模具制造方法与流程

本发明涉及工业制造领域，尤其涉及模具制造方法。

背景技术：

冷却通道是模具的一种常用结构，在冷却通道中流动的冷却液可以加速模具及待成型材料的冷却速度。在传统的模具制造过程中，冷却通道是通过在模仁上钻孔形成的，这种传统模具制造方法制造出来的冷却通道形状单一，结构简单，导致冷却通道对模腔内待成型材料的降温效果有限，影响模具的模制成型品质。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种模具制造方法。

本发明实施方式的模具制造方法包括以下步骤：

用3D打印的方法打印出包括冷却通道的模仁；

加工所述模仁外表面；

在所述模仁上加工出模腔，所述冷却通道环绕所述模腔；

加工出模具组件；及

装配所述模仁及所述模具组件以形成模具。

某些实施方式中，所述3D打印的方法包括选择性激光熔化成型、电子束熔化成型或激光工程化净成型。

某些实施方式中，用所述3D打印的方法制造出所述模仁之前的步骤包括：利用计算机软件设计出模仁及冷却通道。

某些实施方式中，所述冷却通道的材料包括模具钢、不锈钢、铜和铝。

某些实施方式中，所述模仁外表面的加工方式包括数控机床加工、电火花加工或磨床加工。

某些实施方式中，所述冷却通道的内壁和所述模腔的内壁之间的距离为15～25毫米。

某些实施方式中，所述模具组件包括模板、顶针、导柱及定位环。

某些实施方式中，冷却通道的直径为9～12毫米。

某些实施方式中，所述装配所述模仁及所述模具组件以形成模具步骤包括采用互换法、选配法或调整法装配所述模仁及所述模具组件以形成模具。

某些实施方式中，所述模具用于成型液态金属或塑料制品。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明某些实施方式的模具制造方法的流程示意图。

图2是本发明某些实施方式的模具制造方法的另一种流程示意图。

图3是本发明实施方式的模具制造方法的模具立体示意图。

图4是本发明实施方式的模具制造方法的定位环示意图。

图5是本发明实施方式的模具制造方法的顶针示意图。

主要元件符号说明：

模具12、模板14、导柱16、定位环18、顶针11

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

请参阅图1，本发明实施方式的模具制造方法包括以下步骤：

S10：用3D打印的方法打印出包括冷却通道的模仁；

S20：加工模仁外表面；

S30：在模仁上加工出模腔，冷却通道环绕模腔；

S40：加工出模具组件；

S50：装配模仁及模具组件以形成模具12。

相较于传统模具制造方法制造出来的形状单一的冷却通道，本发明实施方式的模具制造方法利用3D打印的方法制造出的模仁中的冷却通道的形状，可与模腔的形状配合以完全环绕模腔，从而提升对模腔内待成型材料的降温效果。另一方面，模腔表面的温度得到有效控制，保证了模具12的模制成型品质，。

在某些实施方式中，3D打印的方法包括选择性激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)成型、电子束熔化(Electron Beam Melting,EBM)成型或激光工程化净成型(Laser Engineered Net Shaping,LENS)。

3D打印技术加工周期短，从零件的CAD设计到加工完成耗时少，整个生产过程数字化，数据的修正快捷。且不同的待加工材料可以选择不同的3D打印方法，灵活方便。

3D打印以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体。

激光束开始扫描前，铺粉装置先把金属粉末平推到成型缸的基板上，激光束再按当前层的填充轮廓线选区熔化基板上的粉末，加工出当前层。然后成型缸下降一个层厚的距离，粉料缸上升一定厚度的距离，铺粉装置再在已加工好的当前层上铺好金属粉末。设备调入下一层轮廓的数据进行加工。如此层层加工，直到整个零件加工完毕。整个加工过程在惰性气体保护的环境中进行，以避免金属在高温下与其他气体发生反应。

选择性激光熔化成型的设备包括光路单元、机械单元、控制单元、工艺软件和密封单元。光路单元主要包括光纤激光器、扩束镜、反射镜、扫描振镜和聚焦透镜。激光器是选择性激光熔化成型设备中核心的组成部分，直接决定了整个设备的成型质量。由于光纤激光器具有能量转换效率高、性能可靠、寿命长、光束模式接近基模等优点，选择性激光熔化成型设备采用光纤激光器。而由于激光束能被聚集成极细微的光束，并且输出波长短，因而光纤激光器在精密金属零件的快速成型中有着明显的优势。扩束镜是光束质量调整必不可少的光学部件。采用扩束镜是为了扩大光束直径，减小光束发散角，从而减小能量损耗。扫描振镜由电机驱动，通过计算机进行控制，可以使激光光斑精确定位在加工面的任一位置。为了克服扫描振镜单元的畸变，须用专用的扫描透镜，使得聚焦光斑在扫描范围内得到一致的聚焦特性。机械单元包括铺粉装置、成型缸、粉料缸、成型室密封设备。选择性激光熔化成型设备主要采用铺粉刷和铺粉滚筒两大类铺粉装置。成型缸与粉料缸由电机控制。电机控制的准确度也决定了选择性激光熔化成型的成型精度。控制系统由计算机和多块控制卡组成。计算机通过控制卡向扫描振镜发出控制信号，控制扫描镜运动以实现激光扫描。

选择性激光熔化成型采用精细聚焦光斑快速熔化预置的材料粉末，熔化后材料的致密度几乎可达到100％，尺寸精度能达到20～50微米，表面粗糙度达20～30微米。

激光工程化净成型技术在计算机上生成零件的CAD模型，然后使CAD模型离散为一系列二维平面图形，计算机由此获得扫描轨迹指令。激光束通过光学系统被导入加工位置，与金属机体发生交互作用形成熔池，金属粉末在保护气体的作用下，通过送粉器经送粉喷嘴汇集并输送到激光形成的微小熔池中，熔池中的粉末熔化、凝固后形成一个直径较小的金属点。根据CAD给出的路线，数控系统控制激光束来回扫描，便可通过点、线、面的搭接以及逐层熔覆堆积出任意形状的金属零件。与选择性激光熔化成型相比，激光工程化净成型技术更适合制造形状简单、复杂度低、尺寸较大的零件。

请参阅图2，在某些实施方式中，用3D打印的方法制造出模仁之前的步骤包括：

S8：利用计算机软件设计出模仁及冷却通道。

本发明实施方式中，用计算机软件设计模仁及冷却通道，相比传统的图纸设计，数据的修改更方便，大大减少了生产过程中因数据修改增加的成本。计算机设计出的模仁及冷却通道，还能作为电子信息储存和交流，给人们带来了极大的便利。

选择性激光熔化成型是先利用三维造型软件设计出零件的三维实体模型，然后通过切片软件对三维实体模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据。扫描路径生成软件由轮廓数据生成填充扫描路径，设备按照这些填充扫描路径，控制激光束选区熔化各层的金属粉末材料，逐步堆叠成三维金属零件。

选择性激光熔化成型技术中切片软件的功能是将零件的三维CAD模型转化成二维的切片模型，得到一层层的待加工材料的截面轮廓数据。在选择性激光熔化成型中，最基本的操作是控制激光进行扫描。由于分层得到的截面信息是轮廓数据，需要进行内部填充。扫描路径生成软件的功能就是由轮廓数据生成填充扫描路径。设备控制软件主要对成型过程进行控制，显示加工状态，进而实现人机交互。

某些实施方式中，模仁的材料包括模具钢、不锈钢、铜和铝。

优选地，本实施方式中的模具钢采用H13模具钢，其具有高淬透性和抗热裂能力。由于H13模具钢含有较高含量的碳和钒，所以耐磨性好，具有良好的耐热性，在较高温度时具有较好的强度和硬度，还具有优良的综合力学性能和较高的抗回火稳定性。铜的熔点为1083℃左右，沸点2567℃左右。铜的导热和导电性能较好。不锈钢具有耐腐蚀性能好，在高温下仍能保持优良的物理机械性能的特点。铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅，是地壳中含量最丰富的金属元素，故铝的材料来源丰富，能降低加工成本，且铝的导热性能好。所以采用模具钢、不锈钢、铜和铝作为模仁的材料，在保证冷却通道寿命的同时，提升了对模腔的降温效果。

某些实施方式中，模仁外表面的加工方式包括数控机床加工、电火花加工或磨床加工。

数控机床可以自动换刀，换刀过程由程序控制，自动进行，因此，工序比较集中，减少了机床的占地面积，节约厂房。数控机床加工时，自动化程度高，不需人工控制刀具，对操作水平的要求下降，而产品的质量更加稳定。且只要改变程序，就可以在同一数控机床上加工不同零件，柔性高，能更好适应市场竞争。

数控机床是一种装有程序控制系统的自动化机床。该程序控制系统能够有逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令的程序，并通过信息载体输入数控装置。控制机床根据输入的程序，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。

电火花加工能加工普通切削加工方法难以处理的材料和具有复杂形状的零件。且电火花加工不会在模仁表面留下毛刺、刀痕沟纹等缺陷，保证了模仁表面的尺寸精度。使得模仁外表面达到配模所需的要求。电火花加工方式还可以通过控制工作电流来控制模仁表面的粗糙程度，更为灵活、方便。

磨床是利用磨具对零件表面进行磨削加工的机床。大多数磨床使用高速旋转的砂轮进行磨削加工，少数磨床使用油石、砂带等其他磨具和游离磨料进行加工。磨床能加工硬度较高的材料，如淬硬钢、硬质合金等。磨床也能加工脆性材料，包括玻璃、花岗石。磨床还能做高精度的磨削，进行高效率的磨削，如强力磨削等。

某些实施方式中，优选地，冷却通道的内壁和模腔的内壁之间的距离为15～25毫米。

冷却通道和模腔之间的间隔厚度控制在15～25毫米，既不会太近导致冷却不均匀，也不会太远导致冷却效率低，增加加工时间，提高生产成本。

较佳地，冷却通道中冷却液的流动状态达到紊流时，对模腔的降温效果较好。紊流又称湍流，是流体的一种流动状态。流体的流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流；流体的流速逐渐增加时，流体的流线开始出现波状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，这种流体称为过渡流；当流体的流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，这种流体被称为紊流。

冷却通道内冷却液的性质也会影响冷却通道的降温效果。冷却液的粘度越低，热传导系数越高，冷却通道对模具12的冷却效果越佳。

冷却通道的设计和布置应与待成型材料相对应。待成型材料较厚的部位要着重冷却。冷却通道不应通过镶块和镶块接缝处，防止漏水。冷却通道内不能有存水和产生回流的部位，应畅通无阻。

在某些实施方式中，优选地，冷却通道的直径为9～12毫米。

冷却通道的直径选择9～12毫米，保证了足够充足的冷却液对模腔的冷却效果，进一步保证了零件的成型质量。同时，还避免了冷却通道直径过大导致占据空间大，避免了材料的浪费，降低生产成本。

选择冷却液的进入通道直径时，应使进入处的流速不超过冷却通道中的冷却液流速，以避免过大的压力差。模具12主流道部位常与注射机喷嘴接触，是模具12上温度较高的部位，应加强冷却，必要时应单独冷却。复式冷却循环系统应并联而不应串联。冷却通道进出口处的冷却液的温度差不宜过大，避免造成模具12表面冷却不均匀。

请一并参阅图3～5，某些实施方式中，模具组件包括模板14、顶针11、导柱16及定位环18。顶针11用于在模具12中将零件从模具12上分离下来。顶针11可采用钨钢合金以用来疏通较长较细的孔。

根据模具12内部构造的不同，模具12大致分为单分型面注射模、双分型面注射模和无流道凝料注射模。单分型面注射模又称两版式模具12，是注射模中较简单较常见的一种。单分型面注射模结构简单、操作方便。双分型面注射模又称三板式模具，具有两个不同的分型面。与单分型面注射模相比，双分型面注射模在动静模板之间加了一块可以移动的中间板，且在定模板与中间板之间设置流道，在中间板和动模板之间设置型腔。双分型面注射模适用于采用点浇口进胶的单型腔或多型腔模具，双分型面注射模可以将制件与料头自动分离，适合于多型腔的大批量生产。

在结构方面，三板式模具比二板式模具多一块中间板，在开模时需要有一个特殊的的装置－开闭器来使定模板与中间板分离，开闭器有三类：树脂开闭器、弹簧开闭器和拉杆开闭器。

导柱16在模具12中与模具组件组合使用，确保模具12精准的定位以进行装配、开模、合模。

定位环18是用于模具12热流道系统中定位浇口套的金属环。定位环18具有耐高温、精密度高的特点。定位环18通常有A型和B型两种。

对模具组件进行冷处理，能防止模具组件在使用过程中因残余奥氏体转变而发生尺寸的变化，稳定模具组件的几何尺寸。同时，冷处理还能提高模具组件的淬火硬度，增加模具组件的耐磨性。

精密轴承对尺寸稳定性的要求较高。套圈淬火(尤其是分级淬火)后，内部组织仍保留较多的残余奥氏体，这种残余奥氏体是不稳定的组织，在储存和使用轴承过程中，会不断地发生变化，从而改变轴承的精度。为此采用冷处理工艺，它能减少组织中的残余奥氏体，提高零件的硬度。

冷处理依据模具12零件所采用的钢种而采用不同的温度，一般为﹣60℃～﹣80℃。过低的温度不能使奥氏体全部转变，反而会增加加工的成本，零件还有可能发生开裂的现象。特殊情况下冷处理可以在更低的温度进行，如﹣190℃左右。冷处理常用的装置包括工业冰箱也可采用特制的冷处理专用设备。冷却介质包括空气、以加入酒精的干冰(固体二氧化碳)或者液氮。其中，干冰的冷却温度可达﹣60℃，液氮的冷却温度可达﹣196℃。达到预定的冷处理温度后，不需要特意延长保温时间。冷处理应在淬火后立即进行。为了节约能源，先用冷水冲洗零件，逐渐降温后再将零件放入冷处理设备或介质中。零件的环境温度降低时速率宜缓慢，降温过快易造成零件开裂。冷处理完成后，取出零件并在空气中待零件温度自然缓慢地升到室温，然后再将零件进行回火。

在某些实施方式中，加工出模具组件的流程还包括电火花加工、电火花线切割、电解加工、电铸成型、超声波加工和激光加工等工序。

电火花加工是基于电火花腐蚀原理，在工具电极(做成被加工零件的相反形状)与零件电极(被加工零件)互相靠近时，极间电压将在二极间的导电介质(电介液)电离击穿而形成火花放电，在火花通道中瞬时产生大量热能，使被加工零件局部熔化、甚至汽化、蒸发，从而形成所需要的型孔或盲孔。

与电火花成型原理相同，电火花线切割只是将工具电极改为金属丝。连续往复运动的金属丝与零件在介质中产生火花放电，腐蚀零件，从而切割出零件的一种加工方法。电火花线切割不需要制造工具电极，节约工时和材料。电火花线切割的周期短、成本低。在切缝宽度与凸凹模间隙相当时，电火花线切割还可一次切割出凸模和凹模来。

电解加工是利用金属在电解液中发生阳极溶解的原理，将金属零件加工成型。电解加工的加工效率高，表面粗糙度可达Ra1.6μm～0.2μm；工具电极基本不损耗，可长期重复使用。电铸成型的原理是用电解的方法使金属离子还原沉积在母模(阴极)表面上，使母模通过电解液获得金属沉积层，然后将金属沉积层与母模分离，即可获得与母模型面凸凹相反的型腔或型面。电铸成型复制精度高，达到微米级。电铸成型得到的零件一般不需要修正加工。且零件表面粗糙度小，表面光洁，轮廓清晰。且电铸成型的设备简单，可一槽多模，同时加工不同形状的型腔零件。

超声波加工利用超声波使零件端面作超声频震动，并通过悬浮液中的磨料加工。超声波加工适用于各种脆硬材料，特别是不导电的非金属材料，扩大了模具12材料的选用范围，而且超声波加工的机床设备简单，操作方便。超声波加工的精度可以达到0.01～0.02毫米。

激光加工是利用激光强度高、方向性好、单色性好的特性对零件进行加工。激光的功率和密度大，温度能达到10000℃以上。在这样高温下，零件会急剧熔化或汽化，实现打孔和切割的目的。激光加工速度快，效率高，热影响小。激光加工适用于加工深而小的微孔和窄缝，如金刚石拉丝模打孔。

某些实施方式中，所述装配所述模仁及所述模具组件以形成模具12步骤包括：

采用互换法装配所述模仁及所述模具组件以形成模具12。

互换法装配模具组件，过程简单，效率高。互换法装配对工人的技术要求不高，便于流水作业和自动化装配，而且互换法装配容易实现专业化，降低生产成本。同时，使用互换法装配还使得备件的供应更为方便。

互换法又分为完全互换法和部分互换法。完全互换法即在配合零件公差之和小于或等于装配允许偏差的情况下，零件可以完全互换。完全互换法对零件的加工精度要求较高。完全互换法通常用于装配精度要求较低或装配精度要求较高而零件少的情况。部分互换法，即装配时，零件无需挑选、修配或调整就能保证装配精度要求的装配方法。

在某些实施方式中，所述装配所述模仁及所述模具组件以形成模具12步骤包括：

采用选配法装配所述模仁及所述模具组件以形成模具12。

选配法是指在成批或大量生产条件下，对于组成零件少而装配精度要求高的尺寸链，若采用完全互换法，则零件的公差会很小，使得加工变得非常困难，在这种情况下，可采用选择选配法。该方法是将组成环的公差放大到经济可行的程度，然后选择合适的零件进行装配，以保证规定的装配精度。

在某些实施方式中，所述装配所述模仁及所述模具组件以形成模具12步骤包括：

采用调整法装配所述模仁及所述模具组件以形成模具12。

对于封闭环公差要求较严而组成环又较多的装配尺寸链可使用调整法。调整法是将尺寸链中各组成环的公差相对于互换装配法所求之值增大，使组成环能按该生产条件下较经济的公差制造，装配时用调整的方法改变补偿环的实际尺寸或位置，使封闭环达到公差与极限偏差要求。调整法通常采用极值公式计算。

某些实施方式中，模具12用于成型液态金属或塑料制品。

本发明实施方式的模具制造方法，通过3D打印的冷却通道，有效提高了液态金属在模腔中的凝固速度，从而有利于非晶态结构的形成，从而提高液态金属制造的成功率。

使用3D打印技术制造出模仁中的冷却通道，用机加工、电火花放电等方法加工出模腔以及模仁的外表面，并将模腔、模仁和模具组件装配成模具12。先在冷却通道中通冷却液，再把熔融态的金属液体注入模腔，制造液态金属零件。

成型液态金属时，一般用压铸或是螺杆注射的方式，把熔融态的金属液体注入模腔内。通过冷却通道的快速冷却，金属液体凝固形成非晶态的液态金属。

在某些实施方式中，模具12用来成型塑料制品。注塑成型过程中，冷却通道非常重要。因为塑料制品冷却固化到一定刚性的程度，脱模后才能因受到外力而产生变形。由于冷却时间占整个成型周期的70％～80％，因此设计良好的冷却通道可以大幅缩短成型时间，提高注塑生产率，降低成本。设计不当的冷却通道会使成型时间加长，成本增加。冷却通道对塑料制品冷却不均匀更有可能造成塑料制品的翘曲变形。模具12的热量一般通过两个途径散发。大概5％的热量经辐射、对流等方式传递到大气中。其余热量通过热传导传至冷却通道，被冷却液带走。注塑成型的成型周期由合模时间、充填时间、保压时间、冷却时间及脱模时间组成。冷却时间所占比重最大，为70％～80％。因此冷却通道将直接影响塑料制品成型周期的长短及产量的大小，采用合适的材料制造冷却通道非常重要。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。