專利名稱：熱噴涂快速制作鋼基模具的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種快速制作模具的方法，尤其是利用熱噴涂技術(shù)制造要求高強(qiáng)度、高硬度鋼鐵基材的注塑模具、沖壓模具以及其它成型模具的方法。
背景技術(shù)：
模具使加工產(chǎn)品限制在規(guī)定的形狀和尺寸之內(nèi)，越來越多的機(jī)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(zhì)量直接關(guān)系到所生產(chǎn)產(chǎn)品在市場上的競爭力。傳統(tǒng)的模具制造方法，如機(jī)械加工、鑄造、電火花加工等有較長的設(shè)計和制造周期，并且成本較高，難以適應(yīng)現(xiàn)今飛速發(fā)展的社會要求，人們迫切地需要有快、廉、好的模具制造方法。近幾年出現(xiàn)的快速原型(RP)技術(shù)綜合運(yùn)用計算機(jī)輔助及計和制造技術(shù)、激光技術(shù)和材料科學(xué)技術(shù)，在沒有傳統(tǒng)模具和夾具的情況下，快速制造出任意復(fù)雜形狀而又具有一定功能的三維實體模型或零件?？焖僭团c制造技術(shù)的推廣應(yīng)用明顯地縮短了新產(chǎn)品的上市時間，節(jié)約新產(chǎn)品開發(fā)和模具制造的費用。通過將快速原型技術(shù)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等方法相結(jié)合，使模具加工更加靈活、快捷、經(jīng)濟(jì)，形成了一個很有發(fā)展前景的新技術(shù)領(lǐng)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(shù)以生產(chǎn)效率高、成本低、加工時間周期短等顯著優(yōu)點而最受人們關(guān)注。
在熱噴涂過程中，通過采取適當(dāng)?shù)墓に嚳刂?，可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形技術(shù)制得的三維實體模型表面翻制最終模具，目前這項技術(shù)已應(yīng)用于塑料模具的制造。用這種方法制作模具既快速，又經(jīng)濟(jì)，還有很好的復(fù)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(shù)的聚氨脂生產(chǎn)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(qiáng)度有限，使電弧噴涂制造模具技術(shù)的應(yīng)用范圍受到了很大的限制，對于目前需求量最大壓鑄、沖壓、注塑等應(yīng)用的模具還不能應(yīng)用這種制造技術(shù)。這些種類的模具要在高溫或高沖擊力下使用，對模具的強(qiáng)度和表面有較高的要求，低熔點合金模具很難適應(yīng)這樣苛刻的工作條什要求，通常對這些應(yīng)用的模具多采用高強(qiáng)鋼制造。所以研究開發(fā)一種采用電弧噴涂技術(shù)制造可用于壓鑄、沖壓、注塑等加工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(guān)鍵是設(shè)法使高熔點的涂層材料沉積在快速成形技術(shù)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(xì)節(jié)準(zhǔn)確地復(fù)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。由于由快速原型技術(shù)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(dá)1000℃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(dǎo)致鋼基涂層不能有效地沉積并覆蓋在模型的表面，因此也就無法形成要求的模具型腔。

發(fā)明內(nèi)容
針對電弧噴涂快速制造鋼基模具的上述問題，本發(fā)明提供一種較好的解決方法。它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，最終制作要求的鋼基模具。應(yīng)用本發(fā)明方法所制得的鋼基模具具有很好的表面復(fù)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(nèi)。這些模具可用于壓鑄、沖壓、注塑等成型加工過程。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是方法中包含把在電腦中設(shè)計的工件通過快速原型技術(shù)制出紙基或樹脂基的工件三維實體模型。制作工件三維實體模型還可以采用傳統(tǒng)的木型以及其它方法制作。將準(zhǔn)備好的工件三維實體模型固定在一塊鋼板上，該鋼板的表面應(yīng)與最終模具的分型面一致，并在工件三維實體模型的周圍加一個邊框。用配制好的模具膠填充到制備好的邊框內(nèi)，在模具膠充分固化后，取掉工件三維實體模型，得到模具膠制成的一次中間模。也可采用快速成形技術(shù)直接制得的三維實體模型的紙基或樹脂基一次中間模，此時上述采用模具膠制作一次中間模的步驟可以省略。
隨后的步驟是在一次中間模表面涂刷有利于低熔點合金涂層沉積的脫模劑。待工件模型表面的脫模劑充分干燥后，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、錫-鉍合金、錫-鋁合金、錫-鋅合金、錫-銻合金或錫-銻銅合金均可，合金的熔點120～250℃，絲材直徑3mm。電弧噴涂低熔點合金的工藝參數(shù)為工作電壓22～25V，噴涂電流40～60A，霧化空氣壓力0.35～0.5Mpa，噴涂距離150～200mm。該涂層厚度為0.1～0.2mm。然后進(jìn)行對二次中間模灌注石膏進(jìn)行加固。
待石膏完全固化、干燥后，去除一次中間模具，得到表面包裹著薄層低熔點合金涂層，并且石膏加固的二次中間模。與模具的分型面吻合，將二次中間模固定在一塊鋼板上，并加上模具框。采用電弧噴涂方法在二次中間模的表面均勻噴涂鋼基或其它高強(qiáng)度、高硬度涂層。最終模具的內(nèi)層材料應(yīng)具有高強(qiáng)度和高硬度，并且在涂層材料沉積時可發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變；合適的涂層材料是馬氏體不銹鋼(C 0.3～0.5％，Cr 12～15％)，高碳鋼(C≥0.7％)，鋼絲直徑為1.6～2.0mm。電弧噴涂鋼基涂層材料的工藝參數(shù)為工作電壓30～33V，噴涂電流140～200A，霧化空氣壓力0.45～0.6Mpa，噴涂距離150～200mm。在噴涂的鋼基涂層達(dá)到要求厚度后，使用鋅基合金對模具的背面加固處理，在對模具背面加固填充的鋅基合金成分為(Al 4～20％)，合金熔點300～400℃。其方法是用坩堝將鋅基合金加熱，直到熔化，然后將熔化的鋅基合金灌注到鋼基模具的背部，填滿模具框內(nèi)的空間。將待鋅基合金凝固，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(xù)加熱到超過低熔點合金的熔點，并用軟布清除殘留的低熔點合金。


圖1是本發(fā)明的熱噴涂快速制作鋼基模具方法的典型實施的工藝過程框圖。
具體實施例方式
把在電腦中設(shè)計的工件通過快速原型技術(shù)制出紙基或樹脂基的工件三維實體模型。由于由快速原型技術(shù)制出紙基或樹脂基的工件三維實體模型的表面光潔度較低，通常還不能直接用來翻制模具，模型表面需要做必要的拋光處理。制作工件三維實體模型還可以采用傳統(tǒng)的木型以及其它方法制作。將準(zhǔn)備好的工件三維實體模型固定在一塊鋼板上，該鋼板的表面應(yīng)與最終模具的分型面一致，并在工件三維實體模型的周圍加一個邊框，邊框的高度應(yīng)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地涂刷一層模具膠，待涂膠表面不粘手后，繼續(xù)涂抹下一層，最后用模具膠將邊框內(nèi)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以添加一定量的固體顆?；蚶w維物質(zhì)。在模具膠充分固化后，取掉工件三維實體模型，得到模具膠制成的一次中間模。也可采用快速成形技術(shù)直接制得的三維實體模型的紙基或樹脂基一次中間模，此時上述采用模具膠制作一次中間模的步驟可以省略。
隨后的步驟是在一次中間模表面涂刷有利于低熔點合金涂層沉積的脫模劑。模具的脫模劑是一種水溶液物質(zhì)，它的作用是既要保證熱噴涂金屬粒子的可靠沉積，又要保證隨后工序的脫模順利。待工件模型表面的脫模劑充分干燥后，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、錫-鉍合金、錫-鋁合金、錫-鋅合金、錫-銻合金或錫-銻-銅合金均可，合金的熔點120～250℃，絲材直徑3mm。電弧噴涂低熔點合金的工藝參數(shù)為工作電壓22～25V，噴涂電流40～60A，霧化空氣壓力0.35～0.5Mpa，噴涂距離150～200mm。該涂層厚度為0.1～0.2mm。然后進(jìn)行對二次中間模灌注石膏進(jìn)行加固，并在石膏中預(yù)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，去除一次中間模具，得到表面包裹著薄層低熔點合金涂層，并且石膏加固的二次中間模。與模具的分型面吻合，將二次中間模固定在一塊鋼板上，并加上模具框。對于由兩部分或兩部分以上組成的模具，在模具框上應(yīng)該裝配有定位機(jī)構(gòu)和連接與開啟機(jī)構(gòu)。采用電弧噴涂方法在二次中間模的表面均勻噴涂鋼基或其它高強(qiáng)度、高硬度涂層。最終模具的內(nèi)層材料應(yīng)具有高強(qiáng)度和高硬度，并且在涂層材料沉積時可發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變；合適的涂層材料是馬氏體不銹鋼(C 0.3～0.5％，Cr 12～15％)，高碳鋼(C≥0.7％)，鋼絲直徑為1.6～2.0mm。電弧噴涂鋼基涂層材料的工藝參數(shù)為工作電壓30～33V，噴涂電流140～200A，霧化空氣壓力0.45～0.6Mpa，噴涂距離150～200mm。在噴涂時，不要使涂層沉積過快，以免二次中間模過熱。對于在使用過程中需要有加熱或冷卻處理功能的模具，在電弧噴涂鋼基涂層過程中，可預(yù)埋加熱或冷卻水道。對于注塑模具往往由兩部分或多于兩部分的組成，采用本發(fā)明方法可以與傳統(tǒng)機(jī)械加工相結(jié)合。對于簡單形狀、易于機(jī)械加工的部分或不適合于采用熱噴涂方法制造的部位，可以通過預(yù)制鋼加工件，并在噴涂過程中，用噴涂的鋼涂層使這些預(yù)加工件嵌鑲在模具之中，與噴涂模具緊密結(jié)合成一體。在噴涂的鋼基涂層達(dá)到要求厚度后，使用鋅基合金對模具的背面加固處理，在對模具背面加固填充的鋅基合金成分為(Al 4～20％)，合金熔點300～400℃。其方法是用坩堝將鋅基合金加熱，直到熔化，然后將熔化的鋅基合金灌注到鋼基模具的背部，填滿模具框內(nèi)的空間。將待鋅基合金凝固，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(xù)加熱到超過低熔點合金的熔點，并用軟布清除殘留的低熔點合金。采用破碎的堅果殼作為磨料，對模具內(nèi)表面進(jìn)行噴砂處理，也是清理模具表面的辦法之一。如有必要還可對模具表面做拋光處理。經(jīng)過適當(dāng)?shù)那謇?、修整和裝配即可得到最終的模具。
例1汽車發(fā)動機(jī)罩拉延模具。首先利用計算機(jī)進(jìn)行模具型面設(shè)計，然后利用快速原型技術(shù)制出紙基的工件凹模型面的RP模型。仔細(xì)修磨、拋光凹模的表面，使其有近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的鋼板上，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模型表面電弧噴涂噴涂錫-鉍合金涂層，合金的熔點138℃。電弧噴涂錫-鉍合金涂層時的工藝參數(shù)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0.1mm，絲材直徑3.0mm。噴涂后立即使用石膏漿在噴涂層的表面進(jìn)行加固，并在石膏中預(yù)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(xì)地把去除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4Cr13馬氏體不銹鋼涂層。使用的鋼絲直徑為2.0mm。電弧噴涂4Cr13馬氏體不銹鋼涂層材料的工藝參數(shù)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4Cr13馬氏體不銹鋼涂層達(dá)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(qiáng)度。在烘箱中將制得的模具均勻加熱到160℃，在保溫1小時后，取出模具，去除石膏加固的二次中間模具，得到最終的4Cr13馬氏體不銹鋼基體的汽車發(fā)動機(jī)罩拉延模具。在完成對模具表面的清埋、拋光后，在模具背面用環(huán)氧樹脂與金屬顆粒組成的填料充滿剩余的空間，使充填的物與?？驗橐黄矫妗Ｔ诔涮钗锕袒?，在模框上連接用于安裝和運(yùn)動的輔助結(jié)構(gòu)，即完成了該模具的快速制造過程。
例2電話機(jī)面板注塑模具制造。利用計算機(jī)進(jìn)行機(jī)殼實體模型設(shè)計，然后利用快速原型技術(shù)制出紙基的工件三維RP模型。由于電話機(jī)面板表面要求有極高的光潔度，直接對所制作的電話機(jī)三維實體RP模型表面做拋光處理很難達(dá)到設(shè)計要求。所以借助于電弧噴涂技術(shù)在該三維模型表面均勻地噴涂一層純錫涂層，然后對其表面做仔細(xì)的拋光處理。由于金屬錫質(zhì)地軟、細(xì)膩，所以可很容易使模型表面拋光到Ra0.8以上的光潔度。電弧噴涂純錫涂層時的工藝參數(shù)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0.05～0.1mm，絲材直徑3.0mm。
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(zhǔn)備好的三維實體模型固定在一塊鋼板上，該鋼板的表面應(yīng)與最終模具的設(shè)計分型面一致，并在三維實體模型的周圍加一個邊框，邊框的高度應(yīng)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地涂刷一層模具膠，待涂膠表面不粘手后，繼續(xù)涂抹下一層，最后用模具膠將邊框內(nèi)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以添加一定量的固體顆?；蚶w維物質(zhì)。在模具膠充分固化后，取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。待模型表面的脫模劑充分干燥后，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(shù)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0.1mm，絲材直徑3.0mm。噴涂后立即使用石膏漿在噴涂層的表面進(jìn)行加固，并在石膏中預(yù)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，可很容易地去掉外面的模具膠一次中間模，得到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(yīng)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(jī)構(gòu)和連接與開啟機(jī)構(gòu)。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4Cr13馬氏體不銹鋼涂層。使用的鋼絲直徑為2.0mm。電弧噴涂4Cr13馬氏體不銹鋼涂層材料的工藝參數(shù)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4Cr13馬氏體不銹鋼涂層達(dá)到要求厚度后，再使用鋅基合金對模具的背面加固處理，在對模具背面加固填充的鋅鋁合金(Al9％)。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4Cr13馬氏體不銹鋼模具的背部，填滿模具框內(nèi)的剩余空間。待鋅鋁合金凝固，但還沒有完全冷卻時(大約160～200℃)，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(xù)加熱到超過錫鉍合金合金的熔點，并用軟布清除殘留的錫鉍合金合金，然后還可對模具表面做拋光處理。經(jīng)過適當(dāng)?shù)那謇?、修整和裝配即可得到電話機(jī)面板上表面注塑模具。采用同樣方法可以制得電話機(jī)面板下表面的注塑模具。由于這上下兩個模具共同組成一套完整的電話機(jī)面板注塑模具，兩部分的分型面、定位和開啟都要配合良好。
權(quán)利要求
1.一種熱噴涂快速制作鋼基模具方法，其特征在于包括以下步驟(1)在快速原型(RP)技術(shù)提供的工件模型或由其它方法制作的模型形腔表面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(jìn)行加固，并在石膏中預(yù)埋安裝螺釘；(4)待石膏完全固化、干燥后，取下RP模型或其它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它高強(qiáng)度、高硬度涂層；(6)使用鋅基合金對模具的背面加固處理，如有需要可預(yù)埋冷卻或加熱水道；(7)待鋅基合金后，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(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱噴涂快速制作鋼基模具的制作方法，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℃，絲材直徑3mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的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(shù)為工作電壓22～25V，噴涂電流40～60A，霧化空氣壓力0.35～0.5Mpa，噴涂距離150～200mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的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(nèi)層材料應(yīng)具有高強(qiáng)度和高硬度，并且在涂層材料沉積時可發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變；合適的涂層材料是馬氏體不銹鋼(C0.3～0.5％，Cr 12～15％)，高碳鋼(C≥0.7％)，鋼絲直徑為1.6～2.0mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱噴涂快速制作鋼基模具方法，其特征在于，對模具背面加固填充的鋅基合金成分為(Al 4～20％)，合金熔點300～400℃。
全文摘要
本發(fā)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(shù)提供的工件模型或由其它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它高強(qiáng)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(fù)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(lǐng)域。
文檔編號B22F3/00GK1706575SQ20041002068
公開日2005年12月14日 申請日期2004年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月7日
發(fā)明者張忠禮, 李德元, 溫瑾林, 董曉強(qiáng) 申請人:沈陽工業(yè)大學(xué)