模具之家讯：关键字：快速模具|电弧喷涂|复合材料|大型汽车覆盖件
摘要：金属电弧喷涂成型制模技术是一种基于“复制”的制模工艺，与传统制模工艺相比，具有制模速度快、周期短、成本低等特点。金属喷涂模具由金属型壳、背衬强化层以及模框等构成，是一种具有梯度材料结构的复合材料模具。关键制模工艺包括：母模制备、金属型壳制造、模框制作、背衬强化层制作、脱模以及后处理等。金属喷涂制模技术可用于制造注塑模具、热成型模具和板料冲压模具等，本文以大型汽车覆盖件模具的快速制造为例进行了详细介绍。
快速成型(Rapid Prototyping-RP)技术是20世纪80年代末期开始商品化的一种高新制造技术，对制造业而言，其重要性可以与60年代出现的数控技术相媲美。由于需求的推动，以RP技术为核心，发展出众多的快速制造模具的新方法和新工艺，构成所谓的快速模具制造技术(Rapid Tooling-RT)。目前，快速模具主要应用于新产品的开发和试制，以及产品小批量生产。总体而言，快速模具制造技术工艺集成程度高，与传统的机械加工相比，快速制模技术具有制模周期短、成本低、精度与寿命又能满足生产上的使用要求，综合经济效益比较显著。因此，国外工业发达国家已将快速制模技术作为缩短产品开发时间及模具制作周期的重要研究课程和制造业核心技术之一。
1快速模具制造方法
概括起来，快速模具制造方法大致可分为直接制模法与间接制模法两大类。
1.1 直接制模法
利用RP技术直接制造所需的模具，主要制造方法有光固化法、烧结浸渗法、高能束直接金属烧结成形法和薄钢板层叠法等，典型制造工艺有3D Systems公司的Direct AIM和RapidTool、Optomec Design 公司的LENS工艺和EOS公司的DMLS工艺等。受成型材料、工艺和RP设备尺寸的限制，直接制模法还基本处于实验研究阶段[1]-[4]。
1.2 间接制模法
利用RP技术制作的零件作为母模，通过与后续传统模具制造工艺，如翻型、电铸、精密铸造、金属喷涂、电极研磨和粉末烧结等相结合间接制造所需的模具。间接制模法能生产出表面质量、形状精度、尺寸精度和力学性能都较高的金属模具，国内外这方面的研究非常活跃，典型制造工艺有3D Systems公司的3D Keltool和QuickCast工艺、美国Idaho国家工程与环境实验室的RSP工艺、金属喷涂成型制模工艺等。间接制模方法比较灵活，应用范围广，不仅可以制造非金属和金属模具，而且可以制造出具有功能梯度材料结构的复合材料模具，是目前实现快速制模的主要途径[1]。
对于板料冲压模具，尤其是大型汽车覆盖件模具，目前采用间接制模法所制造的模具主要有如下几种类型：树脂基复合材料模具、中或低熔点合金铸造模具、金属电弧喷涂模具(如美国Ford公司和西安交通大学等)、薄钢板层叠模具、高强度混泥土模具(Concrete Die)等。在上述间接制模方法中，“金属电弧喷涂成型快速制模技术”在模具成本、寿命、制造周期、精度等方面具有综合比较优势，并且模具工作表面是金属层，拥有较好的强度、硬度和耐磨性，模具表面摩擦学特性更接近于钢质模具，是一种较为理想的大型冲压模具快速制造方法[3][5][6]。
2金属电弧喷涂成型快速制模技术
金属电弧喷涂成型快速制模技术是一种基于“复制”的制模技术,它以一个实物模型(或称为原型) 作为母模，以电弧为热源熔化金属丝材，通过高速高压气流将熔融状态的液态金属雾化，并使其喷射、沉积在母模表面上，快速凝固后形成具有一定厚度的致密金属涂层，即模具金属型壳。金属型壳精确拷贝了原型的形状，获得了所需的模具型腔，在完成背衬补强、脱模、抛光等后处理工艺后，即快速制造出所需的模具。母模可以采用快速原型、过渡模型以及产品实物等，也可以通过数控加工易切削材料，如木材、石膏等非金属材料得到。
金属电弧喷涂制模工艺以母模为基准，模具型腔尺寸、几何精度和表面粗糙度等完全复制于母模，型腔表面及其精细花纹一次同时形成，因此制模速度快，制造周期短，成本低，同时拥有较长的模具寿命。
金属电弧喷涂成型快速制模工艺，如图1所示，主要包括如下工艺环节：母模制备，母模表面预处理，电弧喷涂制造模具金属型壳，填充背衬材料，脱模及后处理等。
图1 金属电弧喷涂快速制模工艺流程
3金属电弧喷涂快速制模装备
3.1电弧喷涂工艺制作模具型壳，有三类参数需要精确控制
(1)运动参数，为了在母模表面制作出厚度均匀、致密、内应力小的金属型壳，电弧喷枪相对于母模表面的位置和姿态，喷涂距离，以及喷枪相对于母模表面的扫描路径、扫描顺序和移动速度等都有特定的要求。
(2)电弧喷涂工艺参数，为非运动量的控制，主要包括喷涂电压、电流、空气压力等。
(3)母模/涂层温度参数，主要包括喷涂前对母模预热、喷涂过程中母模/涂层恒温、喷涂过程结束后，按一定的策略逐步降低母模/涂层温度，直至冷却到室温。
3.2电弧喷涂制作功能人工操作无法胜任
模具型壳的制造是金属电弧喷涂制模技术的关键。尽管传统的电弧喷涂制作功能涂层是由人工操作完成的，但是对于模具型壳的制造，人工操作却无法胜任。
原因有如下几个方面。
(1)金属电弧喷涂过程中会产生大量有害健康的烟雾、金属粉尘和强紫外光等，而且噪音大，工作环境相当恶劣，而模具型壳的厚度又比功能和装饰涂层大得多，因此劳动强度非常大，人工操作难以胜任。
(2)为了获得高质量的模具型壳，上述的喷涂工艺参数都需要进行精确控制，对于形状复杂的大型模具(如轿车覆盖件模具)，基体的表面面积大、曲率变化丰富，人工操作喷枪是完全不可能满足要求的。因此，实现电弧喷涂工艺过程自动化对于大型模具制作非常重要，工艺过程自动化水平的高低将直接影响模具的制造质量和制造周期。
(3)汽车覆盖件模具型面大多数为自由曲面，如果采用通用工业机器人完成喷枪的操作，示教或人工数控编程工作将变得非常繁重，这必然会影响模具的制作时间。因此，喷涂机器人的控制必须要简单高效。此外，通用工业机器人一般只能完成运动操作，不具有喷涂电压、电流、空气压力等工艺参数的实时控制功能。因此，对于金属电弧喷涂制模技术而言，研制专门的电弧喷涂制模装备是非常必要的。
“十五”期间，西安交通大学在对电弧喷涂成型制模技术、低熔点合金浇铸成型制模技术以及模具树脂制模技术等快速制模工艺进行长期研究和实践的基础上，分别承担了国家863计划和十五科技攻关计划两个项目的研究工作，对金属喷涂技术、模具制造机理、喷涂材料复合(如锌铝铜伪合金)、刷镀表面耐磨强化、工艺优化等方面开展了深入研究，在中低熔点金属喷涂制模技术及设备以及电刷镀模具表面强化等方面取得了一些创新性的研究成果。针对汽车制造企业和模具制造企业在快速制模领域的迫切需求，基于在“金属电弧喷涂成型快速制模技术”领域多年的积累，创新性成功开发出拥有3项发明专利、集运动控制和工艺参数于一体的金属电弧喷涂快速模具制造装备-5轴金属电弧喷涂快速制模机器人，如图2所示。该机器人手腕采用了创新的双平行四边形运动解耦机构，大大降低了控制复杂度和机构运动惯量，实现了喷枪运动CAD模型直接驱动的自动化喷涂作业，无需传统的人工示教编程和数控编程，可以大幅提高工作的效率，对喷涂过程中涂层状况实时检测，实现了关键喷涂工艺参数的实时控制等。金属电弧喷涂快速制模机器人的研制成功为轿车新车型开发和模具试制提供了一种重要的支撑手段[7][8]。
图2 金属电弧喷涂成型快速制模装备
4 金属电弧喷涂成型制造大型汽车覆盖件模具
2004年以来西安交通大学利用电弧喷涂成型快速制模技术先后为国内汽车制造企业完成了三个车型共计42副汽车样车覆盖件试制模具的制作，单副模具制作样件数量超过120件，成本低、速度快，获得了服务企业的好评。基于中低熔点金属/合金电弧喷涂模具的样车样件制作工艺流程，如图3所示。
图3 汽车覆盖件样车样件快速制造工艺流程
利用电弧喷涂快速制模技术为国内某大型汽车公司制作新车型样车样件的一个实例，如图4所示，模具尺寸为1800×600×850 mm。母模采用石膏型母模，模具型壳材料采用锌铝合金，背衬采用金属粉填充环氧树脂以及高强度水泥制作。经试制检验，合格覆盖件模具的三维模型数据可以直接用于数控加工最终的钢模具，保证钢模具制作一次成功，避免了在钢模具制作上的反复，进一步缩短新车型的开发周期，降低开发成本。国外汽车公司的实践证明，金属电弧喷涂模具可以部分替代冲压生产线上的钢质模具[6]。
图4 金属喷涂模具及汽车覆盖件样件快速制造工艺流程
5 结论
目前常用的汽车覆盖件简易模具制作工艺有低熔点合金模、锌基合金模、环氧树脂模等。通过对金属喷涂制模技术的研究及实际工程验证，与以上各项技术相比，金属电弧喷涂模具制造技术已成为一种快速模具制造的优选方法。金属电弧喷涂模具制造技术具有以下特点。
(1)工艺简单，制模周期短，成本低，特别适合于新产品开发和小批量生产，还可以作为试制手段为CNC加工钢模具提供准确的工艺数据。
(2)复型性好，对母模材料要求较低，能在金属、木材、塑料、石膏等多种材料制作的模型表面进行喷涂。
(3)对于中低熔点金属材料制模而言，对母模的热输入小，金属型壳热变形小，制模精度高。
(4)对模具尺寸适应性强，尤其适合制造大型模具。
金属电弧喷涂成型快速制模技术可以为汽车、航空、仪器仪表、塑料制品以及军工等行业新产品的开发、试制及批量生产提供快速、低成本的模具，尤其是可以为汽车工业极大地缩短汽车车身开发的周期、降低开发的成本，为汽车新车型的开发提供技术支撑。
参考文献
[1] 王运赣.快速模具制造及其应用[M].武昌：华中科技大学出版社.2003.
[2] Rosochowski A.Matuszak A (2000) Rapid tooling: the state of the art. Journal of Materials Processing Technology. 106: 191-198.
[3] Takeo Nakagawa (2000) Advances in prototype and low volume sheet forming and tooling. Journal of Materials Processing Technology. 98: 244-250.
[4] Gregory John Gibbons. Robert G. Hansell.A.J. Norwood, P.M. Dickens. (2003) Rapid laminated die-cast tooling. Assembly Automation. 23(4): 372-381.
[5] 何仲赟，朱东波，唐一平等.基于电弧金属喷涂与电刷镀技术的快速制模技术[J].模具工业.2003.12.43-47.
[6] Margaret BVS (2002) Rapid tooling--another better idea from Ford. Forming & Fabricating 9(5): 29-34.
[7] He Zhongyun, Lu Bingheng, Hong Jun, etc. A novel arc-spraying robot for rapid tooling. International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2007. 31(9-10):1012-1020.
[8] 何仲赟，卢秉恒，朱东波. 面向汽车覆盖件模具快速开发的金属喷涂机器人研究[J].西安交通大学学报.2004.38(11).1174-1177.
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