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增材制造技术在模具制造中的应用研究

2016/8/9    来源:互联网    作者:洪奕  高鹏      
关键字:增材制造  复合材料  梯度功能  硬度  热疲劳  
介绍了增材制造技术的优点,阐述了增材制造技术在模具制造中的各种制造方法及特点,叙述了利用增材制造技术实现模具复合材料和梯度功能材料的应用,指出了增材制造技术的应用前景。

1 增材制造技术的优点

    增材制造(additive manufacturing,AM)技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术。经过20年的发展,增材制造技术已发展成使用金属、陶瓷、生物组织等多类材料,应用堆焊、电铸、热喷涂、激光熔覆和计算机控制选择性烧结成型等多种方法制造零件的一类全新制造技术。西方媒体把这种实体自由成型制造技术誉为将带来“第三次工业革命”的新技术。这种制造技术具有以下独特的优点:

    (1)累积加工。不需要制备大块的坯料,能够制造传统制造技术加工不出的特殊形体,如封闭空腔体、不可装配和不可拆卸的组合体等。

    (2)数字化制造。对工件的繁杂程度不敏感(或称“制造复杂性免费”),不需要模具、刀夹具就能直接成型,制造周期很短。

    (3)仿形制造。无需图纸和数控程序。

    (4)高能加工。对材料的铸造性、塑性、切削性不敏感。

    (5)精加工。材料利用率很高。

    (6)可与其他制造技术结合,制造复合材料和梯度功能材料工件,大大减少贵重金属材料用量,为使用高性能贵重金属材料制造模具提供了可能。增材制造技术的出现,丰富和扩展了机械制造技术的发展空间,同时也大幅提升了模具制造技术水平,为模具在传统制造技术和新兴制造技术之间搭建起新的关系。图1所示为传统制造技术和新兴制造技术与模具的关系。

图1 传统制造技术和新兴制造技术与模具的关系

图1 传统制造技术和新兴制造技术与模具的关系

    成型制造技术即把一种形状(或没有确定形状)的材料加工成所需形状的工件,包括铸造、塑性成型、粉末冶金成型等,基本上都要依靠模具成型。去除制造技术即把毛坯上不需要的材料去除掉后留下所需形状的工件,包括切削加工、电加工、化学加工、电解加工、高能束流加工等,大部分都需要刀具和夹具。从与模具的关系来说,塑性制造技术给去除制造提供坯料以制造模具,去除制造技术则给塑性制造提供模具。增材制造技术既不需要坯料、模具(少数需要模型),也不需要刀具、夹具就能制造比前2种传统技术更复杂的形状的零件,把增材制造与去除制造技术结合起来,能制造出将不同性能、不同价格的材料理想排布并具有功能梯度的复合材料工件或模具。

2 增材制造技术的各种制造方法及特点

    (1)堆焊。堆焊技术是一种传统技术,早已有人在大型冲模制造中应用,它可以在工件表面堆焊高硬度、耐磨、耐腐蚀、耐高温抗氧化、摩擦因数低等高性能材料,实现高性能、低成本的目的。特点是技术成熟、成本低,但成型粗糙、热影响区大。国产的各种性能的堆焊焊条已有几十种,进口的堆焊焊条更多,每千克几十、几百甚至上千元。

    (2)激光熔覆。实际上是采用了高能束流为热源的堆焊技术,由于采用激光光源,能量密度极大提高,具有热影响区很小、稀释度小、熔覆层厚度准确等优点,能够熔覆镍基合金、铁基合金、钴基合金和碳化钨复合材料等。

    (3)电铸。即利用金属的电解沉积原理精确复制某些复杂或特殊形状工件的特种加工方法,是电镀的特殊应用,可以在阳极模型上沉积几毫米甚至二十多毫米的工件,与阳极模型的仿形性(复写性)极强。一百多年前就有人利用电铸法制造唱片压模,能够精确成型唱片声纹,被称为“原子级加工”。最常用的镀材是铜、镍、铁及其合金,也常用金、银、铂镍-钴、钴-钨等;还可以逐层电镀不同的材料,制造梯度功能材料。缺点是沉积速度很慢,一般需要几十或者几百小时。国内已有不少成功的电铸模企业。

    (4)热喷涂。即把熔化或半熔化的金属或非金属喷涂到金属或非金属的模型表面,形成沉积层,起到耐磨、耐蚀、隔热、防氧化、绝缘、导电等作用,如果喷涂得很厚,脱模后就能形成工件,并且可以逐层喷涂不同材料制作梯度功能工件。常用喷涂材料是镍、钼、钨、钛、铁、钴、铝、锌及其合金,还可以喷涂陶瓷等非金属材料。喷涂加工中模型受热程度低、不退火、不变形、母材稀释率极低,可以用火焰、等离子弧、电弧等做热源。加工成本低,生产效率高。

    (5)计算机控制高能束流选择性烧结成型。即以激光、电子束、离子束为热源选择性熔化烧结金属或非金属粉形成工件的快速成型方法。十几年来,用激光、电子束等高能束流直接熔化金属粉末的3D快速成型技术发展很快,激光、电子束、离子束的聚焦直径越来越小,能量密度越来越高,可以熔化成型的金属品种也越来越多,钛、钨、钴、镍合金、不锈钢、H13钢等的应用报道不断呈现,尤其在模具快速制造、航空航天耐高温零件和大型薄壁零件制造方面更加突出,能够制造许多技术无法制造的复杂形状工件。

    近年来,一些厂家已经研制出把切削加工机床与激光烧结成型机床结合在一起的综合性机床,即把减材制造技术与增材制造技术结合起来的机床。这2种加工技术结合在一起,减少了工件重复装夹、定位的误差,使得制造精度更高而加工余量更少。德国的一家公司已经使用该技术制造飞机发动机涡轮盘,图2所示为加装激光烧结头的加工中心正在烧结加工。美国的一家公司将金属熔覆激光头放置在加工中心的刀具库中,由机床的换刀装置加载到主轴上,可置于加工中心刀具库中的激光烧结头如图3所示。随着这种综合性机床的发展,加工一副模具时可以先在这种机床上加工出模具基体,再在其上烧结所需的高性能材料,之后直接加工成型,冷、热加工可同时完成,且不受材料的限制,从而达到理想的加工效果。

图2 加装激光烧结头的加工中心正在烧结加工

图2 加装激光烧结头的加工中心正在烧结加工

责任编辑:屈婷婷
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