CN115889973A - 一种陶瓷模具模芯激光增减材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种陶瓷模具模芯激光增减材制造方法，涉及机械设计及制造、增减材复合制造领域，包括：将一块金属块切割成与陶瓷模具的模芯尺寸相同，并将切割后的金属块作为所述模芯的基材；在所述基材上切割出所述模芯的侧表面；利用激光增材方式在所述侧表面制造耐磨层，并在所述模芯的上表面制造刃口层；切割所述耐磨层以及所述刃口层，形成所需的模芯。本发明能够提高模具表面强度以及使用寿命，降低生产成本高。

Description

一种陶瓷模具模芯激光增减材制造方法

技术领域

本发明涉及机械设计及制造、增减材复合制造领域，特别是涉及一种陶瓷模具模芯激光增减材制造方法。

背景技术

模具被誉为“工业之母”，广泛应用于机械、汽车、航空、军工、能源等领域。模具在服役过程中因受到复杂热力循环作用，易产生磨损、裂纹、疲劳等，导致模具失效，影响产品质量，甚至导致停产，严重造成经济损失。

现有的模具制造通常采用两种方法：一种是整体采用低强度的普通钢材，刃口的使用寿命低，或者整体采用特种钢材，大大增加了生产成本；另一种是采用普通钢材作为基板，采用电弧增材的方式生成刃口，再通过减材的方式加工成最终的刃口形状，因为电弧热输入高，会导致基材受到热处理的作用，模具的表面强度会降低，同时单道熔覆的材料多，增加了减材的工作量。因此，现有的模具制造方式会出现模具表面强度以及使用寿命低，且生产成本高等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种陶瓷模具模芯激光增减材制造方法，以解决模具表面强度以及使用寿命低，且生产成本高的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种陶瓷模具模芯激光增减材制造方法，包括：

将一块金属块切割成与陶瓷模具的模芯尺寸相同，并将切割后的金属块作为所述模芯的基材；

在所述基材上切割出所述模芯的侧表面；

利用激光增材方式在所述侧表面制造耐磨层，并在所述模芯的上表面制造刃口层；

切割所述耐磨层以及所述刃口层，形成所需的模芯。

可选的，所述金属块为碳钢、模具钢或镍基合金钢。

可选的，所述耐磨层以及所述刃口层的耐磨材料为铁基合金、镍基合金、钴基合金或陶瓷增强复合金属材料。

可选的，所述在所述基材上切割出所述模芯的侧表面，之前还包括：

采用数控机床或者多自由度机械手臂，搭载电主轴以及刀具，对所述基材进行铣削、磨削以及抛光打磨，切割出所述模芯的侧表面。

可选的，所述利用激光增材方式在所述侧表面制造耐磨层，并在所述模芯的上表面制造刃口层，具体包括：

采用六轴机械臂搭载激光器在所述侧表面制造耐磨层，并在所述模芯的上表面制造刃口层。

可选的，激光增材时的工艺参数包括：

激光功率范围为400W-1800W；送粉量范围为3g/min-25g/min；送粉气流量范围为2L/min-8L/min；扫描速度范围为10mm/s-200mm/s；搭接率范围为30％-70％。

可选的，所述切割所述耐磨层以及所述刃口层，形成所需的模芯，具体包括：

采用数控机床或者多自由度机械手臂，搭载电主轴以及刀具，切割所述耐磨层以及所述刃口层，形成所需的模芯。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种陶瓷模具模芯激光增减材制造方法，本发明先通过减材方式切割模芯的侧表面，并利用激光增材方式在侧表面制造耐磨层，在模芯的上表面制造刃口层，最后再利用减材方式切割耐磨层及刃口层，形成最终所需的模芯，本发明在模芯的侧表面以及上表面制造耐磨层以及刃口层，使得模芯的侧表面以及上表面的硬度显著增强，使得模具模芯的耐磨性显著升高，从而能够增加模芯的使用寿命；此外，本发明利用激光增减材结合的方式制造陶瓷模具的模芯，加工效率高、材料利用率高、可以显著降低生产成本。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的陶瓷模具模芯激光增减材制造方法流程图；

图2为步骤101中切割完成的基材示意图；

图3为步骤102中第一次减材完成的模芯示意图；

图4为步骤103中增材完成的模芯示意图；

图5为步骤103中增材完成模芯的横截面示意图；

图6为步骤104中第二次减材精加工完成的模芯示意图；

图7为步骤104中第二次减材精加工完成的模芯横截面示意图；

图8为第一种刃口型式示意图；

图9为第一种刃口型式示意图；

图10为第一种刃口型式示意图；

图11为陶瓷模具模芯激光增减材制造过程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种陶瓷模具模芯激光增减材制造方法，能够提高模具表面强度以及使用寿命，降低生产成本高。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

激光增材再制造技术是当前最流行的绿色再制造技术之一，它以高能束激光为热源，具有热量输入低、稀释小、热影响区小及变形小等特点，在高附加值模具的制造领域具有广阔的应用前景。

通过激光增减材技术可以改善模具的表面硬度、提高模具的热稳定性和耐磨性，从而有效提高模具的使用寿命，降低生产成本和保证加工产品的质量。

实施例一

图1为本发明所提供的陶瓷模具模芯激光增减材制造方法流程图，如图1所示，本发明提供了一种陶瓷模具模芯激光增减材制造方法，包括：

步骤101：将一块金属块切割成与陶瓷模具的模芯尺寸相同，并将切割后的金属块作为所述模芯的基材。图2为步骤101中切割完成的基材示意图，如图2所示。

在实际应用中，所述金属块为碳钢、模具钢或镍基合金钢。

步骤102：在所述基材上切割出所述模芯的侧表面。图3为步骤102中第一次减材完成的模芯示意图，如图3所示。

在实际应用中，所述步骤102之前还包括：采用数控机床或者多自由度机械手臂，搭载电主轴以及刀具，对所述基材进行铣削、磨削以及抛光打磨，切割出所述模芯的侧表面。

在所述步骤102减材加工的前后，还需要对加工面进行清洗，包括但不限于喷砂、超声清洗等。

步骤103：利用激光增材方式在所述侧表面制造耐磨层，并在所述模芯的上表面制造刃口层。图4为步骤103中增材完成的模芯示意图，图5为步骤103中增材完成模芯的横截面示意图，如图4-图5所示。

在实际应用中，所述耐磨层以及所述刃口层的耐磨材料为铁基合金、镍基合金、钴基合金或陶瓷增强复合金属材料。该陶瓷增强复合金属材料包括碳化硅、碳化硼、碳化钛、碳化钨、碳化铬等碳化物增强；硼化硅、硼化钛等硼化物增强材料以及其他氧化物增强材料等。

所述步骤103具体包括：采用六轴机械臂搭载激光器在所述侧表面制造耐磨层，并在所述模芯的上表面制造刃口层。

激光增材装置主要包括激光器、送丝部分、送粉部分、六轴机器人以及激光熔覆头等，根据需要进行制造的模具模芯大小及加工需求切换为送丝、送粉等多种单一增材或复合增材方式进行加工。

激光增材时的工艺参数包括：激光功率范围为400W-1800W；送粉量范围为3g/min-25g/min；送粉气流量范围为2L/min-8L/min；扫描速度范围为10mm/s-200mm/s；搭接率范围为30％-70％。

在进行激光增材加工时，由于激光增材具有能量集中、热变形小等特点，可以保证通过激光增材完成的模具模芯不会发生任何的热变形，不会降低基材的强度。同时激光增材完成可以直接进行步骤104的减材精加工过程。

步骤104：切割所述耐磨层以及所述刃口层，形成所需的模芯。图6为步骤104中第二次减材精加工完成的模芯示意图，图7为步骤104中第二次减材精加工完成的模芯横截面示意图，图8为第一种刃口型式示意图，图9为第一种刃口型式示意图，图10为第一种刃口型式示意图，如图8-图10所示。

在实际应用中，所述步骤104具体包括：采用数控机床或者多自由度机械手臂，搭载电主轴以及刀具，切割所述耐磨层以及所述刃口层，形成所需的模芯。

在步骤104进行减材精加工时，同样采用数控机床或者多自由度机械手臂搭载高速电主轴、刀具等完成工作。

图11为陶瓷模具模芯激光增减材制造过程示意图，如图11所示，本发明通过激光增材方式，热输入集中、单道宽度小，同时可以采用各类型的金属材料完成激光增材，适用范围更广。

本发明通过该工艺制造得到的陶瓷模具模芯在保证整体强度、降低制造成本的基础上，可以实现局部范围内(模芯刃口、侧面)的硬度显著增强，提高模具模芯的耐磨性，从而显著增加模芯的使用寿命，为企业降低成本，提高效益。

实施例二

基材选择45#碳钢作为基材，耐磨层以及刃口层的耐磨材料选择铁基合金，加工制造的步骤如下：

步骤一：选取一块45#碳钢，切割成模具模芯的大小，作为模芯的基材；切割完成后利用超声清洗的方式清洗模芯。

步骤二：采用减材的制造方法，利用数控机床或者多自由度机械手臂搭载高速电主轴、刀具在基材上切割出模芯的侧表面；侧表面切割的深度为0.5mm，宽度为5mm。

步骤三：采用激光增材的方式在模芯的侧表面制造一圈耐磨层，耐磨层厚度在0.6-1mm；在模芯上表面制造一圈刃口层，刃口层的高度在0.6-1mm；激光增材时的工艺参数为：激光功率为1200W，送粉量为15g/min，送粉气流量为4L/min，扫描速度为30mm/s，搭接率为50％。

激光增材过程包括：1)对于非标准件(缺失图纸)，采用激光轮廓扫描仪扫描整个需要修复的模芯，在上位机建立模型；或者对于有原模型的模芯，直接将图形文件导入到上位机软件中。

2)根据模芯的尺寸，以及要求的刃口层厚度、侧面耐磨层厚度，生成激光增材的工艺参数。

3)将待加工模芯安装在多轴变位机上面，六轴机器人带动激光熔覆头先完成上表面刃口层的加工；再依次完成每一个侧面的加工。

步骤四：再次采用减材的加工方式利用数控机床或者多自由度机械手臂搭载高速电主轴、刀具精加工模芯的侧表面和上表面；侧表面切割掉厚度为0.1-0.5mm；刃口位置切割掉的厚度为0.1-0.5mm；最终得到最终所需的模芯的外形尺寸；精加工最终目的是得到不同的刃口形状，根据需方的需求来定。

步骤五：完成整个陶瓷模具模芯的激光增减材制造过程。

对于将45碳钢作为基材，将铁基合金作为涂层的陶瓷模具模芯，由于基材45#钢的硬度比较低，因此选择硬度较高的不锈钢材料作为涂层，增材完成的刃口及耐磨面的硬度得到了显著提升，提升整个模具模芯的耐磨性和使用寿命。

实施例三

基材选择模具钢，耐磨层以及刃口层的耐磨材料选择镍基合金(Inconel625，7系，9系)，加工制造的步骤如下：

步骤一：选取一块模具钢，切割成模具模芯的大小，作为模芯的基材；切割完成后利用超声清洗的方式清洗模芯。

步骤二：采用减材的制造方法，利用数控机床或者多自由度机械手臂搭载高速电主轴、刀具在基材上切割出模芯的侧表面；侧表面切割的深度为1.0mm，宽度为8mm。

步骤三：采用激光增材的方式在模芯的侧表面制造一层耐磨层，耐磨层厚度在1.2-1.5mm；在模芯上表面制造一圈刃口层，刃口层的高度在0.6-1mm；激光增材时的工艺参数为：激光功率1500W，送粉量为20g/min，送粉气流量为6L/min，扫描速度为35mm/s，搭接率为50％。

步骤四：再次采用减材的加工方式利用数控机床或者多自由度机械手臂搭载高速电主轴、刀具精加工模芯的侧表面和上表面；侧表面切割掉厚度为0.2-0.5mm；刃口位置切割掉的厚度为0.1-0.5mm；最终得到最终所需的模芯的外形尺寸。

步骤五：完成整个陶瓷模具模芯的激光增减材制造过程。

对于将模具钢为基材，将镍基合金作为涂层的陶瓷模具模芯，制造得到的刃口及耐磨面的硬度得到了显著提升，提升整个模具模芯的耐磨性和使用寿命。

实施例四

基材选择模具钢，耐磨层以及刃口层的耐磨材料选择钴基合金，加工制造的步骤如下：

步骤一：选取一块模具钢，切割成模具模芯的大小，作为模芯的基材；切割完成后利用超声清洗的方式清洗模芯。

步骤二：采用减材的制造方法，利用数控机床或者多自由度机械手臂搭载高速电主轴、刀具在基材上切割出模芯的侧表面；侧表面切割的深度为1.0mm，宽度为6mm。

步骤三：采用激光增材的方式在模芯的侧表面制造一圈钴基合金耐磨层，耐磨层厚度在1.2-1.5mm；在模芯上表面制造一圈刃口层，刃口层的高度在0.6-1mm；激光增材时的工艺参数为：激光功率1600W，送粉量为20g/min，送粉气流量为8L/min，扫描速度为60mm/s，搭接率为65％。

步骤四：再次采用减材的加工方式利用数控机床或者多自由度机械手臂搭载高速电主轴、刀具精加工模芯的侧表面和上表面；侧表面切割掉厚度为0.2-0.5mm；刃口位置切割掉的厚度为0.1-0.5mm；最终得到最终所需的模芯的外形尺寸。

步骤五：完成整个陶瓷模具模芯的激光增减材制造过程。

对于将模具钢作为基材，将钴基合金作为涂层的陶瓷模具模芯，加工完成的模具模芯整天强度很高，而且刃口及耐磨面的硬度较基材有更多的提升，增强整个模具模芯的耐磨性和使用寿命。

实施例五

基材选择镍基合金，耐磨层以及刃口层的耐磨材料选择碳化钨WC+钴Co基复合材料，加工制造的步骤如下：

步骤一：选取一块镍基合金，切割成模具模芯的大小，作为模芯的基材；切割完成后利用超声清洗的方式清洗模芯。

步骤二：采用减材的制造方法，利用数控机床或者多自由度机械手臂搭载高速电主轴、刀具在基材上切割出模芯的侧表面；侧表面切割的深度为0.5mm，宽度为5mm。

步骤三：采用激光增材的方式在模芯的侧表面制造一圈耐磨层，耐磨层厚度在0.6-1mm；在模芯上表面制造一圈刃口层，刃口层的高度在0.6-1mm；激光增材时的工艺参数为：激光功率1600W，送粉量为15g/min，送粉气流量为6L/min，扫描速度为60mm/s，搭接率为50％。

步骤四：再次采用减材的加工方式利用数控机床或者多自由度机械手臂搭载高速电主轴、刀具精加工模芯的侧表面和上表面；侧表面切割掉厚度为0.1-0.5mm；刃口位置切割掉的厚度为0.1-0.5mm；最终得到最终所需的模芯的外形尺寸。

步骤五：完成整个陶瓷模具模芯的激光增减材制造过程。

对于将镍基合金作为基材，将WC+Co基复合材料为涂层的陶瓷模具模芯，增材完成的刃口及耐磨面的硬度得到了显著提升，提升整个模具模芯的耐磨性和使用寿命。

实施例六

对于使用过一段时间需要进行二次修补的模具，加工制造的步骤如下：

步骤一：采用喷砂或者超声的方式来清洗模具使用过程中带上的油污、灰尘、锈迹等。

步骤二：采用减材的制造方法，利用数控机床或者多自由度机械手臂搭载高速电主轴、刀具在基材上切割掉上一次使用后磨损的刃口及侧面；对于需要更换刃口及侧面材料的模芯，需要全部去除掉上一次的材料；对于不需要更换材料的模芯，只需要打磨平整即可。

步骤三：采用激光增材的方式在模芯的侧表面制造一圈耐磨层，在模芯上表面制造一圈刃口；耐磨层的厚度由需求方来确定，综合考虑激光增材完毕后还需要减材加工，因此，增材的厚度会大于最终需要得到的尺寸0.1-0.5mm。

激光增材时的工艺参数为：激光功率为1800W，送粉量为20g/min，送粉气流量为4L/min，扫描速度为50mm/s，搭接率为50％。

步骤四：再次采用减材的加工方式利用数控机床或者多自由度机械手臂搭载高速电主轴、刀具精加工模芯的侧表面和上表面，得到最终所需的模芯的外形尺寸。

步骤五：完成整个陶瓷模具模芯的激光增减材制造过程。

对于需要进行二次修补的模具，耐磨层材料不一定需要选择原始制造加工时使用的材料，可以根据需求选择耐磨层材料，耐磨材料可选择地使用高强钢、镍基合金、钴基合金、陶瓷增强复合金属材料(增强材料包括碳化硅、碳化硼、碳化钛、碳化钨、碳化铬等碳化物增强；硼化硅、硼化钛等硼化物增强材料；其他氧化物增强材料等)。

本发明采用激光增减材结合的方式制造陶瓷模具的模芯，加工效率高、材料利用率高、可以显著降低企业的生产成本。

本发明采用激光增材的方式制造模具模芯，激光热输入小、可以保证组织的一致性，减小内部出现裂纹，同时能够适应不同的模具模芯的加工。

本发明制造得到的模具模芯刃口、侧面的硬度显著增强，模具模芯的耐磨性显著升高，显著增加模芯的使用寿命。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种陶瓷模具模芯激光增减材制造方法，其特征在于，包括：

将一块金属块切割成与陶瓷模具的模芯尺寸相同，并将切割后的金属块作为所述模芯的基材；

在所述基材上切割出所述模芯的侧表面；

利用激光增材方式在所述侧表面制造耐磨层，并在所述模芯的上表面制造刃口层；

切割所述耐磨层以及所述刃口层，形成所需的模芯。

2.根据权利要求1所述的陶瓷模具模芯激光增减材制造方法，其特征在于，所述金属块为碳钢、模具钢或镍基合金钢。

3.根据权利要求1所述的陶瓷模具模芯激光增减材制造方法，其特征在于，所述耐磨层以及所述刃口层的耐磨材料为铁基合金、镍基合金、钴基合金或陶瓷增强复合金属材料。

4.根据权利要求1所述的陶瓷模具模芯激光增减材制造方法，其特征在于，所述在所述基材上切割出所述模芯的侧表面，之前还包括：

采用数控机床或者多自由度机械手臂，搭载电主轴以及刀具，对所述基材进行铣削、磨削以及抛光打磨，切割出所述模芯的侧表面。

5.根据权利要求1所述的陶瓷模具模芯激光增减材制造方法，其特征在于，所述利用激光增材方式在所述侧表面制造耐磨层，并在所述模芯的上表面制造刃口层，具体包括：

采用六轴机械臂搭载激光器在所述侧表面制造耐磨层，并在所述模芯的上表面制造刃口层。

6.根据权利要求1所述的陶瓷模具模芯激光增减材制造方法，其特征在于，激光增材时的工艺参数包括：

激光功率范围为400W-1800W；送粉量范围为3g/min-25g/min；送粉气流量范围为2L/min-8L/min；扫描速度范围为10mm/s-200mm/s；搭接率范围为30％-70％。

7.根据权利要求1所述的陶瓷模具模芯激光增减材制造方法，其特征在于，所述切割所述耐磨层以及所述刃口层，形成所需的模芯，具体包括：

采用数控机床或者多自由度机械手臂，搭载电主轴以及刀具，切割所述耐磨层以及所述刃口层，形成所需的模芯。

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