CN102212773A

CN102212773A - 一种热喷涂快速制作钢基模具的方法

Info

Publication number: CN102212773A
Application number: CN2010101382081A
Authority: CN
Inventors: 李德元; 董晓强; 张义顺; 张忠礼
Original assignee: Shenyang University of Technology
Current assignee: Shenyang University of Technology
Priority date: 2010-04-02
Filing date: 2010-04-02
Publication date: 2011-10-12

Abstract

本发明公开了一种热喷涂快速制作钢基模具的方法。它包括采用热喷涂低熔点合金涂层对由快速原型RP技术提供的工件模型或由其他方法制作的模型以及工件实物翻制中间模的过程，以及热喷涂钢基或其他高强度、高硬度涂层制作最终成型模具的过程。本方法具有模具制作周期短、模具制造成本低和复制性好等特点，所制作的钢基模具可用于注塑、冲压、压铸等领域。

Description

一种热喷涂快速制作钢基模具的方法

技术领域：本发明涉及模具制造领域，具体指一种快速制作模具的方法。

背景技术：模具使加工产品限制在规定的形状和尺寸之内，越来越多的机械零部件和制品需要在模具中加工成型。模具的加工周期、加工成本和质量直接关系到所生产产品在市场上的竞争力。传统的模具制造方法，如机械加工、铸造、电火花加工等有较长的设计和制造周期，并且成本较高，难以适应现今飞速发展的社会要求，人们迫切需要一种快、廉、好的模具制造方法。近几年出现的快速原型(RP)技术综合运用计算机辅助设计和制造技术、激光技术和材料科学技术，在没有传统模具和夹具的情况下，快速制造出任意复杂形状而又具有一定功能的三维实体模型或零件。快速原型与制造技术的推广应用明显缩短了新产品的上市时间，节约新产品开发和模具制造的费用。通过将快速原型技术与电铸、电弧喷涂、等离子喷涂、等离子熔射成形、浇注、精密铸造等特种加工方法相结合，使模具加工更加灵活、快捷、经济，形成了一个很有发展前景的新技术领域。在上述模具加工方法中，作为热喷涂主要方法之一的电弧喷涂技术以生产效率高、成本低、加工时间周期短等显著优点而最受人们关注。

在热喷涂过程中，通过采取适当的工艺控制，可以将这些低熔点金属材料喷涂到塑料、木材、石膏、皮革或蜡制品表面，或利用快速成型技术制得的三维实体模型表面翻制最终模具，目前这项技术已经应用于塑料模具的制造。用这种方法制造模具既快速，又经济，还有很好的复制能力，它们可以被用到塑料制品的吹塑成型、吸塑成型和大多数的聚氨酯生产工艺中。

目前用于电弧喷涂快速模具制造的材料多是以锌基合金为主的低熔点合金，由于低熔点合金的使用温度低，硬度不高，强度有限，使电弧喷涂模具制造技术的应用范围受到了很大的限制，对于目前需要最大压铸、冲压、注塑等应用的模具还不能应用这种制造技术。这些种类的模具要在高温或高冲击力下使用，对模具的强度和表面有较高的要求，低熔点合金模具很难适应这样苛刻的工作条件要求，通常对这些应用的模具多采用高强钢制造，所以研究开发一种采用电弧喷涂技术制造可用于压铸、冲压、注塑等要求的长寿命钢基模具非常必要。

电弧喷涂钢基涂层快速制作模具的关键是设法使高熔点的涂层材料沉积在快速成型技术制得的三维实体模型表面，并且把该实体模型的表面轮廓和细节准确的复制下来，同时还要保证模具的总体形状和尺寸在允许的误差范围内。由于快速原型技术所提供的三维实体模型多是纸基材料或树脂基材料制成，电弧喷涂的钢铁材料粒子温度达1000℃以上，在粒子撞击到模型表面时，粒子的热量会使低熔点的纸基材料或树脂基材料表面瞬间过热和碳化，导致钢基涂层不能有效地沉积并覆盖在模型表面，因此也就无法形成要求的模具型腔。

发明内容：

发明目的：本发明提供一种热喷涂快速制作钢基模具的方法，目的在于克服现有技术缺陷，制作出符合施工要求的模具。

技术方案：本发明是通过以下技术方案实施的：

一种热喷涂快速制作钢基模具的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

(1)在快速原型RP技术提供的工件模型或由其他方法制作的模型腔表明涂刷有利于低熔点合金涂层沉积的脱模剂；

(2)在制备好的RP模型或模型形腔表面电弧喷涂低熔点合金涂层翻制中间模的过程；

(3)对中间模灌注石膏进行加固，并在石膏中预埋安装螺钉；

(4)待石膏完全固化、干燥后，取下RP模型或其他方法制得的模型形腔，得到表面包裹着薄层低熔点合金涂层的石膏阳模，并将其固定在可作为模具分型面的钢板上；

(5)采用电弧喷涂方法在表面包裹着薄层低熔点合金涂层的石膏阳模表面均匀喷涂钢基或其他高强度、高硬度涂层；

(6)使用成分为Al占4-20％，熔点为300-400℃的锌基合金对模具的背面加固处理，如有需要可预埋冷却或加热水道；

(7)待锌基合金凝固后，去除石膏阳模，然后将留下的钢基模具加热到超过制备中间模使用的低熔点合金的熔点，用软布清除残留的低熔点合金。

在中间模具表面喷涂的低熔点合金组成为锡、锡-铋合金、锡-铝合金、锡-锌合金、锡-锑合金或锡-锑-铜合金，合金的熔点120-250℃，丝材直径3mm。

中间模电弧喷涂低熔点合金的工艺参数为：工作电压23V，喷涂电流50A，雾化空气压力0.4Mpa，喷涂距离180mm。

最终模具的内层材料应具有高强度和高硬度，并且在图层材料沉积时可发生马氏体转变；合适的涂层材料是马氏体不锈钢(C0.3-0.5％，Cr12-15％)，高碳钢(C≥0.7％)，钢丝直径为1.6-2.0mm。

优点及效果：本发明针对现有技术缺陷提供的解决方法，借助于制作低熔点合金表面薄层，并采用石膏灌注加固的中间模具的过程，最终制作出符合具体施工要求的钢基模具。应用本发明方法所制得的钢基模具具有很好的表面复制效果和精度，而且其最终模具的总体形状和尺寸都能保证在允许的误差范围内。这些模具可用于压铸、冲压、注塑等成型加工过程，具有广阔的发展前景。

附图说明：

图1为本发明的具体工艺流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行具体的说明。

图1为本发明的具体工艺流程图，如图所示，本发明的工艺流程如下：

(2)在制备好的RP模型或模型形腔表面电弧喷涂低熔点合金涂层翻制中间模的过程；低熔点合金组成为锡、锡-铋合金、锡-铝合金、锡-锌合金、锡-锑合金或锡-锑-铜合金，合金的熔点120-250℃，丝材直径3mm；中间模电弧喷涂低熔点合金的工艺参数为：工作电压23V，喷涂电流50A，雾化空气压力0.4Mpa，喷涂距离180mm；

(3)对中间模灌注石膏进行加固，并在石膏中预埋安装螺钉；

下面结合具体实施例对本发明进行具体描述：

实施例1：

汽车发动机罩拉延模具的制作：

首先利用计算机进行模具型面设计，然后利用快速原型技术制出纸基的工件凹模型面的RP模型。仔细修磨、抛光凹模表面，使其有尽可能高的表面光洁度。将修整后的凹模RP模型固定在厚度为6mm钢板上，使用以聚乙烯醇为主要成分的脱模剂涂刷凹模RP模型表面。涂刷时要均匀，避免低洼部位有脱模剂堆积。待脱模剂干燥后，在凹模RP模型表面电弧喷涂锡-铋合金涂层，合金熔点138℃。电弧喷涂锡-铋合金涂层时的工艺参数为：工作电压22V，喷涂电流40A，雾化空气压力0.45Mpa，喷涂距离160mm，涂层厚度为0.1mm，丝材直径3.0mm，喷涂后立即使用石膏浆在喷涂层的表面进行加固，并在石膏中预埋安装螺钉，以供对二次中间模具喷涂时固定位置。

待石膏完全固化、干燥后，仔细把RP模型去掉，不要对通过喷涂和石膏加固的二次中间模具造成任何损伤。此时得到的是表面包裹着薄层低熔点合金涂层，并且有石膏加固的二次中间模。将此二次中间模固定在一块钢板上，并加上模具框，然后采用电弧喷涂方法在二次中间模的表面均匀喷涂4Cr13马氏体不锈钢涂层，使用的钢丝直径为2.0mm。电弧喷涂4Cr13马氏体不锈钢涂层的工艺参数为：工作电压32V，喷涂电流150A，雾化空气压力0.6Mpa，喷涂距离160mm，在喷涂时不要使涂层沉积过快，以免二次中间模过热。在喷涂的4Cr13马氏体不锈钢涂层达到要求厚度后，再改用电弧喷涂铝涂层，使模具有足够的刚度和强度。在烘箱中将制得的模具均匀加热到160℃，保温1小时后，取出模具，去除石膏加固的中间二次模具，得到最终的4Cr13马氏体不锈钢基体的汽车发动机罩拉延模具。在完成对模具表面的清理、抛光后，在模具背面用环氧树脂与金属颗粒组成的填充物充满剩余的空间，使填充物与模框保持同一平面。然后在模框上连接用于安装和运动的辅助结构，即完成了该模具的快速制造过程。

实施例2：

电话机面板注塑模具制造：

利用计算机进行机壳实体模型设计，然后利用快速原型技术制出纸基的工件三维RP模型。由于电话机面板表面要求有极高的光洁度，直接对所制作的电话机三维实体RP模型表面做抛光处理很难达到设计要求，所以借助于电弧喷涂技术在该三维模型表面均匀喷涂一层纯锡涂层，然后对其表面仔细做抛光处理。由于金属锡质地软、细腻，所以可以很容易的使模型表面抛光到Ra0.8以上的光洁度。电弧喷涂纯锡涂层时的工艺参数为：工作电压22V，喷涂电流40A，雾化空气压力0.5Mpa，喷涂距离160mm，涂层厚度为0.1mm，丝材直径3.0mm。

随后的工序是使用液体模具胶对制备好的模型翻制一次中间模。其方法是将准备好的三维实体模型固定在一块钢板上，该钢板的表面应与最终模具的设计分型面一致，并且在三维实体模型的周围加一个边框，边框高度应高于工件三维实体模型的最高点。然后对该工件实体模型表面均匀涂刷一层模具胶，待涂胶表面不粘手后，继续涂抹下一层，最后用模具胶将边框内的空间充满。为了提高该橡胶模的刚度和硬度，避免在喷涂过程中变形，在充填的模具胶中可添加一定量的固体颗粒或纤维物质。在模具胶充分固化后，去掉工件三维实体模型，得到模具胶制成的一次中间模。

随后的步骤是在一次中间模表面涂刷以聚乙烯醇为主要成分的脱模剂，待模型表面脱模剂充分干燥后，在制备好的一次中间模表面采用电弧喷涂低熔点合金涂层制作二次中间模。低熔点合金材料为锡-铋合金，丝材直径3mm。电弧喷涂锡-铋合金的工艺参数为：工作电压22V，喷涂电流40A，雾化空气压力0.45Mpa，喷涂距离160mm，涂层厚度0.1mm，丝材直径3mm。喷涂后立即使用石膏浆在图层表面进行加固，并在石膏中预埋安装螺钉，以供对二次中间模具喷涂钢涂层时的位置固定。

待石膏完全固化、干燥后，可以很容易的去掉外面的模具胶一次中间模，得到的是表面包裹着薄层锡-铋合金涂层，并且有石膏加固的二次中间模，将此二次中间模固定在一块钢板上，钢板应与模具的分型面吻合，在模具的周边要加上模具框，在模具框上装配有定位机构和连接与开启机构。在这些工作完成后，采用电弧喷涂方法在二次中间模的表面均匀喷涂4Cr13马氏体不锈钢涂层，使用的钢丝直径为2.0mm，电弧喷涂4Cr13马氏体不锈钢涂层材料的工艺参数为：工作电压32V，喷涂电流150A，雾化空气压力0.6Mpa，喷涂距离160mm。在喷涂时不要使涂层沉积过快，以免二次中间模过热。在喷涂的4Cr13马氏体不锈钢涂层达到要求的厚度后，再使用锌基合金对模具背面加固处理，在对模具背面加固填充的锌铝合金(AL占19％)。其方法是用坩埚将锌铝合金加热，直到熔化，然后将熔化的锌铝合金灌注到喷涂的4Cr13马氏体不锈钢模具背部，填满模具框内剩余空间。待锌铝合金凝固，但还没有完全冷却时，去除二次中间模。如果在钢基模具中还有低熔点合金残留，可以对模具继续加热到超过锡-铋合金熔点，并用软布清除残留锡-铋合金，然后还可以对模具表面做抛光处理，经过适当的清理、修整和装配即可得到电话机面板上表面注塑模具。

采用同样方法还可以制得电话机下表面的注塑模具。由于这上、下两个模具共同组成一套完整的电话机面板注塑模具，两步分的分型面、定位和开启都要配合良好。

Claims

1.一种热喷涂快速制作钢基模具的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

(3)对中间模灌注石膏进行加固，并在石膏中预埋安装螺钉；

2.根据权利要求1所述一种热喷涂快速制作钢基模具的方法，其特征在于：在中间模具表面喷涂的低熔点合金组成为锡、锡-铋合金、锡-铝合金、锡-锌合金、锡-锑合金或锡-锑-铜合金，合金的熔点120-250℃，丝材直径3mm。

3.根据权利要求1所述一种热喷涂快速制作钢基模具的方法，其特征在于：中间模电弧喷涂低熔点合金的工艺参数为：工作电压23V，喷涂电流50A，雾化空气压力0.4Mpa，喷涂距离180mm。

4.根据权利要求1所述一种热喷涂快速制作钢基模具的方法，其特征在于：最终模具的内层材料应具有高强度和高硬度，并且在图层材料沉积时可发生马氏体转变；合适的涂层材料是马氏体不锈钢(C0.3-0.5％，Cr12-15％)，高碳钢(C≥0.7％)，钢丝直径为1.6-2.0mm。