CN105128227A - 一种注塑模具随形冷却结构的3d精密成型方法 - Google Patents

Abstract

一种注塑模具随形冷却结构的3D精密成型方法，针对注塑模具型腔面轮廓，基于传热计算，建立高效热交换的随形冷却流道三维模型，对随形冷却流道的三维模型进行层结构划分，采用机械加工、激光或化学刻蚀的方法加工出相应的各层结构，将各层结构按照对应的次序叠放、定位，随后采用添加中间层的扩散焊方法，对层结构进行焊接，实现随形冷却流道的3D精密成型，最后采用机械加工方法在扩散焊实体表面加工模具型腔，完成注塑模具随形冷却结构的3D精密成型,采用该方法能够极大地拓展设计空间，可以制造任意复杂形状的随形冷却结构；保证随形冷却结构的高强度和高精度，且生产成本低，生产效率较高，可满足批量化工业生产的需要。

Description

一种注塑模具随形冷却结构的3D精密成型方法

技术领域

本发明属于模具制造技术领域，具体涉及一种注塑模具随形冷却结构的3D精密成型方法。

背景技术

在传统注塑模具冷却水道设计中，由于制造手段的限制，只能采用简单冷却水道（如对金属毛坯进行车、铣、刨、钻、磨、电蚀等），而不能制造出如随形冷却流道等三维复杂冷却***。

文献《注塑模具冷却***的关键技术及研究进展》中指出，冷却***对塑件成型的影响显著且主要表现在：a注塑成型过程中，冷却时间约占成型周期50%～80%，冷却***的改善对生产效率的提高至关重要；b合理的冷却***能够使模具各个部位的温度保持均匀，提高塑件表面质量；c合理的冷却***能够保持恒定的模具温度，从而提高塑件的尺寸精度；d合理的冷却***可以有效地改善模具内部的温度场，降低塑件内应力，从而增强塑件力学性能。

随形冷却流道是通过在离模具型腔表面一定距离处设置冷却管路，且冷却管路随着模具型腔结构的变化而变化。文献《TheDesignofConformalCoolingChannelsinInjectionMoldingTooling》中指出，与传统模具冷却方式相比，随形冷却方式一般能缩短其注塑周期20%左右，同时注塑零件的变形减少15%。

目前随形冷却流道的制造主要通过快速成型技术实现，如直接金属沉积、直接金属激光烧结、选择性激光烧结、选择性激光融化等。上述技术都是采用金属粉末进行快速成型，利用离散－堆积原理使成型进入零件内部，但是其均存在制造成本高、可加工材料种类受限、生产效率低、零件表面质量欠佳（达不到传统加工方法所实现的精度和表面粗糙度）和成型零件强度偏低（达不到传统加工方法所实现的强度）等缺点。

除了采用上述的金属粉末快速成型方法，采用分层实体扩散焊方法也可以实现注塑模具随形冷却流道的制造。分层实体扩散焊是一种快速成型技术，其核心思想是离散堆积，即以层板或薄片做造型，根据设计可在薄板上加工一定的结构，然后将多层薄板叠起装配、扩散焊接，从而完成实体制造。该方法的优点为：a突破了零件几何形状复杂程度的限制，可以制造任意复杂结构的零件；b特别适合于制造具有内部流道或腔体的零件；c可满足批量化工业生产的需要。

但是采用扩散焊方法直接连接模具钢时，会出现焊接变形量大和接头强度低两大问题，具体为：

当采用扩散焊方法对模具钢工件进行焊接时，需要对工件施加一定压力，使其待焊表面微观凸凹不平处产生塑性变形达到紧密接触。在允许范围内，焊接压力越大时，接头强度越高；焊接压力越小时，接头强度越低。故高强度接头的获得，需要采用大的焊接压力。

但是当焊接压力较大时，会导致焊接变形量大，尤其是在焊接复杂多层结构（如曲面结构、空心结构等）时，由于存在复杂结构承受焊接压力的不均匀性，会导致塌陷、串腔等，焊接变形量大，严重影响了表面精度；而当焊接压力较小时，连接界面明显，焊接接头强度较低。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种注塑模具随形冷却结构的3D精密成型方法，即在扩散焊界面添加中间层，但焊后接头中间层完全消失。其焊接机制有两种：其一是中间层金属不与母材发生反应，在焊接保温过程中，熔融态的中间层金属沿母材晶界向其内部扩散，直至中间层完全消失；其二是中间层金属可与母材发生反应，在焊接保温过程中，中间层金属向母材基体扩散、反应，直至中间层完全消失。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种注塑模具随形冷却结构的3D精密成型方法，包括以下步骤：

1）首先针对注塑模具型腔面轮廓，基于传热计算，建立高效热交换的随形冷却流道三维模型；

2）基于易于加工的基本原则，对随形冷却流道的三维模型进行层结构划分，采用机械加工、激光或化学刻蚀的方法加工出相应的各层结构，将各层结构按照对应的次序叠放、定位；

3）随后采用添加中间层的扩散焊方法，在一定的焊接工艺参数下对层结构进行焊接，选取Cu、Au、Mn、Sn或Zn其中某一纯金属作为中间层，实现随形冷却流道的3D精密成型；

所述的焊接工艺参数，焊接真空度不低于10^-2Pa,温度高于中间层金属熔点、或者Fe-中间层金属二元相图共晶点30～100℃，压力为0.1～1MPa，保温时间为0.5～1.5h；以下为以金属Cu、Au、Mn、Sn或Zn其中某一纯金属作为中间层的焊接工艺：

a、采用金属Cu作为中间层，焊接真空度不低于10^-2Pa，随后将焊接温度升高至1113～1183℃，加压0.1～1MPa，保温时长0.5～1.5h；

b、采用金属Au作为中间层，焊接真空度不低于10^-2Pa，随后将焊接温度升高至1094～1164℃，加压0.1～1MPa，保温时长0.5～1.5h；

c、采用金属Mn作为中间层，焊接真空度不低于10^-2Pa，在抽真空结束后向真空扩散焊炉体内通入1000Pa氩气，防止Mn的挥发损失，随后升高焊接温度至1276～1346℃，加压0.1～1MPa，保温0.5～1.5h；

d、采用金属Sn作为中间层，焊接真空度不低于10^-2Pa，随后升高焊接温度至1160～1230℃，加压0.1～1MPa，保温0.5～1.5h；

e、采用金属Zn作为中间层，焊接真空度不低于10^-2Pa，在抽真空结束后向真空扩散焊炉体内通入1000Pa氩气，防止Zn的挥发损失，随后升高焊接温度至812～882℃，加压0.1～1MPa，保温0.5～1.5h；

4）最后采用机械加工方法在扩散焊实体表面加工模具型腔，完成注塑模具随形冷却结构的3D精密成型。

所述的中间层厚度为1～10mm，采用箔材、金属粉末、表面镀膜制备。

所述的随形冷却流道的形状参数，如距注塑件型腔表面的距离、直径、中心距，可以基于传热计算，根据实际不同冷却需求进行自由设计。

层结构待焊面表面粗糙度为0.01～1mm之间。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1）可根据换热需求，设计制造几乎任意复杂形状的随形冷却流道，提高了注塑模具的温度均匀性和冷却效率。

2）所制备的随形冷却结构的强度和精度高。

3）生产成本低，生产效率较高，可满足批量化工业生产的需要。

附图说明

图1为本发明的技术方案实施的结构1的三维模型图；

其中，1.1为随形冷却流道的半圆型段；1.2为随形冷却流道的直线段，2为模具型腔，3为冷却介质入口，4为冷却介质出口。

图2为图1结构中随形冷却流道三维模型的层结构划分方式；

其中，将三维模型沿着五个半圆型流道1.1的横截面处将划分为层结构5、6、7、8、9、10。

图3为本发明的技术方案实施的结构2的三维模型图；

其中，11为冷却介质入口，12为冷却介质出口，13为模具型腔，14.1为随形冷却流道的圆型段，14.2为随形冷却流道的斜线段。

图4为图3结构中随形冷却流道三维模型的层结构划分方式；

其中，将三维模型沿着四个圆型流道14.1的横截面处将划分为层结构15、16、17、18、19。

具体实施方式

以下结合实施例及附图对本发明进一步叙述，但本发明不局限于以下实施例。

下面结合两种型腔结构的随形冷却流道和Cu、Au、Mn、Sn或Zn其中某一纯金属作为中间层的扩散焊对本发明做进一步说明。

实施例1

采用Cu作为扩散焊中间层的注塑模具随形冷却结构的3D精密成型方法，步骤如下：

模具钢种类选用P20。

针对注塑模具型腔的面轮廓，基于传热计算，建立高效热交换的随形冷却流道三维模型，具体如图1所示，根据图1中半圆型的模具型腔2建立随形冷却流道的三维模型。冷却介质从入口3进入，沿着随形冷却流道（1.1和1.2）实现三维串行流道，最终到达冷却介质出口4。

基于易于加工的基本原则，对随形冷却流道的三维模型进行层结构划分，具体如图2所示，沿着五个半圆型流道1.1的横截面处对实体进行层结构的划分，将实体划分为五个层结构，分别为5、6、7、8、9、10。黑色粗实线为分割线，并采用两种不同的填充方式加以区分。

根据上述设计，采用数控铣和钻孔加工相结合，即可加工出图2中对应的层板5、6、7、8、9、10。

采用磨床将层板待焊面经过粗磨、精磨后，使其表面粗糙度达到0.1mm。

焊前对待焊面进行清理，采用1500#细砂纸对待焊面进行打磨，随后用丙酮对待焊面进行清洗，冷风吹干。

焊前对5m厚的中间层Cu箔进行清理。将Cu箔加工成与待焊面相同形状，并采用1500#细砂纸对Cu箔进行双面打磨，随后用丙酮对Cu箔进行清洗，冷风吹干。

将各层结构按照对应的次序叠放、定位（打定位孔）。并在叠放、定位的同时将Cu箔作为中间层放置于各焊接面。

将装配好的待焊件整体置于真空扩散焊炉中，关闭炉门，将炉体真空度抽至10^-3Pa。随后将焊接温度升高至1133℃，加压0.5MPa，保温1h。保温结束后卸压，随炉冷却焊件。实现各层结构的精密、高强连接。

最后采用数控铣床在扩散焊实体表面加工模具型腔2，完成注塑模具随形冷却流道结构的3D精密成型。

实施例2

采用Au作为扩散焊中间层的注塑模具随形冷却结构的3D精密成型方法，与实施例1的不同之处在于：

扩散焊中间层为5mm厚的Au箔。

将装配好的待焊件整体置于真空扩散焊炉中，关闭炉门，将炉体真空度抽至10^-3Pa。随后将焊接温度升高至1094℃，加压0.5MPa，保温1h。保温结束后卸压，随炉冷却焊件。实现各层结构的精密、高强连接。

实施例3

采用Mn作为扩散焊中间层的注塑模具随形冷却结构的3D精密成型方法，与实施例1的不同之处在于：

针对注塑模具型腔面轮廓，基于传热计算，建立高效热交换的随形冷却流道三维模型，具体如图3所示，根据图3中圆型的模具型腔13建立随形冷却流道的三维模型。冷却介质从入口11进入，沿着随形冷却流道（14.1和14.2）实现三维串行流道，最终到达冷却介质出口12。

基于易于加工的基本原则，对随形冷却流道的三维模型进行层结构划分。具体如图4所示。沿着五个圆型流道14.1的横截面处对实体进行层结构的划分，将实体划分为五个层结构，分别为15、16、17、18、19。黑色粗实线为分割线，并采用两种不同的填充方式加以区分。

根据上述设计，采用数控铣和钻孔加工相结合，即可加工出图2中对应的层板15、16、17、18、19。

扩散焊中间层为约5mm厚的Mn粉，先用酒精将Mn粉制成糊状，并在叠放、定位的同时将糊状Mn粉均匀铺展于各焊接面。

将装配好的待焊件整体置于真空扩散焊炉中，关闭炉门，将炉体真空度抽至10^-3Pa，充氩气至100Pa，以防止在焊接高温中Mn的挥发损失。随后将焊接温度升高至1276℃，加压0.5MPa，保温1h。保温结束后卸压，随炉冷却焊件。实现各层结构的精密、高强连接。

实施例4

采用Sn作为扩散焊中间层的注塑模具随形冷却结构的3D精密成型方法，与实施例3的不同之处在于：

扩散焊中间层为5mm厚的Sn箔。

将装配好的待焊件整体置于真空扩散焊炉中，关闭炉门，将炉体真空度抽至10^-3Pa，随后将焊接温度升高至1160℃，加压0.5MPa，保温1h。保温结束后卸压，随炉冷却焊件。实现各层结构的精密、高强连接。

实施例5

采用Zn作为扩散焊中间层的注塑模具随形冷却结构的3D精密成型方法，与实施例3的不同之处在于：

采用电镀设备在待焊面表面制备5mm厚的扩散焊中间层Zn薄膜，且将表面粗糙度保持在0.1mm左右。

将装配好的待焊件整体置于真空扩散焊炉中，关闭炉门，将炉体真空度抽至10^-3Pa，充氩气至1000Pa，以防止在焊接高温中Zn的挥发损失。随后将焊接温度升高至812℃，加压0.5MPa，保温1h。保温结束后卸压，随炉冷却焊件。实现各层结构的精密、高强连接。

结合上述五个实施例，对五组焊件进行外形尺寸测试和水压测试，从下表测试数据可以看出，通过添加焊接中间层的方法，可以有效控制焊接变形量在0.01～0.1%之间，且水压测试可以达到3MPa而不产生泄漏。上述焊接变形量小于直接扩散焊模具钢的焊接变形量，约为1%～3%，强度与直接扩散焊模具钢相当。从测试结果可以看出，本发明方法既保证了注塑模具随形冷却结构焊接强度，又提高了尺寸精度。

。

Claims (4)

1.一种注塑模具随形冷却结构的3D精密成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）首先针对注塑模具型腔面轮廓，基于传热计算，建立高效热交换的随形冷却流道三维模型；

2）基于易于加工的基本原则，对随形冷却流道的三维模型进行层结构划分，采用机械加工、激光或化学刻蚀的方法加工出相应的各层结构，将各层结构按照对应的次序叠放、定位；

3）随后采用添加中间层的扩散焊方法，在一定的焊接工艺参数下对层结构进行焊接，选取Cu、Au、Mn、Sn或Zn其中某一纯金属作为中间层，实现随形冷却流道的3D精密成型；

所述的焊接工艺参数，焊接真空度不低于10^-2Pa,温度高于中间层金属熔点或者Fe-中间层金属二元相图共晶点30～100℃，压力为0.1～1MPa，保温时间为0.5～1.5h；以下为以金属Cu、Au、Mn、Sn或Zn其中某一纯金属作为中间层的焊接工艺：

a、采用金属Cu作为中间层，焊接真空度不低于10^-2Pa，随后将焊接温度升高至1113～1183℃，加压0.1～1MPa，保温时长0.5～1.5h；

b、采用金属Au作为中间层，焊接真空度不低于10^-2Pa，随后将焊接温度升高至1094～1164℃，加压0.1～1MPa，保温时长0.5～1.5h；

c、采用金属Mn作为中间层，焊接真空度不低于10^-2Pa，在抽真空结束后向真空扩散焊炉体内通入1000Pa氩气，防止Mn的挥发损失，随后升高焊接温度至1276～1346℃，加压0.1～1MPa，保温0.5～1.5h；

d、采用金属Sn作为中间层，焊接真空度不低于10^-2Pa，随后升高焊接温度至1160～1230℃，加压0.1～1MPa，保温0.5～1.5h；

e、采用金属Zn作为中间层，焊接真空度不低于10^-2Pa，在抽真空结束后向真空扩散焊炉体内通入1000Pa氩气，防止Zn的挥发损失，随后升高焊接温度至812～882℃，加压0.1～1MPa，保温0.5～1.5h；

4）最后采用机械加工方法在扩散焊实体表面加工模具型腔，完成注塑模具随形冷却结构的3D精密成型。

2.根据权利要求1所述的一种注塑模具随形冷却结构的3D精密成型方法，其特征在于，所述的中间层厚度为1～10mm，采用箔材、金属粉末、表面镀膜制备。

3.根据权利要求1所述的一种注塑模具随形冷却结构的3D精密成型方法，其特征在于，所述的随形冷却流道的形状参数，如距注塑件型腔表面的距离、直径、中心距，可以基于传热计算，根据实际不同冷却需求进行自由设计。

4.根据权利要求1所述的一种注塑模具随形冷却结构的3D精密成型方法，其特征在于，层结构待焊面表面粗糙度为0.01～1mm之间。