时加速了硅橡胶模具工作表面的磨损，导致其成型部分的表面磨损也越来越大。
因此，为了延长硅橡胶模具的使用寿命，在满足树脂制件功能形状与精度要求的前提下，设计时应尽量保证硅橡胶模具工作表面具有足够的脱模斜度
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