CN103789740A - 平面模具表面微观结构特征的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种模具制造技术领域的平面模具表面微观结构特征的制备方法，首先制备具有平面特征的塑性成形用模具，对该模具进行强化热处理，并对模具工作平面进行研磨抛光；然后在所述模具工作平面上设置栅格阵列并采用磁控溅射方式进行涂层，使该模具工作平面上未被栅格遮挡的部分形成强化涂层，从而在模具平面上获得由栅格形状与尺寸决定的微观结构特征。本发明既改善了塑性成形过程中的模具润滑效果也进一步提高了模具强度，同时可以方便地实现大面积特征的快捷制造。

Description

平面模具表面微观结构特征的制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种模具制造技术领域的方法，具体是一种平面模具表面微观结构特征的制备方法。

背景技术

根据摩擦学基本理论，若在摩擦副表面形成微形凹坑，此阵列式微凹坑，一方面可以扩大实际接触面积，提高对润滑剂的吸附能力；另一方面则可以为润滑剂提高更多储存空间，微凹坑中储存的润滑剂可在接触表面间产生流体润滑膜，从而充分利用两相对运动表面挤压和流体动力的联合作用来改善润滑状况，附有规则微凹坑的表面形貌对流体润滑具有非常重要的影响。金属塑性成形中，摩擦与润滑是重要的工艺条件，尤其是大变形过程。较差的摩擦与润滑条件，容易形成充填不满、成形力过大、表面质量不佳等成形缺陷，甚至导致工艺失败。改变模具表面微观结构特征是改善塑性成形润滑状况的重要手段之一，越来越受到学术界与工业界的重视，因此，如何获得具有微观结构特征的模具表面具有重要的实际意义。

目前，表面微细加工技术主要有光刻、LIGA、微细电加工、激光微细加工与刻蚀等。一般的光刻工艺主要包括硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘与刻蚀等工序，该工艺主要用于半导体器件制造，不适用于金属模具。LIGA由德国学者于1982年首次提出的一种微细加工技术，包括X光深度同步辐射光刻，电铸制模和注模复制等过程，其工艺流程为：辐射—显影—电铸—剥模—充模—脱模—电铸，该技术由于需要使用昂贵的同步X射线发生器作为光源，所以成本非常高；为降低成本，后来出现了准LIGA和UV-LIGA等变形技术，但是LIGA技术通过铸造沉积获得微特征，其强度不能满足塑性成形用模具的表面要求。刻蚀技术，无论是化学刻蚀还是等离子刻蚀，目前的研究与应用对象多为有色金属；微细电加工技术，需要设计制造微细电极，而微细电极本身需要更为可控微细加工技术来完成；激光微细加工技术，虽然摆脱微细电极的限制，但是其加工过程是相对较为耗时。刻蚀、微细电加工与激光微细加工技术，若用于模具表面微特征制造，均属于材料去除技术，实际上很有可能在模具表面形成微裂纹源，减低塑性大变形金属模具的使用寿命。

此外，上述现有技术，致力于服务MEMS系统，以更加细微的特征为目标，对于大面积模具表面特征的应用还是相当困难的，制造周期与成本难以控制。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN102703874，公开日2014-01-08，记载了一种镁合金表面磁控溅射沉积钽膜的制备方法，它涉及镁合金表面钽膜的制备方法，该技术要解决现有的镁合金表面改性技术中存在的镁合金与涂层或膜层间结合力较差、膜层可降解性差、膜层耐磨性差和膜层生物相容性差的问题。该技术通过如下步骤来实现：一、试样的清洗；二、镀膜前的准备；三、镀膜。但是，该技术是针对镁合金基体材料，在其表面形成致密的钽及坦复合模，并没有形成具有微观结构特征表面。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种平面模具表面微观结构特征的制备方法，在高强度金属模具表面形成微结构特征，改善塑性成形过程中的模具润滑效果并进一步提高模具强度，同时可以方便地实现大面积特征的快捷制造。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明首先制备具有平面特征的塑性成形用模具，对该模具进行强化热处理，并对模具工作平面进行研磨抛光；然后在所述模具工作平面上设置栅格阵列并采用磁控溅射方式进行涂层，使该模具工作平面上未被栅格遮挡的部分形成强化涂层，从而在模具平面上获得由栅格形状与尺寸决定的微观结构特征。

所述的强化热处理是指淬火处理、回火处理或深冷处理中的一种或多种，使得模具的表面硬度≥58HRC，以保证模具基体的强度。

所述的研磨抛光是指使得模具的表面粗糙度值Ra≤0.15。

所述的栅格阵列是指：采用不锈钢铁丝交叉编织形成规则间隙的均匀的栅格。

所述的不锈钢铁丝的直径为25-100微米。

所述的规则间隙为边长26-150微米的正方形。

所述的栅格的整体形状为正方形，该正方形的边长为工作表面的外形尺寸的1.2-1.5倍。

所述的涂层的材料包括：TiN、TiC、TiCN、ZrN、CrN、TiAlN、TiAlCN和DLC。

技术效果

1、与现有微细加工技术相比，本发明具有如下优点：①实现大面积金属模具表面的微特征加工；②加工过程方便快捷，易组织批量实际生产；③属于增材制造，加工所得表面微特征，可以增加模具强度，延长模具寿命。

附图说明

图1是本发明流程图；

图2是栅格的结构示意图；

图3是实施例1圆形平面模具不锈钢栅格固定示意图；

图4是实施例2正方形平面模具不锈钢栅格固定示意图；

图5是实施例3三角形平面模具不锈钢栅格固定示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例的具体步骤为：

1、根据实际需要设计并加工具有圆形平面特征的模具3；

2、对平面模具3进行淬火以及多次回火处理，使其表面硬度为58HRC；

3、对模具3工作平面进行研磨抛光，使其表面粗糙度值为Ra0.15；

4、如图2所示，准备不锈钢栅格2，采用30微米直径的不锈钢丝，相互交叉编织，形成具有规则间隙34微米的均匀栅格2，整体成正方形，其大小完全覆盖模具3工作表面，正方形边长应大于模具3工作表面最大尺寸的1.2倍。

5、如图3所示，将不锈钢栅格2铺在模具3工作平面上，并利用夹具与磁铁1固定，使不锈钢栅格2紧贴模具3表面；

6、利用磁控溅射技术对覆盖有不锈钢栅格2的模具3表面进行涂层，涂层材料为TiN；

7、取走不锈钢栅格2，不锈钢栅格2遮挡部分没有涂层，未遮挡部分自然形成强化涂层，涂层厚度属于微米级，从而在模具3表面获得为特征。

实施例2

本实施例的具体步骤为：

1、根据实际需要设计并加工具有圆形平面特征的模具3；

2、对平面模具3进行淬火处理，使其表面硬度为60HRC；

3、对模具3工作平面进行研磨抛光，使其表面粗糙度值为Ra0.10；

4、准备不锈钢栅格2，采用30微米直径的不锈钢丝，相互交叉编织，形成具有规则间隙43微米的均匀栅格2，整体成正方形，其大小完全覆盖模具3工作表面，正方形边长应大于模具3工作表面最大尺寸的1.2倍。

5、如图4所示，将不锈钢栅格2铺在模具3工作平面上，并利用夹具与磁铁1固定，使不锈钢栅格2紧贴模具3表面；

6、利用磁控溅射技术对覆盖有不锈钢栅格2的模具3表面进行涂层，涂层材料为TiAlN；

7、取走不锈钢栅格2，不锈钢栅格2遮挡部分没有涂层，未遮挡部分自然形成强化涂层，涂层厚度属于微米级，从而在模具3表面获得为特征。

实施例3

本实施例的具体步骤为：

1、根据实际需要设计并加工具有圆形平面特征的模具3；

2、对平面模具3进行淬火以及深冷处理，使其表面硬度为60HRC；

3、对模具3工作平面进行研磨抛光，使其表面粗糙度值为Ra0.10；

4、准备不锈钢栅格2，采用40微米直径的不锈钢丝，相互交叉编织，形成具有规则间隙45微米的均匀栅格2，整体成正方形，其大小完全覆盖模具3工作表面，正方形边长应大于模具3工作表面最大尺寸的1.5倍。

5、如图5所示，将不锈钢栅格2铺在模具3工作平面上，并利用夹具与磁铁1固定，使不锈钢栅格2紧贴模具3表面；

6、利用磁控溅射技术对覆盖有不锈钢栅格2的模具3表面进行涂层，涂层材料为DLC；

7、取走不锈钢栅格2，不锈钢栅格2遮挡部分没有涂层，未遮挡部分自然形成强化涂层，涂层厚度属于微米级，从而在模具3表面获得为特征。

Claims (7)

1.一种平面模具表面微观结构特征的制备方法，其特征在于，首先制备具有平面特征的塑性成形用模具，对该模具进行强化热处理，并对模具工作平面进行研磨抛光；然后在所述模具工作平面上设置栅格阵列并采用磁控溅射方式进行涂层，使该模具工作平面上未被栅格遮挡的部分形成强化涂层，从而在模具平面上获得由栅格形状与尺寸决定的微观结构特征；

所述的栅格阵列是指：采用不锈钢铁丝交叉编织形成规则间隙的均匀的栅格。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的强化热处理是指淬火处理、回火处理或深冷处理中的一种或多种，使得模具的表面硬度≥58HRC，以保证模具基体的强度。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是，所述的研磨抛光是指使得模具的表面粗糙度值Ra≤0.15。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征是，所述的不锈钢铁丝的直径为25-100微米。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征是，所述的规则间隙为边长26-150微米的正方形。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征是，所述的栅格的整体形状为正方形，该正方形的边长为工作表面的外形尺寸的1.2-1.5倍。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征是，所述的涂层的材料包括：TiN、TiC、TiCN、ZrN、CrN、TiAlN、TiAlCN和DLC。

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