專(zhuān)利名稱(chēng)：工模具的熔積制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于工模具的特種加工方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的大中型工模具，如復(fù)雜形狀的大中型汽車(chē)覆蓋件沖壓模具，基本制造工藝大都先 采用鑄造成形得到留有相當(dāng)?shù)募庸び嗔康呐黧w；在對(duì)坯體機(jī)械加工去除絕大部分的余量后， 采用表面淬火熱處理，使其表面達(dá)到所需硬度等要求，最后采用精加工達(dá)到工模具所需的尺 寸和表面光潔度的要求。然而，對(duì)于大中型模具，整體采用優(yōu)質(zhì)工模具材料的費(fèi)用高，機(jī)械 加工量大，熱處理技術(shù)要求高、風(fēng)險(xiǎn)大，鑄件固有的氣孔、縮孔等表面缺陷造成的報(bào)廢等仍 難以避免，致使該方法的制造周期長(zhǎng)、成本高、風(fēng)險(xiǎn)較大。
對(duì)于汽車(chē)大中型內(nèi)飾件之類(lèi)的注塑模具，冷卻流道距模具型腔表面等距離、且隨著型面 形狀分布的隨型冷卻方式是理想的模具冷卻方式。但是，由于這類(lèi)模具的型面多為復(fù)雜曲面 ，隨型冷卻流道無(wú)法用機(jī)械加工得到，而只能將模具沿冷卻流道分為可加工的兩部分，并分 別采用機(jī)械加工得到這兩個(gè)部分；待冷卻流道做好后將這兩部分焊合起來(lái)才能最終得到帶復(fù) 雜隨型冷卻流道的模具。這種方法需要對(duì)多個(gè)面實(shí)施復(fù)雜形狀機(jī)械加工，加工量大；兩部分 焊合后冷卻流道的密封性、模具精度等不易控制。
采用熔射(熱噴涂)方法，首先是制作耐熱原型，然后在其表面噴涂模具材料，接下來(lái) 采用背襯抗壓材料對(duì)涂層補(bǔ)強(qiáng)，之后將原型與補(bǔ)強(qiáng)后的涂層分離，最終獲得模具。該方法適 用于試制或小批量成形用的大中型模具的低成本、快速制造。但是，因涂層難以達(dá)到批量成 形所需的厚度和強(qiáng)度的要求，且涂層與金屬補(bǔ)強(qiáng)基體冶金結(jié)合困難，因此，尚不適用于大批 量成形用的大中型模具的快速制造。
直接快速制造金屬零件—申麵廳11^^技術(shù)，是新近在快速成形 技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的數(shù)字化堆積成形方法。它基于平面離散/堆積的原理，首先在CAD造 型系統(tǒng)中獲得一個(gè)零件的三維CAD模型，將模型數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，沿某一方向進(jìn)行平面"分層 "離散化，然后通過(guò)專(zhuān)有的CAM系統(tǒng)(成形機(jī))將成形材料由平面逐層堆積成形最終得到零 件原型。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是原理上不受形狀限制。目前已出現(xiàn)了多種直接快速制造金屬零 件或模具的方法，其中，可獲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、電子束成形、等離子束成形等方法。
大功率激光束成形是采用大功率激光逐層將送到平面基板上的金屬粉末或絲熔化，并快
速凝固最終成形，成形件的密度明顯高于選擇性激光燒結(jié)成形方法，見(jiàn)
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，難于達(dá)到滿(mǎn)密度，設(shè)備投資大等問(wèn)題。
電子束成形是采用大功率的電子束熔化粉末材料，根據(jù)計(jì)算機(jī)模型施加電磁場(chǎng)，控制電 子束的運(yùn)動(dòng)，在平面基板上逐層掃描直至整個(gè)原型成形完成，成形精度較高、成形質(zhì)量較好 ，見(jiàn)
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。然而其工藝條件要求嚴(yán)格，需在真空中進(jìn)行，致使成形尺寸受到 限制，且設(shè)備造價(jià)昂貴。
等離子束成形是采用高度壓縮、集束性好的等離子束熔化同步供給的金屬粉末或絲材， 在平面基板上逐層堆積形成金屬零件的技術(shù)，具有比大功率激光成形方法和電子束沉積方法 成形效率高，易于獲得滿(mǎn)密度，可梯度材料成形，設(shè)備和運(yùn)行成本遠(yuǎn)低等特點(diǎn)，但是，該方 法的成形精度低于前兩者，并和前兩種方法一樣，只能得到零件的近終成形體。為此，出現(xiàn) 了將等離子熔積與銑削復(fù)合的無(wú)模制造方法，即以等離子束為成形熱源，在成形過(guò)程中，交 叉進(jìn)行數(shù)控銑削精整，以實(shí)現(xiàn)短流程、低成本的精確制造，(1)張海鷗等，直接快速制造 模具與零件的方法及其裝置，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)張海鷗等，等離子熔積/銑削復(fù)合直接制 造高溫合金雙螺旋整體葉輪，中國(guó)機(jī)械工程，2007， Voll8， No. 14: P1723 1725。
然而，對(duì)于大中型工模具，如重量達(dá)數(shù)噸的大型汽車(chē)車(chē)身模具，若仍從平面基板上逐層 熔積成形，即便采用成形效率高、尺寸限制小、成本低的等離子束熔積成形技術(shù)，仍然效率 較低、成本較高?；谇娣謱拥奶荻然騿我徊牧铣尚喂に嚭蛙浖形匆?jiàn)研究報(bào)道。因此， 上述現(xiàn)有的成形加工方法尚不適用于大中型批量成形用工模具的低成本、快速、高質(zhì)量制造

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種工模具的熔積制造方法，解決大中型工模具現(xiàn)有的制造方法周期長(zhǎng)、成 本高、風(fēng)險(xiǎn)較大的問(wèn)題。
本發(fā)明的一種工模具的熔積制造方法，依序包括
(1) 成形加工步驟；采用鑄造得到工模具的坯體，坯體精度在鑄造誤差范圍內(nèi)；或者 機(jī)械加工得到不帶內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)的注塑?；驂鸿T模坯體，坯體精度在機(jī)械加工誤差范圍內(nèi)；
所述坯體材料為所需的工模具材料或者工模具材料以外的金屬材料；
(2) 測(cè)量步驟；測(cè)量所述坯體，獲得坯體形狀和尺寸的CAD數(shù)據(jù)；
(3) 計(jì)算厚度值步驟；由所需工模具的CAD數(shù)據(jù)和得到的坯體形狀和尺寸的CAD數(shù)據(jù)， 求得兩者的差值，將該差值作為應(yīng)增加的厚度值；
(4) 熔積成形步驟；根據(jù)所述應(yīng)增加的厚度值，在所述坯體表面，采用所需的工模具 材料或者工模具材料以外的金屬材料，數(shù)字化梯度材料或單一材料逐層熔積成形，直至達(dá)到 應(yīng)增加的厚度值，得到所需的工模具。
在所需工模具熔積成形全部完成后，可以施加研磨或者拋光，使工模具達(dá)到設(shè)計(jì)所需的 表面質(zhì)量要求。
所述的熔積制造方法，其特征在于
所述成形加工步驟和熔積成形步驟中，所述工模具材料以外的金屬材料為碳鋼、鎳合金 、不銹鋼、銅合金或者鋁合金。
所述的熔積制造方法，其特征在于
所述熔積成形步驟中，所述熔積成形方法為氣體保護(hù)焊熔積成形、激光熔積成形。
本發(fā)明方法針對(duì)現(xiàn)有的大中型工模具制造的周期長(zhǎng)、成本高、風(fēng)險(xiǎn)較大的問(wèn)題，根據(jù)工 模具的體積大小、形狀復(fù)雜程度，首先采用鑄造或機(jī)械加工獲得占所需工模具大部分體積的 坯體，該坯體大都為曲面等各種形狀；在此坯體表面上，數(shù)字化梯度或單一材料逐層熔積成 形，直到獲得具有各種復(fù)雜表面或內(nèi)部結(jié)構(gòu)的耐磨、耐腐蝕的工模具，可快速、經(jīng)濟(jì)、高質(zhì) 量制模；既解決了傳統(tǒng)的鑄造+機(jī)械加工+熱處理的制模周期長(zhǎng)、成本高、因淬火和表面氣孔 和縮孔等缺陷造成的風(fēng)險(xiǎn)較大的瓶頸問(wèn)題，又解決了基于平面分層并堆積的現(xiàn)有快速成形方法因效率較低、成本較高、難以曲面分層成形而尚未應(yīng)用于大中型工模具制造的問(wèn)題，具有 重要的應(yīng)用前景。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例l:
(1)采用鑄造得到所需的拉延成形模具的坯體，坯體精度在鑄造誤差范圍內(nèi)，坯體材 料是所需的模具的鑄鐵材料；(2)通過(guò)測(cè)量所述坯體，獲得該坯體的形狀和尺寸的CAD數(shù)據(jù) ;(3)由所需模具的CAD數(shù)據(jù)和測(cè)量得到的坯體形狀和尺寸的CAD數(shù)據(jù)，求得兩者的差值， 將該差值作為應(yīng)增加的厚度值。以該模具的凹模表面上的一個(gè)凹形圓錐體為例，該凹形圓錐 體的尺寸如下圓錐體上端開(kāi)口處的直徑為130mm、下端底部的直徑為100mm、深15mm，而在 該模具的坯體表面的相應(yīng)位置，測(cè)得一個(gè)上端開(kāi)口處的直徑為140mm、下端底部的直徑為 110mm、深20mm的凹形圓錐體部分，則在該坯體的凹圓錐體表面上，應(yīng)增加的厚度值為5mm; (4)根據(jù)所述應(yīng)增加的厚度值，在所述坯體表面的該凹圓錐體表面上，采用安裝在機(jī)器人 末端執(zhí)行器上的熔化極氣體保護(hù)熔積槍?zhuān)O(shè)定焊接電流為40A 80A，數(shù)字化逐層熔積成形拉 延成形模具鋼材料，直至達(dá)到應(yīng)增加的5mm厚度值；所述坯體的其它部分也按測(cè)量后求得的 應(yīng)增加的厚度值，數(shù)字化逐層熔積成形模具鋼材料，最終得到所需尺寸的模具。成形完成后 ，施加少量后續(xù)加工，使其達(dá)到模具設(shè)計(jì)所需的表面質(zhì)量的要求。
實(shí)施例2:
(1)采用鑄造得到所需的拉延成形模具的坯體，坯體精度在鑄造誤差范圍內(nèi)，坯體材 料是所需的模具的鑄鋼材料；(2)通過(guò)測(cè)量所述坯體，獲得該坯體的形狀和尺寸的CAD數(shù)據(jù) ;(3)由所需模具的CAD數(shù)據(jù)和得到的坯體形狀和尺寸的CAD數(shù)據(jù)，求得兩者的差值，將該 差值作為應(yīng)增加的厚度值。如該模具的凹模表面上，有一個(gè)長(zhǎng)100mm、寬50mm、深10mm的凹 槽面，而在該模具的坯體表面的相應(yīng)位置上，測(cè)得一個(gè)長(zhǎng)106mm、寬56mm、深13mm的凹槽體 部分，則在該坯體的凹槽面上，應(yīng)增加的厚度值為3mm;(4)根據(jù)所述應(yīng)增加的厚度值，在 所述坯體表面上，采用安裝在熔積成形數(shù)控機(jī)床加工頭上的熔化極氣體保護(hù)熔積槍?zhuān)附与?流為50 80A，數(shù)字化逐層熔積成形鐵-鎳-鉻合金材料，直至達(dá)到應(yīng)增加的3mm厚度值；所述 坯體的其它部分也按測(cè)量后求得的應(yīng)增加的厚度值，數(shù)字化逐層熔積成形鐵-鎳-鉻合金材料 ，最終得到所需尺寸的模具。成形完成后，施加少量后續(xù)加工，使其達(dá)到模具設(shè)計(jì)所需的表 面質(zhì)量的要求。實(shí)施例3:
(1)采用機(jī)械加工得到所需的壓鑄模具的坯體，坯體精度在機(jī)械加工誤差范圍內(nèi)，坯 體材料是50號(hào)鍛造鋼材；(2)通過(guò)測(cè)量所述坯體，獲得該坯體的形狀和尺寸的CAD數(shù)據(jù)；( 3)由所需模具的CAD數(shù)據(jù)和得到的坯體形狀和尺寸的CAD數(shù)據(jù)，求得兩者的差值，將該差值 作為應(yīng)增加的厚度值。如該模具的凹模中有一個(gè)半徑為20mm、深20mm的半凹球部分，而在該 模具的坯體的相應(yīng)位置上，測(cè)得一個(gè)半徑為23mm、深23mm的半凹球體部分，則在該坯體的半 凹球表面上，應(yīng)增加的厚度值為3mm;(4)根據(jù)所述應(yīng)增加的厚度值，在所述坯體表面，采 用安裝在機(jī)器人末端執(zhí)行器上的非熔化極氣體保護(hù)焊的等離子弧熔積槍?zhuān)附与娏?0 80A ，數(shù)字化逐層熔積成形鐵-鎳-鉻合金材料，直至達(dá)到應(yīng)增加的厚度值；所述坯體的其它部分 也按測(cè)量后求得的應(yīng)增加的厚度值，數(shù)字化逐層熔積成形鐵-鎳-鉻合金材料，最終得到所需 尺寸的模具。成形完成后，施加少量后續(xù)加工，使其達(dá)到模具設(shè)計(jì)所需的表面質(zhì)量的要求。
實(shí)施例4:
(1)采用機(jī)械加工得到所需的注塑模具的坯體，坯體精度在機(jī)械加工誤差范圍內(nèi)，坯 體材料是45號(hào)鍛造鋼材；(2)通過(guò)測(cè)量所述坯體，獲得該坯體的形狀和尺寸的CAD數(shù)據(jù)；( 3)由所需模具的CAD數(shù)據(jù)和得到的坯體形狀和尺寸的CAD數(shù)據(jù)，求得兩者的差值，將該差值 作為應(yīng)增加的厚度值，如該模具的凹模中有一個(gè)半徑為20mm、高20mm的半圓凸臺(tái)部分，而在 該模具的坯體的相應(yīng)位置測(cè)得一個(gè)半徑為18mm、高l8mm的半圓凸臺(tái)部分，則在該坯體的半圓 凸臺(tái)表面上，應(yīng)增加的厚度值為2mm;(4)根據(jù)所述應(yīng)增加的厚度值，在所述坯體表面，采 用安裝在熔積成形數(shù)控機(jī)床加工頭上的電壓為420v 480v，頻率為10赫茲的YAG固體激光器 發(fā)出的激光束，數(shù)字化逐層熔積成形不銹鋼合金材料，直至達(dá)到應(yīng)增加的厚度值；所述坯體 的其它部分也按測(cè)量后求得的應(yīng)增加的厚度值，數(shù)字化逐層熔積成形不銹鋼合金材料，最終 得到所需尺寸的、帶隨型冷卻流道的模具。成形完成后，施加少量后續(xù)加工，使其達(dá)到模具 設(shè)計(jì)所需的表面質(zhì)量的要求。
權(quán)利要求
1.一種工模具的熔積制造方法，依序包括(1)成形加工步驟；采用鑄造得到工模具的坯體，坯體精度在鑄造誤差范圍內(nèi)；或者機(jī)械加工得到不帶內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)的注塑模或壓鑄模坯體，坯體精度在機(jī)械加工誤差范圍內(nèi)；所述坯體材料為所需的工模具材料或者工模具材料以外的金屬材料；(2)測(cè)量步驟；測(cè)量所述坯體，獲得坯體形狀和尺寸的CAD數(shù)據(jù)；(3)計(jì)算厚度值步驟；由所需工模具的CAD數(shù)據(jù)和得到的坯體形狀和尺寸的CAD數(shù)據(jù)，求得兩者的差值，將該差值作為應(yīng)增加的厚度值；(4)熔積成形步驟；根據(jù)所述應(yīng)增加的厚度值，在所述坯體表面，采用所需的工模具材料或者工模具材料以外的金屬材料，數(shù)字化梯度材料或單一材料逐層熔積成形，直至達(dá)到應(yīng)增加的厚度值，得到所需的工模具。
2 如權(quán)利要求l所述的熔積制造方法，其特征在于 所述成形加工步驟和熔積成形步驟中，所述工模具材料以外的金屬材料為碳鋼、鎳合 金、不銹鋼、銅合金或者鋁合金。
3 如權(quán)利要求1或2所述的熔積制造方法，其特征在于 所述熔積成形步驟中，所述熔積成形方法為氣體保護(hù)焊熔積成形、激光熔積成形。
全文摘要
工模具的熔積制造方法，屬于工模具的特種加工方法，解決大中型工模具現(xiàn)有的制造方法周期長(zhǎng)、成本高、風(fēng)險(xiǎn)較大的問(wèn)題。本發(fā)明包括(1)成形加工步驟采用鑄造或者機(jī)械加工得到工模具坯體；(2)測(cè)量步驟測(cè)量坯體，獲得坯體形狀和尺寸的CAD數(shù)據(jù)；(3)計(jì)算厚度值步驟由所需工模具的CAD數(shù)據(jù)和得到的坯體形狀和尺寸的CAD數(shù)據(jù)，求得兩者的差值，作為應(yīng)增加的厚度值；(4)熔積成形步驟根據(jù)應(yīng)增加的厚度值，在坯體表面，數(shù)字化梯度材料或單一材料逐層熔積成形，直至達(dá)到應(yīng)增加的厚度值，得到所需的工模具。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)成形方法和現(xiàn)有快速成形方法存在的問(wèn)題，適合高效率、高質(zhì)量、低成本地制造大中型、復(fù)雜形狀的工模具。
文檔編號(hào)B21D22/02GK101618414SQ20091030529
公開(kāi)日2010年1月6日 申請(qǐng)日期2009年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月6日
發(fā)明者張海鷗, 王桂蘭 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)