1 基于RP技術(shù)的快速模具制造

　　快速成形(RP)技術(shù)綜合了機械工程、CAD/CAM、數(shù)控技術(shù)件塌、激光技術(shù)及材料科學新技術(shù)役躬，采用材料累加原理颤榛，無需刀具、工裝纸兔，通過多種途徑快速實現(xiàn)從CAD數(shù)據(jù)到3維物理實體的轉(zhuǎn)換惰瓜。由不同的RP工藝制成的原型(prototype)可直接或間接地生產(chǎn)出工程零件或產(chǎn)品來。由于RP技術(shù)特別適合于制造形狀復雜精細的零件原型汉矿，成功地解決了CAD3維造型“看得見崎坊、摸不著”的問題，且具有生產(chǎn)柔性高(只需修改CAD數(shù)據(jù)就可生產(chǎn)不同形狀的零件)洲拇、技術(shù)集成度高(集設(shè)計制造于一體)奈揍，以及制造成本與零件復雜程度與生產(chǎn)批量無關(guān)等特點，使得該技術(shù)在汽車赋续、家電男翰、輕工另患、醫(yī)療修復、工藝品和兒童玩具等行業(yè)得到極其廣泛的應(yīng)用蛾绎。在國內(nèi)昆箕，已有一些單位對RP技術(shù)進行了研究開發(fā)，并都取得了一定成果秘通。

　　近20年來为严，制造業(yè)市場環(huán)境發(fā)生了重大的變化，用戶需求的多樣化與個性化以及國際市場的一體化振沾，使得制造商面臨更為激烈的競爭垛搏。為此，制造業(yè)在不斷探求能夠快速響應(yīng)市場的生產(chǎn)模式和技術(shù)策略莽恩，如并行工程肩卡、敏捷制造、高速切削和快速成形等妨试，RP技術(shù)也就是在這樣的背景下發(fā)展起來的嗦忍。以RP為技術(shù)支撐的快速模具制造(rapid tooling， RT)也正是為了加快新產(chǎn)品開發(fā)周期词俏，早日向市場推出適銷對路的阿绣，按客戶意圖定制的多品種、小批量產(chǎn)品而發(fā)展起來的新型制造技術(shù)标腮。

　　而RP/RT集成環(huán)境下的制造技術(shù)可實現(xiàn)最終零件和產(chǎn)品的快速制造郁邪，這無疑是對多樣化、個性化祈很、準時化昧识、小批量的現(xiàn)代制造模式和瞬息萬變的市場需求的強有力的技術(shù)支撐。RT將是實現(xiàn)這一思想的關(guān)鍵環(huán)節(jié)盗扒。

　　由于模具屬于一種技術(shù)密集型產(chǎn)品跪楞，其制作過程涉及材料、工藝侣灶、設(shè)備等各種因素甸祭，按傳統(tǒng)機械加工工藝生產(chǎn)、周期長褥影、成本高池户。而基于RP技術(shù)的RT由于技術(shù)集成度高，從CAD數(shù)據(jù)到物理實體轉(zhuǎn)換過程快伪阶，因而同傳統(tǒng)的數(shù)控加工方法加工一件模具相比，制作周期僅為前者的1/10～1/3处嫌，生產(chǎn)成本僅為前者的1/5～1/3栅贴，所以國外工業(yè)發(fā)達國家已將RP/RT作為縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期及模具制作周期的重要研究課題和制造業(yè)核心技術(shù)之一斟湃。

　　利用RP技術(shù)快速制造模具，按模具材料和生產(chǎn)成本一般可分為簡易模具(國外有關(guān)資料稱之為soft tooling或economical tooling)和鋼制模具(hard tooling)兩大類檐薯。

　　如果零件批量較小(幾十到幾千件)凝赛，或者是用于產(chǎn)品的試生產(chǎn)，可以用非鋼鐵材料制造成本相對較低的簡易模具上辖。此類模具一般先用RP技術(shù)制作零件原型庭授，然后根據(jù)該原型翻制成硅橡膠模、金屬樹脂模和石膏模绎探，或?qū)P原型進行表面處理粉只，用金屬噴鍍法(metalspraying)或物理蒸發(fā)沉積法(PVD)鍍上一層低熔點合金(如kirksite合金)或鎳來制作模具。

　　利用RP技術(shù)快速制作鋼模具目前有陶瓷型精密鑄造和失蠟精密鑄造以及化學粘結(jié)鋼粉(一般是不銹鋼粉)燒結(jié)滲銅處理直接生產(chǎn)鋼模具(均需RP原型作母模)闲堆，另外一種途徑就是利用RP原型制作銅電極或石墨電極暇鸦，再用電火花加工(EDM)制成鋼模具。

　　利用RP技術(shù)直接生產(chǎn)模具的著名商家有CEMCOM捍辫、Dynamic Tooling牺胎、Ex-press Tool、Extrude Hone和Rapid Tool等沉年，但都處于研制階段暂一，其生產(chǎn)規(guī)模、精度等級和最大模具尺寸脾婚、制造水平都十分有限拐云，離完全商業(yè)化程度尚有一定距離，這就給我們提供了一個趕超世界先進水平的極好機遇捕虽。美國Mechanical Engineering雜志副主編Ashley在1998年7月份該雜志的一篇文章中指出慨丐，如果能成功地利用RP技術(shù)開發(fā)RT，將會引起全球年產(chǎn)值達數(shù)百億美元的模具行業(yè)產(chǎn)生一次革命泄私。

　　2 RP/RT集成制造環(huán)境下快速模具制造的精度控制

　　因為模具是用來直接生產(chǎn)最終成品(尤其是占模具行業(yè)比例最大的用來制造家電房揭、輕工產(chǎn)品的注塑模)的工具，其尺寸晌端、形狀精度和表面質(zhì)量要求很高捅暴。提高RP原型制作精度、消除翻制工藝過程中精度損失因素的影響已成為RP/RT的關(guān)鍵技術(shù)咧纠。

　　目前蓬痒，國內(nèi)外對于RP和RT的研究只是局限在各個具體工藝步驟的可靠性和精度質(zhì)量的探討上，但是將基于RP技術(shù)的快速模具制造看成一個RP/RT集成系統(tǒng)漆羔，全面系統(tǒng)地研究其各個環(huán)節(jié)工藝精度的內(nèi)在聯(lián)系梧奢、相互影響和累積系統(tǒng)效應(yīng)，按照一個閉環(huán)模式將累積誤差反饋到CAD3維設(shè)計輸入端去修改數(shù)據(jù)演痒，逐次迭代亲轨，從而制造出滿足精度要求的模具產(chǎn)品陈伪，這方面的研究目前還很少。由于RP/RT集成制造環(huán)境下工藝環(huán)節(jié)多熬席，各工藝環(huán)節(jié)中變形機理復雜且隨機因素較多(復制材料種類和工作溫度都對其有明顯影響)泛倦，因而對各工藝步驟的精度控制帶來了一定的困難。而全閉環(huán)的精度控制模式可以對整個工藝過程中的精度影響因素作為一種累積效應(yīng)來進行控制贝狈，直接修改CAD數(shù)據(jù)习环，從而保證了RP原型和模具具有較高的精度。

　　因此在CAD設(shè)計階段就應(yīng)將隨后的整個工藝過程中可能出現(xiàn)的各種影響精度的因素都考慮進去芦终，包括樹脂固化收縮芍规、原型翻制過程中的收縮，以及在加工石墨電極時的研磨誤差補償?shù)妊÷瑥亩@得一個綜合考慮了集成制造環(huán)境下不同影響因素以后的比較合理的CAD數(shù)據(jù)这毁。按照這樣的數(shù)據(jù)來制造的原型及模具的精度將會大大提高。

　　目前關(guān)于RP原型的制作精度問題出了大量的文章赌列，有研究原材料物化性質(zhì)的混闪，有探討激光掃描方式的，有關(guān)于3維CAD模型分層方向的阅嘶，還有關(guān)于支撐設(shè)置方式和樹脂后固化處理的属瓣，等等。但采用RP技術(shù)制成的零件大部分只是一個原型讯柔，還不是由最終工程材料制成的零件或產(chǎn)品抡蛙。也就是說，還要以這個原型為母型去翻制出最終產(chǎn)品來魂迄。即使RP原型精度很高粗截，也會由于后續(xù)制作的不良工藝而導致模具和產(chǎn)品報廢。因此捣炬，我們認為熊昌，整個快速模具制造過程中的誤差鏈應(yīng)作為一個閉環(huán)系統(tǒng)來考慮，而且這個閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)當說是可控的湿酸。

　　目前關(guān)于RP原型的制作精度問題出了大量的文章婿屹，有研究原材料物化性質(zhì)的，有探討激光掃描方式的推溃，有關(guān)于3維CAD模型分層方向的昂利，還有關(guān)于支撐設(shè)置方式和樹脂后固化處理的，等等万窄。但采用RP技術(shù)制成的零件大部分只是一個原型榕哩，還不是由最終工程材料制成的零件或產(chǎn)品。也就是說，還要以這個原型為母型去翻制出最終產(chǎn)品來督近。即使RP原型精度很高样呜，也會由于后續(xù)制作的不良工藝而導致模具和產(chǎn)品報廢。因此屿赶，我們認為，整個快速模具制造過程中的誤差鏈應(yīng)作為一個閉環(huán)系統(tǒng)來考慮肾寡，而且這個閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)當說是可控的差机。

　　快速成形系統(tǒng)有10余種，目前較成熟的有五六種耿愈，都可以很快地按CAD數(shù)據(jù)制成形狀復雜的原型來倡超。但無論用何種方式制作原型，要將其變成最后生產(chǎn)用的模具還要涉及到隨后翻制過程中各種不同材料(如硅橡膠朦暖、石膏扎怨、陶瓷型、金屬樹脂粉和石墨電極研磨頭的粘結(jié)材料等)的收縮膨脹特性儒鹿，表面噴鍍金屬的結(jié)合強度以及分離劑(脫模劑)的適當選擇和石墨電極加工精度等諸多因素的影響化撕。從每個獨立的工藝步驟來說，我們首先要采取提高制作精度和誤差補償?shù)拇胧┰佳祝硗膺€要考慮到兩鄰接工藝步驟制作精度的相互影響與內(nèi)在聯(lián)系植阴，最后從總的精度鏈根據(jù)最后制成的零件誤差還需進一步檢測和評估，甚至修改CAD原始設(shè)計數(shù)據(jù)圾浅。

　　在實際工藝中掠手，可以先選擇幾種典型零件(不同復雜程度)進行設(shè)計，得到CAD3維模型狸捕，經(jīng)分層處理后輸入RP成形機制作原型喷鸽。原型制作完畢經(jīng)打磨、拋光和尺寸檢查(應(yīng)預先考慮到隨后翻制過程中的收縮量灸拍，不同的翻制過程和翻制次數(shù)其收縮量是不一樣的)做祝，合格后利用硅橡膠和金屬樹脂等翻制成軟模，再制成石墨電極研具并將電極研制出來株搔。由于研磨機原理是小振幅圓周平動加縱向進給剖淀，故研磨加工生產(chǎn)出表面形狀與研具相反但尺寸略小的3維石墨電極。在研磨成形加工過程中對小振幅圓周平動振動的振幅Δα進行監(jiān)測肌辑，因此加工后的石墨電極與研具在x-y平面上的輪廓圖形誤差為±Δα(型芯為“-”足渔，型腔為“+”)。在電火花加工鋼模時刹造，電火花機床的平動頭采用與研磨機平動臺相同的振幅參數(shù)Δα丹碑，從而可以補償石墨電極研磨加工過程中由于小振幅圓平動振動而改變的尺寸。在此過程中劫欣，研磨機平動臺的平動和電火花機床平動頭的平動形成了一對逆加工候隘，因此鋼模尺寸得到了很好的補償述逾。模具加工好以后，經(jīng)試模裆乘、修模(必要時亦可修整電極)后正式投入生產(chǎn)(例如生產(chǎn)注塑件)殴客。產(chǎn)品是否合格可采用反求技術(shù)(反求測量精度為±0.03mm)精確測得其內(nèi)外輪廓尺寸。因為此時的精度誤差是整個工藝的累積結(jié)果衅逝，可以依據(jù)該誤差更新修改CAD數(shù)據(jù)傀铃，修正CAD模型后進行下一輪實驗，得到閉環(huán)系統(tǒng)精度控制的結(jié)論忠伊。以后的實際制作中可用此結(jié)論預測不同形狀模具的工藝變形參數(shù)并給予補償修正茫经。鋼模具的精度用三坐標測量機測量，軟模具用非接觸式激光掃描方法測量萎津。實例表明卸伞，從RP原型到鋼質(zhì)模具精度可以控制在±0.03mm。

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