CN203484866U - 一种非预埋式异型弯曲水道热作模具 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种非预埋式异型弯曲水道热作模具，其特征在于：所述模具内设有用于冷却水流经的进、出集水槽和多条将所述进、出集水槽连通的异型弯曲水道；所述异形弯曲水道包括主干水道和至少1条与所述主干水道相连通的分流水道；所述模具型面设有PVD镀层。本实用新型具有模具型面温度均匀，结构简单，模具加工成本低，实用性强等优点。

Description

一种非预埋式异型弯曲水道热作模具

技术领域

本实用新型涉及金属材料成形领域，具体地说是一种非预埋式异型弯曲水道热作模具。

背景技术

目前，包含异型弯曲冷却水道系统的热作模具可用于汽车、轨道车辆、船舶、机械工业和建筑等行业，尤其在汽车行业，应用场合较多。由于环境污染日趋严重和资源的日渐匮乏，上述行业推行整装轻量化成为科技发展的必然趋势，因而高强度钢板和镁铝合金被大量使用。采用温热成形是最适合于高强度钢板和镁铝合金成形的方法。这要求包括温热冲压等热作模具具有良好的热机械性能、高的耐磨性，红硬性、抗氧化性、热稳定性和抗热疲劳性等，以保证在工作时模具尺寸精度稳定，表面硬度良好，能够承受板料剧烈热摩擦和氧化皮带来的磨损。热作模具在高温下，前述性能严重降低，影响了模具使用寿命和零件质量。为了保证成形零件质量的稳定性，必须使模具在连续工作状态时保持在较低温度，目前普遍采用的方法为在热作模具内部设置冷却水道。

传统热作模具冷却水道主要以采用机械钻孔、刚性水管预埋随模具毛坯一体铸造方式加以实现。机械钻孔方式无法加工弯曲水道以适应复杂型面模具，同时受限于机加深度必须将模具分为众多镶块，造成镶块间密封困难，冷却液的流动性降低，冲压过程中也容易产生间隙，严重影响热冲压件的质量。直水道也会使模具冷却不均匀，影响热冲压件的模内淬火质量、影响模具强度及寿命，也会影响热冲压件的生产效率。吉林大学（朱超.超高强度钢板的热冲压成形模具设计及优化[D].吉林大学:材料科学与工程学院,2010,5；一种汽车高强钢冲压件热成形模具制造方法[P].中国，实用新型专利，CN102179499A，2011.09.14）和哈尔滨工业大学（王洪光.热成形模具混排式冷却系统冷却效果研究[D].哈尔滨工业大学:机电工程学院,2011,6；李林涛.汽车保险杠热成形模具及其预埋式冷却系统研究[D].哈尔滨工业大学:机电工程学院,2010,6）研究的刚性水管预埋铸造方式也可以得到内部具有随型弯曲冷却水道的热冲压模具，但是，刚性水道管的弯折难度大，工序复杂，精度不高，截面几乎局限为圆形，且铸造时刚性水道管难与铸造母材融合而形成气隙，并在冷却后无法进行清除，显著影响模具冷却功能，而且根据相关文献（Q.Bai.An efficient closed-form method fordetermining interfacial heat transfer coefficient in metal forming,InternationalJournal of Machine Tools&Manufacture56(2012)102-110）报道，板料与模具的换热与所承受的压强相关，当模具型面复杂时，并不是水道采用随型的办法制造就可以确保型面温度均匀，而必须是按压非等距过渡分布或者采用互有影响的异型水道。另外，天津职业技术师范大学的实用新型专利（一种高强钢板热冲压模具制造方法[P].中国，实用新型专利，CN102744328A，2012.10.24）中研究了一种具有随型水道热冲压模具的制造方法，其技术特征不能适用于型面较复杂且异型水道弯曲交叉布置的模具；其次，随型水道通过拼焊方式加工会导致外表面加工困难，水道与模具壁存在一定间隙会对模具散热造成很大影响。再者，用螺栓将凸凹模剖分部分紧固的方式在受到连续冲击载荷时容易出现松动，造成模具的损伤。

实用新型内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种非预埋式异型弯曲水道热作模具。

本实用新型采用的技术手段如下：

一种非预埋式异型弯曲水道热作模具，其特征在于：所述模具内设有用于冷却水流经的进、出集水槽和多条条将所述进、出集水槽连通的异型弯曲水道；所述异型弯曲水道包括主干水道和至少1条与所述主干水道相连通的分流水道；所述模具型面设有PVD镀层。

作为优选，所述异型弯曲水道为浇注后去除采用陶瓷芯制作的异型弯曲水道芯或采用3D打印技术制作的砂芯形成的，所述异型弯曲水道的截面为圆形、方形、三角形及其他根据冷却需要设定的异型形状。异型形状主要指本实用新型中的水道可根据三维模型数据加工出任意截面形状的水道芯，不局限于圆形，方形等常规形状。

上述非预埋式异型弯曲水道热作模具可采用下述方法制造，具体步骤如下：

A.铸态模具毛坯制作：

①前期准备：将制作好的具有模具表面形状的铸型（铸型由相应的阳模造型制得）、异型弯曲水道芯整体结构和浇注系统装配合箱待浇注；

阳模主要根据模具的三维数模制造木模或铝模，由宝珠砂制作成模具毛坯的型腔，浇注时作为下箱或使用3D激光打印设备将砂子打印成包含模具型面在内的整个的型腔。

所述异型弯曲水道芯整体结构包括多条运用数值模拟优化设计的异型弯曲水道芯、固定在所述异型弯曲水道芯两端的进、出集水槽固定芯和将进、出集水槽固定芯固定的整体固定芯；所述异型弯曲水道芯为可用水道三维数模制作的模具制成的陶瓷芯，所述进、出集水槽固定芯为砂芯或所述异型弯曲水道芯整体结构为采用3D打印技术制作的整体芯结构。当所述异型弯曲水道芯为陶瓷芯时，在所述进、出集水槽固定芯外侧还设有用于固定陶瓷芯的金属定位模板。

浇注系统采用3D打印方式制作，该浇注系统在充分考虑宝珠砂发气现象的前提下设置了大量排气道，且通过3D打印技术可以将模具毛坯整体加工余量保证在3mm以内，大大节约了后续机加工的时间和成本。

②铸造工序：将出炉温度为1650℃的合金钢液按浇注工艺进行浇注，浇注时间控制在10s以内为佳，然后冷却、开箱、进行除浇冒口、清砂、喷丸、热处理、后处理和探伤检查等；

清砂是指当采用陶瓷芯作为异型弯曲水道芯时，浇注后采用苛性钾溶液脱芯；当异型弯曲水道芯整体结构为采用3D打印技术制作的砂型结构时，浇注完成后采用高压水枪清除砂芯。

喷丸是利用抛丸设备除去铸态模具毛坯表面的残渣和砂粒。

热处理是指对浇注完成后的铸态模具毛坯进行软化退火，在200℃以下装炉，升温速度≤80℃/小时，保温温度860-900℃，保温时间10-12小时后炉冷至300-400℃，出炉空冷。

后处理是采用砂纸对铸态模具型面和冒口残余进行打磨抛光。

探伤检查是通过超声波探伤仪对铸造模具毛坯内部缩松、缩孔、气孔等缺陷进行检测，确认该铸造模具毛坯质量良好。

B.铸态模具毛坯的粗加工：

包括铸态模具毛坯型面粗加工、淬火、回火；

所述铸态模具毛坯型面粗加工是对经热处理后的铸态模具毛坯切割浇道和冒口，然后以模具毛坯底平面为基准面进行型面粗加工，铣削2mm，再次观察型面是否存在显著缺陷，如仍然存在超声波未发现的大型缺陷，则需要采用焊补工艺进行焊补。

所述焊补是指在当焊补时间大于1小时，在常温下将铸态模具毛坯放入高温炉，随炉升温到300-350℃，保温0.5-1小时，再将高温炉升温到500-600℃，保温2-3小时，炉冷至200-250℃，出炉空冷然后焊补；当焊补时间小于1小时，在常温下将铸态模具毛坯放入高温炉，随炉升温至600-650℃，保温2-3小时，炉冷至200-250℃，出炉空冷然后焊补。

淬火是指室温下将铸态模具毛坯放入炉中，升温到450-500℃，保温0.5-1小时，继续升温至850-900℃，保温0.5-1小时，再加热至1100-1200℃，保温8-10小时，然后采用油淬；回火是指200℃以下装炉，升温至300-350℃，保温6-8小时，出炉空冷。

C.铸态模具毛坯的精加工：

包括铸态模具毛坯型面及配合面的精加工和型面PVD镀层。

铸态模具毛坯配合面的精加工是确保各镶块间的配合以及镶块与模板之间的配合。

型面PVD镀层是提高型面的耐磨耗和硬度以及耐热疲劳强度，进而增加模具的使用寿命，表面硬度要求范围：60～80HRC。

本实用新型提供的非预埋异型弯曲水道热作模具，该模具内异型弯曲冷却水道和进、出集水槽由陶瓷芯或3D打印芯形成，异型弯曲水道芯截面可以为任意形状，异型弯曲水道芯走向可以按照不同截面数值优化的结果任意生成，可以在模具内以多种形式布置，且异型弯曲水道芯和进、出集水槽芯均为非预埋式，浇注完成后异型弯曲水道芯和进、出集水槽固定芯可以完全清除掉，形成光滑的水道内壁，确保含有异型弯曲冷却水道模具型面温度的均匀性，解决了传统机械钻孔方式无法实现数值优化的异型弯曲水道及冷却速率不均性问题，克服机械钻孔的水道在模具薄处往往因强度弱而在使用中出现裂纹漏水、模具寿命低等问题。将3D打印技术和铸造相结合引入到热作模具的制作过程中，也解决了刚性水管预埋铸造得到内部具有随型弯曲冷却水道模具的预埋刚性管无法去除的缺陷，同时也避免了随型面走向弯曲水道模具无法产业化应用于工业实际生产的问题，具有较好的市场应用价值和重大产业化意义。本实用新型公开的3D打印技术制作的水道芯或陶瓷芯方法确保了含有数值优化的截面为任意形状水道与热作模具的铸造毛坯为一体化铸造成形，该模具采用的异型弯曲水道在传递热量时相互之间存在影响，可以保证在连续工作时，模具型面温度可以稳定在较低水平，保证型面温度均匀，降低模具的加工制造成本，且水道位置精度高，可满足大规模连续生产对热作模具的要求。

基于上述理由本实用新型可广泛用于金属板材的热冲压和热挤压成形领域。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用新型实施例1中提供的采用陶瓷芯作为异型弯曲水道芯的非预埋式异型弯曲水道热作模具毛坯的阳模。

图2是本实用新型实施例1中提供的非预埋式异型弯曲水道热作模具毛坯铸造方案的示意图。

图3是本实用新型实施例1中提供的非预埋式异型弯曲水道热作模具毛坯的异型弯曲水道芯整体结构的示意图。

图4是本实用新型实施例1中提供的非预埋式异型弯曲水道热作模具毛坯的水道芯、端部固定芯及端部金属模板的结构示意图。

图5是本实用新型实施例1中提供的非预埋式异型弯曲水道热作模具的凸模镶块铸件的效果示意图。

图6是本实用新型实施例1中提供的非预埋式异型弯曲水道热作模具的凸模镶块铸件的实物图。

图7是本实用新型实施例2中提供的采用3D打印技术制作的砂芯异型弯曲水道芯的非预埋式异型弯曲水道热作模具毛坯的阳模。

图8是本实用新型实施例2中提供的非预埋式异型弯曲水道热作模具毛坯卧浇方案的示意图。

图9是本实用新型实施例2中提供的非预埋式异型弯曲水道热作模具毛坯铸造方案的示意图。

图10是本实用新型实施例2中提供的非预埋式异型弯曲水道热作模具毛坯的异型弯曲水道芯整体结构的示意图。

图11是本实用新型实施例2中提供的非预埋式异型弯曲水道热作模具毛坯的浇注系统的排气孔及加强筋布置示意图。

图12是本实用新型实施例2中提供的非预埋式异型弯曲水道热作模具的凸模镶块铸件的效果示意图。

具体实施方式

本实用新型提供了一种非预埋式异型弯曲水道热作模具，模具内设有用于冷却水流经的进集水槽和出集水槽和多条将进集水槽、出集水槽连通的异型弯曲水道；异型弯曲水道包括主干水道和至少1条与主干水道相连通的分流水道；模具型面设有PVD镀层。

下面结合具体实例进一步讲解一下上述模具的制造方法。

实施例1

以典型轿车B-柱加强梁模具凸模镶块为例，非预埋式异型弯曲水道热作模具的毛坯采用铸造方法成形，主要包括如下步骤：

A.铸态模具毛坯制作：

①前期准备：

制作具有模具毛坯形状的阳模1（如图1所示）：阳模1主要根据模具的三维数模制造木模或铝模，由宝珠砂制作成模具表面型腔，浇注时作为下箱。

异型弯曲水道芯整体结构（如图3所示）：包括多条运用数值模拟优化设计的异型弯曲水道芯13、固定在所述异型弯曲水道芯13两端的进集水槽固定芯11和出集水槽固定芯12和将进集水槽固定芯11和出集水槽固定芯12固定的整体固定芯2；异型弯曲水道芯13为使用水道三维数模制作的模具压制成的陶瓷芯，进集水槽固定芯11和出集水槽固定芯12为砂芯。异型弯曲水道芯13为异型交叉弯曲冷却水道且水道截面为方形，保证模具连续工作时模面温度低于200℃，也使模面冷却均匀，保证热冲压件的模内淬火均匀、保证产品质量。

陶瓷芯制作工艺如下：提取三维数模中的异型弯曲水道特征，生成符合数控加工的NC代码，利用数控铣床加工出制作陶瓷芯用的模具；陶瓷芯浆料配方的成分和重量份比为：石英粉为100，增塑剂为18；增塑剂由石蜡、蜂蜡和聚乙烯构成，三者的质量百分比为93%、5%和2%；陶瓷芯制作完成后需进行固化处理，具体工艺为：在室温下自然干燥4-6h，然后在120-180℃下烘干30min，目视检查表面色泽均匀，无缺陷即可。

在模具毛坯的两端面的内侧设置异型弯曲水道芯13两端的进集水槽固定芯11和出集水槽固定芯12；异型弯曲水道芯13两端固定在进集水槽固定芯11和出集水槽固定芯12上后，再固定在整体固定芯2上；如图4所示，在进集水槽固定芯11和出集水槽固定芯12的外侧分别有与进集水槽固定芯11和出集水槽固定芯12外廓形状一样的金属定位模板14，异型弯曲水道芯13的两端通过金属定位模板14上的定位孔15定位，待异型弯曲水道芯13的陶瓷芯两端的进集水槽固定芯11和出集水槽固定芯12的砂芯固化后，去掉金属定位模板14，然后将剩余部分的砂芯全部制完并固化硬化。

浇注系统采用3D打印方式制作，将模具毛坯整体加工余量控制在3mm以内，大大节约了机加工的时间和成本。

如图2所示，将制作好的具有模具毛坯形状的阳模1所形成的型腔、异型弯曲水道芯整体结构和浇注系统装配合箱待浇注；其中，分型面3选择模具毛坯的底平面，整个型腔置于下箱，冒口5、浇道4及整体固定芯2置于上箱；冒口5为圆柱形单冒口，冒口5的技术数据采用模数法、液量补缩法和热节圆等方法复合计算并经过权衡后得出。

②铸造工序：将出炉温度为1650℃的合金钢液按浇注工艺进行浇注，浇注时间控制在10s以内为佳，然后冷却、开箱、进行除浇冒口、清砂、喷丸、热处理、后处理和探伤检查等；

采用苛性钾溶液作脱芯溶液，将清理好的铸态模具毛坯置于承载该脱芯溶液的180℃高温釜内进行高温蒸煮溶解6-8h，陶瓷芯溶解后脱除。

B.铸态模具毛坯的粗加工：

包括铸态模具毛坯型面粗加工、淬火、回火；

所述铸态模具毛坯型面粗加工是对经热处理后的模具毛坯切割浇道和冒口，然后以模具毛坯底平面为基准面进行型面粗加工，铣削2mm，再次观察型面是否存在显著缺陷，如仍然存在超声波未发现的大型缺陷，则需要采用焊补工艺进行焊补。

C.铸态模具毛坯的精加工：

包括铸态模具毛坯型面及配合面的精加工和型面PVD镀层。

铸态模具毛坯配合面的精加工是确保各镶块间的配合以及镶块与模板之间的配合。

型面PVD镀层是提高型面的耐磨耗和硬度以及耐热疲劳强度，进而增加模具的使用寿命，表面硬度要求范围：60～80HRC。

如图5、6所示，采用浇注后可清除的陶瓷芯作为异型弯曲水道的水道芯是理想的工艺选择，可生成所需的使模具型面温度较低且均匀的内部冷却结构，弯曲冷却水道芯的去除效果比较理想，且水道内壁较光滑，符合热作模具使用要求。

实施例2

以轿车B-柱加强梁模具凸模镶块为例，浇注系统及异型弯曲水道芯整体结构均由3D打印技术制成，包括如下步骤：

A.铸态模具毛坯制作：

①前期准备：

制作具有模具毛坯形状的阳模1（如图7所示）：阳模1主要根据模具的三维数模，使用3D激光打印设备将砂子打印成包含模具型面的整个型腔。

异型弯曲水道芯整体结构（如图10所示）：采用3D打印技术制作的砂型结构包括多条运用数值模拟优化设计的异型弯曲水道芯13、固定在所述异型弯曲水道芯13两端的进集水槽固定芯11和出集水槽固定芯12和将进集水槽固定芯11和出集水槽固定芯12固定的整体固定芯2，在整体固定芯2上还设有多个排气道72；

异型弯曲水道芯13为异型交叉弯曲冷却水道，该水道截面为圆形，在型面温度较高处采用一分二的水道设计，即主干水道和分流水道相结合的形式，保证模具连续工作时模面温度低于200℃，也使型面冷却均匀，保证热冲压件的模内淬火均匀、保证产品质量。

浇注系统采用3D打印方式制作，根据铸造工艺分析进行浇注方案设定，确定浇注方案为卧浇（如图8所示）后，将整个砂型数模导出为stl格式，读入3D打印设备，分别进行包含异型弯曲水道芯13在内的上砂型、包含模具型面的下砂型、浇道4和冒口5砂型的打印制作；考虑到浇注时的钢水对砂芯的冲击强度，上下砂型均采用耐火强度较高的宝珠砂进行打印制作，而浇道4和冒口5的砂型则采用普通强度的覆膜砂进行打印制作；整个砂型打印完成后需进行固化处理，具体工艺为：将砂型从3D打印设备中取出放入烘箱中，并在砂型四周填满玻璃珠，然后设置烘箱温度由50℃到120℃每隔30℃递增，每个温度下保温20min，硬化处理后取出观察，如砂型未变形则合格。

分型面3仍然选择阳模1的底平面（如图8所示），下箱7（如图9所示）为整体3D打印的包含模具型面的砂型，上箱为整体3D打印的包括异型水道芯整体结构砂型，冒口5为圆柱形单冒口固定在顶端，而浇道4则布置在侧面，为了确保补缩时不对水道砂芯形成剧烈冲击，在冒口5的侧面开设补充浇道6，钢水由补充浇道6进入。由于上下型部分、浇道部分、冒口部分通过3D打印的楔形角进行精确装配，保证了水道砂芯在模具内的位置精度。

考虑到宝珠砂铸造时发气量较大，整个砂型3D打印时设计了相当数量的排气道72（如图11所示），并通过3D打印技术可以将模具毛坯整体加工余量保证在3mm以内，大大节约了机加工的时间和成本，而且在下箱7内设计了加强筋结构71，在增加砂型强度的同时减轻了整套系统的重量，实现了轻量化。

②铸造工序：将出炉温度为1650℃的合金钢液按浇注工艺进行浇注，浇注时间控制在10s以内为佳，然后冷却、开箱、进行除浇冒口、清砂、喷丸、热处理、后处理和探伤检查等；

由于3D打印的异型弯曲水道芯整体结构为砂芯，在高温浇注后强度降到很低，很容易清除，可采用高压水枪从进、出集水槽喷射，高压水流冲过内部水道将残余砂芯全部带走，保证铸造模具水道畅通且表面较为光滑，工艺较陶瓷芯去除更为简单。

B.铸态模具毛坯的粗加工：

包括铸态模具毛坯型面粗加工、淬火、回火；

所述铸态模具毛坯型面粗加工是对经热处理后的模具毛坯切割浇道和冒口，然后以模具毛坯底平面为基准面进行型面粗加工，铣削2mm，再次观察型面是否存在显著缺陷，如仍然存在超声波未发现的大型缺陷，则需要采用焊补工艺进行焊补。

C.铸态模具毛坯的精加工：

包括铸态模具毛坯型面及配合面的精加工和型面PVD镀层。

铸态模具毛坯配合面的精加工是确保各镶块间的配合以及镶块与模板之间的配合。

型面PVD镀层是提高模面的耐磨耗和硬度以及耐热疲劳强度，进而增加模具的使用寿命，表面硬度要求范围：60～80HRC。

如图12所示，本实用新型可获得符合技术要求的热作模具镶块铸件，而且该工艺较实施例1中提及的陶瓷芯作为异型弯曲水道的水道芯制作热作模具毛坯的方法更优，保证模具型面温度较低且均匀的同时，该工艺的水道芯去除工艺也更加方便和简单，同时整体打印异型弯曲水道芯和进、出集水槽固定芯的方法也保证了异型弯曲水道芯在型腔内的位置精度，避免了陶瓷芯与金属定位模板装配固定导致的位置误差。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种非预埋式异型弯曲水道热作模具，其特征在于：所述模具内设有用于冷却水流经的进、出集水槽和多条将所述进、出集水槽连通的异型弯曲水道；所述异型弯曲水道包括主干水道和至少1条与所述主干水道相连通的分流水道；所述模具型面设有PVD镀层。 

2.根据权利要求1所述的非预埋式异型弯曲水道热作模具，其特征在于：所述异型弯曲水道为浇注后去除采用陶瓷芯制作的异型弯曲水道芯或采用3D打印技术制作的砂芯形成的，所述异型弯曲水道的截面为圆形、方形、三角形及其他根据冷却需要设定的异型形状。 

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