第一章绪论
1.1课题背景
现代工业生产中，模具是重要的工艺装备。模具工业是制造业的一项基础产业，是技术成果转化的基础，是高新技术产业化的重要领域，是衡量一个国家制造水平的重要标志，而且也是技术附加值最高的行业之一。近年来世界模具工业的发展速度超过了新兴的电子工业。日本称模具工业为“进入富裕社会的原动力”，其模具工业的年产值达到13000亿日元，远超过日本机床的总产值9000亿日元。采用模具进行生产能够提高生产效率、降低生产成本，并能很好地保证产品的质量要求，因此模具在铸造、锻压、冲压、塑料、橡胶、玻璃、粉末冶金等诸多生产领域得到了广泛应用。机械、汽车、电子、石化、建筑等五大支柱产业的发展，都离不开模具，模具的生产技术水平在很大程度上决定着产品的质量和市场的开发能力件。目前我国己把模具列入了国家重点支持发展的产业、产品和技术目录。
当今的模具工业已进入了高技术领域，计算机辅助设计技术、高精度数控加工设备以及各种快速模具制造技术的不断出现和改进，进一步地朝着缩短模具设计和制造周期，降低加工成本，提高模具质量和最大限度地提高模具行业的应变能力的目标前进。中国经济高速发展，促动了模具工业的井喷。2007年中国模具产值达到870亿元，比2006年的720亿元增长了21%，模具出口14.13亿美元， 2006年增长了35.7%，模具进口仍保持在20亿美元，预计今后几年还有可高速发展的空间。2008年中国汽车产量超过1000万辆。汽车中85%的零部件需模具成型，而每一车型需2000多付模具配套。2008年保守估计，这增加的110多万辆汽车将需要近百亿元模具生产，这不包括新车型和改型汽车的需求。何况还有通讯、电子、IT、家电、航天、航空、仪表、机电、建材、化工等行业对模具大量的需求。
正因为模具工业的巨大市场前景，日前世界各国都在模具制造上投入巨大的资金，不断地开发模具制造的新技术、新方法、新材料等。21世纪模具行业的基本特征是高度集成化、智能化、柔性化和网络化。追求的目标是提高产品的质量及生产效率，缩短设计及制造周期，降低生产成本，最大限度地提高模具行业的应变能力，满足用户需要。模具行业有着巨大的发展潜力和商机，促使了模具制造业的迅速发展，形成了形形色色的加工制造方法。传统制造业的战略是规模效益第一，二十世纪八十年代提出价格和质量第一，进入二十一世纪己发展为市场响应第一。在制造业日趋国际化的状况下，缩短产品开发周期和减少开发新产品投资风险，成为企业赖以生存的关键。
近年来，制造业市场的制造战略重点正在发生从成本与质量到时间与响应的重大转移。快速将多样化的产品推向市场是制造商把握市场先机而求生存的重要保障，快速响应制造己成为国际研究的热点，应运而生的快速成形、快速制模、快速制造技术为企业提高竞争提供了一种先进的手段。该技术是基于材料累加成形的一种高新制造技术，被认为是20世纪制造领域的一次革命性突破，并且随着这一技术本身的不断发展和完善，其应用范围将不断拓广。模具生产多为单件生产，这就给模具制造带来许多困难。在模具制造过程中，机械加工方法广泛用于制造模具零件。在全球化市场经济和各种高新技术的迅猛发展形势下，快速经济模具赋予了新的使命和全新的内涵，向着多品种系列化迈进，工艺不断有新的创新和突破，与之配套设备相继问世，服务领域在不断地拓宽，创造的经济效益越来越显著。
针对传统的机械加工模具制造技术的上述特点，近年来研究开发了适用于新产品、样机试制和中、小批量规模生产的基于快速原型制造的快速模具技术。该技术可显著地缩短新产品开发周期、降低研究开发和生产成本，具有较高的技术经济效益。传统的模具制造方法设计与制造周期长，成本高，虽然现在我国的一些模具制造厂己逐步开始应用CAD/CAE/CAM技术，以及采用数控铣床等大型、精密的模具加工设备，但是我们的模具加工能力还远远满足不了日益高速发展的国民经济要求。例如，汽车工业是应用模具最多的行业之一，通常每生产一种新型轿车就需要大中型覆盖件模具几百套。汽车车身开发的关键在于汽车覆盖件模具的设计和制造，在车型设计模具设计与制造*模具调试*产品投产生产的整个周期中，模具设计与制造约占2/3的时间，成为新车型快速上市的关键因素。一般汽车车身由数百个冲压件，冲压模具高达一千套以上，模具的开发成本大约在2亿美元左右。现在我国模具工业还很落后，轿车覆盖件模具还主要靠进口，2000年我国汽车模具的进口额就达3亿多美元。据报道，本田汽车公司由于模具开发时间滞后3天所带来的经济损失是800万美元，而丰田汽车公司滞后18天所带来的经济损失是5000万美元，为此美国通用汽车公司提出将整车模具开发周期缩短到12个月的目标。激烈竞争的市场给模具的开发提出了高效、高质量和低成本的要求。如何快速开发制造模具，迅速制造出产品的原型与模具，降低成本推向市场，己经成为现在模具企业的当务之急，因此，开发快速经济模具制造技术越来越引起人们的重视和关注。
第二章模具沉积层组织及性能研究
2.1试验材料及试验方法
喷涂制模需要特定的喷涂丝材，这种丝材要具备两种性能，一是其形成的沉积层要有足够的强度、硬度、韧性和耐磨性能，能满足汽车覆盖件拉延模具所需要的力学性能;二是要能够在冷却过程中发生马氏体相变，利用相变产生的相变膨胀来抵消温度降低所带来的体积收缩，以保证模具具有良好的尺寸精度，同时还要防止由于马氏体相变导致的材料开裂倾向。
针对以上的要求，研究中首先要确定丝材的合金体系。考虑到力学性能指标、材料的相变特点和拔拉成型的可行性等方面的特点，认为可以选择马氏体不锈钢系列和高碳钢系列的材料体系。马氏体不锈钢类的材料具有较好的成型性能和良好的抗裂性能，如果采用合金元素进一步强化，可以提供足够的强度和硬度。但其缺点是价格偏高。高碳钢类的材料可以提供很好的硬度和耐磨性能，价格也便宜，但拔拉加工的难度比较大，且冷却速度快时容易出现裂纹。为此，研究中选择了3Crl3马氏体不锈钢，这种材料在冷速适当的条件下可以得到马氏体组织，且由于其中大量C:的存在，所形成的喷涂层通常可以获得较高的硬度。还选择了65Mn、70、82B三种高碳钢钢丝，这些材料具有较高的含碳量，在喷涂层中较易实现马氏体相变。表2.1是所选择的4种钢丝的化学成分。
第三章 模具沉积层温度与应力.................... 44-63
3.1 喷涂粒子温度与应力模拟.................... 44-49
3.1.1 有限元模型的建立 ....................44-46
3.1.2 计算结果及分析 ....................46-49
3.2 喷涂沉积层温度与应力模拟.................... 49-53
3.3 喷涂模具的温度与应力模拟.................... 53-62
3.3.1 计算模型及基本假设 ....................53-55
3.3.2 计算结果及分析.................... 55-61
3.3.3 应变的测量及标定.................... 61-62
3.4 本章小结 ....................62-63
第四章 模具变形及尺寸精度模拟.................... 63-86
4.1 有限元模型的建立 ....................63-67
4.2 喷涂模具温度场计算 ....................67-70
4.3 喷涂模具应力与变形计算.................... 70-80
4.4 沉积层不同部位应力....................80-83
4.5 计算结果的验证.................... 83-85
4.6 本章小结 ....................85-86
第五章 热喷涂制造模具工艺研究.................... 86-110
5.1 模具制造工艺流程设计.................... 86-87
5.2 模具制造工艺试验.................... 87-108
5.3 本章小节.................... 108-110
结论
(1)研究了一种钢基模具快速制造技术，它采用电弧喷涂在由快速原形或零件实物上翻制出的中间型表面进行逐层喷涂，最终沉积为具有预定内部型腔尺寸和外观形状的模具。由于这些模具是采用马氏体不锈钢丝材或高碳钢丝材喷涂而成，因而具有高强度和良好的表面耐磨性，可以用于各种拉延模具、压铸模具、注塑模具的制造。本论文的研究工作构建出了一套完整的模具制造新工艺，可以大幅度减少模具的制造周期和制造成本。与传统的靠机械加工制造模具的方法相比，制造周期可以降低1/2以上，生产成本可以减少1/3以上。
(2)研究了3Crl3马氏体不锈钢和65Mn、70、82B高碳钢喷涂沉积层的组织变化规律。研究表明，当喷涂参数及沉积层冷速控制时，采用上述几种材料均可以获得以马氏体组织为主的沉积层。由于马氏体相变产生的膨胀可以有效地抵消涂层冷却时所产生的收缩，因此可以保证喷涂沉积层中不会产生过大的残余应力和变形，从而可以保证所制备的模具的精度。
(3)采用电弧喷涂所制备的模具沉积层具有高硬度，其表面硬度可以达到HRC58-2，与淬火后的Cr12模具钢相当。耐磨试验表明，在所选择的几种喷涂材料中，3Crl3马氏体不锈钢的耐磨性具有更好的耐磨性能，其磨损机制属于金属间粘着磨损。但是，与CrlZ模具钢相比，喷涂的模具沉积层在耐磨性方面还存在一定差足巨。
(4)采用ANSYS有限元软件计算了喷涂粒子在冷却过程中的温度和应力变化过程。计算表明，对于单个的喷涂熔滴，完成扁平化后10-50，是熔滴下表面温度下降最剧烈的阶段;50娜后熔滴下表面温度下降速度放缓，最后在200娜左右两者温度趋于基本一致，然后开始整体缓慢降温。该计算结果为随后计算模具喷涂过程中的应力和变形提供了依据。
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