CN108097953A - 一种模具智能随形冷却流道及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于模具冷却流道领域，并公开了一种模具智能随形冷却流道及其制造方法。该智能随形冷却流道是在随形冷却流道的内壁上设置记忆合金涂覆层，该涂覆层感应冷却流道内的温度，并根据该温度进行形状变化，从而使得冷却流道内冷却液的流量、流速和流动状态改变。本发明还公开了智能随形冷却流道的制造方法。通过本发明，实现冷却流道内部形状的智能变化，实现精准高效的冷却，提高冷却效率，模具整体冷却效果均匀、迅速。

Description

一种模具智能随形冷却流道及其制造方法

技术领域

本发明属于模具冷却流道领域，更具体地，涉及一种模具智能随形冷却流道及其制造方法。

背景技术

模具是现代工业生产之母，是现代制造业的基础工艺装备，大多数工业产品的零部件都依靠模具技术来生产。其中，模具的冷却系统对模具的寿命、产品的生产效率和质量都起着至关重要的作用。随形冷却系统与传统直孔冷却流道相比，由于其轴线的设计基于模具型腔的形状变化，因此更贴合模具型腔表面，可以提高冷却系统的冷却效率和质量。增材制造(3D打印)技术的出现使随形冷却流道的制造与使用更为普及。但这种冷却方法仍然存在以下问题：首先，随形冷却流道一般根据Moldflow等模流分析软件的模拟结果，经由三维建模软件进行设计，再通过增材制造的方法加工出来，流程繁杂，因此存在成形的随形流道与实际需求不符的风险；其次，对于由增材制造工艺成形的极其复杂的随形冷却流道，尤其在经过去应力热处理之后，孔道内的残留粉末清理困难且耗时较长，在一定程度上增加了模具的交货周期；最后，由于每种注塑材料的物性参数如黏度和熔点等不一样，某个模具冷却流道的设计可能只符合某种材料的注塑成形，简单来说，即一套具有随形冷却结构的模具可能只能够注塑某一种材料，降低了模具的普适性，增加了模具的使用成本。

记忆合金一直以来都是功能合金材料领域的研究热点。记忆合金主要有两大功能：形状记忆功能和超弹性。所谓形状记忆效应是指材料在低温下变形，加热到临界温度时形状发生逆变的现象。记忆合金之所以具有形变恢复能力，是因为变形过程中材料内部发生热弹性马氏体相变。目前，国内外没有关于将记忆合金应用与随形冷却流道的应用，现有的随形冷却流道冷却慢，不能针对局部过热的地方特别处理，使得模具中有些地方局部过热，热量分布不均匀，影响模具成形产品质量。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种模具智能随形冷却流道及其制造方法，通过在随形冷却流道的内壁上设置记忆合金涂覆层，通过记忆合金层根据流道中温度进行形状变化，其目的在于改变流道内部的形状，由此解决模具局部过热的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种模具智能随形冷却流道，其特征在于，该智能随形冷却流道是在随形冷却流道的内壁上设置记忆合金涂覆层，该涂覆层感应冷却流道内的温度，并根据该温度进行形状变化，从而使得冷却流道内冷却液的流量、流速和流动状态改变。

进一步优选地，所述记忆合金涂覆层的厚度优选采用0.5mm～1mm。

进一步优选地，所述智能随形冷却流道适用于材料为H11、H13、S136、AISI 420或18Ni300的模具，且该智能随形冷却流道采用的材料与该流道所在的模具所采用的材料相同。进一步优选地，所述记忆合金涂覆层选用的材料为Ni-Ti基或Cu基形状记忆合金，优选为Cu基记忆合金。

进一步优选地，所述智能随形冷却流道采用激光选区熔化的増材制造方法制造。

进一步优选地，所述激光选区熔化的増材制造中，智能随形冷却流道所采用的材料和记忆合金涂覆层所采用的材料均具有球形或类球形的结构，粒径范围为20μm～50μm，且含氧量均低于1000ppm。

进一步优选地，所述激光选区熔化的増材制造中，激光器选用光纤激光器，波长为1070±10nm，最大功率1000W，光斑直径0.1mm～0.15mm。

进一步优选地，所述激光选区熔化的増材制造在惰性气体中进行，避免増材制造的原材料氧化。

按照本发明的另一方面，提供了一种如上述所述的智能随形冷却流道的激光选区熔化増材制造方法，其特征在于，该制造方法包括下列步骤：

(a)设计所述智能随形冷却流道的三维模型，将三维模型按照设定层厚进行分层切片处理，分层后获得每层中的轮廓和与该轮廓对应的材料信息，按照不同的材料将所述轮廓划分为两个区域，模具区和记忆合金区；

(b)选取所述智能随形冷却流道所用的粉末材料，以及记忆合金粉末作为原材料，并将所述模具粉末材料置于激光选区熔化増材制造设置的送粉缸中，所述记忆合金粉末置于送粉喷头中；

(c)将所述模具粉末材料均匀铺在平台上，按照所述模具区的轮廓进行激光熔化成形，将所述记忆合金区的模具粉末移除，送粉喷头将所述记忆合金粉末均匀铺展在所述记忆合金区，按照所述记忆合金区的轮廓对记忆合金粉末进行激光熔化成形，由此完成该层的成形；

(d)所述平台下降一个所述设定层厚，重复步骤(c)直至完成所述智能随形冷却流道的制造。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明通过将记忆合金涂覆于随形冷却流道的表面，记忆合金通过感知模具型腔表面的温度而发生形状变化，进而改变流道内冷却介质的流动状态，缓解随形冷却流道局部过热的问题，减小了模拟和制造误差，提升冷却的准确性，模具整体冷却效果均匀、迅速；

2、本发明通过记忆合金来改变冷却流道的截面形状，可以辅助某些结构复杂的型腔区域的冷却，从而在一定程度上减小随形冷却流道设计的复杂度，利于清除粉末等后处理步骤的进行；

3、本发明提供的记忆合金涂覆的智能复合冷却流道能够依据材料的不同做出不同的冷却方法，使增材制造模具能够匹配多种物性不同的材料的注塑，提高了模具使用率，降低了增材制造模具的使用成本；

4、本发明提供的记忆合金涂覆的流道结构简单，使用方便，通过增材制造技术，实现了在随形冷却流道表面涂覆记忆合金，使冷却流道的截面能够自动变化，达到智能化的目的，制造方法简单，适用范围广。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的智能随形冷却流道形状改变的示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的智能随形冷却流道另一种形状改变的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

一种模具智能随形冷却流道，在模具随形冷却流道内表面设置一层记忆合金涂覆层，该层可根据感应到的温度进行形状变化，从而改变冷却介质在冷却流道内的流量、流速和流动状态(紊流或湍流)。

智能随形冷却流道表面的记忆合金涂覆层的厚度为0.5-1mm。若记忆合金层的厚度太薄，起到的作用不大；而记忆合金层的厚度也没有必要设置的太大，否则会造成浪费。

模具材料为H11、H13、S136、AISI 420或18Ni300；记忆合金材料为Ni-Ti基或Cu基形状记忆合金，优选为Cu基记忆合金。Cu基记忆合金，如Cu-Al-Ni合金，价格便宜，成形和加工性能好，且经过激光选区熔化成形后具有较高的相变温度(80℃-90℃)。

一种模具智能化随形冷却流道的制造方法，利用激光选区熔化增材制造方法，在一个截面层成形模具钢材料和记忆合金材料，实现随形冷却流道表面记忆合金层的涂覆。其步骤包括：

(1)在计算机上建立模具的三维模型，然后将该模型转换成STL文件格式并进行分层切片处理，获取各层随形冷却流道的轮廓和与记忆合金涂覆层相关的数据信息，导入增材制造设备中；

(2)进行材料的准备，将模具基体粉末材料置于送粉缸中，记忆合金粉末材料置于送粉喷头中；

(3)在惰性气体保护下对模具零件进行成形。首先，刮刀将送粉缸中的模具材料均匀铺在成形平台上，激光按照模具材料的成形参数选择性地熔化成形；完毕后吸粉喷头根据该层信息将需要涂覆记忆合金区域的模具粉末吸走，之后送粉喷头填充记忆合金粉末；激光根据记忆合金的参数对该区域进行熔化成形；完毕后成形平台下降一个层厚，完成该层的扫描加工；

(4)重复步骤(3)，完成模具零件的制造；

(5)将成形的模具连同基板一起进行热处理以去除应力，之后采用线切割或热处理将模具切下，清除流道内的粉末，获得产品。

步骤(2)中，模具粉末材料和记忆合金粉末都具有球形或类球形结构，粒径分布在20μm-50μm，模具粉末材料和记忆合金粉末中的含氧量均低于1000ppm。

步骤(3)中，激光器选用光纤激光器，波长为1070±10nm，最大功率1000W，光斑直径0.1-0.15mm。

步骤(3)中，整个成形过程都在惰性气体如氩气或氮气的保护下。采用惰性氛围保护，能够有效避免金属在高温下氧化。

如图1、2所示，本发明提供的智能随形冷却流道包括模具体1和记忆合金层2，在原来的随形冷却流道1表面涂覆一层记忆合金2，记忆合金层通过传热感知到模具型腔的温度从而改变形状。图1、2分别为可能的两种变形方式。

如图1所示，以90℃的相变温度为例，当模具型腔温度小于90℃时(区域Ⅱ)，记忆合金不发生变形，即保持原来的形状不变；当模具型腔温度大于90℃时(区域Ⅰ)，记忆合金相变，发生收缩变形，冷却流道由于合金层的收缩直径变大，增加了冷却液的流量，加快了模具的冷却速度，直至模具型腔温度下降到90℃，记忆合金恢复到变形前的形状。通过记忆合金层的形状变化，使模具型腔的温度梯度迅速变小，提高了冷却均匀性。

如图2所示，以90℃的相变温度为例，当模具型腔温度小于90℃时(区域Ⅱ)，记忆合金不发生变形，即保持原来的形状不变；当模具型腔温度大于90℃时(区域Ⅰ)，记忆合金相变，在原来流道表面膨胀凸起。当冷却液流经此处时，受到的流动阻力变大，流动状态从紊流变成湍流，增加了热量的传递，加快了模具的冷却速度，直至模具型腔温度下降到90℃，记忆合金恢复到变形前的形状。通过记忆合金层的形状变化，使模具型腔的温度梯度迅速变小，提高了冷却均匀性。

为了进一步具体解释说明本发明，下面介绍本发明制造方法的实施例。

(1)在计算机上根据实际应用建立模具的三维CAD模型，然后将该模型转换成STL文件格式并进行分层切片处理，层厚为0.03mm，获取各层随形冷却流道的轮廓和与记忆合金涂覆层相关的数据信息，导入SLM设备中；

(2)进行材料的准备，将S136模具钢粉末材料置于送粉缸中，Cu-Al-Ni记忆合金粉末材料置于送粉喷头中。其中，两种粉末材料均由气雾化工艺制备，保持良好的球形度和流动性，粒径范围均为20～50μm；

(3)在氩气保护下对模具零件进行成形。首先，刮刀将送粉缸中的S136粉末均匀铺在成形平台上，激光按照零件截面信息对粉末选择性地熔化成形，其中激光功率280W，扫描速度1000mm/s，扫面间距0.07mm，铺粉层厚0.03mm；基体成形完毕后吸粉喷头根据该层信息将需要涂覆记忆合金区域的模具粉末吸走，之后送粉喷头填充Cu-Al-Ni记忆合金粉末；激光开始成形涂覆层，其中激光功率250W，扫描速度800mm/s，扫面间距0.09mm，铺粉层厚0.03mm；完毕后成形平台下降一个层厚，完成该层的扫描加工；

(4)重复步骤(3)，完成模具零件的制造；

(5)将成形的模具连同基板一起在真空炉中400℃退火处理2h，以去除应力，之后采用线切割将模具切下，清除流道内的粉末，获得产品。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种模具智能随形冷却流道，其特征在于，该智能随形冷却流道是在随形冷却流道的内壁上设置记忆合金涂覆层，该涂覆层感应冷却流道内的温度，并根据该温度进行形状变化，从而使得冷却流道内冷却液的流量、流速和流动状态改变。

2.如权利要求1所述的一种模具智能随形冷却流道，其特征在于，所述记忆合金涂覆层的厚度优选采用0.5mm～1mm。

3.如权利要求1或2所述的一种模具智能随形冷却流道，其特征在于，所述智能随形冷却流道适用于材料为H11、H13、S136、AISI 420或18Ni300的模具，且该智能随形冷却流道采用的材料与该流道所在的模具所采用的材料相同。

4.如权利要求1-3任一项所述的一种模具智能随形冷却流道，其特征在于，所述记忆合金涂覆层选用的材料为Ni-Ti基或Cu基形状记忆合金，优选为Cu基记忆合金。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种模具智能随形冷却流道，其特征在于，所述智能随形冷却流道采用激光选区熔化的増材制造方法制造。

6.如权利要求5所述的一种模具智能随形冷却流道，其特征在于，所述激光选区熔化的増材制造中，智能随形冷却流道所采用的材料和记忆合金涂覆层所采用的材料均具有球形或类球形的结构，粒径范围为20μm～50μm，且含氧量均低于1000ppm。

7.如权利要求5或6所述的一种模具智能随形冷却流道，其特征在于，所述激光选区熔化的増材制造中，激光器选用光纤激光器，波长为1070±10nm，最大功率1000W，光斑直径0.1mm～0.15mm。

8.如权利要求5或6所述的一种模具智能随形冷却流道，其特征在于，所述激光选区熔化的増材制造在惰性气体中进行，避免増材制造的原材料氧化。

9.一种如权利要求1-8任一项所述的智能随形冷却流道的激光选区熔化増材制造方法，其特征在于，该制造方法包括下列步骤：

(a)设计所述智能随形冷却流道的三维模型，将三维模型按照设定层厚进行分层切片处理，分层后获得每层中的轮廓和与该轮廓对应的材料信息，按照不同的材料将所述轮廓划分为两个区域，模具区和记忆合金区；

(b)选取所述智能随形冷却流道所用的粉末材料，以及记忆合金粉末作为原材料，并将所述模具粉末材料置于激光选区熔化増材制造设置的送粉缸中，所述记忆合金粉末置于送粉喷头中；

(c)将所述模具粉末材料均匀铺在平台上，按照所述模具区的轮廓进行激光熔化成形，将所述记忆合金区的模具粉末移除，送粉喷头将所述记忆合金粉末均匀铺展在所述记忆合金区，按照所述记忆合金区的轮廓对记忆合金粉末进行激光熔化成形，由此完成该层的成形；

(d)所述平台下降一个所述设定层厚，重复步骤(c)直至完成所述智能随形冷却流道的制造。