CN114701100B - 一种适应智能化制造的精密深腔型产品注塑模具的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适应智能化制造的深腔型产品注塑模具的制造方法，模具采用五层结构设计，从上到下依次为型腔表面层、第一导热层、随形冷却层、第二导热层和加热基体层；其中型腔表面层材料选用12Cr13，厚度为4mm‑7mm，随形冷却层采用纯铜制造，加热基体层采用40Cr制造；导热层为至少可长时耐受200℃的导热凝胶；五层之间采用螺栓固定。本发明无脱模斜度，尺寸精度高、无需脱模剂、无料把、合格率高、适用性好。

Description

一种适应智能化制造的精密深腔型产品注塑模具的制造方法

技术领域

本发明涉及一种注塑模具的制造方法，尤其涉及一种适应智能化制造的精密深腔型产品注塑模具的制造方法。

背景技术

航天航空技术的发展是衡量一个国家科技实力和经济实力的标准，我国综合国力的显著提高也迫切要求着发展与我国实力相称的航天航空技术，这是历史发展的必然趋势，更是科技时代下的必然选择。航天产品由于使用环境及工作条件严苛，导致其对各零部件材料的要求较高；同时由于航天的高风险性，要求各零部件具有稳定的质量特性；同时还需要各零部件具有较高的尺寸精度及尽可能轻的重量。

本发明针对的是航天工业骨干企业的航天电池外壳壳体（深腔型注塑产品），该电池用于航天领域，其制造工艺流程为：电池壳体、电池盖的注塑成型→阴/阳极电芯的装配（电池外部还需要镶嵌接线柱、PCB电路板、精密微型电子元器件电池盖等）→电解液的灌装→壳体、电池盖的粘接→检测。同时，该电池的使用环境严酷，需承受一定的工作温度、压力。因此，此深腔型电池壳体应达到如下性能：

（1）重量尽可能轻；

（2）具有一定的透明度，能够观察装配、工作状态；

（3）型腔尺寸精度尽可能高，提高电芯装配的可靠性；

（4）需耐电解液；

（5）需耐严苛的使用环境、工作条件等；

（6）注塑机表面尽可能洁净，以满足粘接工序的要求。

要达到这些性能，所选材料为高粘度、结晶性塑料。由于所选材料熔体黏度大、结晶性高，注塑加工时所需注塑成形压力大，冷却定型时对模具动模型芯包紧力也很大，制品生产过程中脱模困难。为保证制品顺利脱模，按照航空行业标准，所选材料常规模具动模型芯脱模斜度为不低于1°。而该领域现有的常规注塑成形用模具的脱模斜度都大于1°，且生产过程中需要喷涂大量的脱模剂。但脱模斜度的设计明显会增加产品重量，降低型腔尺寸精度，严重时会导致电芯的装配不可靠，脱模剂的使用也会大大增加后续粘接工序的质量风险。

因此随着我国航天技术的持续发展，航空领域对制品的质量、性能及产品更新换代提出的更高要求，对于不适用采用常规注塑成型方法的高技术要求产品，则需要开发一种精密注塑成型模具制造技术，如本发明所针对的高装配精度要求的航天电池用深腔型注塑外壳产品，就需要开发一类精密注塑模具。精密注塑模具制造技术在航天航空中的应用能够提升航天产品的性能和质量，并提升航天产品装配过程的效率。

2019年10月国家发改委颁发《产业结构调整指导目录》(2019年本)，将“精密模具（冲压模精度≤0.02毫米，型腔模精度≤0.05毫米）”被列为鼓励性行业，而予以优先发展。

经调研，此类深腔型航天电池外壳现有常规注塑模具，均设计了脱模斜度，且在生产过程中容易出现以下问题。

（1）脱模斜度的设计不利于后期与电池芯的精密配合，也不利于控制制品重量。

（2）即使有脱模斜度，在开模时产品还是很容易与后模之间形成真空吸附产生负压，导致在产品的吸附位置容易被拉伤甚至无法出模或变形，这严重影响了产品的尺寸精度与合格率。

（3）为方便脱模，现有注塑工艺的脱模方式需要在动模型芯中喷涂脱模剂，脱模剂的残留对电池粘接工序的可靠性留下隐患，影响制品性能。

（4）现有常规模具的浇注系统为冷流道，一则会形成固有的进胶料把，需要增加切割工序将料把切除，会产生刀痕，影响产品性能的可靠性，而料把的形成也消耗了原材料，造成了极大的人力资源、物力资源浪费，增加了生产成本。

（5）冷流道中熔体温度不受控，导致腔壁各处熔体不均匀，严重时甚至会产生冷料痕等缺陷。

因此，市面上需要一种无脱模斜度，尺寸精度高、无需脱模剂、无料把、合格率高、适用性好的适应智能化制造的精密深腔型产品注塑模具的制造方法。

发明内容

本发明旨在提供一种无脱模斜度，尺寸精度高、无需脱模剂、无料把、合格率高、适用性好的适应智能化制造的精密深腔型产品注塑模具的制造方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种适应智能化制造的精密深腔型产品注塑模具的制造方法，包括以下阶段：

S1：原料准备

①原材料准备：准备足量厚度5mm-8mm的热轧12Cr13板、足量纯铜、足量40Cr、足量可长时耐受200℃的导热凝胶；

S2：智能化设计

①模具采用五层结构设计，从上到下依次为型腔表面层、第一导热层、随形冷却层、第二导热层和加热基体层；其中型腔表面层材料选用12Cr13，厚度为4mm-7mm，随形冷却层采用纯铜制造，加热基体层采用40Cr制造；表面层的型腔工作面轮廓与背面轮廓完全一致；加热基体层上表面与型腔表面轮廓形状相近，其内部按平面区域设置有多个电阻丝区块加热组件，每个组件都是一个回字型的加热回路，所述平面区域具体为一个面与其相邻面高度落差不低于13mm-15mm的单独为一个区块；第一导热层位于所述型腔表面层背面和随形冷却层上表面中间，为至少可长时耐受200℃的导热凝胶，填充在型腔表面层和随形冷却层的间隙中；第二导热层位于随形冷却层下表面与加热基体层上表面中间，为至少可长时耐受200℃的导热凝胶，填充在随形冷却层和加热基体层的间隙中；随形冷却层内设置有冷却通道；五层之间采用螺栓固定；

②对随形冷却层中的冷却通道进行智能化设计，设计基础原理为随形冷却，即与型腔轮廓相适应的管路结构，采用遗传算法获取最优的多点作为每条回路的起点、终点以及转折点，基础参数模板有上下、左右、前后的六个表面和一个加热基体层的内部区域；其中六个表面上的点为引导线的起点和终点候选点，内部区域内的点为转折点的候选点，排除掉螺栓所处位置及其周边3mm-5mm的螺栓影响区外，剩余的区域中任意点共同构成遗传算法的搜索空间；为保证设计获得的所有点是连续起来的管路，把所有的节点依次排列编号，便于遗传算子的操作；最后通过对搜索空间里的点使用遗传算法进行路径规划，不断迭代直至得到最终的冷却回路，该冷却回路与型腔轮廓相适应，为随形冷却回路；

S3：模具加工制造

①采用与目标产品形状相适应的模具、以冲压锻造方式锻造阶段S1步骤①准备的热轧12Cr13板，获得与目标产品形状相适应的型腔表面层毛坯；

②对步骤①获得的型腔表面层毛坯按淬火加热温度950±10℃、保温时间15min-20min，然后油冷至室温，再采用600℃-640℃温度回火处理、回火时间1.5-2h，获得热处理毛坯；

③机械加工去除热处理毛坯上、下表面的余量，两个表面去除厚度均为0.5mm±0.1mm，并加工出与螺栓相适应的螺纹孔，使其与设计需求尺寸相适应，然后对上表面采用石英砂喷沙处理；喷沙后立即对喷沙表面进行二硫化钼超音速火焰喷涂，涂层厚度18μm-25μm；对涂层表面采用金刚石抛光成镜面，获得型腔表面层；

④采用熔模铸造方式将阶段S1步骤①准备的纯铜铸造成随形冷却层，所述随形冷却层内通过熔模铸造固化有按阶段S2步骤②设计的冷却通道相适应的通道，以及与螺栓位置相适应的贯穿性通道，抛光上、下表面，获得随形冷却层；

⑤对阶段S1步骤①准备的40Cr上表面机械加工成与型腔面相适应的形状，然后在对应加热区域的位置，在距离上表面8mm-15mm的深度进行镂空加工，加工出对应每一块加热区域的缺口，然后将回字型的加热回路集成在与各缺口形状相适应的载体中，以嵌块的方式插入缺口中，获得加热基体层；

S4：模具组装

①将阶段S3获得的型腔表面层下表面、随形冷却层上下表面和加热基体层上表面依次涂抹足量阶段S1步骤①准备的导热凝胶，然后依次拼接好后通过螺栓组装并拧紧固定，获得所需模具。

与现有技术相比，本发明由于采用了以上技术方案，具有以下优点：

（1）本发明以航空航天企业实际需求为依托，对于注塑模具加热和冷却系统进行了开拓性的研究与开发。在全面分析总结申请人长期研究和借鉴相关领域的理论与知识的基础上，将常见的加热和冷却系统设计原则和结构融合在注塑模具的系统性设计开发中；针对常规加热和冷却系统干涉检查工作量大，且干涉后加热和冷却装置与模具实效位置匹配度低、转换效率低的不足，综合考虑模具的温度、模具结构强度、加热冷却回路不能与模具零件发生干涉等因素，提出了完全拟形且遗传算法的随形冷却结构和基于嵌块式单独加热区域独立控制的配套加热、冷却两种现有技术中均未出现的结构，可以最大程度与产品需求直接匹配，且更适应更精确、智能的控制。

（2）耐热的高强度不锈钢表层匹配极性的固体滑膜二硫化钼涂层，一方面能保证长时高温使用条件下型腔面的稳定可靠，又可实现无脱膜剂和无脱模斜度条件下的深腔塑料的脱模，根据申请人的多次对比实验，采用本发明所述的方式制成的复合型腔表面层是所选对比材料配对中实际效果最好的，仅论型腔表面层本身的话，其至少可耐受1000万次循环而无需本质性的维修或修复，仅需做好日常保养和清洁即可。

（3）本发明针对以常规方式制造高粘度、高腐蚀性原料注塑制品存在表观质量差的缺点，结合可以实现精确控温、精确注塑和快速热循环成型的新创模具结构，事实上实现了一种快速冷热循环注塑技术。申请人实测结果表明，采用本发明制造的模具匹配相应的工艺生产的注塑制品，其表面粗糙度随着模具型腔表面温度的提高逐渐降低，并最终趋于稳定，而产品尺寸精度则需实现快速冷却。通过本发明对模具型腔表面的处理，可以有效提升熔体的流动性并降低熔体与型腔表面的结合力，使受困于型腔表面不规则结构与熔体不均匀的部分熔体在型腔压力的作用下充分均匀流动和充型，有效消除注塑制品内部及表面的微孔、缺陷和表面漩涡纹，从而显著降低注塑制品的表面粗糙度，明显降低脱模难度和提高制品的表观质量。

综上所述，本发明无脱模斜度，尺寸精度高、无需脱模剂、无料把、合格率高、适用性好。

附图说明

图1为现有成品常见缺陷实物图；

图2为现有成品料把问题实物图；

图3为采用实施例1模具制造的产品实物图。

实施方式

实施例

一种适应智能化制造的精密深腔型产品注塑模具的制造方法，用于制造如图3所示的精密深腔型产品，包括以下阶段：

S1：原料准备

①原材料准备：准备足量厚度5mm的热轧12Cr13板、足量纯铜、足量40Cr、足量可长时耐受200℃的导热凝胶；

S2：智能化设计

①模具采用五层结构设计，从上到下依次为型腔表面层、第一导热层、随形冷却层、第二导热层和加热基体层；其中型腔表面层材料选用12Cr13，厚度为4mm，随形冷却层采用纯铜制造，加热基体层采用40Cr制造；表面层的型腔工作面轮廓与背面轮廓完全一致；加热基体层上表面与型腔表面轮廓形状相近，其内部按平面区域设置有多个电阻丝区块加热组件，每个组件都是一个回字型的加热回路，所述平面区域具体为一个面与其相邻面高度落差不低于13mm-15mm的单独为一个区块；第一导热层位于所述型腔表面层背面和随形冷却层上表面中间，为至少可长时耐受200℃的导热凝胶，填充在型腔表面层和随形冷却层的间隙中；第二导热层位于随形冷却层下表面与加热基体层上表面中间，为至少可长时耐受200℃的导热凝胶，填充在随形冷却层和加热基体层的间隙中；随形冷却层内设置有冷却通道；五层之间采用螺栓固定；

②对随形冷却层中的冷却通道进行智能化设计，设计基础原理为随形冷却，即与型腔轮廓相适应的管路结构，采用遗传算法获取最优的多点作为每条回路的起点、终点以及转折点，基础参数模板有上下、左右、前后的六个表面和一个加热基体层的内部区域；其中六个表面上的点为引导线的起点和终点候选点，内部区域内的点为转折点的候选点，排除掉螺栓所处位置及其周边3mm-5mm的螺栓影响区外，剩余的区域中任意点共同构成遗传算法的搜索空间；为保证设计获得的所有点是连续起来的管路，把所有的节点依次排列编号，便于遗传算子的操作；最后通过对搜索空间里的点使用遗传算法进行路径规划，不断迭代直至得到最终的冷却回路，该冷却回路与型腔轮廓相适应，为随形冷却回路；

S3：模具加工制造

①采用与目标产品形状相适应的模具、以冲压锻造方式锻造阶段S1步骤①准备的热轧12Cr13板，获得与目标产品形状相适应的型腔表面层毛坯；

②对步骤①获得的型腔表面层毛坯按淬火加热温度950±10℃、保温时间15min-20min，然后油冷至室温，再采用600℃-640℃温度回火处理、回火时间1.5-2h，获得热处理毛坯；

③机械加工去除热处理毛坯上、下表面的余量，两个表面去除厚度均为0.5mm±0.1mm，并加工出与螺栓相适应的螺纹孔，使其与设计需求尺寸相适应，然后对上表面采用石英砂喷沙处理；喷沙后立即对喷沙表面进行二硫化钼超音速火焰喷涂，涂层厚度18μm-25μm；对涂层表面采用金刚石抛光成镜面，获得型腔表面层；

④采用熔模铸造方式将阶段S1步骤①准备的纯铜铸造成随形冷却层，所述随形冷却层内通过熔模铸造固化有按阶段S2步骤②设计的冷却通道相适应的通道，以及与螺栓位置相适应的贯穿性通道，抛光上、下表面，获得随形冷却层；

⑤对阶段S1步骤①准备的40Cr上表面机械加工成与型腔面相适应的形状，然后在对应加热区域的位置，在距离上表面8mm-15mm的深度进行镂空加工，加工出对应每一块加热区域的缺口，然后将回字型的加热回路集成在与各缺口形状相适应的载体中，以嵌块的方式插入缺口中，获得加热基体层；

S4：模具组装

①将阶段S3获得的型腔表面层下表面、随形冷却层上下表面和加热基体层上表面依次涂抹足量阶段S1步骤①准备的导热凝胶，然后依次拼接好后通过螺栓组装并拧紧固定，获得所需模具。

根据本实施例方法制造的模具，本身耐蚀、耐高温，可适用于任何原料，脱模斜度为0°，精度≤0.02mm，循环使用次数不低于500万次，以需求方原产品在申请人处生产的产品作为阴性对照，合格率从62%提升到97.3%，未再产生如图1所示缺陷，循环周期从65s下降为55s，表面粗糙度降低一级（更加平整光滑），不需要也不产生如图2所示的料把，产品致密度提升0.4%-0.5%。

实施例

整体与实施例1相同，差异之处在于：

S1：原料准备

①原材料准备：准备足量厚度7mm的热轧12Cr13板、足量纯铜、足量40Cr、足量可长时耐受200℃的导热凝胶；

S2：智能化设计

①型腔表面层材料选用12Cr13，厚度为6mm；

实施例

整体与实施例1相同，差异之处在于：

S1：原料准备

①原材料准备：准备足量厚度8mm的热轧12Cr13板、足量纯铜、足量40Cr、足量可长时耐受200℃的导热凝胶；

S2：智能化设计

①型腔表面层材料选用12Cr13，厚度为7mm；

对所公开的实施例的上述说明，仅为了使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (1)

1.一种适应智能化制造的精密深腔型产品注塑模具的制造方法，其特征在于包括以下阶段：

S1：原料准备

①原材料准备：准备足量厚度5mm-8mm的热轧12Cr13板、足量纯铜、足量40Cr、足量可长时耐受200℃的导热凝胶；

S2：智能化设计

①模具采用五层结构设计，从上到下依次为型腔表面层、第一导热层、随形冷却层、第二导热层和加热基体层；其中型腔表面层材料选用12Cr13，厚度为4mm-7mm，随形冷却层采用纯铜制造，加热基体层采用40Cr制造；表面层的型腔工作面轮廓与背面轮廓完全一致；加热基体层上表面与型腔表面轮廓形状相近，其内部按平面区域设置有多个电阻丝区块加热组件，每个组件都是一个回字型的加热回路，所述平面区域具体为一个面与其相邻面高度落差不低于13mm-15mm的单独为一个区块；第一导热层位于所述型腔表面层背面和随形冷却层上表面中间，为至少可长时耐受200℃的导热凝胶，填充在型腔表面层和随形冷却层的间隙中；第二导热层位于随形冷却层下表面与加热基体层上表面中间，为至少可长时耐受200℃的导热凝胶，填充在随形冷却层和加热基体层的间隙中；随形冷却层内设置有冷却通道；五层之间采用螺栓固定；

②对随形冷却层中的冷却通道进行智能化设计，设计基础原理为随形冷却，即与型腔轮廓相适应的管路结构，采用遗传算法获取最优的多点作为每条回路的起点、终点以及转折点，基础参数模板有上下、左右、前后的六个表面和一个加热基体层的内部区域；其中六个表面上的点为引导线的起点和终点候选点，内部区域内的点为转折点的候选点，排除掉螺栓所处位置及其周边3mm-5mm的螺栓影响区外，剩余的区域中任意点共同构成遗传算法的搜索空间；为保证设计获得的所有点是连续起来的管路，把所有的节点依次排列编号，便于遗传算子的操作；最后通过对搜索空间里的点使用遗传算法进行路径规划，不断迭代直至得到最终的冷却回路，该冷却回路与型腔轮廓相适应，为随形冷却回路；

S3：模具加工制造

①采用与目标产品形状相适应的模具、以冲压锻造方式锻造阶段S1步骤①准备的热轧12Cr13板，获得与目标产品形状相适应的型腔表面层毛坯；

②对步骤①获得的型腔表面层毛坯按淬火加热温度950±10℃、保温时间15min-20min，然后油冷至室温，再采用600℃-640℃温度回火处理、回火时间1.5-2h，获得热处理毛坯；

③机械加工去除热处理毛坯上、下表面的余量，两个表面去除厚度均为0.5mm±0.1mm，并加工出与螺栓相适应的螺纹孔，使其与设计需求尺寸相适应，然后对上表面采用石英砂喷沙处理；喷沙后立即对喷沙表面进行二硫化钼超音速火焰喷涂，涂层厚度18μm-25μm；对涂层表面采用金刚石抛光成镜面，获得型腔表面层；

④采用熔模铸造方式将阶段S1步骤①准备的纯铜铸造成随形冷却层，所述随形冷却层内通过熔模铸造固化有按阶段S2步骤②设计的冷却通道相适应的通道，以及与螺栓位置相适应的贯穿性通道，抛光上、下表面，获得随形冷却层；

⑤对阶段S1步骤①准备的40Cr上表面机械加工成与型腔面相适应的形状，然后在对应加热区域的位置，在距离上表面8mm-15mm的深度进行镂空加工，加工出对应每一块加热区域的缺口，然后将回字型的加热回路集成在与各缺口形状相适应的载体中，以嵌块的方式插入缺口中，获得加热基体层；

S4：模具组装

①将阶段S3获得的型腔表面层下表面、随形冷却层上下表面和加热基体层上表面依次涂抹足量阶段S1步骤①准备的导热凝胶，然后依次拼接好后通过螺栓组装并拧紧固定，获得所需模具。

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