CN108788148A - 激光选区熔化制造具有随形冷却系统的h13钢模具的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及H13钢模具的制造领域，具体涉及一种激光选区熔化制造具有随形冷却系统的H13钢模具的方法。包括如下步骤：S1、根据待加工的具有随形冷却系统的H13钢模具的形状，构建三维模型，将三维模型保存为STL格式文件；S2、将STL格式文件导入切片软件中进行切片处理；S3、根据切片处理文件获取激光扫描路径，并将激光扫描路径数据导入激光选区熔化设备中；S4、设置激光选区熔化设备；S5、进行激光选区熔化制造；S6、成型后的模具在成型仓中冷却至室温；S7、取出模具和基板，对模具和基板一起进行真空处理；S8、分割基板和模具。解决了现有技术中存在的传统模具加工方法加工效率低、周期长，无法加工具有复杂冷却系统的模具结构的问题。

Description

激光选区熔化制造具有随形冷却系统的H13钢模具的方法
技术领域
本发明涉及H13钢模具的制造领域，具体涉及一种激光选区熔化制造具有随形冷却系统的H13钢模具的方法。
背景技术
模具是现代制造业中极其重要的工业装备，是一种借助外力成形坯料，使其成为具有特定形状和尺寸制件的工具。目前，模具工业已成为衡量一个国家制造业水平的重要标志。它主要用于大批量生产工业产品中的有关零部件和制件，而模具工业水平的高低又直接表现在模具的质量与寿命上。影响模具寿命的因素主要有结构设计、成形及制造工艺、模具材料的选用、生产操作及使用维护等。
目前，模具的制造加工以传统的加工方式为主，如数控车削、数控铣削、数控线切割等。这些传统的生产制造方式生产率较低，制造周期长，而且对于模具中复杂的结构如随形冷却流道、排气通道等难以加工。申请号为CN200810176379.6的申请公开了一种冲压模具的加工方法、加工程序、加工程序生成程序和加工装置，并具体公开了：沿着冲裁加工方向，对具有冲刃部分和与上述冲刃部分的轮廓形状相比向内侧凹陷的第二退刀部分的冲压模具进行加工，该冲压模具的加工方法包括以下工序：相对移动工序和突出加工工序，在上述相对移动工序中上述加工工具和上述冲压模具坯料每相对移动既定间距，使上述加工工具和上述冲压模具坯料沿着沿上述冲裁加工方向的上述冲刃部分和上述第二退刀部分的形状，在上述工具主体的轴向上相对移动，上述相对移动工序和突出加工工序使用在工具主体的前端外周至少具有一个以上的刀尖部分的加工工具进行，刀尖部分从上述工具主体的外周面突出，并且在以上述工具主体的轴为中心旋转时和沿上述工具主体的轴向移动时能够进行切削加工。由技术方案可知，上述申请采用切削加工的方式对冲压模具进行加工，虽然上述加工方法能在一定程度上提高切削加工的速度，但是加工速度仍然较低，且上述加工方法只能加工简单结构的模具，无法加工具有复杂冷却系统的模具结构，且加工精度低，加工周期长。
发明内容
为了解决现有技术中存在的传统模具加工方法加工效率低、周期长，无法加工具有复杂冷却系统的模具结构的问题，本发明提出了一种激光选区熔化制造具有随形冷却系统的H13钢模具的方法，解决了上述技术问题。本发明的技术方案如下：
一种激光选区熔化制造具有随形冷却系统的H13钢模具的方法，包括如下步骤：
S1、根据待加工的具有随形冷却系统的H13钢模具的形状，构建三维模型，将三维模型保存为STL格式文件；
S2、将STL格式文件导入切片软件中进行切片处理；
S3、根据切片处理文件获取激光扫描路径，并将激光扫描路径数据导入激光选区熔化设备中；
S4、设置激光选区熔化设备：在成型基台上放置基板并对基板进行预热，在粉料缸中装入H13钢粉末，关闭成型仓密封门，并向成型仓中通入氩气，使成型仓中氧含量低于0.01％；
S5、进行激光选区熔化制造：启动激光选区熔化设备，按照已设置的激光扫描路径对基板上的H13钢粉末进行逐层扫描，直至模具成型；
S6、成型后的模具在成型仓中冷却至室温；
S7、取出模具和基板，对模具和基板一起进行真空处理；
S8、分割基板和模具；
步骤S7中的所述真空处理包括真空退火处理、真空淬火处理和真空双回火处理。
采用上述激光选区熔化的方法，制作简单，精度高，可获得所需的具有随形冷却系统的H13钢模具。
进一步地，步骤S1中，所述三维模型的制作采用的软件为UG三维软件，所述步骤S1还包括采用ANSYS软件对具有随形冷却系统的H13钢模具进行优化。
进一步地，步骤S3中的所述激光扫描路径为分区扫描路径，所述分区扫描路径为将扫描区域划分为多个正方形，对每个正方形区域进行分别扫描。
进一步地，相邻的两个正方形区域的扫描方向垂直，相邻两扫描层的竖直对应的两正方形区域的扫描方向夹角为60度。
进一步地，每一层的扫描路径完成后再进行一次整体边框扫描。
进一步地，步骤S4还包括对基板的清洗：采用酒精和丙酮对基板进行清洗，清洗后的基板水平放置在成型基台上，所述H13钢粉末是经气雾化处理后的球形颗粒粉末，粒度为15～50μm。
进一步地，步骤S5包括如下步骤：
S51、启动激光选区熔化设备，打开振镜开关和激光开关，设定激光束的扫描参数；
S52、点击“开始”选项，成型基台带动基板下降，分料缸上升，以使基板表面获取H13钢粉末，激光束按照设定的激光扫描路径对基板上的H13钢粉末进行扫描加热，H13钢粉末熔化后冷却凝固，完成一层H13钢模具的加工；
S53、成型基台带动基板下降，分料缸上升，铺粉辊将粉料缸中H13钢粉末铺至步骤S52冷却凝固后的加工层表面，激光束按照设定的激光扫描路径进行下一层H13钢模具的加工；
S54、重复步骤S53，直至整个模具成型。
进一步地，步骤S52和步骤S53中，所述基板的下降高度等于切片厚度，所述分料缸的上升高度等于四倍的切片厚度。
进一步地，所述激光束的扫描参数包括：激光功率为160～240W，扫描间距为0.04～0.06mm，扫描速度为400～600mm/s，铺粉厚度为0.04～0.06mm，激光光斑直径为0.1mm。
进一步地，所述真空退火处理包括：先使模具在退火炉内以100℃/min的速度升温至600℃，在600℃条件下保温1h，然后模具随退火炉缓冷至室温，所述退火炉内真空度不低于3×103Pa；所述真空淬火处理包括：先使模具在淬火炉内以100℃/min的速度升温至1050℃，在1050℃条件下保温0.5h后进行油冷，所述淬火炉内真空度不低于3×103Pa；所述真空双回火处理包括：先使模具在回火炉内以100℃/min的速度升温至600℃，在600℃条件下保温4小时，进行第一次油冷，然后再将模具在回火炉内以100℃/min的速度升温至600℃，在600℃条件下保温4小时，进行第二次油冷，所述回火炉内真空度不低于3×103Pa。
基于上述技术方案，本发明所能实现的技术效果为：
1.本发明的激光选区熔化制造具有随形冷却系统的H13钢模具的方法对金属粉末进行熔化堆叠，无需传统的外部工具，直接成型出与三维模设计一模一样的模具，减少了外部工具对模具表面造成的损伤，制造方便简单，自动化程度高；
2.本发明的激光选区熔化制造具有随形冷却系统的H13钢模具的方法成型的H13钢模具具有高自由度特点，特别是传统制造工艺无法制造的复杂几何结构以及内部复杂腔体结构：如模具内随形冷却系统，提高模具的冷却效率和使用寿命，缩短生产周期；此外，使用的金属粉末可以回收再利用，从而节约资源，降低成本。
3.本发明激光选区熔化制造具有随形冷却系统的H13钢模具的方法中的激光束沿分区扫描路径进行扫描，且同一扫描层的相邻的正方形区域的扫描方向相互垂直，相邻扫描层的竖直相邻的两正方形区域的扫描方向夹角为60度，使用分区扫描时，将原本较长的扫描线变短，相邻两条扫描线扫描时间间隔变少，已扫描区域能量散失较慢，使熔池冷却的时间变长，有利于熔池中气体的逸出和晶体的生长，提高成品的致密度和力学性能；进行整体边框扫描可以防止边缘位置有未熔粉末对成型件尺寸精度的影响，进一步提升成型件的尺寸精度；
4.本发明的激光选区熔化制造具有随形冷却系统的H13钢模具的方法采用H13钢粉末为原料，并根据H13钢粉末的材料特性设定激光扫描参数，生产出来的模具的力学性能更好；
5.本发明的激光选区熔化制造具有随形冷却系统的H13钢模具的方法中，基板的下降高度等于切片厚度，分料缸的上升高度等于四倍的切片厚度，基板的下降高度和分料缸的上升高度比例为1:4，进一步保证了粉末均匀铺在基板上；
6.本发明的激光选区熔化制造具有随形冷却系统的H13钢模具的方法采用激光扫描的方法，温度较高，扫过之后温度下降比较快，冷却速度高，为高度非平衡凝固状态，可以有效避免晶粒的长大和宏观偏析，获得组织致密、晶粒细小、组织均匀的组织，从而获得具有良好力学性能的模具；
7.本发明的激光选区熔化制造具有随形冷却系统的H13钢模具的方法对成型的H13钢模具进行一系列真空热处理，可以获得均匀的马氏体组织，其硬度和强度进一步提升，有效消除模具内应力，力学性能更加的优秀，显著提高了模具的使用寿命和制造效率。
附图说明
图1为本发明的具有随形冷却系统的H13钢模具的结构示意图；
图中：1-模具；11-随形冷却系统。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的内容作进一步地说明。
如图1所示，本实施例公开了一种激光选区熔化制造具有随形冷却系统的H13钢模具的方法，以获取带有随形冷却系统11的模具1。上述方法包括如下步骤：
S1、根据待加工的具有随形冷却系统的H13钢模具的形状，构建三维模型，将三维模型保存为STL格式文件；
S2、将STL格式文件导入切片软件中进行切片处理；
S3、根据切片处理文件获取激光扫描路径，并将激光扫描路径数据导入激光选区熔化设备中；
S4、设置激光选区熔化设备：在成型基台上放置基板并对基板进行预热，在分料缸中装入H13钢粉末，关闭成型仓密封门，并向成型仓中通入氩气，使成型仓中氧含量低于0.01％；
S5、进行激光选区熔化制造：启动激光选区熔化设备，按照已设置的激光扫描路径对基板上的H13钢粉末进行逐层扫描，直至模具成型；
S6、成型后的模具在成型仓中冷却至室温；
S7、取出模具和基板，对模具和基板一起进行真空处理；
S8、分割基板和模具。
其中，步骤S1中，构成的三维模型为三维CAD模型，采用制图软件制成即可，优选为，采用的制图软件为UG三维软件。步骤S1中还包括对具有随形冷却系统的H13钢模具的模型的优化，优选地，可采用ANSYS软件对具有随形冷却系统的H13钢模具进行优化，进一步得到更加优化的三维模型。
步骤S2中，进行切片处理时，设定切片厚度和激光选区熔化设备的铺粉厚度一致。每层切片厚度和铺粉厚度一致，则可准确控制每一层H13钢模具的厚度和设定的切片厚度一致，以保证加工的准确性。
步骤S3中，获取的激光扫描路径为分区扫描路径，分区扫描路径为将扫描区域划分为多个正方形，对每个正方形区域进行分别扫描。进一步优选地，相邻的两个正方形区域的扫描方向垂直，相邻两扫描层的竖直对应的两正方形区域的扫描方向夹角为60度。优选地，相邻两扫描层的竖直对应的两正方形区域的扫描方向夹角为逆向60度。如此，将原本较长的扫描线变短，相邻两条扫描线扫描时间间隔变少，已扫描区域能量散失较慢，使熔池冷却的时间变长，有利于熔池中气体的逸出和晶体的生长，提高成品的致密度和力学性能。进一步优选地，每一层的扫描路径完成后再进行一次整体边框扫描，进行整体边框扫描可以防止边缘位置有未熔粉末对成型件尺寸精度的影响，进一步提升成型件的尺寸精度；
步骤S4中，在成型基台上放置基板前需要对基板进行清洗：采用酒精和丙酮对基板进行清洗；清洗后的基板水平放置在成型基台上包括如下步骤：先通过人机界面调整激光选区熔化设备的成型基台，再使用螺钉将打磨清理后的基板固定在成型基台上，对基板进行调平。调平之后，调整激光选区熔化设备的铺粉辊与基板，使两者刚好接触。步骤S4还包括对激光束和粉料缸的调整：对激光束的调整包括：打开激光选区熔化设备的振镜开关与激光开关，调整激光焦平面，使激光聚焦在基板平面上；对粉料缸的调整包括：将已预热的H13钢粉末导入粉料缸中，调整粉料缸，使H13钢粉末最上层与铺粉辊最下端刚好接触。优选地，基板为45号钢成型基板。H13钢粉末是经气雾化处理后的球形颗粒粉末，粒度为15～50μm。步骤S4中的H13钢粉末为烘干H13钢粉末，优选地，H13钢粉末的烘干在真空条件下进行，烘干温度为130℃，烘干时间为2h。
优选地，步骤S4中使用的氩气的纯度为99.99％。本发明直接在高纯度的氩气保护中进行模具制造，可以有效避免由于温度升高而造成的金属粉末氧化以及外界因素的干扰，显著降低了制造出的模具的杂质含量。
步骤S5的模具成型过程进一步包括如下步骤：
S51、启动激光选区熔化设备，打开振镜开关和激光开关，设定激光束的扫描参数；
S52、点击“开始”选项，成型基台带动基板下降，分料缸上升，以使基板表面获取H13钢粉末，激光束按照设定的激光扫描路径对基板上的H13钢粉末进行扫描加热，H13钢粉末熔化后冷却凝固，完成一层H13钢模具的加工；
S53、成型基台带动基板下降，分料缸上升，铺粉辊将粉料缸中H13钢粉末铺至步骤S52冷却凝固后的加工层表面，激光束按照设定的激光扫描路径进行下一层H13钢模具的加工；
S54、重复步骤S53，直至整个模具成型。
其中，步骤S52和步骤S53中，基板的下降高度和分料缸的上升高度之比为1:4。具体地，基板的下降高度等于切片厚度，分料缸的上升高度等于四倍的切片厚度。通过两个高度比例为1:4，以确保基板表面获取充足的H13钢粉末。步骤S51中激光束的扫描参数包括激光功率、扫描间距、扫描速度、铺粉厚度和激光光斑直径，优选地，激光功率为160～240W，扫描间距为0.04～0.06mm，扫描速度为400～600mm/s，铺粉厚度为0.04～0.06mm，激光光斑直径为0.1mm。进一步优选地，激光功率为200W，扫描间距为0.06mm，扫描速度为400mm/s，铺粉厚度为0.05mm。
步骤S7中，真空处理包括真空退火处理、真空淬火处理和真空双回火处理。其中，真空退火处理包括：先使模具在退火炉内以100℃/min的速度升温至600℃，在600℃条件下保温1h，然后模具随退火炉缓冷至室温，退火炉内真空度不低于3×103Pa。其中，在600℃条件下保温1h，可以将模具放入退火炉中，然后在退火炉上设定温度为600℃，进行1h的保温。
真空淬火处理包括：先使模具在淬火炉内以100℃/min的速度升温至1050℃，在1050℃条件下保温0.5h后进行油冷，淬火炉内真空度不低于3×103Pa。其中，在1050℃条件下保温0.5h，可以将模具放入淬火炉中，然后在淬火炉上设定温度为1050℃，进行0.5h的保温。其中，油冷采用的油为32#机械油，油温为60℃，将模具放入32#机械油中冷却至油温温度。
真空双回火处理包括：先使模具在回火炉内以100℃/min的速度升温至600℃，在600℃条件下保温4小时，进行第一次油冷，然后再将模具在回火炉内以100℃/min的速度升温至600℃，在600C条件下保温4小时，进行第二次油冷，回火炉内真空度不低于3×103Pa。其中，600℃条件下保温，可以将模具放入回火炉中，然后在回火炉上设定温度为600℃，进行保温。其中，第一次油冷和第二次油冷采用的油为32#机械油，油温为60℃，将模具放入32#机械油中冷却至油温温度。
步骤S8中，采用电火花线切割的方法使基板与模具分离。步骤S8之后还包括对模具的清洗，以方便下次使用。
采用上述的激光选区熔化制造具有随形冷却系统的H13钢模具的方法，可制备出带有任意复杂随形冷却系统的H13钢模具，且钢模具的结构准确，强度和硬度都得到进一步提升，有效消除模具内应力，力学性能更好。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明的宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (10)

1.一种激光选区熔化制造具有随形冷却系统的H13钢模具的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、根据待加工的具有随形冷却系统的H13钢模具的形状，构建三维模型，将三维模型保存为STL格式文件；
S2、将STL格式文件导入切片软件中进行切片处理；
S3、根据切片处理文件获取激光扫描路径，并将激光扫描路径数据导入激光选区熔化设备中；
S4、设置激光选区熔化设备：在成型基台上放置基板并对基板进行预热，在分料缸中装入H13钢粉末，关闭成型仓密封门，并向成型仓中通入氩气，使成型仓中氧含量低于0.01％；
S5、进行激光选区熔化制造：启动激光选区熔化设备，按照已设置的激光扫描路径对基板上的H13钢粉末进行逐层扫描，直至模具成型；
S6、成型后的模具在成型仓中冷却至室温；
S7、取出模具和基板，对模具和基板一起进行真空处理；
S8、分割基板和模具；
步骤S7中的所述真空处理包括真空退火处理、真空淬火处理和真空双回火处理。
2.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化制造具有随形冷却系统的H13钢模具的方法，其特征在于，步骤S1中，所述三维模型的制作采用的软件为UG三维软件，所述步骤S1还包括采用ANSYS软件对具有随形冷却系统的H13钢模具进行优化。
3.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化制造具有随形冷却系统的H13钢模具的方法，其特征在于，步骤S3中的所述激光扫描路径为分区扫描路径，所述分区扫描路径为将扫描区域划分为多个正方形，对每个正方形区域进行分别扫描。
4.根据权利要求3所述的一种激光选区熔化制造具有随形冷却系统的H13钢模具的方法，其特征在于，相邻的两个正方形区域的扫描方向垂直，相邻两扫描层的竖直对应的两正方形区域的扫描方向夹角为60度。
5.根据权利要求3或4所述的一种激光选区熔化制造具有随形冷却系统的H13钢模具的方法，其特征在于，每一层的扫描路径完成后再进行一次整体边框扫描。
6.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化制造具有随形冷却系统的H13钢模具的方法，其特征在于，步骤S4还包括对基板的清洗：采用酒精和丙酮对基板进行清洗，清洗后的基板水平放置在成型基台上，所述H13钢粉末是经气雾化处理后的球形颗粒粉末，粒度为15～50μm。
7.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化制造具有随形冷却系统的H13钢模具的方法，其特征在于，步骤S5包括如下步骤：
S51、启动激光选区熔化设备，打开振镜开关和激光开关，设定激光束的扫描参数；
S52、点击“开始”选项，成型基台带动基板下降，分料缸上升，以使基板表面获取H13钢粉末，激光束按照设定的激光扫描路径对基板上的H13钢粉末进行扫描加热，H13钢粉末熔化后冷却凝固，完成一层H13钢模具的加工；
S53、成型基台带动基板下降，分料缸上升，铺粉辊将粉料缸中H13钢粉末铺至步骤S52冷却凝固后的加工层表面，激光束按照设定的激光扫描路径进行下一层H13钢模具的加工；
S54、重复步骤S53，直至整个模具成型。
8.根据权利要求7所述的一种激光选区熔化制造具有随形冷却系统的H13钢模具的方法，其特征在于，步骤S52和步骤S53中，所述基板的下降高度等于切片厚度，所述分料缸的上升高度等于四倍的切片厚度。
9.根据权利要求8所述的一种激光选区熔化制造具有随形冷却系统的H13钢模具的方法，其特征在于，所述激光束的扫描参数包括：激光功率为160～240W，扫描间距为0.04～0.06mm，扫描速度为400～600mm/s，铺粉厚度为0.04～0.06mm，激光光斑直径为0.1mm。
10.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化制造具有随形冷却系统的H13钢模具的方法，其特征在于，所述真空退火处理包括：先使模具在退火炉内以100℃/min的速度升温至600℃，在600℃条件下保温1h，然后模具随退火炉缓冷至室温，所述退火炉内真空度不低于3×103Pa；所述真空淬火处理包括：先使模具在淬火炉内以100℃/min的速度升温至1050℃，在1050℃条件下保温0.5h后进行油冷，所述淬火炉内真空度不低于3×103Pa；所述真空双回火处理包括：先使模具在回火炉内以100℃/min的速度升温至600℃，在600℃条件下保温4小时，进行第一次油冷，然后再将模具在回火炉内以100℃/min的速度升温至600℃，在600℃条件下保温4小时，进行第二次油冷，所述回火炉内真空度不低于3×103Pa。
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