电弧喷涂技术在快速模具制造工艺中的应用

　　为了快速、低成本地制造出模具产品，近年来，基于LOM的快速模具制造技术已成为国外LOM应用研究开发的重点，并演化出一整套快速模具制造技术(Rapid Tools，简称RT)，采用该技术，能在几天，甚至24 h内完成复杂零部件从图纸到模具制造的全过程。

　　目前，RT技术主要用于生产注塑模、压铸模等，这些模具一般具有复杂的型芯、型腔结构，用传统机电加工相当困难。但若用LOM原型或样件作母模，可以非常容易地用金属喷涂技术复制出模具，这种模具有良好的机械加工性能，可进行局部切削获得更高的模具精度，并可以批量、低成本地生产塑料零件。

　　1 LOM原型的制作

　　叠层制造技术(LOM技术)是国外在20世纪80年代后期至90年代初期发展起来的一项新的先进制造技术，它是机械、材料、NC,CAD、激光、化工等多学科相互交叉渗透而形成的一个新学科，尽管它的发展时间不长，但发展速度非常迅速，而且它对制造业的重要性和对当今制造业的推动作用越来越受到人们的关注。

　　LOM原型的制作过程为:(1)模型剖分。对于尺寸大于快速成形设备台面空间的零件，根据其特点，将其剖分成小尺寸的零件。(2)基底制作。为了保证原型的尺寸精度高、形状完整、没有错位，要在工作台上根据原型的大小制作一定厚度的基底，使原型与工作台可靠连接。(3)原型制作。根据制作过程的实际情况，选择合适的激光切割速度、加热温度、加热辊速度及压力、送纸速度、激光能量系数等参数，开始原型制作。(4)余料、废料去除。用适当的工具从制作完的叠层块料中去除废料，将原型剥离出来。(5)后置处理。为提高原型表面质量或满足进一步翻制模具的需要，要对原型进行后置处理，如防水、防潮、加固和使其表面光滑等。图1为处理后的LOM原型。

　　2 快速模具制造技术

　　金属喷涂有电弧喷涂、火焰喷涂、等离子喷涂等几种方式，其中电弧喷涂与其他喷涂方式相比具有涂层强度高、使用成本低、生产效率高、质量稳定等优点。另外，火焰喷涂及等离子喷涂的工件受到火焰的直接加热，无法用来喷涂不耐热的基体(如塑料、木材、纸张等);而电弧喷涂的工件受的热只来自粒子所携带的热能，传送粒子的高速压缩空气流还可对基体进行冷却，工件受热轻，变形小，热应力小，因而可以在不耐热的LOM原型上进行喷涂。正是电弧喷涂的这些优点，使其成为近年模具喷涂工艺研究的热点。

　　2.1 喷涂金属丝材的选择

　　用于电弧喷涂工艺的金属丝材根据熔点的高低可分为低熔点材料、中熔点材料和高熔点材料。在用电弧喷涂技术制造快速模具时，型腔金属壳体的厚度要在3mm以上，中、高熔点的熔融金属颗粒沉积到母模上后会释放出较多热量，使母模发生热变形，降低了模具型腔的复制精度，并可能导致金属涂层在尚未达到要求厚度时就发生翘曲或开裂;低熔点金属或合金丝材对母模的热影响小，可减轻熔融金属颗粒对母模的影响，减少母模热变形，提高模具的精度，因而锌、巴氏合金等低熔点材料较多地用于快速模具的制作。但这种低熔点材料的模具寿命较低，只能用于小批量试生产，若要提高喷涂模具的寿命，可以先在母模上喷一层低熔点材料以增强母模的耐热性，然后再喷钢或其他强度较高的合金，以增强模具的强度，从而提高模具的寿命。

　　用于电弧喷涂的部分材料力学与物理性能。

　　2.2 电孤喷涂工艺流程

　　用电弧喷涂工艺制造注塑模、压铸模等模具的凹模、凸模的工艺流程如下:

　　(1)根据母模的尺寸，确定喷涂底板的尺寸和模具模框的尺寸;

　　(2)将母模固定在喷涂底板上，并在母模和喷涂底板上涂刷脱模剂;

　　(3)脱模剂凉干后，用低熔点材料进行第一次喷涂，将壳体厚度控制在0.5-1mm;然后再用高熔点材料继续喷涂，并使金属喷涂层达到3-5mm，这样，模具的凹模型腔壳体制作便告完成;

　　(4)将喷涂壳体装入凹模模框(装有冷却铜管)，并填充模具基体材料，固化10h以上;

　　(5)将凹模模框翻转过来，去掉喷涂底板，在分模面和母模的另一面涂刷脱模剂;

　　(6)脱模剂干燥后，重复第3步的喷涂工艺，进行第2次喷涂，形成凸模壳体;

　　(7)安装凸模模框，装入凸模冷却铜管，将填充材料浇入模框中，固化10 h以上;

　　(8)固定好导向和定位装置，将凹模、凸模分离，取出LOM原型，完成模具凹模、凸模的制作。在制作金属喷涂模具过程中，喷涂参数的调整是整个工艺过程的关键，在XDP一5电弧喷涂设备上对各种丝材进行试验，最终得到的几种丝材的喷涂参数如表2所示。用电弧喷涂工艺所形成的凹模型腔。

　　2.3　金属喷涂模具的填充材料制作

　　用电弧喷涂技术制造出注塑模具的凸、凹模壳体后，在搭建好的型框内填充强化材料，并加入浇注系统及冷却系统，此系统连同模架便可构成注塑模具。最常用的快速模具填充材料是环氧树脂和铝粉的混合物，在环氧树脂中加入铝粉后可起到填料改性的作用，可改善环氧树脂的机械性能、热性能和工艺性能。

　　填充材料的制备过程为:

　　(1)将秤好的环氧树脂放在容器内，加入铝粉慢慢搅拌，若需要加入大量铝粉作为填充物，可以用机械式搅拌器搅拌。为减少夹带空气的风险，搅拌器的速度宜慢不宜快，一般不要超过500r/min.

　　(2)经搅拌后的混合物，应静置一段时间，让铝填充物完全湿透，并使夹杂的空气完全跑掉。

　　(3)将冷却铜管安装在模框上，在环氧树脂及铝粉混合物中添加硬化剂，并保证混合均匀，静置10-15min，即可注入模框中，将喷涂壳体和模框完全填满。

　　3　结论

　　(1) LOM原型的质量直接影响快速模具及产品的质量，因而控制LOM原型的质量是产品/模具快速设计与制造技术的关键之一。

　　(2)在电弧喷涂过程中，要根据所用金属材料调整喷涂参数，并使用油水分离器除去压缩空气中的水蒸气，保证喷涂颗粒的均匀度及喷涂表面的粗糙度。

　　(3)由于环氧树脂及与其相配的固化剂的种类很多，在固化的时间和固化的效果上有很大不同，因而要根据实际情况确定制造中的工艺参数，必要时可加入稀释剂进行稀释改性。

　　(4)将混合容器中沉淀的残余铝粉均匀地倒进模框里，保证铝粉完全进入混合物。这一过程要快，因为浇注混合物在20-40min内将发生固化反应。

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