文　摘：为获得高质量的汽车覆盖件金属模具，提出了基于快速成形（RP-Rapid Prototyping）技术的快速金属模具制造技术。分析了RP技术的离散/堆积成形原理，给出了采用RP技术制造非金属原型的工艺过程，介绍了基于并行处理技术的超大型LOM-1600快速成形系统。该系统采用非线性有限元对凝固过程中铸件的尺寸精度进行数值模拟，通过动态信息反馈优化原型尺寸，详细介绍了无焙烧陶瓷型精密铸造技术的工艺及机理。基于RP技术的汽车覆盖件金属模具制造系统是一种全新的闭环控制模具设计与制造系统，经实际生产验证，取得良好的效果。
    关键词：快速成形；数值模拟；精密铸造；模具

　　目前我国汽车工业迅猛发展，正在开发自己的轿车车型，大型覆盖件金属模具的快速、低成本制造是决定轿车更新换代、参与竞争的最关键因素之一，而我国的模具制造业很难满足汽车工业发展的需要，尤其是轿车大型覆盖件金属模具几乎全部依靠进口，一个新车型覆盖件模具需要几百套，价值数亿元。目前国内外流行的、比较先进的汽车大型覆盖件金属模具制造技术是建立在轻型数控铣、大型精密数控铣和消失模铸造技术基础之上的，初期投资巨大，生产周期长，费用高^［1］。基于快速成形RP技术的大型汽车覆盖件金属模具制造技术，是打破上述局面的很好出路，其成果还可以直接应用到其它制造领域。

1、 基于RP技术的金属模具制造技术

　　基于RP技术的大型汽车覆盖件金属模具制造技术的实质是用先进的精密热加工代替冷加工，大型快速原型制造系统本身也是一种复杂的NC加工设备，它的出现大大改变了模具制造的现状。该技术将NC加工技术从冷加工转移到热加工，以获得精密的“毛坯”即模具，这个概念是现代加工技术发展的趋势。先进制造技术发展的事实证明精密热加工使得“毛坯”精化，甚至制造出精密的零件，从而减少了对冷加工的技术要求，提高了生产效率，降低了成本，具体工艺路线见图1。

图1　基于RP技术的大型汽车覆盖件
金属模具制造工艺

2、关键技术研究

2.1　快速成形技术
　　RP技术是先进制造技术的重要组成部分，是综合了计算机、数控、激光、新材料和CAD/CAM等新技术而形成的一种基于离散/堆积成形原理的直接从CAD三维模型设计到实际原型/零件加工的全新制造方法，是当代制造领域的前沿技术^［2］。
　　RP技术的基本原理是离散/堆积成形原理，三维形体在离散过程中被沿1至3个方向分解，生成形体的各个截面、截线和截点，称之为离散面、离散线和离散点，将这些离散体(面、线和点)转换成实体，并将它们依照原先的顺序堆积还原成三维形体的实体形状。
　　RP技术的特点是通过离散获得材料堆积的路径、顺序和方式，在数控系统控制下将材料逐层“迭加”起来形成三维实体，实现数字化成形，其成形过程见图2：三维CAD电子模型被沿Z向离散，生成一系列二维层面数据，再将分层后的数据进行处理，加入加工参数，生成数控代码，数控系统以平面加工方式顺序加工出每个层片并使它们堆积、粘接成形，构成三维物理实体。

图2　RP技术成形工艺

2.2　RP原型制作及设备
　　在众多的RP工艺中，以LOM工艺最为适于制作实心块体原型，为汽车大型覆盖件模具首选RP工艺。超大型的LOM-1600分层实体制造系统是本技术的关键设备，目前我们已经完成设计、制造，并进入最后调试^［3］。该系统是基于并行工程的设计思想而实现的，其成形空间为1600mm×800mm×700mm。采用双激光并行数控系统，将原型分成两个部分同时加工，提高了成形速度，自行研制的控制电路，其功率0～40W随切割速度实时匹配，关键零部件采用世界名牌产品：如数控系统采用美国Park公司产品；伺服电机及其驱动器采用日本三菱公司产品；丝杠和导轨采用日本THK公司产品；温控系统采用英国West公司产品。
2.3　凝固过程尺寸精度模拟
　　凝固过程中铸件的尺寸精度是精密模具铸造的一个主要问题，我们开发出基于MARC非线性有限元分析软件的凝固过程尺寸精度模拟软件系统，能够对凝固过程中铸件的尺寸精度进行数值模拟，通过动态信息反馈提高精密铸件的尺寸精度，从而获得尺寸精度良好的模具。
　　尺寸精度模拟是一个复杂的热力耦合问题，在凝固过程中铸件与铸型之间有接触力产生，同时又发生不平衡热传导，我们采用弹塑性热力耦合分析方法对大型汽车覆盖件模具凝固过程进行三维非线性有限元分析，变形与温度场的耦合计算采用弱耦合模式，在每一增量步内的计算由传热计算和弹塑性变形计算两部分组成。在传热计算时采用Fourier热传导微分方程，结合Fourier热传导微分方程以及热传导分析的边界条件，采用Galerkin法建立瞬态热传导的有限元格式

　　　　　(1)

其中

　　　　　(2)

g为等参单元的形函数， q为热流密度， v为热对流速度， ρ为材料的密度， c为材料的比热， k为热传导系数， T为温度值， Q为由有塑性功及摩擦生热转化的内部热源。
　　在铸件凝固过程中，铸件在重力、摩擦力和热应力的作用下发生弹塑性变形，性能参数随温度变化，材料的弹塑性应力增量与应变增量的关系为

　　　　　(3)

　　　　　(4)

　　　　　(5)

其中：

　　　　　(6)

　　　　　　(7)

σ为应力张量， ε为应变张量， s为应力偏张量， σ_eq为等效应力， ε_eq为等效应变， σ_y为屈服应力， E为弹性模量， α为热膨胀系数。
　　采用接触力学的方法对凝固过程热力耦合分析中铸件与铸型间的接触问题进行处理。采用修正的Lagrange乘子法对铸件的凝固过程进行描述，基于载荷控制的自适应时间步长，将位移判据作为收敛判据，得到铸件凝固过程的温度场分布、位移分布及变形状态图（图3～5）。

图3　凹模一半的三维有限元分析模型

图4　凹模的温度场分布及变形状态图

图5　凹模位移场分布及变形状态图

2.4　基于RP的无焙烧陶瓷型精密铸造工艺
　　陶瓷型精密铸造是以耐火度高、热膨胀系数小的耐火材料作为骨料，硅酸乙脂水解液作为粘结剂，配制成陶瓷浆料，在催化剂的作用下，经过灌浆、结胶、硬化、起模、焙烧等一系列工序制成表面光洁度和尺寸精度高的陶瓷铸型，浇铸出精密铸件^［4］。 RP技术能够得到高精度的原型，陶瓷型精密铸造可以在保持原型精度和光洁度的基础上得到金属模具，同时由于对陶瓷型进行高温焙烧会产生裂纹及变形，对于超大尺寸模具需要大尺寸焙烧炉，又要求炉内温度均匀，技术难度很大，为此我们研究出基于RP的无焙烧陶瓷型精密铸造新技术，其工艺流程见图6。图7为采用该技术制造的汽车上梁覆盖件凹模。

图6　基于RP的无焙烧陶瓷型精密铸造工艺流程

图7　汽车上梁覆盖件凹模

　　无焙烧陶瓷型精密铸造的水解、胶凝的反应过程如下：四氯化硅与乙醇作用制得硅酸乙酯，反应方程式为

SiCl₄+4C₂H₅OH＝（C₂H₅O）₄Si+4HCl　　　　　(8)

　　硅酸乙酯水解后成为硅酸胶体溶液，作为无焙烧陶瓷型的粘结剂，其中盐酸作为水解反应的催化剂，反应方程式为：

　　　　　(9)

　　　　　(10)

　　　　　(11)

　　　　(12)

　　硅酸乙酯水解液中分散的SiO₂胶体作为一种吸附剂，把耐火材料吸附在一起，胶凝后形成网状无机硅聚合物，得到高强度陶瓷型。

3、结　论

　　超大型LOM-1600快速成形系统是实现大型模具快速制造的前提和基础，它的开发成功填补了快速成形技术在制造大型原型方面的空白；凝固过程中尺寸精度模拟对于快速金属模具制造中优化原型尺寸，获得尺寸精度良好的模具有着重要的意义；基于RP的无焙烧陶瓷型精密铸造技术高效、实用、高精度地将RP非金属型转换为金属型，实现了金属模具的快速制造，较好地解决了对陶瓷型进行高温焙烧会产生裂纹、形变等影响陶瓷型铸件精度的问题，以及对于大型陶瓷型，需要大规模的焙烧炉，炉内温度场又要求均匀的技术难题；基于RP技术的大型汽车覆盖件金属模具制造系统是包含了快速成形技术、凝固过程数值模拟和精密转换工艺的早期、多回路、快速信息反馈的闭环控制模具设计与制造系统，经实际生产验证，取得良好的效果。它较好地解决了汽车工业中大型覆盖件模具的制造问题，对于提高我国模具制造的快速反应能力，提高设计水平，缩短研制周期，降低生产成本和提高制造柔性，具有十分重要的意义。

 

摘自：清华大学学报