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1、模具先进制造技术本讲稿第一页，共三十七页l 模具高速切削技术的应用l 模具快速成型技术的典型方法第十章 模具先进制造技术重点重点本讲稿第二页，共三十七页 10.1 10.1 模具高速切削技术模具高速切削技术 高速切削技术是基于德国物理学家Carl Salomon 的切削实验得到的当切削速度增大某一值时，切削温度将随着切削速度的增加而降低这一结论，找到了降低切削力的物理基础。通常把切削速度比常规切削速度高5-10倍以上的切削称为高速切削。不同材料高速切削速度范围：铝合金为10007000m/min，铜为9005000m/min，钢为5002000m/min，灰铸铁为8003000m/min，钛合
2、金为1001000m/min，镍合金为50-500m/min。不同加工方式高速切削速度范围：车削为7007000m/min，铣削为2007000m/min，钻削为1001000m/min，铰削为20500m/min，拉削为3075m/min，磨削为500010000m/min。与之相对应的进给速度一般为225m/min，高的可达6080m/min。第十章 模具先进制造技术本讲稿第三页，共三十七页 1.高速切削优越性 近年来，由于高速切削加工和常规切削加工相比，在提高生产率、减少热变形和切削力以及实现高精度、高质量零件加工方面具有显著的优越性，因此，高速切削加工越来越引起人们的关注。(1)材料切
3、除率高 高速切削加工比常规切削加工单位时间材料切除率可提高3-6倍，因而零件加工时间通常可缩减到原来的1/3，从而提高了生产率和设备利用率。(2)切削力低 和常规切削加工相比，高速切削力至少降低30%，这对于加工刚性较差的零件来说，可减少加工的变形，提高加工精度。第十章 模具先进制造技术本讲稿第四页，共三十七页 (3)减少热变形 高速切削加工过程，95%以上的切削过程所产生的热量将被切屑带离工件，工件集聚热量极少，零件不会由于温度导致翘曲或膨胀变形。(4)实现高精度加工 应用高主轴转速、高进给速度的高速切削加工，其激振频率特别高，已远远超出机床-工件-刀具系统的固有频率范围，使加工过程平稳、振
4、动较小，可实现高精度、低粗糙加工。(5)增加机床结构稳定性 高速切削加工由于温升和单位切削力小，增加了机床结构稳定性，有利于提高加工精度和表面质量。(6)良好的技术经济效益 高速切削加工比常规切削速度高5-10倍以上，所以生产率较高，相对常规切削具有良好的技术经济效益。第十章 模具先进制造技术本讲稿第五页，共三十七页 2.高速切削的工业应用 在航空工业部门，现代飞机都采用整体制造加工技术，要通过切削加工出高精度、高质量的铝合金或钛合金构件。美国、德国、法国、英国的许多飞机及发动机制造厂已经采用高速切削加工来制造航空零部件产品。英国EHV公司采用日本松浦公司制造的MC-800VDC-EX4高速切
5、削加工机床应用于加工航空专用铝合金整体叶轮，该机床有两个主轴，转速40000r/min。第十章 模具先进制造技术返回返回本讲稿第六页，共三十七页 10.2 10.2 模具快速原型制造技术模具快速原型制造技术 1.快速成形技术的形成及发展 随着科学技术的进步，市场竞争日趋激烈，产品更新换代加速。缩短新产品的设计与试制周期，降低开发费用。是每个制造厂商面临的迫切问题。计算机技术在过去30年内已经成为各领域中强有力的工具。计算机用于产品设计，能显著提高设计效率与质量，但是CAD不能解决制造过程所面临的所有问题。在产品设计完成到批量生产阶段之间，往往还要制造产品的原型样品，以便尽早地对产品设计进行验证
6、和改进，这是一项费时费力的工作，视为“瓶颈”。直接从计算机模型产生三维物体的快速成形技术，涉及机械工程、自动控制、激光、计算机、材料等多个学科，是由于现代设计和现代制造技术迅速发展的需求应运而生的。近年来，该技术迅速在工业造型、制造、建筑、艺术、医学、航空、航天、考古和影视等领域得到良好应用。第十章 模具先进制造技术本讲稿第七页，共三十七页 2.快速成形技术基本原理 快速成型技术的具体工艺方法有多种，但其基本原理都是一致的。在成形概念上，以材料添加法为基本思想。目标是将计算机三维CAD模型快速地相对机加工而言)转变为由具体物质构成的三维实体原型。其过程可分为离散和堆积两个阶段。首先在CAD造型
7、系统中获得一个三维CAD模型。或通过测量仪器测取实体的形状尺寸，转化成模型，再对模型数据进行处理，沿某一方向进行平面“分层”离散化。然后通过专有的CAM系统(成型机)将成形材料一层层加工，并堆积成原型。其过程如下图所示。第十章 模具先进制造技术本讲稿第八页，共三十七页第十章 模具先进制造技术本讲稿第九页，共三十七页 在上图中，计算机辅助设计CAD模型的形成与一般CAD过程无区别，其作用是进行零件的三维几何造型。所以要求有较强的实体造型功能，并且应与后续软件有良好的接口。常用的硬件环境为工作站和高档微型计算机。常用的软件为ProE、Auto CAD、SDRC、Unigraphics、CATA、C
8、ADKEY、Compervision、EUCLID等。这些软件系统能将零件的曲面或实体模型，自动转化成易于切片处理的表面三角形模型。对于SLA、FDM等成形方法还要考虑在模型中加进支撑结构设计。由美国3D系统公司开发的CAD模型的STL格式被公认为目前标准。它是用一系列的空间小平面(三角形面)来代表物体表面，每个三角形都用一个法向(指向零件的内部和外部)和三个顶点来描述。这样的三角形的顶点以及它们的法向数据汇集在一起，形成描绘三维实体的STL格式。第十章 模具先进制造技术本讲稿第十页，共三十七页 模型Z向分离(切片)是一个分层过程，它将SRL格式的CAD模型，根据有利于零件堆积制造而优选的特殊
9、方位，横截成一系列具有一定厚度的薄层，得到每一切层的内外轮廓等几何信息，层厚通常为0.050.4mm。若每层的厚度有变化时，可采用实时切片方式 层面信息处理就是根据层面几何信息（层面内外轮廓识别及补偿、废料区的特性判断）生成成形机工作的数控代码，以便成形机的激光头或喷口对每一层面进行精确加上。层面加工与粘结即根据生成的数控指令，对当前层面进行加工，并将加工出的当前层与已加工好的零件部分粘合。当每一层制造结束并和上一层粘结后，零件下降一个层面，铺上新的当前层材料(新的当前层的位置保持不变)，成形机重新布置，再加工新的一层。第十章 模具先进制造技术本讲稿第十一页，共三十七页 如此反复进行直到整个加
10、工完成，清理掉嵌在加工件中不需要的废料，即得完整的制件。后处理是对成形机完成的制件进行必要的处理，如深度固化、修磨、着色、表面喷镀等，使之达到原型或零件的性能要求。3.快速原型制造技术的应用特点 快速成形技术开辟了不用任何刀具而迅速制作各类零件的途径，并为用常规方法不能或难于制造的零件或模型提供了一种新型的制造手段。由于RPM技术的灵活性和快捷性，它在航天航空、汽车外型设计、玩具、电子仪表与家用电器塑料件制造、人体器官制造、建筑美工设计、工艺装饰设计制造、模具设计制造等技术领域已展现出良好的应用前景。国外运用RPM技术的行业有：航空航天、汽车及有关生产、消费品、电器及日用品、电子产品、铸造厂、
11、政府研究中心、医疗界、重工业、工模具厂、大学及理工研究所、原型制作服务中心产品设计。第十章 模具先进制造技术本讲稿第十二页，共三十七页 归纳起来，快速成形技术有如下应用特点：(1)传统原型制作方法一般采用电脑数控加工或手工造型，采用RPM技术能由产品设计图纸、CAD数据、或由测量机测得的现有产品几何数据，直接制成所描绘模型的塑料件或金属件，不需要任何模具、NC加工和人工雕刻。(2)由于快速成形技术采用将三维形体转化为二维平面分层制造机理，对工件的几何构成复杂性不敏感，因而能制造任意复杂的零件，充分体现设计细节，尺寸和形状精度大为提高，不需进一步机加工。(3)快速制造模具。能借助电铸、电弧喷涂等
12、技术，由塑料件制造金属模具；将快速制作的原型当作消失模(也可通过原型翻制制造消失模的母模，用于批量制作消失模)，进行精密铸造；快速制作高精度的复杂木模，进一步浇铸金属件；通过原型制造石墨电极，然后由石墨电极加工出模具型腔；直接加工出陶瓷型腔进行精密铸造。第十章 模具先进制造技术本讲稿第十三页，共三十七页 10.2 10.2 模具快速原型制造技术模具快速原型制造技术 (4)在新产品开发中的应用，通过原型(物理模型)，设计者可以很快地评估一次设计的可行性并充分表达其构思。外形设计，虽然计算机CAD造型系统能在屏幕上从各个方向显示观察产品设计模型，但无论如何也比不上由RPM所得的原型的直观性和可视性
13、，对复杂形体尤其如此。制造商可用概念成形的样件作为产品销售的市场宣传工具，即采用RPM原型，可以迅速地让用户对其开发的新产品进行比较评价，确定最优外观。第十章 模具先进制造技术本讲稿第十四页，共三十七页 检验设计质量。以模具制造为例，传统的方法是根据几何造型(CAD)在数控机床上开模，这对昂贵的复杂模具而言，风险太大，设计上的任何不慎，就可能造成不可挽回的损失。利用RPM技术，可在开模前真正精确地制造出将要注射成形的零件，设计上的各种细微问题和错误都能在模型上一目了然地显示出来，大大减少了盲目开模的风险。RPM制造的模型又可正好作为数控仿形铣床的靠模。功能检测。利用原型快速进行不同设计的功能测
14、试，优化产品设汁。如风扇等的设计，可获得最佳扇叶曲面、最低噪声的结构。第十章 模具先进制造技术本讲稿第十五页，共三十七页 (5)能根据有限元分析计算机辅助模拟(CAE)的结果，制作实体，检验仿真分析的正确性。在短时间内，用少的费用，对设计进行多次修改，制作相应的模型验证，使产品达到完美。(6)快速成形过程是高自动化，长时间连续进行的，操作简单，可以做到昼夜无人看管，一次开机直至整个工件加工结束都可自动进行。(7)快速成形技术的制作过程不需要工装模具的投入，其成本只与成形机的运行费、材料费及操作者工资有关，与产品的批量无关，很适宜于单件、小批量及特殊、新试制品的制造。第十章 模具先进制造技术本讲
15、稿第十六页，共三十七页 (8)直接制造复合材料零件。(9)快速造型中的反求工程具有广泛的应用。激光三维扫描仪、自动断层扫描仪等多种测量设备能迅速高精度地(达几个丝的精度)测量物体外轮廓或内外轮廓并将其转化成CAD模型数据，进行RPM加工。应用包括：现有产品的复制与改进，先对反求而得的RPM模型在计算机中进行修改、完善，再用成形机快速加工出来；医学上，将RPM与CT扫描技术结合，能快速、精确地制造假肢、人造骨筋、手术计划模型等；人体头像立体摄影。数分钟内即可扫描完毕，由于采用的是极低功率的激光器，对人体无任何伤害。正因为反求法和RPM的结合有广泛的用途，国外的RPM服务机构一般都配有激光扫描仪。
16、第十章 模具先进制造技术本讲稿第十七页，共三十七页 如下图所示，共成于一闭环系统，改变了传统的设计制造程式，它充分体现了设计评价制造体化思想。第十章 模具先进制造技术本讲稿第十八页，共三十七页 4.快速成型技术典型方法 目前各种RPM方法有几十种，但商品化比较好的主要有SLA、LOM、SLS、FDM、TDP等原理的快速造型系统。(1)立体光照成形SLA法 SLA采用紫外激光束硬化光敏树脂生成三维物体，在液槽中盛满液态光敏树脂该树脂可在紫外光照射下进行聚合反应，发生相变，由液态变成固态。成形开始时，工作平台置于液面下一个层高的距离，控制一束能产生紫外线的激光按计算机所确定的轨迹，对液态树脂逐点扫
17、描，使被扫描区域固化，从而形成一个固态薄截面，然后升降机构带动工作台下降一层高度，其上复盖另一层液态树脂，以便进行第二层扫描固化，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个模型制造完毕，一般薄截面厚度为0.070.4mm。第十章 模具先进制造技术本讲稿第十九页，共三十七页第十章 模具先进制造技术本讲稿第二十页，共三十七页 模型从树脂中取出后还要进行后固化，工作台上升到容器上部，排掉剩余树脂，从SLA机取走工作台和工件，用溶剂清除多余树脂，然后将工件放人后固化装置，经过一定时间紫外曝光后，工件完全固化。固化时间依零件的几何形状、尺寸和树脂特性而定，大多数零件的固化时间不小于30min。从工
18、作台上取下工件，去掉支撑结构，进行打光、电镀、喷漆或着色即成。SLA是第一种投入商业应用的RPM技术，全球最早和规模最大的RPM公司美国3D系统公司，在19881990年，当其它RPM技术尚未达到商品化程度时，就销售了SLA设备254台。1994年底，全球共销售SLA设备595台，其中3D系统占RPM设备的67，1996年占52。其特点是技术日臻成熟，能制造精细的零件，表面质量好，可直接制造塑料件，制件为透明体。第十章 模具先进制造技术本讲稿第二十一页，共三十七页 不足之处有：(1)SLA设备昂贵，例如一种工作台面较小的SLA250系统就高达30万美元以上，加之所采用的紫外激光管每支数万美元，
19、而使用寿命仅1000多小时，运行费用很高，一般用户特别是国内企业难以承受；(2)造型用光敏树脂每公斤约l00美元左右，所加工制件成本高，同时光敏树脂还有一定毒性，需采取防污染措施；(3)分层固化过程中，处于液态树脂中的固化层因漂浮易错位，须设计支撑结构与原型制件一道固化，前期软件工作量大；(4)由于激光固化液态光敏树脂过程中，材料发生相变，不可避免地使聚合物收缩产生内部应力，从而引起制件翘曲和其它变形；(5)成形材料一般是丙烯酸脂或环氧树脂等热固性光敏树脂，不能反复加热熔化。3D系统公司是RPM设备开发的龙头，它最新推出SLA一50040的制作速度比SLA50030快45。第十章 模具先进制造
20、技术本讲稿第二十二页，共三十七页 在SLA的基础上又产生了以色列的Cubital 公司的Solider系统。该法成形每一层时要经过多个步骤。它也要用液态树脂成形。预先制好一系列的模板。模板可以重复利用。模板中的透明部分就是模型被切片后的截面形状。紫外光透过透明部分，使树脂固化。清除没有固化的部分，以蜡填充(蜡起支撑作用)。然后将二者铣成同一厚度，作为下一层的加工平台。如此叠加完毕后，原型嵌在蜡块中。熔掉蜡后剩下的就是原型。SOLIDER系统特点适于制造大型的原型。用4kw的灯照射比激光要快得多。SOLIDER 5600型成形机的加工尺寸为500mm350mm500mm。第十章 模具先进制造技术
21、本讲稿第二十三页，共三十七页 第十章 模具先进制造技术本讲稿第二十四页，共三十七页 (2)分层物体制造LOM法 物体分层制造技术是近年来发展起来的又一种快速造形技术，它是通过对原料纸进行层合与激光切割来形成零件。如下图所示。LOM工艺先将单面涂有热熔胶的胶纸带通过加热辊加热加压，与先前已形成的实体粘结(层合)在一起。此时位于其上方的激光器按照分层CAD模型所获得的数据，将一层纸切割成所制零件的内外轮廓。轮廓以外不需要的区域，则用激光切割成小方块(废料)，它们在成形过程中可以起支撑和固定作用。第十章 模具先进制造技术本讲稿第二十五页，共三十七页第十章 模具先进制造技术本讲稿第二十六页，共三十七页
22、 该层切割完后，工作台下降一个纸厚的高度，然后新的一层纸再平铺在刚成形的面上，通过热压装置将它与下面已切割层粘合在一起，激光束再次进行切割。胶纸片的一般厚度为0.070.15mm。由于UM工艺无需激光扫描整个模型截面，只要切出内外轮廓即可，所以制模的时间取决于零件的尺寸和复杂程度，成形速率比较高，制成模型后用聚氨酪喷涂后即可使用。LOM是80年代末才开始研究的一种RPM技术，商品化设备于1991年问世，但一出现就体现了其生命力，首创LOM技术的Helisys公司得到美国政府大力资助而一跃成为美国和全球第二大RPM公司。1994年该公司LOM设备的销售量，已与3D systems公司的SLA设备
23、并驾齐驱。第十章 模具先进制造技术本讲稿第二十七页，共三十七页 LOM发展很快是因其有以下特点：(1)设备价格低廉据华中理工大学经验，国产每台售价在人民币48万元左右，采用国外最好的元器件，售价也不过68万元。此外，因采用小功率CO2激光器、不仅成本低廉，而且使用寿命也长；(2)造型材料一般为涂有热熔树脂及添加剂的纸，制造过程中无相变，精度高，几乎不存在收缩和扭曲变形，制件强度和刚度高，几何尺寸稳定性好，可用通过木材加工的方法对表面进行抛光；(3)造型材料成本低，国产材料价格为每公斤30元左右，制件成本远比SLA方法便宜，这一点对于中等以上尺寸的制件尤为明显；第十章 模具先进制造技术本讲稿第二
24、十八页，共三十七页 (4)采用SLA方法制造原型，需对整个断面扫描才能使树脂固化，而LOM只需切割断面轮廓，成形速率高，原型制作时间短；(5)无需支撑设计，软件工作量小；(6)能制造大尺寸制件，工业应用面广：(7)代替蜡材，烧失时不膨胀，便于熔模铸造。该方法也存在一些不足；制件材料的耐候性、粘结强度与所选的基材与胶种密切相关；废料的分离较费时间，目前正从材料的配方、加工参数的合理选取和软件层面处理等多方面采取措施进行改进。Helisys公司是LOM系统的主要供应商，主要型号：LOM一2030和LOM1015。国内华中理工大学研制的LOM原理的HRP系统在多方面独具特色，己将进入市场。第十章 模
25、具先进制造技术本讲稿第二十九页，共三十七页 (3)选择性激光烧结SLS法 SLS采用激光器，使用的材料多为粉末状。先在工作台上均匀地铺上一层很薄(100一200)的热塑性粉末，也可以是金属粉末外覆盖一层热塑性材料而形成的粉末团。辅助加热装置将其加热到略低于熔点的温度。在这个均匀的粉末面上，激光在计算机的控制下按照设计零件在该层的几何信息进行有选择性地烧结(零件的空心部分不烧结，仍为粉末状态)，被烧结部分固化在一起构成原型零件的实心部分。一层完成后，机械滚筒会将新一层粉末铺在原有一层上，再进行下一层烧结，如此重复，直至整个工件完成为止。全部烧结完后，工件从工作室里取出，用较低的压缩空气将多余的松
26、散粉末吹掉，有些还要经砂纸打磨。去除多余的粉末，得到零件。图为选择性激光烧结原理图（下图所示）。第十章 模具先进制造技术本讲稿第三十页，共三十七页 SLS最大的优点是材料的选择性广泛，可配合不同用途：无毒，可循环利用；另外，不需支承(未烧结的粉未能自然地承托工件)。SLS可处理以下粉末材料；(1)标准的铸造蜡材，可用于失蜡铸造，制造金属原型、模具等；(2)聚碳酸脂；标准的工业热塑性塑料，可建造功能模型及原型、坚固的铸芯(代替蜡材，用于Rapid Casting快速铸造法来建造金属原型及模具)、复制用的母模，以及砂模铸造用的铸芯；其特点是坚固而耐热，积建速度快，能造出细微轮廓及薄壁；第十章 模具
27、先进制造技术本讲稿第三十一页，共三十七页 (3)尼龙：标准的工程热塑性塑料，可制造功能测试用的原型；耐用、耐热、耐化学腐蚀；(4)纤细尼龙：标准的工程热塑性塑料，可制造功能原型、砂模铸造用的铸芯，以及有装嵌需求的原型；(5)金属：钢铜合金，适于制作模腔及模芯的镶块。其强度相当7075铝材。用作注塑模具，此模具可生产5万件产品；(6)其他发展中的物料。第十章 模具先进制造技术本讲稿第三十二页，共三十七页10.2 10.2 模具快速原型制造技术模具快速原型制造技术 第十章 模具先进制造技术本讲稿第三十三页，共三十七页 (4)熔丝沉积制造FDM法 如下图所示为FDM示意图，FDM喷头受水平分层数据控
28、制，作XY方向联动扫描及Z方向运动，丝材在喷头中被加热至略高于其熔点，呈半流动融熔状态，从喷头中挤压出来，很快凝固，形成精确的层。每层厚度范围在0.0250.762mm之间，一层叠一层，最后形成整体。FDM工艺之关键是保持半流动成型材料刚好在凝固点之上，通常控制在比凝固温度高1左右。第十章 模具先进制造技术本讲稿第三十四页，共三十七页第十章 模具先进制造技术本讲稿第三十五页，共三十七页 FDM所用材料为聚碳酸脂、铸造蜡材、ABS，实现塑料零件无注塑模成形制造。在该技术领域美国Stratasys公司最为著名，其Stratasys1600为最新型。清华大学在这种成形方法上也做了大量研究。该种方法不采用激光，成本低，制作速度快，但精度相对较差。(5)三维印刷系统TDP法 该方法由麻省理工学院发明，也是一种不依赖于激光的成形技术。TDP使用粉末材料和粘结剂，喷头在一层铺好的材料上有选择性地喷射粘结剂，在有粘结剂的地方粉末材料被粘接在一起，其它地方仍为粉末，这样层层粘结后就得到一个空间实体，去除粉末进行烧结就得到所要求的零件。TDP法可用的材料范围可以很广，尤其是可以制作陶瓷模，主要问题是表面粗糙度差。第十章 模具先进制造技术本讲稿第三十六页，共三十七页第十章 模具先进制造技术返回返回本讲稿第三十七页，共三十七页