CN102108534A - 基于超声脉冲电沉积和熔射成形的模具制造方法及模具 - Google Patents

基于超声脉冲电沉积和熔射成形的模具制造方法及模具 Download PDF

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李洪友
张认成
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Abstract

本发明公开一种基于超声脉冲电沉积和熔射成形的模具制造方法，包括如下步骤：A、选取原模并使其处于能导电的状态；B、在原模表面成型电沉积层：将原模置入超声波脉冲电沉积槽中进行电沉积，该电沉积液中添加有纳米陶瓷粉末；C、在电沉积层上成型熔射层：采用熔射的方法在电沉积层上形成熔射层；D、脱模并得到模具：将电沉积层与原模进行脱模分离而使得成品模具。本发明还公开一种模具，包括：通过电沉积而外形匹配于原模表面的电沉积层以及通过熔射成型而形成在电沉积层上的熔射层。本发明具有生产效率高和成本低，并且成型出来模具还具有强度硬度好的特点。

Description

基于超声脉冲电沉积和熔射成形的模具制造方法及模具
技术领域
本发明涉及一种快速模具制造工艺，更具体的说涉及一种掺杂纳米陶瓷粉末电沉积和熔射成形工艺相结合的模具制造技术。
背景技术
模具工业是国民经济和工业生产的基础性行业，在汽车、家电、电子、电机、仪表、通讯轻工等制造业中应用广泛。传统的钢制模具由于存在制造周期长、生产成本高等难以克服的缺点，已经越来越不能满足企业新产品开发和试制的需求。
快速模具制造技术(Rapid Tooling Manufacture，以下简称RT技术)，是近二十年来模具制造领域为加快制造速度和降低生产成本而在快速原型和快速制造技术基础上发展起来的一项全新模具制造技术。与传统去除材料方式制造钢制模具工艺不同，RT技术综合运用计算机辅助设计与制造、数字控制、精密伺服驱动、新材料等先进制造技术，通过材料累加成形获得形状复杂的模具。因此，RT技术具有工艺简单、形状适应性强、生产周期短、能源消耗少、制造成本低等突出优点，已成为未来模具制造领域的重要发展方向。
在RT技术中，根据模具CAD数据直接由RP&M(Rapid Prototyping/Parts Manufacturing快速成形/零件制造)系统制造模具的直接制模法虽然工艺简单，但存在模具尺寸受设备限制大、制造精度低、表面质量差、综合力学性能不佳、使用寿命短等多个方面的问题，目前还很难与传统钢制模具竞争。
间接制模技术，是以RP(Rapid Prototyping Manufacture)原型作为样件进行翻制模具的技术，由于间接制模使用的翻制模具技术成熟多样，并可根据不同应用要求选择不同复杂程度和成本的工艺，所以它一方面可较好地控制模具制造精度、表面质量、力学性能和使用寿命，另一方面也可以满足成本控制方面的要求。因此，目前在工业界应用较多的是间接快速模具制造技术。在间接制模技术中，综合使用两种或两种以上RP&M技术的复合成形技术既可发挥不同制造工艺的长处，同时又可克服原有工艺固有的缺点，往往具有单一成形技术无法比拟的优势。
由于比直接制模技术具有制造精度更高、表面质量更好、力学性能更佳和使用寿命更长等优点，基于RP技术的间接快速制模技术吸引了众多国内外公司和研究机构对此进行研究和开发。
按照使用原理不同，这些间接制模法主要有：
一、基于快速原形的模具电火花加工电极快速制造方法：这种快速模具制造方法依靠电极的快速制造来提高模具制造的效率，并不是完全意义上的快速模具制造。
二、基于金属树脂混合浇注的快速模具制造方法：如：3D Systems公司开发的Keltool工艺——先用SLA工艺制造模具零件原型，接着用硅橡胶翻制模具零件原型的负型，然后向硅橡胶负型中浇筑金属树脂混合粉末，最后进行高温烧结和渗入金属铜。
三、基于热喷涂的快速模具制造方法：这种方法先在原模上喷涂上一层低熔点金属涂层，然后在背衬上一层树脂金属粉末混合物，再把原模去掉获得模具的型芯或型腔。这种制模工艺只能使用低熔点合金，因而模具寿命不长。
四、基于电沉积的快速模具制造：首先，在原模表面沉积上一层厚度约1～5mm的镍，然后在镍沉积层上用化学反应凝固陶瓷材料，最后分离原模得到模具。和热喷涂制模方法相比，这种制模方法虽然可以提高模具表面硬度，进而延长模具寿命，但因电沉积所需时间较长，导致制模效率降低。
综上所述，现有间接制模技术中，基于电极快速制造的RT技术与传统模具制造相比在提高生产效率和降低生产成本两个方面都非常有限；基于混合树脂浇注的RT技术则只能制造软质模具，在强度和硬度上很难满足模具的严苛工作条件；基于热喷涂的RT技术目前主要使用低熔点合金来制造模具，虽属硬质模具，但在表面硬度和热强性方面仍与模具工作要求相差甚远；基于电沉积的RT技术则存在沉积时间较长的缺陷。
有鉴于此，本发明人针对现有模具制造技术的上述缺陷深入研究，遂有本案产生。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种基于超声脉冲电沉积和熔射成形的模具制造方法，以解决现有技术中快速模具制造方法无法同时实现提高生产效率、降低成本以及模具强度硬度好的问题。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种基于超声脉冲电沉积和熔射成形的模具制造方法，其中，包括如下步骤：
A、选取原模并使其处于能导电的状态；
B、在原模表面成型电沉积层：将原模置入超声波脉冲电沉积槽中进行电沉积，该电沉积液中添加有纳米陶瓷粉末；
C、在电沉积层上成型熔射层：采用熔射的方法在电沉积层上形成熔射层；
D、脱模并得到模具：将电沉积层与原模进行脱模分离而使得成品模具。
进一步，在步骤C和步骤D之间还包括：步骤C1、采用浇注的方法在熔射层上在形成背衬层。
进一步，该背衬层采用的为树脂与金属粉末的混合材料，该背衬层以树脂为基体，并添加有铁粉、铜粉、镍粉或其混合物。
进一步，该步骤A中还包括对原模进行前处理的步骤，当该原模选用为导电材质，该前处理步骤为清洁性处理；当该原模选用为非导电材质，该前处理步骤还包括对非导电材质的导电化处理。
进一步，该导电化处理的方法选自粗化敏化法、导电涂料法、物理气相沉积法或者化学镀中的一种。
进一步，在步骤B中，该电沉积的阳极材料为镍、钴、铁或其合金，阴极为原模。
进一步，在步骤B中，该电沉积层的厚度为0.1～0.5mm。
进一步，在步骤B中，该纳米陶瓷粉末为三氧化二铝或氧化锆。
进一步，在步骤B中，还包括搅拌步骤而使得该纳米陶瓷粉末悬浮在电沉积液中。
进一步，在步骤B中，电沉积采用的电源为双向高频脉冲电源。
进一步，在步骤C中，该熔射层为金属涂层，其具体选用镍及其合金、铜及其合金、铝及其合金或不锈钢。
本发明的第二目的在于提供一种由上述方法制得的模具，其具体的解决方案为：
一种模具，其中，包括：通过电沉积而外形匹配于原模表面的电沉积层以及通过熔射成型而形成在电沉积层上的熔射层。
进一步，该模具还包括浇注成型在该熔射层上的背衬层。
采用上述结构后，本发明涉及的基于超声脉冲电沉积和熔射成形的快速模具制造方法，其通过在原模表面形成电沉积层，使得该电沉积层外表曲线能充分贴合于原模，并实现了快速准确地模具制造，而具有生产效率高和成本低的特点；同时通过在电沉积层上形成熔射层，从而能快速增大整个模具型壳的厚度，从而起到使整个模具具有强度硬度好的特点。
附图说明
图1为本发明涉及一种基于超声脉冲电沉积和熔射成形的模具制造方法较佳方案的流程示意图；
图2为本发明涉及方法制造出来模具的剖视图。
图中：
模具      100     电沉积层  1
熔射层    2       背衬层    3
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。
如图1所示，其示出的为本发明涉及的一种基于超声脉冲电沉积和熔射成形的模具制造方法，其中，包括如下步骤：
A、选取原模并使其处于能导电的状态；具体该原模可以为天然素材、RP原型或者实物样件，只要其外形与所需成型产品一致即可，其材质可以为导电材质(比如金属)，亦可以为不导电的材质(比如塑料或者纤维)；在实际模具制造时，在选取原模后，还需要对原模进行前处理，其具体又包括清洁性处理和导电化处理，清洁性处理具体是指除油、除锈(尤其针对金属原模)等工序，而导电化处理则针对非导电材质，从而使得非导电材质的原模也能进行下述的步骤B；具体的，该导电化处理的方法选自粗化敏化法、导电涂料法、物理气相沉积法或者化学镀中的一种。
B、在原模表面成型电沉积层：将原模置入超声波脉冲电沉积槽中进行电沉积，该电沉积液中添加有纳米陶瓷粉末；通过在电沉积液中添加纳米陶瓷粉末，从而使得电沉积层能具有较好的硬度，并起到提高制得模具表面硬度的功效，该纳米陶瓷粉末具体可以选用三氧化二铝或氧化锆；优选的，该电沉积的阳极材料为镍、钴、铁或其合金，阴极为原模；为了提高电沉积层的致密度，电沉积采用的电源最好是双向高频脉冲电源；同时为了进一步提高沉积时的效率，需使得纳米陶瓷粉末悬浮在电沉积液中，即在电沉积的过程中还包括有搅拌步骤，具体搅拌的方法可以为机械搅拌、电磁搅拌和超声搅拌，优选采用超声搅拌，该超声搅拌可以细化电沉积层晶粒，提高电沉积层中纳米陶瓷粉末的含量，进而可以提高电沉积层的显微硬度，并且电沉积层的厚度优选为0.1～0.5mm，从而能在保证电沉积层耐磨性能的前提下尽量提高制模效率。
C、在电沉积层上成型熔射层：采用熔射的方法在电沉积层上形成熔射层，从而能起到快速增大模具型壳的厚度的功效；优选的，在电沉积层上快速熔射金属涂层，用作熔射层材料的金属可以是镍及其合金、铜及其合金、铝及其合金或不锈钢等。具体的熔射方法可以是等离子熔射或者电弧熔射等。
D、脱模并得到模具：将电沉积层与原模进行脱模分离而使得成品模具。
为了进一步满足模具的工作强度要求，在步骤C和步骤D之间还包括：步骤C1、采用浇注的方法在熔射层上在形成背衬层。具体的，该背衬层采用的为树脂(具体可以为环氧树脂)与金属粉末的混合材料，该背衬层以树脂为基体，并添加有铁粉、铜粉、镍粉或其混合物。
如图2所示，其为本发明提供一种模具100，其是通过上述方法而制得，该模具100包括：通过电沉积而外形匹配于原模表面的电沉积层1以及通过熔射成型而形成在电沉积层1上的熔射层2。优选的，该模具100还包括浇注成型在该熔射层2上的背衬层3。
这样，本发明涉及的基于超声脉冲电沉积和熔射成形的快速模具制造方法及采用该方法制得的模具，其通过在原模表面形成电沉积层，使得该电沉积层外表曲线能充分贴合于原模，并实现了快速准确地模具制造，而具有生产效率高和成本低的特点；同时通过在电沉积层上形成熔射层，从而能快速增大整个模具型壳的厚度，从而起到使整个模具有强度硬度好的特点。
上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (13)

1.一种基于超声脉冲电沉积和熔射成形的模具制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、选取原模并使其处于能导电的状态；
B、在原模表面成型电沉积层：将原模置入超声波脉冲电沉积槽中进行电沉积，该电沉积液中添加有纳米陶瓷粉末；
C、在电沉积层上成型熔射层：采用熔射的方法在电沉积层上形成熔射层；
D、脱模并得到模具：将电沉积层与原模进行脱模分离而使得成品模具。
2.如权利要求1所述的基于超声脉冲电沉积和熔射成形的模具制造方法，其特征在于，在步骤C和步骤D之间还包括：步骤C1、采用浇注的方法在熔射层上在形成背衬层。
3.如权利要求2所述的基于超声脉冲电沉积和熔射成形的模具制造方法，其特征在于，该背衬层采用的为树脂与金属粉末的混合材料，该背衬层以树脂为基体，并添加有铁粉、铜粉、镍粉或其混合物。
4.如权利要求1所述的基于超声脉冲电沉积和熔射成形的模具制造方法，其特征在于，该步骤A中还包括对原模进行前处理的步骤，当该原模选用为导电材质，该前处理步骤为清洁性处理；当该原模选用为非导电材质，该前处理步骤还包括对非导电材质的导电化处理。
5.如权利要求4所述的基于超声脉冲电沉积和熔射成形的模具制造方法，其特征在于，该导电化处理的方法选自粗化敏化法、导电涂料法、物理气相沉积法或者化学镀中的一种。
6.如权利要求1所述的基于超声脉冲电沉积和熔射成形的模具制造方法，其特征在于，在步骤B中，该电沉积的阳极材料为镍、钴、铁或其合金，阴极为原模。
7.如权利要求1所述的基于超声脉冲电沉积和熔射成形的模具制造方法，其特征在于，在步骤B中，该电沉积层的厚度为0.1～0.5mm。
8.如权利要求1所述的基于超声脉冲电沉积和熔射成形的模具制造方法，其特征在于，在步骤B中，该纳米陶瓷粉末为三氧化二铝或氧化锆。
9.如权利要求1所述的基于超声脉冲电沉积和熔射成形的模具制造方法，其特征在于，在步骤B中，还包括搅拌步骤而使得该纳米陶瓷粉末悬浮在电沉积液中。
10.如权利要求1所述的基于超声脉冲电沉积和熔射成形的模具制造方法，其特征在于，在步骤B中，电沉积采用的电源为双向高频脉冲电源。
11.如权利要求1所述的基于超声脉冲电沉积和熔射成形的模具制造方法，其特征在于，在步骤C中，该熔射层为金属涂层，其具体选用镍及其合金、铜及其合金、铝及其合金或不锈钢。
12.一种采用如权利要求1至11任一项所述的方法而得到的模具，其特征在于，包括：通过电沉积而外形匹配于原模表面的电沉积层以及通过熔射成型而形成在电沉积层上的熔射层。
13.如权利要求12所述的模具，其特征在于，该模具还包括浇注成型在该熔射层上的背衬层。
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