CN108819152B - 一种面向高温电弧增材制造的模具多弯曲适形冷却内流道 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向高温电弧增材制造的模具多弯曲适形冷却内流道，包括：所述多弯曲适形冷却内流道设计为围绕型腔四周由横截面沿着空间引导线在模具内进行扫掠运动而形成的通道，且扫掠过程中横截面与引导线保持固定角度；所述横截面的形状设计为顶端尖点、从上至下沿给定夹角扩张而后固定或收缩的平面闭合曲线，且该闭合曲线关于穿过顶端尖点的铅垂线对称；所述引导线在水平面上的投影设计为依据偏置轮廓线、均匀采样步长为L产生的多弯曲引导线，且偏置轮廓线由型腔外轮廓向外偏置得到。本发明制作成本低，成型工艺简单，模具制造周期短，适用于各种模具制作场合，且模具冷却均匀无盲点，冷却效率高，存放冷却液更多，冷却效果更好。
Description
技术领域
本发明涉及一种面向高温电弧增材制造的模具多弯曲适形冷却内流道，属于模具设计和制造领域。
背景技术
模具是现代制造业的基础，模具的冷却技术对于模具寿命和工件质量有着重要影响。一种常用的模具冷却方式是在内部设置冷却液的流道，从而把模具的温度限定在冷却液的沸点温度以内。传统的冷却水道(喷流式、衬套式、隔板式)的加工都是以钻孔或采用镶拼式的模具结构实现，钻孔只能加工直线状的冷却水道，而制品往往具有复杂的曲面结构，因此直线状的冷却水道距型腔表面的距离是不等的。镶拼式的模具不仅加工上较为麻烦，镶件间的配合精度也较难以控制，在模具工作时，由于温度、注塑压力等因素的作用，镶件产生形变，容易造成冷却水泄露。这些流道的缺点是：(1)采用钻孔工艺钻出的流道为直管，总的体积有限，也不能在整个模具最大限度的均匀布管，因而冷却能力有限；(2)作为模具流道的冷却孔是通孔，其深度很大，在钻削过程中容易导致钻刀断裂；(3)传统模具采用直线型冷却水道，冷却效率低，因此对于制造设备和技术有较高的要求。
随着金属3D打印技术的兴起，采用3D打印技术打印带有均匀分布内流道的模具是模具制造方法的一个重要发展趋势。但是，并非任意形状的流道都可以采用3D打印工艺成型。因为3D打印冷却流道由于使用金属粉末或金属丝材作为材料，内部无法去除支撑，如果有较大悬空面的出现，比如超过45°角倾斜面或大的平面，容易造成坍塌现象出现，所以应尽量避免支撑，即较大悬空面的出现。另外，采用普通的随型流道，引导线形状只能跟随外形，不能产生更长的流道，降低了冷却液冷却效率。最后，现有常用的制作金属模具的工艺是选择性激光熔化(SLM)工艺，该工艺设备昂贵，制件精度差，以及运行成本高。
基于上述考虑，本发明针对现有的金属丝熔融沉积成型3D打印工艺，设计了一种截面为仿水滴形的模具冷却内流道，可以采用高温电弧工艺制作。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种面向高温电弧增材制造的模具多弯曲适形冷却内流道，有效避免工艺过程中坍塌现象的产生，保证模具冷却均匀无盲点，有效提高冷却效率及注塑效率，减小产品翘曲变形，提高产品质量。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种面向高温电弧增材制造的模具多弯曲适形冷却内流道，包括模具、型腔、多弯曲适形冷却内流道、引流管道进口和出口；
其中，所述多弯曲适形冷却内流道设计为围绕型腔四周由横截面沿着空间引导线在模具内进行扫掠运动而形成的通道，且扫掠过程中横截面与引导线保持固定角度；
所述横截面的形状设计为顶端尖点、从上至下沿给定夹角扩张而后固定或收缩的平面闭合曲线，且该闭合曲线关于穿过顶端尖点的铅垂线对称；
所述引导线在水平面上的投影设计为依据偏置轮廓线、均匀采样步长为L产生的多弯曲引导线，且偏置轮廓线由型腔外轮廓向外偏置得到；
所述模具的侧面钻有两个端口钻孔，分别连通多弯曲适形冷却内流道的上下两侧(在靠近模具侧面一侧且离侧面最近处进行钻孔，保证钻孔连接到内流道能进行进水和出水)，且两个端口钻孔分别外接引流管道进口和出口。
上述三维几何模型建构完毕，采用金属3D打印工艺--金属丝熔融沉积成型3D打印，在打印成型过程中可以采用铣削工艺加工模具外表面(即打印过程与铣削过程交替进行)，也可以在整个打印过程完成后采用铣削工艺加工外表面。
整个模具打印和铣削过程完成后，在模具侧面内冷却内流道端口的位置钻孔，分别作为冷却液的进口和出口，两个孔可以按照外接引流管道的方式进一步加工，最后在进口和出口接上引流管道，整个带有内流道的模具制作外成。
为进一步提高冷却效果，所述型腔底部的模具内设置有屋顶结构内流道，使冷却液在流道内充分流动，存放更多冷却液，提高冷却效果；屋顶结构内流道通过尖顶截面沿直线扫掠得到，且屋顶结构内流道分别通过进水通道及出水通道而与多弯曲适形冷却内流道连通，屋顶结构可避免产生较大的悬空面，造成坍塌现象。
进一步的，所述多弯曲适形冷却内流道沿竖直排布的多层水平引导线布置在型腔四周(选取多弯曲适形冷却内流道的上下两层，在靠近模具侧面一侧且离侧面最近处进行钻孔)，且相邻两层多弯曲适形冷却内流道之间通过竖直管道连通。该引导线设计为沿适形引导线弯折产生的多弯曲引导线，既满足适形要求，使流道在模具周围均匀分布，又增加了冷却液的容量与路径长度，便于吸收热量，减少翘曲现象出现。
进一步的，所述横截面的形状设计为上部三角形与下部圆弧形相接的水滴形，上部不易坍塌的同时底部圆弧形便于以水为代表的冷却液流通。
进一步的，所述横截面与引导线通常保持90°固定角度，便于模型的建立。
进一步的，所述横截面顶部的夹角在30°～90°之内，保证成型方向上倾斜角不超过45°，减少悬空部分，便于无支撑打印。
有益效果：本发明提供的一种面向高温电弧增材制造的模具多弯曲适形冷却内流道，相对于现有技术(包括传统模具冷却方法直孔流道、内置弯管流道和普通管状随型流道)，具有以下优点：1、结构简单设计方便，制作成本低，成型工艺简单，模具制造周期短，适用于各种模具制作场合，有效避免工艺过程中坍塌现象的产生，大大节约成本；2、冷却流道依据产品轮廓布线，存放冷却液更多，模具无冷却盲点，有效提高冷却效率，减少冷却时间、提高生产效率；3、由于水道与模具型腔表面距离一致，有效地提高了冷却均匀性、减小产品翘曲变形，提高了产品质量。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例中多弯曲适形冷却内流道的结构示意图；
图3为本发明实施例中屋顶结构内流道的结构示意图；
图4为本发明实施例中偏置轮廓线的示意图；
图5为本发明实施例中多弯曲引导线的示意图；
图6为本发明实施例中内流道的剖面示意图；
图7为本发明实施例中内流道的俯视图；
图8(a)～8(e)为本发明中横截面形状设计的示例图；
图中包括：1、模具，2、多弯曲适形冷却内流道，3、端口钻孔，4、偏置轮廓线，5、型腔，6、屋顶结构内流道，7、多弯曲引导线。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种面向高温电弧增材制造的模具多弯曲适形冷却内流道，包括模具1、型腔5、多弯曲适形冷却内流道2、引流管道进口和出口；
其中，所述多弯曲适形冷却内流道2设计为围绕型腔5四周由横截面沿着空间引导线在模具1内进行扫掠运动而形成的通道，且扫掠过程中横截面与引导线保持固定角度；其设计方法为：
首先设计横截面形状，横截面形状可以设计为自然的水滴形状(如图8(a)所示)，也可以设计为顶端尖头，从上到下沿给定夹角(在30°～90°之内)扩张到一定程度后固定或者逐渐缩小到给定值的截面曲线(如图8(b)～8(e)所示)；通常将该截面与水平面垂直，且该闭合曲线关于穿过顶端尖点的铅垂线对称；这种截面形状有利于采用分层堆积的方式成型。
然后在模具的实体区域根据型腔外轮廓形状，提取外轮廓边缘曲线，向外进行偏置一定距离，如图4所示，形成适应模具外形的扫描截线，使水道与模具型腔表面距离一致，有效提高冷却均匀性、减小产品翘曲变形，然后依据偏置轮廓线，均匀采样步长为L的长度弯折，产生多弯曲引导线7，不仅具有普通随型引导线沿其轮廓设计的优点，也能增加流道长度，使散热均匀性达到最大限度，如图5所示。
最后，截面形状沿着引导线扫掠，在扫掠过程中截面于引导线保持固定角度(通常是90°)，最终形成多弯曲适形冷却内流道2的设计。
为进一步提高冷却效果，所述型腔5底部的模具1内设置有屋顶结构内流道6，屋顶结构内流道6通过尖顶截面沿直线扫掠得到，且屋顶结构内流道6分别通过进水通道及出水通道而与多弯曲适形冷却内流道2连通，如图3、6所示。
如图2、6所示，所述多弯曲适形冷却内流道2沿竖直排布的多层引导线布置在型腔5四周，且相邻两层多弯曲适形冷却内流道2之间通过竖直管道连通。
上述冷却内流道模具的制造方法为：将模具三维模型导入弧焊增材与铣削复合CAM系统，进行复合制造的路径规划。首先根据工艺试验确定电弧增材工艺参数，其具体的参数主要有切片层厚，起刀位置，喷丝宽度，走刀速度，抬刀速度，可以进行单道焊，多道焊，行切环切的选择，生成增材路径；然后进行铣削参数的选择，其主要参数有：纵向间距，堆积层数，吃刀深度，进给速度，主轴转速，加工区域的选择，可以选择仅铣削外部，内部外部都铣削，不铣削等，最后生成铣刀轨迹，最终在增材路径与铣削路径的基础之上生成总的G代码指令，完成仿生内流道模具的制造，如图7所示。
在模具制造完成之后，将模具装夹在数控钻床上，在模具侧面内流道端口的位置钻孔，分别作为冷却液的进口和出口，两个孔可以按照外接引流管道的方式进一步加工，最后在进口和出口接上引流管道，整个带有内流道的模具制作外成。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种面向高温电弧增材制造的模具多弯曲适形冷却内流道，其特征在于，包括模具(1)、型腔(5)、多弯曲适形冷却内流道(2)、引流管道进口和出口；
其中，所述多弯曲适形冷却内流道(2)设计为围绕型腔(5)四周由横截面沿着空间引导线在模具(1)内进行扫掠运动而形成的通道，且扫掠过程中横截面与引导线保持固定角度；
所述横截面的形状设计为顶端尖点、从上至下沿给定夹角扩张而后固定或收缩的平面闭合曲线，且该闭合曲线关于穿过顶端尖点的铅垂线对称；
所述引导线在水平面上的投影设计为依据偏置轮廓线(4)、均匀采样步长为L产生的多弯曲引导线(7)，且偏置轮廓线(4)由型腔外轮廓向外偏置得到；
所述模具(1)的侧面钻有两个端口钻孔(3)，分别连通多弯曲适形冷却内流道(2)的上下两侧，且两个端口钻孔(3)分别外接引流管道进口和出口；
所述型腔(5)底部的模具(1)内设置有屋顶结构内流道(6)，屋顶结构内流道(6)通过尖顶截面沿直线扫掠得到，且屋顶结构内流道(6)分别通过进水通道及出水通道而与多弯曲适形冷却内流道(2)连通。
2.根据权利要求1所述的一种面向高温电弧增材制造的模具多弯曲适形冷却内流道，其特征在于，所述多弯曲适形冷却内流道(2)沿竖直排布的多层水平引导线布置在型腔(5)四周，且相邻两层多弯曲适形冷却内流道(2)之间通过竖直管道连通。
3.根据权利要求1所述的一种面向高温电弧增材制造的模具多弯曲适形冷却内流道，其特征在于，所述横截面的形状设计为上部三角形与下部圆弧形相接的水滴形。
4.根据权利要求1所述的一种面向高温电弧增材制造的模具多弯曲适形冷却内流道，其特征在于，所述横截面与引导线保持90°固定角度。
5.根据权利要求1所述的一种面向高温电弧增材制造的模具多弯曲适形冷却内流道，其特征在于，所述横截面顶部的夹角在30°～90°之内。
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