复合快速原型工艺

复合快速原型工艺（精选4篇）

复合快速原型工艺 篇1

随着复合材料制造市场发展的多元化, 快速原型技术的产生对复合材料产品的竞争、加速新型产品的开发、制造技术的提高都有很大的推动作用。它综合了数控、检测、激光、机械、计算机、CAD等许多学科的先进技术, 很快在复合材料成形方面得到了广泛的应用。现如今, RP技术已经是制造业新产品开发的一项关键技术。

1 快速原型技术的概述

RP技术是基于物体分层原理来进行产品原型的制作的一种方法, RP技术的基本原理是:根据CAD/CAM技术构造出的理想物体的三维模型, 将其进行分层处理, 然后分析各层截片的轮廓数据, 利用CAD/CAM设计软件将数据原型系统的激光装置, 有选择的利用激光对物体进行切割箔材、烧结粉末、固化树脂、热熔材料等操作, 这样可以使介质行成一系列薄层, 再进行层层迭加使其形成我们设计的三维实体, 从而完成所设计的新产品三维实体模型。

2 快速原型技术 (RP技术) 的工艺方法

2.1 熔融沉积造型工艺

这是一种将各种热熔性的丝状材料 (蜡、ABS和尼龙等) 加热熔化成形方法, 它技术设备简单, 运行费用便宜, 这种工艺适用场合比较灵活, 没有毒气或化学物质的危险, 工艺相对于其它成型方法, 比较干净、操作比较简单、且不产生多余的垃圾。可以快速成型楼空模型, 原材料以线的形式提供, 相对于其它成型方法易于搬运和更快速更换。但是问题在于精度相对低, 难以成型结果比较复杂的零部件。在垂直方向上强度较小, 成形速度也较慢, 不适合构建大型零部件。这种工艺方法适合于产品设计的概念建模以及产品的功能测试。其原理图如图1:

2.2三维打印成型工艺

其工艺原理图如图2:

如图所示, 左侧是一个储料容器, 是材料放置在快速成型设备中的起始位置, 工作平台中间有一个平整的金属平台, 上面有一层层的粉末材料, 它由成型机的滚筒设备铺开, 由成型机打印头喷出的粘结剂进行粘接, 这种工艺的成形速度快, 运行成本也较低, 可以使用淀粉、石膏粉等常见的材料做原材料, 且废弃物较少, 任意结构和形状的零件都适用。

2.3 立体印刷成型工艺

其工艺原理图如图3:

它是快速原型技术中技术应用最广泛、最成熟的一种方法。它在工作过程中首先在成型机工作台上铺一层液态树脂, CAD/CAM软件控制的激光束依照截面轮廓做横、纵向上的激光扫描, 使轮廓内的树脂固化, 然后把工作台下降一定的位置, 在涂上一层树脂, 再进行扫描, 如此反复进行直到整个原型成形完毕。这种工艺可以成形任何形状的三维实体, 仿真性很强, 成形的精度及材料的利用率都很高。

3 RP技术在复合材料中的应用

3.1 复合陶瓷材料的制备

RP技术首先借助支撑材料把陶瓷制品内的可动件和主体联成一体, 再经过预烧工艺除去支撑材料, 然后经过烧结工艺获得陶瓷制品。虽然陶瓷制品都需要经过高温烧制工艺, 但其在制胚过程中可以在常温下进行。

3.2 高分子基复合材料的制备

有机高分子材料具有熔点低、密度小、其自身在熔融状态具有一定的粘性, 不需要外加粘结剂的特点, 所以它是非常理想的快速原型技术的材料。但是有机分子高分子材料的机械的综合性能较低, 就连高密度聚乙烯的抗压强度也只有20MPa~40MPa。所以, 一般都要掺入增强材料来组成有较高机械强度的复合材料。例如:美国用粒度3μm~6μm的玻璃纤维增强的PVC, 制备出了大量的特种模具和零件, 它们的精度高, 抗拉强度好, 且其强度是钢材的3.5倍左右。

快速原型技术在制备高分子材料时, 要注意尽管增强纤维在引出工作头前已经进行过浸胶处理, 即在增强纤维的表面涂抹一层熔融有机高分子材料, 这样可以使新原材料间的相互粘接问题得到解决。但是由于零件的形状具有多个凹槽、空洞、凸起等结构, 这就使得工作头在越过这些结构时, 有些长纤维在离开原来位置时呗自动剪断, 而到达新的位置时又自动与工件粘牢的问题。

3.3 金属基复合材料的制备

在室温或者较低的温度条件下, 高分子材料可以使工作头引出的新料和固化的旧料黏结在一起, 在常温的条件下, 陶瓷材料本身虽然不会出现黏结的现象, 但是经过塑化后的熟料和外加有机黏结剂可以让陶瓷材料黏结成胚, 但是, 这些工艺都不适合制备金属材料。

金属材料的新、旧料之间的黏合比其它复合材料的要困难和复杂。制备金属和金属基复合材料制品使用快速原型技术有快速凝固的特点。作为基体材料的金属在熔融状态时是以金属流的形式从工作头引出的, 这点和快速凝固工艺中的Taglor抽丝方法较为相似。例如:用碳纤维作增强芯料制备复合材料, 它既能够有优良的快速凝固金属的性能, 又可以制的具有综合性能的纤维增金属基复合材料。所以, 使用RP技术制备金属基复合材料是非常具有可行性的。

4 结论

RP技术突破了传统机械零件加工制造的材料成形的工艺, 它引入了自动控制学、机械工程学、计算机、材料学等多种学科的先进制造技术, 并且它在下面两个方面还有非常突出的作用, 制备高分子材料基复合材料各复合陶瓷制品方面;在解决金属材料新旧料之间的黏合问题上它使用的是局部跟踪加热技术和焊接技术, 对这个问题也有很大的帮助, 尤其是RP技术应用在复合材料成形方面, 使复合材料的发展得到了很好的前景。

参考文献

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复合快速原型工艺 篇2

目前大功率柴油机仍是船舶运输的主要动力,而且船舶航行的速度是通过调整柴油机的转速来改变的,所以船用柴油机的调速对整个船舶的运行至关重要。在船用柴油机的电子调速系统中,转速控制以PID控制方法居多[1],但该方法对参数变化比较敏感。对于船用柴油机而言,在不同的工况、工作环境和寿命周期内,运行参数会有较大的变化[2],因此传统的PID控制器用于船用柴油机调速存在着不足。模糊控制的特点是不要求控制对象精确的数学模型,根据控制规则组织控制决策表,由控制表决定控制量的大小,所以模糊控制具有控制灵活,适应性强,动态过程好的优点[3],但模糊控制存在小偏差附近控制效果不好和稳态控制精度不高的缺点[4]。模糊控制和PID控制相结合的复合控制用于船用柴油机调速,即柴油机在大偏差范围内采用模糊控制,而在小偏差范围内采用PID控制,这样能扬长避短,取得较好的动稳态性能[5]。目前,针对模糊控制和PID控制相结合的研究多为利用模糊控制规则实时调整PID控制参数[3],而且研究多停留在离线仿真阶段,本文针对控制器V模式开发流程,进行了柴油机模糊-PID复合调速控制器设计及快速控制原型研究,使控制器从功能设计到产品的转化更进了一步。

1 模糊-PID调速控制器设计

本文设计了一种模糊控制和PID控制相结合的船用柴油机调速控制器,二者各负其责,两个控制器之间通过切换开关进行切换,当柴油机工作在大转速差范围时,采用模糊控制器对其进行调节;当柴油机工作在小转速差范围时,采用PID控制器对其进行调节。模糊-PID控制器原理框图如图1所示。

1.1 模糊控制器设计

图2为所设计的柴油机调速模糊控制器的系统结构图。其中,ke、kde、ku分别为输入转速误差e、误差变化率de/dt和输出u的量化因子。具体设计方法为:

1.1.1 模糊化运算

(1) 模糊控制器的输入/输出变量

柴油机的实际转速作为系统的反馈量,将实际转速偏离目标转速的差值e作为调节方向的依据之一;同时为了提高系统的稳定性,并减小超调量及震荡现象,把误差e的变化率de/dt作为模糊控制器调节量和调节方向的另一依据。

(2) 输入/输出量的变化范围及论域

根据船用柴油机的实际工作状况和对柴油机调速控制的经验,将柴油机转速误差e的实际变化范围定为r/min,超过这个范围的均作为边界值处理。转速误差变化率e的实际变化范围定为(r/min)/s,齿条位移伸出量的变化范围为[0,20]。取误差、误差变化率及输出u变量的模糊集整数论域均为,并将其划分为13个等级,即e、de/dt、u∈{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}。

(3) 量化因子

量化因子的公式为:k=n/x。其中,n为模糊论域范围;x为实际论域范围。转速误差的量化因子为:ke=[6-(-6)]/[30-(-30)]=12/60;同理可得误差变化率的量化因子kde=12/40,输出量的量化因子ku=12/20。

1.1.2 知识库

知识库包含了柴油机调速控制领域中的知识和要求的控制目标[4,6],主要包括三方面的内容:

(1) 输入/输出变量的模糊分割

模糊语言变量转速误差e和齿条位移u取7个模糊子集,分别为:负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZE)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)。柴油机工作过程中,转速误差变化率de/dt的变化对转速变化趋势影响较大。试验中发现:将de/dt分割为8个子集的控制精度会比7个子集有所改善,而且对计算速度影响不大;如果分割成9个子集,由于受MicroAutoBox1401硬件条件的影响,计算速度明显变慢,实时性变差。综合考虑精度和实时性要求,转速误差变化率de/dt取为8个模糊子集,分别为:负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、负零(NZ)、正零(PZ)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)。

(2) 模糊语言变量的隶属度函数

模糊变量e、de/dt、u的论域均为,隶属度函数的形状均采用三角形。输入模糊变量e和输出模糊变量u在各自整数论域中分布如图3所示。模糊变量de/dt在论域中分布如图4所示。

(3) 模糊控制规则

所设计的模糊控制器采用Mamdani模糊控制规则。柴油机调速模糊控制器确定模糊规则的原则是必须保证能够使系统输出响应的动稳态特性达到标准值范围内,既要迅速消除误差,保证响应的快速性,又要防止产生超调和震荡,保证系统的稳定性。根据柴油机调速控制器的要求和专家的经验,以柴油机突加负荷过程(图5)为例来说明模糊控制规则的确定原则:OA段由于供油量小于需要的供油量,转速很快下降,偏差值为正,因此为了保证恒定转速,调速控制器应使供油量增加,为了保证较小的转速降,应使供油量迅速增加,则控制增量应为PB;到达A点后,AB段的供油量已经大于所需的供油量,转速开始上升,为了使上升加快同时控制二次超调过大,在AB段前期控制量应为PM或PS,在AB段后期控制量应为NM或NS。据此原理分析并在仿真过程中进行修正,归纳得到e、de/dt、u的模糊控制规则表,见表1。

表1共包含56条规则,其规则依次为R1:如果e是NB而且de/dt也是NB,则u是NB;R2:如果e是NB而且de/dt是NM,则u是NB,……,R56:如果e是PB而且de/dt是PB,则u是PB。

1.1.3 清晰化运算

有了模糊关系Ri(i=1,2,…,n),则输出语言变量论域上的模糊子集记为:undefined,本文采用普通的加权平均法计算当e和de/dt为不同组合时的输出量u。输出量u的论域范围为,在实际控制时齿条位移的实际控制量u*的变化范围为[0,20]。采用线性变换,可得实际的控制量为:undefined。

1.2 PID控制器

PID控制器采用传统PID控制算法,将偏差的比例(P)、微分(I)和积分(D)通过线性组合构成控制量,对被控对象进行控制,其控制规律为:

undefined

式中,y(t)为控制器输出信号;Kc为比例常数;e(t)为控制器偏差;Ti为积分时间常数;Td为微分时间常数。

2 模糊-PID复合调速控制器仿真模型的建立

由于所设计的模糊控制规则论域范围不大,所以根据Simulink中的二维表格(look up table(2-D))制成模糊控制表。在实际控制过程中,直接查表即可,在线运算量很少,计算速度很快。这种离线计算、在线查表的模糊控制方法很容易满足实时控制的要求。本文的PID控制器仿真模型采用Simulink提供的PID控制器。二者的切换控制是采集柴油机的设定转速和实际转速之间的误差e,当|e|≥30 r/min时,采用模糊控制;当|e|<30 r/min时,采用PID控制。图6为柴油机模糊-PID调速控制的仿真模型。模型中存在两个切换控制器,切换时,前一种算法切换时刻的仿真结果以初值的形式赋值给下一种算法,以确保切换过程平稳。

3 快速原型试验研究

试验用机为某型16缸柴油机,其主要技术参数见表2。本文建立的控制器模型通过RTW下载到dSPACE/MicroAutoBox1401中[7,8,9],将下载代码后的MicroAutoBox控制器通过接口与柴油机连接,控制器通过接口与柴油机传输数据,接口模块与控制器模型的连接如图7所示,快速控制原型信号传递原理如图8所示。通过快速控制原型验证模糊-PID控制器的调速性能,当调速控制功能不理想时,可以快速地对模型进行反复的修改设计,直到取得理想的控制效果。

3.1 起动工况试验验证

柴油机的起动性能是评价柴油机性能优劣的重要指标之一。应用快速控制原型平台对模糊-PID复合调速控制器进行起动性能验证,得到柴油机起动过程转速变化曲线如图9所示。传统PID控制的柴油机起动过程转速变化曲线如图10所示。两种算法起动数据比较见表3。

起动试验结果表明:与PID控制器相比,模糊控制器起动过程中具有更小的超调和更快的起动响应,对过程参数的变化不敏感(即具有很强的鲁棒性),能够克服非线性因素的影响。

3.2 负荷突变工况试验验证

本文进行了柴油机标定转速(2 000 r/min)下突加突卸负荷的试验验证。模糊-PID控制和PID控制的突加突卸100 %标定负荷试验验证结果分别如图11和图12所示。两种控制算法负荷突变数据比较见表4。

试验结果表明:负荷突变过程中,模糊-PID控制比PID控制具有较小的超调量和较少的稳定时间, 而且转速波动次数较少。

4 结论

(1) 所建立的模糊-PID调速控制器能够较好地实现柴油机的调速功能。

(2) 与传统的PID控制器相比,模糊-PID调速控制器在动、稳态特性上均取得了较好的控制效果,动态过程具有更快的响应和更小的超调,稳态过程具有较高的稳态控制精度。

(3) 模糊-PID控制与PID控制在切换控制器的控制下,切换过程平稳。

(4) 快速控制原型的研究和验证使控制器从功能设计到产品的转化奠定了坚实的基础。

摘要：设计了船用柴油机模糊-PID复合调速控制器,针对柴油机的不同工况,使模糊控制器和PID控制器通过切换开关进行切换,为了确保切换过程平稳,设计了切换控制器。将控制器下载代码到dSPACE/MicroAutoBox控制器内,利用快速控制原型进行了起动和负荷突变工况的试验验证,并与传统PID控制器快速控制原型结果进行对比。研究结果表明:模糊-PID控制器在动、稳态特性上均取得了较好的控制效果。

关键词：内燃机,船用增压柴油机,模糊-PID控制,快速控制原型

参考文献

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复合快速原型工艺 篇3

一、研发基于SLS快速原型及软模工艺的依据于意义

1、快速原型技术

快速原型技术是20世纪80年代中后期发展起来的观念全新的现代制造技术, 是多个学科的技术集成, 它将计算机辅助设计 (CAD) 、计算机辅助制造 (CAM) 、计算机数字控制 (CNC) 、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一身。与传统的去除成形不同, 它是一种离散—堆积的成型过程。这种加工过程可分为前期数据处理 (亦称离散) 和后期物理过程。在离散过程中, 将三维形体的CAD模型沿一定方向分解, 得到一序列截面数据。

PR技术是一种用材料逐层或逐点堆积出制件的制造方法。分层制造三维体的思想雏形, 最早出现在制造技术并不发达的19世纪。早在1892年, Bianthre主张用分层方法制作三维地图模型。1979年东京大学的中川威雄教授利用分层技术制造了金属冲裁模成型模和注塑模。

SLS快速原型设备采用CO2激光器作为能量源, 通过红外激光束使塑料、蜡、陶瓷和金属 (或其复合物) 的粉末材料均匀的烧结在加工平面上。激光束在计算机的控制下, 通过扫描器以一定的速度和能量密度按分层面的二维数据扫描。激光束扫描之处, 粉末烧结成一定厚度的实体片层, 未扫描的地方仍保持松散的粉末状。根据物体截面层的厚度而升降工作台, 铺粉滚筒再次将粉铺平后, 开始新一层的扫描。如此反复, 直至扫描完所有层面。去掉多余粉末, 经过后处理获得零件或样件[2]。

2、依据与意义

材料是快速原型技术的核心, 一种新材料的出现往往会使快速原型工艺机器设备结构、成型件品质和成型效益发生巨大的进步。快速原型技术的发展历史充分证明了这个道理。1987年, 当第一种商品化的快速原型机问世时, 采用的成型材料为液态光敏聚合物, 针对这种材料, 分层叠加成型的制作方法是SLA, 因此有了SLA快速原型机, 能得到看起来像塑料的成型件。然而, 随着时间的推移和技术的发展, 此后出现了纸、蜡、塑料、陶瓷复合物和金属复合物等多种成型材料, 以及与此相应的一批LOM、FDM、SLS和TDP快速原型工艺和快速原型机, 可以得到近似ABS塑料、陶瓷、金属的高性能样品或模具, 成型效率也有明显的提高[3]。

软模通常指的是硅橡胶模具, 用SLA, FDM, LOM或SLS等技术制作的原型, 再翻成硅橡胶模具后, 向模中灌注双组分聚氨酯, 固化后即得所需的零件, 调整双组分聚氨酯的构成比例, 可使所得到的聚氨酯的零件的机械性能接近ABS或PP。

二、国内外研究概况及发展趋势

快速原型技术已在家电、汽车、玩具、轻工、通讯设备、航空、军事、建筑、医疗、考古、工业造型、雕刻、首饰、三维地图等行业得到应用。RP是利用材料堆积法快速制造产品的一项先进制造技术, 它根据产品的三维模型数据, 不借助其他工具设备, 迅速而精确的制造出该产品。RP技术的应用目的主要有生产研制、市场调研和产品使用。在生产研制方面, 主要通过快速原型制造系统制作原型用来验证概念设计、确认设计、性能测试、制造模具的母模和靠模。在市场调研方面, 可以把制造的原型展示给最终用户和各个部门, 广泛征求意见, 尽量在新产品投产之前完善设计, 生产出销售对路的产品。在产品使用方面, 可以直接利用制造的原型、零部件的最终产品.这样可以大大缩短了新产品的设计、制造周期, 提高新产品的市场竞争力[4]。

翻模成型:实际应用上, 很多产品必须通过模具才能加工出来。用成型机先制作出产品样件再翻制模具, 是一种既省时又节省费用的方法。发动机泵壳原型件产品用传统机加工方法很难加工, 必须通过模具成型。据估算, 开模时间要8个月, 费用至少30万。如果产品设计有误, 整套模具就全部报废。我们用快速成型法为该产品制作了塑料样件, 作为模具母模用于翻制硅胶模。将该母模固定于铝标准模框中, 浇入配好的硅橡胶, 静置12·20小时, 硅橡胶完全固化, 打开模框, 取出硅橡胶用刀沿预定分型线划开, 将母模取出, 用于浇铸泵壳蜡型的硅胶模即翻制成功。通过该模制出蜡型, 经过涂壳、焙烧、失蜡、加压浇铸、喷砂, 一件合格的泵壳铸件在短短的两个月内制造出来, 经过必要的机加工, 即可装机运行, 使整个试制周期比传统方法缩短了2/3, 费用节省了3/4。

这种快速成型机的工作原理与SLA相仿, 不过所用成形材料不是液态的光敏树脂, 而是粉末状的高分子材料、金属或陶瓷与粘结剂的混合物等, 粉粒直径为50-125靘, 成形时先在工作台上铺一层粉末材料, 并加热至略低于熔化温度, 然后激光束按照截面形状进行扫描, 被扫描的部分材料熔化、粘接成形, 不被扫描的粉未材料仍呈粉粒状作为工件的支撑, 一层完成成形后, 工作台下降一个层高, 再进行下一层的铺料和烧结。

优点:一是可直接得到塑料、陶瓷或金属件, 可加工性好;二是无需设计支撑。缺点:一是成形件结构疏松多孔, 表面粗糙度较高;二是成形效率不高;三是得到的塑料、陶瓷或金属件远不如传统成形方法得到的同类材质工件, 需进行渗铜等后处理, 后处理中难于保证制件尺寸精度。

激光快速成形技术是多种先进制造技术的集成。由于不同的快速成形机具有不同的特点, 因此要根据不同的使用要求进行恰当的选择, 选择中要综合考虑成形件的尺寸大小、成形件的精度要求、成形件的用途、成形件的形状、以及成形件的材质要求等等, 还要权衡制作成本。

目前RP技术的发展水平而言, 在国内主要是应用于新产品 (包括产品的更新换代) 开发的设计验证和模拟样品的试制上, 即完成从产品的概念设计 (或改型设计) ———造型设计———结构设计———基本功能评估———模拟样件试制这段开发过程。对某些以塑料结构为主的产品还可以进行小批量试制, 或进行一些物理方面的功能测试、装配验证、实际外观效果审视, 甚至将产品小批量组装先行投放市场, 达到投石问路的目的[5]。部分国产RP设备已接近或达到美国公司同类产品的水平, 价格却便宜得多。我国已初步形成了RP设备和材料的制造体系。

三、总结

总之, 快速成型技术的发展是近20年来制造领域的突破性进展, 它不仅在制造原理上与传统方法迥然不同, 更重要的是在目前产业策略以市场响应速度为第一的状况下, RP技术可以缩短产品开发周期, 降低开发成本, 提高企业的竞争力。下面通过一些事例, 说明该项技术在产品开发过程中起的作用。

课题拟通过在华中科技大学生产的HRPS-III快速原型设备上, 对华中科技大学所开发的HB1材料进行烧结实验, 通过基与SLS烧结出来的叶轮, 翻制成硅橡胶模具后, 取出叶轮原型, 向模具中灌注蜡件和树脂件, 固化后即得到所需的原件。用制造出来的蜡叶轮与原型比较。

基于SLS快速原型的快速软模工艺与制造技术开发, 可以极大地缩短新产品的开发周期, 降低开发阶段的成本, 避免开发风险, 可修改性, 制作出来的零件精度高。

参考文献

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[2]王秀峰, 罗宏杰.快速原型制造技术.北京:中国轻工业出版社, 2001

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复合快速原型工艺 篇4

关键词：数控加工,快速磨具,工艺

一、工艺路线

该工艺根据经过精确误差补偿的CAD数据, 由数控加工设备快速加工出精密成形专用的蜡模、泡沫塑料模或者可加工高分子材料模具, 由精密铸造工艺制得金属模具成品或者半成品。

(1) 模具设计及误差补偿在得到产品的三维CAD模型后, 根据产品的特征进行模具的工艺及结构设计。在模具设计过程中, 重点要考虑前期误差补偿。笔者对整个制造系统的误差链进行了分析, 其中, 影响最终模具产品精度的主要因素有原型数控加工误差、铸造成形误差及后精整处理误差, 这些误差都可在模具的CAD数据中进行前期补偿。对于大型模具的模具设计, 设置好工艺参数之后, 可以采用模拟软件进行工艺数值模拟, 以实现对工艺的优化。

(2) 原型的数控加工数控加工的最大特点在于:一是可以极大地提高精度;二是加工质量的重复高, 可以稳定加工质量, 保持加工零件质量的一致性。另外, 还具有便于设计变更, 加工柔性强的特点, 便于进行快速模具设计。与常见的金属材料相比, 专用原型材料的数控机械加工具备不同的特点, 需要从材料的选择、工件装夹、刀具、加工工艺等多方面予以注意, 以获得尺寸精度高、表面质量好的原型。

(3) 精密铸造工艺为了将原型转换过程中的精度损失控制在最小、使精度的补偿控制简单化, 还必须选择合适的精密铸造技术来获得金属模具。常用的精密铸造方法有:石膏型精密铸造、熔模精密铸造、冷硬树脂砂型铸造、陶瓷型精密铸造等, 应结合模具的结构、尺寸大小及使用要求进行选择。对中小型铝基模具产品, 笔者选用石膏型精密铸造;对小型模具及型芯, 选用熔模精密铸造;对大型模具, 选用转移涂料冷硬树脂砂型铸造。

二、原型材料选用及其加工工艺

(1) 原型材料的选用在基于数控加工原型的快速模具制造工艺中, 专用原型材料是影响质量的关键因素。其性能既要满足精密铸造的要求, 又要满足数控机械加工的要求。笔者开发出了泡沫塑料基及石蜡基两大类专用原型材料, 泡沫塑料基专用原型材料的主要性能, 石蜡基专用原型材料的主要性能。

泡沫塑料基专用原型材料适用于大中型尺寸、形状较简单的模具, 石蜡基专用原型材料适用于小型尺寸、形状较复杂的模具。有时将两种不同专用原型材料组合起来使用, 以发挥各自优势。

(2) 原型材料的加工工艺泡沫塑料是多孔蜂窝状组织, 比重轻、质地软, 强度低以及导热性差, 其加工过程和金属加工不相同, 在挤压过程中容易在组织的薄弱处断裂, 或造成泡沫颗粒的剥落, 使被加工表面粗糙不平, 只能按“剥离”的原理来进行加工。切削泡沫塑料的刀具不能采用切削金属和木材的刀具, 而应选用刃口薄而锋利的专用刀具。其加工设备主要有铣床、车床、内、外圆砂带磨床和手推平刨床等;还有台式泡沫塑料线锯机、振动式泡沫塑料刨板机和电热丝切割机等专用设备。为了确保模样的尺寸精度和表面粗糙度, 一般应将板状泡沫塑料坯料先在手推平刨床或电热丝切割机上刨割出平直的基准平面, 然后再选用合适的方法进行精加工。

铣削加工是数控加工中最常用的一种方法, 主要用于加工平面、曲面、内孔和圆角等。泡沫塑料加工表面的质量很大程度上取决于铣刀的结构以及铣削方法和工艺参数。在加工泡沫塑料时, 应根据设备和加工要求选用不同的铣刀和工艺参数, 如果刀具和参数选择不当, 就容易发生泡沫颗粒的剥落现象或被加工表面拉毛。在铣削平面时, 主轴转速一般为1500~3500 r/min, 以3000 r/min为宜。而加工圆角、内圆时, 常控制在2700~4200 r/min, 以4200 r/min为宜。在数控铣削过程中, 经过较长时间的加工以后, 会有粘刀的现象出现, 容易在加工表面产生圆弧形的拉毛痕迹。因此在加工过程中也必须经常清理刀刃, 这同样也会影响切削效率。切屑泡沫塑料模样出现粘刀现象的主要原因是:泡沫塑料的导热性很差、软化温度低, 刀刃稍有发热就会使熔融状态的聚苯乙烯粘附在刀刃上。对石蜡基专用原型材料, 切削刀具也应选用刃口薄而锋利的专用刀具。铣削加工主轴转速一般以1800~2000r/min为宜。

三、模样表面质量的控制

泡沫塑料模型的表面质量除了与加工方法、切割刀具的结构、操作者的技巧和发泡工艺有关之外, 还与模样材料聚苯乙烯珠粒的组分、泡沫塑料的比重和孔径的致密程度, 以及模具的结构和表面粗糙度、模样的冷却方式和发泡剂有关。因为只有适宜的密度和合理的发泡工艺才能得到孔径致密、均匀的泡沫模样, 才能加工出表面光洁的零件曲面型面。

四、结论

应用上述技术, 配合多家企业进行了新产品开发。实践证明, 基于数控加工原型的快速模具制造工艺, 结合了数控加工工艺和精密成形技术的优点, 与传统机械加工模具工艺相比, 节省了昂贵的机械加工费用, 缩短了制造周期;与激光快速原型技术相比较, 可以不必购置昂贵的专用快速原型机而采用通用数控加工设备, 有利于快速模具技术在中小企业的推广。

参考文献

[1]Steven Ashley.From CAD art to rap id metal tool[J].Mechanical.Engineering, 1997, 119 (3)

[2]Smart R F.Investment Casting:A World View[J].INCAST, 2001, (2)