CN104894557B - 一种金属模具复合成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属模具复合成型方法，其步骤包括：a、对金属模具CAD模型进行分层；b、采用步骤a的模型分层信息，驱动数字化无模铸造精密成形设备加工出金属模具基体铸型；c、利用得到的基体铸型，浇注得到金属模具基体；d、对金属模具基体进行预处理；e、根据步骤a中的模型分层信息，驱动多轴激光器在金属模具基体上进行激光熔覆；f、后续处理，最终得到用于零部件成型的金属模具。本发明可实现金属模具的精密、快速制造，制造过程不需其它专用加工设备和工装，模具产品最终只需进行少量精加工甚至不需加工，基本不产生废弃物；成形模具不仅结构内部晶粒细小，性能优良，而且可根据需要获得较好的局部使用性能。

Description

一种金属模具复合成型方法

技术领域

本发明涉及一种金属模具成型方法，具体涉及一种结合数字化无模铸造精密成形工艺与激光熔敷工艺的金属模具复合成型方法。

背景技术

激光熔覆成型技术是快速原型技术之一，能够由CAD模型快速地制造出零件的原型，而且能够利用与零件材质一样的粉末直接制造出具有最终使用功能特性的零件。与传统的材料成型方法相比，具有成型零件结构优化、组织性能优良，可实现梯度功能、柔性化程度高和无模近终成型等特点。现有激光熔覆技术在模具制造行业主要用于局部易受磨损、冲击、腐蚀及氧化零部件表面处理或修复，熔覆材料与模具基体冶金结合良好，工件变形小，表层质量稳定，表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性显著提高。然而，对于大、中型模具制造来说，由于激光熔覆成型技术是直接堆积金属（耐磨金属和耐高温合金等），熔覆体积大、质量大，消耗金属粉末多，成型时间较长，导致成本高、加工效率低、成形精度不易控制，工艺难度大等问题，目前在国内外主要处于研究阶段。

与之相比，采用快速成形技术完成铸型制造，然后浇注金属熔液得到金属模具的数字化无模铸造精密成形技术，由于其成本低、效率高、精度高等优势，目前在金属模具快速制造领域具有更强的市场竞争力。但由于金属模具表面或局部不同的耐磨、耐蚀、抗氧化等要求，采用数字化无模铸造精密成形技术浇注得到的金属模具铸坯必需经过后续热处理及表面处理等才能投入使用，而我国传统的模具表面处理热技术如堆焊、电刷镀、热喷涂等，由于它们所产生的处理层与金属基体大多为机械结合，结合力较差，而且对工件的抗疲劳强度有一定的影响，导致产品存在寿命短、可靠性差、返修率高等问题。

因此，若将数字化无模铸造精密成形技术与上述的能够实现熔覆材料与基体冶金结合良好的激光熔覆成型技术相结合将是实现大中型金属模具低成本、高效率、高精度、性能优良、柔性化制造的一条有效途径。目前，国内仅有机械科学研究总院先进制造技术研究中心在开展相关技术研究，尚未看到其他机构将无模铸造和激光熔覆方法集成，高效率、高质量、低成本实现金属模具快速制造的相关研究报道。

发明内容

本发明目的在于解决现有技术中存在的上述问题，提供一种能够低成本、快速、精密、柔性制造出性能优良的金属模具的复合成型方法，尤其适用于企业单件、小批量新产品开发试制过程中的高精度大中型金属模具的快速制造。

发明提供了一种金属模具复合成型方法，该方法包括如下步骤：

a. 根据金属模具性能要求、结构特点等，对金属模具三维CAD模型进行分层，分别得到需采用数字化无模铸造精密成形工艺和激光熔覆工艺进行成型的各部位模型；

b. 根据步骤a中的采用数字化无模铸造精密成形工艺进行成型的各部位模型结构尺寸信息，驱动数字化无模铸造精密成形设备加工出金属模具基体铸型；

c. 利用步骤b得到的金属模具基体铸型，浇注得到金属模具基体；

d. 对金属模具基体进行预处理；

e. 根据步骤a中的需采用激光熔覆工艺进行成型的各部位模型结构尺寸信息，驱动多轴激光器在金属模具基体上进行激光熔覆；

f. 激光熔覆完成后进行后续处理，最终得到用于零部件成型的金属模具。

进一步地，步骤b中的铸型为砂型、石膏型、石墨型或陶瓷型。

进一步地，步骤d中的预处理，包括除去金属模具基体关键部位毛刺、锈迹、油污、杂质。

进一步地，步骤e中的激光熔覆过程，可针对不同部位的性能要求分别选用用相应的熔覆材料和熔覆工艺参数。

进一步地，步骤f中的后续处理，包括除去金属模具表面的毛刺、锈迹、油污、杂质或对金属模具进行后期机加工。

采用本发明的金属模具复合成型方法，将数字化无模铸造精密成形技术与激光熔覆成型技术的优点有效结合起来，可以实现金属模具的快速制造，制造过程不需其它专用加工设备和工装，模具产品最终只需进行少量精加工甚至不需加工，材料可回收再利用，基本不产生废弃物；这种方法不仅制造速度快，精度高，而且快速凝固条件下获得的模具结构内部晶粒细小，性能优良，是传统模具制造工业的重大变革。本发明的实施可以为企业和社会带来可观的经济效益和社会效益，同时对促进我国模具及其下游产业自主研发能力具有战略意义。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是根据本发明方法进行金属冲压模具复合成型制造示意图；

图中标号a为基体，b为转角，c为凸台。

具体实施方式

为了清楚地表达出本发明的金属模具复合成型方法步骤特点，以下结合图1，列举一个金属冲压模具采用该方法进行快速精密制造的实施例。

首先根据金属冲压模具性能要求、结构特点等，对金属冲压模具三维CAD模型进行分层，分别得到需采用数字化无模铸造精密成形工艺进行加工的基体a和采用激光熔覆工艺进行表面处理的成型的关键部位转角b、凸台c。

金属冲压模具基体a材料选用Cr12MoV模具钢，由金属冲压模具基体a机构尺寸信息驱动无模铸造精密成形机进行加工，铸切削速度取100mm/s，分别选用Φ16mm的刀具进行粗加工、Φ6mm的刀具进行精加工，主轴转速为6000rpm，最终加工出金属模具基体砂型，将砂型组装并浇注得到该金属冲压模具的基体a；待基体a冷却后，对其表面进行预处理，除去关键部位毛刺、锈迹、油污、杂质等。

之后，将金属冲压模具的基体a进行预热，由于金属冲压模具的关键部位受力不同，因此性能要求不同，需要采用不同的熔覆材料，金属冲压模具的转角b熔覆材料选用Ni60合金粉末（硬度提高），金属冲压模具的凸台c熔覆材料选用Ni60+30%WC合金粉末（硬度都提高，耐磨性提高），粒度为140~325目；熔覆过程采用相同的工艺参数，激光方式采用往复直线运行方式，激光光斑直径2mm，输出功率3Kw，扫面速度8mm/s，送粉量20g/min，搭接率65%，并对激光熔覆区域进行氩气保护。激光熔覆后的金属冲压模具无需进行表面热处理，只需除去金属模具表面的油污、杂质等，并依据模具尺寸要求对其进行后续少量机加工即可投入生产使用。

观察采用本发制造的金属冲压模具熔覆层组织形态，所形成的的熔覆层与基体为良好的冶金结合；对该金属冲压模具基体a、转角b、凸台c各部位取样进行硬度和耐磨性分析，凸台c熔覆层耐磨性能优于转角b熔覆层，转角b、凸台c两部位熔覆层硬度相差不大，但无论是耐磨性或硬度，转角b、凸台c都明显优于基体a。

采用本发明的金属模具复合成型方法，可实现金属模具的精密、快速制造，制造过程不需其它专用加工设备和工装，模具产品最终只需进行少量精加工甚至不需加工，基本不产生废弃物；成形模具不仅结构内部晶粒细小，性能优良，而且可根据需要获得较好的局部使用性能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种金属模具复合成型方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

a. 根据金属模具性能要求、结构特点，对金属模具三维CAD模型进行分层，分别得到需采用数字化无模铸造精密成形工艺和激光熔覆工艺进行成型的各部位模型；

b. 根据步骤a中的采用数字化无模铸造精密成形工艺进行成型的各部位模型结构尺寸信息，驱动数字化无模铸造精密成形设备加工出金属模具基体铸型；

c. 利用步骤b得到的金属模具基体铸型，浇注得到金属模具基体；

d. 对金属模具基体进行预处理；

e. 根据步骤a中的需采用激光熔覆工艺进行成型的各部位模型结构尺寸信息，驱动多轴激光器在金属模具基体上进行激光熔覆；

f. 激光熔覆完成后进行后续处理，最终得到用于零部件成型的金属模具。

2.根据权利要求1所述的一种金属模具复合成型方法，其特征在于，所述的步骤b中的铸型为砂型、石膏型、石墨型或陶瓷型。

3.根据权利要求1所述的一种金属模具复合成型方法，其特征在于，所述的步骤d中的预处理，包括除去金属模具基体关键部位毛刺、锈迹、油污、杂质。

4.根据权利要求1所述的一种金属模具复合成型方法，其特征在于，所述的步骤e中的激光熔覆过程，可针对不同部位的性能要求分别选用用相应的熔覆材料和熔覆工艺参数。

5.根据权利要求1所述的一种金属模具复合成型方法，其特征在于，所述的步骤f中的后续处理，包括除去金属模具表面的毛刺、锈迹、油污、杂质或对金属模具进行后期机加工。