一種壓鑄模具型芯的加工製造方法
2023-04-29 06:02:01 1
專利名稱：一種壓鑄模具型芯的加工製造方法
技術領域：
本發明屬於金屬零部件的成形加工技術，具體涉及一種壓鑄模具型芯加工製造方 法，該方法尤其適用於壓鑄模中細長包裹芯模的加工。
背景技術：
在壓鑄過程中，模具溫度一直是一個影響產品質量及生產效率的重要因素，局部 的高溫或者低溫會對產品質量和模具壽命有著嚴重的影響。由於在實際壓鑄生產過程中， 惡劣的生產環境和金屬壓鑄的特殊性，模具在短時間內需要反覆承受驟冷和驟熱近300°C 的溫差，會產生很大的熱應力，極易導致模具開裂，造成模具報廢。同時，由於在壓鑄中，金 屬液在液態時澆注，並且需要在模具內冷卻到一定溫度以下，因此良好的散熱也有助於生 產效率的提高。壓鑄模具在壓鑄之前以及噴塗料後，要加熱到工作溫度附近，並且在工作過程中 要保持在選定的溫度範圍之內。這樣才能得到內部質量和外形尺寸穩定的鑄件。過高或過 低的溫度都會帶來一些不良的後果。模具溫度過低時會出現下列缺點容易產生冷隔、澆不 足、裂紋、氣孔和輪廓不清晰等缺陷；模具表面受到液態金屬的強烈加熱，型壁內外溫差大， 模具容易開裂損壞。模具溫度過高時則會造成鑄件結晶組織變粗，容易出現針孔和縮松，同 時也會延長冷卻時間，降低生產效率。因此，合理的冷卻系統對於模具結構和工藝調整至關重要。在實際生產中，通常 採用迴路冷卻法和點冷法。迴路冷卻法是採用直線相通相貫的方式，即通過2 3個深孔 連通，然後將一些出口堵塞，形成循環迴路。例如專利文獻CN2595497Y提供了一種迴路冷 卻方法，可以有效降低模具溫度。迴路冷卻法的優點在於簡單、易行。但也存在下列缺點 1.受型腔結構影響限制，有時無法形成迴路；2.無法進行局部溫度控制，在模具已完成後， 極難進行冷卻位置調整，無法及時有效解決設計不良造成的粘模、冷隔等缺陷；3.冷卻水 路距離型腔距離不等，造成型腔表面過冷或過熱(產生粘模，縮孔，龜裂等)；4.冷卻迴路生 鏽後，易堵塞且不易修理，迴路內部漏水也無法修復；5.遇到模具局部損壞，無法採用鑲嵌 法維修；6.加工深孔時有難度。點冷法通常採用中心針管式，中心圓管較小，水壓高，外管口徑大，形成緩流區，有 利於充分冷卻。專利文獻CN201346616Y中就公開了一套壓鑄模的點冷卻裝置，其裝置能控 制模具各區域的溫度。點冷卻法優點結構簡單，效果好，成本低，加工維修方便；試模後可 調整溫度梯度極為有效，可隨時增減及位置調整；可有效控制冷卻點距模具型腔表面的距 離，從而有效控制模溫。點冷卻法缺點裝配不良容易漏水；對於滑塊、抽芯等有相對移動 的部分，採用點冷卻要充分考慮，精心施工；點冷卻要考慮模具強度，太多的冷卻孔固然可 以保證模具溫度的平衡，但也破壞了模具的強度。然而實際生產中，零件結構複雜，同時受到模具結構等多方面限制，迴路冷卻法和 點冷卻法並不能對所有模具結構都起作用。由於零件結構複雜，同時受到模具結構等多方面限制，迴路冷卻法和點冷卻法並不能對所有模具結構都起作用。如對包含圖1所示結構的零件，為製造出中間的一端封閉 的孔，其芯模結構如圖2所示，其芯模特點在於其細長且一端被金屬液包裹。可以發現，該 芯模屬於細長包裹芯，細長包裹芯模是指一端被金屬液包圍、其直徑小於等於15mm、長徑比 大於等於1的金屬型芯。在壓鑄過程中圖2中的芯模前端被金屬液完全包裹，在模具溫度 場中屬於熱量聚集區，應該要加強散熱。然而，此芯模由於結構限制，無法使用迴路冷卻法 和點冷法。因此此芯模在生產中溫度就會保持在較高溫度上，形成熱節，嚴重影響鑄件質量 和模具壽命。給實際生產帶來很大的不方便和巨大的經濟損失。
發明內容
本發明目的在於提供一種壓鑄模具型芯的加工製造方法，該方法成本低，效率高， 可以有效解決細長包裹芯模生產中散熱難的問題。本發明提供的一種壓鑄模具型芯的加工製造方法，包括下述步驟(1)細長包裹芯模採用雙層複合材料結構設計，內層材料為100°C 600°C的熱導 率為393 366瓦/米·度的純銅，外層材料為H13模具鋼或100°C 600°C的熱導率為 15 32瓦/米·度的耐熱鋼，外層材料的厚度控制為0. 2 3mm ；(2)採用火焰熱噴塗法、雷射熔覆法或鑲嵌法在內層材料的表面包裹外層材料火焰熱噴塗法的過程如下(Al)對內層材料進行預處理，保證表面清潔和粗糙，清潔等級Sa2. 5 3級，表面 粗糙度Rz60 100 μ m ；(A2)將內層材料預熱至180 250°C，使用火焰噴塗槍噴塗外層材料，噴塗後外層 材料的初始厚度留有0. 25 0. 5mm加工餘量；雷射熔覆法的過程如下(Bi)內層材料表面預處理清潔內層材料表面，並使其粗毛化；(B2)將內層材料表面加熱到300 450°C ；(B3)採用預置粉末法進行雷射處理，將外層材料熔覆在內層材料表面，外層材料 粉末大小為36 μ m 74 μ m，預置粉末層厚度為1 4mm，雷射功率為2 4kW、掃描速度為 3 8mm/s、光斑直徑為5 8mm ；(B4)對(B3)得到的芯模進行爐內加熱保溫，再隨爐冷卻，以消除熔覆層的殘餘應 力；(B5)機械加工至要求尺寸；鑲嵌法的過程為先加工出外層材料的空腔，其厚度範圍為1 3mm，然後再將熔 化後的內層材料澆注至空腔內。本發明的思想是改變傳統的模具鋼製造模具的方法，利用高導熱材料與耐熱、耐 蝕材料的複合方法製造芯模，內部的高導熱率的材料能夠快速散去熱量，外部耐熱、耐蝕材 料能夠抵抗鋁液或鎂液的衝刷。同時在複合材料設計及複合方法方面進行創新。具體而言， 本發明具有以下技術特點(1)採用純銅作為芯模材料的基體，同時為了避免純銅耐衝蝕能力不強，強度不夠 的缺點，在其外部使用耐熱耐衝蝕的模具鋼(如H13鋼等)，使得最終加工出來的雙金屬芯 模具有高強度，耐衝蝕，導熱快的優點。
(2)對於鋁合金零件的壓鑄生產中的實際使用表明，採用細長的被包裹的雙金屬 芯模，比採用H13模具鋼的芯模，其表面溫度降低了 40. 3°C。由於冷卻效率提高，使得零件 的壓鑄周期時間縮短了 15 20%，提高了生產效率。此外，包裹芯模處的鑄件內在質量提 高，消除了縮松等缺陷。(3)本發明不需在細長包裹芯模模具上另開冷卻孔，在不影響模具強度和耐衝蝕 的基礎上，通過使用熱導率更高的純銅散熱，解決了細長包裹芯模散熱難的問題，在降低了 模具生產成本的同時，提高了生產效率和鑄件質量。
圖1為一種一端含有封閉孔的簡單零件結構示意圖。圖2為圖1結構零件配套的芯模；圖3即為本發明生產的芯模剖面示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實例對本發明作進一步詳細的說明。圖1所示零件的封閉孔長度為Li，直徑為dl，長徑比Ll/dl彡1，且dl彡15mm, 為細長孔。因此，壓鑄模具中需要圖2所示的細長芯模來形成圖1零件的細長孔。如圖3 所示，細長包裹芯模採用雙層複合結構設計，並保證內層材料的熱導率是外層材料的10倍 以上。這樣芯模的熱量能夠快速從芯模的固定端導出到外部。其中外層1部分所指材料為 H13模具鋼或其他耐熱鋼，2部分內層材料為高熱導率的純銅。內層材料採用純銅(100°C 600°C的熱導率為393 366W/m*°C)，外層採用傳統 的模具鋼(如H13鋼，100°C 600°C的熱導率為32 28. 8W/m · °C )或其他耐熱鋼(100°C 600°C的熱導率為15 35W/m · °C )。外層材料的厚度為0. 2 3mm，厚度越小，傳熱效率越高。內層材料採用純銅作為 芯模材料的基體。在內層材料的表面包裹外層材料的方法為，採用下列方法之一進行製造(1)火焰熱噴塗法先將純銅內芯機械加工至指定尺寸，然後對純銅內芯預處理， 保證表面清潔和粗糙，清潔等級Sa2. 5 3級，表面粗糙度Rz60 100 μ m ；將工件預熱至 180 250°C，然後再使用火焰噴塗槍噴塗外層材料，要求噴塗層緻密，與基體結合牢靠，噴 塗後外層材料的初始厚度應留有0. 25 0. 5mm加工餘量，最終厚度應保證在0. 2 3mm。 機械加工至要求尺寸，最後檢驗塗層，要求塗層外觀均勻一致，表面無裂紋，無起皮大顆粒 熔疤，結合牢固，厚度達到所需要求，即可製成雙金屬芯模。(2)雷射熔覆法將純銅內芯機械加工至指定尺寸，①內層材料表面預處理清潔 處理，並噴砂使其粗毛化，利於粉末的附著。②預熱將內層材料表面加熱到300 450°C。 ③採用預置粉末法，通過雷射熔覆，在內層材料表面形成外層材料。粉末大小在36 μ m 74 μ m。預置粉末層厚度1 4mm，選擇雷射功率2 4kW、掃描速度為3 8mm/s、光斑直 徑5 8mm，以保證雷射光斑內的光功率密度分布均勻，使粉末流的形狀和光斑的形狀和尺 寸相匹配，嚴格控制粉末流與內層材料、雷射束三者間的相對位置。一般功率密度為103 108ff/cm2時，熔覆過程在0. 1 Is內完成。④後熱處理採用爐內加熱保溫，充分後隨爐冷卻，以消除熔覆層的殘餘應力。⑤機械加工至要求尺寸並檢查表面處理質量。經檢測其表 面質量合格後即可製成所需雙金屬芯模。(3)鑲嵌法採用雙層金屬鑲嵌鑄造方法，先加工出外面H13模具鋼(或其他耐熱 模具鋼)空腔，其厚度範圍為1 3mm，然後再將內層純銅材料澆注至空腔內。實例實施例1對直徑15mm、長30mm的一端被包裹的芯模，先將純銅(100°C 600°C的熱導率為 393 366W/m· °C )內芯機械加工至指定尺寸，然後對銅內芯進行清洗，清潔等級及粗化 表面粗糙度按表1所示的六種參數中的一種選取。按表1所列選擇工藝參數，先將工件預 熱；接著使用火焰熱噴塗的方法，將H13模具鋼或SUS304耐熱鋼粉末均勻噴塗在經過預處 理過的銅芯基體上，最後再機械加工芯模至所要求尺寸，外層H13模具鋼或耐熱鋼的厚度 為0.2mm 3mm，即可最終製成所需的雙金屬芯模。H13模具鋼100°C 600°C的熱導率為 32 28. 8ff/m · °C，而 SUS304 耐熱鋼 100°C 600°C 的熱導率為 15. 1 22. 8ff/m · °C。表1六種不同的工藝參數 實施例2對直徑10mm、長25mm的一端被包裹的芯模，將純銅內芯機械加工至指定尺寸，然 後對其表面進行預處理後，將預置熔覆材料牌號為SUS304耐熱鋼(100°C 600°C的熱導率 為15. 1 22. 8ff/m.°C )的粉末或H13模具鋼的粉末放在銅內芯表面，粉末粒度大小、預置 粉末層厚度、雷射功率、掃描速度按表2所列的6種參數中選擇一種，通過對內芯預熱處理， 然後利用高能雷射束對其輻照，使塗覆材料的迅速熔化、擴展和迅速凝固，最終在銅芯表面 形成一層SUS304耐熱鋼表層或H13鋼表層，後熱處理採用爐內加熱保溫，充分後隨爐冷卻， 以消除熔覆層的殘餘應力。機械加工至要求尺寸並檢查表面處理質量。最終SUS304耐熱 鋼或H13鋼表層厚度為0. 2 3mm，經檢測其表面質量合格後即可製成所需雙金屬芯模。表2六種不同的雷射熔覆工藝參數 實施例3對直徑15mm、長35mm的一端被包裹的芯模，採用雙層金屬方法，先加工出外面H13 模具鋼空腔，或SUS304耐熱鋼空腔。空腔的厚度分別選擇1mm、2mm、3mm中的一種。然後再 將熔化的純純銅液體澆入到H13鋼空腔內，或SUS304耐熱鋼空腔內，最終均可製成所需的 雙金屬芯模。以上所述為本發明的較佳實施例而已，但本發明不應該局限於該實施例和附圖所 公開的內容。所以凡是不脫離本發明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發明保 護的範圍。
權利要求
一種壓鑄模具型芯的加工製造方法，包括下述步驟(1)細長包裹芯模採用雙層複合材料結構設計，內層材料為100℃～600℃的熱導率為393～366瓦/米·度的純銅，外層材料為H13模具鋼或100℃～600℃的熱導率為15～32瓦/米·度的耐熱鋼，外層材料的厚度控制為0.2～3mm；(2)採用火焰熱噴塗法、雷射熔覆法或鑲嵌法在內層材料的表面包裹外層材料火焰熱噴塗法的過程如下(A1)對內層材料進行預處理，保證表面清潔和粗糙，清潔等級Sa2.5～3級，表面粗糙度Rz60～100μm；(A2)將內層材料預熱至180～250℃，使用火焰噴塗槍噴塗外層材料，噴塗後外層材料的初始厚度留有0.25～0.5mm加工餘量；雷射熔覆法的過程如下(B1)內層材料表面預處理清潔內層材料表面，並使其粗毛化；(B2)將內層材料表面加熱到300～450℃；(B3)採用預置粉末法進行雷射處理，將外層材料熔覆在內層材料表面，外層材料粉末大小為36μm～74μm，預置粉末層厚度為1～4mm，雷射功率為2～4kW、掃描速度為3～8mm/s；(B4)對(B3)得到的芯模進行爐內加熱保溫，再隨爐冷卻，以消除熔覆層的殘餘應力；(B5)機械加工至要求尺寸；鑲嵌法的過程為先加工出外層材料的空腔，其厚度範圍為1～3mm，然後再將熔化後的內層材料澆注至空腔內。
全文摘要
本發明公開了一種壓鑄模具型芯的加工製造方法，該方法針對壓鑄模具中細長的包裹芯模散熱難問題，通過製造雙層複合材料芯模，其中內層材料為高熱導率的純銅材料，外層材料為耐熱、耐衝蝕的模具鋼或耐熱鋼，可以有效解決這一問題。通過火焰熱噴塗法、雷射熔覆法、鑲嵌法製造雙層複合結構。採用本發明的雙金屬芯模，比採用H13模具鋼的芯模，其表面溫度降低40℃左右，能夠有效地提高鑄件的成品率，同時能減少冷卻時間，壓鑄生產效率提高。
文檔編號C23C24/10GK101920329SQ20101026181
公開日2010年12月22日 申請日期2010年8月25日 優先權日2010年8月25日
發明者萬裡, 吳樹森, 安萍, 毛有武, 虞康 申請人:華中科技大學