[发明专利]精密喷射成形装置及用该装置实现模具快速制造的方法

说明书

技术领域

本发明涉及模具快速制造技术，特别是一种精密喷射成形装置及用该装置实现模具快速制造的方法，属于精密喷射成形装置及用该装置实现模具快速制造的方法的创新技术。

背景技术

模具的传统制造方法为：熔炼模具钢---铸造成形获得铸锭---塑性加工（轧制等）获得模具钢材---锻造模具毛坯----热处理---机械加工（粗）---热处理---机械加工（精），其中某些工序可能还要重复多次。其主要的缺点为：1）生产流程长；2）成本高、能耗大；3）切削加工量大，材料浪费严重；4）模具钢一次成形时采用铸造，成份中若增硬耐磨元素（如C、V等）含量太高，容易产生偏析，晶粒粗大，钢材变脆，‘硬’、‘韧’不可兼得。

喷射成形是上世纪末期冶金技术的重大创新，该工艺将金属熔化后，无须铸造成锭，直接经高压气体雾化喷射，快速冷却、凝固沉积成形。该工艺是一种典型的短流程材料制备工艺，所制备的材料具有组织细密、性能好等一系列优点。经过几十年的发展，喷射成形技术在材料制备领域日趋成熟并实现产业化，已成功用于铝合金、镁合金、高合金钢、复合材料等锭坯、板坯、管坯的制备，并在轧辊制备等工具方面的研究和应用也得到了初步发展。

精密喷射成形快速制模是综合利用喷射成形工艺在材料制备方面优势的基础上，采用铸型作为雾化液滴的沉积基底，通过合理的喷射成形工艺控制和材料成份调整，直接喷射成形获得致密化的模具，实现模具的精密、快速制造。为了实现精密喷射成形快速制模，首先必须克服传统喷射成形工艺所得材料为非致密体的特征，其沉积体必须为致密体；其次，为了减少后续机械精加工量甚至不进行机械加工，沉积体表面尤其是模具成形面部分必须具有足够低的的表面粗糙度和足够的尺寸精度；再者，所制得的模具使用性能和寿命须不低于原模具寿命，并进一步降低其成本。由于喷射过程为快速凝固，不会产生偏析和组织粗大等缺陷，可以增加模具钢中增硬（如C、V等）元素，提高硬度而不降低韧性；同时，喷射成形制作的模具钢制件具有足够的硬度和韧性，无须热处理可以直接使用。此外，采用该法，可以用废旧模具作为原材料进行熔炼，实现模具的再制造，原材料易于回收利用。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种结构简单，使用方便的精密喷射成形装置。

本发明的另一目的在于提供一种用精密喷射成形装置实现模具快速制造的方法。用本发明制作的模具表面质量好，性能好，尺寸精度高，生产成本低，周期短，生产效率高。

本发明的技术方案是：本发明的精密喷射成形装置，包括有金属熔炼系统、雾化系统、成形接收系统、运动控制系统，其中金属熔炼系统包括有用于置放金属溶液的坩埚及环绕在坩埚外侧的感应线圈，坩埚的底部设有与雾化室相通的金属溶液出口，雾化系统包括有雾化喷嘴、导液管、雾化室和排气口，其中导液管装设在雾化喷嘴内，且导液管的一端与坩埚底部设有的金属溶液出口相通，导液管的另一端与雾化室相通，雾化喷嘴上设有通入雾化气体的进口，雾化室上设有将雾化过程中的废气和粉尘排出的排气口, 成形接收系统包括有沉积基底及安装于沉积基底上的、使雾化喷嘴雾化的金属固、液二相流沉积在其上的铸型，运动控制系统包括有驱动坩埚以速度v₂进行水平运动的驱动机构、驱动沉积基底以角速度ω进行旋转运动的驱动机构及驱动沉积基底以速度v₁进行升降运动的驱动机构。

上述坩埚外侧的感应线圈采用高频感应电源。

上述坩埚中设有测量金属溶液温度的铂铑-铂热电偶。

上述坩埚与导液管相通的底部金属溶液出口设有控制金属溶液流出的陶瓷塞棒，陶瓷塞棒的外径与导液管的内径相匹配，陶瓷塞棒的一端装设在坩埚上，另一端能插入导液管内。

上述铸型采用陶瓷铸型或金属铸型。

上述沉积基底采用中心循环水冷冷却结构。

上述各驱动机构采用步进电机实现独立驱动，PLC控制，运动速度无级可调，喷射成形过程中，根据成形模具形状、喷射工艺要求进行各运动之间的匹配与拟合。

上述雾化喷嘴上通入的雾化气体通过气压控制阀控制压力后输送到雾化喷嘴；上述雾化喷嘴为根据流体动力学理论和精密喷射成形工艺的特征设计的限制式单环缝垂直式喷嘴，并配置防止液流反喷的辅助气环和辅助气孔。