摘要：传统的模具制造工艺，从审图→3D造型分模→备料→加工→检验→装配模具→试模→修整，一般都需要40多天。在商机瞬息万变的当今社会，这样的效率很可能导致失去很多客户。况且在电脑中设计完成的模具真正制造出来之后，试模生产的产品也许与设计人员想象中的产品在功能或者其他方面差别很大，比如产品的手感、与使用场合的配合程度等。本文通过探讨快速成型技术的基本原理、主要特点及其在密封条模具上的应用情况，为密封条模具设计提供参考。
关键词：快速成型技术；密封条；模具
汽车密封条主要用于汽车的门、窗、舱盖等需要密封的间隙部位，除起到密封作用，防止外部风沙、雨水及尘土等有害物质侵入车内外，还可以起到减震、隔声及装饰作用，以提高汽车部件的工作寿命和汽车的乘坐舒适性。因汽车车身钣金不同部位结构的差异性，导致汽车密封条不同部位的断面结构材料多变，特别是汽车门窗的活动与固定部位，以及转角、弯曲和平直等不同部位，为了达到装配效果，需要使用模型硫化的生产工艺将不同断面素材经热硫化粘结起来组成完整的密封条，用于正常装配，并最终实现密封条的功能。而模具设计的优劣是保证这种产品的质量及生产成本的关键。
传统的模具制造工艺，从审图→3D造型分模→备料→加工→检验→装配模具→试模→修整，一般都需要40多天。在商机瞬息万变的当今社会，这样的效率很可能导致失去很多客户。况且在电脑中设计完成的模具真正制造出来之后，试模生产的产品也许与设计人员想象中的产品在功能或者其他方面差别很大，比如产品的手感、与使用场合的配合程度等等。此外，传统制造工艺中开模的风险较大：一是开模成本较高，由于加工制造过程中使用了多种加工设备，需要各岗位多名技术人员协同工作，可能因为制造环节中的一环出问题而直接浪费了开发资源；二是产品开模之后有可能直接作废，尤其是对于没有经过市场检验的创新设计而言，例如应用于各款手机上的各式手机保护套，一旦市场不认可，就会造成较大的损失。快速成型技术（Rapid Prototyping Maturing）是近年发展起来的直接根据CAD模型快速生产样件或零件的成组技术的总称，它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。[1]
本文通过探讨快速成型技术的基本原理、主要特点及其在密封条模具上的应用情况，为密封条模具设计提供参考。
1快速成型系统的构成和原理
1.1系统构成
快速成型系统主要由硬件和软件两部分组成。其中，硬件由工业控制计算机、激光选区烧结器、光路及其扫描系统、成型室及送料室组成；软件由操作系统、CAD软件、CAD切层软件、激光选区烧结控制软件等组成。
1.2工作原理
首先把要生产的产品用CAD软件绘成三维CAD实体模型或转换成曲面模型文件，再转换成STL文件格式，然后用专用软件从STL文件“切”（slice）出设定厚度的一系列片层，或直接从CAD文件切出，这些片层按次序累积仍为所设计模具或产品的形状。然后将上述一系列片层的信息传到快速自动成型机中，类似于计算机向打印机传递信息，用材料添加法依次将每一层做出来，同时连接各层，直到完成整个模型。
1.3选区激光烧结原理
如图1，快速成型机是利用选区激光烧结（Selective Laser Sintering，缩写为SLS）原理工作的。[2]成型系统的主体结构是在一封闭的成型室中装有两个活塞机构，一个用于供粉，另一个用于成型。成型过程开始，供粉活塞上移一定量，铺粉滚筒将粉均匀地铺在加工平面上，激光束在计算机的控制下透过激光窗口以一定的速度和能量密度扫描，激光束的开关与待成型模具或产品的第一层信息相关。激光束扫过之处，粉末烧结成一定厚度的片层，未扫过的地方仍是松散的粉末，这样模具或产品的第一层就制造出来了。这时成型活塞下移一定的距离，这个距离与设计模具的切片厚度一致；同时供粉活塞上移一定量，铺粉滚筒再次将粉末铺平，激光束开始依照设计模具第二层的信息扫描。激光扫过之后，形成的第二层同时就烧结在第一层上。如此反复，一个三维的模型就制造出来了。[3]
图1 激光选区烧结原理图
2快速成型技术的特点
快速成型技术有如下优点：
⑴ 与模具的复杂程度无关，可以实现自由制造。无论多么复杂的模具，只要设计出来，就可以用快速成型技术制造出来，这是传统的模具加工方法无法比拟的。例如TPV类密封条模具设计异形水路，来保证冷却效果。
⑵ 生产模具的单价与批量无关，特别适合于新模具的开发和单件小批量模具的生产。
⑶ 对一些直接用成型料生产的模具，可以实现非接触加工；没有工具的更换和磨损之类的问题；可以实现无人值班；不需要机加工方面的专门知识就可操作；无切割、噪音和振动等；有利于环保，材料无浪费。
⑷ 生产过程数字化，与CAD模型有直接的关联，零件可大可小，所见即所得，可随时修改、随时制造。
⑸ 模具生产周期大大缩短，是模具制造业甚至是制造业上的又一次革命。
⑹ 大大节约模具生产的费用，有的可减少到传统生产方法的几分之一甚至几十分之一。
这一技术的缺点是一次性投资较大，整个系统需要上百万元的投资。
3密封条模具设计
3.1分型面设计
以车门玻璃呢槽密封条模具设计为例，首先确定产品在模具中的摆放方式，一般从产品结构特征、进胶位置、模具型芯定位、易于装模和出模、加工方便等几方面来综合考虑。两端直段部分尽量水平放置，对于产品两端不在同一水平上时，也要尽量保证一端处于水平位置，这样使分型面尽可能为水平平面，方便加工。由于密封条为TPV或EPDM材质，质地较软，为方便卸模，应将产品大唇边朝下放置。
确定产品摆放方向后，即可进行模具分型面设计。在设计分型面时要综合考虑零件的结构特征、加工方便和模具寿命等因素。设计时按以下三个步骤进行：
第一步，确定两个直段断面分型线位置，这样有助于后续分型面设计。直条段先挤出硫化成型，然后放入模具，硫化成整体，分型线设计是否合理直接影响直条段能否快速装入模具并准确定位。一般地，分型线设在产品出模方向上断面圆弧轮廓的最高点，同时还要考虑模具的加工、配模及模具强度。
第二步，确定中间转角接头表面分型线位置，分型线设在产品出模方
向最大的投影边缘部位。
第三步，设计分型面。分型面设计是模具设计的关键，其结果直接影响模具结构、模具加工难度和模具设计、制造费用。
图2模具自动机构示意图
3.2型芯设计
由于密封条两直段断面特征差异较大，中间过渡连接段内部形状复杂，因此型芯设计是此类模具设计的难点之一。
设计时主要考虑以下五点：
⑴基于快速成型技术，可以设计异形水路，保证冷却效果，防止成型过程中产品角部出现缩坑，变形等工艺不良问题，影响产品装配密封效果。
⑵ 为避免注压成型时在压力作用下直条段密封条移动位置，定位段型芯轮廓要在产品型孔轮廓尺寸基础上设计合理的压紧/止退特征。
⑶插模段太长，会造成装模困难，影响生产效率；长度太短，会影响定位可靠性，因此根据实践经验，插条段设计10-15mm直段，10mm过渡，10mm避空，且型芯依靠弹簧保证插条间隙，使其装模方便。
⑷注压成型完成后，型芯成型部分完全被包裹在产品零件中，为方便脱模且又不会损坏零件，需将型芯分割成2-3个部分。
⑸将模具做成气缸/油缸驱动的自动机构，可提高工人装模和出模速度，如图2所示。
4综述
近年来，国内外快速制造的发展非常迅速，其新材料、新工艺、新设备等都得到了开拓和发展，快速制造正成为一种新的生产方式。快速制造应用在制造模具上的技术类型也日渐增多，例如激光选区熔化（SLM）工艺、电子束选区熔化（EBM）工艺、电子束自由制造（EBF）工艺等等，但许多还处于研究阶段，目前还不能完全取代传统的模具加工。快速制造的模具质量和寿命还不能满足大批量生产，只是应用在试制产品和生产中小批量的注塑或模压制品，我们期待着快速模具制造技术在不久的将来会得到普及和应用。
参考文献：
[1]王振林.数控加工技术是应用发展现代制造技术的基础[J].机电产品创新与开发，2001，（5）：30-32.
[2]鞠华，李剑，王文，陈子辰.快速原型制造与反求工程集成的几个关键技术[J].机械制造，2001，（6）：22-24.
[3]洪慎章，曾振鹏.国内外粉末锻造工艺的应用与展望[J].机械制造，2001，（7）：30-31.
论文作者:许宽
论文发表刊物:《基层建设》2019年第1期
论文发表时间:2019/3/27
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