專利名稱：一種面向渦輪葉片的金屬模具快速制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于快速制模技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種面向渦輪葉片的金屬模具快速制造方法。
背景技術(shù)：
失蠟法是一種熔模鑄造的方法，將蠟?zāi)１砻姘材突鸩牧现瞥尚蜌?，融模失蠟后在高溫下焙燒后即可澆鑄得到精密鑄件。熔模鑄造得到的鑄件可以實(shí)現(xiàn)近凈成形，在航空航天、汽車等精度要求很高的零件上應(yīng)用廣泛。在失蠟法鑄造中，蠟型是精密鑄造的中間三維形狀傳遞件，其質(zhì)量直接決定了鑄件的精度。渦輪葉片是發(fā)動機(jī)工作環(huán)境最惡劣，結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的零件之一，其制造方法一直是工業(yè)界的重點(diǎn)和難點(diǎn)。傳統(tǒng)精密鑄造是采用壓蠟?zāi)＞吲恐圃煜炐?，但使用機(jī)加工方法制造金屬模具耗時耗力，尤其對于用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件，制造金屬模具需要大量的時間和成本。光固化快速成型技術(shù)具有制造精度高，可以制造復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。利用光固化快速成型技術(shù)作為中間態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，進(jìn)而快速制作金屬模具是縮短模具周期、降低制造成本的有效途徑。隨形冷卻管道是注塑模具設(shè)計要考慮的結(jié)構(gòu)，使用光固化快速成形技術(shù)可以制造樹脂材料的隨形冷卻通道，由于一般樹脂材料的導(dǎo)熱系數(shù)非常低(小于0.5ff/(m.V ))，樹脂模具蠟型冷卻速度慢，導(dǎo)致蠟?zāi)Ｖ圃熘芷陂L，蠟?zāi)：湍＞叩臒嶙冃未螅鋮s過程中蠟?zāi)５馁|(zhì)量缺陷多，直接影響精密鑄造鑄件質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題在 于提供一種面向渦輪葉片的金屬模具快速制造方法，通過光固化快速成形、電弧噴涂、樹脂腐蝕等技術(shù)的結(jié)合得到渦輪葉片金屬模具，節(jié)省模具制造成本，可以快速制造復(fù)雜金屬葉片模具。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):—種面向渦輪葉片的金屬模具快速制造方法，包括以下步驟:I)根據(jù)目標(biāo)制備物的結(jié)構(gòu)設(shè)計模具結(jié)構(gòu)，模具結(jié)構(gòu)分解為公模、母模，將模具結(jié)構(gòu)抽殼3 5mm并去除一個非配合面后，使用光固化快速成形方法制造模具樹脂件；在所制造的模具樹脂件的內(nèi)表面和內(nèi)側(cè)壁噴涂3 6mm厚的低熔點(diǎn)合金，再將樹脂腐蝕后獲得金屬模具型殼；2)根據(jù)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計其隨形冷卻管道，然后使用光固化快速成形方法制造隨形冷卻管道樹脂件；在所制備的冷卻管道樹脂件的外壁噴涂2 4mm厚的低熔點(diǎn)合金，再將樹脂腐蝕后獲得金屬形冷卻管道；3)將金屬模具型殼和金屬形冷卻管道組裝后獲得組裝型殼，在組裝型殼空腔內(nèi)填充融化的低熔點(diǎn)釬料和金屬粉的混合材料，填滿組裝型殼并將表面均勻涂平；然后在常溫條件下冷卻固化得到金屬模具，再將其表面打磨平整。
所述的公模、母模的內(nèi)形面由樹脂模具的形面反復(fù)制而來；將公模和母模分別制備金屬模后再進(jìn)行組裝，形成一個完整的金屬模具。所述的光固化快速成形方法包括:首先使用分層軟件將設(shè)計好的樹脂模具轉(zhuǎn)化為若干薄層平面圖形數(shù)據(jù)輸入到光固化快速成型機(jī)中；光固化快速成形時，使用激光器逐層掃描液體樹脂液面，逐層固化后的樹脂構(gòu)成所需要的樹脂模具；常溫下固化時間為6-24h，在30-35°C條件下固化時間為3-12h。所述的光固化快速成形方法中所采用的光固化樹脂，在液體時30°C下粘度約為240cps,密度1.1 1.2g/cm3，光固化后拉伸強(qiáng)度45.4 45.7MPa，彈性模量2460 2500MPa，邵氏硬度為D約為81。所述的噴涂是電弧噴涂，噴涂使用的合低溫金為ZnAl合金，噴涂過程中噴涂電壓為28 30V，電流為50 80A，氣壓0.4-0.5MPa,掃描速度8m/min，噴涂距離200_。所述的低熔點(diǎn)合金材料的熔點(diǎn)低于200°C。所述的樹脂腐蝕過程是將樹脂在化學(xué)腐蝕液中腐蝕I 4h，將光固化樹脂去除；所述的化學(xué)腐蝕液為用氫氧化鈉或氫氧化鉀的醇溶液。所述的低熔點(diǎn)釬料的熔點(diǎn)溫度要低于所噴涂的低熔點(diǎn)合金的熔點(diǎn)溫度，混合材料中金屬粉的質(zhì)量比例為30 60%。所述的混合材料是在180 220°C溫度下填充的，低熔點(diǎn)釬料的熔點(diǎn)低于200°C ；所述的金屬粉為銅粉、鋁粉或鐵粉；在混合漿料的填充時使用振動設(shè)備輔助灌漿。所述的模具尺寸精度和表面質(zhì)量高于目標(biāo)制備物蠟?zāi)５木荣|(zhì)量，同時在混合材料灌注的時候保持裝配模具外形尺寸不變形；所述的金屬模具被打磨后表面光滑，無氣泡或者凸起。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:本發(fā)明提供的金屬模具的快速制造方法，通過設(shè)計模具結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)體抽殼3_5mm并去除非配合面，使用光固化成型設(shè)備制備SL模具樹脂件，樹脂件內(nèi)表面電弧噴涂3-6mm低熔點(diǎn)合金，使用強(qiáng)堿腐蝕去除光固化樹脂得到金屬模具型殼，與同樣光固化后噴涂腐蝕得到的金屬隨形冷卻管道組裝，然后填充金屬粉和融化的低熔點(diǎn)釬料混合材料，固化后打磨得到金屬渦輪葉片模具。通過光固化快速成形、電弧噴涂、樹脂腐蝕等技術(shù)的結(jié)合得到的金屬模具，在5-8天內(nèi)制造金屬模具，其精度可達(dá)到CT4等級，且模具導(dǎo)熱性好、強(qiáng)度較高，保證蠟?zāi)３尚螘r能均勻快速冷卻。本發(fā)明提供的金屬模具的快速制造方法，使用電弧噴涂技術(shù)可以在光固化樹脂上噴涂低熔點(diǎn)合金，低熔點(diǎn)合金的強(qiáng)度和導(dǎo)熱性較好。腐蝕去除光固化樹脂，進(jìn)一步降低模具的熱阻。金屬粉的導(dǎo)熱性較好，由這些金屬粉末與低熔點(diǎn)釬料混合固化，得到的混合物熱傳導(dǎo)系數(shù)較高，可以實(shí)現(xiàn)蠟?zāi)?nèi)部熱量快速散失，縮短蠟?zāi)Ｖ苽渲芷?，提高蠟?zāi)Ｙ|(zhì)量。本發(fā)明提供的金屬模具的快速制造方法，與傳統(tǒng)的金屬模具相比，制備周期短，制造周期視模具復(fù)雜程度在3-7天左右；可以制備任意復(fù)雜的模具；與完全樹脂構(gòu)成的模具相比，模具結(jié)構(gòu)完全由金屬制成，導(dǎo)熱性能更好，節(jié)省材料和成本，完全去除樹脂成分，金屬隨形冷卻管道的結(jié)構(gòu) 也增加了模具的導(dǎo)熱性更能和模具強(qiáng)度，大幅度縮短蠟?zāi)Ｖ苽渲芷诤吞岣呦災(zāi)５馁|(zhì)量。使得蠟?zāi)Ｄ芨虝r間固化，大大縮短蠟?zāi)Ｖ圃熘芷?，并提高蠟?zāi)Ｙ|(zhì)量。金屬隨形冷卻通道既增加了模具內(nèi)部強(qiáng)制的換熱，又增加了模具的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
本發(fā)明提供的金屬模具的快速制造方法，所制作的金屬模具可作為壓蠟?zāi)＞?、注塑模具、沖壓模具等，獲得的零件精度可達(dá)到CT4-CT5。


圖1是一種渦輪葉片的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是又公模和母模構(gòu)成模具的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3-1是公模模殼的示意圖；圖3-2是金屬冷卻水道的示意圖；圖3-3是型殼與水道組裝體的示意圖；圖3-4是固化成形模具的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體的實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。本發(fā)明中金屬模具包括公模、母模構(gòu)成，公模、母模的內(nèi)形面由光固化制造復(fù)雜形面反復(fù)制而來，使用光固化制造復(fù)雜模具，模具表面和側(cè)壁噴涂3-6_厚的低熔點(diǎn)合金，使用強(qiáng)堿腐蝕去除外層光固化樹脂可以得到金屬模具型殼。使用光固化制造隨形管道，進(jìn)過噴涂和腐蝕后獲得金屬隨形管道。把金屬模具型殼和金屬隨形冷卻管道按設(shè)計組裝后，將金屬粉與融化的低熔點(diǎn)釬料按一定比例混合后填充入組裝的模具中，冷卻固化后即可得到金屬模具。一種面向渦輪葉片 的金屬模具快速制造方法，包括以下步驟:I)根據(jù)目標(biāo)制備物的結(jié)構(gòu)設(shè)計模具結(jié)構(gòu)，模具結(jié)構(gòu)分解為公模、母模，將模具結(jié)構(gòu)抽殼3 5mm并去除一個非配合面后，使用光固化快速成形方法制造模具樹脂件；在所制造的模具樹脂件的內(nèi)表面和內(nèi)側(cè)壁噴涂3 6mm厚的低熔點(diǎn)合金，再將樹脂腐蝕后獲得金屬模具型殼；2)根據(jù)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計其隨形冷卻管道，然后使用光固化快速成形方法制造隨形冷卻管道樹脂件；在所制備的冷卻管道樹脂件的外壁噴涂2 4mm厚的低熔點(diǎn)合金，再將樹脂腐蝕后獲得金屬形冷卻管道；3)將金屬模具型殼和金屬形冷卻管道組裝后獲得組裝型殼，在組裝型殼空腔內(nèi)填充融化的低熔點(diǎn)釬料和金屬粉的混合材料，填滿組裝型殼并將表面均勻涂平；然后在常溫條件下冷卻固化得到金屬模具，再將其表面打磨平整。所述的公模、母模的內(nèi)形面由樹脂模具的形面反復(fù)制而來；將公模和母模分別制備金屬模后再進(jìn)行組裝，形成一個完整的金屬模具。具體的，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)設(shè)計模具結(jié)構(gòu)，模具結(jié)構(gòu)尺寸精度和表面質(zhì)量高于目標(biāo)蠟?zāi)５木荣|(zhì)量，同時在漿料灌注的時候保持外形尺寸不變形。將設(shè)計的模具三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行體抽殼3-5_，并去除一個非配合面。采用光固化快速成形技術(shù)制作此模具樹脂件，在公模和母模內(nèi)表面及其側(cè)壁通過電弧噴涂技術(shù)噴涂3-6mm厚的低熔點(diǎn)合金，使用強(qiáng)堿腐蝕法去除模具外層的光固化樹脂，獲得金屬模具型殼。
使用光固化快速成形技術(shù)制造模具的隨形冷卻管道，在隨形管道的外壁噴涂
2-4_厚的低熔點(diǎn)合金，使用強(qiáng)堿腐蝕法去除內(nèi)部樹脂，獲得金屬隨形冷卻管道，把金屬隨形冷卻管道與金屬模具型殼按設(shè)計結(jié)構(gòu)裝配。具體的，所述的光固化快速成形方法包括:首先使用分層軟件(分層厚度為
0.1mm,)將設(shè)計好的樹脂模具轉(zhuǎn)化為若干薄層平面圖形數(shù)據(jù)輸入到光固化快速成型機(jī)中(比如“陜西恒通智能機(jī)器有限公司”生產(chǎn)SPS450B型光固化快速成型機(jī))；光固化快速成形時，使用激光器逐層掃描液體樹脂液面，逐層固化后的樹脂構(gòu)成所需要的樹脂模具；常溫下固化時間為6-24h，在30-35°C條件下固化時間為3_12h。所述的光固化快速成形方法中所采用的光固化樹脂，是Somosl4120型光敏樹月旨，在液體時30°C下粘度約為240cps，密度1.1 1.2g/cm3，光固化后拉伸強(qiáng)度45.4 45.7MPa，彈性模量2460 2500MPa，邵氏硬度為D約為81。所述的噴涂是電弧噴涂，噴涂使用的合低溫金為ZnAl合金，噴涂過程中噴涂電壓為28 30V，電流為50 80A，氣壓0.4-0.5MPa,掃描速度8m/min，噴涂距離200mm。所述的低熔點(diǎn)合金材料的熔點(diǎn)低于200°C。而所述的樹脂腐蝕過程是將樹脂在化學(xué)腐蝕液中腐蝕I 4h，將光固化樹脂去除；所述的化學(xué)腐蝕液為用氫氧化鈉或氫氧化鉀的醇溶液。在獲得金屬模具型殼后，將低熔點(diǎn)釬料加熱到180_220°C融化，與金屬粉按一定比例均勻混合后填充到裝配的模具內(nèi)部，模具表面均勻涂平。常溫條件下模具冷卻固化，模具表面使用砂紙打磨即可得到金屬模具。制備填充漿料時，需要保證低熔點(diǎn)釬料處于融化狀態(tài)，同時不影響金屬模具的結(jié)構(gòu)，因此為了達(dá)到很好的流動填 充效果，保證材料填充密實(shí)，應(yīng)對選擇熔點(diǎn)低于噴涂合金的熔點(diǎn)(約為200°C )的釬料，將融化的釬料和金屬粉混合制備成漿料，在填充漿料的時候可以選擇使用振動設(shè)備輔助灌漿。所述的混合材料是在180 220°C溫度下填充的，低熔點(diǎn)釬料的熔點(diǎn)低于200°C ；所述的金屬粉為銅粉、鋁粉或鐵粉；在混合漿料的填充時使用振動設(shè)備輔助灌漿。所述的低熔點(diǎn)釬料的熔點(diǎn)溫度要低于所噴涂的低熔點(diǎn)合金的熔點(diǎn)溫度，混合材料中金屬粉的質(zhì)量比例為30 60%ο本發(fā)明通過光固化快速成形、電弧噴涂、樹脂腐蝕等技術(shù)的結(jié)合得到的金屬模具，在5-8天內(nèi)制造金屬模具，其精度可達(dá)到CT4等級，且模具導(dǎo)熱性好、強(qiáng)度較高，保證蠟?zāi)３尚螘r能均勻快速冷卻。本方法相對于傳統(tǒng)技術(shù)制造周期短，節(jié)省材料和成本，可以快速制造復(fù)雜金屬模具。所述的模具尺寸精度和表面質(zhì)量高于目標(biāo)制備物蠟?zāi)５木荣|(zhì)量，同時在混合材料灌注的時候保持裝配模具外形尺寸不變形；所述的金屬模具被打磨后表面光滑，無氣泡或者凸起。參見圖3-1 圖3-4，下面給出一個具體的實(shí)施例，按照上述流程制造某型號渦輪葉片模具(如圖1所示)，具體包括以下操作:1、模殼設(shè)計與光固化制造。根據(jù)葉片結(jié)構(gòu)分模，設(shè)計公母模結(jié)構(gòu)，將公母模結(jié)構(gòu)體抽殼2.5mm，去除上表面得到葉片模具公母模結(jié)構(gòu)圖。使用光固化設(shè)備按照每層0.1mm制造光固化模殼結(jié)構(gòu)，得到模具公母模的樹脂件。將樹脂件經(jīng)過電弧噴涂后腐蝕去除樹脂，可得到金屬型殼，如圖3-1所示。
2、制造金屬冷卻水道。設(shè)計冷卻水道結(jié)構(gòu)，光固化制造冷卻水道結(jié)構(gòu)樹脂件。將樹脂水道經(jīng)過電弧噴涂后腐蝕去除樹脂可得到金屬冷卻水道，如圖3-2所示。3、模具骨架組裝。將金屬冷卻水道與金屬模具型殼組裝，得到裝配后的模具骨架結(jié)構(gòu)，如圖3-3所示。4、釬料填充固化成形。將低熔點(diǎn)釬料加熱到200攝氏度，填充入模具骨架結(jié)構(gòu)中，待冷卻固化后表面打磨即可得到上下金屬模，如圖3-4所示。5、模具裝配?！⒌玫降纳舷陆饘倌Ｑb配即可得到最終渦輪葉片模具，如圖2所示。
權(quán)利要求
1.一種面向渦輪葉片的金屬模具快速制造方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)根據(jù)目標(biāo)制備物的結(jié)構(gòu)設(shè)計模具結(jié)構(gòu)，模具結(jié)構(gòu)分解為公模、母模，將模具結(jié)構(gòu)抽殼3 5mm并去除一個非配合面后，使用光固化快速成形方法制造模具樹脂件；在所制造的模具樹脂件的內(nèi)表面和內(nèi)側(cè)壁噴涂3 6mm厚的低熔點(diǎn)合金，再將樹脂腐蝕后獲得金屬模具型殼； 2)根據(jù)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計其隨形冷卻管道，然后使用光固化快速成形方法制造隨形冷卻管道樹脂件；在所制備的冷卻管道樹脂件的外壁噴涂2 4mm厚的低熔點(diǎn)合金，再將樹脂腐蝕后獲得金屬形冷卻管道； 3)將金屬模具型殼和金屬形冷卻管道組裝后獲得組裝型殼，在組裝型殼空腔內(nèi)填充融化的低熔點(diǎn)釬料和金屬粉的混合材料，填滿組裝型殼并將表面均勻涂平；然后在常溫條件下冷卻固化得到金屬模具，再將其表面打磨平整。
2.如權(quán)利要求1所述的面向渦輪葉片的金屬模具快速制造方法，其特征在于，所述的公模、母模的內(nèi)形面由樹脂模具的形面反復(fù)制而來； 將公模和母模分別制備金屬模后再進(jìn)行組裝，形成一個完整的金屬模具。
3.如權(quán)利要求1 所述的面向渦輪葉片的金屬模具快速制造方法，其特征在于，所述的光固化快速成形方法包括:首先使用分層軟件將設(shè)計好的樹脂模具轉(zhuǎn)化為若干薄層平面圖形數(shù)據(jù)輸入到光固化快速成型機(jī)中；光固化快速成形時，使用激光器逐層掃描液體樹脂液面，逐層固化后的樹脂構(gòu)成所需要的樹脂模具；常溫下固化時間為6-24h，在30-35°C條件下固化時間為3-12h。
4.如權(quán)利要求3所述的面向渦輪葉片的金屬模具快速制造方法，其特征在于，所述的光固化快速成形方法中所采用的光固化樹脂，在液體時30°C下粘度約為240cps，密度1.1 1.2g/cm3，光固化后拉伸強(qiáng)度45.4 45.7MPa，彈性模量2460 2500MPa，邵氏硬度為D約為81。
5.如權(quán)利要求1所述的面向渦輪葉片的金屬模具快速制造方法，其特征在于，所述的噴涂是電弧噴涂，噴涂使用的合低溫金為ZnAl合金，噴涂過程中噴涂電壓為28 30V，電流為50 80A，氣壓0.4-0.5MPa,掃描速度8m/min，噴涂距離200_。
6.如權(quán)利要求1所述的面向渦輪葉片的金屬模具快速制造方法，其特征在于，所述的低熔點(diǎn)合金材料的熔點(diǎn)低于200°C。
7.如權(quán)利要求1所述的金屬模具的快速制造方法，其特征在于，所述的樹脂腐蝕過程是將樹脂在化學(xué)腐蝕液中腐蝕I 4h，將光固化樹脂去除；所述的化學(xué)腐蝕液為用氫氧化鈉或氫氧化鉀的醇溶液。
8.如權(quán)利要求1所述的面向渦輪葉片的金屬模具快速制造方法，其特征在于，所述的低熔點(diǎn)釬料的熔點(diǎn)溫度要低于所噴涂的低熔點(diǎn)合金的熔點(diǎn)溫度，混合材料中金屬粉的質(zhì)量比例為30 60%ο
9.如權(quán)利要求1所述的面向渦輪葉片的金屬模具快速制造方法，其特征在于，所述的混合材料是在180 220°C溫度下填充的，低熔點(diǎn)釬料的熔點(diǎn)低于200°C ;所述的金屬粉為銅粉、鋁粉或鐵粉；在混合漿料的填充時使用振動設(shè)備輔助灌漿。
10.如權(quán)利要求1所述的面向渦輪葉片的金屬模具快速制造方法，其特征在于，所述的模具尺寸精度和表面質(zhì)量高于目標(biāo)制備物蠟?zāi)５木荣|(zhì)量，同時在混合材料灌注的時候保持裝配模具外 形尺寸不變形；所述的金屬模具被打磨后表面光滑，無氣泡或者凸起。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬模具的快速制造方法，通過設(shè)計模具結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)體抽殼3-5mm并去除非配合面，使用光固化成型設(shè)備制備模具樹脂件，電弧噴涂3-6mm低熔點(diǎn)合金，使用強(qiáng)堿腐蝕去除光固化樹脂得到金屬模具型殼，與同樣光固化噴涂腐蝕得到的金屬隨形冷卻管道組裝，然后填充金屬粉和融化的低熔點(diǎn)釬料混合物，固化后打磨得到模具。通過光固化快速成形、電弧噴涂、樹脂腐蝕等技術(shù)的結(jié)合得到的金屬模具，在5-8天內(nèi)制造金屬模具，其精度可達(dá)到CT4等級，且模具導(dǎo)熱性好、強(qiáng)度較高，保證蠟?zāi)３尚螘r能均勻快速冷卻。
文檔編號B22C9/04GK103223466SQ201310132380
公開日2013年7月31日 申請日期2013年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月17日
發(fā)明者李滌塵, 魯中良, 楊東升 申請人:西安交通大學(xué), 西安瑞特快速制造工程研究有限公司