电弧喷涂制模技术的研究及应用

19910124曼

电弧喷涂制模技术的研究及应用
9 G+ N$ q6 {9 J. u; O. a摘要：将电弧喷涂技术成功地运用到模具制作上，开辟了电弧喷涂技术应用的一个新领域。利用电弧喷涂制作模具具有周期短、费用低、效益高的显著特点，尤其对一些形状复杂、有各种装饰花纹的型腔模具更具有明显的经济效果和实用价值。
  N2 w7 x: ]( N# W关键词：电弧喷涂；模具；喷涂层；基体

1 电弧喷涂制作模具的原理和特点

电弧喷涂制模技术是将两根带电的制模专用金属丝通过导管不断地向前输送，金属丝在喷枪前端相交形成电弧，金属丝经电弧熔化，在压缩空气的作用下，将熔化的金属雾化成金属微粒，并以一定的速度喷射到样模表面，一层一层地相互叠加、堆积而形成高密度、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，从而形成了所需的模具型腔。喷涂形成的金属壳体与其他基体材料填充加固，结合成一整体，再配以其他部件，即组成一付完整的模具。这种制模方法类似于电铸制模，但又不完全相似。它制模工艺简单，容易掌握，模具制作周期短，费用低。对比制作同一形状尺寸的钢模，制模周期和模具费用均可降低60%以上。

2 电弧喷涂模具的基本结构

5 b* K: F1 Y. Q# N: F+ \电弧喷涂模具的基本结构可分为三部分，即金属喷涂层部分、基体部分和钢结构部分。现以室内装璜用装饰条模具为例，说明电弧喷涂模具的基本结构，见图1。

图1模具结构示意图
0 h, T0 d. r6 h6 w/ n1.加热管2.铰链3.模框4.镶块5.注射嘴
  y/ Y$ `; T/ w' X6.填充基体7.喷涂层8.制作9.销紧卡子10.顶杆

* @3 }, C2 n+ J1 s, x5 o: }' m(1)金属喷涂层：本模具的制品为高硬度聚脂塑料制品，要求模具具有一定的强度、硬度、表面粗糙度及良好的导热性，为此我们选用特殊的合金材料作为金属喷涂材料，经电弧熔化喷涂形成图示中的模具型腔。即图1中第7项喷涂层。
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(2)模具基体：第6项为填充基体。本模具基体材料为有机粘接剂与金属粉料混合而成，它能与金属喷涂层牢固地结合成一体，有很好的强度和导热性，完全可满足模具的工作要求。

(3)钢结构件：如模框、镶块、注射嘴、绞链等，均采用机械加工而成，然后镶配组合于模具上。
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" C$ p# v! J4 W, f3 电弧喷涂模具的制模工艺
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电弧喷涂模具制模工艺流程见图2。根据产品的要求及模具结构情况，工艺流程可作调整。

7 a9 R" @! S: |3 W图2 电弧喷涂模具制模工艺流程

+ b9 }. M% g3 ~. d- n1 ~! A(1)喷涂样模
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( M4 r$ e* F. o. ]3 _电弧喷涂模具的特点就是以样模为基准，模具型腔尺寸、几何精度完全取决于样模，样模的设计应根据产品成形的工艺要求决定其形状尺寸。为了便于喷涂后的脱模，样模可设计成拼块组合的结构形式。
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制造样模的材质很多：石膏、石墨、树脂、陶瓷、木材、金属等均可，也可直接采用产品作样模使用。
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1 f2 }' ?7 g9 h( e  r' u! t- e" o& ?9 x(2)离型剂、脱模剂
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利用电弧喷涂技术制作模具，既要求金属微粒均匀致密地贴敷到样模表面，又要求形成壳体后能顺利、完整地从样模上分离下来，而且在喷涂过程中要保护好样模及其表面花纹能经得起喷涂金属微粒的冲击。同时，起到承受喷涂时的高温和阻止热量向样模传递。

(3)喷涂参数

' Y/ L0 |2 Z* y①电弧功率：电弧功率是由电源所决定的，它是影响模具型腔质量的主要因素。功率小，起弧困难或断弧，喷涂的金属材料不能很好地熔化，影响涂层的结合强度。功率过大，喷涂的金属材料易过热，金属微粒的表面氧化严重，降低喷涂层的机械性能。使用锌合金喷涂制模材料以电弧电压36V，电弧电流110A左右较合适。

②喷涂距离：喷涂距离指喷涂制模时，喷枪嘴到样模之间的距离。喷涂距离直接影响到喷涂层的质量。距离过大，冲击到样模表面上金属微粒的温度和速度都将下降，动能减小，塑性较差，涂层组织疏松，强度降低，沉积效率下降。距离过小，喷涂层温度升高，模具型腔容易产生热变形，影响模具精度。通过试验，喷嘴到样模之间的喷涂距离以150～200mm为宜。

③喷涂角度：喷涂角度是指电弧喷涂成形时喷嘴气流轴线与被喷涂样模之间的夹角。此夹角以垂直于样模表面为最好，不得已情况下，也不应小于45°，否则会产生“遮蔽效应”，如图3所示。

图3 遮蔽效应

4 O9 m. i% S8 U④喷涂气压：电弧喷涂制模是利用压缩空气，将熔化的金属雾化成微粒并喷射到样模表面。因此，要求压缩空气具有一定的稳定压力，并且要保证空气干燥、清洁，通过试验，我们选取了空气压力为0.5～0.6MPa。
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⑤填充基体：当喷涂形成壳体后，利用基体材料填充加实，对壳体进行支撑和加固。基体材料的选择，主要是根据模具的工作条件和喷涂层的材质不同，选择不同的材料和工艺方法。模具对基体材料的要求，应具有一定的强度，能满足模具工作状态的受力要求，易于成形。由于喷涂壳体形成后，其外形比较复杂，基体形状必须与涂层紧密吻合，因此，填充基体必须具有易成形的特点，要有一定的导热性和耐热性，同时，其导热性及热膨胀系数应与金属喷 涂层相近，特别当模具工作温度较高时，更应注意。
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6 l2 ?" |& T1 D; i& x! Z⑥镶嵌金属件：有些模具的某些部位有一些特殊要求，难以进行喷涂，则可采用金属镶嵌件。经喷涂的金属镶嵌件，在样模取出后就直接成为模具型腔的一部分。这些特殊的部位一般是指模具上有较深的凹陷、凸起或筋条等结构，并且凸起或凹陷的高度大于其宽度，这些部位均应安放镶嵌件。对于一些受力较大、磨损较重的模具部位，也可采用金属镶嵌的办法，以提高模具寿命。镶嵌件的安装如图4所示。

图4金属镶嵌件安装示意图
1.金属镶嵌件2.金属喷涂层3.样模

根据模具的工作条件、受力情况等因素，选用不同的镶嵌件材料，如钢、铸铁、铝、锌合金、铜等均可。

. v7 `5 H- r; i" w4 L( ]⑦组装试模：电弧喷涂形成模具型腔，经填充加实后，将样模自型腔中脱出，并清理加工至符合要求、组装好相应的配件，即可形成一副完整的模具。
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: w4 J8 l5 Z% }5 t+ H: r4电弧喷涂制模工艺应用

现以PVC塑料女鞋底注塑模具为例，将电弧喷涂成形过程综述如下：

(1)样模是以市场选购的比较流行的PVC塑料女鞋底原件为样模。
(2)根据产品要求确定模具分型面，并涂刷离型剂和脱模剂。离型剂和脱模剂应涂刷均匀，每次涂刷应在上次涂刷干燥后再进行。
(3)待离型剂、脱模剂干燥后进行第一次喷涂，形成金属喷涂的凹模壳体。
' |5 f0 K( p0 V' G& `1 v(4)将壳体按要求找平，安装凹模框架，并浇注凹模基体填充材料。浇注时应注意将周边封闭，以防浇注时渗漏出来。
(5)凝固后翻转，在分型面样模上涂刷离型剂和脱模剂，并在相应部位上组装镶嵌金属件。
(6)干燥后进行第二次喷涂，形成金属喷涂的凸模壳体。
5 ^, z" `; Z4 h/ ?4 r3 l(7)安装凸模框架，并浇注凸模基体填充材料，同样注意周边封闭。
0 ?. q0 f8 Y0 A& g(8)凝固后，按分型面将凸、凹模分开，取出样模，即完成模具型腔的电弧喷涂成形。
6 [' g' F  k* ?% O) r, |(9)合模加工上下平面，以保证模具的平行。
1 C; Q9 }$ X( |: ^/ j2 \(10)连接上下模板，组装注射嘴等钢件。
! h4 {0 d' m' Y# D" ]  j(11)上机注射成形。
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; {; x0 `9 M4 I: p' I& _5电弧喷涂制作模具的经济效果

7 m2 Y1 [8 G8 Z  P5 |8 n(1)电弧喷涂制作模具工艺简单。它以样模为基准，利用电弧熔化金属，压缩空气使金属雾化并喷射到样模表面，形成模具型腔。这种方法比机械加工或电加工成形都简单，尤其是形状复杂、机械加工难以实现的模具型腔，其效果更为明显。

(2)电弧喷涂制作模具的制模周期短。常规的模具加工从铸(或锻)件、粗加工、精加工、仿型加工、钳工研配到模具成品，需要一个很长的加工周期，某些形状复杂的型腔模具，直接加工成形较困难，不得不采用拼接镶嵌的结构形式，从而使模具的设计和制造周期相应加长。采用电弧喷涂制作模具，只要有了样模，可在很短的时间内制作出符合要求的模具。制作一副投影面积1900mm×1200mm、表面有立体装饰花纹及以塑代木双人床头模具，仅用1周时间。同样大小的一副模具，若采用铸铝加工的常规方法，制作了5个多月才完成。

! k# z  H* _: n' y' p4 H) y(3)电弧喷涂模具成本低。喷涂模具所用的主要材料为喷涂金属丝和基体填充材料。喷丝用量很少，仅为薄薄的一层，所占模具费用比例甚微。上述床头模具，仅用喷丝不足20kg，价值500余元，整个模具成本费为1200多元，而常规方法所用的铸造费用就近7000元，整个模具成本近1.5万元。

电弧喷涂制模是一种典型的快速制模技术，它是具有制模工艺简单、制作周期短、模具成本低等显著特点，特别适用于小批量、多品种的生产使用，尤其在当前市场竞争的情况下，电弧喷涂制模技术为产品的更新换代提供了一个全新的制模方法和捷径。此技术将越来越受人们的重视和应用。