快速制造模具尤其是金屬模具技術(shù)是由新產(chǎn)品設(shè)計迅速形成高效孕暇、低成本福晋、優(yōu)質(zhì)的批量生產(chǎn)并搶占市場的關(guān)鍵，近年來受到極大關(guān)注纪闽。然而，目前的耐久金屬模具尤其是大中型模具的快速制造技術(shù)尚不成熟决癞，成為快速制模技術(shù)進一步發(fā)展并取得更大經(jīng)濟效益需要解決的關(guān)鍵課題委勤。

　　前言

　　快速制造模具尤其是金屬模具技術(shù)是由新產(chǎn)品設(shè)計迅速形成高效、低成本榴廷、優(yōu)質(zhì)的批量生產(chǎn)并搶占市場的關(guān)鍵宴甩。近年來可用于實際生產(chǎn)的中大批量成形耐久金屬模具的快速制造技術(shù)受到極大關(guān)注。然而钢战，目前的耐久金屬模具尤其是大中型模具的快速制造技術(shù)尚不成熟沾尔，成為快速制模技術(shù)進一步發(fā)展并取得更大經(jīng)濟效益需要解決的關(guān)鍵課題。

　　快速制模技術(shù)可分為由RP系統(tǒng)制作的快速原型或產(chǎn)品原型復(fù)制模具的間接法(1RT)弟头，以及由RP系統(tǒng)無模直接制造模具的直接法(DRT)兩大類吩抓。間接法法實際上在RP技術(shù)誕生之前就已出現(xiàn)：隨著RP技術(shù)延生而發(fā)展起來的直接法尤其是直接快速制造金屬模具DRMT方法雖然受到高度關(guān)注，但目前由于可成形尺寸范圍赴恨、精度和材料性能控制方面尚存在困難疹娶，實用化程度遠低于間接法。

　　熔射快速制造耐久金屬模具技術(shù)伦连，因其幾乎不受制模材料和尺寸大小限制蚓胸，尺寸及表面精度高于鑄造和燒結(jié)法、制模時間和成本遠少于和低于電鑄法而受到關(guān)注除师。其基本工藝是由原型→硅膠呐嫔牛→被熔射原型→耐磨合金熔射→加襯補強→原型分離→后處理→熔射模具扔枫，工序多，控制精度難度大锹安。尤其是其技術(shù)關(guān)鍵-耐高熔點合金熔射的被熔射原型制造須經(jīng)過原型→硅膠亩碳觯→被熔射原型三道工序，致使制模時間和成本增加叹哭，控制制模精度難度大忍宋，從而限制了該技術(shù)實用化的進程。因此恒欣，能否直接制造耐熱且可分離的被熔射原型移良，是拓寬該技術(shù)的應(yīng)用范圍，提高與其它快速制模和機械加工制模技術(shù)競爭能力的關(guān)鍵髓界。為此辰稽，本文提出直接制造原型快速熔射制模技術(shù)(DPST-Direct Proto-type Spray Tooling)。該技術(shù)以新開發(fā)的機器人柔性數(shù)字化制造系統(tǒng)為平臺咪犹，可直接由CAD模型制造耐熱爷瓜、可分離、高精度的被熔射原型遭屑，從而省去以往的RP原型和硅膠模復(fù)制兩個工序享偎，可顯著縮短制模周期、降低成本贴袖、提高精度漏匹，從而大大拓展熔射制模技術(shù)的應(yīng)用范圍。為快速质窒、低成本硫朦、高質(zhì)量地制造多品種、變批量的產(chǎn)品成形用金屬模具開辟新的有效途徑烈菌。

　　1.DPST方法概述

　　直接原型機器人熔射快速制模(DPST)方法的基本工藝主要包括機器人加工原型阵幸、機器人熔射成形、機器人表面后處理等三大模塊芽世。

　　此加工系統(tǒng)由一個工業(yè)機器人挚赊、等離子熔射機、研磨機济瓢、數(shù)控轉(zhuǎn)臺等組成荠割。工業(yè)機器人選用日本YAS—KAWA的六軸工業(yè)機器人，與數(shù)控轉(zhuǎn)臺構(gòu)成七軸機器人成形加工系統(tǒng)旺矾。該系統(tǒng)可通過在其末端連接不同的執(zhí)行器蔑鹦，便可在一臺機器人上實現(xiàn)多種加工功能，從而使得整個工藝過程變得極為簡潔箕宙、柔性嚎朽，可加工范圍廣铺纽、工件復(fù)雜度高，并大幅度地減少了大型數(shù)控機床等設(shè)備的投資和空間哟忍，是一種極具應(yīng)用前景的新型零件與模具制造技術(shù)诫瑞。

　　2. 機器人原型制造

　　采用工業(yè)機器人高速銑削直接加工成形原型和零件，是近年來興起的一個新的研究方向融确，國內(nèi)外的學(xué)者對其進行了相關(guān)的研究喘玄。荷蘭代夫特技術(shù)大學(xué)的Jotis S．M．Vergeest開發(fā)了一種雕刻機器人系統(tǒng)，用來銑削制造輕金屬和聚亞安酯材料的零件醒横；香港大學(xué)的W.C.Tse等Matsuoka采用機器人高速銑削來加工鋁合金薄壁件蝗悼。與數(shù)控機床相比較，工業(yè)機器人 具有自由度多(六自由度)禁舌，加工范圍廣出募，靈活的特點，能夠加工復(fù)雜的三維形狀的零件．但其缺點是剛度相對較差郊檐，加工精度不高玩捉，所能加工的材料主要集中在泡沫材料跃唧、蠟茴怀、聚亞安酯以及鋁等輕金屬材料．對于陶瓷材料的機器人銑削加工目前還未見相關(guān)文獻報道。

　　陶瓷材料由于在燒結(jié)前強度很低令怎，很難對其進行精細(xì)加工找筝，而燒結(jié)后，材料硬度增大慷吊，常采用特種加工方法如電火花加工技術(shù)袖裕、激光加工以及超聲旋轉(zhuǎn)加工等方法來進行加工。本文的實驗研究結(jié)果表明采用陶瓷與金屬復(fù)合材料溉瓶，在一定的工藝條件下急鳄，其坯料具有較好的機加工特性，經(jīng)過處理后能滿足耐高熔點合金熔射的要求堰酿。

　　機器人直接制造耐高溫熔射陶瓷原型工藝是根據(jù)CAD模型文件直接銑削制造陶瓷模具型腔疾宏。首先通過三維造型軟件如UG—NX直接生成模具型腔的NC加工文件，然后再經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理得到機器人可執(zhí)行的銑削加工文件触创。將文件導(dǎo)入機器人控制柜中即可對澆注成型的陶瓷坯料進行高速銑削加工坎藐，成型后再進行熱處理，即得到耐高溫的熔射原型哼绑。

　　3.機器人熔射成形

　　在獲得了耐高溫的陶瓷原型后岩馍，就可在其基礎(chǔ)上進行機器人熔射即機器人等離子噴涂成形。將工業(yè)機器人用于噴涂作業(yè)抖韩，國內(nèi)外已有相關(guān)應(yīng)用和研究浇沧。但主要應(yīng)用于噴漆和噴釉作業(yè)盆篡。而等離子噴涂過程由于具有高溫、高速和高應(yīng)力狀態(tài)的特點坏扣，因此必須對機器人的熔射路徑進行合理的規(guī)劃赐赁。由本項研究開發(fā)的軟件，可從被熔射原型基體的CAD文件傳換得到的STL文件伶摩，然后通過切片分層雕踊，從而得到表面的點的軸跡和方向矢量，再根據(jù)熔射工藝的要求昂幕，將這些點按照一定的順序連接起來挺候，即得到機器人的噴涂路徑。

　　機器人的噴涂路徑庶化，一般為Z字形的光柵路徑即钞。為了克服由噴涂過程中由于溫度不均勻?qū)е碌母邭堄鄳?yīng)力所造成的皮膜的翹曲和開裂，我們設(shè)計了一種旋轉(zhuǎn)疊加的光柵路徑迹姆。在每一層的噴涂過程中部爱，仍然采用Z字形的光柵路徑，但在第n＋1層與第n層光柵軌跡之間存在一個夾角θ岭埠。為了確定一個最優(yōu)的夾角盏混，我們分別先取了0°、45°惜论、60°许赃、90等幾四種方案分別進行實驗。實驗結(jié)果表明馆类，在θ＝90°時皮膜具有最低的殘余應(yīng)力分布混聊。這主要是因為隨著角度的增加，每層涂層間的熱變形均勻性增加乾巧，從而使涂層整體的應(yīng)力分布更加均勻句喜。而隨著殘余應(yīng)力的降低，能減少噴涂過程中皮膜的翹曲現(xiàn)象沟于，增強皮膜的成型性咳胃。

　　4.補強和后處理

　　對熔射所獲得的金屬皮膜，采用金屬或者金屬與樹脂復(fù)合的材料進行補強后社裆，再與被熔射原型分離拙绊，即得到工藝所需要的模具型腔。對模具型腔進行后續(xù)精整加工后谈毫，進行裝配就得到了試制或批量成形用金屬模具哟俩。此項技術(shù)尤其適用于大中型、復(fù)雜形狀、耐磨金屬模具的低成本快速制造褐琼，制模周期短(約數(shù)天可得大型模具型腔)订淑、成本比機械加工減少30—50％、表面硬度可達HRc55—60涤瘸、精度<0．05％搁排；可取代數(shù)控機床加工，極大地減少大型數(shù)控機床的昂貴投資延砾，已申請國家發(fā)明和國際發(fā)明專利占窥。去年8月作為最新模具制造新技術(shù)在日本[型技術(shù)]雜志上發(fā)表。目前本工藝已應(yīng)用于汽車段辈、摩托車車身模具的塑料模和沖壓模的制造唆海。

　　5.結(jié)論

　　通過本文研究開發(fā)得到了如下結(jié)論：

　　l、采用本文開發(fā)的機器人原型制造技術(shù)憾宅，可直接制造耐熱赞季、可分離、精度高的被熔射原型奢驯。

　　2申钩、在此基礎(chǔ)上開發(fā)的機器人直接原型熔射快速制模技術(shù)，顯著縮短了制模周期瘪阁、降低了制模成本撒遣、提高了制模精度。

　　3罗洗、 此項技術(shù)尤其適合于大中型愉舔、復(fù)雜形狀的多品種钢猛、變批量成形用金屬模具的快速低成本制造伙菜，在汽車、家電命迈、通訊贩绕、輕工等諸多行業(yè)的金屬模具制造方面極具應(yīng)用前景。

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