自由曲面拉延件在汽车车身中占有很大比例

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  将电弧金属喷涂技术与快速原型制造(RPM)技术相结合,尝试一种新的简易板料拉延模具制造方法。实践表明此方法制模成本低、周

  将电弧技术与快速原型制造(RPM)技术相结合,尝试一种新的简易板料拉延模具制造方法。实践表明此方法制模成本低、周期短,所制造的模具综合性能优于其它简易模具,如低熔点合金模、金属粉树脂模等,在自由曲面拉延模的制造中有很好的应用前景。

  自由曲面拉延件在汽车车身中占有很大比例,这一类零件冲压工艺复杂,其模具制造周期长、成本高,一般要通过反复调试、修正才能满足要求。为了对付激烈的市场竞争,在新品开发或小批量试制时经常采用简易模具,如低熔点合金模、锌基合金模、金属粉树脂模等。这些模具具有制造周期短、成本低的优点,但它们也各有不足,如低熔点合金、锌基合金凝固收缩率较大(1%),制模时难于控制尺寸精度,前者还要大量用到我国稀缺的材料铋;金属粉树脂模硬度和耐磨性较差。

  本文将电弧喷涂技术和RP&M技术相结合,寻求一种新的薄板自由曲面拉延模快速制造方法。近十几年,电弧喷涂技术在塑料成形模具制造中得到应用,但有关其在板料成形模具制造中的应用少有报道,本文在这方面作了一些探索性的工作。结果表明此方法效率高、成本低,模具表面硬度高于低熔点合金模和金属粉树脂模,有很好的应用前景。

  70年代,美国TAFA公司推出新的电弧金属喷涂设备,率先实现了电弧金属喷涂在模具制造中的应用[1]。目前,国内有多家公司和研究所生产电弧喷涂设备和喷涂用丝材,市场提供的丝材品种有铝、锌、铜、不锈钢、超低碳不锈钢、铝青铜、巴氏合金、复合材料等[2]。

  电弧喷涂的基本原理是以两根分别接直流电源正负极的金属丝(2~3mm)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,以极高速度撞击基体表面,扁平化,形成光滑、致密、低气孔率的金属涂层。电弧喷涂工艺参数主要有:电压、电流、雾化气压、送丝速度、喷枪移动速度和喷涂距离等。

  电弧喷涂的主要优点有[3]:(1)涂层性能优异,颗粒变形充分,孔隙率低,涂层致密。(2)喷涂时工件受热轻微,基材不变形,涂层应力小。(3)喷涂效率高。(4)节约能源,能源利用率可达60%~90%。(5)安全可靠,操作灵活。

  可用以电弧喷涂的材料很多,但由于高熔点合金收缩应力太大容易开裂,故目前用于模具制造的多是锌、铝及其合金。电弧喷涂制模的一般步骤如图1所示:

  (2)成本低,在新品开发或小批量生产时,制造成本仅是用机床生产的1/10、铝铸造法生产的1/2[1],且工艺简单,易于掌握,不需要价格昂贵、复杂的机加工设备。

  (3)与非金属材料模具,如金属粉树脂模相比,模具的表面硬度、耐磨性、光洁度等性能有较大的提高。

  (4)复型性好,适用于各种原型材料,如金属、木材、蜡或环氧树脂;制模精度高,无热扭曲或热收缩问题,喷涂时原型表面温度一般不超过66℃[1]。

  电弧金属喷涂制模需要首先获得零件原型。以前,对于自由曲面的板料冲压件,原型的制备和修改比较困难。今天,日趋成熟的RP技术为此提供了快捷方便的解决途径。

  快速原型制造(RPM-RapidPrototypingManufacturing)是80年代末美国3D公司首先开发的全新概念制造技术[4],90年代初我国开始启动这方面的研发工作,目前清华大学的LOM、FDM,西安交通大学的SLA,华中理工大学的LOM,南京航空航天大学、北京隆源公司的SLS等RP设备均已投入市场或提供服务[5]。

  (1)快速性:通过STL文件可与几乎所有的CAD造型系统无缝连接,从CAD模型到完成原型制作通常只需几到几十小时,可实现产品开发的快速闭环反馈。

  (2)高度柔性:RP制作过程本质上是信息传递和转换过程,它无需工夹具,无须生产准备,零件的设计和修改只涉及其CAD模型。

  (3)成型零件无复杂性工艺限制:以重复的简单二维操作成型复杂的三维零件,可以实现高度自动化和程序化,特别适合于成型形状复杂、传统方法难以制造甚至无法制造的零件。

  (4)高度集成化:CAD数据转换成STL格式后,即可开始RP制作,同传统的数控加工方法相比,克服了CAD/CAM集成时CAPP这一瓶颈问题。

  选取Audi车门的1∶5原型为实践对象,采用电弧喷涂技术制造其冲压模具并实际冲压,考察工艺的可行性和冲压质量。

  汽车车门属于3D自由曲面造。

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