CN1907642A - 自透气性金属模具及其制造方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自透气性金属模具及其制造方法。该方法采用金属粉末在压应力作用下制备出含有连通孔隙的块体生坯；然后将金属粉末块体生坯烧结获得透气性金属块体；再通过机械加工或电加工将透气性金属块体制造成透气性金属模具型腔零件；将透气性金属模具型腔零件与成型模具的其它零件组合构成成型模具。本发明自透气性金属模具可应用于需要排除模腔中气体的流态材料成型，包括高分子材料成型、塑料成型、复合材料、金属液体及半固态材料的成型。本发明工艺步骤简单，操作方便，实施容易，生产成本较低，适合于大批量工业生产，应用范围广，市场前景好。

Description

自透气性金属模具及其制造方法和应用

                        技术领域

本发明涉及流体材料成型的模具制造技术，特别涉及一种自透气性金属模具及其制造方法和应用。

                        背景技术

塑料注射成型过程中，必须将模腔中的空气、聚合物中析出的气体以及塑料原料和脱模剂中挥发出的水蒸气完全彻底地排除干净，如果模腔中的气体不能顺利排除，则会造成充不满、制品产生熔接痕迹、裂纹、黑斑等表面质量缺陷。目前通常采用密实的块体金属模具坯料，通过机械加工之后制造成型腔模具(中国机械工业年鉴编辑委员会，中国模具工业协会编，2004中国模具工业年鉴，机械工业出版社，2004年9月，p59～60，p77～81)，最常采用的排气方法是在分型面上加工出排气槽实现排气，分型面的排气槽加工方便，是一种主要的排气方式。对于一些无法开设排气槽的部位，则利用推出系统间隙排气，推杆和推杆孔的间隙可做成间隙配合，利用推杆和推杆孔间隙就可顺利地排气。当模具的排气量较大，分型面排气槽或推出系统间隙排气不能满足排气的需要，则在型腔最后充满的位置安装排气塞排气(杨春旭，模具的排气，模具制造，2004，NO.2，p64～65。王明杰，范新凤，范有发，大型热芯盒模具排气系统设计，电加工与模具，2005，NO.5，p53～54)。进行CAE塑料成型过程数值模拟分析的一个重要内容就是确定模具的排气量、排气口的位置和尺寸，计算工作量大、建模与求解过程复杂。在铸造过程中，由于无法顺利排除模腔中的气体，经常造成铸件废品。

吸塑摸具的吸气通道一般通过钻头钻孔的方法制造，由于吸气孔尺寸较大(直径1mm左右)，分布不密不匀，造成吸塑制品表面质量较差，特别当生产表面具有微细凹凸图案的产品时，吸气孔的大小及分布会直接影响图案的连续性及复制精度，因此希望吸气孔细而均匀地分布在模具型腔的内表面。日本首先研制出具有自透气性能的多孔陶瓷(porous permeable ceramics)和金属陶瓷吸塑模具之后(中国专利申请号：94104426.2，发明名称：耐用透气性模具的制备方法)，国内外的学者相继开展了这方面的研究(刘军，陈志刚，Al₂O₃基高强度透气性陶瓷材料的研制，机械工程材料，第28卷第12期，2004年12月，p17～19。乔木，张明，初小葵，陶瓷吸塑模具制备的工艺研究，中国陶瓷，2003(3)：p26～28，25。V.Vorob’eval and V.G.Leonov，The effect of the finelydispersed component on the formation of a porous permeable structure inceramics，Glass and Ceramics，Vol.59，No.5-6，2002，p205～206.)，这种陶瓷模具本身含有遍及全体的连续细孔，气体可以直接从模具材料中穿透，不专门设置排气、引气系统，塑料模具同样具有良好的排气和吸气功能，而且由于孔隙细小而密集，不会产生局部气体积聚的现象，制品成型精度高。这种透气性陶瓷模具的制作过程是：配料—制浆—母模成型—干燥—烧结。烧结之后陶瓷材料硬而脆，不易进行机械加工，特别是陶瓷不导电，金属陶瓷中含不导电的陶瓷成分，材料无法进行线切割、电火花加工，因此不能先制造出透气性材料，然后再通过机械加工制造成模具，模具自身的成型必须在干燥和烧结之前完成，而在干燥和烧结过程中模具坯料的形状和尺寸会产生变化，造成模具本身最终的形状和尺寸精度难以保证。陶瓷材料受热不均匀的情况下容易开裂，并且由于陶瓷材料的热传导系数小，传热效率低，这一点严重影响了透气性陶瓷材料在塑料成型模具中的实际应用，因为塑料成型之后，需要迅速冷却固化，以提高重复生产的效率。由于陶瓷材料的这些缺点，没有将透气性陶瓷模具用于注塑成型和铸造成型的报道。

                        发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的首要目的在于提供一种自透气性金属模具(self permeable metallic mould)。

本发明的另一目的在于提供上述自透气性金属模具的制造方法。

本发明的再一目的在于提供上述自透气性金属模具的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种自透气性金属模具的制造方法，包括下述步骤：

(1)采用金属粉末在压应力作用下制备出含有连通孔隙的块体生坯。

(2)然后将金属粉末块体生坯烧结获得透气性金属块体。

(3)通过机械加工方法或电加工方法将透气性金属块体制造成透气性金属模具型腔零件。

(4)将透气性金属模具型腔零件与成型模具的其它零件组合构成成型模具，即得到自透气性金属模具。

为了更好地实现本发明，所述金属粉末进行粒度分级，采用均匀粒径的金属粉末制备具有均匀孔隙的块体生坯；所述金属粉末的粒径介于50～60微米之间。

所述金属粉末为不锈钢粉末或合金钢粉末等。

为了提高透气性不锈钢金属块体材料的强韧性，在不锈钢粉末中加入不锈钢短纤维粉末，所述不锈钢短纤维粉末添加量约为5％～30％。

本发明通过控制压制金属粉末的压制压强，控制金属粉末生坯的孔隙率，获得具有连通孔隙的块体生坯；所述步骤(1)中压应力作用条件为压制压强在150～650MPa之间。

步骤(2)中烧结具体工艺条件为烧结温度1200～1350℃，保温1～3小时，维持金属粉末块体材料的连通孔隙。

所述金属粉末块体材料的连通孔隙率控制在10％～35％之间。

所述机械加工方法包括线切割、电火花、铣削、车削、磨削、或抛光等机械加工方法加工透气性金属材料制造模具。

一种自透气性金属模具就是通过上述方法得到。

本发明自透气性金属模具可应用于需要排除模腔中气体的流态材料成型，包括高分子材料、塑料、复合材料、金属液体及半固态材料的成型，流态材料是指加热之后材料在外力作用下可以流动的材料。

本发明的作用原理是：粉末颗粒堆积后其内部形成大量的孔隙，颗粒堆积在一起后其孔隙是一个连通体，气体或液体物质可在这种连通孔隙通道内顺利穿行，因此可以通过粉末冶金方法制备出气体或液体的过滤材料。实际粉末颗粒在压制过程中颗粒还会产生一定的变形，压力越大，变形越大，颗粒堆积的紧密程度越高，孔隙越小。烧结之后，颗粒之间接触的部位实现冶金熔合连接在一起，多孔材料从而具有一定的强度，当控制适当的工艺参数，其内部的大部分微孔隙保持相互连通，因此可以通过粉末冶金方法制备出透气性金属块体。然后通过机械加工的方法将透气性金属块体制造成流体材料成型的模具型腔，采用透气性金属块体制造的模具材料自身具有透气性。虽然粉末冶金材料微孔隙尺寸很小(尺寸一般小于50微米)，但气体可以穿透材料，而热的流体材料(如塑料或金属流体)与模具表面接触之后，与模具表面接触的流体材料温度迅速降低而凝固，从而阻碍了流体材料进入模具材料的微孔隙中。因此粘性的塑料或金属流体在透气性金属块体制作的模具型腔中成型时，气体可以顺利进入粉末冶金微孔隙穿过模具金属块体，但粘性的塑料或金属流体并不会进入模具的粉末冶金微孔隙中堵塞气体通道，卸出成型件之后，透气性金属模具可以重复进行工作。模具型腔材料自身具有透气性功能，因此无需开设常规的排气系统。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、与采用普通密实的块体金属模具坯料通过机械加工之后制造成型腔模具的方法相比，本发明方法制造的模具本身含有遍及全体的连续细孔，气体可以直接从模具材料中穿透，不专门设置排气、引气系统，模具同样具有良好的排气和吸气功能，而且由于孔隙细小而密集。

2、与自透气性陶瓷模具相比，本发明制造的自透气性金属块体材料可以象普通金属材料一样进行线切割、电火花加工，而电加工是复杂型腔模具制造中必须采用的加工方法。

3、采用透气性多微孔金属模具进行注塑成型的应用：生产底部形状复杂的杯状产品使用边缘浇口的模具型腔，其排气系统将需要大量的技术工作，以保证底部的空气能完全排出。如果使用多孔性材料制造型芯和模腔，就不需要附加的排气措施。此外，因为排气发生在模腔的整个表面上，原则上可以自由选择浇口的位置，因此可以简化模具设计，为模具的设计带来很大的方便；多孔材料模腔的排气速度可以较快，模具型腔内气体的压力上升幅度较小，气体对塑料充型流动的阻力较小，有利于提高充型速度，缩短充型时间。常规的模具制造方法即使采用排气塞时也无法达到这样的效果。

4、对于狭长型芯，移走必要的热量是相当困难的，在这种情况下，可以通过型芯的微孔通入冷空气来强化冷却，从而缩短生产周期，而且可以改善模具表面温度的均匀性。

5、本发明不用顶出杆、脱模圈，通过向模具的型芯注入高压气体也能够卸出制品，这样不需要克服顶出过程中的真空现象，可以避免塑件顶出时产生变形，也不会在塑件上留下顶出痕迹，有利于塑件的精密成型。

6、用于流体金属成型的铸造模具也可以采用透气性金属制造，可以解决大型铸件成型过程中卷气和排气不顺造成的问题。

7、本发明工艺步骤简单，操作方便，实施容易，生产成本较低，适合于大批量工业生产，应用范围广，市场前景好。

                    附图说明

图1为本发明的自透气性金属模具的结构示意图。

                  具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例是一种自透气性金属模具的制造步骤及进行塑料成型的过程：

首先选用牌号为304L的不锈钢粉末为原料，往原料不锈钢粉末中添加1％(质量百分比)润滑剂硬脂酸锌，然后将粉末材料装入粉末压制模具中，控制压制压力为400MPa，压制出块体生坯；然后在RSJ-13四段高温烧结炉进行烧结，烧结气氛为分解氨，烧结炉烧结温度段为烧结温度1200～1350℃，保温1～3小时，获得孔隙率为25％的透气性不锈钢块体材料；然后进行油淬火热处理，提高透气性不锈钢块体材料的性能。

如图1所示(8表示压力)，10是排气工艺孔，利用电火花工艺将透气性不锈钢块体材料加工出型腔模具1，并通过磨削抛光型腔表面，上安装板2和密封橡胶圈3组装出完全封闭的模具型腔5(简称模腔)，即构成自透气性模具主体部分；连接锣钉4将注塑料筒6固定在上安装板2上，上安装板2与下安装板11通过联结螺杆9将透气性模具主体部分组装得到全套注塑实验装置(即自透气性金属模具)。实验中选用ABS树脂塑料，置于注塑料筒6内加热到170℃，模具型腔5温度加热到40℃左右，通过注塑杆7分别在20MPa、15MPa两种压力条件下进行注塑实验，注塑时间约为10s，充填完毕后保压5min。注塑后期，模具型腔中一旦充填完毕，设备的压力值将急速增大，此时保持预定压力值15MPa进行保压。5分钟保压时间完毕后即可以开模，卸出成型好的塑料件。重复进行塑料成型过程。

利用本发明方法设计和制造的自透气性金属模具顺利的完成了注塑实验，注塑件充填完全，说明所制备出的自透气性金属模具钢材料透气性能良好，利用透气性金属块体制备出的自透气性金属模具在接触缝被密封的条件下具有良好的排气效果，模具型腔中的气体透过透气性金属块体材料全部排除，粘性的塑料没有进入模具的粉末冶金微孔隙中堵塞气体通道。

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：压制压力为150MPa，获得孔隙率为35％的透气性不锈钢块体材料。

实施例3

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：压制压力为650MPa，获得孔隙率为10％的透气性不锈钢块体材料。

实施例4

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：在常规的不锈钢粉末中加入10％(质量百分比)的不锈钢短纤维粉末。

实施例5

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：对不锈钢粉末进行粒度分级，采用粉末的粒径介于50微米～60微米之间。

实施例6

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：注入模具型腔的流体材料为液态铝合金。

实施例7

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：注入模具型腔的流体材料为半固态铝合金。

实施例8

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：金属粉末材料为合金钢粉末，牌号为SFJ200.30。

如上所述，可较好地实现本发明。

Claims (10)

1、一种自透气性金属模具的制造方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)采用金属粉末在压应力作用下制备出含有连通孔隙的块体生坯；

(2)然后将金属粉末块体生坯烧结获得透气性金属块体；

(3)通过机械加工方法或电加工方法将透气性金属块体制造成透气性金属模具型腔零件；

(4)将透气性金属模具型腔零件与成型模具的其它零件组合构成成型模具，即得到自透气性金属模具。

2、根据权利要求1所述的一种自透气性金属模具的制造方法，其特征在于：所述金属粉末的粒径介于50～60微米之间。

3、根据权利要求1所述的一种自透气性金属模具的制造方法，其特征在于：所述金属粉末为不锈钢粉末或合金钢粉末。

4、根据权利要求3所述的一种自透气性金属模具的制造方法，其特征在于：在不锈钢粉末中加入不锈钢短纤维粉末，所述不锈钢短纤维粉末添加量为5％～30％。

5、根据权利要求1所述的一种自透气性金属模具的制造方法，其特征在于：所述步骤(1)中压应力作用条件为压制压强在150～650MPa之间。

6、根据权利要求1所述的一种自透气性金属模具的制造方法，其特征在于：所述步骤(2)中烧结具体工艺条件为烧结温度1200～1350℃，保温1～3小时。

7、根据权利要求1所述的一种自透气性金属模具的制造方法，其特征在于：所述金属粉末块体材料的连通孔隙率控制在10％～35％。

8、根据权利要求1所述的一种自透气性金属模具的制造方法，其特征在于：所述机械加工方法包括线切割、电火花、铣削、车削、磨削、或抛光机械加工方法。

9、一种自透气性金属模具就是通过权利要求1～8任一项所述的制造方法得到。

10、权利要求9所述的自透气性金属模具在流态材料成型中的应用。

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