CN111715983B - 一种铜/钢复合注塑模具的增材制造方法 - Google Patents

一种铜/钢复合注塑模具的增材制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铜/钢复合注塑模具的增材制造方法，包括如下步骤：以铜/钢复合板作为原始成形材料，先采用渐进成形方法制备铜/钢复合板渐进成形件，再以铜/钢复合板渐进成形件的铜层为基板3D打印铜/钢复合注塑模具的铜基体毛坯件，最后以铜基体毛坯件的钢覆层为基板3D打印铜/钢复合注塑模具的钢强化层。本发明把铜/钢复合板高强度的铜/钢结合界面移植至铜/钢复合注塑模具中，解决了铜/钢复合注塑模具中铜基体与钢强化层难以高强度结合的难题，同时，铜/钢复合注塑模具中铜/钢结合界面轮廓保持和模具型腔曲面相似，钢强化层厚度均匀；整个制造过程为无模成形加工，工艺简单，实现铜/钢复合注塑模具高质量、低成本增材制造。

Description

一种铜/钢复合注塑模具的增材制造方法
技术领域
本发明涉及一种模具制造方法，尤其涉及一种铜/钢复合注塑模具的增材制造方法。
背景技术
一个典型注塑成型零件的制造时间中，塑料注射后的零件冷却时间占据40％左右，这意味着冷却时间对注塑成型零件生产率的影响最大，注塑成型零件的冷却速度进而成为现代注塑模具的重要性能指标，目前主要是通过优化模具结构及模具中的冷却通道来提高冷速。但受制于模具钢本身较差的导热能力，目前钢制注塑模具难以达到很高的冷却速度，生产效率提高幅度有限。同时，现有的钢制模具难以保证注塑件各个部分均匀冷却，容易造成注塑件翘曲、尺寸精度低及表面质量不一致等问题。
由于铜具有极佳的导热性，设计制造铜/钢复合注塑模具，即注塑模的基体采用铜基体，注塑模的型腔表层采用钢强化层，既保证了注塑模具的强度和耐磨性，又使注塑模具有优异的冷却速度和冷却均匀性。但目前的铜/钢复合注塑模具制造存在一个难题：铜基体与钢强化层难以形成高强度的结合。一个主要原因在于铜与钢两者之间存在很大的物理性质与化学性质差异，铜/钢异种材料熔化焊或钎焊的界面结合强度低、残余应力大，且容易在熔化焊焊缝或熔合区产生热裂纹。长期以来，铜与钢异种材料的焊接一直是焊接领域的难题。在铜/钢复合注塑模具中，铜/钢结合界面轮廓只有保持和模具型腔曲面相似才能保证钢强化层厚度均匀，进而保证模具型腔各处导热的快速性和均匀性。但铜/钢结合界面轮廓保持和模具型腔曲面相似意味着铜/钢结合界面也为复杂的空间曲面，要实现其高强度结合，难度更大，主要表现在连接工艺难度大且容易出现未焊合、局部接合界面开裂等连接缺陷。如果铜/钢复合注塑模具中铜/钢结合界面采用平面结合，可大大降低结合难度，但平面结合对应的钢强化层厚度很不均匀，不利于导热的快速性和均匀性。
因此，在铜/钢结合界面的轮廓保持和模具型腔曲面相似的基础上，实现铜/钢结合界面的高强度结合是制造高质量铜/钢复合注塑模具的关键。
3D打印制造注塑模具属于一种增材制造方法，不需要传统的模具准备过程，大大加快了产品的开发周期；其次，用3D打印制造注塑模具可打印出随形冷却通道，优化注塑模具的冷却性能。但无论是采用何种3D打印方法，要打印制造铜/钢复合结构注塑模具均需解决铜与钢异质材料界面高强度结合的问题，让铜与钢在打印过程中直接以熔焊方式结合，铜/钢界面结合强度难以满足要求。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种铜/钢复合注塑模具的增材制造方法，在铜/钢结合界面的轮廓保持和模具型腔曲面相似的基础上，实现铜/钢结合界面的高强度结合。
技术方案：本发明包括以下步骤：
步骤1：以铜/钢复合板为原始材料制备铜/钢复合板渐进成形件；
步骤2：以铜/钢复合板渐进成形件的铜层为基板，3D打印铜/钢复合注塑模具的铜基体，制备出铜/钢复合注塑模具的铜基体毛坯件；
步骤3：以铜基体毛坯件的钢覆层为基板，3D打印铜/钢复合注塑模具的钢强化层，制备出铜/钢复合注塑模具毛坯件；
步骤4：对铜/钢复合注塑模具毛坯件进行机械加工。
所述的铜/钢复合板由铜层和钢层叠加复合形成。
所述铜/钢复合注塑模具的凹模在制造时，所述铜/钢复合板渐进成形件的凹面为钢层，凸面为铜层，凹面的曲面形状为凹模的型腔曲面及分型面减去钢强化层后对应的曲面形状；制造铜/钢复合注塑模具的凸模时，所述铜/钢复合板渐进成形件的凸面为钢层，凹面为铜层，凸面的曲面形状为凸模的型腔曲面及分型面减去钢强化层后对应的曲面形状。
所述的铜基体毛坯件中打印有随形冷却通道。
所述的铜基体采用电弧3D打印成形，并以铜/钢复合板渐进成形件的铜层曲面为电弧3D打印的起始面。
所述的电弧3D打印的焊接方法采用冷金属过渡MIG焊或填丝TIG焊或填丝等离子弧焊。
所述的铜基体在电弧3D打印过程中，通过焊接夹具夹紧铜/钢复合板渐进成形件，并通过设置于铜/钢复合板渐进成形件的钢层下方的喷水管对铜/钢复合板渐进成形件进行喷水水冷。
所述的钢强化层采用电弧3D打印成形，以铜基体毛坯件的钢覆层曲面为电弧3D打印起始面，以铜/钢复合注塑模具凹模或凸模的型腔曲面及分型面为电弧3D打印结束面。
有益效果：本发明具有以下优点：
(1)把铜/钢复合板中的铜/钢高强度结合界面移植至铜/钢复合注塑模具中，解决了铜/钢复合注塑模具的铜基体与钢强化层难以实现高强度结合的难题；
(2)采用渐进成形方法加工铜/钢复合板渐进成形件，无需模具的条件下实现铜/钢复合注塑模具中铜/钢结合界面轮廓和模具的型腔轮廓相似，确保了钢强化层厚度均匀；
(3)以铜/钢复合板渐进成形件为基板电弧3D打印铜/钢复合注塑模具，省去了电弧3D打印后基板的去除问题；
(4)便于在铜/钢复合注塑模具的铜基体中打印出随形冷却通道，使本身具有良好冷却速度和冷却均匀性的铜/钢复合注塑模具进一步提高了其冷却速度和冷却均匀性。
附图说明
图1是本发明的铜/钢复合注塑模具制造流程图；
图2是本发明的铜/钢复合注塑模具示意图；
图3是本发明的铜/钢复合板示意图；
图4是本发明的铜/钢复合板渐进成形件示意图；
图5是本发明铜/钢复合注塑模具凹模的铜基体打印过程喷水冷却示意图；
图6是本发明铜/钢复合注塑模具凹模的铜基体毛坯件示意图；
图7是本发明铜/钢复合注塑模具的凹模毛坯件示意图。
图8是本发明铜/钢复合注塑模具的凹模成品示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明提供一种基于复合板渐进成形技术的铜/钢复合注塑模具的增材制造方法，制造流程如图1所示，实现铜/钢复合注塑模具中铜/钢结合界面的高强度结合，同时也使铜/钢结合界面的轮廓保持和模具型腔曲面相似。
本发明采用铜/钢界面结合强度接近或超过铜母材的铜/钢复合板作为原始成形材料来解决铜/钢复合注塑模具制造中铜基体与钢强化层难以形成高强度界面结合的难题。采用铜/钢复合板作为原始成形材料使铜/钢复合板高强度的铜/钢结合界面成为铜/钢复合注塑模具中铜基体与钢强化层的铜/钢结合界面，相当于把铜/钢复合板高强度的铜/钢结合界面移植至铜/钢复合注塑模具中，从而解决铜/钢复合注塑模具中铜与钢难以形成高强度结合的难题。
渐进成形方法是一种先进的无模成形技术，采用渐进成形方法加工铜/钢复合板无需模具。首先以铜/钢复合板作为原始成形材料制备出铜/钢复合板渐进成形件后，再分两步3D打印铜/钢复合注塑模具，第一步以铜/钢复合板渐进成形件的铜层为基板3D打印铜/钢复合注塑模具的铜基体，打印过程中，铜/钢复合板渐进成形件的铜层与打印层熔合，成为铜基体的一部分，而铜/钢复合板渐进成形件的钢层则成为铜基体的钢覆层；第二步以铜基体的钢覆层为基板3D打印铜/钢复合注塑模具的钢强化层。
通过采用渐进成形方法，使铜/钢复合板高强度的铜/钢结合界面以相似于模具型腔曲面的形状移植至铜/钢复合注塑模具中。
如图2所示，本实施例的铜/钢复合注塑模具1包括凹模2和凸模3。采用的铜/钢复合板4为铜/钢爆炸复合板，其铜层5材质为T2纯铜，钢层6材质为Q235B低碳钢，铜层5和钢层6通过爆炸焊方法形成高强度的铜/钢结合界面7，铜/钢复合板4板厚2.5～4.5mm，其中铜层5厚1.5～3.5mm，钢层6厚1.0～2.0mm。铜/钢复合注塑模具1的铜基体8优选高效率的冷金属过渡MIG焊电弧3D打印成形，冷金属过渡MIG焊焊丝优选S201特制紫铜焊丝，铜/钢复合注塑模具1的钢强化层9优选填丝等离子弧焊电弧3D打印成形，填丝等离子弧焊焊丝优选718模具钢焊丝，钢强化层9厚5～20mm。
(一)制造铜/钢复合注塑模具1的凹模2，包括以下步骤：
步骤1，建立凹模2对应的铜/钢复合板渐进成形件10的三维数字模型：铜/钢复合板渐进成形件10三维数字模型中凹面的曲面形状为凹模2的型腔曲面11及分型面12减去凹模2的钢强化层9后对应的曲面形状。
步骤2，制备凹模2对应的铜/钢复合板渐进成形件10：以铜/钢复合板4为原始成形材料，如图3所示，铜/钢复合板4由铜层5和钢层6通过爆炸焊复合而成，形成结合强度很高的铜/钢结合界面7；依据铜/钢复合板渐进成形件10的三维数字模型，采用渐进成形方法制备铜/钢复合板渐进成形件10；所制备的铜/钢复合板渐进成形件10中，钢层6处于凹面，铜层5处于凸面，如图4所示，铜/钢复合板渐进成形件10凹面的曲面形状为凹模2的型腔曲面11及分型面12减去凹模2的钢强化层9后对应的曲面形状。
步骤3，建立凹模2的铜基体8的电弧3D打印三维数字模型：以铜/钢复合板渐进成形件10凸面的曲面为电弧3D打印起始面，建立凹模2的铜基体8的电弧3D打印三维数字模型，三维数字模型中设计有随形冷却通道13。
步骤4，电弧3D打印制备凹模2的铜基体8：依据凹模2的铜基体8的电弧3D打印三维数字模型，以铜/钢复合板渐进成形件10的铜层5为基板，电弧3D打印凹模2的铜基体8，电弧3D打印前，把铜/钢复合板渐进成形件10的铜层5表面打磨至露出金属光泽并用酒精擦拭。在电弧3D打印过程中，铜/钢复合板渐进成形件10的铜层5和打印层熔合，成为铜基体8的一部分。打印完毕后，制备出凹模的铜基体毛坯件14，如图6所示，铜/钢复合板渐进成形件10的钢层6成为铜基体毛坯件14的钢覆层15，同时，铜基体毛坯件14中打印有的随形冷却通道13。
为了降低铜/钢复合板渐进成形件10铜层5中的焊道熔深，确保焊道熔深不超过铜层5厚度的三分之二，同时降低焊接应力、减小焊接变形，在电弧3D打印铜基体8的过程中对铜/钢复合板渐进成形件10进行喷水冷却和冷铁吸热冷却，如图5所示，在铜/钢复合板渐进成形件10的钢层6下方设置多个喷水管16和冷铁17，在电弧3D打印过程中，喷水管16和冷铁17同时对铜/钢复合板渐进成形件10进行喷水水冷和吸热冷却。为了固定铜/钢复合板渐进成形件10，并进一步减小焊接变形，在铜/钢复合板渐进成形件10四周设有多个焊接夹具18，电弧3D打印铜基体8的过程中采用焊接夹具18夹紧铜/钢复合板渐进成形件10，如图5所示。
步骤5，建立凹模2的钢强化层9的电弧3D打印三维数字模型：以铜基体毛坯件14的钢覆层15的曲面为电弧3D打印起始面，以凹模2的型腔曲面11及分型面12为电弧3D打印结束面，建立凹模2的钢强化层9的电弧3D打印三维数字模型。
步骤6，在铜基体毛坯件14的钢覆层15上电弧3D打印凹模2的钢强化层9：依据凹模2中钢强化层9的电弧3D打印三维数字模型，以铜基体毛坯件14的钢覆层15为基板，电弧3D打印凹模2的钢强化层9，打印结束后，制备出完整的凹模毛坯件19，如图7所示；铜/钢复合板4的铜/钢结合界面7移植至凹模毛坯件19中，成为铜基体8与钢强化层9之间的铜/钢结合界面。
电弧3D打印钢强化层9前，用砂纸把钢覆层15表面打磨至露出金属光泽并用酒精擦拭，打印过程中在铜基体毛坯件14的随形冷却通道13中通冷却水冷却，以降低钢覆层15中的焊道熔深，确保焊道熔深不超过钢覆层15厚度的三分之二，同时降低焊接应力、减小焊接变形。
步骤7，对凹模毛坯件19进行消应力退火处理：凹模毛坯件19在500～600℃温度下保温2h，消除电弧3D打印过程产生的残余应力。
步骤8，建立凹模毛坯件19机械加工的三维数字模型：依据凹模2的轮廓尺寸建立凹模毛坯件19的机械加工三维数字模型。
步骤9，对凹模毛坯件19进行机械加工：依据步凹模毛坯件19的机械加工三维数字模型对消应力处理后的凹模毛坯件19进行机械加工，获得凹模2成品，如图8所示。
(二)制造铜/钢复合注塑模具1的凸模3：
制造铜/钢复合注塑模具1的凸模3的步骤和制造铜/钢复合注塑模具1的凹模2的步骤相同，在此不作重复描述。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
上述仅为本发明的优选实施例，本发明并不仅限于实施例的内容。对于本领域中的技术人员来说，在本发明的技术方案范围内可以有各种变化和更改，所作的任何变化和更改，均在本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种铜/钢复合注塑模具的增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：以铜/钢复合板(4)为原始材料制备铜/钢复合板渐进成形件；
步骤2：以铜/钢复合板渐进成形件的铜层(5)为基板，3D打印铜/钢复合注塑模具(1)的铜基体(8)，制备出铜/钢复合注塑模具(1)的铜基体毛坯件，所述铜/钢复合注塑模具(1)的凹模(2)在制造时，所述铜/钢复合板渐进成形件的凹面为钢层(6)，凸面为铜层(5)，凹面的曲面形状为凹模(2)的型腔曲面(11)及分型面(12)减去钢强化层(9)后对应的曲面形状；制造铜/钢复合注塑模具(1)的凸模(3)时，所述铜/钢复合板渐进成形件的凸面为钢层(6)，凹面为铜层(5)，凸面的曲面形状为凸模(3)的型腔曲面(11)及分型面(12)减去钢强化层(9)后对应的曲面形状；
步骤3：以铜基体毛坯件的钢覆层为基板，3D打印铜/钢复合注塑模具(1)的钢强化层(9)，制备出铜/钢复合注塑模具毛坯件；
步骤4：对铜/钢复合注塑模具毛坯件进行机械加工。
2.根据权利要求1所述的一种铜/钢复合注塑模具的增材制造方法，其特征在于，所述的铜/钢复合板(4)由铜层(5)和钢层(6)叠加复合形成。
3.根据权利要求1所述的一种铜/钢复合注塑模具的增材制造方法，其特征在于，所述的铜基体毛坯件中打印有随形冷却通道(13)。
4.根据权利要求1所述的一种铜/钢复合注塑模具的增材制造方法，其特征在于，所述的铜基体(8)采用电弧3D打印成形，并以铜/钢复合板渐进成形件的铜层(5)的曲面为电弧3D打印的起始面。
5.根据权利要求4所述的一种铜/钢复合注塑模具的增材制造方法，其特征在于，所述的电弧3D打印的焊接方法采用冷金属过渡MIG焊或填丝TIG焊或填丝等离子弧焊。
6.根据权利要求1或4所述的一种铜/钢复合注塑模具的增材制造方法，其特征在于，所述的铜基体(8)在电弧3D打印过程中，通过焊接夹具(18)夹紧铜/钢复合板渐进成形件，并通过设置于铜/钢复合板渐进成形件的钢层(6)下方的喷水管(16)对铜/钢复合板渐进成形件进行喷水水冷。
7.根据权利要求1所述的一种铜/钢复合注塑模具的增材制造方法，其特征在于，所述的钢强化层(9)采用电弧3D打印成形，以铜基体毛坯件的钢覆层的曲面为电弧3D打印起始面，以铜/钢复合注塑模具(1)的凹模(2)或凸模(3)的型腔曲面(11)及分型面(12)为电弧3D打印结束面。
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