模具的数字化设计与快速制造技术

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模具是现代化工业生产中的重要技术之一，其设计和制造水平的高低成为衡量一个国家综合制造能力的重要标志[1]。其中，数字化设计和快速制造是决定模具制造周期和成本的两大核心技术，成为提升模具技术水平的关键因素。
$ e% }* p; g& E在模具的数字化设计中，利用C A D / C A E 等先进技术来实现模具的结构设计与优化。相对于传统的手工和计算机平面绘图，这些技术可将模具的设计周期由原来的数月降低为数周，甚至是数天，且人力、物力和财力可以大幅降低。另外，这些技术可实现模具的三维可视化建模，有利于设计、制造以及终端应用各环节相互之间的沟通与交流，使模具的设计延伸至模具的制作环节。
模具结构复杂，加工工序繁琐，利用传统的机加工包括数控技术制造一套模具周期长且成本高。随着市场全球化和竞争的不断加剧，产品更新换代日益加快，多品种小批量已成为模具行业的重要生产方式[2]。为了适应这种需求变化，对模具的快速制造提出了更高要求。因此，快速制模技术（Rapid Tooling, RT）呈现了生机勃勃的发展趋势。快速成型（Rapid Prototyping, RP）技术特别适合复杂结构零件的成型，因而在快速制模领域显示出了强大的技术优势。在美国，DTM 公司成功利用选择性激光烧结(Selective Laser Sintering, SLS)技术制造出注塑模，其强度达到587MPa，寿命约为10 万件[ 3 ]; P O M 公司采用分层实体制造(Laminated Object Manufacturing, LOM)技术制造出锌、铝等材质的注塑模[ 4 ]; M I T 成功利用三维印刷（Three Dimensional Printing,3DP）技术制造出工具钢材质的注塑模，硬度达到HRC26～30[5]。除美国外，英国的利兹大学也成功地利用SLS 技术制造出实用化的注塑模[6]。近年来，国内一些单位开始关注该项技术，并发表了一些综述性文章[2,7,8]。
在所有类型的模具中，注塑模需求量大、涉及面广，具有高效、节能和廉价等优点。据不完全统计，目前国内注塑模约占所有模具的38.2%，世界范围内注塑模约占塑料制造模具的50％以上[9]。有鉴于此，本文以注塑模为例，结合本课题组已完成和正在进行的相关研究，对模具的数字化设计与快速制造两大关键技术进行详细阐述。
: \' D4 z5 T% m, R6 K1 J 利用传统方法设计注塑模，主要特点是凭借设计人员的经验，从最初的产品结构分析到模具的布局设计、型腔设计、模架设计、标准件设计等环节都需要进行大量计算，翻阅技术手册，选定技术参数，最后手工绘制出模具的二维零件图和总装图，整个过程交互性差，不利于各环节技术人员的交流沟通，导致设计过程中模具修改频繁，延长了设计周期和增加了设计费用。
本课题采用改进的数字化设计方法，利用计算机技术来辅助注塑模的结构设计。在三维造型软件（U G /ProE）平台下，由设计人员输入一些参数后直接形成注塑模的三维模型，为所见即所得的设计模式。
( v# c, O" i/ R1 f7 O以本课题组自主开发的滴灌用新型涡流灌水器为例，滴灌产品关键功能部位的特征尺寸只有1 m m 左右，成型精度高达± 0.01mm，属于精密注塑范畴。为了保证滴灌产品注塑件的成型精度，提高模具设计与制造的一次成功率，采用的注塑模具数字化设计路线具体过程为：首先，根据产品的CAD 模型，利用注塑模具计算机辅助设计系统完成灌水器的注塑模具结构的设计，这里采用了一模八腔的非自然平衡流道的设计，利用这种所见即所得的方法设计注塑模，所需工作量只有2～3人/天，提高了模具设计的效率。在完成注塑模设计之后，如果直接进行制造往往还存在一定的风险，可能带来很大的经济和时间损失。为此，有必要利用计算机模拟技术，利用已设计好的模具进行注射过程模拟，预测可能产生的缺陷，如充型不充分、各型腔注射进程不一致等问题。本课题利用华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室自主开发的华塑CAE 系统，对上述新型涡流灌水器进行了注射模拟。充型结果显示，从各时间点的流道前沿可以看出各型腔的冲型进程基本一致，模具设计合理。
. |0 ~5 F5 V2 p+ L" p 本文主要介绍本课题组研究的可用于模具快速制造的3种SLS金属零件的间接制造工艺，并简要介绍本课题组正在研究的选择性激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）技术。
. y9 o& t3 O+ ^/ a$ w+ d+ Y1 SLS 成型/ 烧结/ 浸渍
: J7 J. I8 p  K2 R( b利用华中科技大学自行研发的SLS 设备，采用如下的工艺路线制造致密金属零件:
（1）利用SLS 烧结铁粉与高聚物的混合物，成型任意复杂形状的低强度型坯;
! f! \# S/ p- p" @（2）对型坯进行脱脂处理，去除高聚物，形成多孔型坯;
3 ^/ c0 ]- s* s9 F（3）进行二次烧结，提高型坯强度;
4 ?1 ]. G2 L0 M# q9 B* J（4）浸渍铜/ 树脂，形成致密零件。从纯铁SLS 烧结、渗铜后的微观组织可以看出，纯铁颗粒中出现了Fe-Cu 共析组织，促进了合金元素的扩散，从而改善了型坯的机械性能。除了处理渗金属外，从纯铁SLS烧结后浸渍树脂的微观形貌可以看出，浸渍前型坯内有许多孔隙，导致型坯强度较低，而浸渍树脂后孔隙被树脂填充，且树脂与金属颗粒紧密粘结，形成密实的网络结构，强度大幅提高。本课题组利用该工艺成功制造出高性能的金属零件，其中以复杂结构小叶轮为典型代表。

$ t# ?3 G8 c) i. }SLS 烧结金属覆膜金属粉末工艺路线
SLS 烧结后渗铜合金的部分机械性能
2 SLS成型覆膜金属粉末
该工艺具有制造速度快、成本低的特点，所制造的金属零件热导性和力学性能优良，其步骤如下：
5 Z! i* d3 o8 B（1）由尼龙12 粒料、Cu 粉制备尼龙12 覆膜Cu 粉的复合粉末材料；
（2）利用SLS 烧结尼龙12 覆膜Cu 粉复合粉末材料，成型任意复杂形状的零件型坯；
（3）浸渗低粘度、耐高温环氧树脂，密封型坯的表面孔隙，提高其强度和耐热性。
& o/ }. ]5 K! d. T( P. o 3 SLS成型与冷等静压(Cold Isostatic Pressing,CIP)/ 热等静压（Hot Isostatic Pressing, HIP)复合工艺
7 X- R5 b& @& t- M  F) t& b. j利用华中科技大学自行研发的SLS 设备，采用如下的工艺路线制造致密金属零件:（1）利用SLS 技术烧结金属粉末与高聚物的混合物，成型具有复杂结构的低强度型坯;（2）进行脱脂，去除高聚物，形成多孔型坯;（3 ）进行CIP/HIP，形成高性能的致密零件。SLS 型坯经过CIP后，型坯粉末颗粒间形成的烧结颈被破坏，粉末颗粒靠CIP过程的压力作用“冷焊合”在一起，没有达到冶金结合，所以CIP 后需进行烧结处理，其机械性能可得到进一步提高。从SLS 成型的齿轮零件经CIP 处理前后的形状对比可看出，其体积变小15%～20％，没有发生变形。SLS 型坯经过C I P处理后，零件致密度达到80％以上，但还难以满足模具的性能要求，于是提出了SLS 与HIP 的结合工艺，本课题组正在进行相关研究，初步表明HIP 后各项性能均有提高。

SLS 烧结+CIP/HIP 工艺路线
SLS 烧结型坯浸渗树脂前后的部分机械性能对比
/ c$ e7 K3 r+ ^; U. ~8 r/ F 4 SLM 直接成型制造
上述３种工艺均是建立在S L S技术的基础之上，实现任意复杂结构金属零件的间接制造技术。为了克服SLS技术成型零件时面临的工艺繁琐和零件致密度低的问题，我们提出并自主研发了选择性激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)装备，并初步研究了利用SLM 法直接制造致密金属零件。通过分析SLS 与SLM成型的FeCuC 合金材料的金相组织微观S E M 形貌可知，SLS/ 渗铜后的金相组织为珠光体和a-Cu，SLM 制件的金相组织为针状马氏体和残余奥氏体。经显微硬度测试，S L M 制件的显微硬度达到HB350，与SLS 间接法制件的硬度相比有明显提高。在本课题组利用SLM制造的试验样件中，复杂网状结构样件的外形尺寸为20mm× 20mm × 10mm，内含孔直径仅有2 m m ，细微结构清晰，具有较高的成型精度。
/ I( ~2 x1 m7 p7 L) V" Y上述的数字化设计与多种快速制造技术为模具的快速制造提供了成套的解决方案。以SLS烧结/浸渍工艺为例，具体介绍本课题组研制成功的具有随形冷却水道的注塑模的应用实例。
- n/ [1 A; C/ R$ q6 e! C经过数字化设计之后，得到模具的三维C A D 图形。采用复合粉末（Fe8Cu4Ni0.5C）作为粉末原料，利用SLS技术得到模具镶块的型坯。随后，对型坯进行脱脂、烧结和浸渍处理，以提高其致密度和强度。通过渗铜和浸渍树脂２种工艺得到注塑模实物。对快速制造的模具镶块进行简单的打磨和抛光处理后，装配到模架之中，进行塑料制件的批量生产。
, ]  u8 K) g+ l. O文章关键词： 模具设计、材料