整体式无痕注塑模芯的快速成型工艺.pdf

塑料工业 C HI NA P L AS T I C S I N DUS T RY 第 3 8卷第 1 期 2 0 1 0年 1月 整体式无痕注塑模芯的快速成型工艺 术 赵航 ，伍 晓字 ，梁雄，程蓉 ，郑建平 ( 深圳 大学机 电与控制工程学院 ，广东 深圳 5 1 8 0 6 0 ) 摘要：详细阐述了以S R W金属粉末快速成型毛坯，然后经过热处理及精加工制作整体式无痕注塑模具模芯的过 程，并以实例对制作过程进行了研究。结果表明，利用该工艺制造的模芯，其致密度接近理想密度，机械性能达到模 具的设计要求。 关键词 无 痕注塑模具 ；金属粉末快速成型 ；选择性 电阻焊接 中图分类号： T Q 3 2 3 6 6 2 文献标识码：A 文章编号： 1 0 0 5 5 7 7 0( 2 0 1 0 )0 1 0 0 5 2 0 4 Ra p i d P r o t o t y p i n g P r o c e s s f o r I n t e g r a l We l d l e s s I n j e c t i o n Mo u l d I n s e r t Z HAO Ha n g ，WU Xi a o y u，HANG Xi o n g，C HEN G R o n g ，Z HE NG J i a n p i n g ( C o l l e g e o f E l e c t r i c a l a n d C o n t r o l E n g i n e e r i n g ，S h e n z h e n U n i v e r s i t y ，S h e n z h e n 5 1 8 0 6 0 ，C h i n a ) A b s t r a c t ： T h e p a p e r p r o p o s e d t o m a k e i n t e g r a l w e l d l e s s i n j e c t i o n mo u l d i n s e r t s b y r a p i d p r o t o t y p i n g b a s e d o n s e l e c t i v e r e s i s t a n c e we l d i n g wi t h me t a l p o wd e r ， b y h e a t 。 t r e a t me n t a n d fini s h i n g p r o d u c t i o n An d s t u d i e d t h e p r o du c i n g p r o c e s s wi t h e x a mp l e s Ex p e r i me n t a l r e s u l t s s h o we d t h e mo ul d i n s e rt S d e n s i fic a t i o n r a t e wa s c l o s e t o t he i d e a l v a l u e a n d me c h a n i c a l p r o p e rti e s a c hi e v e d mo l d d e s i g n r e q u i r e me nt s Ke y wo r d s ： We l d l e s s I n j e c t i o n Mo u l d ；Me t a l P o w d e r R a p i d P r o t o t y p i n g ；S e l e c t i v e R e s i s t a n c e We l d i n g 为了实现无痕注塑成型，国外常用的方法是将无 痕注塑模模芯剖分为面壳与背板两部分，并且在两者 之间加工与型腔表面形状一致的随形槽 ，将面壳和背 板两部分配合起来即形成随形介质通道，但分成两部 分 的模芯制造复杂 ，并且存在密封问题 ；再者由于机 械加工时刀具存在切削力 ，使得随形槽不能够与型腔 表面距离太近，否则在切削力的作用下会使型腔表面 产生变形 ，严重影响塑件 的成型质量 。 成型质量主要取决于模芯。本课题采用金属粉末 选择性电阻焊接快速成 型技术 可 以实现整体式无 痕注塑模模芯的成型 ，不存在密封问题 ，杜绝了因密 封不当产生介质泄露 ，且这种整体式模芯的随形水路 与型腔表面距离可以更近，因此热冷介质便可更加充 分迅速地与型腔表面进行热交换。 l 快速成型技术 2 0世纪 8 0年代后期 发展起来 的快速成 型技术 ( R a p i d P r o t o t y p i n g ，R P )是基于分层技术与堆积成型 技术 ，直接根据 C A D模 型快速生产样件或零件的先 进制造技术的总称 。这种全新 的加工方法有着基于切 削理念的传统加工方法所无法 比拟的巨大优势。例如 它可快速地成型出机构复杂，尤其是有较多内部曲面 的中空零件 J 。 目前的金属 粉末激光烧结成型主要 是利用选择性激光烧结 ( S L S )工艺，但是 S L S工艺 成型的制件存在着易产生断裂 、翘曲变形和致密度差 等缺点。这些缺陷使得金属粉末快速成型技术无法应 用于实际工业生产中，特别是对于材料机械性能要求 较高的模具行业。针对这一问题 ，我们提出了选择性 电 阻 焊 接(S e l e c t i v e R e s i s t a n c e We l d i n g ，S R W ) 工艺 。 S L S工艺通常基于液相烧结机理成型，也即由液 相黏结未熔固相颗粒成型 ，其实质是半固态成型，故 在成型材料中含有未经熔化的颗粒，这在一定程度上 会影响成型致密度 _ 3 J 。电阻焊接是利用电阻热效应 将金属粉末加热到熔化状态 ，其金属颗粒完全处于熔 融状态下而凝 固成型。它的成型致密度远高于激光烧 结成型 ，而且在电极压力下 ，成型的金属层中的气泡 或空隙几乎不存在 ；其机械强度较激光烧结成型的制 件强很多，完全能够满足一般的零件强度要求。尤其 是对于模具零件 ，在经过少量的后续处理后可直接应 用于生产当中。 2 0 0 8广东省科技计 划项 目 ( 工业攻关 )( 2 0 0 8 B 0 1 0 4 0 0 0 0 1 ) $ 联系人 w u x y S Z U e d u c a 作者简介：赵航，男，1 9 8 2年生，硕士研究生，主要研究方向为快速成型。j a s o n 7 9 8 1 2 6 c o m 第 3 8 卷第 1 期 赵航等 ：整体式无痕注塑模芯 的快速成型工艺 深圳 大学 自主研制 的 J 1 0 S L S S R W Y1 8 0 D R 5 。 B 2 5 2 5型金属粉末快速成型机 ，其 主要 由 Y A G激光 器和电容式储能电阻焊机两部分构成 ，可应用 S L S及 S R W 工艺 ，可分别进行 S R W 和 S L S的单工艺成型以 及两种工艺的混成式成型。 2研究实例 本文以成型制造带有随形水路 的注塑模芯为例 ， 对利用 S R W 快速成型工艺实现整体式无痕注塑模模 芯的制作进行研究 。实验过程主要包括快速成型和后 期处理两部分。 2 1 快 速成 型 实验设备 ：J l O 。 S L S S R W Y 1 8 0 D R 3 5 一 B 2 5 2 5型 快速成型机 ；电极材料 ：氧化铝弥散强化铜 ；基体铁 板 ：低碳钢热轧板 ，厚度 5 m lT I ；成型材料 ：低碳钢 粉末 ，含碳 量 0 2 5 ( 质 量 分 数 ，下 同 ) ，粒 度 2 0 0目。 实验参数如表 1所示 。 表 1 实验参数 Ta b 1 Ex pe r i me n t a l p a r a me t e r s 储 能电压 V 9 2 0 5 0 3 4 6 0 下 降时 间0 6 焊接时间0 1 上升时间0 4 1 5 0 8 1 1 5 1 5 Z+Y 预压 时间 s 保压时间 s 电极工作面直径 mm 电极锥度 ( 。 ) 电极进给时间 s 电极运动速度 mm 8 初次铺粉厚度 mm 切片厚度 mm 步距 m m 切片模式 图 1 a为成型实验所使用 的模芯制件模 型。为尽 量减少成型时间 ，选择较简单 的模芯型腔结构 ，模芯 体积较小 ，但仍能达到进行实验分析的 目的。 由图 1 b和图 1 c可以看 出，该模芯内部有两条 5 边形随形水路 ，水路的两边被封闭。之所以设计为五 边形随形水路 ，是 由于 S R W 快速成 型工艺是采用点 焊模式 ，点焊过程 中电极对 于成 型制件产生一定压 力 ，所以必须采用小倾角渐进式逐层焊接成型。圆形 及方形水路上倾角过大，在电极压力下会产生成型制 件压溃，经研究水路上方倾角在 7 0 。 7 5 。 较 为合理 ， 且效果 良好。五边形水路无法加工螺纹 ，故采用封闭 成型 ，成型结束后 ，再钻圆形孔 ，将内部封闭的金属 粉末清理后 ，加工螺纹 ，安装设备 。 、 a一 模芯整体 b一随形水路 e一 水路截 面 图 1 模芯三维实体模型 Fi g 1 Thr e e mo d e l s a mp l e o f t h e mo ul d i ns e r t 如图 1 所示 ，模芯的两侧面有两个突出的部分 ， 这是因为当电极焊接每层第一点时 ，由于电磁阀突然 启动 ，这时电磁阀内的积蓄高压气体迅速喷出，形成 较强的冲击力 ，此冲击力会造成第一点 的焊接厚度较 薄，当层数增 多，累积后会造成第一 点周围产生斜 面，影响制件的外形尺寸。因此在设计时 ，设计了一 个突出部分 ，该突出部分位于每层第一点焊接处 ，这 样即使产生变形 ，在后期处理时也可去除，使制件的 整体形状保持完整。快速成型实验完成后的模芯制件 如图 2所示 一 一 图 2 成型模芯 F i g 1 Fo r me d mo ul d i ns e r t s 2 2 后 处理 工艺 电阻焊接过程中低碳钢成型件在焊接的情况下会 产生氧化反应 ，导致表面光 泽度较差( 如 图 2 ) ，且 焊接为点焊模式 ，点与点之 间的连接难 免会 出现孔 隙，所 以在快速成型结束后 ，要进行后期处理 ，后期 处理包括热处理和精加工两部分。 2 2 1 热 处理 热处理主要是利用高温还原烧结使成型工件一方 5 4 塑料工业 2 0 1 0正 面在高温的条件下产生还原反应 ，消除表面及 内部的 氧化物 ，另一方面对其进行烧结处理 ，将内部 的孑 L 隙 消除 ，提高致密度 ，以达到更加 良好的表面质量和机 械性能。 本实验使用的热处理设备是带有还原功能的管式 热处理炉 ，该炉可升温到 1 6 0 0 ，完全可以满足需 要 ，还原气氛为氢气 ，氢气的还原性好 ，且无污染。 图 3 F e C二元相图 Fi g 3 F e C b i n a r y p h a s e d i a g r a m 根据如图 3所示的 F e C二元相图，工业纯铁的 含碳量为 0 0 2 ，由纯铁点到 S点为亚共析钢 ，含 碳量为 0 0 2 一0 7 7 ，亚共析钢含碳量为 0 7 7 ， 所以本课题选用 的成型材料 的含碳量 0 2 5 的低碳 钢属亚共析钢。 烧结过程大致可分为预烧阶段 、烧结阶段和冷却 阶段 。 1 )预烧阶段 、 这一阶段 的温度大致在 2 0 0 9 5 0之间，主要 发生如下变化 ： 1 )均化处理 在加热过程中，铁粉内吸附的气体和水分可能排 除不够充分 ，甚至仍然含有截 留气体 ，致使此后烧结 出来的材料可能含有气泡甚至严重变形。因此需要在 一 定温度下进行一定时间的均化处理 ，以扩散掉吸附 气体和水分。 、 2 )残余应力的消除 成型件在成型过程中会产生内应力 ，当成型件受 热时，应力将会通过粉末颗粒的弹性恢复而消除。 3 )氧化物的还原 成型件的表面存在一层氧化膜 ，这层氧化膜必须 被还原才能进行烧结。氢气的还原温度在 5 5 0 o C，通 过加热利用氢气还原成型件表面以及 内部部分氧化 物 ，可使得成型件表面光泽度得到提高 ，物理性能得 到改善 ，并且便于烧结处理 。 ( 2 )烧结阶段 对于低碳 钢粉末 ，烧结主要是发生在铁颗粒之 间。在这一阶段，除了铁粉颗粒之间的烧结外 ，还发 生碳向铁中的扩散 ，即发生合金化的反应。铁的相组 织有 。 F e( 铁素体 )和 一 F e ( 奥 氏体 ) 。在烧结温 度下，铁处于奥氏体区，所以在碳扩散至铁中的同时 也会发生铁的奥氏体转变 ，如式 ( 1 )所示，产生 一 F e ，直至碳全部溶解在铁颗粒中。 a Fe+C一+ 一 Fe ( 3 )冷却阶段 1 )奥氏体分解 在冷却阶段将会发生奥 氏体 的分解。根据图 3 ， 亚共析处为铁素体 +珠光休 。 2 )高温 回火 当烧结过程结束后 ，还要进行高温 回火 ，目的是 消除成型件的残余 内应力 ，提高成 型件 的尺寸稳定 性 ，降低硬度 ，改善切削加工性 ，回复塑性及冷作硬 化性 。 对于粉末冶金压坯零件而言 ，过高的烧结温度 ， 烧 结 体 形 状 尺 寸 变 化 大 ，难 以 控 制。含 碳 量 为 0 2 5 1 0 的低碳钢粉末冶金压坯零件其烧结温 度为 1 0 5 0 1 1 2 0。然而对于 S R W 快速成型工艺 成型件而言 ，其烧结前的致密度远大于粉末冶金压坯 零件 ，即使在较高的温度下烧结也不会造成较大的尺 寸变形 ，经多次试验，烧结温度控制在 1 3 0 01 3 8 0 q C 范围内其烧结效果较好 。 。 根据上述要求 ，经反复研究 ，本课题设计了如图 4所示的热处理曲线图。 1 600 1 2 0 0 p 蠢 o 0 赠 4 0 0 O 1 3 5 l 3 5 0 | _ | 6 5 0 6 5 0 。 | 2 。 ? 。 0 1 3 5 5 6 5 1 0 5 1 1 51 3 5 1 8 5 时间 h 图 4 。 热处理温度曲线 图 Fi g 4 Te mpe r a t u r e c u r v e o f h e a t t r e a t me n t 由图 4所示 ，热处理工序设定为： 室温上升到 2 0 0 o C，对成 型件及热处理炉进 行预热 ； 2 0 0 q C 上升到 8 0 0 o C，此阶段为预烧阶段 ，在 此区间内进行均化处理，残余应力消除和氧化物的还 原反应 ； 1 2 0 0上升到 1 3 5 0 o C，并在 1 3 5 0 o C保温 1 5 h ，此阶段为烧结 阶段在此区间内进行成 型件 的 第 3 8卷第 1 期 赵航等 ：整体式无痕注塑模芯的快速成型工艺 5 5 烧结处理 ，促进材料的致密化 ； 1 3 5 0降温到 4 0 0 o C，再升温至 6 5 0 o C，并 保温 2 h进行 高温 回火，此 阶段 及其 后 均属 冷 却 阶段 ； 由 6 5 0炉冷至室温。 热 测 烧 图 6精加工后的模芯 Fi g 6 Mo u l d i n s e r t a f t e r fini s hi n g pr o c e s s 由于经过热处理的制件其表面粗糙度较高 ，并不 能直接应用 ，所以需要经过精加工处理 ，精加工主要 采用传统的机械加工、C N C数 控切削加工、电火花 加工等处理，才能达到实际应用的标准。金属粉末快 速成型技术其特点在于成型出传统加工工艺所无法完 成的随形水路和快速成型出毛坯件 ，但其精度 目前还 无法完全达到实际应用的要求，需要传统加工技术进行 辅助处理。然而毛坯件的陕速制造也大大缩减了加工时 间，提高了加工效率。经精加工后的模芯如图6 所示。 3 结论 1 )经测试 制成的模 芯致密度接近理论致密度 ， 其机械性能和物理性能完全可以满足一般的注塑模具 要求。 2 )整体式无痕注塑模模芯密封 良好 ，不存在介 质泄露问题 ，且随形水路可尽量贴近型腔表面，热冷 介质可充分迅速地与型腔表面进行热交换 。 3 ) 目前 S R W 快速成型技术仍然存在不足之处 ， 比如工作效率和成型精度有待提高 ，今后可以利用多 电极 ，甚至 集束 电极来 提 高 工作 效 率；利 用 S L S S R W 混成式工艺来提高成型精度等等。 参考文献 1 伍晓宇，费跃农 ，梁雄，等一种选择性阻焊熔化粉末 快速成型方法 ：中国，2 0 0 7 1 0 1 2 4 2 6 4 8 P 2 0 0 80 7 1 一 3 0 2 陈光霞，卢尧军，曾晓雁金属零件激光快速成型软件 系统的开发 J 机床与液压 ，2 0 0 7 ，3 5 ( 6 ) ：一 5 1 5 3 3 胡孝昀，沈以赴，李子全 ，等金属粉末激光快速成型 的工艺及材料成型性 J 材料科学与工艺，2 0 0 8 ，1 6 ( 3 ) ：3 7 8 3 8 3 4 张华诚粉末冶金实用工艺学 M 北京：冶金工业出 版社 ，2 0 0 4：1 8 81 9 2 5 郭庚辰液相烧结粉末冶金材料 M 北京：化学工业 出版社 ，2 0 0 3 ：2 3 ，1 4 21 4 5 ( 本文 于 2 0 0 91 0 2 7收到 ) ( 上接第 5 1 页 ) 7 奥齐西克 ( 美) 热传导 M 俞昌铭主译北京：高 等教育出版社 ，1 9 8 4 ：4 2 6 4 6 2 8 J O