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快速制模技術探析
發布日期:2011-02-14 10:01

隨著全球經濟的進一步一體化,制造業競爭顯得越發激烈。如何縮短生產周期并降低成本,成了制造業首要考慮的問題。提高產品的開發速度和生產的柔性化程度成為共同的目標。

快速模具制造技術(RT)就是適應這種市場需求,能快捷、方便地制作工具和模具的一種新型技術。以快速成形技術為基礎的快速制模技術,是20世紀80年代后期發展起來的新興技術,是傳統的制模方法與快速成形技術相結合的產物。與傳統技術相比,快速制模技術從產品的開發設計到原型件模型的制作,直到產品模具的制造、產品的生產都顯示出了無比的優越性。

從古代的手工制作到后來的CAD畫圖,再到現在的RT,它的發展也就形成了一個綜合的制造系統。

快速制模技術適合中國國情,具有廣闊的應用前景。與高速銑削加工相比,在表面帶精細復雜形狀和電火花加工難以省去的金屬模具制造方面占有優勢。

根據模具材料、生產成本、RP原型的材料、生產批量、模具的精度要求已開發出多種多樣的工藝方法。目前的快速制模方法大致有間接制模法和直接制模法,基于RP快速制造模具的方法多為間接制模法。依據材質不同,間接制模法生產出來的模具有軟模、橋模和硬模。

軟模(soft tooling)通常指的是硅橡膠模具。用SLA、FDM、LOM或SLS等技術制作的原型,再翻成硅橡膠模具后,向模中灌注雙組份的聚氨酯,固化后即得到所需的零件。橋模(bridge tooling)通常指的是可直接進行注塑生產的環氧樹脂模具。采用環氧樹脂模具與傳統注塑模具相比,成本只有傳統方法的幾分之一,生產周期也大大減少。模具壽命不及鋼模,但比硅膠模高,可達1000~5000件,可滿足中小批量生產的需要。硬模(hard tooling)通常指的就是鋼質模具,即用間接方式制造金屬模具和用快速成形直接加工金屬模具。

快速原型技術(RP)

快速原型技術(Rapid Prototyping,簡稱RP)于1988年誕生于美國,迅速擴展到歐洲和日本,并于九十年代初期引進中國。快速原型技術(RP)是采用材料累加思想,快速制造產品原型的新型綜合技術,已廣泛應用于機械、汽車、電器、航天航空、軍工等幾乎所有的工業領域,開創了模具快速制造的新時代,發展前景廣闊。

傳統的切削加工是不斷地去除毛坯上的多余材料而得到制件,而RP技術是采用基于材料累積制造的思想,把三維立體看成是無數平行的、具有不同形狀的層面的疊加,能快速制造出產晶原型。

快速原型制造技術(RP)將計算機輔助設計(CAD)、輔助制造(CAM)、計算機輔助控制(CHC)、精密伺服驅動和新材料等先進技術集于一體,依據計算機上構成的產品三維設計模型,對其進行分層切片,得到各層截面的輪廓,激光選擇性的切割一層層的紙(或固化一層層的液態樹脂、燒結一層層的粉末材料或熱噴頭選擇快速地熔覆一層層的塑料或選擇性地向粉末材料噴射一層層粘結劑等),形成各截面輪廓并逐步疊加成三維產品。目前,它已成為現代制造業的支柱技術,是實現并行工程、集成制造技術和技術開發必不可少的手段之一。

用于快速原型制造的材料有:液態光敏樹脂、粉末材料、熱塑性材料和薄片材料等。快速原型制造按成形材料及技術的不同,發展了立體光刻造型法(SL)、粉末燒結法(SIS)、熔化凝結法(FDM)、薄層材料制造法(LOM)、三維印刷法(3DP)、逐層固化法(SGC)。
與傳統的切削加工方法相比,快速原型加工具有以下優點:

(1)可迅速制造出自由曲面和更為復雜形態的零件,如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等,大大降低了新產品的開發成本和開發周期;

(2)屬非接觸加工,不需要機床切削加工所必需的刀具和夾具,無刀具磨損和切削力影響;

(3)無振動、噪聲和切削廢料;

(4)可實現夜間完全自動化生產;

(5)加工效率高,能快速制作出產品實體模型及模具。

基于RP技術的部分快速模具制造實例

一、車燈殼的硅膠制模

真空澆鑄技術是快速原型/快速制模技術領域中較新的技術,常用于軟質模具制造。下面就介紹用真空澆鑄技術來制造車燈殼硅膠模的過程。

1. 試驗設備

所用設備包括MK-Mini真空澆鑄機、太陽能電子天平、靜音空壓機、脫模工具和耗材。模具制作材料用硅膠T2和硬化劑(一般按10:1的比例配制)。

2. 硅膠模的制作過程

(1)原型表面處理

用一般的快速原型成形方法制作的車燈原型件,其疊層斷面之間一般常存在縫隙或凹凸不平的臺階紋,通常需要進行防滲處理、強化處理以提高原型的抗濕性、抗熱性和尺寸穩定性。同時,要對原型表面進行清潔以提高表面的光滑程度。只有原型表面足夠光滑,才能保證制作的硅膠模型腔的光潔度,進而確保翻制的產品具有較高的表面質量和便于從硅膠模中取出。

(2)硅膠和固化劑計量,混合并抽真空

首先依據原型件(車燈殼)的尺寸和形狀估計原型件的體積,再計算出型箱的體積,兩者相減即得所需硅膠的體積。根據硅膠的密度計算硅膠的重量和硬化劑的重量(兩者比例約為10:1),然后混合并放入MK-Mini真空澆鑄機里抽真空,這主要是除去膠料攪拌時混入的空氣及部分反應產物。在這個過程中需要注意的是依據估計的原型件體積來稱取硅膠時要適量,型箱體積取得過小,可以降低硅膠的用量,節省制模成本,但是會影響硅膠的使用效果且不利于硅膠模的澆注,從而使制作的模具存在缺陷;體積取得過大,既浪費硅膠增加成本也增加了從硅膠模中取出產品的難度。

(3)選取分離面、貼膠紙并制作澆口

采用真空澆注技術原則上不管多復雜的零件,包括凸、側凹零件,都能成形。關鍵的問題是要正確、精確地確定分離面的位置,因為它直接影響著澆注產品能否順利脫模以及產品澆注質量的好壞。澆注口的定位應該使得樹脂到達型箱各個邊緣的路徑長短相同,這樣有利于澆注,甚至有可能省掉澆冒口。

澆注口信道位置的固定件最好用光滑的圓桿,通常使用硅膠棒。對于該車燈殼選取下表面為分離面,并在分離面上貼上膠紙,然后用硅膠棒制作澆口。澆口位置只能選取端面位置,不能選上下表面,因為這樣會影響車燈的表面光潔度和光學性能,從而影響質量。

(4)硅膠澆注再抽真空固化并烘干

把排氣過的硅膠小心地從側面倒入型箱,硅膠沿著一側的箱壁進入型箱,直到原型件全部沒入硅膠內。把型箱放入MK-Mini系統中,再次進行抽真空,目的主要是脫去在澆注時因吸附或受堵面殘存在膠料中的氣泡。這些氣泡對模具質量有極大的影響,脫除不徹底會在模具表面產生氣孔等缺陷。對此排氣進行的時間大約50分鐘,將硅膠從真空室里取出放烤箱中烘干,對硅膠進行加速硬化。

(5)脫模

在硅膠硬化后,模具就可打開了。在打開之前通過澆注口通入壓縮空氣,使得模具與原型件分開,便于下一步脫模。

首先用筆在分離面畫出波浪線的分割線,再用小刀按波浪線切開硅膠模。由于硅膠的透明性,小刀切割的過程可以很清楚地看到。這里要注意小刀在盡可能地對著分離面,以防切開的截面與分離面離得太遠。為防止澆注時模具的錯位,切割模具時,切口應切成鋸齒狀。然后利用脫模工具將原型件取出后,將硅膠上殘留的膠帶和硅膠屑去掉,從而車燈的硅膠模具就制作出來了。

利用這個模具就可以制作出許多色樣但形狀相同的車燈殼產品了。

3. 產品的制作

把制作好的兩半硅膠膜具蓋上并用釘針固定。先抽真空然后再放入真空澆注機中,使澆注口對準漏斗嘴,把產品材料放入Mini澆注機的杯中,起動機器。通過澆道澆注,完后取出模具進行烘干,待固化后,再取出模具開模,這樣產品就被制造出來了。產品可以根據需要選擇不同的顏色。從實驗中可知,采用這種快速制模技術制作的產品無論是在質量、式樣、還是表面精度,與原型件相比都不遜色,完全能滿足快速生產的要求。

二、大型汽車覆蓋件模具的快速制作

傳統的大型汽車模具制造方法是首先通過鑄造獲得型坯,然后通過機加工的方法對型坯進行加工來保證模具的尺寸。傳統的模具加工方法存在的缺點為:制造周期長,成本高,降低模具開發的周期和成本成為急待解決的問題。

快速模具制造(RT工藝)是一種新型的工藝,RT工藝方法之一是通過快速原型制造(RP工藝)獲得原型,通過無焙燒陶瓷型技術將原型轉換為陶瓷型,再進行精密鑄造獲得尺寸精度較高、表面光潔度良好的鑄件,經拋光處理后即得到所制造的模具。

清華大學激光快速成型中心與一汽集團、一汽模具技術有限公司合作采用RP/RT技術制作大型汽車覆蓋件模具,制作步驟如下:

(1)用Pro/E造型軟件做出CAD模型。應用MARC非線性有限元分析軟件對鑄件的凝固過程的尺寸精度進行有限元分析,修改CAD模型。

(2)LOM工藝制造模具凸凹模工作部分的原型,在殷華公司M-RPMS—II型設備上,應用LOM分層實體制造工藝,采用YHCP-1004涂敷紙,完成模具凸凹模的原型制作,其余部分由砂型制造。

(3)凸凹模工作部分的原型采用M-RPMS-Ⅱ型多功能快速成型機制作,輪廓掃描速度為300mm/s,網格直線速度為500mm/s,二氧化碳激光器功率為35W,采用YHCP-1004涂覆紙,熱壓溫度為90℃,紙和膠層的總厚度為0.1mm-1mm。

(4)利用無焙燒陶瓷轉換技術將模具的凸、凹模原型轉換為陶瓷型,陶瓷型凝固時間為8-10分鐘,表面粗糙度Ra0.8-3.2。

(5)采用陶瓷型精密鑄造與消失模鑄造技術相結合的方法制造凸、凹模(包括工作部分和其它部分)。

(6)對鑄造得到的模具進行簡單的拋光、打磨,獲得所需的模具。

北京殷華激光成型及模具有限公司采用RP/RT技術完成了大型汽車覆蓋件模具的凸凹模制作,這是一個試驗用板料沖壓模具,它的成功開辟了一條大型覆蓋件模具制造的新路。

快速制模技術發展趨勢

快速制模技術是在與傳統的機械加工制模技術的競爭中產生并發展起來的。雖然近年來高速銑削技術得到迅速發展,其高達10多萬轉/分的銑削速度和良好的表面精度已大大提高了機械加工制模技術的競爭力,再加上電火花加工技術,致使機械加工制模技術成為快速制模技術強大的競爭對手。但是,在制造表面帶微細形狀、流道復雜,以及具有梯度功能材料和不同材質表面的模具等方面,快速制模技術也有著機加工無可比擬的優勢。

目前,中國的汽車、家電、電子/通訊、輕工等諸多行業新產品的開發越來越離不開快速制模技術。對于該技術在中國的發展,我們的長遠目標是開發出具有原創性的短流程、高精度的快速制模所需的新材料和新工藝,以形成具有中國自主知識產權的快速制模核心技術。而當務之急則是加大對于大中型、復雜形狀、耐久性、高精度金屬模具的快速及低成本制造新工藝和新材料的開發力度。

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