CN111702432B

CN111702432B - 一种快速制造模具型腔部件的方法

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Publication number: CN111702432B
Application number: CN202010349755.8A
Authority: CN
Inventors: 林耀军; 邱悦
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2020-04-28
Filing date: 2020-04-28
Publication date: 2022-01-04
Anticipated expiration: 2040-04-28
Also published as: CN111702432A

Abstract

本发明涉及一种快速制造模具型腔部件的方法。包括：制造陶瓷底座，其表面几何形貌由型腔几何形貌反版和型腔部件底面外廓几何形貌反版组成、表面光洁度达到型腔和底面外廓要求；制造陶瓷套筒，其内廓形状为型腔部件侧面外廓几何形貌反版、光洁度达到侧面外廓要求；陶瓷套筒外面套石墨、里面套在陶瓷底座上，与陶瓷底座围成一个空间，将工模具钢粉末装填在此空间中；在低于固相线100℃的温度至液相体积分数30％对应的温度，用1‑10MPa压力，对粉末轴向压制至完全致密，停止加压、加热，得到型腔部件坯件，对坯件顶面进行微量机加工，然后热处理，获得最终型腔部件。本发明生产周期短、设备投资少、材料浪费少、生产成本低、节能环保。

Description

一种快速制造模具型腔部件的方法

技术领域

本发明涉及模具制造领域，特别涉及一种快速制造模具型腔部件的方法。

背景技术

模具是一种在外应力作用下，使坯料在具有一定几何形貌的型腔内发生塑性变形，从而制造出特定形状和尺寸的产品的工具。一般来说，模具由多个部件组合而成，其中的型腔部件，由于含有成形产品所需要的特定几何形貌的型腔，所以是模具的核心部件，其它部件起固定、支撑、保护型腔部件等作用。型腔部件的型腔通常具有非常复杂的几何形貌，这些复杂几何形貌的表面通常要求较高的光洁度，所以型腔部件的制造是一项非常艰巨的工作。用来制造型腔部件的材料主要是工模具钢，现有的制造过程如下：选择冶金企业制造的产品—退火态工模具钢材(例如：板材、棒材、块材等)作为坯料，首先，经过精密数控加工中心内的铣、车、刨、磨等一系列冗长、繁杂的工序，获得粗加工的型腔和近终的型腔部件外廓尺寸；此时，进行真空淬火；然后，经过精密数控电火花加工，得到近终尺寸的型腔；之后，再经过修磨抛光，达到最终尺寸和光洁度的型腔以及型腔部件外廓；最后，进行真空回火，获得所需要的型腔部件。基于上面的叙述，现有的模具制造技术中，需要经历一系列冗长、繁杂的机械加工和电火花加工工序，才能获得最终尺寸和光洁度的型腔以及型腔部件外廓，再经过热处理，才可得到最终的型腔部件。因此，现有的模具制造技术，制造周期长、能源消耗高、设备投资大，而且机械加工、电火花加工以及修磨抛光去除的材料基本全部被浪费，因此生产成本高，同时也产生一定的环境问题。

发明内容

针对现有技术的问题，本发明提出一种快速制造模具型腔部件的方法。

本发明采用如下技术方案：

一种快速制造模具型腔部件的方法，所述模具型腔部件用工模具钢制造，具体包括以下步骤：

a热压组件制造及装配：

制造陶瓷底座，该陶瓷底座的表面几何形貌由所述型腔几何形貌反版和所述型腔部件底面外廓几何形貌反版组成，光洁度达到所述型腔和所述底面外廓的要求；制造陶瓷套筒，该陶瓷套筒的内廓形状为所述型腔部件侧面外廓几何形貌反版，光洁度达到所述侧面外廓的要求；制造可套在所述陶瓷套筒外面的石墨；将所述石墨套在所述陶瓷套筒外面，将外面套有所述石墨的所述陶瓷套筒的内侧下部套在所述陶瓷底座上，所述陶瓷套筒内廓与所述陶瓷底座表面围成一个空间，构成一个装配件；

b工模具钢粉末重量的精确计算及装填：

按照所述型腔部件的几何尺寸以及所述工模具钢的理论密度，精确计算出比所述型腔部件高度高1％-2％的坯件需要的所述工模具钢粉末的重量，将具有所述重量的所述工模具钢粉末装填在步骤a中所述装配件的所述空间内；

c工模具钢粉末轴向压制：

将步骤b中装填了所述工模具钢粉末的所述装配件放入热压机的工作室中，并将下端面为平面的热压压头放入装填了所述工模具钢粉末的所述装配件的所述陶瓷套筒内腔上部，使所述热压压头下端面接触所述工模具钢粉末，真空或惰性气体保护气氛下，将所述工模具钢粉末加热到预定的高温；所述工模具钢粉末被加热到预定的高温后，操纵所述热压压头下行，对所述工模具钢粉末进行轴向压制，控制施加在所述热压压头上的载荷使所述工模具钢粉末受到1-10MPa的轴向压力，轴向压力和所述陶瓷套筒内廓的侧向压力共同作用导致所述工模具钢粉末之间形成冶金结合以及所述工模具钢粉末的致密化，当所述热压压头下行到所述工模具钢粉末高度等于步骤b中计算工模具钢粉末重量时所用的所述坯件的高度时，所述工模具钢粉末完全致密，立即终止所述热压压头的下行并停止对所述热压压头加压、对所述工模具钢粉末加热，此时完全致密的所述工模具钢粉末完全复制所述陶瓷底座表面的几何形貌、所述陶瓷套筒内廓形状，得到最终尺寸和光洁度的所述型腔以及所述型腔部件的底面外廓、侧面外廓，此时的所述工模具钢粉末固结体形成所述型腔部件坯件；

d型腔部件坯件的微量机加工：

对步骤c中压制出的所述型腔部件坯件的顶面，进行磨削或铣削加磨削，获得所述型腔部件最终高度以及要求的顶面外廓光洁度；

e微量机加工后的型腔部件坯件的热处理：

将步骤d中微量机加工后的所述型腔部件坯件进行热处理获得最终的所述模具型腔部件。

按上述方案，所述工模具钢为含有Fe、C、Cr，以及W、Mo、V中的一种或几种合金元素的冷作模具钢、热作模具钢、合金工具钢或高速工具钢。

按上述方案，先对所述热压机工作室抽真空或者先对所述热压机工作室抽真空再充入惰性气体，所述抽真空后的体系压力为1×10^-2-9×10^-2Pa；所述惰性气体为氮气或氩气或氦气，压力0.05-0.1MPa。

作为优选，所述加热速率为20-30℃/分钟。

作为优选，所述高温的温度范围是从低于工模具钢粉末固相线100℃的温度至液相体积分数30％对应的温度。

作为优选，所述热压压头下行速率为0.5-2毫米/秒。

按上述方案，所述的热处理为：将步骤d中微量机加工后的所述型腔部件坯件在真空中加热、保温，完成奥氏体化；然后用高压氮气或氩气或氦气进行淬火处理；最后进行真空回火，获得最终的所述型腔部件。

按上述方案，所述的奥氏体化温度为1000-1300℃、保温0.5-2小时。

按上述方案，所述的真空回火温度为400-600℃、保温1-4小时、回火2-4次。

本发明具有如下优点：

1.与现有的制造模具型腔部件技术相比，本发明的工序大大减少，因而生产周期大大缩短。

2.与现有的制造模具型腔部件技术相比，由于本发明的工序大大减少，所以所需设备大大减少，设备投资大大降低。

3.与现有的制造模具型腔部件技术相比，本发明的工序大大减少，因此制造过程中所消耗的能源大大降低。

4.现有的制造模具型腔部件技术中，机械加工、电火花加工以及修磨抛光造成了昂贵的高合金含量工模具钢的浪费，同时这些加工去除的材料也会带来一些环境问题；本发明制造模具型腔部件的过程中，仅对压制出的型腔部件坯件顶面进行微量磨削或铣削加磨削加工，大大节约了材料，带来的环境问题也很小。

5.与现有的制造模具型腔部件技术相比，本发明生产周期的缩短、设备投资的降低、能源消耗的减少、材料浪费的减少，导致本发明生产成本大大降低。

附图说明

图1是实施例1中齿轮锻造模具的一个型腔部件示意图；

图2是实施例1中的陶瓷底座示意图；

图3是实施例1中的陶瓷套筒示意图；

图4是外面套有石墨的图3陶瓷套筒与图2陶瓷底座构成的一个装配件示意图；

图5是实施例1中用本发明的方法制造的型腔部件淬火+回火后型腔表面附近的光学显微镜图；

图6是实施例2中挤压模具的一个型腔部件示意图；

图7是实施例2中的陶瓷底座示意图；

图8是实施例2中的陶瓷套筒示意图；

图9是外面套有石墨的图8陶瓷套筒与图7陶瓷底座构成的一个装配件示意图；

图10是实施例2中用本发明的方法制造的型腔部件淬火+回火后型腔表面附近的光学显微镜图；

图中：1、实施例1中型腔部件的型腔，2、实施例1中型腔部件的底面外廓，3、实施例1中型腔部件的侧面外廓，4、实施例1中型腔部件的顶面外廓，5、实施例1中陶瓷底座上的型腔反版，6、实施例1中陶瓷底座上的底面外廓反版，7、实施例1中陶瓷套筒上的侧面外廓反版，8、实施例1中的石墨，9、实施例1中的陶瓷套筒，10、实施例1中的陶瓷底座，11、实施例2中型腔部件的型腔，12、实施例2中型腔部件的底面外廓，13、实施例2中型腔部件的侧面外廓，14、实施例2中型腔部件的顶面外廓，15、实施例2中陶瓷底座上的型腔反版，16、实施例2中陶瓷底座上的底面外廓反版，17、实施例2中陶瓷套筒上的侧面外廓反版，18、实施例2中的石墨，19、实施例2中的陶瓷套筒，20、实施例2中的陶瓷底座。

具体实施方式

实施例1

本实施例的目标是用热作模具钢H13[Fe-(0.32-0.45)C-(4.75-5.50)Cr-(1.10-1.75)Mo-(0.80-1.20)V-(0.20-0.50)Mn-(0.80-1.20)Si-(0.00-0.30)Ni，理论密度7.75g/cm³，固相线温度1315℃、液相线温度1454℃]制造如图1所示齿轮锻造模具的一个型腔部件，其中的型腔、底面外廓、侧面外廓、顶面外廓分别用数字1、2、3、4标出(粉末轴向压制制造型腔部件过程中，与陶瓷底座接触的型腔部件表面，由于位于型腔部件的底部被称为底面，底面除型腔以外的外廓称为底面外廓；与热压压头接触的型腔部件表面由于位于型腔部件的顶部被称为顶面，顶面除型腔以外的外廓称为顶面外廓；即不与陶瓷底座也不与热压压头接触的表面被称为侧面，相应的外廓称为侧面外廓)。用粉浆浇注法制造出图2中的陶瓷底座，其表面几何形貌由图1中型腔几何形貌的反版(图2中标5)和图1中底面外廓几何形貌的反版(图2中标6)组成，光洁度达到图1中型腔和底面外廓要求。用粉浆浇注法制造出图3中的陶瓷套筒，其内廓形状为图1中侧面外廓几何形貌的反版(图3中标7)、光洁度达到图1中侧面外廓要求。将石墨(图4中标8)套在图3中陶瓷套筒(图4中标9)外面，将外面套有石墨的陶瓷套筒的内侧下部套在图2中的陶瓷底座(图4中标10)上，陶瓷套筒内廓与陶瓷底座表面围成一个空间，构成一个装配件，如图4所示。按照图1中型腔部件的几何尺寸，即内部含型腔的直径150毫米、高50毫米圆柱，以及H13钢的理论密度7.75g/cm³，精确计算出压制高度50.5毫米的坯件，即比型腔部件高度高1％，所需要的H13钢粉末的重量为6155.4克，将具有这一重量的H13钢粉末装填在图4中装配件的空间内，将装有H13钢粉末的装配件放入热压机的工作室中，并将下端面为平面的热压压头放入装填了H13钢粉末的图4的陶瓷套筒内腔的上部，使热压压头下端面接触到装入的H13钢粉末。先对热压机工作室抽真空至4×10^-2Pa，然后将H13钢粉末以30℃/分钟的速率加热到1250℃，比固相线温度1315℃低65℃，H13钢粉末为全固态，此时操纵热压压头以1.5毫米/秒的速度下行，对H13钢粉末进行轴向压制，控制施加在所述热压压头上的载荷使H13钢粉末受到8MPa的轴向压力，轴向压力和所述陶瓷套筒内廓的侧向压力共同作用导致H13钢粉末之间形成冶金结合以及所述H13钢粉末的致密化，当热压压头下行到H13钢粉末高度等于50.5毫米时，所述H13钢粉末完全致密，立即终止热压压头的下行并停止对热压压头加压、对H13钢粉末加热，此时完全致密的H13钢粉末完全复制陶瓷底座表面几何形貌、陶瓷套筒内廓形状，得到最终尺寸和光洁度的型腔以及型腔部件的底面外廓、侧面外廓，此时的H13钢粉末固结体形成型腔部件坯件。待型腔部件坯件冷却到200℃以下时，将型腔部件坯件从热压机工作室中取出，对型腔部件坯件顶面，即与热压压头接触的表面，进行微量磨削，去除0.5毫米的高度，获得型腔部件最终高度50毫米以及要求的顶面外廓光洁度。微量磨削后的型腔部件坯件在真空中加热到1050℃，保温1小时，完成奥氏体化；用高压氮气进行淬火；然后在真空中回火，回火温度580℃、时间2小时，共回火2次，获得最终的型腔部件。经测试，型腔附近材料的密度为7.73-7.75g/cm³,即相对密度99.7％-100％，基本完全致密。图5是上述用本发明的方法制造的型腔部件淬火+回火后型腔表面附近的光学显微镜图，平均碳化物尺寸3.1微米；经测试，淬火+回火后型腔表面的平均硬度为HRC49.7，型腔部件的平均三点弯曲强度为3249MPa。查阅文献，现有的技术制造齿轮锻造模具型腔部件时用的铸锻H13钢，在本实施例中上述真空淬火+真空回火条件下，平均碳化物尺寸5.1微米，平均硬度HRC48.0，平均三点弯曲强度3107MPa。

实施例2

本实施例的目标是用合金工具钢CPM10V[Fe-(2.35-2.55)C-(9.30-10.25)V-(4.75-5.50)Cr-(1.10-1.45)Mo，理论密度7.50g/cm³，固相线温度约1275℃、液相线温度约1350℃]制造如图6所示挤压模具的一个型腔部件，其中的型腔、底面外廓、侧面外廓、顶面外廓分别用数字11、12、13、14标出。用粉浆浇注法制造出图7中的陶瓷底座，其表面几何形貌由图6中型腔几何形貌的反版(图7中标15)和图6中底面外廓几何形貌的反版(图7中标16)组成，光洁度达到图6中型腔和底面外廓要求。用粉浆浇注法制造出图8中的陶瓷套筒，其内廓形状为图6中侧面外廓几何形貌的反版(图8中标17)、光洁度达到图6中侧面外廓要求。将石墨(图9中标18)套在图8中陶瓷套筒(图9中标19)外面，将外面套有石墨的陶瓷套筒的内侧下部套在图6中的陶瓷底座(图9中标20)上，陶瓷套筒内廓与陶瓷底座表面围成一个空间，构成一个装配件，如图9所示。按照图6中型腔部件的几何尺寸，即内部含型腔的直径120毫米、高55毫米圆柱，以及CPM0V钢的理论密度7.50g/cm³，精确计算出压制高度56.1毫米的坯件，即比型腔部件高度高2％，所需要的CPM10V钢粉末的重量为3770.6克，将具有这一重量的CPM10V钢粉末装填在图9中装配件的空间内，将装有CPM10V钢粉末的装配件放入热压机的工作室中，并将下端面为平面的热压压头放入装填了CPM10V钢粉末的图9的陶瓷套筒内腔的上部，使热压压头下端面接触到装入的CPM10V钢粉末。先对热压机工作室抽真空至2×10^-2Pa，接着充入氩气至压力0.08MPa，然后将CPM10V钢粉末以20℃/分钟的速率加热到1285℃，此温度下液相体积分数约15％。此时操纵热压压头以2毫米/秒的速度下行，对CPM10V钢粉末进行轴向压制，控制施加在所述热压压头上的载荷使CPM10V钢粉末受到5MPa的轴向压力，轴向压力和所述陶瓷套筒内廓的侧向压力共同作用导致CPM10V钢粉末之间形成冶金结合以及所述CPM10V钢粉末的致密化，当热压压头下行到所述CPM10V钢粉末高度等于56.1毫米时，所述CPM10V钢粉末完全致密，立即终止热压压头的下行并停止对热压压头加压、对CPM10V钢粉末加热，此时完全致密的CPM10V钢粉末完全复制陶瓷底座表面几何形貌、陶瓷套筒内廓形状，得到最终尺寸和光洁度的型腔以及型腔部件的底面外廓、侧面外廓，此时的CPM10V钢粉末固结体形成型腔部件坯件。待型腔部件坯件冷却到200℃以下时，将型腔部件坯件从热压机工作室中取出，对型腔部件坯件顶面，即与热压压头接触的表面，先进行微量铣削去除0.9毫米的高度，再进行微量磨削去除0.2毫米高度，获得型腔部件最终高度55毫米，使型腔的顶部孔贯通到顶面，并达到要求的顶面外廓光洁度。微量铣削加磨削后的型腔部件坯件在真空中加热到1230℃，保温0.6小时，完成奥氏体化；用高压氩气进行淬火；然后在真空中回火，回火温度540℃、时间1小时，共回火3次，获得最终的型腔部件。经测试，型腔附近材料的密度为7.49-7.50g/cm³,即相对密度99.9％-100％，基本完全致密。图10是上述用本发明的方法制造的型腔部件淬火+回火后型腔表面附近的光学显微镜图，平均碳化物尺寸4.5微米。经测试，淬火+回火后型腔表面的平均硬度为HRC63.0，型腔部件的平均三点弯曲强度为4200MPa。

Claims

1.一种快速制造模具型腔部件的方法，其特征在于：所述模具型腔部件用工模具钢制造，包括以下步骤：

a热压组件制造及装配：

制造陶瓷底座，该陶瓷底座的表面几何形貌由所述型腔几何形貌反版和所述型腔部件底面外廓几何形貌反版组成，光洁度达到所述型腔和所述底面外廓的要求；制造陶瓷套筒，

该陶瓷套筒的内廓形状为所述型腔部件侧面外廓几何形貌反版，光洁度达到所述侧面外廓的要求；制造可套在所述陶瓷套筒外面的石墨；将所述石墨套在所述陶瓷套筒外面，将外面套有所述石墨的所述陶瓷套筒的内侧下部套在所述陶瓷底座上，所述陶瓷套筒内廓与所述

陶瓷底座表面围成一个空间，构成一个装配件；

b工模具钢粉末重量的精确计算及装填：

按照所述型腔部件的几何尺寸以及所述工模具钢的理论密度，精确计算出比所述型腔部件高度高1％-2％的坯件需要的所述工模具钢粉末的重量，将具有所述重量的所述工模

具钢粉末装填在步骤a中所述装配件的所述空间内；

c工模具钢粉末轴向压制：

d型腔部件坯件的微量机加工：

e微量机加工后的型腔部件坯件的热处理：

将步骤d中微量机加工后的所述型腔部件坯件进行热处理获得最终的所述模具型腔部件；

所述加热速率为20-30℃/分钟；

所述高温的温度范围是从低于工模具钢粉末固相线100℃的温度至液相体积分数30％对应的温度；

所述热压压头下行速率为0.5-2毫米/秒。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述工模具钢为含有Fe、C、Cr，以及W、Mo、V中的一种或几种合金元素的冷作模具钢、热作模具钢、合金工具钢或高速工具钢。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：先对所述热压机工作室抽真空或者先对所述热压机工作室抽真空再充入惰性气体，所述抽真空后的体系压力为1×10^-2-9×10^-2Pa；所述惰性气体为氮气或氩气或氦气，压力0.05-0.1MPa。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的热处理为：将步骤d中微量机加工后的所述型腔部件坯件在真空中加热、保温，完成奥氏体化；然后用高压氮气或氩气或氦气进行淬火处理；最后进行真空回火，获得最终的所述型腔部件。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述的奥氏体化温度为1000-1300℃、保温0.5-2小时。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述的真空回火温度为400-600℃、保温1-4小时、回火2-4次。