CN214448275U - 一种髓形冷却模具 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种髓形冷却模具，包括模具本体，在模具本体内腔中设置有髓形结构(4)，所述模具本体上设置有冷却介质入口(1)及冷却介质出口(2)，冷却介质入口(1)及冷却介质出口(2)分别与髓形结构(4)连通。本实用新型髓形冷却模具用髓形结构取代现有中空的管形流道，温度分布更均匀、冷却空间更大、冷却效果更好、模具强度更高、使用寿命更长。通过本实用新型，可以实现模具工作表面和产品的无盲区均匀冷却，冷却介质在髓形冷却模具的髓隙中穿流时自然形成高传热效果的湍流，大大提升了注塑、铸造、冲压等行业的冷却效率和模具寿命，降低了制件成本，提高了产品质量。

Description

一种髓形冷却模具

技术领域

本实用新型涉及一种髓形冷却模具，属于模具制造领域。

背景技术

模具号称“工业之母”，是现代工业生产中不可或缺的重要装备，模具技术水平的高低是衡量一个国家综合制造能力的重要标志。模具的冷却系统是其核心部分，决定着产品质量、生产效率和模具寿命。

为快速调节模具温度，实现模具工作部位快速冷却，传统的做法是用钻头在模具上打直孔形成直孔型冷却流道，在直孔型冷却流道里面充入冷却介质(通常是冷却水或油)带走热量，这一方法用了很多年，目前依然应用普遍。这种技术方法的优点是简单易行，缺点是只能在局部区域布置冷却流道，离冷却流道近的地方冷却效果好、温度低，离冷却流道远的地方冷却效果不好(即存在冷却盲区)、温度高。温度不均匀导致产品质量问题(如翘曲变形、一致性差、表面质量不好等)、生产效率低、模具寿命短。当产品结构复杂时这一问题尤其突出。从根本上说，这种直孔型冷却流道是直线型思维的结果。增材制造(3D打印)技术的出现使得传统的直孔型冷却流道变为弯孔型冷却流道成为可能。利用增材制造技术，让冷却流道在模具内部弯曲、跟随工作部位形状进行布置的流道，通常被称为随形冷却流道。在此基础上，为提高冷却效率，申请号为201810529989.3和201711344657.X的这类专利对弯孔型随形冷却流道内壁进行局部处理，促使湍流的形成，提升热交换效率；为增加冷却介质与模具的接触面积，减少冷却盲区，申请号为201310559377.6的专利提出在离工作部位表面一定距离的空心层内设置并联、串联与并联组合的迷宫式冷却流道。

从实际运用效果上来看，基于3D打印的弯孔型随形冷却流道在一定程度上改善了模具的冷却效果和产品质量。但从根本上说，这类随形冷却流道或者改进型的随形冷却流道，依然是曲线型思维的结果，是直线型思维的延伸，只要是线型(无论是直线还是曲线)的流道思维，就必然存在冷却盲区，因为总存在离流道近和远的区域。不论局部如何改进，直线或曲线的流道思维终究不能发挥3D打印构建复杂空间结构的优势，这种流道设计思维需要彻底革新。

髓形冷却摒弃了直线型、曲线型的流道设计和应用技术思维，基于仿生学原理，直接使用空间立体结构的髓形冷却方法，通过三维髓形结构的建立，在空间上对模具工作部位和产品进行无盲区均匀冷却，冷却介质在髓形结构的髓隙中穿流时自然形成高传热效果的湍流，从根本上解决了注塑、铸造、冲压等行业的模具和制件的冷却均匀性、冷却效率、产品质量和模具寿命问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有直线型(直孔型冷却流道)、曲线型(弯孔型随形冷却流道及其改进型)思维导致的流道技术的缺陷，提供了一种髓形冷却(MarrowCooling，简称MC)模具。

本实用新型髓形冷却模具，包括模具本体，在模具本体内腔中设置有髓形结构，所述模具本体上设置有冷却介质入口及冷却介质出口，冷却介质入口及冷却介质出口分别与髓形结构连通。

进一步地，所述模具本体的模具工作部位表面与髓形结构的距离为2～12mm。

优选地，所述模具本体的模具工作部位表面与髓形结构的距离为3mm。

进一步地，所述髓形结构包含阵列单元体，阵列单元体的形状为X形、米字形或它们中的两种或者多种形状的组合。

进一步地，单元体的大小和分布根据模具形状和冷却要求进行调节。

进一步地，单元体为大小相同的十字形均匀阵列。

进一步地，所述髓形结构由3D打印而成。

本实用新型的髓形冷却模具具有以下优点：

一是髓形冷却摒弃了直线型、曲线型的流道设计和应用技术思维，使髓形结构遍布整个需要冷却的工作部位区域，不存在冷却盲区，从根本上解决了冷却均匀性问题。

二是髓形冷却可以从根本上解决冷却效率问题，具体有以下三个原因：(1)无需运用其他附加技术和结构，冷却介质在髓形结构的髓隙中穿流时就会自然形成湍流，换热效率高，成本低廉；(2)髓形结构遍布工作部位区域，冷却介质可以及时把热量带走，冷却效率高；(3)髓形结构与工作部位相连，工作部位热量通过热传导到达髓形结构，而髓形结构周围全是冷却介质，热量可以瞬间带走，冷却效率高。

三是髓形冷却使得模具工作部位能够真正实现快速均匀冷却，产品表面质量高、无翘曲变形、产品一致性好，从根本上解决产品质量问题；

四是冷却介质可以到达工作部位任何位置，没有盲区，使得模具工作部位温度分布均匀，模具内部没有热应力，提高了模具使用寿命。

五是直线型和曲线型冷却流道在模具内部都形成了空腔，流道越密，空腔越多，模具强度就越低，而髓形结构相互连接，不仅保证了冷却介质可以无盲区地到达需要冷却的所有区域，而且保证了模具强度，充分展现了骨骼仿生学重量轻、强度高的优点。

六是髓形冷却模具在使用过程中，使用循环的经过过滤处理的冷却介质避免污染和堵塞，不必经过复杂的特殊涂层或结构改变处理，简单易行，成本低，效果好，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本实用新型髓形冷却模具一种实施例的结构示意图。

图2是本实用新型髓形冷却模具一种实施例的分段剖视图。

图3是本实用新型髓形冷却模具一种实施例的结构平面剖视图。

图4是本实用新型髓形冷却模具十字形髓形结构单元体阵列示意图。

图5是本实用新型髓形冷却模具钻石形髓形结构单元体阵列示意图。

图6是本实用新型髓形冷却模具X形髓形结构单元体阵列示意图。

图中：1.冷却介质入口，2.冷却介质出口，3.模具工作表面，4.髓形结构，5.冷却介质流动髓隙。

具体实施方式

以下结合附图1-6，对本实用新型髓形冷却模具作进一步详细说明。

如图1-3所示，本实用新型的一种髓形冷却模具，包括模具本体和在本体内腔中设置的髓形结构4，模具本体包括设置在模具本体侧面的冷却介质入口1及冷却介质出口2，冷却介质入口1及冷却介质出口2分别与髓形结构4连通，髓形结构4内具有冷却介质流动髓隙5。

模具本体的模具工作部位表面3与髓形结构4的距离为2～12mm，优选为3mm。

如图4-6所示，髓形结构4包含阵列单元体，该阵列单元体的形状为十字形、钻石形或X形，也可以是米字形，还可以是十字形、钻石形、X形、米字形以及其它多种形状中的两种或者多种的组合。

单元体的大小和分布根据模具形状和冷却要求进行调节。优选单元体为大小相同的十字形均匀阵列。

本实用新型的髓形结构4由3D打印而成。

本实用新型的髓形冷却模具，可以由以下的成形方法形成，该成形方法包括以下步骤：

第一步，仿照人体骨骼、骨髓结构，在需要冷却的部位设置骨髓形状的结构，建立髓形冷却模具的三维数据模型，通过调节模具工作部位表面与髓形结构的距离和冷却介质流率控制冷却速度，髓形结构由阵列的单元体组成，单元体相互连接形成骨髓形状的冷却介质流动髓隙，同时起到支撑和增强作用，冷却介质可以在髓隙中穿流，形成湍流，高效完成热交换并带走工作部位热量，实现工作部位表面快速均匀冷却；

第二步，采用金属3D打印技术对所述三维数据模型进行打印，打印时模具表面预留余量，打印后通过热处理去除模具内应力，同时提高模具硬度；

第三步，根据模具工作部位表面质量要求，通过机加工去除模具表面余量并进行抛光处理，获得所需的髓形冷却模具。

所述冷却介质包括但不限于水、液、油、气，优选为冷却油。

所述的金属3D打印技术包括但不限于选区激光熔化技术、电子束熔融技术、离子束熔融技术、激光熔覆成型技术，优选为选区激光熔化成形。

所述热处理工艺根据模具材料制定，热处理后模具硬度达到50～60HRC，模具材料优选为18Ni300模具钢，当模具材料为18Ni300模具钢时，热处理方法优选为490摄氏度保温6小时，然后随炉冷却，模具硬度不小于55HRC。

所述去除模具表面余量的机加工方法优选为CNC加工。

根据以上所述的成形方法成形获得的髓形冷却模具，在使用过程中，为避免污染和堵塞，循环的冷却介质应经过过滤处理。

实施例1：

按以下技术步骤打印一个髓形冷却注塑模具：第一步，建立髓形冷却模具的三维数据模型，模具工作部位表面与髓形结构的距离为3mm，髓形结构由均匀阵列的钻石形单元体组成，以循环过滤的水作为冷却介质，冷却水在髓隙中穿流，形成湍流；第二步，采用模具钢材料18Ni300通过选区激光熔化3D打印技术对髓形冷却模具进行打印，打印机型号为EOSM290，打印时模具表面预留0.8mm余量，打印后模具在490摄氏度下保温6小时，然后随炉冷却，去除模具内应力，同时提高模具硬度至56HRC；第三步，通过CNC机加工去除模具表面余量并进行抛光处理，使模具精度等级为IT7级，工作面表面质量达到A1级，从而获得所需的髓形冷却模具。使用该髓形冷却模具进行聚丙烯材料的注塑实验，测试冷却时间和制件的翘曲变形(样品标号SM-1)，与相同条件下使用传统的直孔型和随形冷却的弯孔型冷却模具得到的结果进行对比，列于表1中。

实施例2：

按以下技术步骤打印一个髓形冷却压铸模具：第一步，建立髓形冷却模具的三维数据模型，模具工作部位表面与髓形结构的距离为4mm，髓形结构由均匀阵列的十字形单元体组成，以循环过滤的油作为冷却介质，冷却油在髓隙中穿流，形成湍流；第二步，采用H13模具钢材料通过选区激光熔化3D打印技术对髓形冷却模具进行打印，打印机型号为ConceptLaser M2，打印时模具表面预留0.6mm余量，打印后模具在460摄氏度下保温9小时，然后随炉冷却，去除模具内应力，同时提高模具硬度至58HRC；第三步，通过CNC机加工去除模具表面余量并进行抛光处理，使模具精度等级为IT6级，工作面表面质量达到A2级，从而获得所需的髓形冷却模具。使用该髓形冷却模具进行6061铝合金的压铸实验，测试冷却时间和制件的翘曲变形(样品标号YZ-1)，与相同条件下使用传统的直孔型和随形冷却的弯孔型冷却模具得到的结果进行对比，列于表1中。

实施效果对比：

实施效果的参数对比见表1。注塑实验中，随形冷却的弯孔型冷却模具比传统的直孔型冷却模具的冷却时间和制件翘曲分别减少了31.7％和28％，而髓形冷却模具比弯孔型冷却模具的冷却时间和制件翘曲分别减少了67.9％和94.4％，比直孔型冷却模具的冷却时间和制件翘曲分别减少了78％和96％。压铸实验中，随形冷却的弯孔型冷却模具比传统的直孔型冷却模具的冷却时间和制件翘曲分别减少了44.1％和27.6％，而髓形冷却模具比弯孔型冷却模具的冷却时间和制件翘曲分别减少了61.5％和85.7％，比直孔型冷却模具的冷却时间和制件翘曲分别减少了78.5％和89.7％。从实施过程和效果可以看出，传统的直孔型或随形冷却的弯孔型冷却方法只能在局部区域布置冷却流道，离冷却流道近的地方冷却效果好、温度低，离冷却流道远的地方冷却效果不好(即存在冷却盲区)、温度高，温度不均匀导致产品质量不高(如翘曲变形、一致性差、表面质量不好等)、生产效率低、模具寿命短，产品结构越复杂，这一问题越突出。

本实用新型提供的髓形冷却模具摒弃了直线型、曲线型的流道设计和应用技术思维，使髓形结构遍布整个需要冷却的工作部位区域，不存在冷却盲区，从根本上解决了冷却均匀性问题。髓形冷却无需运用其他附加技术和结构，冷却油在髓形结构中穿流时就会自然形成湍流，换热效率高，成本低廉；髓形结构遍布工作部位区域，冷却介质可以及时把热量带走，冷却效率高；髓形结构与工作部位相连，工作部位热量通过热传导到达髓形结构，而髓形结构周围全是冷却介质，热量可以瞬间带走，冷却效率高，这样，髓形冷却可以从根本上解决冷却效率问题。髓形冷却使得模具工作部位能够真正实现快速均匀冷却，产品表面质量高、无翘曲变形、产品一致性好，从根本上解决产品质量问题。冷却介质可以到达工作部位任何位置，使得模具工作部位温度分布均匀，模具内部没有热应力，提高了模具使用寿命。直线型和曲线型冷却流道在模具内部都形成了空腔，流道越密，空腔越多，流道越大，空腔也越大，模具强度就越低，而髓形结构相互连接，不仅保证了冷却介质可以无盲区地到达需要冷却的所有区域，而且保证了模具强度，充分展现了骨骼仿生学重量轻、强度高的优点。髓形冷却模具在使用过程中，使用循环的经过过滤处理的冷却介质避免污染和堵塞，不必经过复杂的特殊涂层或结构改变处理，简单易行，成本低，效果好，具有广泛的应用前景。

表1实施例参数对比

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种髓形冷却模具，包括模具本体，其特征在于，在模具本体内腔中设置有髓形结构(4)，所述模具本体上设置有冷却介质入口(1)及冷却介质出口(2)，冷却介质入口(1)及冷却介质出口(2)分别与髓形结构(4)连通。

2.如权利要求1所述的髓形冷却模具，其特征在于，所述模具本体的模具工作部位表面(3)与髓形结构(4)的距离为2～12mm。

3.如权利要求2所述的髓形冷却模具，其特征在于，所述模具本体的模具工作部位表面(3)与髓形结构(4)的距离为3mm。

4.如权利要求1所述的髓形冷却模具，其特征在于，所述髓形结构(4)包含阵列单元体，阵列单元体的形状为十字形、钻石形、X形、米字形或它们中的两种或者多种形状的组合。

5.如权利要求4所述的髓形冷却模具，其特征在于，单元体的大小和分布根据模具形状和冷却要求进行调节。

6.如权利要求5所述的髓形冷却模具，其特征在于，单元体为大小相同的十字形均匀阵列。

7.如权利要求1所述的髓形冷却模具，其特征在于，所述髓形结构(4)由3D打印而成。

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