CN1488455A - 电弧喷涂汽车覆盖件冲压模具快速制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属电弧喷涂汽车覆盖件冲压模具快速制造方法。该方法以金属电弧喷涂技术为主，结合玻璃钢成型、环氧树脂成型、电刷镀等技术实现了汽车覆盖件模具的快速制造，为新车型开发中的样车试制、覆盖件模具试制提供了快速、经济的服务手段。该方法包括，喷涂母模准备、基体处理、金属电弧喷涂、背衬材料填充、电刷镀等工艺步骤，最终形成的模具在横断面上呈现梯度层状结构，各结构层具有不同的机械性能，有利于发挥材料特性，既保证了模具整体性能要求，又简化了工艺、降低了成本。该方法可为200辆样车试制提供覆盖件样件，同时可为正式生产用钢模具提供经过验证的设计数据。

Description

电弧喷涂汽车覆盖件冲压模具快速制造方法

技术领域

本发明属于先进制造技术领域，涉及快速模具制造方法，特别涉及一种电弧喷涂汽车覆盖件冲压模具快速制造方法。

背景技术

所谓快速模具制造技术是针对传统的CNC加工的钢模具而言的。快速模具(或称简易模具)一般具有制模周期短、成本低的特点，适用于新产品试制或小批量生产。以往经常用于汽车覆盖件简易模具制作的工艺主要有低熔点合金模、锌基合金模、环氧树脂模等。这些方法在实际工程中都得到较好的应用，但仍然存在一定的缺点，如低熔点合金模需要在专门的熔箱中浇铸，工艺复杂，且要求先有冲压件样品，不适宜新车型开发，浇铸时钣金样件的热膨胀变形会影响模具精度；锌基合金浇铸温度一般在400℃以上，对浇铸工艺和模型要求较高，一般只用来制作冲压凹模；环氧树脂模制造工艺相对简单，但强度、表面耐磨性稍差。本发明提出的金属电弧喷涂模具快速制造技术具有以下特点：1)工艺简单，制模周期短，成本低，特别适合于新品开发和小批量生产，符合日趋激烈的市场竞争的需求；2)复型性好，对模型材料要求较低，能在金属、木材、塑料、石膏等多种材料制作的模型表面喷涂；3)制模精度高，在适当的喷涂工艺条件下基本无热变形问题；4)对模具尺寸适应性强，从数平方毫米到数平方米的尺寸范围内都可进行喷涂成型；5)通过多种工艺方法结合，最终形成的模具在横断面上呈现梯度结构，各结构层具有不同的机械性能，既满足了模具强度要求，又降低模具制造成本；6)能与RP技术很好结合，提高新产品开发效率。

金属电弧喷涂模具快速制造主要涉及金属电弧喷涂、玻璃钢成型、环氧树脂成型、电刷镀等背景技术。

金属电弧喷涂是以两根分别接直流电源正负极的金属丝(Φ2-3mm)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、低气孔率的高质量金属涂层。

玻璃钢是一种以不饱和聚酯树脂为粘结剂、以玻璃纤维和玻璃布为增强材料粘结而成的复合材料，它具有成型性好、单位重量强度比高等优点，被大量用作结构件和蒙皮、外壳等构件。

环氧树脂具有流动性较好、粘接力强、固化收缩性小、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加固填充材料，在模具制造领域得到越来越多的应用。环氧树脂混合料由环氧树脂、固化剂、和填料组成。混合体中填料的作用是调节环氧树脂固化过程，改善固化体的机械和物理性能。

电刷镀技术是应用电化学沉积原理，在导电工件表面快速沉积一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。

发明内容

本发明基于快速原型技术、高速数控加工技术、电弧喷涂技术、玻璃钢成型技术和电刷镀技术提出一种金属电弧喷涂汽车覆盖件冲压模具快速制造方法，该方法可以应用于各种制造领域，其中汽车制造业是其最重要的应用领域。

本发明所提出的金属电弧喷涂汽车覆盖件冲压模具快速制造方法，是一种高效、低成本的快速制造半金属模具的方法，利用本专利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。将电弧喷涂技术、玻璃钢成型技术、环氧树脂成型技术和电刷镀技术结合在一起，使最终形成的模具在横断面上呈现梯度结构，各结构层具有不同的机械性能和作用，既保证了模具整体性能要求，又简化了工艺、降低了成本。

本发明提出的金属电弧喷涂汽车覆盖件冲压模具快速制造方法，实际上是一种复型方法，其特征在于包括以下步骤：

1)用于喷涂复型的模具原型根据具体应用情况，有三种可能的获取途径：

①采用快速原型(RP-Rapid Prototyping)制造技术直接成型；②采用数控设备加工非金属原型(如石膏、塑料、木材等)；③采用已有冲压零件，适当地进行工艺面补充，直接用作喷涂模型。

2)模具制造的技术途径是：

①将RP原型或由其翻制的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表面抛光，然后均匀地涂上一层脱模剂；

②将经基体处理后的上述模型或样件进行金属电弧喷涂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处的曲面保持垂直。

③玻璃钢加强。在喷涂好的金属薄壳北面裱糊一定厚度的玻璃钢加强层，以提高模具型腔抗弯曲和抗剪切性能。

④填充背衬材料。将环氧树脂-增强纤维-金属粉混合物等背衬材料浇入喷涂好的模具型腔和预备好的金属模框内，根据需要埋设嵌入件。待环氧树脂固化后，剩余部分以高强度快干水泥填充，以降低模具制造成本。

⑤模具表面电刷镀强化

脱模后，在模具工作表面电刷镀高硬度合金，以提高模具表面硬度和耐磨性。

⑥通过以上工艺路径，最终形成的模具在横断面上呈现梯度结构，即各结构层具有不同的机械性能：刷镀层提高模具表面硬度和耐磨性；金属喷涂层形成金属型面，具有较好的修磨性；玻璃钢层增加模具的抗拉、抗剪性能；环氧树脂层提高模具的整体抗压能力；高强度水泥在不减小模具强度情况下，可以降低模具制造成本。

附图说明

图1是本发明“金属电弧喷涂汽车覆盖件冲压模具快速制造方法”的技术路线图。

图2是本发明的工艺步骤示意图，其中(a)模型准备；(b)金属电弧喷涂形成一定厚度的金属薄壳；(c)玻璃钢加强；(d)浇注背衬材料；(e)模具工作表面电刷镀；(f)完成的金属电弧喷涂模具。

图3是采用本发明工艺制成的模具断层梯度结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和发明人依据本发明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，利用本发明进行冲压模具快速制造的技术途径是：①将RP原型或由其翻制的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表面抛光，然后均匀地涂上一层脱模剂；②将经基体处理后的上述模型或样件进行金属电弧喷涂形成具有一定厚度的金属薄壳；③在喷涂好的金属薄壳背面裱糊一定厚度的玻璃钢加强层，以提高模具型腔抗弯曲和抗剪切性能；④将环氧树脂-增强纤维-金属粉混合物等背衬材料浇入喷涂好的模具型腔和预备好的金属模框内，根据需要埋设嵌入件；待环氧树脂固化后，剩余部分以高强度快干水泥填充；⑤脱模后，在模具工作表面电刷镀高硬度合金，以提高模具表面硬度和耐磨性。

2)模具制造工艺步骤说明，参见图2所示。

①喷涂母模准备

根据具体情况，喷涂母模可由不同方法获得。在新产品开发时，一般首先得到模具CAD数据，然后采用RP快速成型技术得到喷涂模具母模，这种方法周期短，非常适用于中小模具开发，但用于大型模具试制，成本较高。为了降低成本，大型模具喷涂母模也可采用石膏毛坯数控加工获得，与RP原型相比成本有所降低，但周期会延长。在已经具有实物样件，进行仿制或反求时，也可直接在样件上进行喷涂，或由样件翻制石膏过渡模型，然后再喷涂。

②基体处理

基体处理的目的是，在喷涂阶段使涂层与模型之间有较好的结合力，不至出现鼓包、剥离等缺陷，当金属喷涂完成后，又可使得涂层与模型之间易于分离脱模。为此研发了金属电弧喷涂制模专用脱模剂。

③金属电弧喷涂

金属电弧喷涂是以两根分别接直流电源正负极的金属丝(Φ2mm)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、低气孔率的高质量金属涂层。

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、喷枪移动速度等。经过反复试验确定如下工艺参数：电压26V～34V，电流90A～110A，空气压力0.5Mpa～0.7Mpa，喷涂距离150mm～200mm，喷枪移动速度0.2～0.5m/s。

目前，金属电弧喷涂模具制造喷涂材料一般为低熔点合金，如Zn或Zn-Al伪合金，其特点是喷涂工艺性好(热变形小，易成型)，但制成的模具表面硬度较低(HV46～67)，耐磨性差，模具寿命较短，实用面窄。通过在涂层表面刷镀一层(20μm)镍合金，可以使模具表面硬度和耐磨性大大提高(HV达到500～700)。

④填充背衬材料

板料冲压模具要承受较大的冲击力，金属喷涂壳体只是为模具提供了一个高质量型面，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冲击力。具体工艺是：a)在金属喷涂层背后裱糊5～10mm厚度玻璃钢；b)放置钢制骨架；c)浇铸20～30mm环氧树脂、增强纤维、铁粉混合料；d)填充高强度水泥。

⑤电刷镀

为了提高模具表面硬度和耐磨性，在金属喷涂层表面刷镀一层20μm镍合金，使模具表面硬度和耐磨性大大提高(显微硬度500～700HV)。影响电刷镀层质量的工艺参数主要是刷镀电压和镀液温度。通过大量实验，对于快速镍，优选出镀液初始温度35度，工作电压12v为其综合最佳工作参数(考虑显微硬度、耐磨性)；对于致密快镍，选出镀液初始温度25度，工作电压12v为综合最佳工作参数(考虑显微硬度、耐磨性)。

⑥梯度材料结构

采用以上工艺技术最终形成的模具在横断面的各层上显示出不同的机械性能(如图3所示)。

刷镀层提高模具表面硬度和耐磨性；金属喷涂层形成金属型面，具有较好的修磨性；玻璃钢层增加模具的抗拉、抗剪性能；环氧树脂层提高模具的整体抗压能力；高强度水泥在不减小模具强度情况下，可以降低模具制造成本。

可以看出，模具各层形成梯度结构，每一层都有自身的特点和作用，既保证了模具整体性能要求，又简化了工艺、降低了成本。

Claims (5)

1.一种金属电弧喷涂汽车覆盖件模具快速制造方法，将电弧喷涂技术、玻璃钢成型技术、环氧树脂成型技术和电刷镀技术结合，使最终形成的模具在横断面上呈现梯度结构；其特征在于，包括以下步骤：

1)喷涂母模准备和基体处理

喷涂母模可由下述方法获得：

①直接采用模具RP(Rapid Prototyping)原型或由RP原型翻制的石膏过渡模作为喷涂母模；

②采用石膏、木材、塑料等非金属材料数控加工获得大型模具喷涂母模；

③直接在实物样件上，或由样件翻制石膏过渡模型上进行喷涂；

对以上方法获得的母模表面抛光处理，然后均匀地涂上一层脱模剂；

2)金属电弧喷涂

对处理后的母模表面进行金属电弧喷涂，形成一定厚度的金属喷涂薄壳，该薄壳构成冲压模具型面；喷涂过程中喷枪的轴线始终与工作点处的曲面保持垂直；

3)背衬材料填充

在喷涂好的金属薄壳背面裱糊玻璃钢加强层，然后以质量比为2∶1∶3的环氧树脂-增强纤维-金属粉混合物作为背衬材料，浇入喷涂好的模具型腔和预备好的金属模框内；

在浇注前，根据需要埋设嵌入件；待环氧树脂固化后，型腔空余部分以高强度快干水泥填充；

4)电刷镀

脱模后，在模具工作表面电刷镀高硬度合金层，以提高表面硬度和耐磨性；

5)最终形成的模具在横断面上呈现梯度层状结构，各结构层具有不同的机械性能。

2.如权利要求1所述的金属电弧喷涂汽车覆盖件模具快速制造方法，其特征在于，所述喷涂母模可以是RP原型、实物样件或由RP原型、实物样件翻制的石膏过渡模型，以及数控加工的石膏、木材、塑料等非金属模型。

3.如权利要求1所述的金属电弧喷涂汽车覆盖件模具快速制造方法，其特征在于，在金属喷涂层背面裱糊5mm～10mm厚度的玻璃钢加强层，以提高模具型面的抗弯曲、抗剪切能力。

4.如权利要求1所述的金属电弧喷涂汽车覆盖件模具快速制造方法，其特征在于，以环氧树脂-增强纤维-金属粉混合物作为背衬材料浇入喷涂好的模具型腔和预备好的金属模框内，剩余部分以高强度快干水泥填充。

5.如权利要求1所述的金属电弧喷涂汽车覆盖件模具快速制造方法，其特征在于，脱模后，在模具工作表面电刷镀20μm厚度的镍合金层。

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