[发明专利]一种注塑模具随形冷却结构的3D精密成型方法

说明书

技术领域

本发明属于模具制造技术领域，具体涉及一种注塑模具随形冷却结构的3D精密成型方法。

背景技术

在传统注塑模具冷却水道设计中，由于制造手段的限制，只能采用简单冷却水道（如对金属毛坯进行车、铣、刨、钻、磨、电蚀等），而不能制造出如随形冷却流道等三维复杂冷却系统。

文献《注塑模具冷却系统的关键技术及研究进展》中指出，冷却系统对塑件成型的影响显著且主要表现在：a注塑成型过程中，冷却时间约占成型周期50%～80%，冷却系统的改善对生产效率的提高至关重要；b合理的冷却系统能够使模具各个部位的温度保持均匀，提高塑件表面质量；c合理的冷却系统能够保持恒定的模具温度，从而提高塑件的尺寸精度；d合理的冷却系统可以有效地改善模具内部的温度场，降低塑件内应力，从而增强塑件力学性能。

随形冷却流道是通过在离模具型腔表面一定距离处设置冷却管路，且冷却管路随着模具型腔结构的变化而变化。文献《TheDesignofConformalCoolingChannelsinInjectionMoldingTooling》中指出，与传统模具冷却方式相比，随形冷却方式一般能缩短其注塑周期20%左右，同时注塑零件的变形减少15%。

目前随形冷却流道的制造主要通过快速成型技术实现，如直接金属沉积、直接金属激光烧结、选择性激光烧结、选择性激光融化等。上述技术都是采用金属粉末进行快速成型，利用离散－堆积原理使成型进入零件内部，但是其均存在制造成本高、可加工材料种类受限、生产效率低、零件表面质量欠佳（达不到传统加工方法所实现的精度和表面粗糙度）和成型零件强度偏低（达不到传统加工方法所实现的强度）等缺点。

除了采用上述的金属粉末快速成型方法，采用分层实体扩散焊方法也可以实现注塑模具随形冷却流道的制造。分层实体扩散焊是一种快速成型技术，其核心思想是离散堆积，即以层板或薄片做造型，根据设计可在薄板上加工一定的结构，然后将多层薄板叠起装配、扩散焊接，从而完成实体制造。该方法的优点为：a突破了零件几何形状复杂程度的限制，可以制造任意复杂结构的零件；b特别适合于制造具有内部流道或腔体的零件；c可满足批量化工业生产的需要。

但是采用扩散焊方法直接连接模具钢时，会出现焊接变形量大和接头强度低两大问题，具体为：

当采用扩散焊方法对模具钢工件进行焊接时，需要对工件施加一定压力，使其待焊表面微观凸凹不平处产生塑性变形达到紧密接触。在允许范围内，焊接压力越大时，接头强度越高；焊接压力越小时，接头强度越低。故高强度接头的获得，需要采用大的焊接压力。

但是当焊接压力较大时，会导致焊接变形量大，尤其是在焊接复杂多层结构（如曲面结构、空心结构等）时，由于存在复杂结构承受焊接压力的不均匀性，会导致塌陷、串腔等，焊接变形量大，严重影响了表面精度；而当焊接压力较小时，连接界面明显，焊接接头强度较低。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种注塑模具随形冷却结构的3D精密成型方法，即在扩散焊界面添加中间层，但焊后接头中间层完全消失。其焊接机制有两种：其一是中间层金属不与母材发生反应，在焊接保温过程中，熔融态的中间层金属沿母材晶界向其内部扩散，直至中间层完全消失；其二是中间层金属可与母材发生反应，在焊接保温过程中，中间层金属向母材基体扩散、反应，直至中间层完全消失。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种注塑模具随形冷却结构的3D精密成型方法，包括以下步骤：

1）首先针对注塑模具型腔面轮廓，基于传热计算，建立高效热交换的随形冷却流道三维模型；

2）基于易于加工的基本原则，对随形冷却流道的三维模型进行层结构划分，采用机械加工、激光或化学刻蚀的方法加工出相应的各层结构，将各层结构按照对应的次序叠放、定位；

3）随后采用添加中间层的扩散焊方法，在一定的焊接工艺参数下对层结构进行焊接，选取Cu、Au、Mn、Sn或Zn其中某一纯金属作为中间层，实现随形冷却流道的3D精密成型；

所述的焊接工艺参数，焊接真空度不低于10^-2Pa,温度高于中间层金属熔点、或者Fe-中间层金属二元相图共晶点30～100℃，压力为0.1～1MPa，保温时间为0.5～1.5h；以下为以金属Cu、Au、Mn、Sn或Zn其中某一纯金属作为中间层的焊接工艺：