一種高熔點金屬電弧噴塗快速制模方法

2023-09-21 16:09:45 1

專利名稱：一種高熔點金屬電弧噴塗快速制模方法
技術領域：
本發明屬於製造業的先進位造技術領域，涉及快速模具製造方 法，特別涉及一種高熔點金屬電弧噴塗快速制模方法。
背景技術：
金屬電弧噴塗快速制模技術是一種基於"複製"的制模技術，它 以一個實物模型(或稱為原型)作為母模，以電弧為熱源，通過高速 氣流將熔融狀態的金屬材料霧化，並使其噴射、沉積在母模表面上， 形成一定厚度的緻密金屬塗層，即模具型殼。模具型殼精確拷貝了原 型的形狀，獲得了所需的模具型腔，在完成背襯材料澆注、脫模、拋 光等後處理工藝後，即可完成模具的快速製造。金屬電弧噴塗制模工 藝流程主要包括母模的製備與處理；金屬電弧噴塗；填充背襯材料; 脫模及後處理等。根據實際情況與需要也可以進行表面拋光或者進行 少切削量的數控精加工，以獲得更高的形狀精度、尺寸精度和表面質
對於金屬板料拉延成型模具，金屬電弧噴塗快速制模的金屬材 料一般是鋅、鋅鋁合金等中低熔點金屬，金屬噴塗模具的硬度、強 度及使用壽命完全取決於噴塗材料，而中低熔點金屬硬度低、強度 低，模具使用壽命低，不可能達到大批量生產，應用範圍受到限制。
因此，高熔點金屬電弧噴塗製造模具，可顯著提高金屬型殼的 硬度，提高模具的使用壽命，擴大模具的應用範圍。中國專利"電弧噴塗汽車覆蓋件衝壓模具快速製造方法"(公開
號CN1488455)，內容為一種金屬電弧噴塗汽車覆蓋件衝壓模具快速 製造方法。該方法以金屬電弧噴塗技術為主，結合玻璃鋼成型、環氧 樹脂成型、電刷鍍等技術實現了汽車覆蓋件模具的快速製造，為新車 型開發中的樣車試製、覆蓋件模具試製提供了快速、經濟的服務手段。 該方法包括，噴塗母模準備、基體處理、金屬電弧噴塗、背襯材料填 充等工藝步驟，最終形成的模具在橫斷面上呈現梯度層狀結構，各結 構層具有不同的機械性能，有利於發揮材料特性，既保證了模具整體 性能要求，又簡化了工藝、降低了成本。該方法未涉及對高熔點金屬 材料的制模方法以及對母模的加熱。
芬蘭技術研究中心申請的中國專利"工具鋼及通過噴霧成形快 速加工的方法"(公開號CN1705535)。該專利涉及一種熱噴塗模具鋼 材料製備模具方法，模具鋼材料化學元素成分包括鐵、碳、矽、錳、 鉻、鉬、釩，其中釩成分超過1.4 -%。將模具鋼材料霧化，然後噴 塗在陶瓷母模上，母模不停的擺動角度，軸線跟噴嘴保持一定的沉積 角度，使熔滴沉積在母模表面，最終形成快速模具。該方法未涉及電 弧噴塗製造模具技術，該方法也未涉及對母模內表面的預處理和母模 基體的加熱。
美國Ford Global Technologies, Inc.,專禾!j， Method of making a spray formed rapid tool,專利號US6513567。該專利是先製造一陶瓷 母模，對陶奪母模進行加熱，在母模上噴塗熔融狀態的金屬顆粒，從 而得到快速製造的模具，該發明未涉及高熔點金屬材料制模方法。
目前國內外所採用的熱噴塗快速製造模具材料多是中低熔點金
屬材料，以鋅、鋅鋁合金等為代表的中低熔點金屬電弧噴塗快速制模技術已經在汽車大型覆蓋件模具開發和樣車製造中得到應用，以其快 速和低成本特點體現出巨大的技術價值並取得良好的經濟效益。但由 於鋅、鋅鋁合金的硬度相對較低，模具的使用壽命和應用範圍受到一 定限制。
高熔點、高硬度材料的電弧噴塗技術在金屬基體上比較容易實 現，但是在非金屬母模表面製造模具型殼，工藝上卻存在較大困難。 碳素鋼、合金鋼等高熔點金屬在噴塗時塗層收縮率、熱應力、孔隙率 都比較大，塗層易開裂、翹曲、剝落，模具型殼製造困難，工藝參數 控制難以掌握，
電弧噴塗過程中碳和合金元素易燒損，易造成塗層多孔和氧化物 夾渣，使塗層性能下降。噴塗絲材成分直接決定著模具型殼的塗層組 織及機械性能。

發明內容
針對中低熔點金屬電弧噴塗快速制模技術存在的不足，本發明提 供一種高熔點金屬電弧噴塗製造模具的方法。 為實現上述目的，本發明採用如下的技術方案
一種高熔點金屬電弧噴塗快速制模方法，其特徵在於，具體步驟
為
(1)母模的製備-
1) 根據產品的形狀和尺寸確定母模基體的形狀和尺寸，以耐高 溫陶瓷原料製作無焙燒陶瓷母模基體，進行烘乾
2) 烘乾後的母模基體，根據零件的3D數模製造的與其形狀相 吻合的母模基體的3D數模，在數控設備上母模基體進行機械加工3)得到尺寸與精度均符合產品設計要求的母模。
(2)母模的預處處理
1)打磨母模內表面，或者使用重量百分比的濃度為20-60%的 鹽酸塗刷母模表面；提高母模的表面粗糙度，清除母模表面的粉塵和 顆粒；
(3) 對母模加熱用可控溫加熱裝置加熱母模，保證母模基 體溫度均勻，控制母模的溫度在25(TC-30(TC;
(4) 金屬電弧噴塗
1) 為了使噴槍能夠沿母模基體輪廓形狀運動並且噴塗作業，需 要對預先設計好的零件的3D數字模型進行修正，進行分層處理；
2) 通過電弧噴塗高熔點金屬熔滴3Crl3馬氏體不鏽鋼到母模表 面，按照設計參數，使噴槍能沿母模基體輪廓形狀運動並且噴塗作業， 從母模的一端噴塗到另一端，重複這樣的過程，直到噴塗塗層厚度達 到10 20mm，得到母模的金屬型殼；
噴塗電壓為28 35V，噴塗電流為160A 240A，壓縮空氣壓力 為0.50 0. 60MPa,送絲電壓為10 12V，噴塗距離為200 280mm。 3Crl3塗層由馬氏體基體、鉻鐵氧化物、氣孔等組成，塗層呈灰黑
色。顯微硬度測定為馬氏體基體HV550 650、鉻鐵氧化物HV650 700，
塗層的宏觀硬度為HRC40 45， 3Crl3塗層均勻緻密、氧化物少，孔隙率
低，與基體結合面形貌凹凸不平，均無大的孔隙和氧化物，結合良好。
(5)背襯的製作
在經過電弧噴塗的金屬型殼背面上添加模框，所述膜框是由鋼 板製成，其形狀與母模的金屬型殼的輪廓外緣相一致，在模框內填充 樹脂和高強度水泥作為背襯；(6)後處理 脫模並將多餘的邊切除； (7)對模具金屬型殼內表面修整拋光，得到最終的可以使用的模具。 本發明的主要優點
1、 無焙燒陶瓷母模具有成本低、製作周期短，無需高溫焙燒， 特別適合於高熔點金屬電弧噴塗快速制模技術。與傳統的石膏型母模 相比，具有強度高、耐高溫和電弧噴塗工藝性能好等特點。
2、 在噴塗過程中對母模進行加熱，控制母模的溫度有利於減少
甚至消除塗層缺陷的發生，塗層厚度得到顯著增加。
3、 電弧噴塗的高熔點金屬熔滴為3Crl3馬氏體不鏽鋼，3Crl3 塗層由馬氏體基體、絡鐵氧化物、氣孔等組成，塗層呈灰黑色塗層均 勻緻密、氧化物少，孔隙率低，與基體結合面形貌凹凸不平，均無大 的孔隙和氧化物，結合良好。
4、 通過電弧噴塗制模方法製造高硬度、高強度噴塗模具卻是最 具吸引力的，不僅因為其材料價格相對低廉，更因為高硬度、高強度 的模具型殼可以大幅度提高噴塗模具壽命，從而拓寬噴塗模具的應用 範圍。
5、 碳鋼和低合金鋼是常用的電弧噴塗材料。它具有強度較高、 耐磨性好、價格低廉等特點。
具體實施方法
實施例一 實現快速制模的步驟如下 (1)母模的製備
1)根據產品的形狀和尺寸確定母模基體的形狀和尺寸，以耐高 溫陶瓷原料製作無焙燒陶瓷母模基體，進行烘乾2) 烘乾後的母模基體，根據零件的3D數模製造的與其形狀相 吻合的母模基體的3D數模，在數控設備上母模基體進行機械加工
3) 得到尺寸與精度均符合產品設計要求的母模。 (2)母模的預處處理
1)打磨母模內表面，或者使用重量百分比的濃度為20%的鹽 酸塗刷母模表面；提高母模的表面粗糙度，清除母模表面的粉塵和顆 粒；
(3) 對母模加熱用可控溫加熱裝置加熱母模，保證母模基 體溫度均勻，控制母模的溫度在300'C;
(4) 金屬電弧噴塗
1) 為了使噴槍能夠沿母模基體輪廓形狀運動並且噴塗作業，需
要對預先設計好的零件的3D數字模型進行修正，進行分層處理；
2) 通過電弧噴塗高熔點金屬熔滴3Crl3馬氏體不鏽鋼到母模表 面，按照設計參數，使噴槍能沿母模基體輪廓形狀運動並且噴塗作業， 從母模的一端噴塗到另一端，重複這樣的過程，直到噴塗塗層厚度達 到10mm，得到母模的金屬型殼；
噴塗電壓為35V，噴塗電流為160A，壓縮空氣壓力為0.50MPa， 送絲電壓為12V，噴塗距離為200mm。
(5) 背襯的製作
在經過電弧噴塗的金屬型殼背面上添加模框，所述膜框是由鋼 板製成，其形狀與母模的金屬型殼的輪廓外緣相一致，在模框內填充 樹脂和高強度水泥作為背襯；
(6) 後處理 脫模並將多餘的邊切除；
(7) 對模具金屬型殼內表面修整拋光，得到最終的可以使用的模具。
實施例二
(1) 母模的製備
1) 根據產品的形狀和尺寸確定母模基體的形狀和尺寸，以耐高 溫陶瓷原料製作無焙燒陶瓷母模基體，進行烘乾
2) 烘乾後的母模基體，根據零件的3D數模製造的與其形狀相 吻合的母模基體的3D數模，在數控設備上母模基體進行機械加工
3) 得到尺寸與精度均符合產品設計要求的母模。
(2) 母模的預處處理
1)打磨母模內表面，或者使用重量百分比的濃度為36%的鹽
酸塗刷母模表面；提高母模的表面粗糙度，清除母模表面的粉塵和顆
粒；
(3) 對母模加熱用可控溫加熱裝置加熱母模，保證母模基
體溫度均勻，控制母模的溫度在25(TC;
(4) 金屬電弧噴塗
1) 為了使噴槍能夠沿母模基體輪廓形狀運動並且噴塗作業，需
要對預先設計好的零件的3D數字模型進行修正，進行分層處理；
2) 通過電弧噴塗高熔點金屬熔滴3Crl3馬氏體不鏽鋼到母模表 面，按照設計參數，使噴槍能沿母模基體輪廓形狀運動並且噴塗作業， 從母模的一端噴塗到另一端，重複這樣的過程，直到噴塗塗層厚度達 到20mm，得到母模的金屬型殼；
噴塗電壓為28V，噴塗電流為240A,壓縮空氣壓力為0.60MPa， 送絲電壓為12V，噴塗距離為280mm。 (5)背襯的製作 在經過電弧噴塗的金屬型殼背面上添加模框，所述膜框是由鋼板製成，其形狀與母模的金屬型殼的輪廓外緣相一致，在模框內填充樹 脂和高強度水泥作為背襯；
(6) 後處理
脫模並將多餘的邊切除；
(7) 對模具金屬型殼內表面修整拋光，得到最終的可以使用的模具。
實施例三 (1)母模的製備
1) 根據產品的形狀和尺寸確定母模基體的形狀和尺寸，以耐高 溫陶瓷原料製作無焙燒陶瓷母模基體，進行烘乾
2) 烘乾後的母模基體，根據零件的3D數模製造的與其形狀相 吻合的母模基體的3D數模，在數控設備上母模基體進行機械加工
3) 得到尺寸與精度均符合產品設計要求的母模。
(2) 母模的預處處理
1)打磨母模內表面，或者使用重量百分比的濃度為28%的鹽 酸塗刷母模表面；提高母模的表面粗糙度，清除母模表面的粉塵和顆 粒；
(3) 對母模加熱用可控溫加熱裝置加熱母模，保證母模基 體溫度均勻，控制母模的溫度在275'C;
(4) 金屬電弧噴塗
1) 為了使噴槍能夠沿母模基體輪廓形狀運動並且噴塗作業，需
要對預先設計好的零件的3D數字模型進行修正，進行分層處理；
2) 通過電弧噴塗高熔點金屬熔滴3Crl3馬氏體不鏽鋼到母模表 面，按照設計參數，使噴槍能沿母模基體輪廓形狀運動並且噴塗作業， 從母模的一端噴塗到另一端，重複這樣的過程，直到噴塗塗層厚度達到15mm，得到母模的金屬型殼；
噴塗電壓為32V,噴塗電流為200A，壓縮空氣壓力為0.55MPa， 送絲電壓為IIV，噴塗距離為240mm。
(5) 背襯的製作-在經過電弧噴塗的金屬型殼背面上添加模框，所述膜框是由鋼板
製成，其形狀與母模的金屬型殼的輪廓外緣相一致，在模框內填充樹 脂和高強度水泥作為背襯；
(6) 後處理
脫模並將多餘的邊切除；
(7) 對模具金屬型殼內表面修整拋光，得到最終的可以使用的模具。
本高熔點金屬噴塗快速制模方法與傳統模具加工方法相比，成本 相當於普通鋼模具的1/2左右，模具製作周期一般少於4星期。本方 法製作的模具表面硬度大於HRC40，板料拉延模具壽命可達2萬件 以上。可以為汽車、航空、儀器儀表、塑料製品以及軍工等行業新產 品的開發、試製及批量生產提供快速、低成本的模具製造集成技術， 尤其是可以極大地縮短汽車車身開發的周期、降低開發的成本，為汽 車新車型的開發提供技術支撐。
權利要求
1. 一種高熔點金屬電弧噴塗快速制模方法，其特徵在於，具體步驟為(1)母模的製備1)根據產品的形狀和尺寸確定母模基體的形狀和尺寸，以耐高溫陶瓷原料製作無焙燒陶瓷母模基體，進行烘乾2)烘乾後的母模基體，根據零件的3D數模製造的與其形狀相吻合的母模基體的3D數模，在數控設備上母模基體進行機械加工3)得到尺寸與精度均符合產品設計要求的母模；(2)母模的預處處理1)打磨母模內表面，或者使用重量百分比的濃度為20-60％的鹽酸塗刷母模表面；提高母模的表面粗糙度，清除母模表面的粉塵和顆粒；(3)對母模加熱用可控溫加熱裝置加熱母模，保證母模基體溫度均勻，控制母模的溫度在250℃-300℃；(4)金屬電弧噴塗1)為了使噴槍能夠沿母模基體輪廓形狀運動並且噴塗作業，需要對預先設計好的零件的3D數字模型修正，進行分層處理；2)通過電弧噴塗高熔點金屬熔滴3Cr13馬氏體不鏽鋼到母模表面，按照設計參數，使噴槍能沿母模基體輪廓形狀運動並且噴塗作業，從母模的一端噴塗到另一端，重複這樣的過程，直到噴塗塗層厚度達到10～20mm，得到母模的金屬型殼；噴塗電壓為28～35V，噴塗電流為160A～240A，壓縮空氣壓力為0.50～0.60MPa，送絲電壓為10～12V，噴塗距離為200～280mm；3Cr13塗層由馬氏體基體、鉻鐵氧化物、氣孔等組成，塗層呈灰黑色，顯微硬度測定為馬氏體基體HV550～650、鉻鐵氧化物HV650～700，塗層的宏觀硬度為HRC40～45，3Cr13塗層均勻緻密、氧化物少，孔隙率低，與基體結合面形貌凹凸不平，均無大的孔隙和氧化物，結合良好；(5)背襯的製作在經過電弧噴塗的金屬型殼背面上添加模框，所述膜框是由鋼板製成，其形狀與母模的金屬型殼的輪廓外緣相一致，在模框內填充樹脂和高強度水泥作為背襯；(6)後處理脫模並將多餘的邊切除；(7)對模具金屬型殼內表面修整拋光，得到最終的可以使用的模具。
2.根據權利要求1所述的高熔點金屬電弧噴塗快速制模方法，其特徵在於，步驟為(1) 母模的製備-1) 根據產品的形狀和尺寸確定母模基體的形狀和尺寸，以耐高 溫陶瓷原料製作無焙燒陶瓷母模基體，進行烘乾2) 烘乾後的母模基體，根據零件的3D數模製造的與其形狀相 吻合的母模基體的3D數模，在數控設備上母模基體進行機械加工3) 得到尺寸與精度均符合產品設計要求的母模；(2) 母模的預處處理1)打磨母模內表面，或者使用重量百分比的濃度為20%的鹽 酸塗刷母模表面；提高母模的表面粗糙度，清除母模表面的粉塵和顆 粒；(3)對母模加熱用可控溫加熱裝置加熱母模，保證母模基 體溫度均勻，控制母模的溫度在30(TC;(4)金屬電弧噴塗1) 為了使噴槍能夠沿母模基體輪廓形狀運動並且噴塗作業，需 要對預先設計好的零件的3D數字模型進行修正，進行分層處理；2) 通過電弧噴塗高熔點金屬熔滴3Crl3馬氏體不鏽鋼到母模表 面，按照設計參數，使噴槍能沿母模基體輪廓形狀運動並且噴塗作業， 從母模的一端噴塗到另一端，重複這樣的過程，直到噴塗塗層厚度達到10mm，得到母模的金屬型殼；噴塗電壓為35V，噴塗電流為160A,壓縮空氣壓力為0.50MPa， 送絲電壓為12V，噴塗距離為200mm; 3Crl3塗層由馬氏體基體、鉻鐵氧化物、氣孔等組成，塗層呈灰黑 色，顯微硬度測定為馬氏體基體HV550 650、鉻鐵氧化物HV650 700， 塗層的宏觀硬度為HRC40 45， 3Crl3塗層均勻緻密、氧化物少，孔隙率 低，與基體結合面形貌凹凸不平，均無大的孔隙和氧化物，結合良好；(5) 背襯的製作在經過電弧噴塗的金屬型殼背面上添加模框，所述膜框是由鋼 板製成，其形狀與母模的金屬型殼的輪廓外緣相一致，在模框內填充 樹脂和高強度水泥作為背襯；(6) 後處理 脫模並將多餘的邊切除；(7) 對模具金屬型殼內表面修整拋光，得到最終的可以使用的模具。
3.根據權利要求1所述的高熔點金屬電弧噴塗快速制模方法， 其特徵在於，步驟為 (1)母模的製備1)根據產品的形狀和尺寸確定母模基體的形狀和尺寸，以耐高 溫陶瓷原料製作無焙燒陶瓷母模基體，進行烘乾-2) 烘乾後的母模基體，根據零件的3D數模製造的與其形狀相 吻合的母模基體的3D數模，在數控設備上母模基體進行機械加工3) 得到尺寸與精度均符合產品設計要求的母模； (2)母模的預處處理1)打磨母模內表面，或者使用重量百分比的濃度為36%的鹽 酸塗刷母模表面；提高母模的表面粗糙度，清除母模表面的粉塵和顆 粒；(3) 對母模加熱用可控溫加熱裝置加熱母模，保證母模基 體溫度均勻，控制母模的溫度在25(TC;(4) 金屬電弧噴塗1) 為了使噴槍能夠沿母模基體輪廓形狀運動並且噴塗作業，需 要對預先設計好的零件的3D數字模型進行修正，進行分層處理；2) 通過電弧噴塗高熔點金屬熔滴3Crl3馬氏體不鏽鋼到母模表 面，按照設計參數，使噴槍能沿母模基體輪廓形狀運動並且噴塗作業， 從母模的一端噴塗到另一端，重複這樣的過程，直到噴塗塗層厚度達 到20mm，得到母模的金屬型殼；噴塗電壓為28V，噴塗電流為240A，壓縮空氣壓力為0.60MPa， 送絲電壓為12V，噴塗距離為280mm; 3Crl3塗層由馬氏體基體、鉻鐵氧化物、氣孔等組成，塗層呈灰黑 色，顯微硬度測定為馬氏體基體HV550 650、鉻鐵氧化物HV650 700， 塗層的宏觀硬度為HRC40 45， 3Crl3塗層均勻緻密、氧化物少，孔隙率 低，與基體結合面形貌凹凸不平，均無大的孔隙和氧化物，結合良好； (5)背襯的製作 在經過電弧噴塗的金屬型殼背面上添加模框，所述膜框是由鋼板 製成，其形狀與母模的金屬型殼的輪廓外緣相一致，在模框內填充樹 脂和高強度水泥作為背襯；(6) 後處理 脫模並將多餘的邊切除；(7) 對模具金屬型殼內表面修整拋光，得到最終的可以使用的模具。
4.根據權利要求2所述的高熔點金屬電弧噴塗快速制模方法， 其特徵在於，步驟為(1) 母模的製備-1) 根據產品的形狀和尺寸確定母模基體的形狀和尺寸，以耐高 溫陶瓷原料製作無焙燒陶瓷母模基體，進行烘乾2) 烘乾後的母模基體，根據零件的3D數模製造的與其形狀相 吻合的母模基體的3D數模，在數控設備上母模基體進行機械加工-3) 得到尺寸與精度均符合產品設計要求的母模；(2) 母模的預處處理1)打磨母模內表面，或者使用重量百分比的濃度為28%的鹽 酸塗刷母模表面；提高母模的表面粗糙度，清除母模表面的粉塵和顆 粒；(3) 對母模加熱用可控溫加熱裝置加熱母模，保證母模基 體溫度均勻，控制母模的溫度在275°。；(4) 金屬電弧噴塗1) 為了使噴槍能夠沿母模基體輪廓形狀運動並且噴塗作業，需 要對預先設計好的零件的3D數字模型進行修正，進行分層處理；2) 通過電弧噴塗高熔點金屬熔滴3Crl3馬氏體不鏽鋼到母模表 面，按照設計參數，使噴槍能沿母模基體輪廓形狀運動並且噴塗作業， 從母模的一端噴塗到另一端，重複這樣的過程，直到噴塗塗層厚度達 到15mm，得到母模的金屬型殼；噴塗電壓為32V，噴塗電流為200A,壓縮空氣壓力為0.55MPa，送絲電壓為11V，噴塗距離為240mm;3Crl3塗層由馬氏體基體、鉻鐵氧化物、氣孔等組成，塗層呈灰黑 色，，顯微硬度測定為馬氏體基體HV550 650、鉻鐵氧化物 HV65(K700，塗層的宏觀硬度為HRC40~45， 3Crl3塗層均勻緻密、 氧化物少，孔隙率低，與基體結合面形貌凹凸不平，均無大的孔隙和 氧化物，結合良好；(5) 背襯的製作 在經過電弧噴塗的金屬型殼背面上添加模框，所述膜框是由鋼板製成，其形狀與母模的金屬型殼的輪廓外緣相一致，在模框內填充樹 脂和高強度水泥作為背襯；(6) 後處理 脫模並將多餘的邊切除；(7) 對模具金屬型殼內表面修整拋光，得到最終的可以使用的模具。
全文摘要
本發明屬於製造業的先進位造技術領域，涉及快速模具製造方法，特別涉及一種高熔點金屬電弧噴塗快速制模方法。該方法採用無焙燒陶瓷母模做復型基體，通過電弧噴塗高熔點金屬熔滴到母模表面，噴塗一定的厚度後在型殼背面加模框，填充樹脂和高強度水泥背襯，脫模後對型殼表面進行切邊和拋光等後處理，提供快速、低成本的模具製造集成技術。
文檔編號B22D23/00GK101434026SQ20081023233
公開日2009年5月20日 申請日期2008年11月19日 優先權日2008年11月19日
發明者何仲雲, 盧秉恆, 唐一平, 智 王, 王伊卿 申請人:西安交通大學;快速製造國家工程研究中心