CN102294478A - 精密喷射成形装置及用该装置实现模具快速制造的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种精密喷射成形装置及用该装置实现模具快速制造的方法。本发明将喷射成形与模具快速制造技术结合实现精密喷射成形快速制模。其基本原理是通过喷射成形装置将熔融、雾化的金属液体，直接喷射、沉积在铸型上，逐层沉积获得所需要的模具型腔形状、尺寸和表面质量。本发明是一种结构简单，使用方便，性能优良，方便实用的精密喷射成形装置，用该装置快速制造模具的方法可使制作的模具具有良好的内部组织和优良的工作性能，且表面质量好，尺寸精度高，生产成本低，周期短，生产效率高。

Description

精密喷射成形装置及用该装置实现模具快速制造的方法

技术领域

本发明涉及模具快速制造技术，特别是一种精密喷射成形装置及用该装置实现模具快速制造的方法，属于精密喷射成形装置及用该装置实现模具快速制造的方法的创新技术。

背景技术

模具的传统制造方法为：熔炼模具钢---铸造成形获得铸锭---塑性加工（轧制等）获得模具钢材---锻造模具毛坯----热处理---机械加工（粗）---热处理---机械加工（精），其中某些工序可能还要重复多次。其主要的缺点为：1）生产流程长；2）成本高、能耗大；3）切削加工量大，材料浪费严重；4）模具钢一次成形时采用铸造，成份中若增硬耐磨元素（如C、V等）含量太高，容易产生偏析，晶粒粗大，钢材变脆，‘硬’、‘韧’不可兼得。

喷射成形是上世纪末期冶金技术的重大创新，该工艺将金属熔化后，无须铸造成锭，直接经高压气体雾化喷射，快速冷却、凝固沉积成形。该工艺是一种典型的短流程材料制备工艺，所制备的材料具有组织细密、性能好等一系列优点。经过几十年的发展，喷射成形技术在材料制备领域日趋成熟并实现产业化，已成功用于铝合金、镁合金、高合金钢、复合材料等锭坯、板坯、管坯的制备，并在轧辊制备等工具方面的研究和应用也得到了初步发展。

精密喷射成形快速制模是综合利用喷射成形工艺在材料制备方面优势的基础上，采用铸型作为雾化液滴的沉积基底，通过合理的喷射成形工艺控制和材料成份调整，直接喷射成形获得致密化的模具，实现模具的精密、快速制造。为了实现精密喷射成形快速制模，首先必须克服传统喷射成形工艺所得材料为非致密体的特征，其沉积体必须为致密体；其次，为了减少后续机械精加工量甚至不进行机械加工，沉积体表面尤其是模具成形面部分必须具有足够低的的表面粗糙度和足够的尺寸精度；再者，所制得的模具使用性能和寿命须不低于原模具寿命，并进一步降低其成本。由于喷射过程为快速凝固，不会产生偏析和组织粗大等缺陷，可以增加模具钢中增硬（如C、V等）元素，提高硬度而不降低韧性；同时，喷射成形制作的模具钢制件具有足够的硬度和韧性，无须热处理可以直接使用。此外，采用该法，可以用废旧模具作为原材料进行熔炼，实现模具的再制造，原材料易于回收利用。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种结构简单，使用方便的精密喷射成形装置。

本发明的另一目的在于提供一种用精密喷射成形装置实现模具快速制造的方法。用本发明制作的模具表面质量好，性能好，尺寸精度高，生产成本低，周期短，生产效率高。

本发明的技术方案是：本发明的精密喷射成形装置，包括有金属熔炼系统、雾化系统、成形接收系统、运动控制系统，其中金属熔炼系统包括有用于置放金属溶液的坩埚及环绕在坩埚外侧的感应线圈，坩埚的底部设有与雾化室相通的金属溶液出口，雾化系统包括有雾化喷嘴、导液管、雾化室和排气口，其中导液管装设在雾化喷嘴内，且导液管的一端与坩埚底部设有的金属溶液出口相通，导液管的另一端与雾化室相通，雾化喷嘴上设有通入雾化气体的进口，雾化室上设有将雾化过程中的废气和粉尘排出的排气口, 成形接收系统包括有沉积基底及安装于沉积基底上的、使雾化喷嘴雾化的金属固、液二相流沉积在其上的铸型，运动控制系统包括有驱动坩埚以速度v ₂进行水平运动的驱动机构、驱动沉积基底以角速度ω进行旋转运动的驱动机构及驱动沉积基底以速度v ₁进行升降运动的驱动机构。

上述坩埚外侧的感应线圈采用高频感应电源。

上述坩埚中设有测量金属溶液温度的铂铑-铂热电偶。

上述坩埚与导液管相通的底部金属溶液出口设有控制金属溶液流出的陶瓷塞棒，陶瓷塞棒的外径与导液管的内径相匹配，陶瓷塞棒的一端装设在坩埚上，另一端能插入导液管内。

上述铸型采用陶瓷铸型或金属铸型。

上述沉积基底采用中心循环水冷冷却结构。

上述各驱动机构采用步进电机实现独立驱动，PLC控制，运动速度无级可调，喷射成形过程中，根据成形模具形状、喷射工艺要求进行各运动之间的匹配与拟合。

上述雾化喷嘴上通入的雾化气体通过气压控制阀控制压力后输送到雾化喷嘴；上述雾化喷嘴为根据流体动力学理论和精密喷射成形工艺的特征设计的限制式单环缝垂直式喷嘴，并配置防止液流反喷的辅助气环和辅助气孔。

上述金属溶液的过热度为80～200℃，导液管的内径为3～6mm，金属溶液的流量为0.8～5kg/min，雾化气体的压力为0.4～1.8MPa，喷射沉积的高度为80～180mm，沉积基底的下降速度v ₁为60～300mm/min，沉积基底的旋转速度ω为20～90r/min，坩埚的移动速度v ₂为10～100mm/min；铸型的预热温度为500～800℃。

本发明用上述精密喷射成形装置实现模具快速制造的方法，包括如下步骤：

1）金属在惰性气体保护下，在熔炼坩埚中熔融后经过导液管直接由雾化喷嘴在雾化室中雾化；

2）控制坩埚以速度v ₂进行水平运动、控制沉积基底以角速度ω进行旋转运动及控制沉积基底以速度v ₁进行升降运动，雾化后的金属固、液二相流沉积在采用铸型作为沉积基底的接收器上冷却、凝固，获得所需的成形模具。

本发明由于将喷射成形与模具快速制造技术结合起来实现精密喷射成形快速制模，其基本原理是通过喷射成形装置将熔融、雾化的金属液体，直接喷射、沉积在铸型上，逐层沉积获得所需要的模具型腔形状、尺寸和表面质量。采用该装置及其快速制模方法可实现热锻模具的精密喷射成形快速制造，所得模具具有工作性能好，表面质量好，尺寸精度高，生产成本低，周期短，生产效率高等优点。本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的精密喷射成形装置用该装置实现热锻模具快速制造的方法。

附图说明

图1为本发明精密喷射成形装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明的20kg级热锻模具精密喷射成形装置的结构示意图如图1所示。该装置包括如下部分：

金属熔炼系统：采用高频感应电源，金属在由感应线圈3环绕的陶瓷坩埚4中熔炼，熔炼过程中采用通入保护气体和添加熔渣防止金属溶液5氧化，提高溶液5质量；金属溶液5的温度采用铂铑-铂热电偶1进行测量；金属溶液5出口开关控制由位于陶瓷坩埚4中与底部的导液管7内径相匹配的陶瓷塞棒2来实现。

雾化系统：由雾化喷嘴6、雾化室11和排气口12组成。雾化气体通过气压控制阀精确控制压力后输送到雾化喷嘴6，从导液管7中流出的金属溶液在雾化室11中发生雾化，雾化过程中的废气和粉尘有排气口12排出。雾化喷嘴6根据流体动力学理论和精密喷射成形工艺的特征，采用自行设计的限制式单环缝垂直式喷嘴，并配置辅助气环和辅助气孔，以防止液流反喷。

运动控制系统：采用移动坩埚式喷射成形结构，坩埚4具有水平运动v ₂，沉积基底9具有旋转运动ω与升降运动v ₁，各运动采用步进电机实现独立驱动，PLC控制，运动速度无级可调；喷射成形过程中，可根据成形模具形状、喷射工艺等要求，进行各运动之间的匹配与拟合。

成形接收系统：经喷嘴6雾化的金属固、液二相流，沉积在安装于沉积基底9上采用陶瓷或金属作为铸型8上，通过铸型8结构设计、表面控制以及精密喷射成形工艺控制，直接获得与所需模具工作表面形状、尺寸相一致的精密喷射成形模具；同时，为了控制、提高所得模具质量，沉积基底9采用中心循环水冷冷却结构。

本发明中的铸型8可以采用金属或陶瓷铸型8。采用金属铸型8时，直接用铜、钢等金属材料切削加工而成。采用陶瓷铸型时，首先，制作金属（铝、钢或其它金属）母模，以批量成形陶瓷铸型；其次，以氧化铝陶瓷粉末加粘结剂配制陶瓷浆料，在金属母模中成形；然后，经过固化、烘干强化、修整后，制得陶瓷铸型8；

模具制备时，将所制得的陶瓷铸型8安装于沉积基底9上，并辅助以水冷系统，进行模具精密喷射成形，通过喷射成形工艺控制、合金成份设计以及铸型8表面处理等，获得性能优良、表面质量良好、尺寸合格的快速成形模具。其中，铸型8采用电磁感应预热，当铸型为陶瓷时，在陶瓷铸型外侧和底部加装石墨垫板。

本发明装置无需喷射中间包，金属在惰性气体保护下，在熔炼坩埚4中熔融后经过导液管7直接由雾化喷嘴6在雾化室11中雾化，雾化后的金属固、液二相流沉积在采用铸型8作为沉积基底9的接收器上冷却、凝固，获得所需的成形模具。本发明的制造工艺，在充分利用喷射成形快速凝固制备新材料、新技术优势的同时，实现模具的快速制造与近净成形结合。在沉积过程中，为了保证沉积体质量和形状控制要求，满足大尺寸模具制备的需要并提高金属收得率，沉积基底9由数控系统控制进行旋转运动ω和升降运动v ₁，同时雾化部分也可进行水平运动v ₂。

本发明精密喷射成形装置的精密喷射成形快速制模工艺的工艺参数包括：

金属溶液5过热度为80～200℃，导液管7的内径为3～6mm，金属溶液流量为0.8～5kg/min，雾化气体压力为0.4～1.8MPa，喷射沉积高度为80～180mm，沉积基底下降速度v ₁为60～300mm/min，沉积基底旋转速度ω为20～90r/min，坩埚移动速度v ₂为10～100mm/min；铸型8预热温度为500～800℃。

本发明的装置一次熔炼钢水最多可达20kg，可实现坩埚水平运动v ₂，沉积基底升降运动v ₁和旋转运动ω，且速度均可无级可调，各运动之间可进行拟合；所制备的模具最大轮廓尺寸：对于圆柱形工件，直径可达Ø200mm，高度可达260mm；对于矩形工件，宽度方向可达300mm，长度方向可达600mm，高度方向可达200mm。所得模具成形面轮廓清晰完整、表面质量良好、尺寸精度高，型腔表面基本不用切削加工，致密度达到99.3%以上，模具力学性能和使用性能不低于同材料传统工艺加工的模具。

本发明的精密喷射成形装置和快速制模方法的具体实施方式如下：

实施例1：

本实施例中，铸型8采用陶瓷型，废旧模具再制造。

以HM1模具钢发动机气门热终锻模为例。

1 ）制作陶瓷铸型。首先，根据气门锻件成形要求，综合考虑陶瓷成形特性，设计并加工铝基分离式陶瓷铸型；其次，用氧化铝陶瓷粉末加粘结剂配制陶瓷浆料，在复印模具中成型陶瓷铸型8；然后，进行固化、烘干强化。

2 ）精密喷射成形。将报废的HM1钢模具经清理氧化皮、杂质、油污后置于熔炼坩埚4内，采用高频感应电源，在气体保护气氛下进行熔炼，熔炼过程中采用数显温控仪由热电偶1进行测温、控温，并辅助以红外测温仪进行温度测定与校验，以精确控制溶液温度；在熔炼终了阶段，进行钢水脱氧、除渣等，以提高钢水质量。其次，按照设定工艺参数，升起陶瓷塞棒2，钢水由导液管7流出，经喷嘴6雾化，在雾化室11中安装于沉积基底9的陶瓷铸型8上沉积、凝固成形。雾化过程中，气体及粉尘由雾化室抽气孔12排出。对于采用陶瓷铸型的HM1钢气门热终锻模具，精密喷射成形快速制模工艺参数如下：金属溶液5过热度为80～150℃，导液管7的内径为3～6mm，金属溶液流量为0.8～5kg/min，雾化气体压力为0.4～1.8MPa，喷射沉积高度为80～180mm，沉积基底下降速度v ₁为60～300mm/min，沉积基底旋转速度ω为20～90r/min，坩埚移动速度v ₂为10～100mm/min；铸型8预热温度为600～700℃。

本实施例中，雾化气体采用高压氮气作为雾化气体，纯度大于99.6%，氮气在钢瓶中的气体压力大于10.0 MPa，钢瓶中的氮气经过减压、限压阀后输送至喷嘴6的气体压力为0.4～1.8MPa。

3 ）清理。冷却后，清理沉积体内陶瓷铸型，获得精密喷射成形模具。

实施例2：

本实施例中，铸型8采用金属铸型，废旧模具再制造。

1 ）制作金属铸型。首先根据气门锻件成形要求，考虑材料的收缩，直接采用气门钢21-4N切削加工制造铸型。铸型表面粗糙度达到0.1μm。

2 ）精密喷射成形。与实施例1基本相同，不同之处主要在于：金属溶液5过热度略高，为100～200℃，铸型8预热温度也稍高，为700～800℃。

3 ）清理。冷却后，在压力机上将模具中的金属铸型压出，获得精密喷射成形模具。

Claims (10)

1.一种精密喷射成形装置，其特征在于包括有金属熔炼系统、雾化系统、成形接收系统、运动控制系统，其中金属熔炼系统包括有用于置放金属溶液（5）的坩埚（4）及环绕在坩埚（4）外侧的感应线圈（3），坩埚（4）的底部设有与雾化室（11）相通的金属溶液出口，雾化系统包括有雾化喷嘴（6）、导液管（7）、雾化室（11）和排气口（12），其中导液管（7）装设在雾化喷嘴（6）内，且导液管（7）的一端与坩埚（4）底部设有的金属溶液出口相通，导液管（7）的另一端与雾化室（11）相通，雾化喷嘴（6）上设有通入雾化气体的进口，雾化室（11）上设有将雾化过程中的废气和粉尘排出的排气口（12）, 成形接收系统包括有沉积基底（9）及安装于沉积基底（9）上的、使雾化喷嘴（6）雾化的金属固、液二相流沉积在其上的铸型（8），运动控制系统包括有驱动坩埚（4）以速度v ₂进行水平运动的驱动机构、驱动沉积基底（9）以角速度ω进行旋转运动的驱动机构及驱动沉积基底（9）以速度v ₁进行升降运动的驱动机构。

2.根据权利要求1所述的精密喷射成形装置，其特征在于上述坩埚（4）外侧的感应线圈（3）采用高频或中频感应电源。

3.根据权利要求1所述的精密喷射成形装置，其特征在于上述坩埚（4）中设有测量金属溶液温度（5）的温度的铂铑-铂热电偶（1）。

4.根据权利要求1所述的精密喷射成形装置，其特征在于上述坩埚（4）与导液管（7）相通的底部金属溶液出口设有控制金属溶液流出的陶瓷塞棒（2），陶瓷塞棒（2）的外径与导液管（7）的内径相匹配，陶瓷塞棒（2）的一端装设在坩埚（4）上，另一端能插入导液管（7）内。

5.根据权利要求1所述的精密喷射成形装置，其特征在于上述铸型（8）采用陶瓷铸型或金属铸型。

6.根据权利要求1所述的精密喷射成形装置，其特征在于上述沉积基底（9）采用中心循环水冷冷却结构。

7.根据权利要求1至6任一项所述的精密喷射成形装置，其特征在于上述各驱动机构采用步进电机实现独立驱动，PLC控制，运动速度无级可调，喷射成形过程中，根据成形模具形状、喷射工艺要求进行各运动之间的匹配与拟合。

8.根据权利要求7所述的精密喷射成形装置，其特征在于上述雾化喷嘴（6）上通入的雾化气体通过气压控制阀控制压力后输送到雾化喷嘴（6）；上述雾化喷嘴（6）为根据流体动力学理论和精密喷射成形工艺的特征设计的限制式单环缝垂直式喷嘴，并配置防止液流反喷的辅助气环和辅助气孔。

9.根据权利要求8所述的精密喷射成形装置，其特征在于上述金属溶液（5）的过热度为80～200℃，导液管（7）的内径为3～6mm，金属溶液（5）的流量为0.8～5kg/min，雾化气体的压力为0.4～1.8MPa，喷射沉积的高度为80～180mm，沉积基底的下降速度v ₁为60～300mm/min，沉积基底的旋转速度ω为20～90r/min，坩埚的移动速度v ₂为10～100mm/min；铸型（8）的预热温度为500～800℃。

10.一种用权利要求1所述的精密喷射成形装置实现模具快速制造的方法，其特征在于包括如下步骤：

1）金属在惰性气体保护下，在熔炼坩埚（4）中熔融后经过导液管（7）直接由雾化喷嘴（6）在雾化室（11）中雾化；

2）控制坩埚（4）以速度v ₂进行水平运动、控制沉积基底（9）以角速度ω进行旋转运动及控制沉积基底（9）以速度v ₁进行升降运动，雾化后的金属固、液二相流沉积在采用铸型（8）作为沉积基底的接收器（9）上冷却、凝固，获得所需的成形模具。

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