基於超聲脈衝電沉積和熔射成形的模具製造方法及模具的製作方法

2023-06-26 20:18:46 3

專利名稱：基於超聲脈衝電沉積和熔射成形的模具製造方法及模具的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種快速模具製造工藝，更具體的說涉及一種摻雜納米陶瓷粉末電沉 積和熔射成形工藝相結合的模具製造技術。
背景技術：
模具工業是國民經濟和工業生產的基礎性行業，在汽車、家電、電子、電機、儀表、 通訊輕工等製造業中應用廣泛。傳統的鋼製模具由於存在製造周期長、生產成本高等難以 克服的缺點，已經越來越不能滿足企業新產品開發和試製的需求。快速模具製造技術(Rapid Tooling Manufacture,以下簡稱RT技術)，是近二十 年來模具製造領域為加快製造速度和降低生產成本而在快速原型和快速製造技術基礎上 發展起來的一項全新模具製造技術。與傳統去除材料方式製造鋼製模具工藝不同，RT技術 綜合運用計算機輔助設計與製造、數字控制、精密伺服驅動、新材料等先進位造技術，通過 材料累加成形獲得形狀複雜的模具。因此，RT技術具有工藝簡單、形狀適應性強、生產周期 短、能源消耗少、製造成本低等突出優點，已成為未來模具製造領域的重要發展方向。在RT技術中，根據模具CAD數據直接由RP&M(Rapid Prototyping/Parts Manufacturing快速成形/零件製造)系統製造模具的直接制模法雖然工藝簡單，但存在模 具尺寸受設備限制大、製造精度低、表面質量差、綜合力學性能不佳、使用壽命短等多個方 面的問題，目前還很難與傳統鋼製模具競爭。間接制模技術，是以RP(Rapid Prototyping Manufacture)原型作為樣件進行翻 制模具的技術，由於間接制模使用的翻制模具技術成熟多樣，並可根據不同應用要求選擇 不同複雜程度和成本的工藝，所以它一方面可較好地控制模具製造精度、表面質量、力學性 能和使用壽命，另一方面也可以滿足成本控制方面的要求。因此，目前在工業界應用較多的 是間接快速模具製造技術。在間接制模技術中，綜合使用兩種或兩種以上RP&M技術的複合 成形技術既可發揮不同製造工藝的長處，同時又可克服原有工藝固有的缺點，往往具有單 一成形技術無法比擬的優勢。由於比直接制模技術具有製造精度更高、表面質量更好、力學性能更佳和使用壽 命更長等優點，基於RP技術的間接快速制模技術吸引了眾多國內外公司和研究機構對此 進行研究和開發。按照使用原理不同，這些間接制模法主要有一、基於快速原形的模具電火花加工電極快速製造方法這種快速模具製造方法 依靠電極的快速製造來提高模具製造的效率，並不是完全意義上的快速模具製造。二、基於金屬樹脂混合澆注的快速模具製造方法如3D Systems公司開發的 Keltool工藝——先用SLA工藝製造模具零件原型，接著用矽橡膠翻制模具零件原型的負 型，然後向矽橡膠負型中澆築金屬樹脂混合粉末，最後進行高溫燒結和滲入金屬銅。三、基於熱噴塗的快速模具製造方法這種方法先在原模上噴塗上一層低熔點金 屬塗層，然後在背襯上一層樹脂金屬粉末混合物，再把原模去掉獲得模具的型芯或型腔。這種制模工藝只能使用低熔點合金，因而模具壽命不長。四、基於電沉積的快速模具製造首先，在原模表面沉積上一層厚度約1 5mm的 鎳，然後在鎳沉積層上用化學反應凝固陶瓷材料，最後分離原模得到模具。和熱噴塗制模方 法相比，這種制模方法雖然可以提高模具表面硬度，進而延長模具壽命，但因電沉積所需時 間較長，導致制模效率降低。綜上所述，現有間接制模技術中，基於電極快速製造的RT技術與傳統模具製造相 比在提高生產效率和降低生產成本兩個方面都非常有限；基於混合樹脂澆注的RT技術則 只能製造軟質模具，在強度和硬度上很難滿足模具的嚴苛工作條件；基於熱噴塗的RT技術 目前主要使用低熔點合金來製造模具，雖屬硬質模具，但在表面硬度和熱強性方面仍與模 具工作要求相差甚遠；基於電沉積的RT技術則存在沉積時間較長的缺陷。有鑑於此，本發明人針對現有模具製造技術的上述缺陷深入研究，遂有本案產生。

發明內容
本發明的第一目的在於提供一種基於超聲脈衝電沉積和熔射成形的模具製造方 法，以解決現有技術中快速模具製造方法無法同時實現提高生產效率、降低成本以及模具 強度硬度好的問題。為了達成上述目的，本發明的解決方案是一種基於超聲脈衝電沉積和熔射成形的模具製造方法，其中，包括如下步驟A、選取原模並使其處於能導電的狀態；B、在原模表面成型電沉積層將原模置入超聲波脈衝電沉積槽中進行電沉積，該 電沉積液中添加有納米陶瓷粉末；C、在電沉積層上成型熔射層採用熔射的方法在電沉積層上形成熔射層；D、脫模並得到模具將電沉積層與原模進行脫模分離而使得成品模具。進一步，在步驟C和步驟D之間還包括步驟Cl、採用澆注的方法在熔射層上在形 成背襯層。進一步，該背襯層採用的為樹脂與金屬粉末的混合材料，該背襯層以樹脂為基體， 並添加有鐵粉、銅粉、鎳粉或其混合物。進一步，該步驟A中還包括對原模進行前處理的步驟，當該原模選用為導電材質， 該前處理步驟為清潔性處理；當該原模選用為非導電材質，該前處理步驟還包括對非導電 材質的導電化處理。進一步，該導電化處理的方法選自粗化敏化法、導電塗料法、物理氣相沉積法或者 化學鍍中的一種。進一步，在步驟B中，該電沉積的陽極材料為鎳、鈷、鐵或其合金，陰極為原模。進一步，在步驟B中，該電沉積層的厚度為0. 1 0. 5mm。進一步，在步驟B中，該納米陶瓷粉末為三氧化二鋁或氧化鋯。進一步，在步驟B中，還包括攪拌步驟而使得該納米陶瓷粉末懸浮在電沉積液中。進一步，在步驟B中，電沉積採用的電源為雙向高頻脈衝電源。進一步，在步驟C中，該熔射層為金屬塗層，其具體選用鎳及其合金、銅及其合金、 鋁及其合金或不鏽鋼。
本發明的第二目的在於提供一種由上述方法製得的模具，其具體的解決方案為一種模具，其中，包括通過電沉積而外形匹配於原模表面的電沉積層以及通過熔 射成型而形成在電沉積層上的熔射層。進一步，該模具還包括澆注成型在該熔射層上的背襯層。採用上述結構後，本發明涉及的基於超聲脈衝電沉積和熔射成形的快速模具製造 方法，其通過在原模表面形成電沉積層，使得該電沉積層外表曲線能充分貼合於原模，並實 現了快速準確地模具製造，而具有生產效率高和成本低的特點；同時通過在電沉積層上形 成熔射層，從而能快速增大整個模具型殼的厚度，從而起到使整個模具具有強度硬度好的 特點。


圖1為本發明涉及一種基於超聲脈衝電沉積和熔射成形的模具製造方法較佳方 案的流程示意圖；圖2為本發明涉及方法製造出來模具的剖視圖。圖中模具100 電沉積層1熔射層 2背襯層 具體實施例方式為了進一步解釋本發明的技術方案，下面通過具體實施例來對本發明進行詳細闡 述。如圖1所示，其示出的為本發明涉及的一種基於超聲脈衝電沉積和熔射成形的模 具製造方法，其中，包括如下步驟A、選取原模並使其處於能導電的狀態；具體該原模可以為天然素材、RP原型或者 實物樣件，只要其外形與所需成型產品一致即可，其材質可以為導電材質(比如金屬)，亦 可以為不導電的材質(比如塑料或者纖維)；在實際模具製造時，在選取原模後，還需要對 原模進行前處理，其具體又包括清潔性處理和導電化處理，清潔性處理具體是指除油、除鏽 (尤其針對金屬原模)等工序，而導電化處理則針對非導電材質，從而使得非導電材質的原 模也能進行下述的步驟B;具體的，該導電化處理的方法選自粗化敏化法、導電塗料法、物 理氣相沉積法或者化學鍍中的一種。B、在原模表面成型電沉積層將原模置入超聲波脈衝電沉積槽中進行電沉積，該 電沉積液中添加有納米陶瓷粉末；通過在電沉積液中添加納米陶瓷粉末，從而使得電沉積 層能具有較好的硬度，並起到提高製得模具表面硬度的功效，該納米陶瓷粉末具體可以選 用三氧化二鋁或氧化鋯；優選的，該電沉積的陽極材料為鎳、鈷、鐵或其合金，陰極為原模； 為了提高電沉積層的緻密度，電沉積採用的電源最好是雙向高頻脈衝電源；同時為了進一 步提高沉積時的效率，需使得納米陶瓷粉末懸浮在電沉積液中，即在電沉積的過程中還包 括有攪拌步驟，具體攪拌的方法可以為機械攪拌、電磁攪拌和超聲攪拌，優選採用超聲攪 拌，該超聲攪拌可以細化電沉積層晶粒，提高電沉積層中納米陶瓷粉末的含量，進而可以提 高電沉積層的顯微硬度，並且電沉積層的厚度優選為0. 1 0. 5mm，從而能在保證電沉積層耐磨性能的前提下儘量提高制模效率。C、在電沉積層上成型熔射層採用熔射的方法在電沉積層上形成熔射層，從而能 起到快速增大模具型殼的厚度的功效；優選的，在電沉積層上快速熔射金屬塗層，用作熔射 層材料的金屬可以是鎳及其合金、銅及其合金、鋁及其合金或不鏽鋼等。具體的熔射方法可 以是等離子熔射或者電弧熔射等。D、脫模並得到模具將電沉積層與原模進行脫模分離而使得成品模具。為了進一步滿足模具的工作強度要求，在步驟C和步驟D之間還包括步驟Cl、採 用澆注的方法在熔射層上在形成背襯層。具體的，該背襯層採用的為樹脂(具體可以為環 氧樹脂)與金屬粉末的混合材料，該背襯層以樹脂為基體，並添加有鐵粉、銅粉、鎳粉或其 混合物。如圖2所示，其為本發明提供一種模具100，其是通過上述方法而製得，該模具100 包括通過電沉積而外形匹配於原模表面的電沉積層1以及通過熔射成型而形成在電沉積 層1上的熔射層2。優選的，該模具100還包括澆注成型在該熔射層2上的背襯層3。這樣，本發明涉及的基於超聲脈衝電沉積和熔射成形的快速模具製造方法及採用 該方法製得的模具，其通過在原模表面形成電沉積層，使得該電沉積層外表曲線能充分貼 合於原模，並實現了快速準確地模具製造，而具有生產效率高和成本低的特點；同時通過在 電沉積層上形成熔射層，從而能快速增大整個模具型殼的厚度，從而起到使整個模具有強 度硬度好的特點。上述實施例和圖式並非限定本發明的產品形態和式樣，任何所屬技術領域的普通 技術人員對其所做的適當變化或修飾，皆應視為不脫離本發明的專利範疇。
權利要求
1.一種基於超聲脈衝電沉積和熔射成形的模具製造方法，其特徵在於，包括如下步驟A、選取原模並使其處於能導電的狀態；B、在原模表面成型電沉積層將原模置入超聲波脈衝電沉積槽中進行電沉積，該電沉 積液中添加有納米陶瓷粉末；C、在電沉積層上成型熔射層採用熔射的方法在電沉積層上形成熔射層；D、脫模並得到模具將電沉積層與原模進行脫模分離而使得成品模具。
2.如權利要求1所述的基於超聲脈衝電沉積和熔射成形的模具製造方法，其特徵在 於，在步驟C和步驟D之間還包括步驟Cl、採用澆注的方法在熔射層上在形成背襯層。
3.如權利要求2所述的基於超聲脈衝電沉積和熔射成形的模具製造方法，其特徵在 於，該背襯層採用的為樹脂與金屬粉末的混合材料，該背襯層以樹脂為基體，並添加有鐵 粉、銅粉、鎳粉或其混合物。
4.如權利要求1所述的基於超聲脈衝電沉積和熔射成形的模具製造方法，其特徵在 於，該步驟A中還包括對原模進行前處理的步驟，當該原模選用為導電材質，該前處理步驟 為清潔性處理；當該原模選用為非導電材質，該前處理步驟還包括對非導電材質的導電化 處理。
5.如權利要求4所述的基於超聲脈衝電沉積和熔射成形的模具製造方法，其特徵在 於，該導電化處理的方法選自粗化敏化法、導電塗料法、物理氣相沉積法或者化學鍍中的一 種。
6.如權利要求1所述的基於超聲脈衝電沉積和熔射成形的模具製造方法，其特徵在 於，在步驟B中，該電沉積的陽極材料為鎳、鈷、鐵或其合金，陰極為原模。
7.如權利要求1所述的基於超聲脈衝電沉積和熔射成形的模具製造方法，其特徵在 於，在步驟B中，該電沉積層的厚度為0. 1 0. 5mm。
8.如權利要求1所述的基於超聲脈衝電沉積和熔射成形的模具製造方法，其特徵在 於，在步驟B中，該納米陶瓷粉末為三氧化二鋁或氧化鋯。
9.如權利要求1所述的基於超聲脈衝電沉積和熔射成形的模具製造方法，其特徵在 於，在步驟B中，還包括攪拌步驟而使得該納米陶瓷粉末懸浮在電沉積液中。
10.如權利要求1所述的基於超聲脈衝電沉積和熔射成形的模具製造方法，其特徵在 於，在步驟B中，電沉積採用的電源為雙向高頻脈衝電源。
11.如權利要求1所述的基於超聲脈衝電沉積和熔射成形的模具製造方法，其特徵在 於，在步驟C中，該熔射層為金屬塗層，其具體選用鎳及其合金、銅及其合金、鋁及其合金或 不鏽鋼。
12.—種採用如權利要求1至11任一項所述的方法而得到的模具，其特徵在於，包括 通過電沉積而外形匹配於原模表面的電沉積層以及通過熔射成型而形成在電沉積層上的熔射層。
13.如權利要求12所述的模具，其特徵在於，該模具還包括澆注成型在該熔射層上的背襯層。
全文摘要
本發明公開一種基於超聲脈衝電沉積和熔射成形的模具製造方法，包括如下步驟A、選取原模並使其處於能導電的狀態；B、在原模表面成型電沉積層將原模置入超聲波脈衝電沉積槽中進行電沉積，該電沉積液中添加有納米陶瓷粉末；C、在電沉積層上成型熔射層採用熔射的方法在電沉積層上形成熔射層；D、脫模並得到模具將電沉積層與原模進行脫模分離而使得成品模具。本發明還公開一種模具，包括通過電沉積而外形匹配於原模表面的電沉積層以及通過熔射成型而形成在電沉積層上的熔射層。本發明具有生產效率高和成本低，並且成型出來模具還具有強度硬度好的特點。
文檔編號C25D15/00GK102108534SQ20101058117
公開日2011年6月29日 申請日期2010年11月30日 優先權日2010年11月30日
發明者張認成, 曾好平, 李洪友, 石育英 申請人:華僑大學