摘要：提出了一种新的电弧喷涂和电刷镀一体化制造汽车覆盖件模具的快速制模技术。该技术采用电弧喷涂工艺在母模表面快速沉积一层致密的低熔点金属薄壳，从而制作出模具的型腔，然后采用电刷镀工艺在模具工作表面刷镀强化涂层，以显著提高模具表面的硬度和耐磨性。研制了电弧喷涂和电刷镀一体化快速模具制造设备，该设备可以根据模具的三维数据自动、高效地完成电弧喷涂和电刷镀两种作业，保证了模具制作质量。所述快速模具制造方法和设备用于汽车新车型开发和样车试制，可以显著降低开发成本、缩短试制周期。
关键词：汽车覆盖件；电弧喷涂；电刷镀；快速制模
汽车覆盖件模具制造技术是汽车车身开发的关键技术，但是目前我国大型精密模具制造技术水平及能力还不能完全满足汽车工业发展的需要。多年来，汽车覆盖件模具制造技术一直是我国汽车工业发展的瓶颈之一。例如，轿车大中型覆盖件模具主要依靠进口，直接影响着我国轿车自主开发能力的形成和发展 [1~2]。
样车试制模具（又称覆盖件简易模具）的制造直接决定着新车型开发的成本和周期。但是，目前国内外覆盖件金属模具主流制造技术，如消失模铸造技术、大型精密数控铣、高速数控铣等，生产周期长，费用高，难以满足样车试制和小批量生产的要求。因此，国内外都在寻求成本低、周期短的覆盖件模具试制技术。例如：美国Quality Metalcraft公司利用RP技术制作原型，然后采用中熔点合金制模，来实现车身件的拉延成形[3]；美国福特汽车公司基于RP 技术，开发了一套利用金属喷涂制造冲模模具的设备和工艺，材料为碳钢，涂层厚度可达76mm，较传统制模方法节省30%的费用和时间，其工艺属于机密尚未公开[4]；国内一汽模具制造中心采用瑞士汽巴精化公司的高强度树脂为全新小红旗轿车试制开发了发动机罩、前后翼子板等大型复杂内外覆盖件树脂模具12 套，模具制造周期缩短1/2～2/3，制造费用比传统模具制造方法节约1000 万元左右[5]。此外，覆盖件试制模具快速制造的方法还有：采用LOM 法制造薄钢板层叠模具；采用鉍合金铸造制模，利用“双成形工艺”（Dual Form Process）可以将上下模一起制造出来；类似锌合金铸造的方法，制造高密度混泥土模具（Concrete Die），模具的工作表面为金属粉强化聚合物等[6]。
上述覆盖件模具制造方法中，电弧喷涂制模方法对于大中型模具的制造在周期和成本方面具有很大的优势，但由于目前国内只能实现低熔点金属制造喷涂模具，涂层表面硬度太低成为其主要缺点，严重制约着电弧喷涂制模方法的应用范围。
针对这种情况，本文提出一种电弧喷涂和电刷镀一体化制造大中型汽车覆盖件模具的快速制模技术并研制了相应的设备。该方法集成了快速原型、电弧喷涂和电刷镀等技术，并通过智能电弧喷涂和电刷镀一体化设备，实现了电弧喷涂和电刷镀两种工艺的自动化作业和工艺优化。快速原型技术用于母模的制造，提高了制作效率和对复杂自由曲面的适应性。电弧喷涂技术用于在母模表面喷涂具有一定厚度和强度的致密低熔点合金涂层，从而形成所需的模具型腔。电刷镀技术用于对喷涂模具工作表面刷镀强化涂层以提高模具表面强度、硬度和耐磨性，从而提高低熔点金属模具的性能。该技术用于大中型汽车覆盖件模具的制造，成本只有传统机械加工钢模具的1/10，制造周期为后者的1/4~1/5[7]，非常适用于样车试制和小批量生产。样车试制合格后，覆盖件喷涂模具的三维模型数据可以用来加工最终的钢模具，可保证钢模具一次加工成功，从而可以缩短新车型的开发周期，降低开发成本。
1 工艺路线与关键技术
1.1 工艺路线
本文提出的电弧喷涂和电刷镀复合成型模具制造是一种复形法制模技术，它需要一个实物模型（或称为原型）作为母模。母模可以是快速原型或过渡模型、产品实物或通过高速数控加工得到的木材、石膏等非金属模型。电弧喷涂技术用于在母模表面喷涂具有一定厚度和强度的致密金属涂层，从而形成所需的模具型腔，涂层材料为低熔点合金。在填充适当的背衬材料并脱模后，利用电刷镀技术在模具工作表面刷镀强化涂层，进而完成模具的快速制造。
1.2 关键技术
1.2.1 基于RP 技术的快速模具制造技术
快速制模（Rapid Tooling-RT）是利用快速成型技术（Rapid Prototyping-RP）生产模具原型或母模的模具制造技术。目前RT 技术的研究主要集中在两个方面，即直接快速制模（Direct Rapid Tooling——DRT）和间接快速制模（Indirect Rapid Tooling——IRT）[8]。
直接快速制模技术不依赖传统模具制造工艺，受到广泛重视，比较典型的方法有：烧结浸渗法，薄钢板层叠法，金属熔积法等，受成形材料和工艺的限制，直接制模法还基本处于实验室研究阶段，只能用来制造一些体积较小的试验模具。
间接快速制模技术有两种制模方法：第一种是以RP 方法制作的原型为模型（塑料、蜡等），与传统模具制造工艺相结合，通过该模型用铸造方法、电极成型、金属喷涂等方法生产成型模具，第二种是通过RP 技术生产铸型（砂型或壳型），再通过铸造技术用这些砂型或壳型生产模具。间接快速制模方法比较灵活、应用范围广，可制造多种材料的模具，是目前实现RT 的主要途径。按模具材料分为三大类，即非金属模具、半金属模具和金属模具。
1）非金属模具主要有:硅橡胶模、环氧树脂模，这一类模具可由RP 原型直接翻制获得。
2）金属模具一般通过RP 原型结合浇注烧结浸渗、铸造、电加工等工艺方法获得。
3）半金属模具一般通过电铸或金属喷涂方法形成金属薄壳，然后用非金属材料或复合材料进行补强的工艺方法获得。
综上所述，基于RP 技术的非金属模具制造成本低、周期短，在一些特定条件下用于新产品开发有好的效果，但由于材料机械性能的限制，其应用范围有限。基于RP 技术的金属模具的制造工艺一般比较复杂，成本也高，目前还很难用于大型模具的制造。相比之下，半金属模具具有适用范围广、成本低、适合制造大型模具等特点，具有较好的工程实用价值。
本文提出的汽车覆盖件模具的制造方法就是一种半金属模具的制造方法，这种方法制成的模具既可用于汽车样车的试制，也可用于小批量的生产。半金属覆盖件模具在样车试制合格后，模具的三维CAD 数据就可以用于制造大批量生产用的钢模具。
1.2.2 电弧喷涂制模技术
金属喷涂制模工艺是在RP 原型或者RP 原型翻制的过渡模上采用等离子喷涂或电弧喷涂等方法喷制金属薄壳，然后用树脂、金属复合材料进行补强，得到注塑模或板料冲压模具的方法。
电弧喷涂技术属于热喷涂技术之一，它通过高速气流使熔融状态的金属材料雾化并喷射到工件表面上，从而在工件表面制造出一个具有特殊功能的薄层。用这种方法形成的工作表面叫做涂层，根据涂层材料不同，可以实现防腐、耐磨、减磨、抗高温、抗氧化、导电、防微波辐射等功能。电弧喷涂技术与其它热喷涂技术，如火焰喷涂、等离子喷涂相比，具有设备投资低、工艺简单、生产效率高、节约能源、对基体热输出小、适用范围广等优点。1938年美国研制成功了直流电弧线材喷枪，标志着电弧喷涂技术进入实用。70 年代，美国TAFA公司开始利用电弧喷涂技术制造模具，并解决了喷涂工艺中存在的许多技术问题，成功实现了电弧喷涂制造模具,但主要是注塑模具。
电弧喷涂制模时，喷涂对象一般是光滑模型表面，高熔点金属由于冷却收缩率大很容易开裂、卷曲，难以附着成型，目前国内只能实现Zn 或Zn-Al 合金喷涂制模工艺。由于Zn和Zn-Al 合金硬度较低，西安交通大学先进制造技术研究所（IAMT）在电弧喷涂制模工艺和材料方面作了大量的研究工作，从实验结果看，在光滑表面模型上直接喷涂中碳钢、高碳钢、不锈钢、铜等高熔点金属比较困难。类似Zn-Al 伪合金那样，采用不同熔点金属一起喷涂形成伪合金的工艺方法在涂层硬度和喷涂工艺性两方面一般能取得较好的效果，通过大量实验，发现把Zn 丝和Al-Cu 合金丝一起喷涂形成Zn-Al-Cu 伪合金能显著提高涂层硬度。
