CN1850396A - 具有随形冷却流道的注塑模具镶块的快速制造方法 - Google Patents

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黄树槐
刘锦辉
鲁中良
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Abstract

本发明公开了一种具有随形冷却流道的注塑模具镶块的快速制造方法。首先针对具体的注塑模具型腔面轮廓，利用三维CAD造型软件(如Pro/Engineer或Unigraphics)设置随形冷却流道，然后将模具三维图形以STL格式文件导出，并输入到选择性激光烧结系统的计算机中。根据用户需要，采用不同性能的金属与高分子的混合粉作为成型原料粉末。混合粉末经过在华中科技大学HRPS－IIA型选择性激光烧结系统上成型模具镶块形坯，然后采用真空吸尘设备将存留于流道内的松散粉末清除掉。镶块形坯经过脱脂、二次烧结、熔渗金属处理后得到致密的镶块。在经过表面光洁处理后，用于注塑生产。

Description

具有随形冷却流道的注塑模具镶块的快速制造方法
技术领域
本发明属于先进快速制造领域，具体涉及一种具有随形冷却流道的注塑模具镶块的快速制造方法。
背景技术
模具技术是当今制造业中应用最广泛的技术之一，模具的冷却系统对模具的寿命、产品的生产效率和质量具有重要影响。模具制造的传统方法是：对金属毛坯进行车、铣、刨、钻、磨、电蚀等加工，从而得到所需的模具形状和尺寸。上述方法尚难在金属毛坯中加工出轨迹为三维曲线的内孔，因此，传统方法所制造的模具的冷却流道一般都是由一组平直的开孔系所组成，为形成封闭的流路，除进口和出口外的开孔需要用堵头密封。这种冷却技术存在以下问题：首先，冷却效率低，冷却效果差。由于模具的形腔一般都很复杂，直孔系组成的冷却系统无法保证模腔各部分均匀冷却，产品因冷却不均匀易导致变形。其次，加工工艺复杂，孔系在模具制造时需加工出来，而在模塑时又需用堵头堵上。由于模具制造过程中手段的局限和合适的冷却水道设计理论的缺乏，目前冷却水道的设计和制造仍然局限在相对简单的结构形式下，因此有必要开发出经济高效率地制造具有随形冷却流道的模具的方法。
选择性激光烧结(SLS)用固体粉末作为烧结成型材料，在计算机上生成实体的CAD模型，再经过切片处理生成STL文件，利用计算机控制激光逐层烧结，经层层烧结叠加后，最终形成了所需的原型或零件。SLS具有成型材料广，制造过程不受零件复杂程度的影响，制造效率高，成本低的特点，特别适合用来制造具有冷却随形冷却流道的模具。
目前国外对利用SLS制造模具展开了广泛研究，主要用两种方法。第一种方法是用大功率激光直接成型模具，研究最成功的是德国的EOS公司，其材料有DirectMetal100，DirectMeta150，DirectMeta120，DirectSteel150-VI，DirectSteel120-VI等，制造的模具的拉伸强度可达491Mpa，这种方法是基于金属的液相烧结(Liquid Phase Sintering：LPS)，工艺简单，但其成型过程很难控制，精度低，而且成本比较高。相对成熟的是利用小功率激光间接成型模具，研究最成功的是美国的DTM公司，其材料有RapidSteel 1.0，RapidSteel 2.0，LaserForm ST-100，LaserForm ST-200，LaserForm A6等，这些材料主要都是用来制造注塑模，其制造的注塑模具强度可达587MPa以上，注塑模的寿命已达10万件/副。这种方法成型过程容易控制，而且成本低，精度高。但是DTM公司开发的材料都是金属覆膜粉，金属覆膜粉是高分子聚合物包覆在金属表面的混合粉末，制备需要专门的设备，而且成本高，工艺复杂。
目前的研究表明，利用SLS技术实现具有随形冷却流道的模具快速制造是完全可行的，但是目前还没有成熟的基于SLS的随形冷却流道设计方法，制造也存在设备投入大，材料制备工艺复杂，价格昂贵，对环境有污染的缺点。
为解决传统机械加工和利用SLS制造具有随形冷却流道的不足，我们已经研究出一种新型的制备简单，成型性好，价格低的小功率激光间接成型材料。对其激光烧结工艺参数进行了优化，并对后处理工艺展开研究，成功制造出具有随形冷却流道的模具。实践表明，模具的设计和制造周期非常短，在一周内完成了动模(尺寸为190mm*180mm*70mm)与定模(尺寸为190mm*180mm*63mm)的设计和制造，制造的成本也只有传统机械加工的一半左右。
发明内容
本发明目的为提供一种具有随形冷却流道的注塑模具镶块的快速制造方法，该方法具有制造周期短，成本低和能够完成传统工艺所无法完成的对随形冷却流道的制造等优点。
本发明提供一种具有随形冷却流道的注塑模具镶块的快速制造方法，其步骤包括：
(1)依照镶块型腔的轮廓，应用三维CAD软件设计随形腔变化的冷却流道；
(2)首先将粒度为30～60μm的用于制作模具的金属材料粉末与粒径小于20μm环氧树脂或酚醛树脂粉末均匀混合，其中，金属粉末与环氧树脂或酚醛树脂粉末的重量比为92～97∶3～8；将混合后的粉末进行预热，预热温度为50～60℃，再在SLS成型系统上将粉末烧结成模具镶块形坯，其工艺参数为：激光功率10～18W、扫描速度1000～2000mm/s、扫描间距0.1～0.3mm、切片层厚0.05～0.25mm，烧结完成后，清除流道内未被烧结的松散粉末；
(3)首先将模具镶块形坯进行脱脂处理，去除其中的树脂材料；再将脱脂后的镶块形坯进行常规烧结处理；然后计算形坯内的开放孔隙体积，根据形坯开放孔隙体积与金属渗料密度，计算出所需金属渗料的质量，金属渗料为铜、铜合金或铝合金；将镶块形坯与所需添加的金属渗料放入石墨盒中，并将石墨盒置于真空炉中进行升温处理，升温速度为10～20℃/min，温度达到渗料熔点以上100-150℃时，保温1-2小时，然后冷却到渗料熔点以下，再随炉冷却到室温取出；
(4)对取出的模具镶块形坯进行表面处理。
本发明在SLS技术的基础上，采用间接SLS技术制造金属注塑模具。SLS用成型粉末材料采用添加高分子粘接剂粉末的金属粉末材料，利用激光(小于50W)的热作用熔化高分子粘接剂从而粘接金属粉末成型模具镶块形坯，其中形坯中布置有随镶块型腔面轮廓变化的随形冷却流道，而后通过脱脂、二次烧结、浸渗、表面光洁处理，最终制造出模具的镶块。本发明可用于带有随形冷却流道的模具镶块的制造，其制造周期短，模具的冷却效果优越，从而产出的注塑零件质量高，因此具有应用推广价值。
具体实施方式
下面结合实例对本发明作进一步详细说明。
本发明的步骤为：
(1)依照镶块型腔的轮廓，应用三维CAD软件设计随形腔变化的冷却流道；
(2)采用选择性激光烧结方法成型金属模具粉末形坯；
(2.1)将粒度为30～60μm的金属粉末(如不锈钢、碳钢或金属单质复合粉末等用于制作模具的金属材料)与粒径小于20μm环氧树脂或酚醛树脂粉末均匀混合，其中，金属粉末与环氧树脂或酚醛树脂粉末的重量比为(92～97)∶(3～8)；
(2.2)将上述混合后的粉末进行预热，预热温度为50～100℃，再在SLS成型系统上将粉末烧结成模具镶块形坯，采用的工艺参数为：激光功率10～25W、扫描速度1000～2000mm/s、扫描间距0.1～0.3mm、切片层厚0.05～0.25mm，烧结完成后，采用真空吸尘装置清除流道内未被烧结的松散粉末而使流道通畅；
(3)采用下述步骤对上述模具镶块形坯进行致密化处理：
(3.1)将模具镶块形坯进行脱脂处理，去除其中的环氧树脂(酚醛树脂)；
(3.2)将脱脂后的镶块形坯进行常规烧结处理；
(3.3)将烧结后的镶块形坯进行浸渗处理：
(3.3.1)首先利用阿基米德定律测量并计算出模具材料的密度与开放孔隙率；依据镶块形坯材料的密度、质量与体积关系，计算出形坯的体积，并且依据体积和开放孔隙率计算出形坯内的开放孔隙体积；根据形坯开放孔隙体积与金属渗料密度，计算出所需金属渗料的质量；金属渗料采用铜、铜合金或铝合金(粉末冶金熔渗常用金属)；
(3.3.2)采用粉末压坯形式在镶块形坯中添加金属渗料：将镶块形坯与所需添加的金属渗料放入石墨盒中，并将其置于预抽真空炉中进行抽真空升温，升温速度为10～20℃/min，温度达到渗料熔点以上100-150℃时，保温1-2小时，然后冷却到渗料熔点以下，再随炉冷却到室温取出；
(4)对熔渗后的模具镶块形坯进行表面处理，如进行喷砂、打磨、抛光等处理，提高其表面光洁度。
实例1：
根据模具镶块型腔表面轮廓设置随形冷却流道，并经过三维造型软件(如Pro-E)将图形以STL文件格式输出，再将STL文件输入到择性激光烧结系统的计算机中。采用316不锈钢粉末(小于50μm)和环氧树脂粉末(平均粒径12μm)的混合粉末为成型原料，其中环氧树脂粉末占5％。混合粉末在华中科技大学HRPS-II A型选择性激光烧结系统上成型模具镶块形坯，成型参数为：激光功率14W、扫描间距0.15mm、扫描速度1500mm/s、切片层厚0.15mm、粉床预热温度56℃。成型后形坯经过真空吸尘设备清除流道内的松散粉末。
形坯放入真空脱脂炉中进行脱脂处理，脱脂最高温度为750～800℃，时间为5～8小时。脱脂后的形坯放入真空炉中二次烧结，烧结温度为1200～1300℃，保温时间为1～2小时。二次烧结后，形坯的密度为4.2～4.8g/cm3，开放孔隙率为46～50％。
根据形坯的密度、质量与孔隙率，将工业纯铜粉末(70μm)以一定质量制成压坯，并与形坯一同放入石墨料盒中。将石墨料盒放入预抽真空炉中进行浸渗处理，浸渗温度为1200℃，升温速度20℃/min，保温1小时后，迅速降温至1080℃，然后随炉缓慢冷却到室温出炉。渗后的形坯经过打磨处理后，可以用于生产塑料件。
实例2：
根据模具镶块型腔表面轮廓设置随形冷却流道，并经过三维造型软件(如Pro-E)将图形以STL文件格式输出，再将STL文件输入到择性激光烧结系统的计算机中。采用工业纯铁粉(小于45μm)、羰基镍粉(小于5μm)和酚醛树脂粉末(小于12μm)的混合粉末为成型原料，其中羰基镍粉占3.5％，环氧树脂粉末占4％，余量为纯铁粉。混合粉末在华中科技大学HRPS-II A型选择性激光烧结系统上成型模具镶块形坯，成型参数为：激光功率13W、扫描间距0.1mm、扫描速度1000mm/s、切片层厚0.1mm、粉床预热温度75℃。成型后形坯经过真空吸尘设备清除流道内的松散粉末。
形坯放入真空脱脂炉中进行脱脂处理，脱脂最高温度为750～800℃，时间为5～8小时。脱脂后的形坯放入真空炉中二次烧结，烧结温度为1100～1200℃，保温时间为1～2小时。二次烧结后，形坯的密度为4.2～4.5g/cm3，开放孔隙率为50～55％。
根据形坯的密度、质量与孔隙率，将锡青铜(663)粉末(70μm)以一定质量制成压坯，并与形坯一同放入石墨料盒中。将石墨料盒放入预抽真空炉中进行浸渗处理，浸渗温度为1050℃，升温速度20℃/min，保温1小时后，迅速降温至850℃，然后随炉缓慢冷却到室温出炉。渗后的形坯经过打磨处理后，可以用于生产塑料件。
实例3
根据模具镶块型腔表面轮廓设置随形冷却流道，并经过三维造型软件(如Pro-E)将图形以STL文件格式输出，再将STL文件输入到择性激光烧结系统的计算机中。采用工业纯铁粉(小于45μm)、石墨粉(小于40μm)和环氧树脂粉末(小于12μm)的混合粉末为成型原料，其中石墨粉占0.8％，环氧树脂粉末占7％，余量为纯铁粉。混合粉末在华中科技大学HRPS-II A型选择性激光烧结系统上成型模具镶块形坯，成型参数为：激光功率20W、扫描间距0.1mm、扫描速度1800mm/s、切片层厚0.08mm、粉床预热温度80℃。成型后形坯经过真空吸尘设备清除流道内的松散粉末。
形坯放入真空脱脂炉中进行脱脂处理，脱脂最高温度为800～900℃，时间为5～8小时。脱脂后的形坯放入真空炉中二次烧结，烧结温度为1150～1250℃，保温时间为1～2小时。二次烧结后，形坯的密度为4.5～5.0g/cm3，开放孔隙率为53～60％。
根据形坯的密度、质量与孔隙率，将铝合金(ZL101)以一定质量与形坯一同放入石墨料盒中。将石墨料盒放入预抽真空炉中进行浸渗处理，浸渗温度为800℃，升温速度20℃/min，保温1小时后，迅速降温至600℃，然后随炉缓慢冷却到室温出炉。渗后的形坯经过打磨处理后，可以用于生产塑料件。

Claims (1)

1、一种具有随形冷却流道的注塑模具镶块的快速制造方法，其步骤为：
(1)依照镶块型腔的轮廓，应用三维CAD软件设计随形腔变化的冷却流道；
(2)首先将粒度为30～60μm的用于制作模具的金属材料粉末与粒径小于20μm环氧树脂或酚醛树脂粉末均匀混合，其中，金属粉末与环氧树脂或酚醛树脂粉末的重量比为92～97∶3～8；将混合后的粉末进行预热，预热温度为50～60℃，再在SLS成型系统上将粉末烧结成模具镶块形坯，其工艺参数为：激光功率10～18W、扫描速度1000～2000mm/s、扫描间距0.1～0.3mm、切片层厚0.05～0.25mm，烧结完成后，清除流道内未被烧结的松散粉末；
(3)首先将模具镶块形坯进行脱脂处理，去除其中的树脂材料；再将脱脂后的镶块形坯进行常规烧结处理；然后计算形坯内的开放孔隙体积，根据形坯开放孔隙体积与金属渗料密度，计算出所需金属渗料的质量，金属渗料为铜、铜合金或铝合金；将镶块形坯与所需添加的金属渗料放入石墨盒中，并将石墨盒置于真空炉中进行升温处理，升温速度为10～20℃/min，温度达到渗料熔点以上100-150℃时，保温1-2小时，然后冷却到渗料熔点以下，再随炉冷却到室温取出；
(4)对取出的模具镶块形坯进行表面处理。
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