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摘 要:快速原型制造技术在产品设计和制造领域能显著缩短产品投放市场周期,降低成本,提高质量,增强企业竞争力。基于此技术发展起来的电弧快速模具制造技术,可以快速高精度制作复杂模型,近年来得到广泛应用。本文主要介绍其工艺过程,并通过实验对工艺参数进行优化处理。
关键词:快速原型 电弧喷涂 快速制膜
中图分类号:TB47 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)02(b)-0075-02
电弧喷涂制膜的思想起源于20世纪60年代提出的净行热喷涂成型(Net—shape thermal spray forming),基本过程是将熔化的金属雾化,高速喷射沉积于基体上,所获制件的形状与基体相对应,是一种集材料制备与成形于一体的制造方法,可广泛用于塑料加工中的反应注塑成型、吹塑成型、结构发泡以及其他一些注塑成型等工艺中。
随着20世纪80年代中期快速成型制造技术的发展,使得人们能够在原型的基础上在很短的时间内制造出产品的快速模具。电弧喷涂快速制模工艺就是在快速原型(或过渡基模)表面上喷涂金属微滴形成金属壳层,通过背衬、设置钢结构等后处理工序迅速制造出快速模具,可广泛用于注塑模、汽车覆盖件拉延模等快速经济模具的制造。它具有制膜工艺简单、制作周期短、模具成本低等显著特点,为产品的更新换代提供了一个全新的制膜方法和捷径,越来越受到人们的重视和应用。本文在RP原理基础上研究电弧喷涂快速制膜工艺过程,并对其参数进行优化处理。
1 电弧喷涂快速制模工艺研究的基础
电弧喷涂快速制模的关键在于基体模型表面金属壳的形成,特别是高硬度金属壳,直接关系到模具寿命及应用范围。目前电弧喷涂快速制模材料大多采用Zn丝,电弧喷涂模具由于硬度较低,主要用作注塑模具,寿命不超过数千件,为提高金属涂层硬度,改善模具的使用寿命,美国的TAFA喷涂公司开发了一种类似科氏合金(Al6.4%,Cu3.9%,余量为Zn)成分的TAFA204M喷涂丝,涂层硬度可以达到Rh52(相当于纯铝)。
2 电弧喷涂制膜工艺原理
2.1 电弧喷涂制膜原理
图1是电弧喷涂原理图,电弧喷涂制膜技术是将两根带电的制膜专用金属丝不断向前输送,利用两根金属丝端部短路产生的电弧使丝材熔化,用压缩气体把以熔化的金属雾化成微滴,并使其加速,以很高的速度喷射到样模表面,一层一层地相互叠加、堆积而形成高密度、高结合强度的金属喷涂层,即模具型腔的壳体(或实体),这层壳体的内壁形状与样模表面完全吻合,从而形成了所需的模具型腔。喷涂形成的金属壳体与其他基体材料填充加固,结合成一整体,再配以其他部件,即组成一付完整的模具。喷涂时,工件表面温度取决于金属丝得熔点、金属丝尖端与被喷涂表面之间得距离和喷涂持续时间。而以这种金属涂层作为模具的型腔表面,背衬加固并设置相应的钢结构后就形成了简易的快速经济模具。
2.2 电弧喷涂制膜工艺
电弧喷涂制膜的工艺大致可分为:模型准备;在模型上喷涂金属;制作模具框架;浇注模具填充材料;脱模、加工处理等步骤。
3 基于RP的电弧喷涂快速制膜工艺分析
将快速成型技术和电弧喷涂技术结合在一起,可以实现模具的快速制造,缩短新产品的开发周期,快速满足市场需求。快速成型和电弧喷涂相结合的模具快速制造的具体步骤为:激光快速成型机快速成型原型零件、用电弧喷涂方法在原型零件表面喷涂1～3mm厚的金属壳,为提高金属壳的强度及避免金属壳变形,在金属壳背后用环氧树脂等材料加固,取出原型零件即得到表面为金属的模具。
4 电弧喷涂快速制膜工艺参数优化:
4.1 工艺参数选择
采用合理的电弧喷涂工艺参数,可获得良好的喷涂效果。试验证明,在所有工艺参数中,影响较大的主要有喷涂距离、喷涂角度、送丝速度和压缩空气压力。这4个参数影响熔粒的形成,而熔粒的结合性能与熔粒的尺寸、结合面积、粘结力、熔粒内部及界面的热应力有关。从喷枪飞出的熔粒,飞行速度先加速后减速,而温度随喷涂距离的增加而降低。当喷涂距离过大时,熔粒打击到基体表面的温度和动能不够,熔粒不能产生足够的变形,涂层疏松多孔,结合强度较低;当喷涂距离过小时,可以保证熔粒的速度和温度较高,但基体和涂层被氧化严重而使粘结强度降低,并且随着氧化程度的增大,甚至会使基体和涂层完全失去粘结力。喷涂距离一般以140～200mm为宜。喷涂角度一般60°～90°合适。送丝速度速度过低,影响喷涂生产率;速度太快,熔融的颗粒大,涂层质量、结合强度降低。粒子雾化特性的优劣直接影响涂层的最终质量,压缩空气对熔化的材料进行雾化。压力和流量不足,雾化颗粒粗大,结合强度降低;压力和流量太大,易降低热源温度,影响热源稳定性。试验证明当压缩空气的压力＜0.4MPa时,涂层结合强度将显著降低。
4.2 实验结果
在制作金属喷涂模具过程中,喷涂参数的调整是整个工艺过程的关键,通过在XDP-5电弧喷涂设备上对各种丝材进行试验,最终得到几种丝材的优化喷涂参数,试验数据如表1所示。
5 结语
本文主要研究了基于RP的电弧喷涂快速制膜工艺,该工艺具有成本低、周期短等突出优点而受到国内外业界的普遍关注并迅速应用到各领域,取得了巨大的经济效益和社会效益。同时本文对其工艺参数进行了优化处理,实验结果表明通过对工艺参数进行优化,极大地加快了制模进程。但同时也存在以下几个问题:
(1)形成金属薄壳时会在其中产生比较高的张应力。为此,可在喷涂的同时进行喷丸处理。由于钢丸撞击金属薄壳,诱发压应力,从而能抵消薄壳内的张应力。
(2)难于喷涂窄槽和小孔的内表面。为此,可先用铝、黄铜制作窄槽或小孔状嵌块,并将其固定在基底相应的位置上,然后围绕这些嵌块进行喷涂。在后续工序中,即使移去基底,嵌快也能良好地固定在金属薄壳上,并且其强度比薄壳好。
(3)喷涂层的金属组织结构不够致密,有疏松小孔,影响强度和密封性。
参考文献
[1] 王远赣.快速模具制造及其应用武汉[D].华中科技大学出版社,2003.
[2] 陈永雄,徐滨士等.高速电弧喷涂技术在装备维修与再制造工程领域的研究应用现状[J].中国表面工程,2006,(s1):177～181.
[3] 张富文,秦国义等.超音速电弧喷射成形技术及其在贵金属领域中应用的展望[J].贵金属,2004,(2):61～64.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
关键词:快速原型 电弧喷涂 快速制膜
中图分类号:TB47 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)02(b)-0075-02
电弧喷涂制膜的思想起源于20世纪60年代提出的净行热喷涂成型(Net—shape thermal spray forming),基本过程是将熔化的金属雾化,高速喷射沉积于基体上,所获制件的形状与基体相对应,是一种集材料制备与成形于一体的制造方法,可广泛用于塑料加工中的反应注塑成型、吹塑成型、结构发泡以及其他一些注塑成型等工艺中。
随着20世纪80年代中期快速成型制造技术的发展,使得人们能够在原型的基础上在很短的时间内制造出产品的快速模具。电弧喷涂快速制模工艺就是在快速原型(或过渡基模)表面上喷涂金属微滴形成金属壳层,通过背衬、设置钢结构等后处理工序迅速制造出快速模具,可广泛用于注塑模、汽车覆盖件拉延模等快速经济模具的制造。它具有制膜工艺简单、制作周期短、模具成本低等显著特点,为产品的更新换代提供了一个全新的制膜方法和捷径,越来越受到人们的重视和应用。本文在RP原理基础上研究电弧喷涂快速制膜工艺过程,并对其参数进行优化处理。
1 电弧喷涂快速制模工艺研究的基础
电弧喷涂快速制模的关键在于基体模型表面金属壳的形成,特别是高硬度金属壳,直接关系到模具寿命及应用范围。目前电弧喷涂快速制模材料大多采用Zn丝,电弧喷涂模具由于硬度较低,主要用作注塑模具,寿命不超过数千件,为提高金属涂层硬度,改善模具的使用寿命,美国的TAFA喷涂公司开发了一种类似科氏合金(Al6.4%,Cu3.9%,余量为Zn)成分的TAFA204M喷涂丝,涂层硬度可以达到Rh52(相当于纯铝)。
2 电弧喷涂制膜工艺原理
2.1 电弧喷涂制膜原理
图1是电弧喷涂原理图,电弧喷涂制膜技术是将两根带电的制膜专用金属丝不断向前输送,利用两根金属丝端部短路产生的电弧使丝材熔化,用压缩气体把以熔化的金属雾化成微滴,并使其加速,以很高的速度喷射到样模表面,一层一层地相互叠加、堆积而形成高密度、高结合强度的金属喷涂层,即模具型腔的壳体(或实体),这层壳体的内壁形状与样模表面完全吻合,从而形成了所需的模具型腔。喷涂形成的金属壳体与其他基体材料填充加固,结合成一整体,再配以其他部件,即组成一付完整的模具。喷涂时,工件表面温度取决于金属丝得熔点、金属丝尖端与被喷涂表面之间得距离和喷涂持续时间。而以这种金属涂层作为模具的型腔表面,背衬加固并设置相应的钢结构后就形成了简易的快速经济模具。
2.2 电弧喷涂制膜工艺
电弧喷涂制膜的工艺大致可分为:模型准备;在模型上喷涂金属;制作模具框架;浇注模具填充材料;脱模、加工处理等步骤。
3 基于RP的电弧喷涂快速制膜工艺分析
将快速成型技术和电弧喷涂技术结合在一起,可以实现模具的快速制造,缩短新产品的开发周期,快速满足市场需求。快速成型和电弧喷涂相结合的模具快速制造的具体步骤为:激光快速成型机快速成型原型零件、用电弧喷涂方法在原型零件表面喷涂1～3mm厚的金属壳,为提高金属壳的强度及避免金属壳变形,在金属壳背后用环氧树脂等材料加固,取出原型零件即得到表面为金属的模具。
4 电弧喷涂快速制膜工艺参数优化:
4.1 工艺参数选择
采用合理的电弧喷涂工艺参数,可获得良好的喷涂效果。试验证明,在所有工艺参数中,影响较大的主要有喷涂距离、喷涂角度、送丝速度和压缩空气压力。这4个参数影响熔粒的形成,而熔粒的结合性能与熔粒的尺寸、结合面积、粘结力、熔粒内部及界面的热应力有关。从喷枪飞出的熔粒,飞行速度先加速后减速,而温度随喷涂距离的增加而降低。当喷涂距离过大时,熔粒打击到基体表面的温度和动能不够,熔粒不能产生足够的变形,涂层疏松多孔,结合强度较低;当喷涂距离过小时,可以保证熔粒的速度和温度较高,但基体和涂层被氧化严重而使粘结强度降低,并且随着氧化程度的增大,甚至会使基体和涂层完全失去粘结力。喷涂距离一般以140～200mm为宜。喷涂角度一般60°～90°合适。送丝速度速度过低,影响喷涂生产率;速度太快,熔融的颗粒大,涂层质量、结合强度降低。粒子雾化特性的优劣直接影响涂层的最终质量,压缩空气对熔化的材料进行雾化。压力和流量不足,雾化颗粒粗大,结合强度降低;压力和流量太大,易降低热源温度,影响热源稳定性。试验证明当压缩空气的压力＜0.4MPa时,涂层结合强度将显著降低。
4.2 实验结果
在制作金属喷涂模具过程中,喷涂参数的调整是整个工艺过程的关键,通过在XDP-5电弧喷涂设备上对各种丝材进行试验,最终得到几种丝材的优化喷涂参数,试验数据如表1所示。
5 结语
本文主要研究了基于RP的电弧喷涂快速制膜工艺,该工艺具有成本低、周期短等突出优点而受到国内外业界的普遍关注并迅速应用到各领域,取得了巨大的经济效益和社会效益。同时本文对其工艺参数进行了优化处理,实验结果表明通过对工艺参数进行优化,极大地加快了制模进程。但同时也存在以下几个问题:
(1)形成金属薄壳时会在其中产生比较高的张应力。为此,可在喷涂的同时进行喷丸处理。由于钢丸撞击金属薄壳,诱发压应力,从而能抵消薄壳内的张应力。
(2)难于喷涂窄槽和小孔的内表面。为此,可先用铝、黄铜制作窄槽或小孔状嵌块,并将其固定在基底相应的位置上,然后围绕这些嵌块进行喷涂。在后续工序中,即使移去基底,嵌快也能良好地固定在金属薄壳上,并且其强度比薄壳好。
(3)喷涂层的金属组织结构不够致密,有疏松小孔,影响强度和密封性。
参考文献
[1] 王远赣.快速模具制造及其应用武汉[D].华中科技大学出版社,2003.
[2] 陈永雄,徐滨士等.高速电弧喷涂技术在装备维修与再制造工程领域的研究应用现状[J].中国表面工程,2006,(s1):177～181.
[3] 张富文,秦国义等.超音速电弧喷射成形技术及其在贵金属领域中应用的展望[J].贵金属,2004,(2):61～64.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文