热喷涂快速制造模具技术新进展
张忠礼
热加工工艺技术
摘要：采用热喷涂方法制造模具可以节省大量的时间和成本。这种方法可以制造各种塑料模具和多种拉延模具、冲压模具等。热喷涂快速制造模具技术与快速原型技术的结合是充分利用二者特点的先进模具制造技术之一。
关键词：热喷涂 模具快速制造 快速原型
模具工业是技术附加值最高的行业之一,是高新技术产业化的重要领域。目前我国已把模具列入了国家重点支持发展的产业、产品和技术目录。模具工业是制造业的一项基础产业,是技术成果转化的基础,也是衡量一个国家制造水平的重要标志。机械、汽车、电子、石化、建筑等5大支柱产业的发展,都离不开模具,模具的生产技术水平在很大程度上决定着产品的质量和市场的开发能力。当今的模具工业已进入了高技术领域,计算机辅助设计技术、高精度数控加工设备以及各种快速模具制造技术的不断出现和改进,进一步地朝着缩短模具设计和制造周期,降低加工成本,提高模具质量和最大限度地提高模具行业的应变能力的目标前进。
正因为模具工业的巨大市场前景,目前世界各国都在模具制造上投入巨大的资金,不断地开发模具制造的新技术、新方法、新材料等。21世纪模具行业的基本特征是高度集成化、智能化、柔性化和网络化。追求的目标是提高产品的质量及生产效率,缩短设计及制造周期,降低生产成本,最大限度地提高模具行业的应变能力,满足用户需要。现在是多品种小批量生产时代,而且这种生产方式将逐渐发展到占工业生产的比例达到75 %以上。由此,一方面是制品使用周期缩短,另一方面花样变化频繁,要求模具的生产周期愈短愈好。因此,开发快速经济模具将越来越引起人们的重视和关注。
传统的模具制造方法设计与制造周期长,成本高,虽然现在我国的一些模具制造厂已逐步开始应用CAD/CAE/CAM技术,以及采用数控铣床等大型、精密的模具加工设备,但是我们的模具加工能力还远远满足不了日益高速发展的国民经济要求。例如,汽车工业是应用模具最多的行业之一,通常每生产一种新型轿车就需要大中型覆盖件模具几百套。
汽车车身开发的关键在于汽车覆盖件模具的设计和制造。在车型设计→模具设计与制造→模具调试→产品投产生产的整个周期中,模具设计与制造约占2/3的时间,成为新车型快速上市的关键因素。一般汽车车身有数百个冲压件,冲压模具高达一千套以上,模具的开发成本大约在2亿美元左右。据报道,本田汽车公司由于模具开发时间滞后3 d所带来的经济损失是800万美元,而丰田汽车公司滞后18 d所带来的经济损失是5 000万美元,为此美国通用汽车公司提出将整车模具开发周期缩短到12个月的目标[1]。激烈竞争的市场给模具的开发提出了高效、高质量和低成本的要求。如何快速开发制造模具,迅速制造出产品的原型与模具,降低成本推向市场,已经成为现在模具企业的当务之急。
在20世纪80年代出现的快速原型技术(RapidPrototying)开创了快速模具设计和原型制造的新纪元。他综合地运用了计算机辅助设计和制造技术、激光技术以及材料科学技术,在没有传统模具和夹具的情况下,快速制造出任意复杂形状而又具有一定功能的三维实体模型或零件。快速原型与制造技术的推广应用将明显缩短新产品的上市时间,节约新产品的开发和模具制造费用。在模具制造业,可以利用快速成形技术制得的快速原型,结合硅胶模、热喷涂、电铸等方法生产模具。在这几种方法中,热喷涂方法以加工周期短,加工成本低,复制精度高等特点,越来越受到人们的重视。目前热喷涂快速模具制造已形成了一个很有发展前景的新技术领域。
1 快速制造模具的热喷涂方法
热喷涂快速制造模具技术主要使用电弧喷涂方法。在电弧喷涂过程中,两根带有不同极性的金属丝被连续地送进喷涂枪。在喷涂枪的前端,两根金属丝相遇,产生电弧;电弧熔化金属丝端部,与此同时过热的金属熔滴被喷枪吹出的气流雾化和加速,并喷射到制备的基材表面,形成涂层。随着喷涂过程的进行,涂层不断增厚。如果使用由快速原形技术制造的三维立体模型或产品实物作为喷涂的基材,当喷涂过程结束后去除该基材,留下由涂层堆积形成的型腔;通过对该型腔背部进行必要的填充、加固,并安装定位和开启装置后,就可以作为要求的模具使用。
在电弧喷涂过程中,通过采取适当的工艺控制,可将一些低熔点金属材料喷涂到塑料、木材、石膏、皮革或蜡制品表面,而不会损坏制品表面,这种方法也可以利用快速成形技术制得的树脂基、纸基模型或木型、塑料制品实物翻制最终模具。现在用于电弧喷涂快速制模的材料多为以锌基合金为主的低熔点金属材料。这种制作模具的方法既快速,又经济,还有很好的复制能力,他们可以被用到工作压力较低、对表面耐磨性和整体强度要求不高的塑料制品的吹塑成型、吸塑成型和大多数的聚氨脂生产工艺中。这种方法的缺点是使用的低熔点合金强度和硬度较低、耐磨性较差,使模具的应用范围受到了很大的限制。因此采用喷涂方法制造的低熔点合金材料模具不能满足大量需求的注塑加工、压力加工或压铸工艺的使用条件要求。热喷涂低熔点锌基合金涂层的强度和硬度较低,这种方法制得的模具主要用在吸塑、吹塑、聚氨脂成型以及用于新产品开发阶段的注塑模具。由于在注塑生产过程中,被加工的塑料原料以较高的温度和压力进入模具形腔,对模具表面的冲刷磨损激烈,一套热喷涂方法制造的锌基合金模具的寿命往往只有几百件,所以这种模具只能用在新产品的开发阶段。
与其他传统的模具制造方法相比,电弧喷涂快速模具制造方法可以节省大量的设计和加工时间以及模具制造成本。该方法的另一个优点是可以在模具壳体内预先布设任意走向的加热或冷却水道,提高产品的生产效率。
采用热喷涂方法制造塑料模具的思想起源于20世纪40年代。经过几十年的研究和开发这项技术在发达国家已得到了较多的应用。美国的TAFA公司最早成功地使用电弧喷涂锌合金涂层制作了大型的汽车塑料内饰件模具[2]。沈阳工业大学在国内率先开发和应用了这项技术,使用该技术为沈阳饼干厂制造了一个1 200 mm×800 mm工作面上共14套快餐饭盒的吸塑模具,模具的制造仅花费一周时间[3]。1988年该快速模具制造技术通过沈阳市科学技术委员会组织的技术鉴定。山东省烟台机械工艺研究所采用电弧喷涂锌基合金快速制造模具方法制造汽车方向盘模具和投影面积为1 900 mm×1 200 mm的带有立体装饰花纹的以塑代木的床头模具,为用户提前几个月提供了产品[4]。西安交通大学将快速原形技术与热喷涂锌基合金涂层技术结合,制造了生产汽车发动机罩的拉延模具和节水渗灌设备中的节水滴管注射模具的制造,并用于生产[5]。
2 热喷涂快速制造模具的新进展
电弧喷涂制造的低熔点合金模具的强度和硬度较低、耐磨性较差,使模具的应用范围受到了很大的限制。那么能否采用热喷涂方法制造高硬度、高强度的钢基模具是许多工程师曾思考过的问题。为了能够将在Rapid Prototying树脂基或纸基三维实体模型表面翻制出要求的最终钢基模具,人们想出许多办法。目前认为效果较好的是采用陶瓷一类耐高温固体物质对树脂基或纸基零件模型进行复制,复制物经过干燥和烧结后可在其上热喷涂沉积钢基涂层制作模具。还有一些方法,借助于低熔点合金翻制中间模具,然后在中间模具上喷涂钢基涂层得到最终模具。应用这些方法时需要控制在两次的复制过程中尽可能地避免或最大限度地减少模具的变形和失真。
近年来,国外对结合快速原形技术与电弧喷涂技术制造钢基模具的开发研究做了许多工作,并取得较大的进展。1996年,英国的Sprayform Tools& Dies, Lid.公司开发了一种电弧喷涂钢基材料快速制造注塑模具的工艺。他们通过预先制作陶瓷母模,然后再在其表面喷涂钢涂层的方法成功地得到了最终的钢制模具[6]。美国Ford公司和英国的Oxford大学都对这项技术研究产生极大的兴趣,他们投入了大量的人力和物力开发这项技术,并且申请了多项热喷涂快速制造钢基模具的发明专利。目前美国福特公司采用该技术已可以制造近1 m2面积的大型汽车拉延模具[7]。
美国Ford公司电弧喷涂快速制造钢基模具技术的基本工艺过程是:首先按照设计要求在计算机上进行模具型面设计;第2步是运用快速原形技术(Rapid Prototying)进行模型制作;第3步是通过对快速原形技术得到的三维实体模型复制制得相应的陶瓷模型;然后是采用电弧喷涂方法在陶瓷模型表面进行逐层喷涂,最终沉积成具有预定内部型腔尺寸和外观形状的模具。由于模具是采用高强钢或其它高强金属材料喷涂而成,因而可以得到高强度和高表面耐磨性的模具型腔。在通过对所得到的模具型腔做必要的背部加固、填充以及模架框安装、调整后,这些模具就可以投入使用。
虽然,该技术在生产中开始应用,但这些工作都还处于技术开发阶段,还有一些诸如模具残余应力等方面的问题需要解决。这些问题关系到模具加工的产品精度和质量稳定性。首先,要设法克服在涂层中留下的残余应力。材料在电弧喷涂时,经历了一个由熔化到急速冷却的过程,涂层中的应力主要是由涂层粒子在凝固和冷却过程中产生的收缩拉应力。目前,用于电弧喷涂快速制造钢基模具使用的喷涂材料多为高碳钢。这类材料在喷涂后不但可以获得高硬度和高强度的涂层,而且在涂层形成后的冷却过程中涂层会发生马氏体转变。这种马氏体转变效应可以产生4.2%的体积膨胀,体积膨胀可部分的补偿涂层在冷却过程中产生的热收缩,减少涂层的残余应力。由于钢的熔点远高于锌基合金,所以,如何使钢涂层能够很好地沉积在母模表面,而又不损伤母模表面,形成复制性好,无变形的模具也是需要解决的关键技术之一。 在喷涂过程中,喷涂的钢基涂层要经历一个由熔融状态向凝固状态的转变,涂层中会有结晶应力、相变应力和冷却后的体积收缩应力。在这些应力中除了相变应力可能有体积膨胀作用外,其他应力都可引起收缩,总体说最终涂层是体积收缩的拉应力状态。涂层的拉应力状态会导致在模具棱角部位的开裂和模具整体变形等缺陷,如何减小最终模具的应力,或是合理分布模具不同部位的应力状态,是一个很复杂的计算和设计过程。最近有报道,美国Ford公司的研究人员使用由机械手分别控制3把电弧喷涂枪,从不同角度进行喷涂,喷涂的钢基涂层厚度可超过30 mm,而且较好地解决了模具的残余应力问题,并提高了涂层的沉积速度和生产效率[8]。
采用热喷涂方法制造的钢制模具除了具有时间和成本方面的优势外,还有以下优点:这种模具的主体是由热喷涂钢铁材料沉积而成,在涂层结构中不但有马氏体组织,还有较多的氧化物硬质点,因此模具有较高的表面硬度,从而使模具的耐磨性和使用寿命高于常规方法所制模具。这种方法制造的模具可以把冷却水道预先埋设在距模具型腔表面较近的地方,而且这些水道可以走曲线,密排列,加快模具使用中的冷热交换速度,提高产品的生产率。传统的模具制造方法通常是采用铣、钻、刨、车等工艺在钢铁坯料上机械加工成要求的模具,有时为了提高模具表面的硬度和耐磨性还需对模具进行热处理。
因此传统方法制造的模具不但制造周期长、成本高,而且模具的自重很大。相比之下,由于热喷涂方法制造的模具是复合结构,不但保证了模具内表面的高硬度,还使模具整体重量减轻,更易于搬运和安装。热喷涂方法不但可以制造各种塑料模具,还可制造多种冲压模具和金属压铸模具。
虽然热喷涂快速制作模具技术有众多优点,但他还有许多应用的局限性。首先这种工艺必须是直线喷涂,而且为了保证涂层的良好结合强度,喷涂沉积的角度应大于45°,所以对于有较大起伏或形状很复杂的模具使用该方法可能受到限制。热喷涂涂层的另一个弱点是涂层中固有的孔隙,电弧喷涂涂层中的孔隙率达5%~10%,大量气孔的存在将降低涂层的抗拉结合强度。所以在有些情况下,需要通过镶装预加工件与热喷涂结合的方法来处理模具上较深的孔洞或较高的突起的结构。此外,由于热喷涂快速模具制作方法要经过多次复制工序,在复制过程中有可能发生模具的局部失真,影响最终的模具质量。
3 国内热喷涂快速模具制造的研究进展
目前在国内,对于模具快速制造的前一阶段,利用计算机进行设计的快速原形技术发展很快,许多单位都拥有了RP快速原形技术和设备,并且在快速模具设计和三维模型制作方面取得了一些具有自主知识产权成就,但是在快速模具的制造加工方面,还投入较少。现在虽然已有一些单位开始采用热喷涂方法快速制造模具,但得到实际应用的案例还主要是电弧喷涂低熔点锌基合金的制模技术。目前在采用热喷涂方法快速制造高熔点、高硬度模具方面,清华大学、西安交通大学、华中理工大学、沈阳工业大学等单位在这一领域都进行了开发研究,并取得了一些进展。例如,西安交通大学不但很好地将RP快速原形技术与热喷涂技术结合,成功地制造了一些锌基合金模具,还在开发热喷涂锌与铜的伪合金模具方面获得成功。他们采用该工艺制作了AUTO轿车前翼子板拉伸模具。这种制模方法工艺简单,成本仅为传统钢制模具的15 %~18 %,制造周期为传统机械加工方法的25%。经过实际使用证明该工艺与热喷涂的锌基合金相比,这种伪合金模具具有更高的硬度和强度,可用于汽车车身开发阶段的模具、产品试制[9]。最近,清华大学开发了一种基于快速原型的热喷涂快速制造硬质模具技术,其原理是根据产品要求和反馈数据制作RP原型作为母模。然后,通过转换制得过渡模为基模。
基模采用陶瓷材料制作。首先在基模上用等离子喷涂不锈钢涂层,然后采用电弧喷涂锌合金增厚金属壳型,最后在壳型内补铸低熔点合金,获得最终注塑模具[10]。据报道,使用该方法制得的模具具有良好的导热性、耐腐蚀、耐高温和高机械性能。并且这种方法的制模时间可大大缩短,从CAD设计、RP原型制造,过渡原型制造、金属喷涂到获得最终模具一般7~10 d[11]。沈阳工业大学通过制作低熔点合金中间模和陶瓷中间模的方法开发热喷涂快速制作钢基模具技术也已取得较大进展。
4 结语
我国工业生产的特点是产品品种多,更新快,市场仍处买方市场态势。这种情况下,用户对产品包括模具制造的要求是“工期短、精度高、质量好、价格低”,快速经济的模具制造技术可以很好地满足这样的要求。所以说快速经济模具制造技术的前景十分广阔。采用热喷涂方法制造模具可以节省大量的时间和成本。这种方法可以制造各种塑料模具和多种拉延模具、冲压模具、压铸模具等。热喷涂快速制造模具技术与快速原型技术的结合是充分利用二者特点的先进模具制造技术之一。因此,这项研究工作将对促进我国的快速模具制造领域的发展有很重要意义。
参考文献略
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