直接原型熔射快速制造金属模具技术

　　快速制造模具尤其是金属模具技术是由新产品设计迅速形成高效、低成本、优质的批量生产并抢占市场的关键，近年来受到极大关注。然而，目前的耐久金属模具尤其是大中型模具的快速制造技术尚不成熟，成为快速制模技术进一步发展并取得更大经济效益需要解决的关键课题。

　　前言

　　快速制造模具尤其是金属模具技术是由新产品设计迅速形成高效、低成本、优质的批量生产并抢占市场的关键。近年来可用于实际生产的中大批量成形耐久金属模具的快速制造技术受到极大关注。然而，目前的耐久金属模具尤其是大中型模具的快速制造技术尚不成熟，成为快速制模技术进一步发展并取得更大经济效益需要解决的关键课题。

　　快速制模技术可分为由RP系统制作的快速原型或产品原型复制模具的间接法(1RT)，以及由RP系统无模直接制造模具的直接法(DRT)两大类。间接法法实际上在RP技术诞生之前就已出现：随着RP技术延生而发展起来的直接法尤其是直接快速制造金属模具DRMT方法虽然受到高度关注，但目前由于可成形尺寸范围、精度和材料性能控制方面尚存在困难，实用化程度远低于间接法。

　　熔射快速制造耐久金属模具技术，因其几乎不受制模材料和尺寸大小限制，尺寸及表面精度高于铸造和烧结法、制模时间和成本远少于和低于电铸法而受到关注。其基本工艺是由原型→硅胶模→被熔射原型→耐磨合金熔射→加衬补强→原型分离→后处理→熔射模具，工序多，控制精度难度大。尤其是其技术关键-耐高熔点合金熔射的被熔射原型制造须经过原型→硅胶模→被熔射原型三道工序，致使制模时间和成本增加，控制制模精度难度大，从而限制了该技术实用化的进程。因此，能否直接制造耐热且可分离的被熔射原型，是拓宽该技术的应用范围，提高与其它快速制模和机械加工制模技术竞争能力的关键。为此，本文提出直接制造原型快速熔射制模技术(DPST-Direct Proto-type Spray Tooling)。该技术以新开发的机器人柔性数字化制造系统为平台，可直接由CAD模型制造耐热、可分离、高精度的被熔射原型，从而省去以往的RP原型和硅胶模复制两个工序，可显著缩短制模周期、降低成本、提高精度，从而大大拓展熔射制模技术的应用范围。为快速、低成本、高质量地制造多品种、变批量的产品成形用金属模具开辟新的有效途径。

　　1.DPST方法概述

　　直接原型机器人熔射快速制模(DPST)方法的基本工艺主要包括机器人加工原型、机器人熔射成形、机器人表面后处理等三大模块。

　　此加工系统由一个工业机器人、等离子熔射机、研磨机、数控转台等组成。工业机器人选用日本YAS—KAWA的六轴工业机器人，与数控转台构成七轴机器人成形加工系统。该系统可通过在其末端连接不同的执行器，便可在一台机器人上实现多种加工功能，从而使得整个工艺过程变得极为简洁、柔性，可加工范围广、工件复杂度高，并大幅度地减少了大型数控机床等设备的投资和空间，是一种极具应用前景的新型零件与模具制造技术。

　　2. 机器人原型制造

　　采用工业机器人高速铣削直接加工成形原型和零件，是近年来兴起的一个新的研究方向，国内外的学者对其进行了相关的研究。荷兰代夫特技术大学的Jotis S．M．Vergeest开发了一种雕刻机器人系统，用来铣削制造轻金属和聚亚安酯材料的零件；香港大学的W.C.Tse等Matsuoka采用机器人高速铣削来加工铝合金薄壁件。与数控机床相比较，工业机器人 具有自由度多(六自由度)，加工范围广，灵活的特点，能够加工复杂的三维形状的零件．但其缺点是刚度相对较差，加工精度不高，所能加工的材料主要集中在泡沫材料、蜡、聚亚安酯以及铝等轻金属材料．对于陶瓷材料的机器人铣削加工目前还未见相关文献报道。

　　陶瓷材料由于在烧结前强度很低，很难对其进行精细加工，而烧结后，材料硬度增大，常采用特种加工方法如电火花加工技术、激光加工以及超声旋转加工等方法来进行加工。本文的实验研究结果表明采用陶瓷与金属复合材料，在一定的工艺条件下，其坯料具有较好的机加工特性，经过处理后能满足耐高熔点合金熔射的要求。

　　机器人直接制造耐高温熔射陶瓷原型工艺是根据CAD模型文件直接铣削制造陶瓷模具型腔。首先通过三维造型软件如UG—NX直接生成模具型腔的NC加工文件，然后再经过转换处理得到机器人可执行的铣削加工文件。将文件导入机器人控制柜中即可对浇注成型的陶瓷坯料进行高速铣削加工，成型后再进行热处理，即得到耐高温的熔射原型。

　　3.机器人熔射成形

　　在获得了耐高温的陶瓷原型后，就可在其基础上进行机器人熔射即机器人等离子喷涂成形。将工业机器人用于喷涂作业，国内外已有相关应用和研究。但主要应用于喷漆和喷釉作业。而等离子喷涂过程由于具有高温、高速和高应力状态的特点，因此必须对机器人的熔射路径进行合理的规划。由本项研究开发的软件，可从被熔射原型基体的CAD文件传换得到的STL文件，然后通过切片分层，从而得到表面的点的轴迹和方向矢量，再根据熔射工艺的要求，将这些点按照一定的顺序连接起来，即得到机器人的喷涂路径。

　　机器人的喷涂路径，一般为Z字形的光栅路径。为了克服由喷涂过程中由于温度不均匀导致的高残余应力所造成的皮膜的翘曲和开裂，我们设计了一种旋转叠加的光栅路径。在每一层的喷涂过程中，仍然采用Z字形的光栅路径，但在第n＋1层与第n层光栅轨迹之间存在一个夹角θ。为了确定一个最优的夹角，我们分别先取了0°、45°、60°、90等几四种方案分别进行实验。实验结果表明，在θ＝90°时皮膜具有最低的残余应力分布。这主要是因为随着角度的增加，每层涂层间的热变形均匀性增加，从而使涂层整体的应力分布更加均匀。而随着残余应力的降低，能减少喷涂过程中皮膜的翘曲现象，增强皮膜的成型性。

　　4.补强和后处理

　　对熔射所获得的金属皮膜，采用金属或者金属与树脂复合的材料进行补强后，再与被熔射原型分离，即得到工艺所需要的模具型腔。对模具型腔进行后续精整加工后，进行装配就得到了试制或批量成形用金属模具。此项技术尤其适用于大中型、复杂形状、耐磨金属模具的低成本快速制造，制模周期短(约数天可得大型模具型腔)、成本比机械加工减少30—50％、表面硬度可达HRc55—60、精度<0．05％；可取代数控机床加工，极大地减少大型数控机床的昂贵投资，已申请国家发明和国际发明专利。去年8月作为最新模具制造新技术在日本[型技术]杂志上发表。目前本工艺已应用于汽车、摩托车车身模具的塑料模和冲压模的制造。

　　5.结论

　　通过本文研究开发得到了如下结论：

　　l、采用本文开发的机器人原型制造技术，可直接制造耐热、可分离、精度高的被熔射原型。

　　2、在此基础上开发的机器人直接原型熔射快速制模技术，显著缩短了制模周期、降低了制模成本、提高了制模精度。

　　3、 此项技术尤其适合于大中型、复杂形状的多品种、变批量成形用金属模具的快速低成本制造，在汽车、家电、通讯、轻工等诸多行业的金属模具制造方面极具应用前景。

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