电弧喷涂和电刷镀快速制造汽车覆盖件模具 - 文章

电弧喷涂和电刷镀快速制造汽车覆盖件模具

作者：何仲赟朱东波唐一平卢秉恒

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摘要：提出了一种新的电弧喷涂和电刷镀一体化制造汽车覆盖件模具的快速制模技术。该技术采用电弧喷涂工艺在母模表面快速沉积一层致密的低熔点金属薄壳，从而制作出模具的型腔，然后采用电刷镀工艺在模具工作表面刷镀强化涂层，以显著提高模具表面的硬度和耐磨性。研制了电弧喷涂和电刷镀一体化快速模具制造设备，该设备可以根据模具的三维数据自动、高效地完成电弧喷涂和电刷镀两种作业，保证了模具制作质量。所述快速模具制造方法和设备用于汽车新车型开发和样车试制，可以显著降低开发成本、缩短试制周期。
关键词：汽车覆盖件；电弧喷涂；电刷镀；快速制模

汽车覆盖件模具制造技术是汽车车身开发的关键技术，但是目前我国大型精密模具制造技术水平及能力还不能完全满足汽车工业发展的需要。多年来，汽车覆盖件模具制造技术一直是我国汽车工业发展的瓶颈之一。例如，轿车大中型覆盖件模具主要依靠进口，直接影响着我国轿车自主开发能力的形成和发展 [1~2]。

样车试制模具（又称覆盖件简易模具）的制造直接决定着新车型开发的成本和周期。但是，目前国内外覆盖件金属模具主流制造技术，如消失模铸造技术、大型精密数控铣、高速数控铣等，生产周期长，费用高，难以满足样车试制和小批量生产的要求。因此，国内外都在寻求成本低、周期短的覆盖件模具试制技术。例如：美国Quality Metalcraft公司利用RP技术制作原型，然后采用中熔点合金制模，来实现车身件的拉延成形[3]；美国福特汽车公司基于RP 技术，开发了一套利用金属喷涂制造冲模模具的设备和工艺，材料为碳钢，涂层厚度可达76mm，较传统制模方法节省30%的费用和时间，其工艺属于机密尚未公开[4]；国内一汽模具制造中心采用瑞士汽巴精化公司的高强度树脂为全新小红旗轿车试制开发了发动机罩、前后翼子板等大型复杂内外覆盖件树脂模具12 套，模具制造周期缩短1/2～2/3，制造费用比传统模具制造方法节约1000 万元左右[5]。此外，覆盖件试制模具快速制造的方法还有：采用LOM 法制造薄钢板层叠模具；采用鉍合金铸造制模，利用“双成形工艺”（Dual Form Process）可以将上下模一起制造出来；类似锌合金铸造的方法，制造高密度混泥土模具（Concrete Die），模具的工作表面为金属粉强化聚合物等[6]。

上述覆盖件模具制造方法中，电弧喷涂制模方法对于大中型模具的制造在周期和成本方面具有很大的优势，但由于目前国内只能实现低熔点金属制造喷涂模具，涂层表面硬度太低成为其主要缺点，严重制约着电弧喷涂制模方法的应用范围。

针对这种情况，本文提出一种电弧喷涂和电刷镀一体化制造大中型汽车覆盖件模具的快速制模技术并研制了相应的设备。该方法集成了快速原型、电弧喷涂和电刷镀等技术，并通过智能电弧喷涂和电刷镀一体化设备，实现了电弧喷涂和电刷镀两种工艺的自动化作业和工艺优化。快速原型技术用于母模的制造，提高了制作效率和对复杂自由曲面的适应性。电弧喷涂技术用于在母模表面喷涂具有一定厚度和强度的致密低熔点合金涂层，从而形成所需的模具型腔。电刷镀技术用于对喷涂模具工作表面刷镀强化涂层以提高模具表面强度、硬度和耐磨性，从而提高低熔点金属模具的性能。该技术用于大中型汽车覆盖件模具的制造，成本只有传统机械加工钢模具的1/10，制造周期为后者的1/4~1/5[7]，非常适用于样车试制和小批量生产。样车试制合格后，覆盖件喷涂模具的三维模型数据可以用来加工最终的钢模具，可保证钢模具一次加工成功，从而可以缩短新车型的开发周期，降低开发成本。

1 工艺路线与关键技术

1.1 工艺路线

本文提出的电弧喷涂和电刷镀复合成型模具制造是一种复形法制模技术，它需要一个实物模型（或称为原型）作为母模。母模可以是快速原型或过渡模型、产品实物或通过高速数控加工得到的木材、石膏等非金属模型。电弧喷涂技术用于在母模表面喷涂具有一定厚度和强度的致密金属涂层，从而形成所需的模具型腔，涂层材料为低熔点合金。在填充适当的背衬材料并脱模后，利用电刷镀技术在模具工作表面刷镀强化涂层，进而完成模具的快速制造。

覆盖件模具制造的技术路线如图1 所示。图2 给出了电弧喷涂和电刷镀制模的详细工艺过程。

图1 电弧喷涂-电刷镀复合成形汽车覆盖件模具快速制造技术路线

（a）母模表面抛光。先涂一层离型剂，然后均匀地涂上一层脱模剂，静置约30 分钟。
（b）用电弧喷枪喷涂制模金属以形成具有一定厚度的金属薄壳，工作过程中喷枪的轴线始终与工作点所在曲面垂直。喷涂完成后切除不必要部分。
（c）把树脂、填料等背衬材料倒入预先准备好的金属模框内。
（d）在模具工作表面电刷镀一定厚度的高强度和高硬度的镀层，工作过程中镀笔的轴线始终与工作点所在曲面垂直。
（e）制作完毕的汽车覆盖件半金属模具。
图2 电弧喷涂和电刷镀工艺

1.2 关键技术

1.2.1 基于RP 技术的快速模具制造技术

快速制模（Rapid Tooling-RT）是利用快速成型技术（Rapid Prototyping-RP）生产模具原型或母模的模具制造技术。目前RT 技术的研究主要集中在两个方面，即直接快速制模（Direct Rapid Tooling——DRT）和间接快速制模（Indirect Rapid Tooling——IRT）[8]。

直接快速制模技术不依赖传统模具制造工艺，受到广泛重视，比较典型的方法有：烧结浸渗法，薄钢板层叠法，金属熔积法等，受成形材料和工艺的限制，直接制模法还基本处于实验室研究阶段，只能用来制造一些体积较小的试验模具。

间接快速制模技术有两种制模方法：第一种是以RP 方法制作的原型为模型（塑料、蜡等），与传统模具制造工艺相结合，通过该模型用铸造方法、电极成型、金属喷涂等方法生产成型模具，第二种是通过RP 技术生产铸型（砂型或壳型），再通过铸造技术用这些砂型或壳型生产模具。间接快速制模方法比较灵活、应用范围广，可制造多种材料的模具，是目前实现RT 的主要途径。按模具材料分为三大类，即非金属模具、半金属模具和金属模具。

1）非金属模具主要有:硅橡胶模、环氧树脂模，这一类模具可由RP 原型直接翻制获得。
2）金属模具一般通过RP 原型结合浇注烧结浸渗、铸造、电加工等工艺方法获得。
3）半金属模具一般通过电铸或金属喷涂方法形成金属薄壳，然后用非金属材料或复合材料进行补强的工艺方法获得。

综上所述，基于RP 技术的非金属模具制造成本低、周期短，在一些特定条件下用于新产品开发有好的效果，但由于材料机械性能的限制，其应用范围有限。基于RP 技术的金属模具的制造工艺一般比较复杂，成本也高，目前还很难用于大型模具的制造。相比之下，半金属模具具有适用范围广、成本低、适合制造大型模具等特点，具有较好的工程实用价值。

本文提出的汽车覆盖件模具的制造方法就是一种半金属模具的制造方法，这种方法制成的模具既可用于汽车样车的试制，也可用于小批量的生产。半金属覆盖件模具在样车试制合格后，模具的三维CAD 数据就可以用于制造大批量生产用的钢模具。

1.2.2 电弧喷涂制模技术

金属喷涂制模工艺是在RP 原型或者RP 原型翻制的过渡模上采用等离子喷涂或电弧喷涂等方法喷制金属薄壳，然后用树脂、金属复合材料进行补强，得到注塑模或板料冲压模具的方法。

电弧喷涂技术属于热喷涂技术之一，它通过高速气流使熔融状态的金属材料雾化并喷射到工件表面上，从而在工件表面制造出一个具有特殊功能的薄层。用这种方法形成的工作表面叫做涂层，根据涂层材料不同，可以实现防腐、耐磨、减磨、抗高温、抗氧化、导电、防微波辐射等功能。电弧喷涂技术与其它热喷涂技术，如火焰喷涂、等离子喷涂相比，具有设备投资低、工艺简单、生产效率高、节约能源、对基体热输出小、适用范围广等优点。1938年美国研制成功了直流电弧线材喷枪，标志着电弧喷涂技术进入实用。70 年代，美国TAFA公司开始利用电弧喷涂技术制造模具，并解决了喷涂工艺中存在的许多技术问题，成功实现了电弧喷涂制造模具,但主要是注塑模具。

电弧喷涂制模时，喷涂对象一般是光滑模型表面，高熔点金属由于冷却收缩率大很容易开裂、卷曲，难以附着成型，目前国内只能实现Zn 或Zn-Al 合金喷涂制模工艺。由于Zn和Zn-Al 合金硬度较低（塑料模具的生产。采用高硬度金属喷涂制造模具，国外有成功的应用，喷涂材料有铁镍合金、不锈钢、碳钢等，但工艺仍属机密。

西安交通大学先进制造技术研究所（IAMT）在电弧喷涂制模工艺和材料方面作了大量的研究工作，从实验结果看，在光滑表面模型上直接喷涂中碳钢、高碳钢、不锈钢、铜等高熔点金属比较困难。类似Zn-Al 伪合金那样，采用不同熔点金属一起喷涂形成伪合金的工艺方法在涂层硬度和喷涂工艺性两方面一般能取得较好的效果，通过大量实验，发现把Zn 丝和Al-Cu 合金丝一起喷涂形成Zn-Al-Cu 伪合金能显著提高涂层硬度。

直接电弧喷涂制模方法对于大中型模具制造在周期和成本方面具有很大的优势，但由于涂层表面硬度太低，严重影响了喷涂模具适用范围。针对这种情况，本文提出了电弧喷涂-电刷镀复合成型模具快速制造技术，通过在喷涂模具的工作表面刷镀强化涂层来提高模具表面强度、硬度和耐磨性，从而提高低熔点金属模具的性能。

1.2.3 电刷镀模具表面强化技术

电刷镀技术是应用电化学沉积原理，在导电的工件表面的选定部位快速沉积指定厚度镀层的表面强化技术。电刷镀是电镀技术的一种特殊形式，又被称为无槽电镀或选择性电镀。

电刷镀技术的特点主要有：镀层具有良好的机械和物理化学性能；镀层与基体金属之间具有良好的结合强度，例如镍镀层在钢铁基体上的结合强度大于70Mpa，在钛、铝、铜、铬及高合金钢和石墨等上也具有很好的结合强度；生产效率高，电刷镀的沉积速度是一般槽镀的10~15 倍；节约能源，耗电量是电镀和焊接耗电量的几十分之一；设备简单，投资少等。

由于电刷镀技术是非常理想的金属表面强化处理工艺，近年来在模具的修复和表面强化处理上得到了应用，如用于汽车大型覆盖件拉延模具的强化，模具寿命提高10 倍以上[9]。Liu Xianjun 等人的实验证明，刷镀在Zn-Al 伪合金涂层上的镍镀层与在45 钢表面所刷镀的镍镀层具有相同的微观结构、硬度和耐磨性[10]，也就是说尽管基体材料不同，但镀层质量是一样的。本文提出的电弧喷涂-电刷镀复合成型模具制造技术，综合利用了电弧喷涂沉积效率高和电刷镀镀层硬度和耐磨性高的优点。

2 智能电弧喷涂和电刷镀一体化模具制造设备

目前电弧喷涂和电刷镀多为手工操作，当模具表面积过大时，电弧喷涂和电刷镀劳动强度太大，人工操作难以承受，并且无法保证模具质量。因此，电弧喷涂-电刷镀过程自动化对于大型模具制作非常重要，制造工艺过程自动化水平的高低直接影响模具制造质量和制造周期，也将直接影响到该技术的推广应用。

智能电弧喷涂和电刷镀一体化模具制造设备是我们研究开发的专门用于汽车覆盖件模具制造的设备。该设备如图3 所示，由计算机、运动及工艺参数控制器、电弧喷涂装置、电刷镀装置和一台五自由度机械手等组成。接收到覆盖件模具三维CAD 设计数据后，经设备上的计算机处理，就可以驱动机械手按优化的工艺轨迹运动，自动完成电刷镀和电弧喷涂两种作业，并且可以对电刷镀和电弧喷涂两种工艺的工艺参数实现控制。机械手在计算机的控制下，保证镀笔和喷枪的轴线始终与工作点所在曲面垂直。刷镀笔和喷涂喷枪的转换通过机械手末端上的专用适配器实现。该设备的控制流程见图4 所示。该设备可制造的汽车覆盖件模具的最大尺寸为3500mm×2000mm×500mm。

图3 智能电弧喷涂和电刷镀一体化模具制造设备构成

图4 智能电弧喷涂电刷镀一体化设备控制流程图

3 基于电弧喷涂和电刷镀的汽车覆盖件模具闭环制造系统

前面所述方法制造的覆盖件模具属于半金属模具，主要是为汽车新车型开发中样车试制服务的，也可以用于小批量的生产之中。如果要制造钢模具用于大批量的生产，那么在样车试制成功以后，在试制验证合格的覆盖件模具基础上，通过反求工程获得模具的模型数据，可以用来控制高速数控机床加工出所需钢模具，避免了因模具设计不成功所导致的钢模具制造的反复，保证钢模具一次加工成功，大大缩短了新车型开发的周期。

大型汽车覆盖件模具快速开发系统如图5 所示。该系统以本文提出的电弧喷涂和电刷镀快速模具制造技术为中心，可在获得原型后快速完成覆盖件模具的制造。模具原型的获得有三条途径，即快速原型、数控加工得到的非金属原型和覆盖件产品实物。其中，RP 快速原型制造是实现新车型自主设计开发的关键环节，它可以由车身覆盖件的3D 数据模型直接制造实物样件。覆盖件模具CAD/CAE/RE 环节实现覆盖件模具的设计、反求和工程分析，并可根据对覆盖件试制样件的检测和评价，对模具3D 数据模型进行修改，从而实现对汽车覆盖件模具的闭环开发和制造。

图5 基于电弧喷涂和刷镀技术的大型汽车覆盖件模具快速开发闭环系统

4 汽车覆盖件模具制作实例

图6 给出了基于电弧喷涂和电刷镀一体化技术及设备所制作的汽车覆盖件模具及其冲压样件(制作比例为1:3)。这里，我们由模具的3D 数据通过激光快速成形设备制作出模具的快速原型，然后翻制出石膏过渡型。当然，母模的获得有多种方法，可以是快速原型或过渡模型，也可以通过高速数控加工木材或者石膏等非金属材料得到。

(a) 树脂快速原型 (b) 石膏过渡模型

5 结论

（1）本文提出的电弧喷涂和电刷镀复合制模技术可以实现大型汽车覆盖件模具的快速制造，成本低、周期短，尤其适用于汽车新车型开发中的样车试制和小批量生产。经试制合格的覆盖件模具的三维模型数据可以用来加工最终的钢模具，可保证钢模具一次加工成功，从而缩短了新车型的开发周期，降低了开发成本。

（2）所研制的智能电弧喷涂和电刷镀一体化模具制造设备将电刷镀和电弧喷涂两种工艺集成在同一台设备之中，可以对电刷镀和电弧喷涂两种工艺的工艺参数实现控制，具有模具三维模型数据直接驱动功能，工作中镀笔和喷枪始终与工作点所在模具表面垂直，实现了两种工艺的高效、自动化作业，为模具的制造质量提供了保证。

（3）智能电弧喷涂和电刷镀一体化模具制造装置为电弧喷涂制模技术提供了试验的平台。在此平台上，可以方便地开展高熔点金属和合金制模规律的研究和探索。如果突破了目前国内只能喷涂低熔点合金制模的限制，电弧喷涂制模技术将会获得更广泛的应用。

参考文献
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[10] Liu Xianjun，Xu Binschi，Ma Shining et al. Study of the tribological behavior of an Ni electron brush plating layer on a base of an Arc sprayed coating[J]. Wear,1997,211(2)：151~155.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/21/2005)


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