RP技术对于模具工艺综合误差的改进

优胜编程龚老师

RP技术对于模具工艺综合误差的改进:

RP原型制造过程分为4个工艺步骤，即数据准备、层准备、层固化和后处理。　　
1 2石膏过渡模型制作工艺为降低费用、缩短模具制造周期，一般只制作凸模或凹模的RP原型，另一半通过石膏翻型而成。另外， RP原型制作时不可能考虑到所有的工艺补偿特征，如拉延筋、工艺补偿面等，这些特征可在石膏翻型时加以补充。用石膏翻型的优点是：
1）价格低廉、操作简单，可一次灌注成型，生产周期短；
2）石膏混合料浆体流动性很好，浆体在凝结过程中有轻微体积膨胀（ 0. 2% 1. 2%） ，具有优异的复型性；
3）通过加入不同比例的填料可控制石膏模型的强度和膨胀/收缩率。　　

1 3金属电弧喷涂模具制造技术及工艺a）电弧喷涂原理：如所示，金属电弧喷涂的基本原理是以两根分别接直流电源正负极的金属丝（ d 2 3mm）作自耗性电极，利用其端部产生的电弧将自身熔化；处于电弧点正后方的喷嘴射出高速、高压空气使熔化的金属脱离且雾化成微粒，最后以极高速度撞击基体表面，扁平化，形成光滑、致密、低气孔率的高品质金属涂层。　　金属电弧喷涂示意图b）金属电弧喷涂工艺参数：影响涂层机械性能的电弧喷涂工艺参数主要有：电弧电压、电弧电流、雾化空气压力、喷涂距离和喷枪移动速度等。　　
1 4背衬材料的浇注金属喷涂壳体只是为模具提供一个高品质型面，它自身几乎没有承受冲击载荷的能力，必须在其背后放置钢制骨架并浇注环氧树脂和高强度水泥填充料，才能使模具整体有足够的强度和刚度抵抗冲压力的冲击。以环氧树脂作为金属电弧喷涂模具的主要加固填充料。环氧树脂具有流动性较好、粘接力强、固化收缩性小和机械性能高等优良性能，能与固化剂、改性剂及各种填料组成不同性能的粘结剂和加固填充材料，具有很广泛的用途，在模具制造领域也得到越来越多的应用。　　

2金属电弧喷涂快速模具制造的误差分析从基于RP技术的金属喷涂模具制造工艺过程可以看出，最终模具的精度是由各个环节被处理对象的精度有关。我们以每一环节的被处理对象为线索，为RP- AMS模具制造工艺过程对象流程图。在每一次对象转换过程中都有可能产生形状和尺寸误差，为了使最后得到的金属喷涂模具最大限度地复现CAD模型或3D测量数据所表达的形状，必须对模具制造的每一环节可能产生的误差加以分析并进行有效的控制。　　不同弦高精度时曲面的三角面片逼近模型稠密的，所以由原始测点连接得到的三角面片集是非常庞大的，存在着很大的冗余度，给后续的切层操作造成较大的困难；b）为了减少三角面片数量，降低冗余度，第二步的工作是将三角面片进行合理的合并，随着三角面片数量的减少，重构误差会逐渐增大，在一定精度约束条件下，可以得到最少的三角面片。可见数字化模型转化误差属于原理性误差，其误差大小是可控制的，控制措施也比较简单，就是以效率换取精度。对精度要求高的零件保持较多的三角面片，其不利因素是增加了后续数据处理工作量，降低了计算效率。　　

2 2光固化原型误差分析2 2 1面向应用的光固化原型误差分类方法从应用角度出发可将光固化原型制造误差分为三大部分：即数据处理误差、制造综合误差和面向应用的后处理误差。其层次模型如所示。　　
面向应用的光固化原型误差因素层次模型数据处理误差包括两部分：
1）由CAD模型到STL模型转换的误差； STL转换具有相对独立性，它与后续的具体原型制造工艺形式无关，在前面对其转换误差进行了单独说明；
2） STL模型切层时产生的分层圆整误差。　　制造综合误差是指光固化原型实测数据与STL数据之间的差别，它是原型制造过程中各种误差综合作用的结果。制造综合误差可以看作是成型过程误差和后处理误差的综合，也可以看作是机器误差和工艺误差的综合。　　面向应用的后处理概念与原型制造过程中的一般后处理概念不同。通常所说的后处理是成型过程的一个不可分割的阶段，对所有的原型都必须实施，与原型的具体应用环境无关，主要包括残留液态树脂清洗、去除支撑和后固化等工艺；面向应用的后处理则是指针对具体应用目的对原型所进行的必要的处理，如表面抛光、原型拼合等操作。　　由此类操作所引起的原型误差称为面向应用的后处理误差，对此类问题的精度分析称为面向应用的精度分析。此类问题对于RP技术应用至关重要。　　不同应用对RP原型的精度要求有所不同，如用作产品评价、样品展示时，可以对原型进行表面抛光或粘接拼合等操作，而不必太顾虑这些操作对原型尺寸精度的影响；但另一些应用，如作为模具制造母模，则对原型尺寸精度、表面品质有较高的要求，如果对原型进行特殊的后处理，则必须考虑其对原型精度的影响。　　电弧喷涂模具制造综合误差控制实例模具制造经历树脂原型、石膏型和电弧喷涂模具三个步骤，其中每一步都有可能产生误差，但如果工艺参数设置得当，就有可能使各步的误差相互抵消，从而使整个工艺过程的综合误差大大减小。　　在以上三个步骤中，树脂原型和电弧喷涂模具的可控因素较少，石膏型制作时的可控因素较多。在不同水固比、不同烘干温度以及添加不同填料的情况下，石膏固化体会产生不同的膨胀/收缩率，通过选用合适的工艺参数，可以对模具制造综合误差起到有效的补偿作用。　　以一副圆柱球面金属喷涂模具为实例来讨论实际模具制造过程中石膏翻型和金属电弧喷涂的综合误差。模具包括凸、凹模两部分，这里仅讨论凸模。由于模具制造的目的是讨论制造误差，所以凸、凹模采用同一原型翻制，未考虑板料厚度。　　

以（ a）所示的钢制圆柱体为原型，先翻制其石膏模型，然后进行金属电弧喷涂，考察石膏翻型和金属喷涂过程的综合误差。石膏模型采用符合GB 9776- 88石膏粉制作，水固比为0. 67.电弧喷涂材料Zn- （Al- Cu）伪合金，喷涂工艺参数：电压28V，电流100A，空压0. 5MPa，喷涂距离200mm.　　凸模制造误差凸模制作过程如所示，其中（ a）为圆柱体原型；（ b）为石膏反模型；（ c）为金属电圆柱体凸模制作过程示意图 机械制造与研究　　郭维俊 基于RP技术的金属电弧喷涂模具制造的误差分析Machine Building Automation， A ug 2006， 35 （4 ） ： 35 39　数据测量及处理圆柱体钢原型在数控车床上加工，其直径D =（79. 927 0. 003） mm.以D 1表示石膏模型测量直径， D 2表示金属喷涂模型测量直径，则石膏型直径偏差1 = D 1 - D；金属喷涂模型与石膏模型之间的直径偏差21 = D 2 - D 1；石膏翻型和金属喷涂的综合误差，即最终得到的金属喷涂模型的实际误差2 = D 2 - D.沿圆柱体圆周每隔15%测量一个直径数据，整个圆周共测量12个数据。测量设备采用JX - 7型万能工具显，测量精度 （3 + L / 30） m.测量数据以及按以上定义计算的误差结果列于。凸模凹型钢型尺寸分布分析结果如所示。　　

石膏凹型喷涂凸模钢圆柱原型尺寸偏差mm测量位置石膏凹型喷涂凸模凸模凹型绝对偏差凹型钢型绝对偏差凸模钢型绝对偏差1 79. 960 79. 940 - 0. 02 0. 033 0. 013 2 79. 966 79. 930 - 0. 036 0. 039 0. 003 3 79. 970 79. 939 - 0. 031 0. 043 0. 012 4 79. 979 79. 950 - 0. 029 0. 052 0. 023 5 79. 981 79. 950 - 0. 031 0. 054 0. 023 6 79. 980 79. 956 - 0. 024 0. 053 0. 029 7 79. 973 79. 955 - 0. 018 0. 046 0. 028 8 79. 967 79. 952 - 0. 015 0. 04 0. 025 9 79. 976 79. 948 - 0. 028 0. 049 0. 021 10 79. 975 79. 950 - 0. 025 0. 048 0. 023 11 79. 971 79. 939 - 0. 032 0. 044 0. 012 12 79. 955 79. 934 - 0. 021 0. 028 0. 007平均值79. 971 79. 945 - 0. 026 0. 044 0. 018平均相对偏差/ % - 0. 033 0. 055 0. 023标准差0. 008 51 0. 006 39 0. 008 03 0. 008 51 3 （当 = 0. 04%时）0. 008 57 0. 006 34 0. 008 09 0. 008 57置信区间79. 962 79. 980 79. 936 79.954 - 0. 032 3 - 0. 019 7 0. 0521 0. 0359 0. 0094 3 0. 026 6凸模凹模钢型尺寸偏差综合分析2 3 3误差讨论a）如（ b） ，石膏凹型的壁比较厚，脱模后其直径应随着石膏的膨胀而缩小，但测量数据显示，石膏型直径比原型直径大，凸模凹型钢型尺寸分布分析结果如所示，其平均偏差集中在0. 044mm附近，平均相对偏差为0. 055%.产生这一矛盾的原因是钢制原型脱模时造成了石膏型直径扩大，脱模后石膏的膨胀不足以抵消直径的扩大量；b）金属喷涂层在冷却时会产生收缩，所以金属喷涂凸模的直径比石膏型直径要小，由测量数据计算，凸模凹型钢型尺寸分布分析结果图 机械制造与研究　　凸模制造时的误差统计结果对比%石膏模型直径平均偏差金属喷涂模型直径平均偏差模具平均综合相对误差凸模制造0. 055 - 0. 033 0. 023 a）在实际模具制造过程中，石膏模型误差不仅与石膏本身的膨胀率有关，而且与脱模操作有关。总之，石膏模型比原型尺寸要略大一些（参见） ；b）实际金属喷涂模具的膨胀率基本为0. 06 %，但反映出较大的离散性；c）由于石膏模型的膨胀性与金属喷涂收缩性的相互补偿作用，模具制造综合误差比各分步误差要小，起到了误差控制效果。对于凸模，综合误差相对于各分步误差减小30. 3% 58. 2% ；d）由于石膏模型制作和金属喷涂过程中工艺离散性的影响，要想完全消除模具制造综合误差是不可能的，但通过有目的的误差补偿工艺，可以使其得到明显的降低。　　根据基于RP技术的金属喷涂模具制造工艺过程来看，只有对模具制造的每一环节可能产生的误差加以分析并进行有效的控制，才能使金属喷涂模具最大限度地复现CAD模型或3D测量数据所表达的形状。而树脂原型和电弧喷涂模具的可控因素较少，石膏型制作时的可控因素较多。在不同水固比、不同烘干温度以及添加不同填料的情况下，石膏固化体会产生不同的膨胀/收缩率，通过选用合适的工艺参数，可以对模具制造综合误差起到有效的补偿作用。