專利名稱：一種激光間接成型制造金屬模具的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種快速制作金屬模具的方法，特別涉及一種激光間接成 型制造金屬模具的方法。
技術(shù)背景模具技術(shù)是當(dāng)今制造業(yè)中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一，模具制造的傳統(tǒng)方 法是對(duì)金屬毛坯進(jìn)行車、銑、刨、鉆、磨、電蝕等加工，從而得到所需 的模具形狀和尺寸。受到道具尺寸、形狀和接觸加工方式的局限，此類傳 統(tǒng)方法制造出的模具結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。二十世紀(jì)末期，選擇性激光成型技術(shù)的出現(xiàn)為復(fù)雜模具的制造提供了 一條高技術(shù)途徑。選擇性激光成型技術(shù)選用固體粉末作為成型材料，在計(jì) 算機(jī)上生成實(shí)體的CAD模型，再經(jīng)過(guò)切片處理生成STL文件，利用計(jì)算機(jī)控 制激光逐層成型，經(jīng)層層疊加后，最終形成了所需的原型或零件。該技術(shù) 具有成型材料廣，制造過(guò)程不受零件復(fù)雜程度的影響，制造效率高的特點(diǎn)， 特別適合用來(lái)制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件和模具。目前，采用選擇性激光成型方法制造模具主要有兩種方法。參看附圖l， 第一種方法是用高功率激光直接成型模具，即采用激光直接作用金屬粉末 顆粒，使其完全熔化成型，成型出的模具鑲塊致密度接近100%，經(jīng)過(guò)表面 光潔處理后可進(jìn)行生產(chǎn)使用。參看附圖2，另一種則利用小功率激光間接成 型模具，所采用的金屬粉末顆粒經(jīng)過(guò)高分子包覆處理，并通過(guò)激光熔化高分子材料而進(jìn)行粘結(jié)成型，形坯經(jīng)過(guò)脫脂、高溫二次燒結(jié)和熔滲低熔點(diǎn)金 屬的方法迸行致密化處理，同樣經(jīng)過(guò)必要的表面光潔處理后，即可進(jìn)行生 產(chǎn)使用。激光直接成型模具鑲塊的方法，成型過(guò)程中由于瞬間劇烈的熱變化而 造成較大的熱應(yīng)力，成型易發(fā)生翹曲變形和開裂的現(xiàn)象，特別對(duì)于外形尺 寸較大的鑲塊，上述缺陷更容易發(fā)生。而激光間接成型的方法，粉末原料 制備和形坯致密化后處理工藝都很復(fù)雜，而且容易發(fā)生收縮變形，導(dǎo)致精 度缺陷，而且高分子材料的添加和脫出過(guò)程還會(huì)污染環(huán)境。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中，高功率激光直接成型模具易發(fā)生翹曲變 形和開裂的問(wèn)題，以及小功率激光間接成型模具容易發(fā)生收縮變形，導(dǎo)致 精度缺陷，而且高分子材料的添加和脫出過(guò)程還會(huì)污染環(huán)境的問(wèn)題，提出 了一種激光間接成型制造金屬模具的方法，采用的技術(shù)方案是方法步驟 中包括有模具成型基料選配、成型、滲熔和表面處理，該方法中歩驟具體 為按照模具設(shè)計(jì)選取金屬粉末的種類、按照體積比15-20: 1進(jìn)行混配形 成金屬粉末與陶瓷粉末的混合物；在配套模具中，根據(jù)金屬粉末的熔點(diǎn)， 設(shè)計(jì)金屬粉末表面熔融的深度，選擇激光的相關(guān)參數(shù)確定激光功率、掃描速度，使金屬粉末表面熔化而燒結(jié)成型；將成型后的形坯與對(duì)應(yīng)重量的熔滲金屬材料一起放入石墨盒中，放入預(yù)抽真空保護(hù)氣氛爐中，通入氬氣，反復(fù)預(yù)抽和通氣2次，確定氧分壓降低到100ppm以下開始升溫熔滲，進(jìn)行 熔滲致密化；將致密化結(jié)束后的形坯進(jìn)行表面光潔處理，完成模具鑲塊的 制造。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明在配套模具中，根據(jù)金屬粉末的熔點(diǎn)， 設(shè)計(jì)熔融的深度，選擇激光的相關(guān)參數(shù)確定激光功率、掃描速度，使金屬 粉末表面熔化而燒結(jié)成型，解決了高功率激光直接成型模具易發(fā)生翹曲變 形和開裂的問(wèn)題，以及小功率激光間接成型模具容易發(fā)生收縮變形，導(dǎo)致 精度缺陷，而且髙分子材料的添加和脫出過(guò)程還會(huì)污染環(huán)境的問(wèn)題。本發(fā) 明的方法簡(jiǎn)單，操作容易。


圖1為高功率激光直接成型的原理圖。 圖2為小功率激光間接成型的原理圖。 圖3為本發(fā)明的成型原理圖。圖中，A為金屬粉末顆粒，B為金屬粉末激光熔化道，C為高分子包覆 膜，D為高分子粘質(zhì)層，E為金屬粉末顆粒燒結(jié)勁。
具體實(shí)施方式
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中，高功率激光直接成型模具易發(fā)生翹曲變形和開 裂的問(wèn)題，以及小功率激光間接成型模具容易發(fā)生收縮變形，導(dǎo)致精度缺 陷，而且高分子材料的添加和脫出過(guò)程還會(huì)污染環(huán)境的問(wèn)題，本發(fā)明采用 的技術(shù)方案是 一種激光間接成型制造金屬模具的方法，方法步驟中包括有模具成型基料選配、成型、滲熔和表面處理，其特征在于該方法中步 驟具體為1) 按照模具設(shè)計(jì)選取金屬粉末的種類、按照體積比15-20: 1進(jìn)行混配 形成金屬粉末與陶瓷粉末的混合物，2) 在配套模具中，根據(jù)金屬粉末的熔點(diǎn)，設(shè)計(jì)金屬粉末表面熔融的深度，選擇激光的相關(guān)參數(shù)確定激光功率、掃描速度，使金屬粉末表面熔化 而燒結(jié)成型，3) 將成型后的形坯與對(duì)應(yīng)重量的熔滲金屬材料一起放入石墨盒中， 放入預(yù)抽真空保護(hù)氣氛爐中，通入氬氣，反復(fù)預(yù)抽和通氣2次，確定氧分 壓降低到100ppm以下開始升溫熔滲，進(jìn)行熔滲致密化，4) 將致密化結(jié)束后的形坯進(jìn)行表面光潔處理，完成模具鑲塊的制造。 本發(fā)明的技術(shù)方案中，步驟1)中按照模具設(shè)計(jì)選取的模具成型基料可以為單一的金屬粉末。本發(fā)明的技術(shù)方案中，步驟l)中所述的金屬粉末指的是鐵基金屬粉末， 例如碳鋼粉末、合金鋼粉末。本發(fā)明的技術(shù)方案中，步驟1)中所述的金屬粉末的平均粒度為30 50pm,陶瓷粉末的平均粒度為2 5nm。本發(fā)明的技術(shù)方案中，步驟2)中燒結(jié)過(guò)程中，形坯的孔隙率控制在 30 40%。本發(fā)明的技術(shù)方案中，步驟3)中熔滲金屬為銅、或銅合金、或鋁合金。 本發(fā)明的技術(shù)方案中，步驟3)中所述的熔滲溫度為高于熔滲金屬熔點(diǎn)IO(TC的溫度，保溫時(shí)間為20 40分鐘。下面結(jié)合附圖3和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。參看附圖3，選取配套的激光直接作用于金屬粉末顆粒A，金屬粉末顆粒A之間形成金屬粉末顆粒燒結(jié)頸E.本發(fā)明的第一實(shí)施樹中，按照模具設(shè)計(jì)選取的模具成型基料為316不銹鋼粉末，平均粒度為50nm，在激光成型設(shè)備中進(jìn)行成型。根據(jù)316不銹鋼粉末的熔點(diǎn)，選取的成型系統(tǒng)激光為連續(xù)式光纖激光，選取的光斑直徑
為40jxm，最大功率為100W。成型中激光功率設(shè)定為60 100W,掃描速 度為80 200mm/s，掃描間距為30 40pm，掃描層厚設(shè)定為50 100jun。 成型后的形坯孔隙率約為30 40%。
形坯成型完成后與對(duì)應(yīng)重量的663錫青銅一同放入石墨盒內(nèi)，并將石 墨盒放入預(yù)抽真空保護(hù)氣氛爐中。預(yù)抽真空后通入氬氣，反復(fù)預(yù)抽和通氣2 次，確定氧分壓降低到lOOppm以下。開始升溫熔滲，升溫到1000"，保 溫20 40分鐘，然后快速降溫至卯O"C，繼續(xù)緩慢冷卻到室溫，取出形坯。 進(jìn)行必要的表面光潔處理，完成模具鑲塊的制造。
本發(fā)明的第二實(shí)施例中，按照模具設(shè)計(jì)選取的模具成型基料為H13工 具鋼粉末，平均粒度3(Him，并配有TiC增強(qiáng)顆粒，顆粒平均粒度為3nm, 金屬與陶瓷顆?；旌象w積比為20: 1，將上述金屬與陶瓷顆粒在粉末混合設(shè) 備中均勻混合，在性激光成型設(shè)備中進(jìn)行成型。成型系統(tǒng)激光為連續(xù)式光 纖激光，選取的光斑直徑為40pm，最大功率為IOOW。成型中激光功率設(shè) 定為60 100W，掃描速度為80 200mm/s，掃描間距為30 40nm，掃描 層厚設(shè)定為50 100jim。成型后的形坯孔隙率約為30 40%。
形坯成型完成后與對(duì)應(yīng)重量的純銅一同放入石墨盒內(nèi)，并將石墨盒放 入預(yù)抽真空保護(hù)氣氛爐中。預(yù)抽真空后通入氬氣，反復(fù)預(yù)抽和通氣2次， 確定氧分壓降低到100ppm以下。開始升溫熔滲，升溫到1183'C,保溫20 40分鐘，然后快速降溫至1050t:，繼續(xù)緩慢冷卻到室溫，取出形坯。進(jìn)行 必要的表面光潔處理，完成模具鑲塊的制造。
本發(fā)明的第三實(shí)施例中，選用的材料為選用316L不 鋼粉末，平均粒度30nm，并配有WC增強(qiáng)顆粒，顆粒平均粒度為3nm，金屬與陶瓷顆?；?合體積比為20: 1。將上述金屬與陶瓷顆粒在粉末混合設(shè)備中均勻混合，在 性激光成型設(shè)備中進(jìn)行成型。根據(jù)316不銹鋼粉末的熔點(diǎn)，選取的成型系 統(tǒng)激光為連續(xù)式光纖激光，光斑直徑為4(Him，最大功率為IOOW。成型中 激光功率設(shè)定為60 100W，掃描速度為80 200mm/s，掃描間距為30 40jrni,掃描層厚設(shè)定為50 100pm。成型后的形坯孔隙率約為30 40%。
形坯成型完成后與對(duì)應(yīng)重量的YL12鋁合金一同放入石墨盒內(nèi)，并將石 墨盒放入預(yù)抽真空保護(hù)氣氛爐中。預(yù)抽真空后通入氬氣，反復(fù)預(yù)抽和通氣2 次，確定氧分壓降低到100ppm以下。開始升溫熔滲，升溫到75(TC,保溫 20 40分鐘，然后快速降溫至610'C，繼續(xù)緩慢冷卻到室溫，取出形坯。 進(jìn)行必要的表面光潔處理，完成模具鑲塊的制造。
通過(guò)上述實(shí)施例的敘述，本發(fā)明方法增強(qiáng)了模具鑲塊激光制造能力， 能夠髙效成型出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模具鑲塊，為產(chǎn)品的快速商業(yè)化，縮短了前期 設(shè)計(jì)制造周期。
權(quán)利要求
1、一種激光間接成型制造金屬模具的方法，方法步驟中包括有模具成型基料選配、成型、滲熔和表面處理，其特征在于該方法中步驟具體為1)按照模具設(shè)計(jì)選取金屬粉末的種類、按照體積比15-20∶1進(jìn)行混配形成金屬粉末與陶瓷粉末的混合物，2)在配套模具中，根據(jù)金屬粉末的熔點(diǎn)，設(shè)計(jì)金屬粉末表面熔融的深度，選擇激光的相關(guān)參數(shù)確定激光功率、掃描速度，使金屬粉末表面熔化而燒結(jié)成型，3)將成型后的形坯與對(duì)應(yīng)重量的熔滲金屬材料一起放入石墨盒中，放入預(yù)抽真空保護(hù)氣氛爐中，通入氬氣，反復(fù)預(yù)抽和通氣2次，確定氧分壓降低到100ppm以下開始升溫熔滲，進(jìn)行熔滲致密化，4)將致密化結(jié)束后的形坯進(jìn)行表面光潔處理，完成模具鑲塊的制造。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光間接成型制造金屬模具的方法，其特征在于步驟l)中按照模具設(shè)計(jì)選取的模具成型基料可以為單一的金屬粉末o
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種激光間接成型制造金屬模具的方法，其特征在于步驟l)中所述的金屬粉末指的是鐵基金屬粉末，例如碳鋼粉末、合金鋼粉末。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光間接成型制造金屬模具的方法，其特征在于步驟l)中所述的金屬粉末的平均粒度為30 50nm，陶瓷粉末的平均粒度為2 5nm。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光間接成型制造金屬模具的方法，其特征在于步驟2)中燒結(jié)過(guò)程中，形坯的孔隙率控制在30 40%。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光間接成型制造金屬模具的方法，其特征在于步驟3)中熔滲金屬為銅、或銅合金、或鋁合金。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光間接成型制造金輝模具的方法，其特征在于步驟3)中所述的熔滲溫度為高于熔滲金屬熔點(diǎn)IO(TC的溫度，保溫時(shí)間為20 40分鐘。
全文摘要
一種激光間接成型制造金屬模具的方法，解決了高功率激光直接成型模具易發(fā)生翹曲變形和開裂以及小功率激光間接成型模具容易發(fā)生收縮變形，導(dǎo)致精度缺陷的問(wèn)題。按照模具設(shè)計(jì)選取金屬粉末的種類、按照體積比15-20∶1進(jìn)行混配形成金屬粉末與陶瓷粉末的混合物；在配套模具中，根據(jù)金屬粉末的熔點(diǎn)，設(shè)計(jì)熔融的深度，選擇激光的相關(guān)參數(shù)確定激光功率、掃描速度，使金屬粉末表面熔化而燒結(jié)成型；將成型后的形坯與對(duì)應(yīng)重量的熔滲金屬材料一起放入石墨盒中，放入預(yù)抽真空保護(hù)氣氛爐中，通入氬氣，反復(fù)預(yù)抽和通氣2次，確定氧分壓降低到100ppm以下開始升溫熔滲，進(jìn)行熔滲致密化；將致密化結(jié)束后的形坯進(jìn)行表面光潔處理，完成模具鑲塊的制造。本發(fā)明能夠高效成型出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模具鑲塊，縮短了前期設(shè)計(jì)制造周期，方法簡(jiǎn)單，操作容易。
文檔編號(hào)B22F3/105GK101670433SQ200910109490
公開日2010年3月17日 申請(qǐng)日期2009年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月21日
發(fā)明者劉錦輝, 李瑞迪, 燦 趙, 陳繼兵 申請(qǐng)人:黑龍江科技學(xué)院