专利名称：高熔点金属模具型壳无内应力快速制造工艺与装备的制作方法
技术领域：
本发明涉及快速模具的制造方法与装备，特别涉及一种高熔点金属模具型壳无内应力快速制造工艺与装备。
背景技术：
金属电弧喷涂快速制模技术是一种基于“复制”的制模技术，它以一个实物模型 (或称为原型)作为母模，以电弧为热源，通过高速气流将熔融状态的金属材料雾化，并使其喷射、沉积在母模表面上，形成一定厚度的致密金属型壳，即模具型壳。模具型壳精确拷贝了原型的形状，获得了所需的模具型腔，在完成补强、脱模、抛光等后处理工艺后，即可完成模具的快速制造。电弧喷涂模具制造完成后一般不再需要另外的机械加工，就可以直接用于成形制造。根据实际情况与需要也可以进行少切削量的数控精加工，因此，电弧喷涂制模技术实质上是一种“近净成形制模技术”。金属喷涂模具以母模为标准，模具型腔尺寸、几何精度完全取决于母模，型腔表面及其精细花纹一次同时形成，故制模速度快，制造周期短，成本低，同时拥有较长的模具寿命，制造周期约为传统数控加工的一半，制造费用可以节省至少25%以上，成为新产品开发及小批量生产的重要途径。模具表面光洁度好，工艺简单，设备要求低，比较适合于注射成型模、压铸模、板料冲压模的快速制造，在表面形状复杂及具有精细花纹的各种聚氨酯制品的吹塑、吸塑、PVC注射、PU发泡及各类注射成型模具中，花纹复制的特征细节甚至可以达至Ij 5 μ m0目前该快速模具制造技术已被广泛地应用于飞机、汽车、家电、家具、制鞋、美术工艺品等行业。在美国及中国东南沿海，几乎所有的聚氨酯鞋底制造商在其自动成型生产设备上都采用了电弧喷涂模具进行生产。在汽车制造中，可以用来生产驾驶盘、汽车仪表盘、 坐垫、头部靠垫、阻流板、汽车内饰顶蓬等。近年来，电弧喷涂制模技术已经开始用于制造汽车覆盖件冲压模具，喷涂材料不同，喷涂模具的强度、硬度、精度和寿命也不尽相同，因而应用范围也存在差异，有的适合用于汽车样车的试制，有的甚至可以在生产线上替代传统的钢模具进行生产。在国内，喷涂制模的材料主要是中低熔点金属，西安交通大学和烟台机械工艺研究所为国内最早的研发单位，西安交通大学先进制造技术研究所，自90年代以来，对表面成型制模技术、低熔点合金浇铸成型制模技术以及模具树脂制模技术等快速制模工艺进行了长期的研究和实践，并在金属电弧喷涂成型快速制模技术上拥有发明专利 (ZL200810232335. 0 ；ZL03134500. X)。在长安汽车、洛阳一拖、上海中顺、柳州微汽等企业应用。经试制检验，合格的快速模具的3D数据用于制造大批量生产用钢模具，可避免在钢模具的设计和制作上的反复，保证钢模具一次加工成功。因为喷涂材料是中低熔点的Zn和Al伪合金，强度和硬度相对较低，模具寿命较短，所制得的模具只能用于新产品试制和小批量生产，而且不能制造大型模具，特别是拉深系数较大的大型汽车覆盖件模具，严重制约了快速制造技术在模具制造中的应用和发展。
高熔点、高硬度材料的电弧喷涂技术在金属母模上比较容易实现，但在非金属母模表面制造模具型壳，工艺上存在较大困难。例如，碳素钢、合金钢等高熔点金属在喷涂时型壳收缩率、热应力、孔隙率都比较大，型壳易开裂、翘曲、剥落，模具型壳制造困难，工艺参数控制难以掌握，模具型壳变形和内应力都较大，无法满足工业生产需要
发明内容
本发明针对中低熔点金属电弧喷涂快速制模技术存在的不足，提供一种高熔点金属模具型壳无内应力快速制造工艺与装备，其制造速度快，周期短，成本低，同时拥有较长的模具寿命。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种高熔点金属模具型壳无内应力快速制造工艺，具体制备步骤为步骤1，母模的毛化处理；步骤2，母模表面合金化处理在经过毛化处理的母模表面上喷涂2_5mm具有结合性能高的低熔点的镍铝合金，或钼铝合金，或锌铝合金；步骤3，高熔点金属电弧喷涂将高熔点金属喷涂材料喷涂到经过合金化处理的母模表面，喷涂时在计算机的控制之下，根据母模轮廓形状移动喷枪，以高熔点金属丝材作为自熔性电极气体放电产生温度极高的电弧为热源，通过压缩气体的高速气流将熔融状态的高熔点金属材料雾化，将熔融的喷涂粒子喷射、沉积在经过合金化的母模表面上，一层截面成形完成后，工作台下降一定高度，再进行下一层的喷涂，如此循环，最终形成5-30mm厚度的致密金属涂层，即模具型壳。所述步骤1的毛化处理过程为利用压力0. 2 1. 3Mpa的压缩气体携带粒径为 10 50 μ m的微细磨料、经喷嘴以150 180m/s的高速对母模表面磨擦毛化加工，使母模表面粗糙度Ra值达到3. 2-12. 5 μ m。所述高熔点金属喷涂材料为碳钢，碳的质量分数为1.0-1.4 %，硬度为 180-210HB。所述高熔点金属模具型壳制备时，喷涂粒子到达母模或已形成的型壳表面的温度为2400-2700°C，喷涂粒子撞击母模或已形成型壳的速度为60-75m/s ；喷涂粒子到达母模或已形成的型壳表面的固相质量分数为40-60% ；喷涂粒子到达母模或已形成的型壳表面的冷却速度为(0. 8-1. 6) X 105k/s。所述的喷枪移动速度为0.2-0. 6m/s。所述的电弧喷涂所使用的压缩气体为惰性气体。所述的喷枪的喷射角度为85-89°，喷枪的喷射角度为喷枪出口的中心线和母模表面切线之间的夹角。一种高熔点金属模具型壳无内应力快速制造工艺用装备，它包括喷枪，喷枪通过管路与过滤器、油水分离器、气体压缩机连接，气体压缩机与储气罐连接，在管路上设有气体调节装置；所述喷枪对称安装在绝缘块内的一对导电嘴，两导电嘴之间设有压缩气体喷嘴，两只导电嘴的夹角θ在30° 60°之间；各导电嘴内设有喷涂金属丝，喷涂金属丝与送丝机构连接，导电嘴的直径D为喷涂金属丝直径的1. 2-1. 5倍；两导电嘴上分别设有节电块，节电块与电缆连接。
所述喷枪与过滤器连接的管路上设有压力表、减压阀以及安全阀和闸阀；油水分离器与气体压缩机之间的管路上设有单向阀；在绝缘块的压缩气体喷嘴出口侧设有弧光罩；送丝机构有两个，它们结构相同，由导丝管以及与之配合的送丝滚轮组成，并分别与相应的导电嘴配合。所述的压缩气体喷嘴由稳定段、收缩段、喉部、扩张段构成，稳定段的直径Dtl与喉部直径D1比值为1. 6-2 ；稳定段的长度Ltl与收缩段长度L1比值2-2. 8 ；扩张段的直径D2与喉部直径D1比值为1. 3-1. 5 ；收缩段的长度L1与扩张段长度L2比值1. 2-1. 5。本发明的原理为在热喷涂过程中，熔融金属粒子撞击母模形成型壳的过程是个温度有较大转变的过程，由于型壳材料和母模材料的热物理性能存在差异，使型壳可能会产生残余应力。而较大的残余应力不仅制约着型壳的厚度，而且也是影响型壳结合强度和精度的主要因素。热喷涂中产生的应力主要分为三大类1)喷涂热应力。热喷涂过程中，高温熔滴撞击到母模表面时，在很短的时间内以 IO5 106°C /s的速度冷却到母模温度，由于型壳的热收缩受到母模的限制，从而形成拉应力。可用下式进行计算σ q = TEC0(Tffl-Ts)Ec(1)式中σ q-喷涂热应力；TEC0-型壳材料的线胀系数；Tm-型壳材料的熔点；Ts-母模已沉积型壳的温度；E。_型壳材料的弹性模量。2)冷却应力。冷却应力是当喷涂过程结束后，型壳和母模在冷却到室温的过程中由于型壳和母模材料的线胀系数不同而产生的应力。该应力可用下式计算
K Fr λσ— =￡c(rf-rR)( c-^)/ 1 + 2-^ (2)式中o。。。ling-冷却应力；Tf, Te-分别是型壳温度和室温；α。、α s_分别是型壳和母模的热膨胀系数；t。、ts-分别是型壳和母模的厚度；E。、Es-分别是型壳和母模的弹性模量。由于型壳材料的线胀系数大于母模材料的线胀系数，型壳内存在拉应力。3)冲击压应力。在喷涂过程中，喷涂粒子高速撞击母模或已形成的型壳，使母模或者型壳因承受粒子冲击而发生变形产生的应力。粒子的冲击强度与其动能成正比粒子的动能可以表示为
η ιEk^Yj-Tnv1n (3)
1 L式中Ek_粒子的动能；η-粒子的数量；m-粒子的质量；Vn_粒子撞击母模的速度。而撞击产生的残余压应力与冲击强度呈线性关系σ peening = KEk (4)
式中，σ peening-撞击产生的残余压应力；K为冲击时的动载荷系数。由公式(3)和(4)可以看出，粒子速度越大，粒子的动能也就越大，这样因撞击而产生的残余压应力也越大。若获得无内应力的型壳，需要满足下式
权利要求
1.一种高熔点金属模具型壳无内应力快速制造工艺，其特征在于，具体制备步骤为步骤1，母模的毛化处理；步骤2，母模表面合金化处理在经过毛化处理的母模表面上喷涂2-5mm具有结合性能高的低熔点的镍铝合金，或钼铝合金，或锌铝合金；步骤3，高熔点金属电弧喷涂将高熔点金属喷涂材料喷涂到经过合金化处理的母模表面，喷涂时在计算机的控制之下，根据母模轮廓形状移动喷枪，以高熔点金属丝材作为自熔性电极气体放电产生温度极高的电弧为热源，通过压缩气体的高速气流将熔融状态的高熔点金属材料雾化，将熔融的喷涂粒子喷射、沉积在经过合金化的母模表面上，一层截面成形完成后，工作台下降一定高度，再进行下一层的喷涂，如此循环，最终形成5-30mm厚度的致密金属涂层，即模具型壳。
2.如权利要求1所述的高熔点金属模具型壳无内应力快速制造工艺，其特征在于，所述步骤1的毛化处理过程为利用压力0. 2 1. 3Mpa的压缩气体携带粒径为10 50 μ m 的微细磨料、经喷嘴以150 180m/s的高速对母模表面磨擦毛化加工，使母模表面粗糙度 Ra 值达到 3. 2-12. 5 μ m。
3.如权利要求1所述的高熔点金属模具型壳无内应力快速制造工艺，其特征在于，所述高熔点金属喷涂材料为碳钢，碳的质量分数为1.0-1.4%，硬度为180-210HB。
4.如权利要求1所述的高熔点金属模具型壳无内应力快速制造工艺，其特征在于，所述高熔点金属模具型壳制备时，喷涂粒子到达母模或已形成的型壳表面的温度为 M00-2700°C，喷涂粒子撞击母模或已形成型壳的速度为60-75m/s ；喷涂粒子到达母模或已形成的型壳表面的固相质量分数为40-60% ；喷涂粒子到达母模或已形成的型壳表面的冷却速度为(0. 8-1. 6) X 105k/so
5.如权利要求1所述的高熔点金属模具型壳无内应力快速制造工艺，其特征在于，所述的喷枪移动速度为0. 2-0. 6m/s。
6.如权利要求1所述的高熔点金属模具型壳无内应力快速制造工艺，其特征在于，所述的电弧喷涂所使用的压缩气体为惰性气体。
7.如权利要求1所述的高熔点金属模具型壳无内应力快速制造工艺，其特征在于，所述的喷枪的喷射角度为85-89°，喷枪的喷射角度为喷枪出口的中心线和母模表面切线之间的夹角。
8.—种权利要求1所述高熔点金属模具型壳无内应力快速制造工艺用装备，它包括喷枪，喷枪通过管路与过滤器、油水分离器、气体压缩机连接，气体压缩机与储气罐连接，在管路上设有气体调节装置；其特征是，所述喷枪对称安装在绝缘块内的一对导电嘴，两导电嘴之间设有压缩气体喷嘴，两只导电嘴的夹角θ在30° 60°之间；各导电嘴内设有喷涂金属丝，喷涂金属丝与送丝机构连接，导电嘴的直径D为喷涂金属丝直径的1. 2-1. 5倍；两导电嘴上分别设有节电块，节电块与电缆连接。
9.如权利要求8所述的高熔点金属模具型壳无内应力快速制造工艺用装备，其特征是，所述喷枪与过滤器连接的管路上设有压力表、减压阀以及安全阀和闸阀；油水分离器与气体压缩机之间的管路上设有单向阀；在绝缘块的压缩气体喷嘴出口侧设有弧光罩；送丝机构有两个，它们结构相同，由导丝管以及与之配合的送丝滚轮组成，并分别与相应的导电嘴配合。
10.如权利要求8或9所述的高熔点金属模具型壳无内应力快速制造工艺用装备，其特征是，所说的压缩气体喷嘴由稳定段、收缩段、喉部、扩张段构成，稳定段的直径Dtl与喉部直径D1比值为1. 6-2 ；稳定段的长度Ltl与收缩段长度L1比值2-2. 8 ；扩张段的直径仏与喉部直径D1比值为1. 3-1. 5 ；收缩段的长度L1与扩张段长度L2比值1. 2-1. 5。
全文摘要
本发明公开了一种高熔点金属模具型壳无内应力快速制造工艺与装备，其制造速度快，周期短，成本低，同时拥有较长的模具寿命。具体步骤为步骤1，母模的毛化处理；步骤2，母模表面合金化处理步骤3，高熔点金属电弧喷涂将高熔点金属喷涂材料喷涂到经过合金化处理的母模表面，以高熔点金属丝材作为自熔性电极气体放电产生温度极高的电弧为热源，通过压缩气体的高速气流将熔融状态的高熔点金属材料雾化，将熔融的喷涂粒子喷射、沉积在经过合金化的母模表面上，一层截面成形完成后，工作台下降一定高度，再进行下一层的喷涂，如此循环，最终形成5-30mm厚度的致密金属涂层，即模具型壳。
文档编号C23C4/12GK102424945SQ20111037669
公开日2012年4月25日 申请日期2011年11月23日 优先权日2011年11月23日
发明者丁玉成, 侯亚丽, 李长河, 韩振鲁 申请人:青岛理工大学