基于快速原型技术的快速电极制造工艺研究.docx
- 文档编号:18358299
- 上传时间:2023-08-16
- 格式:DOCX
- 页数:13
- 大小:197.12KB
基于快速原型技术的快速电极制造工艺研究.docx
《基于快速原型技术的快速电极制造工艺研究.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于快速原型技术的快速电极制造工艺研究.docx(13页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
基于快速原型技术的快速电极制造工艺研究
毕业设计
学生姓名:
学号:
专业:
机械设计制造及其自动化
题目:
基于快速原型技术的快速电极
制造工艺研究
评阅教师:
2013年6
目录
1绪论……………………………………………………………………………1
1.1快速成型技术………………………………………………………………………1
1.2快速模具制造技术及其应用现状…………………………………………………4
1.3选题意义…………………………………………………………………………6
1.4加工工艺……………………………………………………………………………7
1.5本文内容说明………………………………………………………………………8
2快速原型零件………………………………………………………………………9
2.1光敏树脂选择………………………………………………………………………9
2.2快速电极的确定……………………………………………………………………10
2.3锥齿轮电极的确定…………………………………………………………………12
3快速原型的制作工艺………………………………………………………………14
3.1SLA技术原理和发展………………………………………………………………14
3.2CAD文件的处理……………………………………………………………………15
3.3STL文件的数据处理………………………………………………………………15
3.3原型制作及后处理处理……………………………………………………………17
4SLA表面电铸铜工艺研究……………………………………………………………18
4.1电铸技术应用及发展………………………………………………………………18
4.2电铸原理……………………………………………………………………………20
4.3原型表面处理………………………………………………………………………15
结论…………………………………………………………………………………22
致谢…………………………………………………………………………………23
参考文献………………………………………………………………………………24
1绪论
1.1快速成型技术
1.1.1快速成型技术背景及简介
制造行业是国家经济的支柱产业之一,它既创造价值、生产物质财富和发现新的知识,又为国家经济的各部门,包括国防和科技的前进与发展提供先进的方法与装备。
据统计,在工业化国家中,约有25%的人口从事各种形式的生产制造活动,约有70%的物质财富来自于制造行业。
因此,有很多国家,如美国把制定制造行业发展的战略列为国家的重中之重。
美国认为制造行业不仅是国家国民经济的支柱,也对国家的经济和政治的领导地位有着决定性影响。
目前,制造行业的产品结构向着先进实用、高效节能、质量好、功能先进、无冗余、绿色环保型的产品方向发展
;生产模式向着种类多、批量小、单件化、柔性化、生产周期小的方向发展;其生产过程向着高速精密自动化、节能环保型、非传统加工方法的净成形方向发展。
快速成型技术(RapidPrototyping,简称RP技术)是二十世纪八十年代末开始的一种逐步商品化的制造技术,自问世以来得到了迅速发展,并在工程领域得到广泛应用。
2RP技术是将计算机辅助设计(CAD-ComputerAidedDesign,简称CAD)、计算机辅助制造(ComputerAidedManufacturing,简称CAM)、计算机数字控制(ComputerNumericalControl,简称CNC)、激光、精密伺服驱动机构等先进技术与新型材料集于一体,被认为是二十多年来制造行业的一次重大突破,对制造领域的影响能与五六十年代的数控技术相媲美。
RP技术根据CAD构造出产品三维模型,再对其进行分层扫描,从而得到各层截面的尺寸数据。
激光束根据各层截面尺寸数据进行有选择的固化各层的液态树脂(或有选择的切割各层的纸、或有选择的烧结各层的粉末材料、或有选择的喷射各层的粘结剂等),从而生成与该层截面尺寸形状一致的薄片,这一过程反复进行逐层叠加,直到最后产生出零件的实体模型。
因此,严格来说,RP技术应该属于离散/堆积成型技术。
与传统的去除材料成型形成鲜明的对比。
现在,商品化的快速成型方法主要有液态光敏树脂选择性固化法(SLA—StereoLithographyApparatus)、分层实体制造(LOM—LaminatedObjectManufacturing)、选择性激光烧结(SLS—SelectedLaserSintering)、丝状材料选择性熔覆(FDM—FusedDepositionModeling)、粉末材料选择性粘结(TDP—ThreeDimensionalPrinting)、固基光敏液相法(SGC—SolidGroundCuring)、喷粒法(BPM-BallisticParticleManufacturing)等等。
1.1.2快速成型技术的应用
现在,RP技术应用在许多制造领域,例如汽车、建筑、家电、船舶、航空、航天、医疗、工艺品制作等方面。
并且随着RP技术不断的发展和完善,其应用的领域一定会不断的拓展。
目前,RP技术的应用主要体现在如下几个方面:
(1)快速成型在新产品研发中的应用
现代产品设计过程中,设计的方法日益先进,CAD使产品设计更加快捷、直观,但是由于硬件和软件的局限,设计人员在新产品的研发阶段,仍然无法直观地评价产品的性能、结构的合理性以及产品生产工艺的可行性。
因为人为因素的存在,每个设计环节都可能存在设计缺陷,如果不及早发现这些设计缺陷,就会给后续工作带来诸多不便。
RP技术可以将CAD模型实体化,使设计人员可以对其进行设计评价、性能检验,甚至进行一些功能的测试,使得在初步设计阶段,消除人为因素的设计缺陷,减少损失。
(2)快速成型在模具制造中的应用
以RP技术制作的实体原型,结合精密铸造、金属喷涂、电镀、化学镀及电火花电极成型研磨等技术制造出企业产品所需要的各种模具和工艺装备,其制造周期一般为传统数控切削方法的五分之一左右,而成本为传统方法的三分之一左右。
而且模具的几何形状复杂度越高,其效益也就越显著。
目前,国内外根据模具的加工材料、生产成本、RP原型的材料、模具的生产批量、模具的精度要求,开发出多种多样的加工工艺方法。
(3)快速成型技术是与客户或订购商的交流手段
迄今为止,RP原型的制作正在成为一些制造厂商争夺订单的手段。
从另一个角度来看,客户总是更喜欢对实物原型进行评价,并且能够直观的对产品提出更多的修改和批评意见。
因此,应用快速成型技术制作的模型正在成为产品制造商与客户之间交流沟通的基本手段。
综上所述,快速成型技术在企业新产品的快速开发中有着越来越重要的作用,它可以极大的缩短新产品的开发周期,降低开发成本,减少开发风险。
1.1.3快速成型技术的发展
(1)技术与设备的开发
在过去的十多年时间中,快速成型技术迅速发展,形成了一种新的制造行业。
有提供快速成型系统设备制造商、有提供快速成型服务服务商(SB-serverBureau)以及提供RP技术支持的零部件供应商(如软件、快速成型原材料、激光器等)。
快速原型机的制造商主要在美国、欧洲、日本,例如提供SLA工艺快速成型设备的美国3D系统公司、Aaroflex公司和日本的C—MET公司,提供FDM工艺快速成型设备的美国Stratasys公司,提供SLS工艺快速成型设备的美国DTM公司,提供LOM工艺快速成型设备的美国Helisys公司,提供专业快速成型软件系统的主要有美国的SolidConcept公司的Bridgeworks软件产品等。
在我国,目前己有清华大学生产的LOM和FDM系列快速成型设备、西安交通大学开发的SPS系列的SLA快速成型设备、华中科技大学开发的LOM工艺的快速成型设备、北京隆源自动成型系统有限公司开发的AFS系列SLS快速成型设备等。
同时浙江大学、西北工业大学等研究机构对光敏树脂的成型性能和利用高功率激光器直接烧结金属粉成型结构零件进行了多种相关研究。
(2)快速成型与制造技术(RP&M—RapidPrototyping&Manufacturing)应用
虽然RP技术出现的时间不长,但是由于其对制造行业带来的巨大经济效益,使得这一技术的应用日益广泛。
据统计,从1996年至2001年,全球快速成型机的拥有量己从2243台增至7577台,快速成型机与快速成型服务的总产值也从4.21亿美元增加到6.01亿美元。
欧洲国家为了加快RP技术的研究、开发与运用,于1992年成立了合作组织,名为EuropeanActionRapidPrototyping,简称EARP,进行了许多卓有成效的工作。
我国有关RP技术的研究与发展起于20世纪90年代初,经历了多年的巨大努力,不仅引进了一批先进的快速成型机,而且自行研发出一批先进的快速成型机,更在其应用上取得了巨大的进展。
科技部已经在不同的地区批准了多个快速成型生产力促进中心,来为中小型的企业提供快速成型与制造的应用服务。
(3)RP&M的远程网络化制造
由于RP技术所需设备成本高、要求人员技术水平高,中小企业难于进行自己投资建立属于自己的快速成型开发系统,且企业与快速成型中心受到地区限制,传统异地开发模式(人员流动、图纸流动、产品流动)不具有快速成型的生产周期短、产品成本低的优点。
但随着网络技术的发展,使快速成型异地制造成为了可能,将传统异地开发模式改变成基于网络的异地协同开发制造模式,使各个快速成型中心能够快速的为全国范围内的企业提供服务成为可能。
综上所述,我们可以看出RP&M技术一经产生,就因其广泛的应用范围与巨大的经济效益,而受到制造行业众多企业的认同,尤其是RP技术与网络技术的结合,使其得到了飞快的发展。
RP&M技术在给制造行业带来革命性生产技术变革的同时,其自身也必将得到巨大的发展。
1.2快速模具制造技术及其应用现状
现在应用RP技术制造模具已经成为其自身发展的主要前进力之一。
快速模具制造技术分为直接制模技术和间接制模技术,主要用于制造注塑模和铸模。
把熔模铸造、喷涂法、化学镀、陶瓷模法、电铸法、电镀法等技术与RP技术结合起来就可以简单、快捷的制造出各种模具。
1.2.1直接制模技术
(1)直接制造非金属模具
采用各种RP技术,如SLA、SLS技术,可直接将CAD模型制成有一定机械性能的非金属模具,在一些要求简单的情况下,可作直接为模具使用,这种方式主要适用于小批量塑料零件的生产。
例如3D系统公司开发出一种可以直接用于发泡工艺的环氧树脂模具,称为Accu-RateClearEpoxySolid9(ACES),其使用寿命可达1000件。
但由于构成模具的材料成本很高,如SLA,SLS的光敏树脂为20—60元/克,使直接制造非金属模具的应用收到限制。
(2)直接制造金属模具
使用RP技术制造金属模具是现在最有前景的快速成型方法,优点不言而喻,但最大的缺点是尺寸精度低。
随着RP技术的发展,新的LOM工艺可以采用金属薄片作为快速成型材料,可以制造出铸造用EPS汽化模,从而进行批量生产金属材料铸件。
此外,用FDM技术将金属粉末制成金属型后,经过烧结、渗铜等工艺制成具有复杂冷却浇道的注塑模具。
1.2.2间接制模技术
(1)硅橡胶浇铸法.
SLA原型翻制硅橡胶模具是现在运用最为广泛的技术。
由于硅橡胶具有良好的柔性和弹性,对于结构复杂、花纹精细、无拔模斜度或有倒拔模斜度及具有深凹槽的模具来说,制作浇注完成后均可直接取出,这是相对其他材料制造模具的独特之处。
(2)树脂浇注法
硅橡胶模具仅仅适用于小批量的生产,如果制造数量偏大,则可利用快速原型件,进行翻制环氧树脂材料的模具。
这是将加热后变成液态的环氧树脂与有机或无机材料混合,得到的混合材料,再浇注在以快速原型件为母模的模具上的一种制模方法。
其工艺过程为:
快速原型件表面处理—涂洒脱模剂—设计模具框架—选择和设计模具分型面—浇注—开模并取出快速原型件。
用树脂浇注法进行快速制作模具的成本低、工艺简便,且这种树脂型模具导热性能好、机械强度高,表面不需加工,适用于注塑模具、薄板拉伸模具、吸塑模具及聚氨醋发泡成形模具等。
(3)金属喷涂法
金属喷涂法是以即RP&M原型作母模,将低熔点金属或合金充分雾化后,喷涂到母模表面上形成金属薄壳。
然后背衬其他充填材料作为支撑,而达到的快速制作模具的方法。
金属喷涂法工艺简便、周期短,型腔及其表面精细花纹等复杂表面可一次成型。
但是金属喷涂模具不能使喷涂金属层完全均匀,所以它不能用来制作精度要求很高的金属模具。
在制作过程中要注意解决好喷涂层与快速原型件表面的结合脱离问题。
(4)电铸制模法
电铸制模法的原理和制造方法与金属喷涂法相类似。
它是采用电化学原理,使电解液中金属离子沉积在原型表面,背衬其它充填材料来制作模具的方法。
电铸法制作的模具有良好的复制性和较高的尺寸精度,适合于尺寸精度要求较高、各形体表面均匀一致和表面形状不规则的型腔模具,如人体模具、儿童玩具等。
(5)陶瓷型精密铸造法
根据由SLA原型制作的硅橡胶、金属树脂、聚氨酯模腔,浇注化学粘结陶瓷、石膏等,或者直接在原型上涂挂陶瓷浆料,形成陶瓷壳型,高温烧结后用工具钢作为材质进行铸造,即可得到所要模具的型芯和型腔。
此种方法适用于在单件生产或小批量生产钢模。
(6)快速电极制造模具
快速电极制造模具已成功应用于石墨电极和铜、镍电极的制作。
石墨电极制造是利用快速原型件(阳模)直接制造出研磨工具(阴模)运用振动研磨法制备石墨电极。
石墨电极具有良好的导电性能、稳定的化学性能、较强的耐腐蚀性能、较小的热膨胀系数。
而铜、镍电极的制造就是在原型表面形成一定厚度的金属层,得到金属壳,在背衬其他填充材料,并连接导电装置,就完成了铜、镍电极的制造。
一般从CAD设计到完成电极的过程只需要七天时间。
Keltool方法主要用来制造使用时间长的注塑模具和电火花电极,其制造的铜电极的耐磨性要比石墨电极高4倍以上,但加工时间是石墨电极加工时间的1倍以上。
它的方法就是用金属基复合材料填充根据零件制作的反形中,然后高温烧结成型,再渗入熔融状态的铜填补电极缝隙,就得到了高密度模具。
这种方法制造电极的缺点主要是加工精度随着尺寸的增大而下降。
现在广泛运用的是在SLA或SLS原型表面电铸镍、铜,再加背衬填充物的方法。
1.3选题意义
自从1943年苏联学者拉扎连科夫妇研究发明电火花加工(ElectricalDischargeMachining,简称EDM),之后随着脉冲电源和控制系统的改进,而迅速发展起来。
电火花加工主要用于模具生产中的型孔、型腔加工,已成为模具制造业的主导加工方法,推动了模具行业的技术进步。
然而,随着新型材料的出现和数控加工技术的发展,电火花加工技术面临着新的挑战。
数控加工技术在模具加工尤其是锻模、注塑模、压铸模的加工中发挥着越来越重要的作用,基本上可以满足任何复杂曲面和超硬材料的加工,且速度快、成本低,是电火花加工面临着严峻的挑战。
所以,面对日益缩小的传统电火花加工应用市场,我们要运用高新科学技术,结合电火花加工的工艺特点,充分发挥其独有的优势,让它在制造领域发挥更大的作用。
EDM技术在加工有窄缝、深槽和复杂表面的零件时具有其特殊的优势。
因此,我们必须发挥EDM技术在这方面的优势,以适应日趋激烈的市场竞争。
精密、复杂的模具型腔的电火花加工关键是在于电火花电极,故电极制造是其重中之重。
RP技术具有精确、省时等优点,已经在快速模具制造上获得了成功应用。
但是现在的沉积金属制模方法,主要以电铸方法制作。
电铸加工的缺点是在窄、深凹槽的口部会发生过量沉积,金属层沉积不均匀。
虽然电铸加工有着不可避免的缺点,但是由于电铸设备技术成本低,应用广泛,故广受应用。
因此,本课题的研究目的是借助快速原型技术制作电火花加工电极,重点对其加工制作工艺相关问题进行研究。
在现有的技术条件下,为快速电极的制造提供有效、便捷的加工工艺。
1.4加工工艺
现在基于快速原型制作的快速电极主要有以下两种加工工艺:
如图1.1所示,加工工艺一适合电极与RP零件形状相同时的加工,一个快速原型零件只能制作一个电火花电极,其优点有:
制作工序简便,制造精度高,由于是原型与零件形状相同,所以更加节省时间,使设计人员任务减轻。
但是快速原型材料的价格偏高,所以这种加工方式只适合小批量或单件产品的加工生产。
如图1.2所示,加工工艺二适合电极与RP零件形状相反时的加工,由于使用硅橡胶材料进行翻模制作,故一个快速原型零件可以制作多个电极,且由于是使用硅橡胶,使其制作成本低廉,适合大批量的生产加工。
但其加工工序繁多,设计时需考虑支撑等问题,使设计人员需要考虑仔细,避免人为因素的缺陷。
本课题是借助快速原型技术制作EDM电极,其重点对其加工制作工艺进行研究。
故选用加工工艺1的方式作为此次研究的方向。
依据现有设备和工艺1,制定适合实际的加工工艺如下:
(1)产品选择,设计;
(2)绘制CAD模型,并制作快速原型;
(3)原型表面导电化处理、电铸,并进行打磨抛光;
1.5本文内容说明
本文是在借助快速原型技术制作EDM电极,重点对其加工制作工艺相关问题进行研究的同时,对涉及毕业设计阶段所做的主要工作及开发过程中所涉及的关键技术等问题进行说明。
具体的研究内容如下:
(1)根据加工工艺,选择适合的光敏树脂材料;
(2)根据典型产品反求电极,并根据加工工艺设计合理电极结构;
(3)根据加工工艺,论述由快速原型到电极成型的制作工艺;
(4)说明EDM电极的钢模试制工艺。
2快速原型零件
课题使用SLA快速原型技术制作原型零件,快速原型零件的制作,需要对其制作材料与形状尺寸进行合理选择。
2.1光敏树脂的选择
原型进行加工后,需保证零件的形状、尺寸不受加工的影响而产生变形,这需要对加工材料进行分析。
现有光敏树脂材料DMS11120、DMS14120与正邦C-UV8921,根据加工工艺需要,需进行工艺分析,保证原型在加工中,受热不变形(50
内受热不变形)。
(1)DSMSomosWaterShed11120
DSMSomosWaterShed11120光敏树脂是一种用于SL成型机的低粘度液态光敏树脂,能制作具有耐用、坚硬、防水等功能的零件。
用此材料制作的样件呈淡绿色透明,如图2.1所示。
SomosWaterShed11120光敏树脂性能优越,该材料类似于传统的工程塑料(包括ABS和PBT等)。
它能理想地应用于汽车、医疗器械、日用电子产品的样件制作,还被应用到水流量分析,风管测试以及室温硫化硅橡胶模型、可存放的概念模型、快速铸造模型的制造等方面上。
但其热变形温度和玻璃化温度较低,不适合电铸过程中的温度,故不选用。
(2)DSMSomosProtoTherm14120
DSMSomosProtoTherm14120光敏树脂是一种用于SL成型机的高速液态光敏树脂,能制作具有高强度、耐高温、防水等功能的零件。
用此材料制作的零部件外观呈现为乳白色,如图2.2。
SomosProtoTherm14120光敏树脂与其它耐高温光固化材料不同的是:
此材料经过后期高温加热后,拉伸强度明显增大,同时断裂延伸率仍然保持良好。
这些性能使得此材料能够理想地应用于汽车及航空等领域内需要耐高温的重要部件上。
其热变形温度,与玻璃化温度在45-60
范围内。
(3)正邦C-UV 8921
C-UV8921是一种具备精确和耐久特性的类ABS的立体光造型树脂。
它被用于固态激光的光固化成型法。
C-UV8921可应用于汽车、医疗、消费电子等工业领域的母模、概念模型、一般部件及功能性部件的制作。
用C-UV8921树脂制造的部件的耐久性长达6个月以上。
C-UV8921光敏树脂是一种用于SL成型机的低粘度液态光敏树脂,在潮湿环境中具有更好的强度及尺寸保持特性,能制作具有耐用、坚硬、防水等功能的零件。
用此材料制作的样件呈白色。
其热变形温度为52
,玻璃化温度为62
综上所述,采用正邦C-UV8921型号的光敏树脂,其受热(50
内)能保持良好的尺寸特征。
卖机械专业课程设计,毕业设计:
论文图纸全都有。
更多精彩内容请跟我联系
QQ;1315382944
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 快速 原型 技术 电极 制造 工艺 研究
![提示](https://static.bingdoc.com/images/bang_tan.gif)