光固化快速成型工艺对模具成型零件精度的影响

第３５卷第８期　２０１７年８月　坎倾县蕾否　

ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ＆ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ　Ｖ０１．３５　ＮＯ．８　

Ａｕｇ．２０１７　

光固化快速成型工艺对模具成型零件精度的影响　崔庚彦，宋艳芳　（河南工业职业技术学院，河南南阳４７３００９）　

摘　要：以光固化快速成型技术和模具零件的制造精度为基础，利用ＳＰＳ３５０Ｂ快速成型机固化成型模　具零件，研究固化成型中提高模具零件成型精度的方法。主要研究了模具零件在光固化成型中的变形特　性。采用理论推理和实验成型，验证光固化快速成型模具零件中工艺参数、支撑设置、成型方向选择和成型　深度设定对模具零件精度的影响。　关键词：光固化快速成型；模具零件；成型精度　中图分类号：ＴＨ１６　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—２２５７（２０１７）０８一Ｏａ１３一Ｏ４　

Ｏｎ　ｔｈｅ　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｌｉｇｈｔ——Ｃｕｒｉｎｇ　Ｒａｐｉｄ　Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｎ　Ｍｏｌｄ　Ｐａｒｔｓ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ＣＵＩ　Ｇｅｎｇｙａｎ，ＳＯＮＧ　Ｙａｎｆａｎｇ　（Ｈｅｎａｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｎａｎｙａｎｇ　４７３００９，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｌｉｇｈｔ—ｃｕｒｉｎｇ　ｒａｐｉｄ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｏｆ　ｍｏｌｄ　ｐａｒｔｓ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｍａｉｎｌｙ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｍｏｌｄ　ｐａｒｔｓ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｉｎ　ｃｕｒｉｎｇ　ｍｏｌｄｉｎｇ　ｂｙ　ｕ—　ｓｉｎｇ　ＳＰＳ３５０Ｂ　ｒａｐｉｄ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ　ｄｅｖｉｃｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｍｏｌｄ　ｐａｒｔｓ　ｉｎ　ｌｉｇｈｔ　ｃｕｒｉｎｇ．　Ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｓｕｐｐｏｒｔ　ｓｅｔｔｉｎｇｓ，ｆｏｒｍｉｎｇ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｆｏｒｍｉｎｇ　ｄｅｐｔｈ　ｓｅｔｔｉｎｇｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍｏｌｄ　ｐａｒｔｓ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｗａｓ　ｖｅｒｉｆｉｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｄｅｄｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉ—　ｍｅｎｔｉｎｇ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＩＴＯ　ｌａｍｉｎａｔｅｄ　ｏｂｊ　ｅｃｔ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ；ｍｏｌｄ　ｐａｒｔｓ；ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｍｏｌｄｉｎｇ　

０　引言　之一。　随着科学技术的不断进步和发展，上世纪的８０　年代中后期美国科学家提出集机械加工技术、　ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ、光学精密加工技术、计算机技　术、高分子材料等先进技术于一体的快速成型ＲＰ　（ｒａｐｉｄ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ）技术，是采用三维造型软件对需　要的实体零件进行三维造型，然后通过激光等手段　照射光敏液态树脂材料使其层层固化成型获得零　件实体，最后经过抛光等精加工手段进行后期处理　获得高精度零件的快速精确材料加工技术［１］。应用　快速成型方法制造模具或模具零件的新技术称为　快速模具技术，其已成为模具制造技术的研究方向　１　光固化成型模具零件形状精度的　实验研究　１．１　实验设备调试　根据实验设备的特点，从成型精度来看，　ＳＰＳ３５０Ｂ快速成型机具有较高的实验性能，其实验　误差通常控制在０．１　之内。　ａ．实验环境。实验前观察ＳＰＳ３５０Ｂ快速成型　机的放置位置，确保整体机身保持水平，防止出现　机身倾斜等因素影响成型精度。　ｂ．光源调试。实验前应保持光源（激光头）镜　面干净，若发现污物可用酒精进行擦拭，并调节机　

收稿日期：２０１７一Ｏ５—０８　基金项目：河南省南阳市科技发展计划项目（２００９ＧＧ０２４）　作者简介：崔庚彦（１９８５一），男，河南南阳人，硕士，助教，研究方向为机械加工技术及工程材料。　

・　１３　・　破｛躐　室各　头化　至忖脂液｝　ＣＩ］Ｉ处，然后打开光源凋节激　．至使光源最亮、光斑最小为止，此时光束密集、　能ｈ｝最大。　。　ｃ．树脂材料循环系统。液态光敏树脂材料是固　化成型主体材料．其性能对制件的精度具有较高的　响。由于　芯等模具零件在工作时需要承受高　温、高压、成型冲压等。儿使用周期比较长，因此需　要其具有高的强度和韧性、良好的力学性能来保证　常的乍产。通过试验比较和借鉴，树脂材料选取　主要成分为环氧和丙烯酸的混杂树脂ＣＶ６６５１。在　主液槽ＪＪｌ】液态树脂材料时，主液面应高出刮板底面　ｌ／３　Ｆ｛‘滚轮完全浸入液面．既能防止刮板工作时引　起较大震荡又能保证成型树脂的补充　。　ｄ．软件凋试。ＳＰＳ３５０Ｂ快速成型机采用Ｒｐ一　［）ａｔａ　．０软件．实验前对其常规程序进行相关调　试．软硬件调试完成后＂始固化成型加工。　１　２光固化成型模具零件形状精度的实验研究　光同化成型过程中．由于同层树脂固化时受光　源移动速度的影响造成固化速度不一，层与层之间　１　能同时　化而产生内应力，同层和不同层面问的　内ｊ｝Ｊ乃　：均匀等从而使工件产生翘曲变形。在成　过程中．如何减小成　模具零件各层间的内应力　足减小１：件翘曲变形主要途径。　１．２．１　翘曲变形的影响因素及分析　不同工艺参数对翘曲变形影响的实验研究，本　实验通过ＳＩ　￥３５０Ｂ快速成型机设置不同的工艺参　数　化成型一个简单Ｔ型模具零件，Ｔ型模具零件　如图１．此型芯零件结构简单，上层表面为平面．下　层表面有一凸起。根据，Ｊ学分析得，在工件下层表　面由于受表面凸起的影响在交叉部位易产生应力　集［｝ｌ】，从而引起ｊ二件的翘曲变形。采用Ｐｒｏ／Ｅ进行　维造型并对实体造型进行相应格式转化，如图２，　最后　化成型．得到零件实体，如图３，成型后观察　零件形状并通过三坐标测量仪对零件上相同点进　行翘曲测量．然后对测量数据进行对比　。　】ｊ　１　Ｏ　ｓ　Ｉ　、　４　

一　．　ｌ　实验工件　

固化成型实验前．允设置　１组成型工艺参数（如　表１）分别制成４组工件，观察４组工件的不同翘曲　变形情况．结合翘曲变形的理论分析得出固化成型　

・１　ｉ・　

工艺参数的不同设置对模具零件翘曲变形的影响．　从而指导生产过程减少固化成型过程中模具零件　的翘曲变形，提高成型精度。　

２快速成　前的Ｉ　ＰＳ格式文件模型　图３　光崮化快速成型完成后的实验工件　表１参数设置　

实验结果分析。通过观察４组成型结果可以发　现．４组工件的顶面翘曲量相同，基本无翘曲变形。　由于工件表面为平面，在固化过程中工件表面能够　均匀收缩，不产生臆力集中或应力均匀，不易产生　表面翘曲。通过观察４组成型结果可以发现．４组　工件底部均出现不同程度的翘曲变形。现对４组工　件的翘曲变形情况进行相关量化分析，如图ｌ所示．　分别在制件左右两侧选取Ａ　、Ｂ　、Ｃ…Ａ。、Ｂ。、（、・６　个点用三坐标测量仪对其进行翘曲量分析，结果见　表２。。　。　由图３可以看出。依据工件结构，从工件两端至　中心变形量依次减小．其中工件中心不发生翘曲变　形；当激光功率与扫描速度的比值（Ｐ　，／Ｖ　）增大时．　即平面扫描固化深度的增加时．实验工件的翘曲变　形量也随之变大。当激光功率与扫描速度的比值　（Ｐ，／Ｖ　）为０．０２５时，即Ｐ　一９０　ｍＷ，Ｖ　一３　６０Ｏ　ｍ／ｓ时，翘曲变形量较小，能够满足零件成型要求。　由此实验表明。对平面于＝＿１描固化深度进行调节是减　小翘曲变形量的一种有效方法，但平面扫描深度必　庚彦等：光固化快速成型工艺对模具成型零件精度的影响　设计与研究　人ｒ分Ｊ　￡　．小ｊ：或等Ｊ　分』　￡度则会ｆ　Ｊ｛现　能　，　或骼体分离现象　、　

表２　沿悬臂长度方向６处测量点的翘曲变形量测量值ｍ【１１　

１．２．２　支撑对模具零件翘曲变形的影响　【州化成删　．为ｒ模儿稳定成型需先对工件　没　支撑体．…：ｌ：支撑体的　将改变工件的结　构．从　会影响１　什的成肜特性　引起　ｒ：什的翘曲　变形，史撑化　确定　支撑的密度将刈‘变形址有一　定影响。此实验将通过改变支撑的密度从　寻找其　埘Ｉ　什变形的影响及改簿翘…１变形的办法　。实验　１　件的制作．制作　一１所，Ｊ　的模具　芯零件，并根　抓零什的形状干¨　化成　要添７儿１盘［１　支撑。支　撑没　．从　约材料的角度　虑．ｕｒ以对零件的支　撑改汁为网格状．网格状的支撑形状规则，从成力　收缩情况米行，横纵两个　均收缩均匀，从而网　格状支撑ｒ】身的收缩变形　况刈‘零件整体的翘曲　变形　响／ｆ　人；”愀据模具岑件的局部　寸优化处　

．　件　邴币ｎ』　部均没　３．５　ｎｌｎｌ×３．５　Ｉｌｌｎ］网　中｝｝状惭　的支撑．ｆｎＪ　５；　ｒ验　不同密度的支撑　对零件趟｝｝｛Ｊ变形的影响，从ｍ　置参考对比工件支　撑没　支撑密度为３．５　Ｉ１１Ｉｌｌ×３．５　ｍＦｉｌ，局部加　惭支撑２．　ｒｎＩｌｌ×２．５　ｌｎｖｌｌ，　６。　

６实验Ｉ：什（Ｊ¨）部Ｄｉｌ　是撑）　通过Ｓｔ　￥３５０Ｂ快速成，　机刈　５、　６小Ｍ密　度支撑的模具零件进行　化成，　扶得卡Ｉｊ应零件，ｆＨ１　冈７。　

盈盛　

（ａ）底咖均？ｌｉ史撑制件　（ｂ）Ｊ　Ｉｆｌｌ　惭化　撑　＂　（：ｊ　５　ｎ１ｎ１×：；５　ｍｍ）　（２　５　ｍｍ　２　５　兀］ｒｆ１）　

７　，ｆ　川戈撑翘｝Ｉ｝１悄况刈比　通过对成　制件的观察　Ｊｒ６部惭化支撑２．５　ｒｎｍ×２．５　ｎ１１１１的成　岑件的　ｆ｛｛１情况ｆ　ＪＪ】　优于底　面均布支撑３．５　ｒｌｌＩｉｉ×３．５　ｉ］ｌ［ｎ的制件，通过洲ｈｆ底　ｌｊｉ『均布支撑３．５　ｍｒｎ×３．　ｉｎｎ１制什的翘ＩＩｌ】艟　０．０ｌ　６　ｍ　ｎ１，　通过哳　部惭化支撑２．５　ｎ１ｎ１×２．５　ｎｌｒｌｌ的成犁零件的翘曲　ｔｉ　ｔ为０．（）（）８　ｌｎｎｌ。这址　乃　对成型制件的底而进行　部是撑』ＪｆＪ　．能够洲祭　材料任被凝结时受的力的分　情况，殳ｆ】　ＪＪ』ｌ　．　ｔｆ　以使制成件底部结构更稳【州。　凝结过　・ｔ，，』ＪＩＪ　工材料收缩产　一定的托』、　／Ｊ造成成删１　什下　面出现翘曲变形。但足　此　时ＪＪ【ｌ　ｒ的支撑结构　对底面也产生某种力度的ｍ卜的牲扯力，Ｊ｝　【｛】ｆ１Ｉ　ｒ部分翘曲力，改浮了形变状况的灯坏。　

２　光固化成型对模具零件成型尺寸　精度的研究　通过理论研究发现，　化深度埘　Ａ　ｊ：的　尺寸的准确性影响较大。　此，　成　数　处ｊ　！过　程中，需要对　垂直方ｍ　Ｉ：进ｉ　成的数据补偿，　｝｛＝｛于激光功率、手１描速度、¨描宽度等卡ｌ】火【』：】索的　影响，使固化深度的数ｆｃｆ变得　确定。　光崮化成型过程　ｔｔ．　化深度　受激光｛｜Ｉ捕　速度、树脂性能等疗　的影响　成为・个　确定的　数值。ｍ于受此　多【大Ｉ索的影响，所以　进行　轴　进行补偿时应首先确定补偿ｆｆ［的火小，使成，　制件　在成型方向｝：的尺寸精度得ｙｉｊ保障。…丁水次　・　１　・