專利名稱：精密噴射成形裝置及用該裝置實現(xiàn)模具快速制造的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及模具快速制造技術，特別是一種精密噴射成形裝置及用該裝置實現(xiàn)模具快速制造的方法，屬于精密噴射成形裝置及用該裝置實現(xiàn)模具快速制造的方法的創(chuàng)新技術。
背景技術：
模具的傳統(tǒng)制造方法為熔煉模具鋼一鑄造成形獲得鑄錠一塑性加工(軋制等)獲得模具鋼材一鍛造模具毛坯熱處理一機械加工(粗)一熱處理一機械加工(精)，其中某些工序可能還要重復多次。其主要的缺點為1)生產(chǎn)流程長；2)成本高、能耗大；3)切削加工量大，材料浪費嚴重；4)模具鋼一次成形時采用鑄造，成份中若增硬耐磨元素(如C、V等)含量太高，容易產(chǎn)生偏析，晶粒粗大，鋼材變脆，‘硬’、‘韌’不可兼得。噴射成形是上世紀末期冶金技術的重大創(chuàng)新，該工藝將金屬熔化后，無須鑄造成錠，直接經(jīng)高壓氣體霧化噴射，快速冷卻、凝固沉積成形。該工藝是一種典型的短流程材料制備工藝，所制備的材料具有組織細密、性能好等一系列優(yōu)點。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，噴射成形技術在材料制備領域日趨成熟并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，已成功用于鋁合金、鎂合金、高合金鋼、復合材料等錠坯、板坯、管坯的制備，并在軋輥制備等工具方面的研究和應用也得到了初步發(fā)展。精密噴射成形快速制模是綜合利用噴射成形工藝在材料制備方面優(yōu)勢的基礎上， 采用鑄型作為霧化液滴的沉積基底，通過合理的噴射成形工藝控制和材料成份調整，直接噴射成形獲得致密化的模具，實現(xiàn)模具的精密、快速制造。為了實現(xiàn)精密噴射成形快速制模，首先必須克服傳統(tǒng)噴射成形工藝所得材料為非致密體的特征，其沉積體必須為致密體； 其次，為了減少后續(xù)機械精加工量甚至不進行機械加工，沉積體表面尤其是模具成形面部分必須具有足夠低的的表面粗糙度和足夠的尺寸精度；再者，所制得的模具使用性能和壽命須不低于原模具壽命，并進一步降低其成本。由于噴射過程為快速凝固，不會產(chǎn)生偏析和組織粗大等缺陷，可以增加模具鋼中增硬(如C、V等)元素，提高硬度而不降低韌性；同時， 噴射成形制作的模具鋼制件具有足夠的硬度和韌性，無須熱處理可以直接使用。此外，采用該法，可以用廢舊模具作為原材料進行熔煉，實現(xiàn)模具的再制造，原材料易于回收利用。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于考慮上述問題而提供一種結構簡單，使用方便的精密噴射成形
直ο本發(fā)明的另一目的在于提供一種用精密噴射成形裝置實現(xiàn)模具快速制造的方法。 用本發(fā)明制作的模具表面質量好，性能好，尺寸精度高，生產(chǎn)成本低，周期短，生產(chǎn)效率高。本發(fā)明的技術方案是本發(fā)明的精密噴射成形裝置，包括有金屬熔煉系統(tǒng)、霧化系統(tǒng)、成形接收系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)，其中金屬熔煉系統(tǒng)包括有用于置放金屬溶液的坩堝及環(huán)繞在坩堝外側的感應線圈，坩堝的底部設有與霧化室相通的金屬溶液出口，霧化系統(tǒng)包括有霧化噴嘴、導液管、霧化室和排氣口，其中導液管裝設在霧化噴嘴內，且導液管的一端與坩堝底部設有的金屬溶液出口相通，導液管的另一端與霧化室相通，霧化噴嘴上設有通入霧化氣體的進口，霧化室上設有將霧化過程中的廢氣和粉塵排出的排氣口，成形接收系統(tǒng)包括有沉積基底及安裝于沉積基底上的、使霧化噴嘴霧化的金屬固、液二相流沉積在其上的鑄型，運動控制系統(tǒng)包括有驅動坩堝以速度K2進行水平運動的驅動機構、驅動沉積基底以角速度ω進行旋轉運動的驅動機構及驅動沉積基底以速度K1進行升降運動的驅動機構。上述坩堝外側的感應線圈采用高頻感應電源。上述坩堝中設有測量金屬溶液溫度的鉬銠-鉬熱電偶。上述坩堝與導液管相通的底部金屬溶液出口設有控制金屬溶液流出的陶瓷塞棒， 陶瓷塞棒的外徑與導液管的內徑相匹配，陶瓷塞棒的一端裝設在坩堝上，另一端能插入導液管內。 上述鑄型采用陶瓷鑄型或金屬鑄型。上述沉積基底采用中心循環(huán)水冷冷卻結構。上述各驅動機構采用步進電機實現(xiàn)獨立驅動，PLC控制，運動速度無級可調，噴射成形過程中，根據(jù)成形模具形狀、噴射工藝要求進行各運動之間的匹配與擬合。上述霧化噴嘴上通入的霧化氣體通過氣壓控制閥控制壓力后輸送到霧化噴嘴；上述霧化噴嘴為根據(jù)流體動力學理論和精密噴射成形工藝的特征設計的限制式單環(huán)縫垂直式噴嘴，并配置防止液流反噴的輔助氣環(huán)和輔助氣孔。上述金屬溶液的過熱度為80 200°C，導液管的內徑為3 6mm，金屬溶液的流量為0. 8 ^g/min，霧化氣體的壓力為0. 4 1. 8MPa，噴射沉積的高度為80 180mm，沉積基底的下降速度&為60 300mm/min，沉積基底的旋轉速度ω為20 90r/min，坩堝的移動速度K2為10 100mm/min ；鑄型的預熱溫度為500 800°C。本發(fā)明用上述精密噴射成形裝置實現(xiàn)模具快速制造的方法，包括如下步驟
1)金屬在惰性氣體保護下，在熔煉坩堝中熔融后經(jīng)過導液管直接由霧化噴嘴在霧化室中霧化；
2)控制坩堝以速度K2進行水平運動、控制沉積基底以角速度ω進行旋轉運動及控制沉積基底以速度K1進行升降運動，霧化后的金屬固、液二相流沉積在采用鑄型作為沉積基底的接收器上冷卻、凝固，獲得所需的成形模具。本發(fā)明由于將噴射成形與模具快速制造技術結合起來實現(xiàn)精密噴射成形快速制模，其基本原理是通過噴射成形裝置將熔融、霧化的金屬液體，直接噴射、沉積在鑄型上，逐層沉積獲得所需要的模具型腔形狀、尺寸和表面質量。采用該裝置及其快速制模方法可實現(xiàn)熱鍛模具的精密噴射成形快速制造，所得模具具有工作性能好，表面質量好，尺寸精度高，生產(chǎn)成本低，周期短，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。本發(fā)明是一種設計巧妙，性能優(yōu)良，方便實用的精密噴射成形裝置用該裝置實現(xiàn)熱鍛模具快速制造的方法。


圖1為本發(fā)明精密噴射成形裝置的結構示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明的20kg級熱鍛模具精密噴射成形裝置的結構示意圖如圖1所示。該裝置包括如下部分
金屬熔煉系統(tǒng)采用高頻感應電源，金屬在由感應線圈3環(huán)繞的陶瓷坩堝4中熔煉，熔煉過程中采用通入保護氣體和添加熔渣防止金屬溶液5氧化，提高溶液5質量；金屬溶液5 的溫度采用鉬銠-鉬熱電偶1進行測量；金屬溶液5出口開關控制由位于陶瓷坩堝4中與底部的導液管7內徑相匹配的陶瓷塞棒2來實現(xiàn)。霧化系統(tǒng)由霧化噴嘴6、霧化室11和排氣口 12組成。霧化氣體通過氣壓控制閥精確控制壓力后輸送到霧化噴嘴6，從導液管7中流出的金屬溶液在霧化室11中發(fā)生霧化， 霧化過程中的廢氣和粉塵有排氣口 12排出。霧化噴嘴6根據(jù)流體動力學理論和精密噴射成形工藝的特征，采用自行設計的限制式單環(huán)縫垂直式噴嘴，并配置輔助氣環(huán)和輔助氣孔， 以防止液流反噴。運動控制系統(tǒng)采用移動坩堝式噴射成形結構，坩堝4具有水平運動^，沉積基底 9具有旋轉運動ω與升降運動^，各運動采用步進電機實現(xiàn)獨立驅動，PLC控制，運動速度無級可調；噴射成形過程中，可根據(jù)成形模具形狀、噴射工藝等要求，進行各運動之間的匹配與擬合。成形接收系統(tǒng)經(jīng)噴嘴6霧化的金屬固、液二相流，沉積在安裝于沉積基底9上采用陶瓷或金屬作為鑄型8上，通過鑄型8結構設計、表面控制以及精密噴射成形工藝控制， 直接獲得與所需模具工作表面形狀、尺寸相一致的精密噴射成形模具；同時，為了控制、提高所得模具質量，沉積基底9采用中心循環(huán)水冷冷卻結構。本發(fā)明中的鑄型8可以采用金屬或陶瓷鑄型8。采用金屬鑄型8時，直接用銅、鋼等金屬材料切削加工而成。采用陶瓷鑄型時，首先，制作金屬(鋁、鋼或其它金屬)母模，以批量成形陶瓷鑄型；其次，以氧化鋁陶瓷粉末加粘結劑配制陶瓷漿料，在金屬母模中成形；然后，經(jīng)過固化、烘干強化、修整后，制得陶瓷鑄型8 ；
模具制備時，將所制得的陶瓷鑄型8安裝于沉積基底9上，并輔助以水冷系統(tǒng)，進行模具精密噴射成形，通過噴射成形工藝控制、合金成份設計以及鑄型8表面處理等，獲得性能優(yōu)良、表面質量良好、尺寸合格的快速成形模具。其中，鑄型8采用電磁感應預熱，當鑄型為陶瓷時，在陶瓷鑄型外側和底部加裝石墨墊板。本發(fā)明裝置無需噴射中間包，金屬在惰性氣體保護下，在熔煉坩堝4中熔融后經(jīng)過導液管7直接由霧化噴嘴6在霧化室11中霧化，霧化后的金屬固、液二相流沉積在采用鑄型8作為沉積基底9的接收器上冷卻、凝固，獲得所需的成形模具。本發(fā)明的制造工藝， 在充分利用噴射成形快速凝固制備新材料、新技術優(yōu)勢的同時，實現(xiàn)模具的快速制造與近凈成形結合。在沉積過程中，為了保證沉積體質量和形狀控制要求，滿足大尺寸模具制備的需要并提高金屬收得率，沉積基底9由數(shù)控系統(tǒng)控制進行旋轉運動ω和升降運動^，同時霧化部分也可進行水平運動η。本發(fā)明精密噴射成形裝置的精密噴射成形快速制模工藝的工藝參數(shù)包括
金屬溶液5過熱度為80 200°C，導液管7的內徑為3 6mm，金屬溶液流量為0. 8 ^g/min，霧化氣體壓力為0. 4 1. 8MPa，噴射沉積高度為80 180mm，沉積基底下降速度 h為60 300mm/min，沉積基底旋轉速度ω為20 90r/min，坩堝移動速度K2為10 10(toim/min ；鑄型8預熱溫度為500 800°C。本發(fā)明的裝置一次熔煉鋼水最多可達20kg，可實現(xiàn)坩堝水平運動&，沉積基底升降運動K1和旋轉運動《，且速度均可無級可調，各運動之間可進行擬合；所制備的模具最大輪廓尺寸對于圓柱形工件，直徑可達0200mm，高度可達^Omm ；對于矩形工件，寬度方向可達300mm，長度方向可達600mm，高度方向可達200mm。所得模具成形面輪廓清晰完整、表面質量良好、尺寸精度高，型腔表面基本不用切削加工，致密度達到99. 3%以上，模具力學性能和使用性能不低于同材料傳統(tǒng)工藝加工的模具。本發(fā)明的精密噴射成形裝置和快速制模方法的具體實施方式
如下 實施例1
本實施例中，鑄型8采用陶瓷型，廢舊模具再制造。以HMl模具鋼發(fā)動機氣門熱終鍛模為例。1)制作陶瓷鑄型。首先，根據(jù)氣門鍛件成形要求，綜合考慮陶瓷成形特性，設計并加工鋁基分離式陶瓷鑄型；其次，用氧化鋁陶瓷粉末加粘結劑配制陶瓷漿料，在復印模具中成型陶瓷鑄型8 ；然后，進行固化、烘干強化。2)精密噴射成形。將報廢的HMl鋼模具經(jīng)清理氧化皮、雜質、油污后置于熔煉坩堝 4內，采用高頻感應電源，在氣體保護氣氛下進行熔煉，熔煉過程中采用數(shù)顯溫控儀由熱電偶1進行測溫、控溫，并輔助以紅外測溫儀進行溫度測定與校驗，以精確控制溶液溫度；在熔煉終了階段，進行鋼水脫氧、除渣等，以提高鋼水質量。其次，按照設定工藝參數(shù)，升起陶瓷塞棒2，鋼水由導液管7流出，經(jīng)噴嘴6霧化，在霧化室11中安裝于沉積基底9的陶瓷鑄型8上沉積、凝固成形。霧化過程中，氣體及粉塵由霧化室抽氣孔12排出。對于采用陶瓷鑄型的HMl鋼氣門熱終鍛模具，精密噴射成形快速制模工藝參數(shù)如下金屬溶液5過熱度為 80 150°C，導液管7的內徑為3 6mm，金屬溶液流量為0. 8 ^g/min，霧化氣體壓力為 0. 4 1. 8MPa，噴射沉積高度為80 180mm，沉積基底下降速度K1為60 300mm/min，沉積基底旋轉速度《為20 90r/min，坩堝移動速度K2為10 lOOmm/min ；鑄型8預熱溫度為600 7000C ο本實施例中，霧化氣體采用高壓氮氣作為霧化氣體，純度大于99.6%，氮氣在鋼瓶中的氣體壓力大于10.0 MPa，鋼瓶中的氮氣經(jīng)過減壓、限壓閥后輸送至噴嘴6的氣體壓力為 0. 4 1. 8MPa。3)清理。冷卻后，清理沉積體內陶瓷鑄型，獲得精密噴射成形模具。實施例2
本實施例中，鑄型8采用金屬鑄型，廢舊模具再制造。1)制作金屬鑄型。首先根據(jù)氣門鍛件成形要求，考慮材料的收縮，直接采用氣門鋼 21-4N切削加工制造鑄型。鑄型表面粗糙度達到0. 1 μ m。2)精密噴射成形。與實施例1基本相同，不同之處主要在于金屬溶液5過熱度略高，為100 200°C，鑄型8預熱溫度也稍高，為700 800°C。3)清理。冷卻后，在壓力機上將模具中的金屬鑄型壓出，獲得精密噴射成形模具。
權利要求
1.一種精密噴射成形裝置，其特征在于包括有金屬熔煉系統(tǒng)、霧化系統(tǒng)、成形接收系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)，其中金屬熔煉系統(tǒng)包括有用于置放金屬溶液(5)的坩堝(4)及環(huán)繞在坩堝(4)外側的感應線圈(3)，坩堝(4)的底部設有與霧化室(11)相通的金屬溶液出口，霧化系統(tǒng)包括有霧化噴嘴(6)、導液管(7)、霧化室(11)和排氣口(12)，其中導液管(7)裝設在霧化噴嘴(6)內，且導液管(7)的一端與坩堝(4)底部設有的金屬溶液出口相通，導液管(7)的另一端與霧化室(11)相通，霧化噴嘴(6)上設有通入霧化氣體的進口，霧化室(11)上設有將霧化過程中的廢氣和粉塵排出的排氣口(12)，成形接收系統(tǒng)包括有沉積基底(9)及安裝于沉積基底(9)上的、使霧化噴嘴(6)霧化的金屬固、液二相流沉積在其上的鑄型(8)，運動控制系統(tǒng)包括有驅動坩堝(4)以速度K2進行水平運動的驅動機構、驅動沉積基底(9)以角速度ω進行旋轉運動的驅動機構及驅動沉積基底(9)以速度K1進行升降運動的驅動機構。
2.根據(jù)權利要求1所述的精密噴射成形裝置，其特征在于上述坩堝(4)外側的感應線圈(3)采用高頻或中頻感應電源。
3.根據(jù)權利要求1所述的精密噴射成形裝置，其特征在于上述坩堝(4)中設有測量金屬溶液溫度(5 )的溫度的鉬銠-鉬熱電偶(1)。
4.根據(jù)權利要求1所述的精密噴射成形裝置，其特征在于上述坩堝(4)與導液管(7) 相通的底部金屬溶液出口設有控制金屬溶液流出的陶瓷塞棒(2)，陶瓷塞棒(2)的外徑與導液管(7)的內徑相匹配，陶瓷塞棒(2)的一端裝設在坩堝(4)上，另一端能插入導液管(7) 內。
5.根據(jù)權利要求1所述的精密噴射成形裝置，其特征在于上述鑄型(8)采用陶瓷鑄型或金屬鑄型。
6.根據(jù)權利要求1所述的精密噴射成形裝置，其特征在于上述沉積基底(9)采用中心循環(huán)水冷冷卻結構。
7.根據(jù)權利要求1至6任一項所述的精密噴射成形裝置，其特征在于上述各驅動機構采用步進電機實現(xiàn)獨立驅動，PLC控制，運動速度無級可調，噴射成形過程中，根據(jù)成形模具形狀、噴射工藝要求進行各運動之間的匹配與擬合。
8.根據(jù)權利要求7所述的精密噴射成形裝置，其特征在于上述霧化噴嘴(6)上通入的霧化氣體通過氣壓控制閥控制壓力后輸送到霧化噴嘴(6);上述霧化噴嘴(6)為根據(jù)流體動力學理論和精密噴射成形工藝的特征設計的限制式單環(huán)縫垂直式噴嘴，并配置防止液流反噴的輔助氣環(huán)和輔助氣孔。
9.根據(jù)權利要求8所述的精密噴射成形裝置，其特征在于上述金屬溶液(5)的過熱度為80 200°C，導液管(7)的內徑為3 6mm，金屬溶液(5)的流量為0. 8 ^g/min，霧化氣體的壓力為0. 4 1. 8MPa,噴射沉積的高度為80 180mm，沉積基底的下降速度K1為60 300mm/min，沉積基底的旋轉速度ω為20 90r/min，坩堝的移動速度K2為10 IOOmm/ min ；鑄型(8)的預熱溫度為500 800°C。
10.一種用權利要求1所述的精密噴射成形裝置實現(xiàn)模具快速制造的方法，其特征在于包括如下步驟1)金屬在惰性氣體保護下，在熔煉坩堝(4)中熔融后經(jīng)過導液管(7)直接由霧化噴嘴 (6)在霧化室(11)中霧化；2)控制坩堝(4)以速度K2進行水平運動、控制沉積基底(9)以角速度ω進行旋轉運動及控制沉積基底(9 )以速度K1進行升降運動，霧化后的金屬固、液二相流沉積在采用鑄型 (8)作為沉積基底的接收器(9)上冷卻、凝固，獲得所需的成形模具。
全文摘要
本發(fā)明是一種精密噴射成形裝置及用該裝置實現(xiàn)模具快速制造的方法。本發(fā)明將噴射成形與模具快速制造技術結合實現(xiàn)精密噴射成形快速制模。其基本原理是通過噴射成形裝置將熔融、霧化的金屬液體，直接噴射、沉積在鑄型上，逐層沉積獲得所需要的模具型腔形狀、尺寸和表面質量。本發(fā)明是一種結構簡單，使用方便，性能優(yōu)良，方便實用的精密噴射成形裝置，用該裝置快速制造模具的方法可使制作的模具具有良好的內部組織和優(yōu)良的工作性能，且表面質量好，尺寸精度高，生產(chǎn)成本低，周期短，生產(chǎn)效率高。
文檔編號B22F3/115GK102294478SQ20111023713
公開日2011年12月28日 申請日期2011年8月18日 優(yōu)先權日2011年8月18日
發(fā)明者孫友松, 張鵬, 程永奇, 章爭榮, 肖思農, 莫東強, 黎沃光 申請人:廣東工業(yè)大學