章节第8章模具特种制造技术教学了解模具特种制造技术；了解快速原型制造技术和电火花加工技目的术；了解模具电火花加工的原理和方法。重点：快速原型制造技术的发展。重点难点：快速原型制造技术的特点和应用。难点教学内容：1．快速成形技术教学内容2.电火花加工技术3．线切割加工技术教学方法教学方法：讲授时可采用师生互动的教学方法，鼓励学生提出所知道的其他新技术。教学手段教学手段：采用多媒体进行课堂讲授。学时分配学时分配：2学时1.简述快速成形四种常见成形工艺SLA、SLS、LOM、FDM的特点。2.掌握电火花加工技术与线切割技术的区别和各自特点。章思考题[1】任秉银．模具CAD/CAE/CAM哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，主要2006.参考[2］李名尧．模具CAD/CAM。北京：机械工业出版社．2004.资料[3]】童秉枢．现代CAD技术，北京：清华大学出版社，2000.备注
章节 第 8 章 模具特种制造技术 教学 目的 了解模具特种制造技术；了解快速原型制造技术和电火花加工技 术；了解模具电火花加工的原理和方法。 重点 难点 重点：快速原型制造技术的发展。 难点：快速原型制造技术的特点和应用。 教学内 容 教学方 法 教学手 段 学时分 配 教学内容： 1. 快速成形技术 2. 电火花加工技术 3. 线切割加工技术 教学方法： 讲授时可采用师生互动的教学方法，鼓励学生提出所知道的其他新技 术。 教学手段：采用多媒体进行课堂讲授。 学时分配：2 学时 章思考题 1. 简述快速成形四种常见成形工艺 SLA、SLS、LOM、FDM 的特点。 2. 掌握电火花加工技术与线切割技术的区别和各自特点。 主要 参考 资料 [1] 任秉银. 模具 CAD/CAE/CAM. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， 2006. [2] 李名尧. 模具 CAD/CAM. 北京：机械工业出版社. 2004. [3] 童秉枢. 现代 CAD 技术 . 北京：清华大学出版社，2000. 备注 1
第8章模具特种制造技术随看科学技术的发展、经济的日益全球化及生活水平的提高，人们对产品的要求越来越高，产品的生命周期也越来越短，全球制造业都共同面临看市场全球化、产品多样化和制造国际化的挑战，快速响应能力逐渐成为竞争的焦点。因此，市场响应能力成为企业竞争的主要标志，缩短产品开发周期和提高产品创新是企业赢得竞争的首要因素。为实现这一目标，制造业必须改变传统观念，在研究和应用先进技术方面下功夫，不断对各单项技术进行集成融合，并与现代信息技术、现代管理技术相结合，从而推动先进制造技术的发展。20世纪80年代开始，人们从各种不同角度提出了许多不同的先进制造技术新模式、新哲理、新技术、新概念、新思想、新方法，如柔性制造系统FMS（FlexibleManufacturingSystem）、计算机集成制造系统CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem）、并行工程CE（ConcurrentEngineering）等这些新技术的使用，对提高制造业企业的竞争力起到了巨大的作用。本章将对快速成形技术、电火花加工和线切割技术进行简单的介绍。8.1快速成形技术快速成形（RapidPrototyping，简称RP）技术，又称为快速成形技术，是20世纪80年代末90年代初发展起来的一种先进制造技术，它结合了数控技术、CAD技术、激光技术、材料科学技术、自动控制技术等多门学科的先进成果，利用光能、热能等能量形式，对材料进行烧结、固化、粘结或熔融，最终成形出零件的三维实物模型。一、 RP技术的工作原理和特点RP技术的工作原理是：根据零件的三维CAD实体模型，利用专业切片软件对其进行切片处理，得到模型每层截面的轮廓，再在快速成形设备中用激光或其他方法将材料进行逐层成形，从而形成零件的原型，如图8-4所示。RP技术的工作原理可简单地概括为数据离散、材料堆积。由于RP技术是将复杂三维实体通过切片转换为二维来加工的，因此通常又称为层加工（LayerManufacturing）。RP技术在实际应用中，大致包括如下几个步骤：（1）建立模型利用CAD软件（如UG、Pro/E、CATIA、I-DEAS）建立零件的三维实体模型。注意：零件的CAD模型必须是实体模型，不能为曲面模型。（2）前置处理前置处理通常包括数据转换（输出STL格式文件）、工艺处理（如增加支撑、确定零件的摆放方式）、切片操作等。有些零件由于成形的需要，2
第 8 章 模具特种制造技术 随着科学技术的发展、经济的日益全球化及生活水平的提高，人们对产品的 要求越来越高，产品的生命周期也越来越短，全球制造业都共同面临着市场全球 化、产品多样化和制造国际化的挑战，快速响应能力逐渐成为竞争的焦点。因此， 市场响应能力成为企业竞争的主要标志，缩短产品开发周期和提高产品创新是企 业赢得竞争的首要因素。 为实现这一目标，制造业必须改变传统观念，在研究和应用先进技术方面下 功夫，不断对各单项技术进行集成融合，并与现代信息技术、现代管理技术相结 合，从而推动先进制造技术的发展。20 世纪 80 年代开始，人们从各种不同角度 提出了许多不同的先进制造技术新模式、新哲理、新技术、新概念、新思想、新 方法，如柔性制造系统 FMS（Flexible Manufacturing System）、计算机集成 制造系统 CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）、并行工程 CE （Concurrent Engineering）等这些新技术的使用，对提高制造业企业的竞争力 起到了巨大的作用。 本章将对快速成形技术、电火花加工和线切割技术进行简单的介绍。 8．1 快速成形技术 快速成形（Rapid Prototyping，简称 RP）技术，又称为快速成形技术，是 20 世纪 80 年代末 90 年代初发展起来的一种先进制造技术，它结合了数控技术、 CAD 技术、激光技术、材料科学技术、自动控制技术等多门学科的先进成果，利 用光能、热能等能量形式，对材料进行烧结、固化、粘结或熔融，最终成形出零 件的三维实物模型。 一、 RP 技术的工作原理和特点 RP 技术的工作原理是：根据零件的三维 CAD 实体模型，利用专业切片软件 对其进行切片处理，得到模型每层截面的轮廓，再在快速成形设备中用激光或其 他方法将材料进行逐层成形，从而形成零件的原型，如图 8-4 所示。RP 技术的 工作原理可简单地概括为数据离散、材料堆积。由于 RP 技术是将复杂三维实体 通过切片转换为二维来加工的，因此通常又称为层加工（Layer Manufacturing）。 RP 技术在实际应用中，大致包括如下几个步骤： （1） 建立模型 利用 CAD 软件（如 UG、Pro/E、CATIA、I-DEAS）建立零件 的三维实体模型。注意：零件的 CAD 模型必须是实体模型，不能为曲面模型。 （2） 前置处理 前置处理通常包括数据转换（输出 STL 格式文件）、工艺处理 （如增加支撑、确定零件的摆放方式）、切片操作等。有些零件由于成形的需要， 2
在零件中需增加一些辅助结构，这些辅助结构既可以在CAD软件中完成，也可以在切片软件中完成。（3）原型制作在快速成形设备中，用某种工艺和成形材料完成原型的制作：原型制作是RP技术的关键。（4）后置处理完成模型的制作后，通常需要对制件进行清理，去除制件表面多余的材料或辅助结构，有时也对制件进行喷涂、浸蜡、涂刷树脂等处理，以提高零件的有关性能。RP技术具有下列特点：1）由于采用分层成形、逐层叠加的成形原理，因此可以成形结构非常复杂的零件。2）成形过程不需要任何刀具、模具及工艺装备，从而节省了成形前的准备时间，大大缩短了产品生产周期。3）产品的单价与批量无关，因此特别适合于新产品样件的制作和单件、小批量零件的生产。4）与传统制造方法相结合，可实现快速制模、快速铸造，为传统制造方法注入了新的活力。成形过程为全自动控制，不需人员值守和看护，从而大大降低了操作人5员的劳动工作量。二、RP技术的发展历程及应用RP技术属于一种先进制造技术，它为什么会出现呢？首先我们来回顾一下传统的机械制造技术。根据加工原理，传统的机械制造方法可分为三种：1）材料去除成形法：通过去除毛坏上多余的材料而获得所需的零件，如切削加工、磨削加工、精密加工、电火花加工、电解加工、电子束加工、离子束加工等。2）材料受迫成形法：如粉末冶金、锻造、精密铸造、模具成形等。3）材料堆积成形法：如焊接等。上述三种机械制造技术在实际生产中都得到广泛应用。但由于传统的产品开发方式都要经过设计任务规划、总体方案设计、详细结构设计、产品样件试制、产品试用、产品生产等阶段，按照这样的模式开发新产品，试制产品样件不仅成本高，而且开发周期长。随着产品更新换代速度的加快，在实际生产中，迫切需要一种产品的快速制造技术；与此同时，到20世纪80年代，数控技术、CAD技术、激光技术、材料科学技术等与RP技术密切相关的有关学科已有了飞速的发展。因此，由于市场的迫切需求及相关基础技术的日趋成熟，RP技术就应运3
在零件中需增加一些辅助结构，这些辅助结构既可以在 CAD 软件中完成，也可 以在切片软件中完成。 （3） 原型制作 在快速成形设备中，用某种工艺和成形材料完成原型的制作， 原型制作是 RP 技术的关键。 （4） 后置处理 完成模型的制作后，通常需要对制件进行清理，去除制件表面 多余的材料或辅助结构，有时也对制件进行喷涂、浸蜡、涂刷树脂等处理，以提 高零件的有关性能。 RP 技术具有下列特点： 1） 由于采用分层成形、逐层叠加的成形原理，因此可以成形结构非常复杂 的零件。 2） 成形过程不需要任何刀具、模具及工艺装备，从而节省了成形前的准备 时间，大大缩短了产品生产周期。 3） 产品的单价与批量无关，因此特别适合于新产品样件的制作和单件、小 批量零件的生产。 4） 与传统制造方法相结合，可实现快速制模、快速铸造，为传统制造方法 注入了新的活力。 5） 成形过程为全自动控制，不需人员值守和看护，从而大大降低了操作人 员的劳动工作量。 二、 RP 技术的发展历程及应用 RP 技术属于一种先进制造技术，它为什么会出现呢？首先我们来回顾一下 传统的机械制造技术。 根据加工原理，传统的机械制造方法可分为三种： 1） 材料去除成形法：通过去除毛坯上多余的材料而获得所需的零件，如切削加 工、磨削加工、精密加工、电火花加工、电解加工、电子束加工、离子束加工等。 2） 材料受迫成形法：如粉末冶金、锻造、精密铸造、模具成形等。 3） 材料堆积成形法：如焊接等。 上述三种机械制造技术在实际生产中都得到广泛应用。但由于传统的产品开 发方式都要经过设计任务规划、总体方案设计、详细结构设计、产品样件试制、 产品试用、产品生产等阶段，按照这样的模式开发新产品，试制产品样件不仅成 本高，而且开发周期长。随着产品更新换代速度的加快，在实际生产中，迫切需 要一种产品的快速制造技术；与此同时，到 20 世纪 80 年代，数控技术、CAD 技术、激光技术、材料科学技术等与 RP 技术密切相关的有关学科已有了飞速的 发展。因此，由于市场的迫切需求及相关基础技术的日趋成熟，RP 技术就应运 3
而生了。RP技术从出现至今虽仅有二十余年，但已在很多领域得到了广泛的应用，它对技术创新、新产品开发、制造技术及相关学科的发展起着重要的作用。RP技术的主要应用在下列几个方面：（1）产品开发1）产品造型评估。对于新产品，尤其是结构复杂的新产品，仅仅根据三维CAD模型还很难对其做出客观全面的评估。通过RP技术，方便快速地试制出产品的实物模型，根据实物模型可以及时地发现产品设计中所存在的不足或错误之处从而既缩短了新产品开发的研制周期，又避免了设计错误可能带来的损失。2）产品性能和工程测试。RP制件在一般场合可以代替实际零件，对产品的有关性能进行综合测评或工程测试，优化产品设计，这样可以大大提高产品投产的一次成功率。3）样件展示及样机评价。由于应用RP技术很容易制造出新产品的样件，因此，RP技术已成为开发商与客户之间进行交流沟通的重要手段。4）产品装配验证。应用RP技术制作的制件，进行产品的试装配，以及时发现可能存在的装配问题。5）快速制模将RP技术与真空注型、熔模铸造、金属电镀等技术相结合，快速制造出模具，用于零件的数件或小批量生产。6）快速直接制造在某些应用领域中，可用制件直接作为产品的功能零件，从而大大缩短单件或小批量零件的制造过程。一般来说，将RP技术应用于新产品开发和快速模具制造有三种工艺路线：一是单件或小批量产品制造，其工艺路线是利用RP原型，通过快速真空注射技术制造树脂模具，可用于50~500件样品或零件的制造，或直接利用RP技术制造金属零件：二是中等批量零件的制造其工艺方案是利用RP原型，采用快速金属喷涂技术制造金属冷喷模，即模具表面为一层金属薄壳，基体为塑料，这种模具可用于批量为3000件以下塑料件的生产；三是大批量零件的制造，其工艺方案是RP原型进行快速电极制造，再通过电火花加工钢模，用于批量达数万件零件的生产。（2）生物和医学应用使用快速成形技术制造医学模型，有助于有效地进行医学诊断并完善手术方案，减少手术前、中、后的时间及费用。三维立体模型可以提供有视觉和触觉的信息，它能够促进医生和病人之间的沟通：同时，由于快速成形件和真实的人体器官一样，也可以作为复杂外科手术模拟的模型，协助医生制定复杂外科手术的计划。三、几种常见的快速成形技术4
而生了。 RP 技术从出现至今虽仅有二十余年，但已在很多领域得到了广泛的应用， 它对技术创新、新产品开发、制造技术及相关学科的发展起着重要的作用。RP 技术的主要应用在下列几个方面： （1） 产品开发 1） 产品造型评估。对于新产品，尤其是结构复杂的新产品，仅仅根据三维 CAD 模型还很难对其做出客观全面的评估。通过 RP 技术，方便快速地试制出产品的 实物模型，根据实物模型可以及时地发现产品设计中所存在的不足或错误之处， 从而既缩短了新产品开发的研制周期，又避免了设计错误可能带来的损失。 2） 产品性能和工程测试。RP 制件在一般场合可以代替实际零件，对产品的有 关性能进行综合测评或工程测试，优化产品设计，这样可以大大提高产品投产的 一次成功率。 3） 样件展示及样机评价。由于应用 RP 技术很容易制造出新产品的样件，因此， RP 技术已成为开发商与客户之间进行交流沟通的重要手段。 4） 产品装配验证。应用 RP 技术制作的制件，进行产品的试装配，以及时发现 可能存在的装配问题。 5） 快速制模 将 RP 技术与真空注型、熔模铸造、金属电镀等技术相结合，快 速制造出模具，用于零件的数件或小批量生产。 6） 快速直接制造 在某些应用领域中，可用制件直接作为产品的功能零件，从 而大大缩短单件或小批量零件的制造过程。一般来说，将 RP 技术应用于新产品 开发和快速模具制造有三种工艺路线：一是单件或小批量产品制造，其工艺路线 是利用 RP 原型，通过快速真空注射技术制造树脂模具，可用于 50~500 件样品 或零件的制造，或直接利用 RP 技术制造金属零件；二是中等批量零件的制造， 其工艺方案是利用 RP 原型，采用快速金属喷涂技术制造金属冷喷模，即模具表 面为一层金属薄壳，基体为塑料，这种模具可用于批量为 3000 件以下塑料件的 生产；三是大批量零件的制造，其工艺方案是 RP 原型进行快速电极制造，再通 过电火花加工钢模，用于批量达数万件零件的生产。 （2） 生物和医学应用 使用快速成形技术制造医学模型，有助于有效地进行医 学诊断并完善手术方案，减少手术前、中、后的时间及费用。三维立体模型可以 提供有视觉和触觉的信息，它能够促进医生和病人之间的沟通；同时，由于快速 成形件和真实的人体器官一样，也可以作为复杂外科手术模拟的模型，协助医生 制定复杂外科手术的计划。 三、 几种常见的快速成形技术 4
从上世纪80年代开始至今，世界上已先后出现了30余种不同的快速成形技术，如SLA、SLS、FDM、LOM、3DP、光掩膜法、直接烧结法及尚处于研究之中的直接从C2H2中提取碳并通过三维堆积制造碳的原型件、使用三维焊接工艺制造钢和铝零件等，就其应用情况而言，SLA、SLS、FDM和LOM四种快速成形技术应用最广，是快速成形的主流技术。下面对这四种快速成形技术进行简单介绍。1.SLA（立体印刷成形）SLA是美国3DSystem公司开发的快速成形技术，也是研究最早、应用最广的一种快速成形技术，其制造系统称为StereoLithographyApparatus，简称SLA系统。SLA所用的成形材料是在激光或紫外线照射下能迅速凝固的液态光敏树脂，因此又常称为光敏树脂固化。目前国内的西安交通大学等单位也进行了有关的研究。SLA成形技术的工作原理是：激光或紫外线在计算机的控制下，按零件切片时所生成的截面信息对零件该层截面进行扫描，扫描区域内的光敏树脂迅速凝固，从而成形出零件的一个薄层。一层成形结束后，工作台下降一个薄层的高度在已成形好的零件表面覆上新的液态树脂，系统对该层进行扫描成形，周而复始，直至完成整个零件的成形。SLS（选择性激光烧结）SLS（SelectedLaserSintering）是美国DTM公司开发的一种快速成形技术，目前国内的北京隆源自动成形系统有限公司、华中科技大学和南京航空航天大学等几家单位也在进行有关的研究。SLS成形技术在成形时，铺粉装置先在成形缸中铺上一层粉末材料，然后激光束在计算机的控制下，按照截面轮廓信息，对制件实体部分所在的区域进行扫描，使粉末的温度升高并达到熔点，粉未颗粒被熔化而相互粘结，激光束不断扫描直至完成一层截面的成形。在该层中，非烧结区的粉末未被激光扫描，因此仍然是松散的粉末，这些松散的粉末可作为工件和下一层粉末的支撑。完成一层的成形后，成形缸下降一个截面层的高度，同时料缸上升一定的高度，进行下一层的铺粉和扫描烧结，如此循环，最终完成整个制件的成形。选择性激光烧结具有成形材料类型多、成形工艺简单、成形成本较低等特点。从成形原理上说，SLS成形方法可适用于任何粉末材料，是自前成形材料种类最多的一种快速成形技术。自前在实际应用中，工艺较成熟的成形材料有石蜡和塑料，陶瓷、金属等成形材料由于熔点较高，尚处于研究阶段。2.FDM（熔融沉积成形）FDM（FusedDepositionModeling）又称为熔化堆积造型、丝材选择性熔积等。研究熔融沉积成形技术的主要有美国Stratasys公司和MedModeler公司，其5
从上世纪 80 年代开始至今，世界上已先后出现了 30 余种不同的快速成形技 术，如 SLA、SLS、FDM、LOM、3DP、光掩膜法、直接烧结法及尚处于研究之 中的直接从 C2H2 中提取碳并通过三维堆积制造碳的原型件、使用三维焊接工艺 制造钢和铝零件等，就其应用情况而言，SLA、SLS、FDM 和 LOM 四种快速成 形技术应用最广，是快速成形的主流技术。下面对这四种快速成形技术进行简单 介绍。 1． SLA（立体印刷成形） SLA 是美国 3D System 公司开发的快速成形技术，也是研究最早、应用最广 的一种快速成形技术，其制造系统称为 Stereo Lithography Apparatus，简称 SLA 系统。SLA 所用的成形材料是在激光或紫外线照射下能迅速凝固的液态光敏树 脂，因此又常称为光敏树脂固化。目前国内的西安交通大学等单位也进行了有关 的研究。 SLA 成形技术的工作原理是：激光或紫外线在计算机的控制下，按零件切 片时所生成的截面信息对零件该层截面进行扫描，扫描区域内的光敏树脂迅速凝 固，从而成形出零件的一个薄层。一层成形结束后，工作台下降一个薄层的高度， 在已成形好的零件表面覆上新的液态树脂，系统对该层进行扫描成形，周而复始， 直至完成整个零件的成形。SLS（选择性激光烧结） SLS（Selected Laser Sintering）是美国 DTM 公司开发的一种快速成形技术， 目前国内的北京隆源自动成形系统有限公司、华中科技大学和南京航空航天大学 等几家单位也在进行有关的研究。 SLS 成形技术在成形时，铺粉装置先在成形缸中铺上一层粉末材料，然后激 光束在计算机的控制下，按照截面轮廓信息，对制件实体部分所在的区域进行扫 描，使粉末的温度升高并达到熔点，粉末颗粒被熔化而相互粘结，激光束不断扫 描直至完成一层截面的成形。在该层中，非烧结区的粉末未被激光扫描，因此仍 然是松散的粉末，这些松散的粉末可作为工件和下一层粉末的支撑。完成一层的 成形后，成形缸下降一个截面层的高度，同时料缸上升一定的高度，进行下一层 的铺粉和扫描烧结，如此循环，最终完成整个制件的成形。 选择性激光烧结具有成形材料类型多、成形工艺简单、成形成本较低等特点。 从成形原理上说，SLS 成形方法可适用于任何粉末材料，是目前成形材料种类最 多的一种快速成形技术。目前在实际应用中，工艺较成熟的成形材料有石蜡和塑 料，陶瓷、金属等成形材料由于熔点较高，尚处于研究阶段。 2． FDM（熔融沉积成形） FDM（Fused Deposition Modeling）又称为熔化堆积造型、丝材选择性熔积 等。研究熔融沉积成形技术的主要有美国 Stratasys 公司和 Med Modeler 公司，其 5