CN1413800A - 智能电弧喷涂和电刷镀一体化模具制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了可服务于汽车、航空航天、通讯、家用电器、仪器仪表及国防工业等行业的一种智能电弧喷涂和电刷镀一体化模具制造方法，采用电刷镀－电弧喷涂复合成型技术，综合利用电刷镀技术和电弧喷涂技术的优点，将这两种制造工艺集成在同一台装置中，以实现大型模具的快速制造。模具制造装置由计算机、运动及工艺参数控制器、电弧喷涂设备、电刷镀设备和一台五自由度机器人等组成。具有模具CAD数据直接驱动功能，可自动完成电刷镀和电弧喷涂两种作业，并且电刷镀和电弧喷涂两种工艺的工艺参数在该装置上可进行自动控制。利用该装置，并结合快速原型制造技术和高速数控加工技术，可以低成本，高效率地进行大型、精密、复杂以及长寿命模具的快速制造。

Description

智能电弧喷涂和电刷镀一体化模具制造方法

一、所属技术领域

本发明属于先进制造技术领域，涉及基于快速原型技术的快速制模技术，特别涉及一种智能电弧喷涂和电刷镀一体化模具制造方法。

二、背景技术

快速制模(Rapid tooling-RT)就是利用快速成型技术(rapidprototyping-RP)生产模具原型或母模的模具制造技术。目前的RT技术主要集中在两个大的研究方向：一个是直接快速制模(direct rapidtooling——DRT)，一个是间接快速制模(indirect Rapid tooling——IRT)。

直接快速制模技术不依赖传统模具制造工艺，受到广泛重视。比较典型的方法有：烧结浸渗法、薄钢板层叠法、金属熔积法等。受成形材料和工艺的限制，直接制模法还基本处于实验室研究阶段，只能用来制造一些体积较小的试验模具。

间接快速制模技术有两种制模方法：第一种是以RP方法制作的原型为模型(塑料、蜡等)，与传统模具制造工艺相结合，通过该模型用铸造方法、电极成型、金属喷涂等方法生产成型模具，第二种是通过RP技术生产铸型(砂型或壳型)，再通过铸造技术用这些砂型或壳型生产模具。间接快速制模方法比较灵活、应用范围广，可制造多种材料的模具，是目前实现RT的主要途径。按模具材料分为三大类，即非金属模具、半金属模具和金属模具。

1)非金属模具主要有：硅橡胶模、环氧树脂模，这一类模具可由RP原型直接翻制获得。

2)金属模具一般通过RP原型结合烧结浸渗、铸造、电加工等工艺方法获得。

3)半金属模具一般通过电铸或金属喷涂方法形成金属薄壳，然后用非金属材料或复合材料进行补强的工艺方法获得。金属喷涂制模工艺是在RP原型或者RP原型翻制的过渡模上采用等离子喷涂或电弧喷涂方法喷制金属薄壳，然后用树脂、金属复合材料进行补强，得到注塑模或板料冲压模具。

基于RP技术的非金属模具制造成本低、周期短，在一些特定条件下用于新产品开发有好的效果，但由于材料机械性能的限制，其应用范围有限。基于RP技术的金属模具的制造工艺一般比较复杂，成本也高，目前还很难用于大型模具的制造。相比之下，半金属模具具有适用范围广、成本低、适合制造大型模具等特点，具有较好的工程实用价值。

金属电弧喷涂与离子喷涂、火焰喷涂等其它热喷涂技术相比，具有设备投资少、工艺简单、生产效率高、节约能源、对基体热输出小、适用范围广等优点，近年来，在模具制造中受到广泛重视。金属电弧喷涂制模的方法对于大中型模具制造在周期和成本方面具有很大的优势。高熔点金属由于冷却收缩率大很容易开裂、卷曲难以在原型表面附着成型，Zn或Zn-Al伪合金等低熔点金属喷涂制模效果好、工艺成熟，但涂层硬度太低，严重影响了喷涂模具的适用范围。

电刷镀技术是应用电化学沉积原理，在能导电的工件表面的选定部位快速沉积指定厚度镀层的表面强化技术。通过在零部件的表面制备一层电刷镀层，可以极大地提高零部件表面的硬度、强度、耐磨、耐蚀和抗高温氧化等性能。

电弧喷涂沉积效率高，但涂层硬度低；电刷镀可以获得高强度和高硬度的镀层，但沉积速度低。

三、发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于快速原型技术、高速数控加工技术、电弧喷涂技术和电刷镀技术的快速模具制造方法，可以应用于汽车制造、通讯、航空航天、家用电器、仪器仪表及国防等领域。

采用本发明的方法制造模具，模具原型的获得有多种方法，一是利用数控加工技术制造(非金属原型)，二是利用快速原型技术制造，三是直接使用已有的产品实物等。

本发明所提出的电刷镀-电弧喷涂复合成型技术是一种高效、低成本的快速制造半金属模具的方法，利用本发明的快速制模方法制造模具，加工周期是传统NC的1/3～1/10，费用为传统NC的1/3～1/5或更低。

本发明将电刷镀技术和电弧喷涂技术有机结合，两种工艺集成在同一套装置中，实现了两者的优势互补。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是，智能电弧喷涂和电刷镀一体化模具制造的方法，由计算机、运动及工艺参数控制器、电弧喷涂设备、电刷镀设备和一台五自由度机器人构成一体化模具制造装置，该装置具有五轴四联动功能，由计算机控制，无需针对具体的模具单独编程，具有模具CAD数据直接驱动功能；其特点是，包括以下步骤：

1)综合利用电弧喷涂技术和电刷镀技术

将电刷镀和电弧喷涂两种工艺集成在上述同一装置上，由计算机将两种工艺的工艺参数实现自动控制，并能根据模具型面特征自动优化电刷镀和电弧喷涂工艺参数；

①电弧喷涂技术用于在模具母模原型上喷涂具有一定厚度和强度的致密金属涂层，从而形成所需的模具型腔；

②填充背衬材料并脱模后，根据需要利用电刷镀技术在模具工作表面刷镀强化涂层；

③通过装置上的刷镀笔和喷涂喷枪的转换，在计算机的控制下，工作中镀笔和喷枪的轴线始终与工作点所在曲面垂直，并自动完成电刷镀和电弧喷涂作业；

2)模具制造的工艺

①将RP原型或过渡模型或数控加工得到的非金属模型或零件实物样件进行喷涂前的基体处理

其具体操作方法是，将模样表面抛光，先涂一层离型剂，然后均匀地涂上一层脱模剂，静置30min；

②将经基体处理后的上述模型或样件进行金属电弧喷涂

用电弧喷枪喷涂制模金属，形成具有设计要求厚度的金属薄壳，工作过程中喷枪的轴线始终与工作点所在曲面垂直，喷涂完成后切除不必要部分；

③填充背衬材料

把树脂、填料等背衬材料倒入预先准备好的金属模框内，根据需要埋设嵌入件，等背衬材料固化后，脱模；

④脱模及电刷镀处理

在模具工作表面电刷镀高强度和高硬度的镀层，工作过程中镀笔的轴线始终与工作点所在曲面垂直；

⑤得到半金属模具。

本发明结合快速原型制造技术和高速数控加工技术，可以低成本高效率地进行大型、精密、复杂以及长寿命模具的快速制造。本发明可服务于汽车、航空航天、通讯、家用电器、仪器仪表及国防工业等行业，为新产品的研究和试制提供高质量、低成本、短周期的模具制造新途径。

四、附图说明

图1是本发明的电刷镀-电弧喷涂复合成型半金属模具快速制造技术路线图；

图2是本发明的电弧喷涂和电刷镀工艺路线示意图，其中，(a)模样表面抛光；(b)用电弧喷枪喷涂制模金属以形成具有一定厚度的金属薄壳，工作过程中喷枪的轴线始终与工作点所在曲面垂直；喷涂完成后切除不必要部分。(c)把树脂、填料等背衬材料倒入预先准备好的金属模框内。可根据需要埋设嵌入件，如曲铜管等。等背衬材料固化后，脱模。(d)在模具工作表面电刷镀一定厚度的高强度和高硬度的镀层，工作过程中镀笔的轴线始终与工作点所在曲面垂直。(e)制作完毕的半金属模具示意图。

五、具体实施方式

以下结合附图和发明人依本发明的技术方案给出的实施例对本发明作进一步的详细描述。

1)模具制造的技术途径

参见图1，利用本发明进行模具制造的技术途径是，①将RP原型或过渡模型或数控加工得到的非金属模型或零件实物样件进行喷涂前的基体处理；②将经基体处理后的上述模型或样件进行金属电弧喷涂；③填充背衬材料；④脱模及电刷处理；⑤得到半金属模具。

2)电弧喷涂和电刷镀工艺路线

参见图2。

①模样表面抛光

先涂一层离型剂，然后均匀地涂上一层脱模剂，静置30min。

②用电弧喷枪喷涂制模金属以形成具有一定厚度的金属薄壳，工作过程中喷枪的轴线始终与工作点所在曲面垂直。喷涂完成后切除不必要部分。

③把树脂、填料等背衬材料倒入预先准备好的金属模框内。可根据需要埋设嵌入件，如曲铜管等。等背衬材料固化后，脱模。

④在模具工作表面电刷镀一定厚度的高强度和高硬度的镀层，工作过程中镀笔的轴线始终与工作点所在曲面垂直。

⑤制作完毕的半金属模具。

图3所示的是按本发明的智能电弧喷涂和电刷镀一体化模具制造方法制作的装置构成示意框图，包括一计算机，与计算机相连的运动及参数控制器，运动及参数控制器分别与电弧喷涂设备、电刷镀设备、五自由度机器人相连接，电弧喷涂设备、电刷镀设备也与五自由度机器人相连接，由五自由度机器人完成喷涂喷枪或刷镀镀笔的操作。

图4所示的是本发明使用的五自由度机器人机械本体部分的结构图，包括1：X方向；2：Y方向；3：Z方向；4，5：R和P两个转动自由度。五自由度机器人按照计算机和与计算机相连的运动及参数控制器，完成喷涂喷枪或刷镀镀笔的操作。

图5是依本发明的技术方案制作的智能电弧喷涂电刷镀一体化装置控制框图，其控制方式是，将模具的三维CAD模型转换为模具型面的标准STL文件，然后将STL文件转换成包含模具型面法向矢量的切片文件；并对模具制作中喷涂和刷镀的轨迹及电弧喷涂电刷镀工艺参数进行优化；实施控制五自由度机器人和电弧喷涂电刷镀工艺参数；控制的电弧喷涂电刷镀工艺参数发送至电弧喷涂设备和电刷镀设备，然后由电弧喷涂设备和电刷镀设备与五自由度机器人共同控制电刷镀笔和电弧喷涂喷枪的工作。

Claims (1)

1.一种智能电弧喷涂和电刷镀一体化模具制造的方法，由计算机、运动及工艺参数控制器、电弧喷涂设备、电刷镀设备和一台五自由度机器人构成一体化模具制造装置，该装置具有五轴四联动功能，由计算机控制，无需针对具体的模具单独编程，具有模具CAD数据直接驱动功能；其特征在于，包括以下步骤：

1)综合利用电弧喷涂技术和电刷镀技术

将电刷镀和电弧喷涂两种工艺集成在上述同一装置上，由计算机将两种工艺的工艺参数实现自动控制，并能根据模具型面特征自动优化电刷镀和电弧喷涂工艺参数；

①电弧喷涂技术用于在模具母模原型上喷涂具有一定厚度和强度的致密金属涂层，从而形成所需的模具型腔；

②填充背衬材料并脱模后，根据需要利用电刷镀技术在模具工作表面刷镀强化涂层；

③通过装置上的刷镀笔和喷涂喷枪的转换，在计算机的控制下，工作中镀笔和喷枪的轴线始终与工作点所在曲面垂直，并自动完成电刷镀和电弧喷涂作业；

2)模具制造的工艺

①将RP原型或过渡模型或数控加工得到的非金属模型或零件实物样件进行喷涂前的基体处理

将模样表面抛光，先涂一层离型剂，然后均匀地涂上一层脱模剂，静置30min；

②将经基体处理后的上述模型或样件进行金属电弧喷涂

用电弧喷枪喷涂制模金属，形成具有设计要求厚度的金属薄壳，工作过程中喷枪的轴线始终与工作点所在曲面垂直，喷涂完成后切除不必要部分；

③填充背衬材料

把树脂、填料等背衬材料倒入预先准备好的金属模框内，根据需要埋设嵌入件，等背衬材料固化后，脱模；

④脱模及电刷镀处理

在模具工作表面电刷镀高强度和高硬度的镀层，工作过程中镀笔的轴线始终与工作点所在曲面垂直；

⑤得到半金属模具。

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