CN113084175B - 模具复合层材料制备方法及随型冷却模具 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模具复合层材料制备方法及随型冷却模具，其中模具复合层材料制备方法包括：采用普通材料的料块或铸造形成模具基材；加工获得增材制造基准面；在所述增材制造基准面上利用增材制造方式获得合金复合层。本发明提供的模具复合层材料制备方法及随型冷却模具，有效地利用增材制造方式，将合金复合层设置在模具型腔部分，既能使模具材料具备耐热、抗疲劳等特性，复合使用需求，又能减少昂贵材料的用量，降低生产成本。

Description

模具复合层材料制备方法及随型冷却模具

技术领域

本发明涉及产品加工技术领域，尤其涉及一种模具复合层材料制备方法及随型冷却模具。

背景技术

对于塑料模具、压铸模具等压铸类模具，产品在热溶化状态注入模具型腔，需要保压、冷却凝固成形。随着汽车轻量化的发展，车身结构件大量采用高强板热冲压工艺，硼钢钢板加热到980℃，金相组织为奥式体，在模具中成型并淬火，金相组织转变为马式体，且需要转换率大于95％以上，零件结构强度可以达到1500MP。这些模具的型腔部分工作条件恶劣，故模具材料必须具备耐热、抗热疲劳等特性，必须使用价格昂贵的材料，但模具其它部分并没有这么高的要求，完全可以采用普通材料。为此，当前主要采用镶块结构，只在模具型腔部分采用昂贵材料，但仍存在着模具结构复杂，材料浪费严重，加工工作量大，生产周期长的问题。

塑料模具、压铸模具等一般都要设置冷却系统，确保零件凝固成型，提高生产效率；高强板热冲压成型也必须有冷却系统，确保硼钢材料充分相变最好能够均匀相变。好的冷却系统应该能最大限度地实现均匀冷却，可以减小零件内的应力集中，防止翘曲变形，确保尺寸精度，并可缩短生产周期，从而提高生产效率。常规上，冷却水道通常采用机加工方法，在模具或模板上钻孔或铣槽，一般模具型腔为曲面，很复杂，采用常规的机加工方法很难做到水道与型腔基本随型，造成型腔中出现冷区或热区，致使零件各部位冷却速度不均匀，产生变形。如果新的工艺方法能够使冷却水道能够根据模具型腔随型任意布置，将非常有利于冷却系统的优化设计，获得更好的产品质量。工业界已经有很多种发明用于随型水道的制作，部分现有技术中采用背部挖槽、镶块封堵的办法生成随型水道，破环了模具结构，工作量很大；部分现有技术中采用镶块，外加热涂敷层的办法，有一定的参考意义，但工业化、标准化程度不高。还有部分现有技术中采用3D打印水道作为预埋件，成本比较高，只用于铸造模具本体，限制其实用性。业界也有采用选区激光3D打印的方式生产随型水道的模具或镶块，但其成本昂贵，无法用真实的模具材料打印也限制了应用。

发明内容

本发明提供一种模具复合层材料制备方法及随型冷却模具，用以解决现有技术中模具生产成本高及无法真正实现随行冷却水道制造的问题。

本发明提供一种模具复合层材料制备方法，包括：

采用普通材料的料块作为模具基材或铸造形成模具基材；

加工获得增材制造基准面；

在所述增材制造基准面上利用增材制造工艺获得合金复合层。

根据本发明提供的一种模具复合层材料制备方法，所述采用普通材料的料块或铸造形成模具基材之后还包括：

在所述模具基材上挖设冷却水道沟槽，在所述冷却水道沟槽内铺设水道支撑件，并填埋所述水道支撑件外侧形成随型冷却水道。

根据本发明提供的一种模具复合层材料制备方法，所述随型冷却水道与传统钻孔制造的连接水道相结合，形成模具冷却水道体系。

根据本发明提供的一种模具复合层材料制备方法，所述水道支撑件外侧通过增材制造方式或低熔点合金灌注方式填埋。

根据本发明提供的一种模具复合层材料制备方法，所述合复合金层由所述增材制造基准面向外沿厚度方向合金含量梯度递增，并由所述增材制造基准面向外依次形成结合层、过渡层和合金层。

根据本发明提供的一种模具复合层材料制备方法，所述增材制造基准面位于所述模具基材上的模具功能要求部分，并向非模具功能要求部分延伸3-5mm，所述增材制造基准面的各位置至模具的最终成型表面等距3-6mm，且根据最终成型表面经简化，适合于增材制造工艺。

根据本发明提供的一种模具复合层材料制备方法，所述增材制造基准面为内凹的圆弧面，所述合金复合层的厚度方向沿所述增材制造基准面的径向。

本发明还提供一种随型冷却模具，包括模具基材，所述模具基材上设置有增材制造基准面，所述增材制造基准面上设置有合金复合层，所述模具基材内设置有冷却水道沟槽，所述冷却水道沟槽内铺设有水道支撑件，所述水道支撑件与所述合金复合层之间设置有填埋层。

根据本发明提供的一种随型冷却模具，所述水道支撑件为螺纹管、波纹管、螺纹半管、波纹半管或柔性半管。

根据本发明提供的一种随型冷却模具，还包括：多个预制的转接头，所述转接头角度差为定值且转弯角介于90°-120°，所述转接头用于形成所述冷却水道沟槽的转角支撑。

本发明提供的模具复合层材料制备方法及随型冷却模具，有效地利用增材制造方式，将合金复合层设置在模具有特殊性功能要求部分，既能使模具材料具备耐热、抗疲劳等特性，复合使用需求，又能减少昂贵材料的用量，降低生产成本。

本发明将模具制造的原材料制备做了新的定义，将模具基材加工或铸造以及增材制造基面、增材制造，甚至随形水道铺设填埋等统统归类在原材料制备阶段，能有效地消除增材制造热变形对模具制造的影响。

随型冷却水道的制造能够与CNC加工、增材制造实现数模一体化，方便实现随型冷却水道制造的标准化；随型冷却水道通过挖设沟槽，铺设水道支撑件并填埋水道支撑件外侧的方式获得，此种工艺方法能够使冷却水道根据模具型腔的形状随型任意布置，非常有利于冷却系统的优化设计，获得更好的产品质量。并且，此种随型冷却水道的成型工艺可以与常规钻孔方式组合使用，形成基于增材制造的完整的随型冷却水道制造工艺路线。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的随型冷却模具中模具基材与合金复合层连接关系的示意图；

图2是本发明提供的随型冷却模具中合金复合层结构示意图；

图3是举例冲裁模具中的合金复合层的结构示意图；

图4是举例塑料或压铸模具窄槽等细节结构在增材制造基准面设计时的处理方式示意图；

图5是本发明提供的随型冷却模具的俯视图；

图6是图5中的A-A剖面图；

图7是图5中的B-B剖面图；

图8是图7中的局部放大图；

图9是水道支撑件的安装结构示意图；

图10是柔性半管的结构示意图；

图11是波纹管结构示意图；

图12是螺纹管结构示意图；

图13是本发明提供的随型冷却模具中的模具基材的整体结构示意图；

图14是图13中C处放大图；

图15是转接头的安装结构示意图；

图16水道支撑件内冷却水流的湍流示意图。

附图标记：

1、模具基材； 11、最终成型表面； 12、增材制造基准面；

2、合金复合层； 21、结合层； 22、过渡层；

23、合金层； 3、随型冷却水道； 4、填埋层；

5、水道支撑件； 51、螺纹管； 52、波纹管；

6、柔性半管； 7、冷却水道沟槽； 8、台阶；

9、连接水道； 10、转接头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

下面结合图1和图2描述本发明实施例的模具复合层材料制备方法，其包括：

S100、采用普通材料的料块作为模具基材或铸造形成模具基材1。

可通过普通、便宜的料块材料进行数控加工或通过消失模铸造的方式获得模具基材1，普通材料为例如20～35#钢坯或铸钢，45#钢等常规普通用钢，或HT250，300铸铁等。该模具基材1生产成本较低、易于获得，能够满足模具上非功能要求部分的使用需求。

S200、加工获得增材制造基准面12。

增材制造基准面12根据最终模具型腔的形状经简化设计而成，目标是在满足增材制造工艺的基础上尽量节约增材制造的工作量，并在模具基材1上通过数控加工等常用形式加工获得，增材制造基准面12与模具的最终成型表面11之间预留将来增材制造模具合金复合层2的间隔。增材制造基准面12覆盖模具基材1上具有温度、抗疲劳性、强度、耐摩擦等特殊要求的等有模具功能要求部分。

可选的，增材制造基准面12位于模具基材1上的模具功能要求部分，并向非模具型腔部分延伸3-5mm，增材制造基准面12的各位置至模具的最终成型表面11等距3-6mm，且根据最终成型表面经简化，适合于增材制造工艺。

S300、在增材制造基准面12上利用增材制造工艺获得合金复合层2。

合金复合层2构成模具的功能要求部分，适于满足模具功能要求部分的耐热、抗疲劳等特性。获得合金复合层2时，应当确保合金复合层2超出最终成型表面11，不得有亏料现象发生。故，实际生产中可用整体3D扫描进行模型对比避免亏料，或对合金复合层2表面作简单的粗加工或半精加工。

结合图3，在本发明一个实施例中，增材制造基准面12为内凹的圆弧面，增材制造基准面12可以通过数控加工的方式获得，合金复合层2的厚度方向沿增材制造基准面12的径向。此种加工方式可适用于冲裁模具的成型，合金复合层2即为冲裁模具的刃口部分。

结合图4，为举例说明塑料、压铸等模具存在的窄槽等细节结构的应用情况，示例性说明增材基准面12是在模具的最终成型表面11的基础上进行外形简化设计，以便适合增材制造过程的需要。在进行具有窄槽等细节结构的模具成型时，可在模具基材1上预留窄槽位置，而进行增材时可直接使合金复合层2覆盖窄槽位置，再通过数控加工的方式去除窄槽位置多余的合金复合层2，形成模具的最终成型表面11。

结合图5至图15，在本发明一个实施例中，步骤S100之后还包括：

S110、在模具基材1上挖设冷却水道沟槽7，在冷却水道沟槽7内铺设水道支撑件5，并填埋水道支撑件5外侧形成随型冷却水道3。

冷却水道沟槽7根据模具型腔表面的形状通过球形刀加工获得，冷却水道沟槽7的底部截面呈半圆形，水道支撑件5铺设在冷却水道沟槽7内后构成液体的通道。水道支撑件5可通过分段点焊的方式使其贴合模具基材1。填埋水道支撑件5外侧后即可形成随型冷却水道3。

可选的，随型冷却水道3与传统钻孔制造的连接水道9相结合，形成模具冷却水道体系，传统钻孔即通过机械加工的形式形成的直孔。在冷却水道体系制造过程中，能够采用传统方式钻孔形成冷却水道的情况，尽量采用传统方式。故，局部的直通水道、垂直、横向连通水道等均采用钻孔方式完成。特别是本发明使得垂直的直通水道可以从模具的上方钻孔加工，并与模具数控加工融为一个整体，标准化程度高，且非常方便。随型冷却水道3与传统钻孔制造相结合，能够简化生产工艺，降低生产成本。

水道支撑件5外侧可以通过增材制造方式填埋，也可以采用低熔点金属灌注的方式填埋。

在本发明一个实施例中，模具复合层材料制备方法还包括：预埋式冷却水道制作方法还包括：按照冷却水道标准直径系列预制标准化的水道支撑件5和转接头10。模具制作埋设随型冷却水道3时，根据随型冷却水道3的直径需求直接选取水道支撑件5，按照中心线长度截取相应长度，压入冷却水道沟槽7内，点焊定位。如果转角半径小于水道支撑件5的最小弯曲半径时，需要分段拼接完成，转角处可选取转接头10。

可选的，转接头10可以预制角度差为定值且转弯角介于90°-120°的多个标准件，将转接头10用作随型冷却水道3的转角支撑。在预制转接头10的过程中，可将角度差值定为10°，制作不同角度的转接头10，并且，也可根据随型冷却水道3的直径需求不同预制不同直径尺寸的转接头10。布置水道支撑件5时，可按照内径要求选取，并按照中心线长度截取后将转接头10设置在转角位置，通过转接头10连接转角两侧的水道支撑件5。转接头10主要应用在小于水道支撑件5弯曲半径的转角位置。在本发明一个实施例中，由增材制造基准面12向外，合金复合层2沿厚度方向合金含量梯度递增，并由增材制造基准面12向外依次形成结合层21、过渡层22和合金层23。根据模具的结构不同，过渡层22的厚度可进行调整，并且在局部区域厚度也可以为0。而结合层21和合金层23的尺寸相对固定，且结合层21的厚度介于1-2mm之间，合金层23的厚度介于3-6mm之间。由此，能够实现所需强度的梯度变化，并确保合金复合层2与模具基材1的结合强度。

下面对本发明提供的随型冷却模具进行描述，下文描述的随型冷却模具与上文描述的模具复合层材料制备方法可相互对应参照。

在本发明一个实施例中随型冷却模具包括模具基材1，模具基材1上设置有增材制造基准面12，增材制造基准面12上设置有合金复合层2，模具基材1内设置有冷却水道沟槽7，冷却水道沟槽7内铺设有水道支撑件5，水道支撑件5与合金复合层2之间设置有填埋层4，该填埋层4可通过增材制造方式或低熔点合金灌注方式获得。

冷却水道沟槽7按照模具冷却水道优化设计后的位置与深度开设，冷却水道沟槽7可与传统钻孔制造的连接水道9相结合形成模具冷却水道体系。

可选的，水道支撑件5在转角位置连接有转接头10。

可选的，水道支撑件5为螺纹管51、波纹管52、柔性管、螺纹半管、波纹半管或柔性半管6。当水道支撑件5为螺纹管51、波纹管52或柔性管时，水道支撑件5底端的形状与水道支撑件5的形状相同，水道支撑件5放置在冷却水道沟槽7内，水道支撑件5的一侧与冷却水道沟槽7的底端贴合。当水道支撑件5为柔性半管6时，可在冷却水道沟槽7底端设置台阶8，并使冷却水道沟槽7底端的直径与水道支撑件5的直径相同，冷却水道沟槽7底端的台阶8与水道支撑件5贴合，对水道支撑件5形成支撑。当水道支撑件5为螺纹管51或波纹管52时，可以增加冷却水流动时的湍流(见图16)，提高冷却效果。

当填埋层4通过增材制造方式获得时，水道支撑件5的壁厚不小于1.0mm，避免在上部增材制造时水道支撑件5发生塌漏情况；当填埋层4通过低熔点合金灌注方式获得时，水道支撑件5的壁厚可小于1mm。

可选的，随型冷却模具还包括：多个预制的转接头10，转接头10角度差为定值且转弯角介于90°-120°，转接头10用于形成随行水道在冷却水道沟槽的转角位置的支撑。转接头10可以采用10°的角度差形成系列，并且也可根据水道支撑件5的选用需求相应的采用半管或全管结构。转接头10可作为备用件，当冷却水道沟槽7的转角半径小于水道支撑件5的最小弯曲半径时取用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种随型冷却模具，其特征在于，包括模具基材，所述模具基材上设置有增材制造基准面，所述增材制造基准面上设置有合金复合层，所述模具基材内设置有冷却水道沟槽，所述冷却水道沟槽内铺设有水道支撑件，所述水道支撑件与所述合金复合层之间设置有填埋层；

所述水道支撑件为螺纹半管或波纹半管；所述冷却水道沟槽底端设置有台阶，且所述冷却水道沟槽底端的直径与所述水道支撑件的直径相同，所述冷却水道沟槽底端的所述台阶与所述水道支撑件贴合，对所述水道支撑件形成支撑；

所述增材制造基准面位于所述模具基材上的模具功能要求部分，并向非模具功能要求部分延伸3-5mm，所述增材制造基准面的各位置至模具的最终成型表面等距3-6mm，且根据最终成型表面经简化，适合于增材制造工艺；

所述随型冷却模具还包括：多个预制的转接头，所述转接头角度差为定值且转弯角介于90°-120°，所述转接头用于形成所述冷却水道沟槽的转角支撑；

所述模具基材的模具复合层材料制备方法包括：

采用普通材料的料块作为模具基材或铸造形成模具基材；

加工获得增材制造基准面；

在所述增材制造基准面上利用增材制造工艺获得合金复合层。

2.根据权利要求1所述的随型冷却模具，其特征在于，所述采用普通材料的料块或铸造形成模具基材之后还包括：

在所述模具基材上挖设冷却水道沟槽，在所述冷却水道沟槽内铺设水道支撑件，并填埋所述水道支撑件外侧形成随型冷却水道。

3.根据权利要求2所述的随型冷却模具，其特征在于，所述随型冷却水道与传统钻孔制造的连接水道相结合，形成模具冷却水道体系。

4.根据权利要求2所述的随型冷却模具，其特征在于，所述水道支撑件外侧通过增材制造方式或低熔点合金灌注方式填埋。

5.根据权利要求2所述的随型冷却模具，其特征在于，

所述增材制造基准面为内凹的圆弧面，所述合金复合层的厚度方向沿所述增材制造基准面的径向，以形成冲裁模具的刃口部分。

6.根据权利要求1所述的随型冷却模具，其特征在于，所述合金复合层由所述增材制造基准面向外沿厚度方向合金含量梯度递增，并由所述增材制造基准面向外依次形成结合层、过渡层和合金层。

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