专利名称：一种带有随形冷却管道的模具制造方法
技术领域：
本发明涉及一种模具制造方法，特别是一种采用激光溶化工艺和金属浇铸 工艺结合制造一种带有随形冷却管道的模具制造方法。
背景技术：
模具制造技术是当今制造业中应用最广泛的技术之一，在模具上设置冷却 管道通过管道中的循环水对模具进行冷却是模具冷却最简单和有效的方法，模 具的冷却系统对模具的寿命、产品的生产效率和质量具有重要影响。特别是型 腔复杂的大型模具的冷却系统更显其重要。模具制造的传统方法是对金属毛 坯进行车、铣、刨、钻、磨、电蚀等加工，从而得到所需的模具形状和尺寸。 上述方法尚难在金属毛坯中加工出轨迹为三维曲线的内孔，因此，传统方法所 制造的模具的冷却流道一般都是由一组平直的开孔系所组成，为形成封闭的流 路，除进口和出口外，其它的开孔需要用堵头密封。这种冷却技术存在以下问 题首先，冷却流道的设置受到加工工艺限制，无法实现按设计需要设置，冷 却效率低，冷却效果差。由于模具的型腔一般都很复杂，直孔系组成的冷却系 统无法保证模腔各部分均匀冷却，产品因冷却不均匀易导致变形。其次，加工 工艺复杂，孔系在模具制造时需加工出来，而在模塑时又需用堵头堵上。由于 模具制造过程中手段的局限和合适的冷却水道设计理论的缺乏，目前冷却水道 的设计和制造仍然局限在相对简单的结构形式下，因此在模具制造中，如何解 决按设计要求在模具中任意设置冷却流道达到提高冷却效率满足模具的使用要求是本行业亟待解决的技术问题。
选择性激光成形方法分为溶化成形(Selective Laser Melting, SLM)和 烧结成形(Selective Laser Sintering, SLS)，其工作原理是在计算机上生 成实体的CAD模型，再经过切片处理生成STL文件，利用计算机控制激光逐层将 成形，选用固体粉末作为溶化成形或烧结成形材料经层层叠加后，最终形成了 所需的原型或零件。该技术具有成形材料广，制造过程不受零件复杂程度的影 响，制造效率髙，成本低的特点，特别适合用来制造模具使用。
目前国外对利用选择性激光烧结成形方法(Selective Laser Sintering, SLS)制造模具展开了广泛研究，主要用两种方法。第一种方法是用大功率激光 直接成形模具，研究最成功的是德国的EOS公司，其材料商标分别为 DirectMetallOO , DkectMeta150 , DirectMeta120 ， DirectSteell50-VI ， DirectSted120-VI等，制造的模具的拉伸强度可达491 MPa。另一种则利用小功 率激光间接成形模具，研究最成功的是美国的DTM公司，其材料商标分别为 RapidSted 1.0， R邻idSteel 2.0， LaserFo加ST-IOO， LaserForm ST-200， LaserForm A6 (材料商标)等，这些材料主要都是用来制造注塑模，其制造的注塑模具强 度可达587 MPa以上，注塑模的寿命已达10万件/副。上述两类方法都是采用特 制的粉末，并且依靠上述单一技术而进行模具镶块的整体成形，成形工艺过程 复杂，需要成形后处理，成本高。
选择性激光溶化成形方法(Selective Laser Melting, SLM)使用的成形 粉末可使用单一金属或金属合金粉末，可根据不同模具的使用要求，选择机械 和物理性能不同的成形粉末满足模具的使用需要，由于溶化成形方法成形后的 工件具有较大的内应力，而且消除困难，对于体积较大的工件易产生裂纹和变
5形，所以选择性激光溶化成形方法直接制造大型模具现有工艺还无法解决该技
术缺陷。
发明内容
为解决现有模具制造中无法实现冷却流道三维曲线的内孔加工和选择性激 光溶化成形方法不适应成形体积较大的模具的技术问题，本发明结合现有的选 择性激光溶化成形技术工艺和浇铸技术工艺发明一种带有冷却管道的模具制造 方法，解决了模具中冷却流道按设计要求，在模具内实现冷却流道的轴线在空 间三维曲线的方向随模具型腔设置和选择性激光溶化成形方法不适应成型体积 较大的模具的技术问题，达到降低模具的制造成本、提高模具冷却效率，模具 精度和减少制造周期的发明目的。
本发明实现发明目的采用的技术方案是，一种带有随形冷却管道的模具制 造方法，该模具制造方法采用如下步骤实现
(1) 、采用选择性激光熔化成形方法制造单一金属合金粉末或金属元素复合粉末 材料并具有设计壁厚的模具外轮廓壳体，模具外轮廓壳体上端面为模具型腔， 模具外轮廓壳体内为浇铸填充空腔；
(2) 、根据步骤a)制造的模具外轮廓壳体上端面模具型腔的形状，对应设计制造
轴线可为空间三维曲线任意设置的模具随形冷却管道；
(3) 、将步骤(2)制造的模具冷却管道安装在步骤(1)制造的模具外轮廓壳体内，模 具外轮廓壳体进行预热，使用单一金属或金属合金采用浇铸的方法将模具冷却 管道与模具外轮廓壳体形成的间隙进行浇铸填充；
(4) 、将步骤(3)浇铸填充后带有隨形冷却管道的模具外轮廓壳体和浇铸填充部分, 迸行整体的表面精加工处理。本发明的有益效果是，模具制造方法具有工艺简单，模具制造精度高，模 具冷却管道可根据设计要求任意设置，满足模具在使用过程中的冷却要求，提 高模具的使用寿命。降低模具制造成本和制造周期，并可通过改变模具外轮廓 壳体材料来满足不同需要的模具制造。
具体实施例方式
该模具制造方法采用如下歩骤实现-
(1) 、采用选择性激光格化成形方法制造单一金属合金粉末或金属元素复合粉末 材料并具有设计壁厚的模具外轮廓壳体，模具外轮廓壳体上端面为模具型腔， 模具外轮廓壳体内为浇铸填充空腔。
上述工艺中，根据模具的具体的机械和物理性能要求的技术参数，选取单 一金属合金粉末或金属元素复合粉末作为模具轮廓壳体的制造材料，将制造模 具轮廓壳体的金属粉末材料在髙能球磨机内进行充分混合，使其各自均匀分布， 根据成形粉末材料的特点，采用计算机三维结构设计软件设计出具有一定壁厚
的模具外轮廓壳体三维模型，采用SLM设备对混合好的粉末进行成形，制造出 模具外轮廓壳体。
(2) 、根据歩骤(l)制造的模具外轮廓壳体上端面模具型腔的形状，对应设计制造 轴线可为空间三维曲线任意设置的模具随形冷却管道。
上述工艺中，采用与模具材料熔点接近的管材机械弯曲成形模具所需的冷 却水道，水道的路线具有随和模具型腔形状的特点。满足冷却水道对模具型腔 冷却的设计需要。
(3) 、将步骤(2)制造的模具冷却管道安装在步骤(1)制造的模具外轮廓壳体内，模 具外轮廓壳体进行预热，使用单一金属或金属合金采用浇铸的方法将模具冷却管道与模具外轮廓壳体形成的间隙进行浇铸填充。
浇铸填充具有工艺简单，成本低廉和工艺周期短的特点，并可通过改变浇 铸填充材料满足浇铸填充材料与模具外轮廓壳体冶金结合力、模具的导热性能 和机械强度等技术问题。
(4)、将步骤③浇铸填充后带有随形冷却管道的模具外轮廓壳体和浇铸填充部分, 进行整体的表面精加工处理。采用电解抛光或机械抛光的方法使其表面光洁度 达到注射零件的要求。
本发明的模具制造方法中，模具外轮廓壳体加工实施例1的材料和工艺参 数为；
(1)、采用选择性激光熔化成形方法(SLM)制造模具外轮廓壳体的材料为平均粒 度40p加的模具钢粉末，模具外轮廓壳体厚度为3mm，激光成形参数为激光 功率150-200W、扫描间距0.0^0.12mm、扫描速度50(M000mm/s、铺粉层厚 0.05-0.1 mm 。
本发明的模具制造方法中，模具外轮廓壳体加工实施例2的材料和工艺参 数为,-
(1)、采用选择性激光熔化成形方法(SLM)制造模具外轮廓壳体的材料选用工具 钢粉末加TiC粉末,工具钢粉末平均粒度为30nm，TiC粉末颗粒平均粒度为3^mi, 工具钢粉末与TiC粉末粉末按照体积比20: 1的比例进行均匀混合，模具外轮 廓壳体厚度为3mm，激光成形参数为激光功率150-200W、扫描间距 0.08-0.12mm、扫描速度50(M000mm/s、铺粉层厚0.05-0. lmm。
本发明的模具制造方法种，模具外轮廓壳体加工实施例3的材料和工艺参 数为；(l)采用选择性激光熔化成形方法(SLM)制造模具外轮廓壳体的材料选用工具钢粉末加WC粉末颗粒，工具钢粉末平均粒度为45pm， WC粉末颗粒平均粒度为2pm，工具钢粉末与WC粉末按照体积比20: 1的比例进行均匀混合，模具外轮廓壳体厚度为3mm，激光成形参数为激光功率150-200W、扫描间距0.08-0.12mm、扫描速度500-1000mm/s、铺粉层厚0.05-0. lmm;
本发明的模具制造方法中，模具外轮廓壳体加工实施例4的材料和工艺参数为
(l)激光溶化方法制造模具外轮廓壳体的制造工艺中，模具外轮廓壳体的材料选用93W-4.9Ni-2,lFe系合金复合粉末，合金复合粉末平均粒度为45|mi。合金复合粉末按照体积比合金重量百分比进行均匀混合；模具外轮廓壳体度定为3mm,激光成形参数为激光功率150-200W、扫描间距0.08-0.12mm、扫描速度500-1000mm/s、铺粉层厚0.05>0.hnm。
本发明涉及单一金属或金属合金浇铸填充材料为铜或铝合金或低碳钢。浇铸填充材料主要考虑的技术指标是，材料的导热性、材料强度、浇铸的工艺性以及与模具外轮廓壳体的材料的冶金结合性能等。根据上述技术要求以及最终模具的机械强度和物理性能，对模具外轮廓壳体材料与浇铸填充材料进行对应调整和搭配。
权利要求
1、一种带有随形冷却管道的模具制造方法，其特征在于该模具制造方法采用如下步骤实现(1)、采用选择性激光熔化成形方法制造单一金属合金粉末或金属元素复合粉末材料并具有设计壁厚的模具外轮廓壳体，模具外轮廓壳体上端面为模具型腔，模具外轮廓壳体内为浇铸填充空腔；(2)、根据步骤(1)制造的模具外轮廓壳体上端面模具型腔的形状，对应设计制造轴线可为空间三维曲线任意设置的模具随形冷却管道；(3)、将步骤(2)制造的模具冷却管道安装在步骤(1)制造的模具外轮廓壳体内，模具外轮廓壳体进行预热，使用单一金属或金属合金采用浇铸的方法将模具冷却管道与模具外轮廓壳体形成的间隙进行浇铸填充；(4)、将步骤(3)浇铸填充后带有随形冷却管道的模具外轮廓壳体和浇铸填充部分，进行整体的表面精加工处理。
2、 根据权利要求I所述的一种带有随形冷却管道的模具制造方法，其特征在于-(1)、步骤(l)采用选择性激光熔化成形方法制造模具外轮廓壳体的制造工艺中， 模具外轮廓壳体的材料采用平均粒度为40|im模具钢粉末,模具外轮廓壳体设计 壁厚为3mm，在SLM设备配有300W以上功率的光纤激光器，激光成形参数为 激光功率150-200W、扫描间距0.08-0.12mm、扫描速度500-1000mm/s、铺粉层 厚0.05-0.1鹏。
3、 根据权利要求1所述的一种带有随形冷却管道的模具制造方法，其特征在于:a)、歩骤u)采用选择性激光熔化成形方法制造模具外轮廓壳体的制造工艺中，模具外轮廓壳体的材料选用工具钢粉末和TiC粉末，工具钢粉末平均粒度为 30啤，TiC粉末颗粒平均粒度为3pm,工具钢粉末与TiC粉末粉末按照体积比 20:1的比例进行均匀混合,模具外轮廓壳体厚度为3mm，在SLM设备配有300W 以上功率的光纤激光器，激光成形参数为激光功率150-20OW、扫描间距 0.08力.12mm、扫描速度500-1000mm/s、铺粉层厚0.05-0. lmm 。
4、 根据权利要求1所述的一种带有随形冷却管道的模具制造方法，其特征在于 U)、步骤(l)采用选择性激光熔化成形方法制造模具外轮廓壳体的制造工艺中，模具外轮廓壳体的材料选用工具钢粉末和wc粉末颗粒，工具钢粉末平均粒度为45jim， WC粉末颗粒平均粒度为2nm，工具钢粉末与WC粉末按照体积比 20:1的比例进行均匀混合，模具外轮廓壳体厚度为3mm，在SLM设备配有300W 以上功率的光纤激光器，激光成形参数为激光功率150"200W、扫描间距 0.08-0.12mm、扫描速度500-1000mm/s、铺粉层厚0.05-0. lmm 。
5、 根据权利要求1所述的一种带有随形冷却管道的模具制造方法，其特征在于-(1)、步骤(l)采用选择性激光熔化成形方法制造模具外轮廓壳体的制造工艺中， 模具外轮廓壳体的材料选用93W-4.9Ni-2.1Fe系金属元素复合粉末，合金复合粉 末平均粒度为45nm。模具外轮廓壳体度定为3mm,在SLM设备配有300W以 上功率的光纤激光器，激光成形参数为激光功率150-200W、扫描间距 0.08-0.12mm、扫描速度50(M000mm/s、铺粉层厚0.05-0.1 mm 。
6、 根据权利要 求1所述的一种带有随形冷却管道的模具制造方法，其特征在于: 步骤(3〉中的单一金属或金属合金浇铸填充材料为铜或铝合金或低碳钢。
全文摘要
一种带有随形冷却管道的模具制造方法，解决为解决现有模具冷却流道三维曲线设置和适用激光溶化成形工艺加工的技术问题，其技术方案是，激光熔化成形方法制造具有设计壁厚的模具外轮廓壳体，制作随形冷却管道并安装在模具外轮廓壳体内，模具外轮廓壳体进行预热，将模具冷却管道与模具外轮廓壳体形成的间隙进行浇铸填充，对模具外轮廓壳体和浇铸填充部分，进行整体的表面精加工处理。本发明的优点是，模具制造方法具有工艺简单，模具制造精度高，模具冷却管道可根据设计要求任意设置，满足模具在使用过程中的冷却要求，提高模具的使用寿命。降低模具制造成本和制造周期，并可通过改变模具外轮廓壳体材料来满足不同需要的模具制造。
文档编号B22F3/22GK101670437SQ200910108919
公开日2010年3月17日 申请日期2009年7月20日 优先权日2009年7月20日
发明者刘锦辉, 李瑞迪, 灿 赵, 陈继兵 申请人:黑龙江科技学院