金屬硬模具制造技術(shù)

1、快速成型技術(shù)及應(yīng)用快速成型技術(shù)及應(yīng)用張汪年張汪年第六章第六章 快速原型的金屬鋼質(zhì)硬模制造技術(shù)快速原型的金屬鋼質(zhì)硬模制造技術(shù)一、燒結(jié)工具鋼一、燒結(jié)工具鋼/碳化鎢滲銅碳化鎢滲銅（3D keltool）模）模 燒結(jié)工具鋼燒結(jié)工具鋼/碳化鎢滲銅（碳化鎢滲銅（3D keltool）模）模3D Systems公司的公司的“Keltool”工藝是粉末燒結(jié)法工藝是粉末燒結(jié)法的代表。的代表。 該方法是通過(guò)母模復(fù)制的硅橡膠，澆鑄工具鋼該方法是通過(guò)母模復(fù)制的硅橡膠，澆鑄工具鋼粉粒、碳化鎢粉粒和黏結(jié)的混合物，再進(jìn)行燒結(jié)、粉粒、碳化鎢粉粒和黏結(jié)的混合物，再進(jìn)行燒結(jié)、滲銅而形成的模具。滲銅而形成的模具。 模具的壽命取決于

2、燒結(jié)的材料，一般都在模具的壽命取決于燒結(jié)的材料，一般都在1萬(wàn)萬(wàn)件以上。這種模具與鋼模、鋁模有相似的特性，件以上。這種模具與鋼模、鋁模有相似的特性，有很好的特征和表面粗糙度，適合幾乎所有的樹(shù)有很好的特征和表面粗糙度，適合幾乎所有的樹(shù)脂。若需要提高模具的精度，可采取添加微細(xì)球脂。若需要提高模具的精度，可采取添加微細(xì)球狀粉末等措施。狀粉末等措施。1、3D keltool模的制作過(guò)程模的制作過(guò)程 （1）.由由SLA快速成形系統(tǒng)方法生成快速原型，快速成形系統(tǒng)方法生成快速原型，如如圖圖a。 （2）.將模芯原型放入制模箱中，制模箱中澆入將模芯原型放入制模箱中，制模箱中澆入RTV硅膠，固化后取出原型，制成硅膠

3、，固化后取出原型，制成RTV硅橡膠模，硅橡膠模，如如圖圖b。 3.將硅橡膠放入制模箱中，澆入將硅橡膠放入制模箱中，澆入A6鋼粉、碳化鎢鋼粉、碳化鎢以及環(huán)氧樹(shù)脂黏結(jié)劑組成的漿液，如以及環(huán)氧樹(shù)脂黏結(jié)劑組成的漿液，如圖圖c。 4.待漿液固化后，取出模芯初型，放入爐中燒結(jié)。待漿液固化后，取出模芯初型，放入爐中燒結(jié)。在高溫下，燒去黏結(jié)劑，形成質(zhì)地疏松的在高溫下，燒去黏結(jié)劑，形成質(zhì)地疏松的A6鋼鋼碳化鎢模芯。然后對(duì)模芯進(jìn)行滲銅處理，制成全碳化鎢模芯。然后對(duì)模芯進(jìn)行滲銅處理，制成全密度的密度的A6鋼碳化鎢銅金屬模芯，如鋼碳化鎢銅金屬模芯，如圖圖d。 2、 3D Keltool模的主要優(yōu)點(diǎn)模的主要優(yōu)點(diǎn) 1.K

4、eltool模芯材料通常含有模芯材料通常含有70A6鋼和碳化鎢，鋼和碳化鎢，因因WC硬度高，模具硬度熱處理后可達(dá)硬度高，模具硬度熱處理后可達(dá)4044HRC，所以耐磨，變形小。，所以耐磨，變形小。 2.模具表面質(zhì)量好，拋光后其表面粗糙度可達(dá)模具表面質(zhì)量好，拋光后其表面粗糙度可達(dá)2025m。 3.具有較好的機(jī)械加工性能，可如同傳統(tǒng)模具一具有較好的機(jī)械加工性能，可如同傳統(tǒng)模具一樣進(jìn)行后處理，如拋光、磨削、焊接等。樣進(jìn)行后處理，如拋光、磨削、焊接等。 4.模具壽命長(zhǎng)，如：對(duì)于填充的熱塑性塑料（如模具壽命長(zhǎng)，如：對(duì)于填充的熱塑性塑料（如聚丙烯，聚丙烯，ABS，尼龍等），有的，尼龍等），有的Keltool

5、鑲塊的鑲塊的壽命高于壽命高于300萬(wàn)次。萬(wàn)次。 5.keltool因?yàn)楹秀~，因此具有良好的導(dǎo)熱性，因?yàn)楹秀~，因此具有良好的導(dǎo)熱性，可以縮短制件時(shí)間，一副模具約需可以縮短制件時(shí)間，一副模具約需8天，而用傳天，而用傳統(tǒng)方法需要統(tǒng)方法需要48周。周。 6.該功率制模的收縮率為該功率制模的收縮率為0.6，且收縮線性、同，且收縮線性、同向，因此可在形成向，因此可在形成STL格式文件時(shí)作為變量輸入。格式文件時(shí)作為變量輸入。 7.目前，目前，Keltool工藝制作模芯的最大尺寸為工藝制作模芯的最大尺寸為150mm215mm145mm，最大體積為，最大體積為2.3L，對(duì)于較大尺寸的模芯，可以分割制作后進(jìn)行

6、組合。對(duì)于較大尺寸的模芯，可以分割制作后進(jìn)行組合。 8.可制作形狀復(fù)雜，具有細(xì)微特征的模具，相對(duì)可制作形狀復(fù)雜，具有細(xì)微特征的模具，相對(duì)成本低。成本低。3、3D Keltool模的主要局限模的主要局限 1.Keltool模的技術(shù)新，應(yīng)用時(shí)間短，工藝不穩(wěn)定。模的技術(shù)新，應(yīng)用時(shí)間短，工藝不穩(wěn)定。 2.母模必須要精確、穩(wěn)定，因此，對(duì)于尺寸大于母模必須要精確、穩(wěn)定，因此，對(duì)于尺寸大于125mm以上的模具，快速成形系統(tǒng)不能保證母模的精度在以上的模具，快速成形系統(tǒng)不能保證母模的精度在0.05mm以內(nèi)以內(nèi) 3.對(duì)于不同的型芯和型腔，甚至對(duì)于同一型芯或?qū)τ诓煌男托竞托颓?，甚至?duì)于同一型芯或者型腔的不同部位，

7、者型腔的不同部位，3D Keltool模的精度也會(huì)因模的精度也會(huì)因收縮率的變化而造成不一致。收縮率的變化而造成不一致。 4.由于精度和一致性的問(wèn)題，有的由于精度和一致性的問(wèn)題，有的3D Keltool鑲鑲塊可能需要后續(xù)機(jī)械加工，增加模具制作費(fèi)用和塊可能需要后續(xù)機(jī)械加工，增加模具制作費(fèi)用和時(shí)間。時(shí)間。二、二、Rapid-ToolTM制模技術(shù)制模技術(shù) SLS直接燒結(jié)低碳鋼直接燒結(jié)低碳鋼滲銅膜的工藝是滲銅膜的工藝是DTM公司公司采用專利的采用專利的SLS過(guò)程開(kāi)發(fā)的，稱作過(guò)程開(kāi)發(fā)的，稱作Rapid-ToolTM。 使用的材料有使用的材料有PVC、PC、聚合黏結(jié)劑包裹的、聚合黏結(jié)劑包裹的低碳鋼粉末，聚合

8、黏結(jié)劑包裹的低碳鋼粉末，聚合黏結(jié)劑包裹的420不銹鋼粉末不銹鋼粉末等等。等等。2、Rapid-ToolTM模建立過(guò)程模建立過(guò)程 1.使用使用Rapid-ToolTM工藝，激光束燒結(jié)低碳鋼和工藝，激光束燒結(jié)低碳鋼和黏結(jié)劑粉粒，使它們?nèi)诤显谝黄?，并一層一層的黏結(jié)劑粉粒，使它們?nèi)诤显谝黄?，并一層一層的建立工件，得到半成品件。建立工件，得到半成品件?2.半成品的強(qiáng)度很低，只有半成品的強(qiáng)度很低，只有3MPa，因此，為提，因此，為提高強(qiáng)度，將半成品放入含有高強(qiáng)度，將半成品放入含有25H2和和75N2的的電爐中，當(dāng)爐溫升到電爐中，當(dāng)爐溫升到700時(shí)，幾乎全部的黏結(jié)時(shí)，幾乎全部的黏結(jié)劑去除，從而形成多孔的零

9、件劑去除，從而形成多孔的零件 3.將半成品件放入一個(gè)爐中，進(jìn)行二次處理，加將半成品件放入一個(gè)爐中，進(jìn)行二次處理，加熱去除黏結(jié)劑，使金屬粉末融合，并在熱去除黏結(jié)劑，使金屬粉末融合，并在1083攝氏攝氏度以上滲入銅，最終獲得全密度的模具。度以上滲入銅，最終獲得全密度的模具。 最終的模具為最終的模具為64體積的金屬和體積的金屬和36體積的銅體積的銅構(gòu)成。構(gòu)成。三、低熔點(diǎn)金屬模三、低熔點(diǎn)金屬模 低熔點(diǎn)合金模是采用熔點(diǎn)較低的有色金屬低熔點(diǎn)合金模是采用熔點(diǎn)較低的有色金屬合金作為鑄模材料，以合金作為鑄模材料，以RP 系統(tǒng)或系統(tǒng)或CNC 加加工的樣件為基礎(chǔ)，在熔箱內(nèi)鑄模成形的一工的樣件為基礎(chǔ)，在熔箱內(nèi)鑄模成形

10、的一種沖壓模具。種沖壓模具。 常用的低熔點(diǎn)金屬是常用的低熔點(diǎn)金屬是SnBi合金或者合金或者Zn合金。合金。 低熔點(diǎn)材料是一種非常好的快速模具材料，它具低熔點(diǎn)材料是一種非常好的快速模具材料，它具有：有： 1.熔點(diǎn)低，熔化速度快，有利于提高制模效率；熔點(diǎn)低，熔化速度快，有利于提高制模效率； 2.在熔化狀態(tài)下流動(dòng)性好，成模清晰；在熔化狀態(tài)下流動(dòng)性好，成模清晰； 3.具有一定的冷脹性，便于固定模具鑲塊及其它具有一定的冷脹性，便于固定模具鑲塊及其它部件等特點(diǎn)。部件等特點(diǎn)。 4.可以多次重熔，重復(fù)利用?？梢远啻沃厝?，重復(fù)利用。 但是由于低熔點(diǎn)合金材料強(qiáng)度低（抗拉強(qiáng)度只但是由于低熔點(diǎn)合金材料強(qiáng)度低（抗拉強(qiáng)度

11、只有有60MPa左右），所以對(duì)于板厚超過(guò)左右），所以對(duì)于板厚超過(guò)1.5mm的板的板材就不十分合適了。材就不十分合適了。1、低熔點(diǎn)金屬模成形過(guò)程、低熔點(diǎn)金屬模成形過(guò)程 1利用快速成形技術(shù)制利用快速成形技術(shù)制造沖壓件原型；造沖壓件原型； 2 將沖壓件原型置于將沖壓件原型置于形框中，澆注低熔點(diǎn)形框中，澆注低熔點(diǎn)合金，得到凹模；合金，得到凹模； 3 將凹模取出，再次將凹模取出，再次澆注低熔點(diǎn)合金，得澆注低熔點(diǎn)合金，得到凸模和壓邊圈。到凸模和壓邊圈。 4 將凸模，凹模，壓將凸模，凹模，壓邊圈裝配即可得到?jīng)_邊圈裝配即可得到?jīng)_壓模。壓模。四、三維打印滲銅（四、三維打印滲銅（Prometal）模）模 三維打印

12、滲銅模（又稱三維打印滲銅模（又稱Moldfusion）的）的工藝是由工藝是由ExtrucleHone公司與公司與MIT合作開(kāi)合作開(kāi)發(fā)的，因其工藝過(guò)程類似于噴墨打印機(jī)噴發(fā)的，因其工藝過(guò)程類似于噴墨打印機(jī)噴墨的過(guò)程，所以稱為三維打印。墨的過(guò)程，所以稱為三維打印。 工藝過(guò)程：工藝過(guò)程： 1.鋪粉裝置將一層金屬粉末（不銹鋼粉末）鋪在鋪粉裝置將一層金屬粉末（不銹鋼粉末）鋪在成形臺(tái)板或前一層粉末上面。成形臺(tái)板或前一層粉末上面。 2.然后，在三維然后，在三維CAD模型的二維切片數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下，模型的二維切片數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)噴頭在不銹鋼粉末上噴射一層液態(tài)聚合物通過(guò)噴頭在不銹鋼粉末上噴射一層液態(tài)聚合物（光固化樹(shù)脂黏

13、結(jié)劑），燈光迅速固化不銹鋼粉（光固化樹(shù)脂黏結(jié)劑），燈光迅速固化不銹鋼粉上的黏結(jié)劑。上的黏結(jié)劑。 3.工作臺(tái)下降，涂覆另一層不銹鋼粉末，重復(fù)工作臺(tái)下降，涂覆另一層不銹鋼粉末，重復(fù)（1）、（）、（2）步驟，直至完成層層堆積得到半成）步驟，直至完成層層堆積得到半成品；品； 4.把半成品放入加熱爐內(nèi)，燒去黏結(jié)劑，然后進(jìn)把半成品放入加熱爐內(nèi)，燒去黏結(jié)劑，然后進(jìn)行二次燒結(jié)與滲銅，最終形成行二次燒結(jié)與滲銅，最終形成60%鋼和鋼和40%銅的銅的金屬模具。金屬模具。 結(jié)果就是近網(wǎng)狀的部件，強(qiáng)度、可壓縮性與硬度結(jié)果就是近網(wǎng)狀的部件，強(qiáng)度、可壓縮性與硬度（約（約30Rc）都接近）都接近P20號(hào)鋼。最大尺寸是號(hào)鋼。最大尺寸是800mm800mm600mm。模具的基本公差小。模具的基本公差小至至0.005，在部件整個(gè)長(zhǎng)度上的變化率是，在部件整個(gè)長(zhǎng)度上的變化率是0.002。該模具可以被切削、鉆