CN110576182A - 一种随形冷却模具的复合增材制造方法 - Google Patents

一种随形冷却模具的复合增材制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种随形冷却模具的复合增材制造方法，属于增材制造领域。本发明在复杂空腔结构制造过程中，采用管材作为支撑条件，首先在锻造基材上数控加工与冷却管路外径相同的圆弧形状并开坡口，将管材放置于槽内并进行焊接定位和固定；然后采用高效率电弧堆焊的方式，沿着与管材轴向垂直方向摆动增材制造中间层材料；最终在堆焊层数控铣削厚的表面采用激光同步送粉工艺成形致密无缺陷的硬化层。本发明采用管材定位支撑方式，可以实现含流道结构的不变位姿直接成形，在大尺寸中间层材料增材制造过程采用堆焊工艺，可以显著提升增材速率。

Description

一种随形冷却模具的复合增材制造方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种随形冷却模具的复合增材制造方法。
背景技术
当前的送粉式增材制造，主要应用于大型结构、薄壁结构等实心零件的近净尺寸成形，因其材料利用率相对较高、成形后机械加工余量小、工艺灵活性高等优势在航空航天等领域应用日趋广泛，且相比于铺粉式增材制造可实现复杂空腔结构成形。但送粉式增材制造增材过程对于无支撑的悬垂面往往无法实现。
现阶段以注塑模具为代表的模具结构对表面质量和冷却性能要求极高，要做到高效率生产，并获得性能优良的注塑制品，必须对模具进行温度调节。模具温度直接影响着注塑制品的质量和生产效率，它主要通过模具的冷却系统来进行适当的控制和调节。传统的冷却水道只能加工成简单的直孔，当注塑件形状复杂时，其冷却效果差，零件变形大。如何在最小周期时间内高效冷却塑料产品，随形冷却是一个很好的解决办法。
随形冷却方式与传统冷却方式的区别在于，其冷却水道的形状随着注塑制品的外形变化，不再是直线状的。这种冷却通道很好地解决了传统冷却水道与模具型腔表面距离不一致的问题，可以使得注塑制品得到均匀的冷却，冷却效率更高。
通过增材制造的随形冷却模具，可以大幅提升注塑模具的加工效率，但增材制造出来的模具表面精度不高，要通过后期的精加工和抛光处理等来获得所需的表面精度。现阶段国外的研究学者还提出了采用复杂变位技术可以实现送粉式增材制造技术直接成形模具空腔结构，但采用这种方式制造的空腔结构往往腔体上臂形状规则性差、内壁不光滑。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足之处，本发明的目的在于提供一种随形冷却模具的复合增材制造方法，该方法依次采用数控铣削、焊接工艺、堆焊、激光同步送粉工艺增材复合，实现随形冷却模具内冷却通道的增材制造，本发明采用等离子束堆焊和同步送粉增材埋管，可以实现不锈钢、铜管等材料在基体上的自由布置，同时可以显著提高模具质量和提升模具的冷却性能。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种随形冷却模具的复合增材制造方法，所述随形冷却模具包括冷却流道，制造过程中，首先在模具基材上加工出与冷却流道结构相适应的槽，槽底置入支撑管，然后采用堆焊工艺填充槽内剩余空间，最后通过激光熔覆工艺在基材表面上制备硬化层。该方法具体包括如下步骤：
(1)基材加工：依据模具要求设计冷却流道结构，在基材上加工出与冷却流道结构相适应的槽，加工的槽底面要保证与支撑管外壁完全贴合；槽的两侧分别开设坡口；开坡口角度要足够，避免自动扫描过程，堆焊的焊枪前端运动过程与零件碰撞；所述模具基材为塑料模具用钢，所述支撑管为不锈钢管或铜管。
(2)焊接定位：将支撑管放入槽底并用夹具固定，然后将管材两侧与基材进行焊接固定；
(3)堆焊填充：采用粉末等离子弧堆焊工艺对槽内空间进行逐层填充，直至所开槽填充完全；采用变形性能好的粉末材料作为填充材料；
(4)激光熔覆工艺：将堆焊层表面铣削平整后，在数控铣削后的表面采用同步送粉式的激光熔覆工艺制备硬化层，需采用高能量输入、低扫描速度、高搭接率的方式保证型面材料的熔合质量。
上述步骤(2)焊接定位过程中，对于复杂的管路需要采用多段管路拼接的焊接方式。焊接过程中尽量避免管材与基体分离，焊接的作用是防止后续堆焊过程管材的翘曲和变形；
上述步骤(3)堆焊填充中，沿着与支撑管轴向垂直方向摆动进行增材制造，以填充铣削加工掉的部分；底层填充采用小的能量输入和送粉量，随着熔覆高度增加逐步提升热输入和送粉量。
上述步骤(3)堆焊填充中，电流80-200A，导电嘴端面与工件距离8-12mm，粉末输送速率为10-40g/min；填充用的粉末材料为316L不锈钢或inconel625。
上述步骤(3)堆焊填充中，堆焊过程中应尽量保证坡口位置的基体熔化，避免出现结合不良等问题，加工起始点应是基材或者已成形部分，尽量保证焊接过程管材熔深少；扫描路径规划应尽量减少在管材外壁连续堆积时间。
上述步骤(4)同步送粉式的激光熔覆工艺中，激光功率1400-2000W，送粉速率7-15g/min，扫描速度为3-6mm/s，搭接率大于50％，保证增材过程粉末的完全熔化，采用惰性气氛保护；硬化层为高硬度材料。
本发明的优点及有益效果是：
1.本发明在复杂空腔结构制造过程中，采用管材作为支撑条件，首先在锻造基材上数控加工与冷却管路外径相同的圆弧形状并开坡口，将管材放置于槽内并进行焊接定位和固定；然后采用高效率电弧堆焊的方式，沿着与管材轴向垂直方向摆动增材制造中间层材料；最终在堆焊层数控铣削后的表面采用激光同步送粉工艺成形致密无缺陷的硬化层。本发明采用管材定位支撑方式，可以实现含流道结构的不变位姿直接成形，在大尺寸中间层材料增材制造过程采用堆焊工艺，可以显著提升增材速率。
2、本发明采用等离子束堆焊和同步送粉激光熔覆复合增材制造方法实现模具内空腔结构(冷却流道)的直接制造；电弧增材制造具备热输入高、热源半径大、金属熔体短程流动等特征，可以实现空腔结构(中层材料)的快速、高的粉末材料利用率堆焊填充，相比于激光同步送粉技术成本和效率显著提升。但堆焊的沉积质量要低于激光同步送粉增材质量。因此本发明采用激光同步送粉增材制造实现模具表层高质量成形。
3.本发明采用等离子束堆焊和同步送粉增材埋管，可以实现不锈钢、铜管等材料在基体上的自由布置，可以显著提升模具的冷却性能。
4.该技术可以为表面冷却性能要求高的模具自由设计和制造提供重要一种的技术途径。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图；
图2为基板加工槽和坡口图；其中：(a)单管空腔结构；(b)双管空腔结构。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
实施例1：
图1为本发明工艺流程示意图，工艺主要包含基板上铣削半圆形槽和坡口、管材的焊接定位、堆焊填充、激光同步送粉增材制造表面层四个工序。
图2为本发明的基板加工槽和坡口图，在基体上采用机械加工出与冷却管道外径同直径的半圆弧，然后在圆弧两侧开坡口。基材材料为预硬化P20锻材。
将不锈钢管或铜管放置于圆弧槽内部，采用夹具定位，然后采用氩弧焊将管材与基体焊接固定。本实施例采用的不锈钢管材为壁厚3mm的316L不锈钢管材。
然后采用等离子弧增材制造以管材为支撑，将空腔结构堆焊填满，堆积材料为316L粉末。等离子弧堆焊工艺起始工艺起弧位置停留一定时间将坡口处基板熔化，起弧位置为远离圆弧外壁的基板位置，扫描方式为垂直于管材中心轴摆动，沿着管材中心轴前进。堆积次序为两侧交替堆积。后续逐步提升功率和送粉速度。堆焊过程中，依据结构特征和堆焊过程热积累，在管材中通循环冷却水，避免管材在较高的热输入条件下焊漏。另外不同堆焊持续之间间隔一定时间以上，使得管材和基体温度均匀。
两侧堆积至堆积层顶部超过管材顶端后，采用同样的方式堆积将两侧连接起来。最终实现了单管材堆积填充。管材下部与铣削部分紧密贴合，管材内壁光滑，无焊漏。为验证复杂结构的堆焊可实现性，在基体上加工间隔29.5mm的双管空腔，也采用上述的方式从管材两侧及中间位置依次堆积，最终连接。
堆焊过程中的工艺参数为：电流80-200A，导电嘴端面与工件距离8-12mm，粉末输送速率为10-40g/min。
堆焊填充后，将堆焊层表面铣削平整后，采用激光同步送粉工艺，在激光功率1600-2000W、扫描速度3-6mm/s，送粉速率10-18g/min，搭接率50％条件下，在表层熔覆马氏体不锈钢。增材过程采用惰性气氛保护，氧含量控制在50-100ppm之间，增材制造过程材料放置于履带式加热器上。同步送粉增材后，采用数控磨削工艺去掉一定厚度，磨削后表面无缺陷。
采用本发明复合增材制造方法制备了随形冷却模具，该方法能够实现无支撑的悬垂面的制造。制造出的模具表面质量高、冷却性能好，生产效率高。

Claims (9)

1.一种随形冷却模具的复合增材制造方法，其特征在于：所述随形冷却模具包括冷却流道，制造过程中，首先在模具基材上加工出与冷却流道结构相适应的槽，槽底置入支撑管，然后采用堆焊工艺填充槽内剩余空间，最后通过激光熔覆工艺在基材表面上制备硬化层。
2.根据权利要求1所述的随形冷却模具的复合增材制造方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
(1)基材加工：依据模具要求设计冷却流道结构，在基材上加工出与冷却流道结构相适应的槽，加工的槽底面要保证与支撑管外壁完全贴合；槽的两侧分别开设坡口；
(2)焊接定位：将支撑管放入槽底并用夹具固定，然后将管材两侧与基材进行焊接固定；
(3)堆焊填充：采用粉末等离子弧堆焊工艺对槽内空间进行逐层填充，直至所开槽填充完全；采用变形性能好的粉末材料作为填充材料；
(4)激光熔覆工艺：将堆焊层表面铣削平整后，在数控铣削后的表面采用同步送粉式的激光熔覆工艺制备硬化层。
3.根据权利要求1所述的随形冷却模具的复合增材制造方法，其特征在于：所述模具基材为塑料模具用钢，所述支撑管为不锈钢管或铜管。
4.根据权利要求2所述的随形冷却模具的复合增材制造方法，其特征在于：步骤(2)焊接定位过程中，对于复杂的管路需要采用多段管路拼接的焊接方式。
5.根据权利要求2所述的随形冷却模具的复合增材制造方法，其特征在于：步骤(3)堆焊填充中，沿着与支撑管轴向垂直方向摆动进行增材制造，以填充铣削加工掉的部分；底层填充采用小的能量输入和送粉量，随着熔覆高度增加逐步提升热输入和送粉量。
6.根据权利要求2或5所述的随形冷却模具的复合增材制造方法，其特征在于：步骤(3)堆焊填充中，电流80-200A，导电嘴端面与工件距离8-12mm，粉末输送速率为10-40g/min；填充用的粉末材料为316L不锈钢或inconel625。
7.根据权利要求2所述的随形冷却模具的复合增材制造方法，其特征在于：步骤(3)堆焊填充中，堆焊过程中应尽量保证坡口位置的基体熔化，发避免出现结合不良问题，加工起始点应是基材或者已成形部分，尽量保证焊接过程管材熔深少；扫描路径规划应尽量减少在管材外壁连续堆积时间。
8.根据权利要求2所述的随形冷却模具的复合增材制造方法，其特征在于：步骤(4)同步送粉式的激光熔覆工艺中，激光功率1400-2000W，送粉速率7-15g/min，扫描速度为3-6mm/s，搭接率大于50％，采用惰性气氛保护。
9.根据权利要求2所述的随形冷却模具的复合增材制造方法，其特征在于：步骤(4)中，硬化层为高硬度材料。
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