RP/RT集成制造环境下的模具精度控制探讨

老诚

摘要：简要介绍RP技术与RT技术的特点及其集成制造系统；探讨RP/RT制造环境下快速制造模具的技术线路和各生产环节工艺精度控制方法；分析影响模具制造精度的因素，提出按照一个闭环模式将各工艺环节的累积误差反馈到CAD设计端去修改原始设计数据，从而制造出合乎要求的模具的精度控制途径。
5 }/ r% e* `- V* u4 [3 C$ ]. C7 ~, n关键词：快速原型制造；集成制造；模具精度；闭环控制

1 基于RP技术的快速模具制造
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/ O( k* P" _  _: V( e6 i/ l快速成形(RP)技术综合了机械工程、CAD/CAM、数控技术、激光技术及材料科学新技术，采用材料累加原理，无需刀具、工装，通过多种途径快速实现从CAD数据到3维物理实体的转换。由不同的RP工艺制成的原型(prototype)可直接或间接地生产出工程零件或产品来。由于RP技术特别适合于制造形状复杂精细的零件原型，成功地解决了CAD3维造型“看得见、摸不着”的问题，且具有生产柔性高(只需修改CAD数据就可生产不同形状的零件)、技术集成度高(集设计制造于一体)，以及制造成本与零件复杂程度与生产批量无关等特点，使得该技术在汽车、家电、轻工、医疗修复、工艺品和儿童玩具等行业得到极其广泛的应用。在国内，已有一些单位对RP技术进行了研究开发，并都取得了一定成果[1]。
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* |2 _# I5 d! r近20年来，制造业市场环境发生了重大的变化，用户需求的多样化与个性化以及国际市场的一体化，使得制造商面临更为激烈的竞争。为此，制造业在不断探求能够快速响应市场的生产模式和技术策略，如并行工程、敏捷制造、高速切削和快速成形等，RP技术也就是在这样的背景下发展起来的。以RP为技术支撑的快速模具制造(rapid tooling， RT)也正是为了加快新产品开发周期，早日向市场推出适销对路的，按客户意图定制的多品种、小批量产品而发展起来的新型制造技术[2，3]。
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0 ^2 h4 x% u; w* z6 o  j而RP/RT集成环境下的制造技术可实现最终零件和产品的快速制造，这无疑是对多样化、个性化、准时化、小批量的现代制造模式和瞬息万变的市场需求的强有力的技术支撑。RT将是实现这一思想的关键环节。

由于模具属于一种技术密集型产品，其制作过程涉及材料、工艺、设备等各种因素，按传统机械加工工艺生产、周期长、成本高。而基于RP技术的RT由于技术集成度高，从CAD数据到物理实体转换过程快，因而同传统的数控加工方法加工一件模具相比，制作周期仅为前者的1/10～1/3，生产成本仅为前者的1/5～1/3，所以国外工业发达国家已将RP/RT作为缩短新产品开发周期及模具制作周期的重要研究课题和制造业核心技术之一。
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+ h4 Z) y+ J/ y# ]9 v利用RP技术快速制造模具，按模具材料和生产成本一般可分为简易模具(国外有关资料称之为soft tooling或economical tooling)和钢制模具(hard tooling)两大类。
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如果零件批量较小(几十到几千件)，或者是用于产品的试生产，可以用非钢铁材料制造成本相对较低的简易模具。此类模具一般先用RP技术制作零件原型，然后根据该原型翻制成硅橡胶模、金属树脂模和石膏模，或对RP原型进行表面处理，用金属喷镀法(metalspraying)或物理蒸发沉积法(PVD)镀上一层低熔点合金(如kirksite合金)或镍来制作模具。这类模具的寿命、成本(相对比较值)和制作周期同钢模具的比较见表1[4]。

& j' c3 D% h: w8 A/ L) R6 ^2 Y! n从表1中可以看出，采用传统的机加工方法生产钢模具成本高、周期长。但若采用RP技术，我们可以用较低的成本、很短的周期生产出钢模具来。
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利用RP技术快速制作钢模具目前有陶瓷型精密铸造和失蜡精密铸造以及化学粘结钢粉(一般是不锈钢粉)烧结渗铜处理直接生产钢模具(均需RP原型作母模)，另外一种途径就是利用RP原型制作铜电极或石墨电极，再用电火花加工(EDM)制成钢模具。
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' S+ a5 _( X3 `" g据文献[5]报道，利用RP技术直接生产模具的著名商家有CEMCOM、Dynamic Tooling、Ex-press Tool、Extrude Hone和Rapid Tool等，但都处于研制阶段，其生产规模、精度等级和最大模具尺寸、制造水平都十分有限，离完全商业化程度尚有一定距离，这就给我们提供了一个赶超世界先进水平的极好机遇。美国Mechanical Engineering杂志副主编Ashley在1998年7月份该杂志的一篇文章中指出，如果能成功地利用RP技术开发RT，将会引起全球年产值达数百亿美元的模具行业产生一次革命[6]。

; \, D+ u0 z  {! Y# G& \2 RP/RT集成制造环境下快速模具制造的精度控制

因为模具是用来直接生产最终成品(尤其是占模具行业比例最大的用来制造家电、轻工产品的注塑模)的工具，其尺寸、形状精度和表面质量要求很高。提高RP原型制作精度、消除翻制工艺过程中精度损失因素的影响已成为RP/RT的关键技术。
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, n  x( B. i# I9 o+ n目前，国内外对于RP和RT的研究只是局限在各个具体工艺步骤的可靠性和精度质量的探讨上，但是将基于RP技术的快速模具制造看成一个RP/RT集成系统，全面系统地研究其各个环节工艺精度的内在联系、相互影响和累积系统效应，按照一个闭环模式将累积误差反馈到CAD3维设计输入端去修改数据，逐次迭代，从而制造出满足精度要求的模具产品，这方面的研究目前还很少。由于RP/RT集成制造环境下工艺环节多，各工艺环节中变形机理复杂且随机因素较多(复制材料种类和工作温度都对其有明显影响)，因而对各工艺步骤的精度控制带来了一定的困难。而全闭环的精度控制模式可以对整个工艺过程中的精度影响因素作为一种累积效应来进行控制，直接修改CAD数据，从而保证了RP原型和模具具有较高的精度。

因此在CAD设计阶段就应将随后的整个工艺过程中可能出现的各种影响精度的因素都考虑进去，包括树脂固化收缩、原型翻制过程中的收缩，以及在加工石墨电极时的研磨误差补偿等，从而获得一个综合考虑了集成制造环境下不同影响因素以后的比较合理的CAD数据。按照这样的数据来制造的原型及模具的精度将会大大提高。

: e5 |' X# M& Q' F目前关于RP原型的制作精度问题出了大量的文章，有研究原材料物化性质的，有探讨激光扫描方式的[7]，有关于3维CAD模型分层方向的，还有关于支撑设置方式和树脂后固化处理的，等等。但采用RP技术制成的零件大部分只是一个原型，还不是由最终工程材料制成的零件或产品。也就是说，还要以这个原型为母型去翻制出最终产品来。即使RP原型精度很高，也会由于后续制作的不良工艺而导致模具和产品报废。因此，我们认为，整个快速模具制造过程中的误差链应作为一个闭环系统来考虑，而且这个闭环系统应当说是可控的。
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快速成形系统有10余种，目前较成熟的有五六种，都可以很快地按CAD数据制成形状复杂的原型来。但无论用何种方式制作原型，要将其变成最后生产用的模具还要涉及到随后翻制过程中各种不同材料(如硅橡胶、石膏、陶瓷型、金属树脂粉和石墨电极研磨头的粘结材料等)的收缩膨胀特性，表面喷镀金属的结合强度以及分离剂(脱模剂)的适当选择和石墨电极加工精度等诸多因素的影响。从每个独立的工艺步骤来说，我们首先要采取提高制作精度和误差补偿的措施，另外还要考虑到两邻接工艺步骤制作精度的相互影响与内在联系，最后从总的精度链根据最后制成的零件误差还需进一步检测和评估，甚至修改CAD原始设计数据。
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在实际工艺中，可以先选择几种典型零件(不同复杂程度)进行设计，得到CAD3维模型，经分层处理后输入RP成形机制作原型。原型制作完毕经打磨、抛光和尺寸检查(应预先考虑到随后翻制过程中的收缩量，不同的翻制过程和翻制次数其收缩量是不一样的)，合格后利用硅橡胶和金属树脂等翻制成软模，再制成石墨电极研具并将电极研制出来。由于研磨机原理是小振幅圆周平动加纵向进给，故研磨加工生产出表面形状与研具相反但尺寸略小的3维石墨电极。在研磨成形加工过程中对小振幅圆周平动振动的振幅Δα进行监测，因此加工后的石墨电极与研具在x-y平面上的轮廓图形误差为±Δα(型芯为“-”，型腔为“+”)。在电火花加工钢模时，电火花机床的平动头采用与研磨机平动台相同的振幅参数Δα，从而可以补偿石墨电极研磨加工过程中由于小振幅圆平动振动而改变的尺寸。在此过程中，研磨机平动台的平动和电火花机床平动头的平动形成了一对逆加工，因此钢模尺寸得到了很好的补偿。模具加工好以后，经试模、修模(必要时亦可修整电极)后正式投入生产(例如生产注塑件)。产品是否合格可采用反求技术(反求测量精度为±0.03mm)精确测得其内外轮廓尺寸。因为此时的精度误差是整个工艺的累积结果，可以依据该误差更新修改CAD数据，修正CAD模型后进行下一轮实验，得到闭环系统精度控制的结论。以后的实际制作中可用此结论预测不同形状模具的工艺变形参数并给予补偿修正。钢模具的精度用三坐标测量机测量，软模具用非接触式激光扫描方法测量。实例表明，从RP原型到钢质模具精度可以控制在±0.03mm