摘要:综述了电弧喷涂快速制模技术的发展现状,分析了高熔点金属应用于电弧喷涂快速制模中存在的问题。通过实验研究,得出了在母模上铺设随形金属网、辅型喷涂、间隔喷涂和复合喷涂等方法,有效地将高熔点金属用于电弧喷涂快速制模,扩展了电弧喷涂快速模具的应用范围。
关键词:高熔点金属;电弧喷涂;快速制模
1引言
快速制模技术是缩短产品开发周期和赢得市场竞争的有效手段之一,与传统加工技术相比,具有制模周期短、成本较低的特点,精度和寿命又能满足要求,是综合经济比较显著的模具制造技术。因此,工业发达国家已将快速制模技术作为缩短产品开发时间及模具制作周期的重要研究课程和制造业核心技术之一[1]。
电弧喷涂制模技术是利用电弧喷枪将2根制模专用金属丝在喷枪前短路形成电弧,金属丝经电弧熔化后在压缩空气的作用下,将熔融金属雾化并喷射到母模表面至一定厚度,从而形成高密度、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,从而形成所需的模具型腔的制模技术。喷涂形成的金属壳体与基体材料结合成一整体,再配以其他部件,即组成1副完整的模具[2]。这种制模方法工艺简单,容易掌握,制模速度快,制造周期短,模具寿命长,成本低,仅为数控法加工钢模的1/3~1/5。模具表面粗糙度值低,设备要求低,比较适合于注射成型模、压铸模、板料拉延模的快速制造[3]。
目前,电弧喷涂快速模具的制作材料主要是低熔点锌铝合金,锌铝合金硬度低,承受的温度低,无法制作强度要求高的模具,基本上不能用于实际生产,主要用于新产品开发和试制以及小批量生产。近几年来,为了增强喷涂层的硬度、强度、耐磨性等性能,进行了大量的研究工作:
(1)强化模具工作表面。在电弧喷涂快速模具工作表面进行电刷镀强化[4]、脉冲复合刷镀强化[5]、等离子喷涂强化等。
(2)增强喷涂母模。用耐高温固体物质(陶瓷)对树脂基或纸基零件模型进行复制,经过干燥和烧结后,在其上热喷涂沉积钢基涂层制作模具[6]。沈阳工业大学利用马氏体不锈钢在发生马氏体相变时的体积膨胀特性,对3Cr13、65Mn、70、82B等材料进行研究,并成功在陶瓷型上喷涂制造拉深模[7]。
(3)改善喷涂层性能,用伪合金喷涂层作模具工作表面。西安交通大学成功地用Zn_Al_Cu伪合金制造汽车前翼子板拉深模,这种伪合金模具有更高的硬度和强度,可用于汽车车身开发阶段的模具、产品试制[8];可通过调整喷涂工艺参数或采用N2作为雾化气体的方式来降低电弧喷涂层的氧化程度[9,10]。
现就高熔点金属电弧喷涂快速制模工艺存在的难点进行分析,通过实验研究,提出了几种解决方法。
2高熔点金属电弧喷涂快速制模工艺研究
高熔点金属电弧喷涂快速制模的工艺流程如图1所示。在实际应用时,也可以不采用RP原型,直接从工件上翻制出硅橡胶模型。
高熔点金属与低熔点金属相比,其制模工艺流程基本一致,主要的区别是喷涂工艺。通过对高熔点金属电弧喷涂制模中存在的问题进行分析,改善喷涂工艺,保证了高熔点金属用于快速制模。
2.1铺设随形金属丝(网)改善喷涂层性能
在石膏模或陶瓷模上铺设随形金属丝(网)改善喷涂层的强度,抑制喷涂层发生开裂、翘曲、起皮和脱落等情况,工艺流程见图2。
为了使金属网不脱离石膏模表面,采用外箍圈箍紧,并用钎焊方法将外箍圈与金属焊接起来。图3(a)所示是在石膏模上铺设孔尺寸为1 mm@1 mm铜丝网。
图3(b)、(c)、(d)分别为在表面铺设铜丝网的石膏模上电弧喷涂Cu、Cu_3Cr13、3Cr13的情况,很明显,由于铜丝网的增强作用,喷涂层没有出现开裂、翘曲和脱落的现象,这就为高熔点金属用于电弧喷涂快速制模提供了可能。
2.2辅型喷涂
所谓辅型是除了喷涂模具型腔表面的工作区域外,还在工作区域外增加一部分喷涂区域,用来防止喷涂层在边界区域发生开裂、翘曲甚至脱落等缺陷,保证喷涂层的精度。采用辅型喷涂是由于模具型腔是由凸、凹模组成的,而喷涂金属壳实际上是凸、凹模的工作面。如果只单独喷涂工作部分,很难保证喷涂层不发生开裂、翘曲甚至脱落,即除了喷涂凸、凹模的工作部分外,还增加一部分喷涂区域用来抑制喷涂层开裂、翘曲,在喷涂结束后,用机加工的方式切除多余的辅助部分。
图4为汽车尾灯灯罩的石膏喷涂母模,石膏模中间的凸模和凹模是灯罩所在模具中的接触面,周围的平外框即石膏辅型。辅型的存在使得喷涂层与石膏模的侧面边界得以延伸,可有效防止喷涂层翘曲、开裂等缺陷直接影响凸模或凹模的形状和精度,也为喷涂金属壳与钢架的配合留有余量。
2.3间隔喷涂
由于高熔点金属雾化微粒的温度比低熔点金属高得多,导致喷涂层的温度上升很快。在压缩空气的冷却下很容易发生开裂、翘曲和脱落等缺陷,在喷涂时最好采用间隔喷涂的方式进行,即在开始喷涂时,喷涂一薄层金属后,停止喷涂,待喷涂层温度降低后,再继续喷涂一薄层金属,如此反复,最终喷涂成型金属壳。
2.4复合喷涂
由于喷涂材料的延展性和在喷涂过程中发生氧化的程度不一致,延展性好的金属的强度和硬度往往较差。例如,锌和铝的延展性很好,非常适合成型喷涂金属壳,但强度很低,只能用于塑料模具和产品试制的制作;钢铁材料(如3Cr13)的强度和硬度很好,但延展性较差,用于喷涂金属壳时极易出现开裂、翘曲和脱落等缺陷。复合喷涂就是将延展性好的金属材料与强度和硬度好的金属材料分别作为电弧喷涂的两极,充分利用两种材料的优点,形成一个由两种材料组成的喷涂金属壳。延展性好的材料在金属壳中起连接粘接作用,强度和硬度好的材料起增强强度和硬度作用,既改善了喷涂金属壳的喷涂成型性能,又保证了其硬度和强度。
3应用实例
根据以上电弧喷涂快速制模工艺的研究,用7Cr13药芯喷丝和Zn丝制作1副用于生产汽车灯罩注射模,如图5所示。模具在F_3000型注塑机进行注射,如图6所示,注射出符合要求的塑料灯罩,如图7所示。
4结束语
通过在喷涂母模上增加喷涂辅型,在母模上铺设增强金属网,采用复合喷涂、间隔喷涂和辅型方式成功将高熔点金属用于电弧喷涂快速制模,制造出适用于生产的注射模,扩展了电弧喷涂快速模具的应用范围。
参考文献略
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