专利名称：工模具的熔积制造方法
技术领域：
本发明属于工模具的特种加工方法。
背景技术：
现有的大中型工模具，如复杂形状的大中型汽车覆盖件冲压模具，基本制造工艺大都先 采用铸造成形得到留有相当的加工余量的坯体；在对坯体机械加工去除绝大部分的余量后， 采用表面淬火热处理，使其表面达到所需硬度等要求，最后采用精加工达到工模具所需的尺 寸和表面光洁度的要求。然而，对于大中型模具，整体采用优质工模具材料的费用高，机械 加工量大，热处理技术要求高、风险大，铸件固有的气孔、縮孔等表面缺陷造成的报废等仍 难以避免，致使该方法的制造周期长、成本高、风险较大。
对于汽车大中型内饰件之类的注塑模具，冷却流道距模具型腔表面等距离、且随着型面 形状分布的随型冷却方式是理想的模具冷却方式。但是，由于这类模具的型面多为复杂曲面 ，随型冷却流道无法用机械加工得到，而只能将模具沿冷却流道分为可加工的两部分，并分 别采用机械加工得到这两个部分；待冷却流道做好后将这两部分焊合起来才能最终得到带复 杂随型冷却流道的模具。这种方法需要对多个面实施复杂形状机械加工，加工量大；两部分 焊合后冷却流道的密封性、模具精度等不易控制。
采用熔射(热喷涂)方法，首先是制作耐热原型，然后在其表面喷涂模具材料，接下来 采用背衬抗压材料对涂层补强，之后将原型与补强后的涂层分离，最终获得模具。该方法适 用于试制或小批量成形用的大中型模具的低成本、快速制造。但是，因涂层难以达到批量成 形所需的厚度和强度的要求，且涂层与金属补强基体冶金结合困难，因此，尚不适用于大批 量成形用的大中型模具的快速制造。
直接快速制造金属零件—申麵廳11^^技术，是新近在快速成形 技术的基础上发展起来的数字化堆积成形方法。它基于平面离散/堆积的原理，首先在CAD造 型系统中获得一个零件的三维CAD模型，将模型数据进行处理，沿某一方向进行平面"分层 "离散化，然后通过专有的CAM系统(成形机)将成形材料由平面逐层堆积成形最终得到零 件原型。该方法的主要优点是原理上不受形状限制。目前已出现了多种直接快速制造金属零 件或模具的方法，其中，可获得高致密度零件的方法主要有高能束的大功率激光束成形、电子束成形、等离子束成形等方法。
大功率激光束成形是采用大功率激光逐层将送到平面基板上的金属粉末或丝熔化，并快
速凝固最终成形，成形件的密度明显高于选择性激光烧结成形方法，见
A_ J. PiuMato; L U Effects of Geomefty and Gompo通ffli in Coaxial Laser DqK)他n of 3 L6L Steel fcr
KapidPrc(ypii^AEiBlscf1heaKP,WS2aC2003)，pm-184、但存在能量利用率、成形效率和材料利用
率不高，难于达到满密度，设备投资大等问题。
电子束成形是采用大功率的电子束熔化粉末材料，根据计算机模型施加电磁场，控制电 子束的运动，在平面基板上逐层扫描直至整个原型成形完成，成形精度较高、成形质量较好 ，见
Matz IE.= Eagai TW. Carbide fomiation in Alloy 718 during electronleam solid freefo皿 fibrication. Metalluigical and Mataials Transaditms A: Hiysical Metalkigy and Materials Scioice:
^00二vW(E):p2559-2561。然而其工艺条件要求严格，需在真空中进行，致使成形尺寸受到 限制，且设备造价昂贵。
等离子束成形是采用高度压縮、集束性好的等离子束熔化同步供给的金属粉末或丝材， 在平面基板上逐层堆积形成金属零件的技术，具有比大功率激光成形方法和电子束沉积方法 成形效率高，易于获得满密度，可梯度材料成形，设备和运行成本远低等特点，但是，该方 法的成形精度低于前两者，并和前两种方法一样，只能得到零件的近终成形体。为此，出现 了将等离子熔积与铣削复合的无模制造方法，即以等离子束为成形热源，在成形过程中，交 叉进行数控铣削精整，以实现短流程、低成本的精确制造，(1)张海鸥等，直接快速制造 模具与零件的方法及其装置，ZL00131288. X。
(2) Haiou Zhang， Jipeng Xu， Guilan Wang, Fundamental Study on Plasma Deposition Manufacturing, Surface and Coating Technology, v. 171(1-3) ，2003， pp. 112 118. (3)张海鸥等，等离子熔积/铣削复合直接制 造高温合金双螺旋整体叶轮，中国机械工程，2007， Voll8， No. 14: P1723 1725。
然而，对于大中型工模具，如重量达数吨的大型汽车车身模具，若仍从平面基板上逐层 熔积成形，即便采用成形效率高、尺寸限制小、成本低的等离子束熔积成形技术，仍然效率 较低、成本较高。基于曲面分层的梯度或单一材料成形工艺和软件尚未见研究报道。因此， 上述现有的成形加工方法尚不适用于大中型批量成形用工模具的低成本、快速、高质量制造
发明内容
本发明提供一种工模具的熔积制造方法，解决大中型工模具现有的制造方法周期长、成 本高、风险较大的问题。
本发明的一种工模具的熔积制造方法，依序包括
(1) 成形加工步骤；采用铸造得到工模具的坯体，坯体精度在铸造误差范围内；或者 机械加工得到不带内部流道结构的注塑模或压铸模坯体，坯体精度在机械加工误差范围内；
所述坯体材料为所需的工模具材料或者工模具材料以外的金属材料；
(2) 测量步骤；测量所述坯体，获得坯体形状和尺寸的CAD数据；
(3) 计算厚度值步骤；由所需工模具的CAD数据和得到的坯体形状和尺寸的CAD数据， 求得两者的差值，将该差值作为应增加的厚度值；
(4) 熔积成形步骤；根据所述应增加的厚度值，在所述坯体表面，采用所需的工模具 材料或者工模具材料以外的金属材料，数字化梯度材料或单一材料逐层熔积成形，直至达到 应增加的厚度值，得到所需的工模具。
在所需工模具熔积成形全部完成后，可以施加研磨或者抛光，使工模具达到设计所需的 表面质量要求。
所述的熔积制造方法，其特征在于
所述成形加工步骤和熔积成形步骤中，所述工模具材料以外的金属材料为碳钢、镍合金 、不锈钢、铜合金或者铝合金。
所述的熔积制造方法，其特征在于
所述熔积成形步骤中，所述熔积成形方法为气体保护焊熔积成形、激光熔积成形。
本发明方法针对现有的大中型工模具制造的周期长、成本高、风险较大的问题，根据工 模具的体积大小、形状复杂程度，首先采用铸造或机械加工获得占所需工模具大部分体积的 坯体，该坯体大都为曲面等各种形状；在此坯体表面上，数字化梯度或单一材料逐层熔积成 形，直到获得具有各种复杂表面或内部结构的耐磨、耐腐蚀的工模具，可快速、经济、高质 量制模；既解决了传统的铸造+机械加工+热处理的制模周期长、成本高、因淬火和表面气孔 和縮孔等缺陷造成的风险较大的瓶颈问题，又解决了基于平面分层并堆积的现有快速成形方法因效率较低、成本较高、难以曲面分层成形而尚未应用于大中型工模具制造的问题，具有 重要的应用前景。
具体实施方式
实施例l:
(1)采用铸造得到所需的拉延成形模具的坯体，坯体精度在铸造误差范围内，坯体材 料是所需的模具的铸铁材料；(2)通过测量所述坯体，获得该坯体的形状和尺寸的CAD数据 ;(3)由所需模具的CAD数据和测量得到的坯体形状和尺寸的CAD数据，求得两者的差值， 将该差值作为应增加的厚度值。以该模具的凹模表面上的一个凹形圆锥体为例，该凹形圆锥 体的尺寸如下圆锥体上端开口处的直径为130mm、下端底部的直径为100mm、深15mm，而在 该模具的坯体表面的相应位置，测得一个上端开口处的直径为140mm、下端底部的直径为 110mm、深20mm的凹形圆锥体部分，则在该坯体的凹圆锥体表面上，应增加的厚度值为5mm; (4)根据所述应增加的厚度值，在所述坯体表面的该凹圆锥体表面上，采用安装在机器人 末端执行器上的熔化极气体保护熔积枪，设定焊接电流为40A 80A，数字化逐层熔积成形拉 延成形模具钢材料，直至达到应增加的5mm厚度值；所述坯体的其它部分也按测量后求得的 应增加的厚度值，数字化逐层熔积成形模具钢材料，最终得到所需尺寸的模具。成形完成后 ，施加少量后续加工，使其达到模具设计所需的表面质量的要求。
实施例2:
(1)采用铸造得到所需的拉延成形模具的坯体，坯体精度在铸造误差范围内，坯体材 料是所需的模具的铸钢材料；(2)通过测量所述坯体，获得该坯体的形状和尺寸的CAD数据 ;(3)由所需模具的CAD数据和得到的坯体形状和尺寸的CAD数据，求得两者的差值，将该 差值作为应增加的厚度值。如该模具的凹模表面上，有一个长100mm、宽50mm、深10mm的凹 槽面，而在该模具的坯体表面的相应位置上，测得一个长106mm、宽56mm、深13mm的凹槽体 部分，则在该坯体的凹槽面上，应增加的厚度值为3mm;(4)根据所述应增加的厚度值，在 所述坯体表面上，采用安装在熔积成形数控机床加工头上的熔化极气体保护熔积枪，焊接电 流为50 80A，数字化逐层熔积成形铁-镍-铬合金材料，直至达到应增加的3mm厚度值；所述 坯体的其它部分也按测量后求得的应增加的厚度值，数字化逐层熔积成形铁-镍-铬合金材料 ，最终得到所需尺寸的模具。成形完成后，施加少量后续加工，使其达到模具设计所需的表 面质量的要求。实施例3:
(1)采用机械加工得到所需的压铸模具的坯体，坯体精度在机械加工误差范围内，坯 体材料是50号锻造钢材；(2)通过测量所述坯体，获得该坯体的形状和尺寸的CAD数据；( 3)由所需模具的CAD数据和得到的坯体形状和尺寸的CAD数据，求得两者的差值，将该差值 作为应增加的厚度值。如该模具的凹模中有一个半径为20mm、深20mm的半凹球部分，而在该 模具的坯体的相应位置上，测得一个半径为23mm、深23mm的半凹球体部分，则在该坯体的半 凹球表面上，应增加的厚度值为3mm;(4)根据所述应增加的厚度值，在所述坯体表面，采 用安装在机器人末端执行器上的非熔化极气体保护焊的等离子弧熔积枪，焊接电流50 80A ，数字化逐层熔积成形铁-镍-铬合金材料，直至达到应增加的厚度值；所述坯体的其它部分 也按测量后求得的应增加的厚度值，数字化逐层熔积成形铁-镍-铬合金材料，最终得到所需 尺寸的模具。成形完成后，施加少量后续加工，使其达到模具设计所需的表面质量的要求。
实施例4:
(1)采用机械加工得到所需的注塑模具的坯体，坯体精度在机械加工误差范围内，坯 体材料是45号锻造钢材；(2)通过测量所述坯体，获得该坯体的形状和尺寸的CAD数据；( 3)由所需模具的CAD数据和得到的坯体形状和尺寸的CAD数据，求得两者的差值，将该差值 作为应增加的厚度值，如该模具的凹模中有一个半径为20mm、高20mm的半圆凸台部分，而在 该模具的坯体的相应位置测得一个半径为18mm、高l8mm的半圆凸台部分，则在该坯体的半圆 凸台表面上，应增加的厚度值为2mm;(4)根据所述应增加的厚度值，在所述坯体表面，采 用安装在熔积成形数控机床加工头上的电压为420v 480v，频率为10赫兹的YAG固体激光器 发出的激光束，数字化逐层熔积成形不锈钢合金材料，直至达到应增加的厚度值；所述坯体 的其它部分也按测量后求得的应增加的厚度值，数字化逐层熔积成形不锈钢合金材料，最终 得到所需尺寸的、带随型冷却流道的模具。成形完成后，施加少量后续加工，使其达到模具 设计所需的表面质量的要求。
权利要求
1.一种工模具的熔积制造方法，依序包括(1)成形加工步骤；采用铸造得到工模具的坯体，坯体精度在铸造误差范围内；或者机械加工得到不带内部流道结构的注塑模或压铸模坯体，坯体精度在机械加工误差范围内；所述坯体材料为所需的工模具材料或者工模具材料以外的金属材料；(2)测量步骤；测量所述坯体，获得坯体形状和尺寸的CAD数据；(3)计算厚度值步骤；由所需工模具的CAD数据和得到的坯体形状和尺寸的CAD数据，求得两者的差值，将该差值作为应增加的厚度值；(4)熔积成形步骤；根据所述应增加的厚度值，在所述坯体表面，采用所需的工模具材料或者工模具材料以外的金属材料，数字化梯度材料或单一材料逐层熔积成形，直至达到应增加的厚度值，得到所需的工模具。
2 如权利要求l所述的熔积制造方法，其特征在于 所述成形加工步骤和熔积成形步骤中，所述工模具材料以外的金属材料为碳钢、镍合 金、不锈钢、铜合金或者铝合金。
3 如权利要求1或2所述的熔积制造方法，其特征在于 所述熔积成形步骤中，所述熔积成形方法为气体保护焊熔积成形、激光熔积成形。
全文摘要
工模具的熔积制造方法，属于工模具的特种加工方法，解决大中型工模具现有的制造方法周期长、成本高、风险较大的问题。本发明包括(1)成形加工步骤采用铸造或者机械加工得到工模具坯体；(2)测量步骤测量坯体，获得坯体形状和尺寸的CAD数据；(3)计算厚度值步骤由所需工模具的CAD数据和得到的坯体形状和尺寸的CAD数据，求得两者的差值，作为应增加的厚度值；(4)熔积成形步骤根据应增加的厚度值，在坯体表面，数字化梯度材料或单一材料逐层熔积成形，直至达到应增加的厚度值，得到所需的工模具。本发明解决了传统成形方法和现有快速成形方法存在的问题，适合高效率、高质量、低成本地制造大中型、复杂形状的工模具。
文档编号B21D22/02GK101618414SQ20091030529
公开日2010年1月6日 申请日期2009年8月6日 优先权日2009年8月6日
发明者张海鸥, 王桂兰 申请人:华中科技大学