專利名稱：一種熱噴涂快速制作鋼基模具的方法
技術領域：
本發明涉及模具制造領域，具體指一種快速制作模具的方法。
背景技術：
模具使加工產品限制在規定的形狀和尺寸之內，越來越多的機械零部件和制品需要在模具中加工成型。模具的加工周期、加工成本和質量直接關系到所生產產品在市場上的競爭力。傳統的模具制造方法，如機械加工、鑄造、電火花加工等有較長的設計和制造周期，并且成本較高，難以適應現今飛速發展的社會要求，人們迫切需要一種快、 廉、好的模具制造方法。近幾年出現的快速原型(RP)技術綜合運用計算機輔助設計和制造技術、激光技術和材料科學技術，在沒有傳統模具和夾具的情況下，快速制造出任意復雜形狀而又具有一定功能的三維實體模型或零件。快速原型與制造技術的推廣應用明顯縮短了新產品的上市時間，節約新產品開發和模具制造的費用。通過將快速原型技術與電鑄、電弧噴涂、等離子噴涂、等離子熔射成形、澆注、精密鑄造等特種加工方法相結合，使模具加工更加靈活、快捷、經濟，形成了一個很有發展前景的新技術領域。在上述模具加工方法中，作為熱噴涂主要方法之一的電弧噴涂技術以生產效率高、成本低、加工時間周期短等顯著優點而最受人們關注。在熱噴涂過程中，通過采取適當的工藝控制，可以將這些低熔點金屬材料噴涂到塑料、木材、石膏、皮革或蠟制品表面，或利用快速成型技術制得的三維實體模型表面翻制最終模具，目前這項技術已經應用于塑料模具的制造。用這種方法制造模具既快速，又經濟，還有很好的復制能力，它們可以被用到塑料制品的吹塑成型、吸塑成型和大多數的聚氨酯生產工藝中。目前用于電弧噴涂快速模具制造的材料多是以鋅基合金為主的低熔點合金，由于低熔點合金的使用溫度低，硬度不高，強度有限，使電弧噴涂模具制造技術的應用范圍受到了很大的限制，對于目前需要最大壓鑄、沖壓、注塑等應用的模具還不能應用這種制造技術。這些種類的模具要在高溫或高沖擊力下使用，對模具的強度和表面有較高的要求，低熔點合金模具很難適應這樣苛刻的工作條件要求，通常對這些應用的模具多采用高強鋼制造，所以研究開發一種采用電弧噴涂技術制造可用于壓鑄、沖壓、注塑等要求的長壽命鋼基模具非常必要。電弧噴涂鋼基涂層快速制作模具的關鍵是設法使高熔點的涂層材料沉積在快速成型技術制得的三維實體模型表面，并且把該實體模型的表面輪廓和細節準確的復制下來，同時還要保證模具的總體形狀和尺寸在允許的誤差范圍內。由于快速原型技術所提供的三維實體模型多是紙基材料或樹脂基材料制成，電弧噴涂的鋼鐵材料粒子溫度達1000°c 以上，在粒子撞擊到模型表面時，粒子的熱量會使低熔點的紙基材料或樹脂基材料表面瞬間過熱和碳化，導致鋼基涂層不能有效地沉積并覆蓋在模型表面，因此也就無法形成要求的模具型腔。
發明內容
發明目的本發明提供一種熱噴涂快速制作鋼基模具的方法，目的在于克服現有技術缺陷，制作出符合施工要求的模具。
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技術方案本發明是通過以下技術方案實施的一種熱噴涂快速制作鋼基模具的方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)在快速原型RP技術提供的工件模型或由其他方法制作的模型腔表明涂刷有利于低熔點合金涂層沉積的脫模劑；(2)在制備好的RP模型或模型形腔表面電弧噴涂低熔點合金涂層翻制中間模的過程；(3)對中間模灌注石膏進行加固，并在石膏中預埋安裝螺釘；(4)待石膏完全固化、干燥后，取下RP模型或其他方法制得的模型形腔，得到表面包裹著薄層低熔點合金涂層的石膏陽模，并將其固定在可作為模具分型面的鋼板上；(5)采用電弧噴涂方法在表面包裹著薄層低熔點合金涂層的石膏陽模表面均勻噴涂鋼基或其他高強度、高硬度涂層；(6)使用成分為Al占4-20%，熔點為300-400°C的鋅基合金對模具的背面加固處理，如有需要可預埋冷卻或加熱水道；(7)待鋅基合金凝固后，去除石膏陽模，然后將留下的鋼基模具加熱到超過制備中間模使用的低熔點合金的熔點，用軟布清除殘留的低熔點合金。在中間模具表面噴涂的低熔點合金組成為錫、錫-鉍合金、錫-鋁合金、錫-鋅合金、錫-銻合金或錫-銻-銅合金，合金的熔點120-250°C，絲材直徑3mm。中間模電弧噴涂低熔點合金的工藝參數為工作電壓23V，噴涂電流50A，霧化空氣壓力0. 4Mpa,噴涂距離180mm。最終模具的內層材料應具有高強度和高硬度，并且在圖層材料沉積時可發生馬氏體轉變；合適的涂層材料是馬氏體不銹鋼(CO. 3-0. 5%,Crl2-15% )，高碳鋼(C彡0. 7% )， 鋼絲直徑為1. 6-2. 0mm。優點及效果本發明針對現有技術缺陷提供的解決方法，借助于制作低熔點合金表面薄層，并采用石膏灌注加固的中間模具的過程，最終制作出符合具體施工要求的鋼基模具。應用本發明方法所制得的鋼基模具具有很好的表面復制效果和精度，而且其最終模具的總體形狀和尺寸都能保證在允許的誤差范圍內。這些模具可用于壓鑄、沖壓、注塑等成型加工過程，具有廣闊的發展前景。
圖1為本發明的具體工藝流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明進行具體的說明。圖1為本發明的具體工藝流程圖，如圖所示，本發明的工藝流程如下(1)在快速原型RP技術提供的工件模型或由其他方法制作的模型腔表明涂刷有利于低熔點合金涂層沉積的脫模劑；(2)在制備好的RP模型或模型形腔表面電弧噴涂低熔點合金涂層翻制中間模的過程；低熔點合金組成為錫、錫-鉍合金、錫-鋁合金、錫-鋅合金、錫-銻合金或錫-銻-銅合金，合金的熔點120-250°C，絲材直徑3mm;中間模電弧噴涂低熔點合金的工藝參數為工作電壓23V，噴涂電流50A，霧化空氣壓力0. 4Mpa，噴涂距離180mm ；(3)對中間模灌注石膏進行加固，并在石膏中預埋安裝螺釘；(4)待石膏完全固化、干燥后，取下RP模型或其他方法制得的模型形腔，得到表面包裹著薄層低熔點合金涂層的石膏陽模，并將其固定在可作為模具分型面的鋼板上；(5)采用電弧噴涂方法在表面包裹著薄層低熔點合金涂層的石膏陽模表面均勻噴涂鋼基或其他高強度、高硬度涂層；(6)使用成分為Al占4-20%，熔點為300-400°C的鋅基合金對模具的背面加固處理，如有需要可預埋冷卻或加熱水道；(7)待鋅基合金凝固后，去除石膏陽模，然后將留下的鋼基模具加熱到超過制備中間模使用的低熔點合金的熔點，用軟布清除殘留的低熔點合金。最終模具的內層材料應具有高強度和高硬度，并且在圖層材料沉積時可發生馬氏體轉變；合適的涂層材料是馬氏體不銹鋼(CO. 3-0. 5%,Crl2-15% )，高碳鋼(C彡0. 7% )， 鋼絲直徑為1. 6-2. 0mm。下面結合具體實施例對本發明進行具體描述實施例1 汽車發動機罩拉延模具的制作首先利用計算機進行模具型面設計，然后利用快速原型技術制出紙基的工件凹模型面的RP模型。仔細修磨、拋光凹模表面，使其有盡可能高的表面光潔度。將修整后的凹模RP模型固定在厚度為6mm鋼板上，使用以聚乙烯醇為主要成分的脫模劑涂刷凹模RP模型表面。涂刷時要均勻，避免低洼部位有脫模劑堆積。待脫模劑干燥后，在凹模RP模型表面電弧噴涂錫-鉍合金涂層，合金熔點138°C。電弧噴涂錫-鉍合金涂層時的工藝參數為 工作電壓22V，噴涂電流40A，霧化空氣壓力0. 45Mpa，噴涂距離160mm，涂層厚度為0. Imm, 絲材直徑3. 0mm，噴涂后立即使用石膏漿在噴涂層的表面進行加固，并在石膏中預埋安裝螺釘，以供對二次中間模具噴涂時固定位置。待石膏完全固化、干燥后，仔細把RP模型去掉，不要對通過噴涂和石膏加固的二次中間模具造成任何損傷。此時得到的是表面包裹著薄層低熔點合金涂層，并且有石膏加固的二次中間模。將此二次中間模固定在一塊鋼板上，并加上模具框，然后采用電弧噴涂方法在二次中間模的表面均勻噴涂4Crl3馬氏體不銹鋼涂層，使用的鋼絲直徑為2. Omm0電弧噴涂4Crl3馬氏體不銹鋼涂層的工藝參數為工作電壓32V，噴涂電流150A，霧化空氣壓力 0. 6Mpa,噴涂距離160mm，在噴涂時不要使涂層沉積過快，以免二次中間模過熱。在噴涂的 4Crl3馬氏體不銹鋼涂層達到要求厚度后，再改用電弧噴涂鋁涂層，使模具有足夠的剛度和強度。在烘箱中將制得的模具均勻加熱到160°C，保溫1小時后，取出模具，去除石膏加固的中間二次模具，得到最終的4Crl3馬氏體不銹鋼基體的汽車發動機罩拉延模具。在完成對模具表面的清理、拋光后，在模具背面用環氧樹脂與金屬顆粒組成的填充物充滿剩余的空間，使填充物與模框保持同一平面。然后在模框上連接用于安裝和運動的輔助結構，即完成了該模具的快速制造過程。實施例2 電話機面板注塑模具制造利用計算機進行機殼實體模型設計，然后利用快速原型技術制出紙基的工件三維
5RP模型。由于電話機面板表面要求有極高的光潔度，直接對所制作的電話機三維實體RP模型表面做拋光處理很難達到設計要求，所以借助于電弧噴涂技術在該三維模型表面均勻噴涂一層純錫涂層，然后對其表面仔細做拋光處理。由于金屬錫質地軟、細膩，所以可以很容易的使模型表面拋光到RaO. 8以上的光潔度。電弧噴涂純錫涂層時的工藝參數為工作電壓22V，噴涂電流40A，霧化空氣壓力0. 5Mpa，噴涂距離160mm，涂層厚度為0. 1mm，絲材直徑 3. Omm0隨后的工序是使用液體模具膠對制備好的模型翻制一次中間模。其方法是將準備好的三維實體模型固定在一塊鋼板上，該鋼板的表面應與最終模具的設計分型面一致，并且在三維實體模型的周圍加一個邊框，邊框高度應高于工件三維實體模型的最高點。然后對該工件實體模型表面均勻涂刷一層模具膠，待涂膠表面不粘手后，繼續涂抹下一層，最后用模具膠將邊框內的空間充滿。為了提高該橡膠模的剛度和硬度，避免在噴涂過程中變形， 在充填的模具膠中可添加一定量的固體顆粒或纖維物質。在模具膠充分固化后，去掉工件三維實體模型，得到模具膠制成的一次中間模。隨后的步驟是在一次中間模表面涂刷以聚乙烯醇為主要成分的脫模劑，待模型表面脫模劑充分干燥后，在制備好的一次中間模表面采用電弧噴涂低熔點合金涂層制作二次中間模。低熔點合金材料為錫-鉍合金，絲材直徑3mm。電弧噴涂錫-鉍合金的工藝參數為工作電壓22V，噴涂電流40A，霧化空氣壓力0. 45Mpa，噴涂距離160mm，涂層厚度0. Imm, 絲材直徑3mm。噴涂后立即使用石膏漿在圖層表面進行加固，并在石膏中預埋安裝螺釘，以供對二次中間模具噴涂鋼涂層時的位置固定。待石膏完全固化、干燥后，可以很容易的去掉外面的模具膠一次中間模，得到的是表面包裹著薄層錫-鉍合金涂層，并且有石膏加固的二次中間模，將此二次中間模固定在一塊鋼板上，鋼板應與模具的分型面吻合，在模具的周邊要加上模具框，在模具框上裝配有定位機構和連接與開啟機構。在這些工作完成后，采用電弧噴涂方法在二次中間模的表面均勻噴涂4Crl3馬氏體不銹鋼涂層，使用的鋼絲直徑為2. Omm,電弧噴涂4Crl3馬氏體不銹鋼涂層材料的工藝參數為工作電壓32V，噴涂電流150A，霧化空氣壓力0. 6Mpa,噴涂距離 160mm。在噴涂時不要使涂層沉積過快，以免二次中間模過熱。在噴涂的4Crl3馬氏體不銹鋼涂層達到要求的厚度后，再使用鋅基合金對模具背面加固處理，在對模具背面加固填充的鋅鋁合金(AL占19% )。其方法是用坩堝將鋅鋁合金加熱，直到熔化，然后將熔化的鋅鋁合金灌注到噴涂的4Crl3馬氏體不銹鋼模具背部，填滿模具框內剩余空間。待鋅鋁合金凝固，但還沒有完全冷卻時，去除二次中間模。如果在鋼基模具中還有低熔點合金殘留，可以對模具繼續加熱到超過錫-鉍合金熔點，并用軟布清除殘留錫-鉍合金，然后還可以對模具表面做拋光處理，經過適當的清理、修整和裝配即可得到電話機面板上表面注塑模具。采用同樣方法還可以制得電話機下表面的注塑模具。由于這上、下兩個模具共同組成一套完整的電話機面板注塑模具，兩步分的分型面、定位和開啟都要配合良好。
權利要求
1.一種熱噴涂快速制作鋼基模具的方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)在快速原型RP技術提供的工件模型或由其他方法制作的模型腔表明涂刷有利于低熔點合金涂層沉積的脫模劑；(2)在制備好的RP模型或模型形腔表面電弧噴涂低熔點合金涂層翻制中間模的過程；(3)對中間模灌注石膏進行加固，并在石膏中預埋安裝螺釘；(4)待石膏完全固化、干燥后，取下RP模型或其他方法制得的模型形腔，得到表面包裹著薄層低熔點合金涂層的石膏陽模，并將其固定在可作為模具分型面的鋼板上；(5)采用電弧噴涂方法在表面包裹著薄層低熔點合金涂層的石膏陽模表面均勻噴涂鋼基或其他高強度、高硬度涂層；(6)使用成分為Al占4-20%，熔點為300-400°C的鋅基合金對模具的背面加固處理，如有需要可預埋冷卻或加熱水道；(7)待鋅基合金凝固后，去除石膏陽模，然后將留下的鋼基模具加熱到超過制備中間模使用的低熔點合金的熔點，用軟布清除殘留的低熔點合金。
2.根據權利要求1所述一種熱噴涂快速制作鋼基模具的方法，其特征在于在中間模具表面噴涂的低熔點合金組成為錫、錫-鉍合金、錫-鋁合金、錫-鋅合金、錫-銻合金或錫-銻-銅合金，合金的熔點120-250°C，絲材直徑3mm。
3.根據權利要求1所述一種熱噴涂快速制作鋼基模具的方法，其特征在于中間模電弧噴涂低熔點合金的工藝參數為工作電壓23V，噴涂電流50A，霧化空氣壓力0. 4Mpa，噴涂距離180mm。
4.根據權利要求1所述一種熱噴涂快速制作鋼基模具的方法，其特征在于最終模具的內層材料應具有高強度和高硬度，并且在圖層材料沉積時可發生馬氏體轉變；合適的涂層材料是馬氏體不銹鋼(CO. 3-0. 5%，Crl2-15% )，高碳鋼(C彡0. 7 % )，鋼絲直徑為 1. 6-2. Omm0
全文摘要
本發明公開了一種熱噴涂快速制作鋼基模具的方法。它包括采用熱噴涂低熔點合金涂層對由快速原型RP技術提供的工件模型或由其他方法制作的模型以及工件實物翻制中間模的過程，以及熱噴涂鋼基或其他高強度、高硬度涂層制作最終成型模具的過程。本方法具有模具制作周期短、模具制造成本低和復制性好等特點，所制作的鋼基模具可用于注塑、沖壓、壓鑄等領域。
文檔編號C23C4/18GK102212773SQ201010138208
公開日2011年10月12日 申請日期2010年4月2日 優先權日2010年4月2日
發明者張義順, 張忠禮, 李德元, 董曉強 申請人:沈陽工業大學