CN101670433B - 一种激光间接成型制造金属模具的方法 - Google Patents
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Abstract
一种激光间接成型制造金属模具的方法，解决了高功率激光直接成型模具易发生翘曲变形和开裂以及小功率激光间接成型模具容易发生收缩变形，导致精度缺陷的问题。按照模具设计选取金属粉末的种类、按照体积比15-20∶1进行混配形成金属粉末与陶瓷粉末的混合物；在配套模具中，根据金属粉末的熔点，设计熔融的深度，选择激光的相关参数确定激光功率、扫描速度，使金属粉末表面熔化而烧结成型；将成型后的形坯与对应重量的熔渗金属材料一起放入石墨盒中，放入预抽真空保护气氛炉中，通入氩气，反复预抽和通气2次，确定氧分压降低到100ppm以下开始升温熔渗，进行熔渗致密化；将致密化结束后的形坯进行表面光洁处理，完成模具镶块的制造。本发明能够高效成型出结构复杂的模具镶块，缩短了前期设计制造周期，方法简单，操作容易。
Description
技术领域
本发明涉及一种快速制作金属模具的方法，特别涉及一种激光间接成型制造金属模具的方法。
背景技术
模具技术是当今制造业中应用最广泛的技术之一，模具制造的传统方法是：对金属毛坯进行车、铣、刨、钻、磨、电蚀等加工，从而得到所需的模具形状和尺寸。受到道具尺寸、形状和接触加工方式的局限，此类传统方法制造出的模具结构比较简单。
二十世纪末期，选择性激光成型技术的出现为复杂模具的制造提供了一条高技术途径。选择性激光成型技术选用固体粉末作为成型材料，在计算机上生成实体的CAD模型，再经过切片处理生成STL文件，利用计算机控制激光逐层成型，经层层叠加后，最终形成了所需的原型或零件。该技术具有成型材料广，制造过程不受零件复杂程度的影响，制造效率高的特点，特别适合用来制造复杂结构的零件和模具。
目前，采用选择性激光成型方法制造模具主要有两种方法。参看附图1，第一种方法是用高功率激光直接成型模具，即采用激光直接作用金属粉末颗粒，使其完全熔化成型，成型出的模具镶块致密度接近100％，经过表面光洁处理后可进行生产使用。参看附图2，另一种则利用小功率激光间接成型模具，所采用的金属粉末颗粒经过高分子包覆处理，并通过激光熔化高分子材料而进行粘结成型，形坯经过脱脂、高温二次烧结和熔渗低熔点金属的方法进行致密化处理，同样经过必要的表面光洁处理后，即可进行生产使用。
激光直接成型模具镶块的方法，成型过程中由于瞬间剧烈的热变化而造成较大的热应力，成型易发生翘曲变形和开裂的现象，特别对于外形尺寸较大的镶块，上述缺陷更容易发生。而激光间接成型的方法，粉末原料制备和形坯致密化后处理工艺都很复杂，而且容易发生收缩变形，导致精度缺陷，而且高分子材料的添加和脱出过程还会污染环境。
发明内容
本发明为了解决现有技术中，高功率激光直接成型模具易发生翘曲变形和开裂的问题，以及小功率激光间接成型模具容易发生收缩变形，导致精度缺陷，而且高分子材料的添加和脱出过程还会污染环境的问题，提出了一种激光间接成型制造金属模具的方法，采用的技术方案是：方法步骤中包括有模具成型基料选配、成型、渗熔和表面处理，该方法中步骤具体为：按照模具设计选取金属粉末的种类、按照体积比15-20∶1进行混配形成金属粉末与陶瓷粉末的混合物；在配套模具中，根据金属粉末的熔点，设计金属粉末表面熔融的深度，选择激光的相关参数确定激光功率、扫描速度，使金属粉末表面熔化而烧结成型；将成型后的形坯与对应重量的熔渗金属材料一起放入石墨盒中，放入预抽真空保护气氛炉中，通入氩气，反复预抽和通气2次，确定氧分压降低到100ppm以下开始升温熔渗，进行熔渗致密化；将致密化结束后的形坯进行表面光洁处理，完成模具镶块的制造。
本发明的有益效果是：本发明在配套模具中，根据金属粉末的熔点，设计熔融的深度，选择激光的相关参数确定激光功率、扫描速度，使金属粉末表面熔化而烧结成型，解决了高功率激光直接成型模具易发生翘曲变形和开裂的问题，以及小功率激光间接成型模具容易发生收缩变形，导致精度缺陷，而且高分子材料的添加和脱出过程还会污染环境的问题。本发明的方法简单，操作容易。
附图说明
图1为高功率激光直接成型的原理图。
图2为小功率激光间接成型的原理图。
图3为本发明的成型原理图。
图中，A为金属粉末颗粒，B为金属粉末激光熔化道，C为高分子包覆膜，D为高分子粘质层，E为金属粉末颗粒烧结劲。
具体实施方式
为了解决现有技术中，高功率激光直接成型模具易发生翘曲变形和开裂的问题，以及小功率激光间接成型模具容易发生收缩变形，导致精度缺陷，而且高分子材料的添加和脱出过程还会污染环境的问题，本发明采用的技术方案是：一种激光间接成型制造金属模具的方法，方法步骤中包括有模具成型基料选配、成型、渗熔和表面处理，其特征在于：该方法中步骤具体为：
1)按照模具设计选取金属粉末的种类、按照体积比15-20∶1进行混配形成金属粉末与陶瓷粉末的混合物，
2)在配套模具中，根据金属粉末的熔点，设计金属粉末表面熔融的深度，选择激光的相关参数确定激光功率、扫描速度，使金属粉末表面熔化而烧结成型，
3)将成型后的形坯与对应重量的熔渗金属材料一起放入石墨盒中，放入预抽真空保护气氛炉中，通入氩气，反复预抽和通气2次，确定氧分压降低到100ppm以下开始升温熔渗，进行熔渗致密化，
4)将致密化结束后的形坯进行表面光洁处理，完成模具镶块的制造。
本发明的技术方案中，步骤1)中按照模具设计选取的模具成型基料可以为单一的金属粉末。
本发明的技术方案中，步骤1)中所述的金属粉末指的是铁基金属粉末，例如碳钢粉末、合金钢粉末。
本发明的技术方案中，步骤1)中所述的金属粉末的平均粒度为30～50μm，陶瓷粉末的平均粒度为2～5μm。
本发明的技术方案中，步骤2)中烧结过程中，形坯的孔隙率控制在30～40％。
本发明的技术方案中，步骤3)中熔渗金属为铜、或铜合金、或铝合金。
本发明的技术方案中，步骤3)中所述的熔渗温度为高于熔渗金属熔点100℃的温度，保温时间为20～40分钟。
下面结合附图3和实施例对本发明做进一步的说明。
参看附图3，选取配套的激光直接作用于金属粉末颗粒A，金属粉末颗粒A之间形成金属粉末颗粒烧结颈E.
本发明的第一实施例中，按照模具设计选取的模具成型基料为316不锈钢粉末，平均粒度为50μm，在激光成型设备中进行成型。根据316不锈钢粉末的熔点，选取的成型系统激光为连续式光纤激光，选取的光斑直径为40μm，最大功率为100W。成型中激光功率设定为60～100W，扫描速度为80～200mm/s，扫描间距为30～40μm，扫描层厚设定为50～100μm。成型后的形坯孔隙率约为30～40％。
形坯成型完成后与对应重量的663锡青铜一同放入石墨盒内，并将石墨盒放入预抽真空保护气氛炉中。预抽真空后通入氩气，反复预抽和通气2次，确定氧分压降低到100ppm以下。开始升温熔渗，升温到1000℃，保温20～40分钟，然后快速降温至900℃，继续缓慢冷却到室温，取出形坯。进行必要的表面光洁处理，完成模具镶块的制造。
本发明的第二实施例中，按照模具设计选取的模具成型基料为H13工具钢粉末，平均粒度30μm，并配有TiC增强颗粒，颗粒平均粒度为3μm，金属与陶瓷颗粒混合体积比为20∶1，将上述金属与陶瓷颗粒在粉末混合设备中均匀混合，在性激光成型设备中进行成型。成型系统激光为连续式光纤激光，选取的光斑直径为40μm，最大功率为100W。成型中激光功率设定为60～100W，扫描速度为80～200mm/s，扫描间距为30～40μm，扫描层厚设定为50～100μm。成型后的形坯孔隙率约为30～40％。
形坯成型完成后与对应重量的纯铜一同放入石墨盒内，并将石墨盒放入预抽真空保护气氛炉中。预抽真空后通入氩气，反复预抽和通气2次，确定氧分压降低到100ppm以下。开始升温熔渗，升温到1183℃，保温20～40分钟，然后快速降温至1050℃，继续缓慢冷却到室温，取出形坯。进行必要的表面光洁处理，完成模具镶块的制造。
本发明的第三实施例中，选用的材料为选用316L不锈钢粉末，平均粒度30μm，并配有WC增强颗粒，颗粒平均粒度为3μm，金属与陶瓷颗粒混合体积比为20∶1。将上述金属与陶瓷颗粒在粉末混合设备中均匀混合，在性激光成型设备中进行成型。根据316不锈钢粉末的熔点，选取的成型系统激光为连续式光纤激光，光斑直径为40μm，最大功率为100W。成型中激光功率设定为60～100W，扫描速度为80～200mm/s，扫描间距为30～40μm，扫描层厚设定为50～100μm。成型后的形坯孔隙率约为30～40％。
形坯成型完成后与对应重量的YL12铝合金一同放入石墨盒内，并将石墨盒放入预抽真空保护气氛炉中。预抽真空后通入氩气，反复预抽和通气2次，确定氧分压降低到100ppm以下。开始升温熔渗，升温到750℃，保温20～40分钟，然后快速降温至610℃，继续缓慢冷却到室温，取出形坯。进行必要的表面光洁处理，完成模具镶块的制造。
通过上述实施例的叙述，本发明方法增强了模具镶块激光制造能力，能够高效成型出结构复杂的模具镶块，为产品的快速商业化，缩短了前期设计制造周期。
Claims (7)
1.一种激光间接成型制造金属模具的方法，方法步骤中包括有模具成型基料选配、成型、渗熔和表面处理，其特征在于：该方法中步骤具体为：
1)按照模具设计选取金属粉末的种类、按照体积比15-20∶1进行混配形成金属粉末与陶瓷粉末的混合物，
2)在配套模具中，根据金属粉末的熔点，设计金属粉末表面熔融的深度，选择激光的相关参数确定激光功率、扫描速度，使金属粉末表面熔化而烧结成型，
3)将成型后的形坯与对应重量的渗熔金属材料一起放入石墨盒中，放入预抽真空保护气氛炉中，通入氩气，反复预抽和通气2次，确定氧分压降低到100ppm以下开始升温渗熔，进行渗熔致密化，
4)将致密化结束后的形坯进行表面光洁处理，完成模具镶块的制造。
2.根据权利要求1所述的一种激光间接成型制造金属模具的方法，其特征在于：步骤1)中按照模具设计选取的模具成型基料替换为单一的金属粉末。
3.根据权利要求1或2所述的一种激光间接成型制造金属模具的方法，其特征在于：步骤1)中所述的金属粉末指的是铁基金属粉末。
4.根据权利要求1所述的一种激光间接成型制造金属模具的方法，其特征在于：步骤1)中所述的金属粉末的平均粒度为30～50μm，陶瓷粉末的平均粒度为2～5μm。
5.根据权利要求1所述的一种激光间接成型制造金属模具的方法，其特征在于：步骤2)中烧结过程中，形坯的孔隙率控制在30～40％。
6.根据权利要求1所述的一种激光间接成型制造金属模具的方法，其特征在于：步骤3)中渗熔金属为铜、或铜合金、或铝合金。
7.根据权利要求1所述的一种激光间接成型制造金属模具的方法，其特征在于：步骤3)中所述的渗熔温度为高于渗熔金属熔点100℃的温度，保温时间为20～40分钟。
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