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1 附錄 1 模具快速制造技術的發(fā)展方向 摘 要 :分析了快速原型制造技術 (和高速切削加工技術 (在模具制造中的應用 ,預測性地指出未來快速制模技術的發(fā)展方向。 關鍵詞 : 快速制模技術； 俗話說 :“沒有規(guī)矩不成方圓” ,這“規(guī)矩”在塑料加工中就是模具。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中 ,60 %～ 90 %的工業(yè)產(chǎn)品需要使用模具加工 ,模具工業(yè)已經(jīng)成為制造業(yè)中的一項基礎產(chǎn)業(yè) ,是技術成果轉化的基礎 ,同時又是高新技術產(chǎn)業(yè)的重要的領域 ,在歐美等工業(yè)發(fā)達國家被成為“點鐵成金”的“磁力工業(yè)”。隨著市場全球 化以及競爭的不斷加劇 ,產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度不斷加快 ,多品種小批量將成為制造業(yè)的重要生產(chǎn)方式 ,在這種情況下 ,制造業(yè)對產(chǎn)品原型的快速制造和模具的快速制造術提出了強烈要求。因此 ,快速制模技術呈現(xiàn)生機勃勃的發(fā)展趨勢。作為快速制模技術的兩大代表 :基于快速原型技術的制模方法 (、采用高速切削加工模具 (必然會在未來很長一段時間內(nèi)得到更快的發(fā)展。 1 模具快速原型制造技術 1. 1 快速原型制造技術思想的提出 快速原型制造技術 (在 20 世紀80 年代后期源于美國 ,是近 20 年來世界制造技術領域的一項重大突破 ,它是伴隨著計算機技術、激光技術和新材料技術的發(fā)展而產(chǎn)生的 ,是一種全新的制造技術 ,它能將已具數(shù)學幾何模型的設計迅速、自動地物化為具有一定結構和功能的原型或零件。 而是在計算機控制下基于離散 / 堆積原理 ,根據(jù)零件 型采用不同方法堆積材料最 終完成零件的成形與制造技術 ,它具有高度柔性、技術的高度集成、設計制造一體化、快速性、自由形狀制造、材料的廣泛性的特點 ,被公認為是繼 術之后的一次技術革命。 1. 2 2 由于 提高產(chǎn)品開發(fā)的成功率 ,降低開發(fā)成本和投資風險 ,因此在產(chǎn)品開發(fā)的過程中得到了迅速的推廣應用 ,術得到了進一步的發(fā)展。自美國 3速成形機以來 ,已有十幾種不同的快速成形系統(tǒng)。其中比較成熟的有體印刷 ) 、 板光敏樹脂固化 ) 、 層制造 ) 、 光選區(qū)燒結 ) 、 3維印刷 ) 、 積成形 ) 以及 墨印刷 ) 等方法 ,一些專家認為噴墨技術是未來發(fā)展的趨勢。雖然存在著各種各樣的快速原型技術 ,但其基本思想都是利用計算機將復雜的三維物體轉化為二維層 ,然后由點 / 線構成面 (層 ) ,逐層成形得到最終的三維零件模型。其工藝步驟為 : (1) 切片 把三維 型轉化為快速原形系統(tǒng)能夠接受的數(shù)據(jù)格式 ,如件 ,運用切片軟件將模型切成一系列指定厚度的薄片。 (2) 掃描 通過數(shù)控裝置控制激光或其他作業(yè)裝置 ,在當前工作層上掃描出切片的截面形狀 ,進行成形工作。在成形過程中 ,最基本的操作是掃描固化零件的截面 ,分層得到的截面信 息是輪廓數(shù)據(jù) ,要進行內(nèi)部充填 ,必須由輪廓數(shù)據(jù)生成填充路徑。 (3) 進給 移動放著半成品的工作臺沿著 Z 軸方向下降一定距離 ,重復上一步驟和本步驟 ,直到零件完全成形。 (4) 后處理 根據(jù)不同應用場合的需要 ,分別對零件進行后固化、上漆、燒結、滲銅等處理。 1. 3 還不能替代最終的真實產(chǎn)品。為獲得真實材料制作的產(chǎn)品 ,且快速形成一定批量的生產(chǎn)能力 ,便產(chǎn)生了基于 T(技術。 用 術直接或間接制作模具 ,使模具的制造時間和成本大大縮短。 (1) 用快速成型機直接制作模具 由于一些快速成形機制作的工件有較好的機械強度和穩(wěn)定性 ,因此可直接用作某些模具。目前 ,能夠直接制造金屬模具的快速原型工藝包括 3 3D 典型的工藝方法是美國 T 專利技術生產(chǎn)注塑模。 (2) 用快速成型機間接制作模具 由于快速原型直接制造模具在模具精度和性能控制方面比較困難 ,特殊的后處理設備與工藝使成本提高較大 ,模具尺寸也受到較大限制。相比之下 ,間接快速 模具制造通過快速原型技術與傳統(tǒng)的模具翻制技術相結合制造模具無論在模具精度、表面質(zhì)量、機械性能與3 使用壽命 ,還是在經(jīng)濟方面都能得到很好的控制。因此 ,目前基于 速制模多為間接制模法。 (3) 用快速成型件制作母模 ,復制軟模具 用快速成型件作母模 ,可澆注蠟、硅橡膠、環(huán)氧樹脂等軟材料構成軟模具或先澆注硅橡膠、環(huán)氧樹脂模 ,再澆注蠟模。其中蠟模用于熔模鑄造。硅橡膠?？勺髟囍朴米⑺苣；虻腿埸c合金鑄造模。 (4) 用快速成型件作母模 ,復制硬模具 用快速成型件作母?；驌?jù)其復制的軟模具 ,可澆注陶瓷、金屬基合成材料、金屬 ,構 成硬模具 ,從而批量生成塑料件或金屬件。這種模具具有良好的機械加工性能 ,可進行局部的切削加工 ,以便獲得更高的精度 ,或加入嵌塊、冷卻系統(tǒng)、澆注系統(tǒng)等。 2 模具高速切削技術 2. 1 高速切削概念的提出 高速切削理論是 1931 年 4 月德國物理學家 J . 出的。他指出 ,在常規(guī)切削速度范圍內(nèi) ,切削溫度隨著切削速度的提高而升高 ,但當切削速度提高到一定值后 ,切削溫度不但不升高反而會降低 ,且該切削速度值與工件材料的種類有關 ,對每一種工件材料都存在一個速度范圍 ,在該速度范圍內(nèi)由于切削 溫度過高 ,刀具材料無法承受 ,即切削加工不可能進行 ,稱該區(qū)為“死谷”。這一思想給后人一個非常重要的啟示 ,即如能越過這一“死谷” ,在高速區(qū)工作 ,有可能用現(xiàn)在刀具材料進行高速切削 ,切削溫度與常規(guī)切削基本相同 ,從而可大幅度提高生產(chǎn)效率。高速切削是一個相對概念 ,到目前為止世界各國對高速切削的速度范圍尚未作出明確的定義 ,通常把切削速度比常規(guī)速度高 5～ 10 倍以上的切削稱為高速切削。自從 出高速切削概念并于同年申請專利以來 ,高速切削技術的發(fā)展經(jīng)歷了高速切削理論的探索、應用探索、初步應用和較成熟應用等四個階 段 ,現(xiàn)已在生產(chǎn)中得到了一定的推廣應用。 2. 2 高速切削的關鍵技術 高速切削技術是在機床結構及材料、機床設計制造技術、高速主軸系統(tǒng)、快速進給系統(tǒng)、高性能 制系統(tǒng)、高性能刀具系統(tǒng)、高性能刀具材料及設計制造技術、高效高精度測量測試技術、高速切削機理、高速切削工藝等相關的硬件與軟件技術的基礎上綜合而成的。因此 ,高速切削加工是一個復4 雜的系統(tǒng)工程。 (1) 高速切削機床 實現(xiàn)高速切削的最關鍵技術是研究開發(fā)性能優(yōu)良的高速切削機床。自 20 世紀 80年代中期以來 ,開發(fā)高速切削機床便成為國際機床工業(yè)技術發(fā)展的 主流。國外近年來發(fā)展的高速銑加工 ,主軸轉速可達 4000～100000r/ 快速進給可達 50～ 120m/ 加速度可達 1 米 / 秒 2 ,換刀時間提高到 1s～ 2s ,普遍采用油 / 氣冷卻裝置。 (2) 高速切削刀具技術 由于高速切削采用非常高的切削速度 ,所以對刀具材料提出了更高的要求?，F(xiàn)在已發(fā)展的刀具材料主要有聚晶金剛石 (、立方氮化硼 (、陶瓷 (涂層刀具和金屬陶瓷 (含氮 硬質(zhì)合金 ) 刀具等。今后 ,刀具材料的發(fā)展方向應該是朝具有高溫力學性能、高化學穩(wěn) 定性和熱穩(wěn)定性及高抗熱振性的刀具材料方向發(fā)展。為了克服傳統(tǒng)加工中心使用的 7∶ 24 實心錐柄刀桿在高轉速時的剛性不足的致命弱點 ,開發(fā)了“雙定位刀桿”這種新結構刀柄的定位方式 ,這種定位方式是靠 1∶ 10 的錐部與主軸內(nèi)錐面定心 ,同時刀柄凸緣端面與 主軸前端面緊貼 ,從而獲得高轉速下的聯(lián)接剛性。 (3) 高速切削的實現(xiàn)不僅要求有好的機床和刀具等硬件技術 ,還必須有優(yōu)秀的 前 , (4) 高速切削機 理 高速切削時 ,存在著連續(xù)切削和斷續(xù)切削兩種類型 :高速切削高導熱性低硬度合金或合金 (如低碳鋼、鋁合金等 ) 時易于形成連續(xù)切屑。目前 ,關于鋁合金的高速切削機理研究已取得了比較成熟的成果 ,并已應用于鋁合金高速切削的生產(chǎn)實踐。其它材料 ,如鑄鐵、普通鋼材、模具鋼、鈦合金和高溫合金等材料的高速切削機理還有待于進一步的研究。 2. 3 高速切削技術在模具制造中的應用 高速切削技術是一種不同于傳統(tǒng)加工的加工方式 ,相比而言 ,高速切削主軸轉速高 ,切削進給速度高 ,切削量小 ,但單位時間內(nèi)材料切除量卻增加了3～ 6倍 ,因此大大 提高了生產(chǎn)效率。也正由于它的快效性 ,在當今世界市場經(jīng)濟競爭激烈這一背景下 ,此項技術在很多領域得到發(fā)展 ,模具制造業(yè)便是高速加工應用的重要領域。模具凹模加工過去一直為電加工所壟斷 ,但其加工效率低 ,而高速加工切削力小 ,可銑淬 60模具鋼 ,加工表面精度可達 10μ m 甚至更高 ,表面粗糙度 1μ m ,淺腔大曲率半徑的模具完全可以用高5 速銑削代替電加工 ,有效地減少了電加工和拋 光工作量 ;對深腔小曲率的可用高速銑削加工作為粗加工和半精加工 ,電加工只作為精加工。總之 ,高速切削技術在模具制造中的應用大大縮短了模具的制造周期 ,為模具工業(yè)開辟了嶄新的天地。 3 結語 由于市場全球化以及競爭的加劇 ,模具市場對每一種模具技術最重要的、帶有先決性的要求是其快速性 ,即從設計到進入市場的時間盡可能的短 ,這是 于離散 / 堆積成型原理的 術與基于凈去除材料成型的高速切削技術兩者是相輔相成的 ,都得到了術的支持。 術可以說是真正意義的數(shù)字化制造 ,因為 而且可以直接涉及到材料本身 ,因而可以完成更復雜形狀加工 ,也可以制造具有功能梯度、材料梯度 的模具 ,但也正是其成型原理 ,限制了它當前精度和表面粗糙度。相比而言 ,雖然高速數(shù)控切削技術只是數(shù)字化模擬加工 ,只能是對同種材料的切削加工 ,但在精度與表面粗糙度控制方面有著 術無法比擬的優(yōu)勢 ,許多模具公司利用各自優(yōu)勢 ,同時采用兩種技術?？梢灶A見 ,未來的模具制造體系必然綜合材料增長制造和去除加工兩種原理 ,實現(xiàn)模具的快速制造。 參考文獻 : 1 李發(fā)致 . 模具先進制造技術 [M] . 北京 :機械工業(yè)出版社 ,2002. 2 王運贛 . 快速成形技術 [M] . 武漢 :華中理工大學出版社 ,1999. 3 張永強 . 高速切削及其關鍵技術的發(fā)展現(xiàn)狀 [J ] . 航空精密制造技術 ,2001. 4 楊洪旗 ,等 . 汽車模具高速加工技術 [J ] . 模具工程 ,2004 (3) :25～28. 6 附錄 2 It of ,of he no to is in In 0% 0% ～ to to a is of is of at of of is in of to of of of in of to of of to of to to to of to to in of of 1 of . 1 to of he to 0's 0 0 a of of in it is to of is a of of is of in to or of PM of to to do or in to up to up to AD to it of of is C of a 1. 2 PM of so in of PM of LA 3 is a he of of of to D D to to D (1) D as a (2) to to to to or at up a to to on In is to to of is to on to be is by to (3) to is up (4) to of to on 1. 3 PM is in of he of PM of of t In to of of to PM T RP is or of (1) to of of to of so to of to D is TM to to of T (2) of in to is to to to to in in to P (3) to a to to to to as i to or to i , 0 to s i to to or to on a (4) to to to to to or to it to to or of to on of s to in to or to 2 to . 1 to to he to is 931 J . He of to to of go to to to go up on of a of a to a of in s of to to t to to to a to as 1 at to to on s to to to to It is an to so to to t°an to to to be to to s to at to to to of to in 2. 2 he to to in to NC to to to to to to to of of of up it is a to to (1) to to to is a of to to 0's 0 to to of 2 in to 000r/ to to 0to , to s ～ 2 s, (2) to to to to to so to to to to to e( to to to of of be to to 4 ∶ s of at of of a of of is 10 of to of at to (3) AM to to to to AM to it , in to to 13 (4) to to to to to to to to of or of as of to be to to to to in to to as of as i to be in 2. 3 to in of he to is a of to to of to to to in to to incre