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锌基合金模具快速制造关键技术研究

曹驰  
【摘要】: 多品种、小批量、快速化的现代产品制造发展趋势要求企业必须快速响应市场和用户的需求变化,并提供创新设计的产品快速推向市场。快速成型技术和快速模具制造技术为解决该问题提供了技术支撑。其中,铸造法间接快速模具制造技术合理利用了快速成型技术和铸造技术的互补性,具有快速灵活适应性广的特点,可以实现低成本快速制造模具,成为快速模具制造的研究和应用热点。 本文基于锌基合金这种经济快速模具材料进行铸造法快速模具制造技术研究,围绕创新和快速两个主题,将产品创新设计方法、埋铸法注塑模随形冷却水道思想、新型模具材料和表面处理技术融合到快速模具制造工艺中,形成了一种支持产品创新的锌基合金模具快速制造技术,主要研究内容包括以下五个部分: (1)利用数字化图像处理技术进行数字图片特征的提取研究,制定了输入的BMP格式图形的矢量化方案,通过灰度化、二值化、滤波、轮廓提取、细化等过程,研究和筛选关键步骤中的算法,并进行编程实现,提取出数字图片的特征轮廓信息,并生成DXF格式文件输入到三维造型软件中。通过研究实现了数字图片特征信息用于产品创新设计和模具表面图纹的制造中,特征轮廓精度高,结合快速制模方法可以不依赖腐蚀或者精雕的方法即可生成模具型腔的图纹。 (2)提出用埋铸法快速制造内置随形冷却水道(Conformal Cooling Channels-CCC)注塑模具的工艺路线,利用锌基合金的低熔点和铸造工艺的灵活性,可以实现CCC的低成本制造。用MPI软件对随形水道冷却效果进行了模拟,结果表明常用模流分析软件不能适应埋铸法的特点。用传热学原理和有限差分法建立内置埋铸随形冷却水道注塑模具的解析模型,并开发了模拟仿真程序,对比分析直水道和随形水道的冷却效果,对内置CCC的水管直径、距型腔壁距离和水管间距等参数进行分析,为埋铸随形冷却水道的仿真优化进行探索,为今后的冷却水道模拟提供了借鉴和研究基础。 (3)选择一种高铝铜含量的锌基合金Zn-11%Al-8%Cu-Mg为研究对象,试验考察稀土和锆元素对合金组织性能的影响,以进一步改善传统锌基合金的性能以提高模具寿命。结果表明:适量的稀土和锆元素能够细化合金组织,并形成均匀分布的第二相,但加入量过多后细化变质效果减弱,不利于组织优化;稀土和锆元素能够提高合金的力学性能和耐腐蚀性能,但当稀土和锆加入量分别达到0.06%和0.5%时,合金性能降低。热处理试验表明:Zn-11%Al-8%Cu-Mg合金采用320℃保温3h后水冷+120℃保温10h后空冷的热处理工艺后虽然硬度有所下降,但强度和延伸率提高,组织更加均匀。综合试验结果确定Zn-11%Al-8%Cu-Mg-0.05%RE合金为模具合金。 (4)对Zn-11%Al-8%Cu-Mg合金表面化学镀镍工艺进行研究,以进一步改善锌基合金模具性能并促进其应用。锌基合金的性质分析表明化学镀前处理很关键,考虑到镀层的结合力和化学镀工艺的环保,本文开发一种碱性预化学镀+酸性化学镀镍的锌基合金化学镀工艺。试验筛选了合理的化学除油、弱酸浸蚀和碱性预化学镀的工艺,分析锌基合金化学镀镍的机理,通过酸性化学镀镍溶液的成分对镀镍速度的影响进行镀液优化。对化学镀镍层的分析表明沉积速率为11.44μm/h,镀层含磷量为6.03%,属于中磷镀层,镀层为非晶态结构,镀层致密均匀,镀层与基体结合良好,耐蚀性较基体有很大的提高。因此化学镀镍工艺可以对Zn-11%Al-8%Cu-Mg合金起到防护作用,有望成为该合金作为模具使用时的表面处理方法。 (5)以实例说明基于SLA原型的锌基合金模具快速制造的工艺,进行真空注型机的设计制造,从CAD模型获得的SLA原型的制造可以制造硅橡胶软模,研究得到石膏型的制作工艺,分析了锌基合金模具零件的铸造工艺和凝固特点,通过重力铸造工艺可以获得模具零件。该工艺可以集成前四部分的研究成果,形成支持产品创新的锌基合金模具快速制造技术。将锌基合金在塑料模、冲裁模和拉深模上进行试制,对锌基合金模具进行应用和评估。 本文通过研究形成了基于SLA原型和铸造工艺的锌基合金快速制模技术及新型材料的开发,为低成本快速制造高质量的锌基合金模具提供技术应用基础,为快速反应市场的产品创新提供技术支持。


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