第五章-金属电弧喷涂快速制模技术

第五章金属电弧喷涂快速制模技术内容简介：概述电弧喷涂技术的原理和特点金属电弧喷涂快速制模材料电弧喷涂工艺参数对涂层结合强度分析电弧喷涂制模关键工序研究电弧喷涂制模工艺应用电弧喷涂涂层缺陷分析与防止对策电弧喷涂制模特点分析5.1概述第五章金属电弧喷涂快速制模技术电弧喷涂是利用喷涂金属丝材端部产生的电弧来直接熔化喷涂金属。然后用压缩空气流对熔化的喷涂金属进行雾化、喷射，从而在原型表面形成涂层。5.1概述第五章金属电弧喷涂快速制模技术从20世纪60年代末到现在，该技术在国外受到越来越多的人重视。我国从20世纪80年代，开始研究电弧喷涂，并研制了新一代电弧喷涂设备。最初的应用是将材料涂到磨损报废的工件表面，恢复工件尺寸，对工件进行修复。将电弧喷涂用于模具制造，仅有二三十年历史。5.1概述第五章金属电弧喷涂快速制模技术将电弧喷涂技术用于模具的快速制造，主要存在的技术难点有三个：（1）保证在原型、涂层不变形的情况下，选择高强度、耐磨、耐压的喷涂材料；（2）选择合适的脱模剂，使涂层从基体上顺利脱下来；（3）工艺参数科学确定5.2电弧喷涂技术的原理和特点第五章金属电弧喷涂快速制模技术5.2.1电弧喷涂技术的原理喷涂机由喷枪、金属丝、送丝机构和电源等构成。(1)左、右两股金属丝在送丝机构的驱动下，不断经喷枪的内腔到达前端出口处。(2)由于通过金属丝的大电流的作用，两股金属丝如同两个电极，在它们尖端之间发生电弧放电，导致金属丝熔化。5.2电弧喷涂技术的原理和特点第五章金属电弧喷涂快速制模技术5.2.1电弧喷涂技术的原理(3)压缩空气通过喷枪的内腔吹向吹口处已熔化的金属，使它变为雾状，并喷射在快速成型工件（基底）的表面上迅速凝固形成一层金属薄壳（厚度一般为2mm）。5.2电弧喷涂技术的原理和特点第五章金属电弧喷涂快速制模技术5.2.1电弧喷涂技术的原理5.2电弧喷涂技术的原理和特点第五章金属电弧喷涂快速制模技术5.2.1电弧喷涂技术的原理5.2电弧喷涂技术的原理和特点第五章金属电弧喷涂快速制模技术5.2.1电弧喷涂技术的原理5.2电弧喷涂技术的原理和特点第五章金属电弧喷涂快速制模技术5.2.1电弧喷涂技术的原理喷涂时，工件表面的温度取决于金属丝的熔点T、金属丝尖端与被喷涂表面之间的距离L和喷涂的持续时间t。显然，T越高，L越小，t越长，工件表面温度越高，但应控制不能超过快读成型件的允许工作温度。金属在喷涂时一般具有以下规律：5.2电弧喷涂技术的原理和特点第五章金属电弧喷涂快速制模技术5.2.1电弧喷涂技术的原理（1）喷涂粒子的运动轨迹基本上是一条直线；（2）喷涂粒子的运动速度与位移密切相关；（3）同一截面上的速度梯度分布曲线，由截面中心向外粒子速度呈正态分布。（4）电弧喷涂过程中，除了电磁力外，雾化气流的动态性能对电弧燃烧的稳定性有贡献。5.2电弧喷涂技术的原理和特点第五章金属电弧喷涂快速制模技术5.2.2电弧喷涂技术的主要特点1、生产效率高当喷涂电流为300A时，喷涂各种钢丝可达每小时15Kg,喷涂锌则达每小时30Kg.5.2电弧喷涂技术的原理和特点第五章金属电弧喷涂快速制模技术5.2.2电弧喷涂技术的主要特点2、涂层结合强度高电弧喷涂时喷涂金属受到高温电弧的直接加热，电弧温度高达6000℃，粒子加热的程度远较火焰喷涂时高。喷涂粒子的尺寸通常又较火焰喷涂时的粒子大。粒子的热能与动能均较高，从而获得较高的结合强度及涂层本身强度。5.2电弧喷涂技术的原理和特点第五章金属电弧喷涂快速制模技术5.2.2电弧喷涂技术的主要特点3、喷涂质量容易保证电弧喷涂时喷射出的每个粒子都是丝材被电弧熔化所形成的微小液滴，而不像火焰或等离子喷涂那样将固态粉末送到火焰中加热。5.2电弧喷涂技术的原理和特点第五章金属电弧喷涂快速制模技术5.2.2电弧喷涂技术的主要特点4、可以方便地获得”伪合金“涂层当使用两种不同材料的喷涂丝材时，获得的涂层是这两种材料的粒子紧密相互结合的“伪合金”涂层，涂层中粒子之间还会存在少量的两种材料的合金或金属间化合物。这种“伪合金”涂层往往兼具两种组成成分的性能而发挥独特的优越性。5.2电弧喷涂技术的原理和特点第五章金属电弧喷涂快速制模技术5.2.2电弧喷涂技术的主要特点5、设备造价低，使用维护容易电弧喷涂设备比等离子设备简单，体积小、重量轻、设备移动容易。5.2电弧喷涂技术的原理和特点第五章金属电弧喷涂快速制模技术5.2.2电弧喷涂技术的主要特点6、喷涂效率高，节约能源，能源利用率高电弧直接作用于喷涂金属丝的端部而用来熔化金属，能源利用率可达90%，是所有喷涂方法中能源利用最充分的。5.3金属电弧喷涂快速制模材料第五章金属电弧喷涂快速制模技术激光快速成型件一般为光固化树脂件(SL)或纸制件(LOM)，不能承受等离子喷涂传递的热量故常采用电弧喷涂工艺。5.3金属电弧喷涂快速制模材料第五章金属电弧喷涂快速制模技术金属壳与模型的结合或分离，主要取决于涂层与模型表面之间的剪切力与剪切强度。如果剪切应力超过界面之间的剪切强度，金属壳将与模型发生分离。5.3金属电弧喷涂快速制模材料第五章金属电弧喷涂快速制模技术目前，用于模具制造的材料常采用Zn、Al等低熔点金属。对于Zn、Al等低熔点材料，喷涂过程中，由于热收缩产生的内应力，通过蠕变及产生微裂纹释放以及快速原型表面回复收缩抵消，收缩应力大部分得以消除，特别是Zn涂层，内应力基本消除。5.3金属电弧喷涂快速制模材料第五章金属电弧喷涂快速制模技术国内电弧喷涂中采用的喷涂丝材直径有两个，一个是2mm系列，另一个是3mm系列。喷涂丝材直径不同，对送丝机构和喷枪设计将有不同要求，同时也将影响喷涂和涂层性能。5.3金属电弧喷涂快速制模材料第五章金属电弧喷涂快速制模技术￠3mm丝材系列适用于大面积的电弧喷涂作业中。￠2mm丝材喷涂涂层组织致密、涂层残余应力小、表面光洁、抛光性能好，因而在电弧喷涂制模以及零件修复等领域将显示很大优势。5.4金属电弧喷涂工艺参数对涂层结合强度分析第五章金属电弧喷涂快速制模技术电弧喷涂的主要工艺参数有喷涂距离、喷涂角度电弧功率、熔丝电压和送丝电压、喷涂电流和喷涂气压等。1、电弧功率电弧功率是由电源所决定的，它是影响模具型腔的主要因素。功率过小，起弧困难或断弧，喷涂的金属材料不能很好熔化，影响镀层的结合强度。功率过大，喷涂的金属材料过热，金属微粒的表面氧化严重，降低喷涂层的力学性能。5.4金属电弧喷涂工艺参数对涂层结合强度分析第五章金属电弧喷涂快速制模技术2、喷涂距离喷涂距离是指喷涂制模时，喷枪嘴到原型之间的距离。喷涂距离直接影响到喷涂层的质量。距离过大，冲击到原型表面上的金属微粒的温度和速度都将下降，动能减小，塑性变差，镀层组织疏松，强度降低，沉积效率下降。距离过小，喷涂温度升高，模具型腔容易产生热变形，影响模具精度。5.4金属电弧喷涂工艺参数对涂层结合强度分析第五章金属电弧喷涂快速制模技术3、喷涂角度喷涂角度是指电弧喷涂成型时喷嘴气流轴线与被喷原型之间的夹角。此夹角以垂直于原型表面为最好，特殊情况下不应小于40，否则会产生”遮蔽效应”,即有些细节部分不能被喷涂到。5.4金属电弧喷涂工艺参数对涂层结合强度分析第五章金属电弧喷涂快速制模技术4、喷涂气压电弧喷涂制模是使用压缩空气，将熔化的金属雾化成微粒并喷射到原型表面。因此，要求压缩空气具有一定稳压压力，并且保证空气干燥、清洁。5.4金属电弧喷涂工艺参数对涂层结合强度分析第五章金属电弧喷涂快速制模技术5.4.1实验用材料本实验采用￠3mm纯铝线材，喷涂在模型表面上。铝材成分为：结合强度试验所用的粘结剂为郑州化工厂生产的“302”强力胶，其粘结强度为28～32Mpa.%;7.99%14.0%,15.0%,0096.0AlSiFecu、喷涂工艺参数对结合强度的影响5.4金属电弧喷涂工艺参数对涂层结合强度分析第五章金属电弧喷涂快速制模技术5.4.5实验结果及分析1、喷涂工艺参数对结合强度的影响5.4金属电弧喷涂工艺参数对涂层结合强度分析第五章金属电弧喷涂快速制模技术5.4.5实验结果及分析2、喷涂厚度对结合强度的影响5.4金属电弧喷涂工艺参数对涂层结合强度分析第五章金属电弧喷涂快速制模技术5.4.5实验结果及分析2、喷涂厚度对结合强度的影响5.5电弧喷涂制模关键工序研究第五章金属电弧喷涂快速制模技术主要工艺环节为：（1）母模制作（2）母模表面预处理（3）电弧喷涂（4）填充背衬材料（5）脱模及后处理5.5电弧喷涂制模关键工序研究第五章金属电弧喷涂快速制模技术5.5电弧喷涂制模关键工序研究第五章金属电弧喷涂快速制模技术5.5.1喷涂样件（母模）电弧喷涂模具的特点是以样件为基准，模具型腔尺寸、几何精度完全取决于样件，样件的设计应根据产品形状的工艺要求决定其形状、尺寸。制造样件的材质比较多，如石膏、石墨、树脂、陶瓷、木材、金属等，也可用产品实物做样件。5.5电弧喷涂制模关键工序研究第五章金属电弧喷涂快速制模技术5.5.1喷涂样件（母模）（1）对于锌、锌铝合金等中低熔点金属喷涂制模而言，目前主要采用改性后的半水石膏材料制作毛坯，干燥后经高速数控加工得到喷涂母模；（2）对于高熔点、高硬度金属电弧喷涂制模而言，金属微粒达到母模表面的温度很高，必须采用耐高温基体材料制作母模，同时母模还必须具有较好的高温强度和较低的线胀系数，无焙烧陶瓷母模是一种理想的喷涂基体。5.5电弧喷涂制模关键工序研究第五章金属电弧喷涂快速制模技术5.5.1喷涂样件（母模）在电弧喷涂前，需要对样件表面的尖角、大平面等进行预处理。模型尖角处，在喷涂时，涂层易开裂，样件应避免尖角。在处理具有较大平面的问题时，如分型面，必须在大平面的圆周安装工艺筋或加工工艺槽。5.5电弧喷涂制模关键工序研究第五章金属电弧喷涂快速制模技术5.5.2脱模剂1、脱模剂在电弧喷涂制模中的作用（1）涂到原型零件上的脱模剂能够为喷涂金属熔滴与原型零件表面提供可靠的结合表面，使喷涂金属熔滴顺利地沉积到原型零件表面，因为在光滑的表面上喷涂金属时，很多金属颗粒会脱落。（2）脱模剂能使喷涂层顺利地与原型零件基体脱开。（3）脱模剂还有隔热作用，避免零件过热。5.5电弧喷涂制模关键工序研究第五章金属电弧喷涂快速制模技术5.5.2脱模剂2、脱模剂的作用与选择原则A面是原型零件制品；B层是脱模剂；C面为模具内表面，一般喷涂到模具内表面上的脱模剂是取向排列，极性集团向着模具表面，通过物理吸附或化学键结合形成一个脱模剂层，可用来降低原型零件与模具表面附着力。5.5电弧喷涂制模关键工序研究第五章金属电弧喷涂快速制模技术5.5.2脱模剂2、脱模剂的作用与选择原则电弧喷涂制模中，脱模剂的选择原则：（1）具有良好的脱模性能；（2）具有一定的耐热性能，受热不发生碳化分解（3）不腐蚀喷涂材料；（4）表面张力在17-23N/m之间，有良好的成膜性能。5.5电弧喷涂制模关键工序研究第五章金属电弧喷涂快速制模技术5.5.2脱模剂3、脱模剂的选择常用的脱模剂有硬脂酸锌、液体石蜡、硅油、聚乙烯醇（PVA)等。其优点如下：（1）与母模、金属颗粒能够很好的贴合，在母模、底板与金属喷涂壳体之间形成薄薄的、连续的隔离层，能够降低电弧喷涂模具型腔的表面粗糙度。（2）耐高温。PVA的汽化点为800左右，电弧喷涂时，母模表面的温度一般保持在600以下，5.5电弧喷涂制模关键工序研究第五章金属电弧喷涂快速制模技术5.5.2脱模剂3、脱模剂的选择（2）耐高温。PVA的汽化点为800左右，电弧喷涂时，母模表面的温度一般保持在600以下，因此聚乙烯醇能够保证不被破坏