增材制造随形冷却压铸模具加工介绍和流程2019
增材制造随形冷却压铸模具加工介绍和流程 2019
第一章引言1.1背景铝合金压铸时，注入模具的金属液温度在600℃左右。在如此高的温度下，传统的冷却水路难以实现压铸模具的均匀冷却，在冷却时极易产生热点和热节，极大地降低了制件的内部和表面质量，成品制品容易出现变形、气孔、内裂纹等缺陷。从压铸的的整个周期来看，冷却时间占整个周期的一半以上，生产效率提高的关键在于如何缩短冷却时间，这就需要提高模具的冷却效率。此外，由于当今压铸件的形状结构越来越复杂，传统冷却水道一般为直线水道，很难做到水路随形状的变化而变化来实现冷却的均匀性，不同部位的冷却速度的差异会造成压铸件的收缩不均匀而产生缺陷。因此模具型腔温度分布的均匀性是控制制件冷却的另一个关键因素，该因素主要影响制件的性能。压铸件冷却所释放的热量一般可通过对流、辐射和热传递三种方式散发掉，其中绝大部分（90%）通过冷却介质的冷却带走。从强化传热技术的角度来看，提高冷却效率可以通过增大模板的传热系数、提高传热温差、增大冷却传热面积等方式来实现。合理的冷却水道布局对冷却也有着重要的影响。为了使压铸制品均匀冷却，提高冷却效率，减少制品缺陷，在进行冷却水道布局时，应尽量保持冷却水道与模具型腔表面的距离相等。但由于传统的冷却水道（喷流式、衬套式、隔板式）的加工都是以钻孔或采用镶拼式的模具结构实现，钻孔只能加工直线状的冷却水道，而压铸制品往往具有复杂的曲面结构，因此直线状的冷却水道距型腔表面的距离是不等的。镶拼式的模具不仅加工上较为麻烦，镶件间的配合精度也较难以控制，在模具工作时，由于温度、压铸压力等因素的作用，镶件产生形变，容易造成冷却水泄露。因此，为了解决这些问题，国内外专家提出了一些新的冷却技术。美国LogicDecices公司研制了一种负压冷却水系统。日本将热管用于模具冷却，实现了标准化和商品化，其导热率约为同样大小铜棒的1000倍[1]。此外还有脉冲冷却技术、CO2气体冷却技术等，这些新的冷却技术很好地改善了压铸成型制品的冷却效果。美国麻省理工学院的Sachs[2]教授在1997年提出了随形冷却技术，认为该技术将是3D打印最主要的四个应用之一
第一章 引言 1.1 背景 铝合金压铸时，注入模具的金属液温度在 600℃左右。在如此高的温度下， 传统的冷却水路难以实现压铸模具的均匀冷却，在冷却时极易产生热点和热节， 极大地降低了制件的内部和表面质量，成品制品容易出现变形、气孔、内裂纹等 缺陷。从压铸的的整个周期来看，冷却时间占整个周期的一半以上，生产效率提 高的关键在于如何缩短冷却时间，这就需要提高模具的冷却效率。此外，由于当 今压铸件的形状结构越来越复杂，传统冷却水道一般为直线水道，很难做到水路 随形状的变化而变化来实现冷却的均匀性，不同部位的冷却速度的差异会造成压 铸件的收缩不均匀而产生缺陷。因此模具型腔温度分布的均匀性是控制制件冷却 的另一个关键因素，该因素主要影响制件的性能。 压铸件冷却所释放的热量一般可通过对流、辐射和热传递三种方式散发掉， 其中绝大部分（90%）通过冷却介质的冷却带走。从强化传热技术的角度来看， 提高冷却效率可以通过增大模板的传热系数、提高传热温差、增大冷却传热面积 等方式来实现。合理的冷却水道布局对冷却也有着重要的影响。为了使压铸制品 均匀冷却，提高冷却效率，减少制品缺陷，在进行冷却水道布局时，应尽量保持 冷却水道与模具型腔表面的距离相等。但由于传统的冷却水道（喷流式、衬套式、 隔板式）的加工都是以钻孔或采用镶拼式的模具结构实现，钻孔只能加工直线状 的冷却水道，而压铸制品往往具有复杂的曲面结构，因此直线状的冷却水道距型 腔表面的距离是不等的。镶拼式的模具不仅加工上较为麻烦，镶件间的配合精度 也较难以控制，在模具工作时，由于温度、压铸压力等因素的作用，镶件产生形 变，容易造成冷却水泄露。因此，为了解决这些问题，国内外专家提出了一些新 的冷却技术。美国 Logic Decices 公司研制了一种负压冷却水系统。日本将热 管用于模具冷却，实现了标准化和商品化，其导热率约为同样大小铜棒的 1000 倍[1]。此外还有脉冲冷却技术、CO2 气体冷却技术等，这些新的冷却技术很好 地改善了压铸成型制品的冷却效果。美国麻省理工学院的 Sachs[2]教授在 1997 年提出了随形冷却技术，认为该技术将是 3D 打印最主要的四个应用之一
随着近年来3D打印技术的发展，随形冷却技术在注塑模具上的应用已经屡见不鲜，由于压铸工况下较注塑工况温度更高，压力更大，模具所需的材料性能要求更高，且3D打印技术的不够成熟，已知压铸模具钢无法适用增材制造，增材制造压铸模具是否满足模具服役使用寿命的要求等问题还有待探究。本文正式在传统压铸模具水路设计的基础上，通过对··材料··，解决随形冷却压铸模具在增材制造过程中存在一些的问题，并探究了随形冷却压铸模具失效形式和失效机理，为随形冷却压铸模具的制造和实际应用提供参考。随形冷却方式与传统的冷却方式的区别在于，其冷却水道的形状随着压铸制品的外形变化，不再是直线状的，如图1-1所示。这种冷却水道很好地解决了传统冷却水道与模具型腔表面距离不一致的问题，可以使得压铸制品得到均匀的冷却，减少热点和热节，冷却效率更高。传统冷却水道随形冷却水道图1-1传统水道与随形冷却水道示意图1.2研究目的与意义压铸模具冷却系统的设计影响着成型制品的质量和生产效率，传统的冷却系统难以实现模具的均匀冷却，模具中存在大量的热点和热节导致成型制品容易出现变形、气孔、内裂纹等缺陷。20世纪90年代提出的随形冷却技术，水路依据制品外形变化，可实现均匀冷却，能显著改善制品的品质，减少冷却时间，具有很强的适用性。随着3D打印技术的发展成熟，随形冷却技术将在模具行业中取得更广泛的应用。但从目前的研究状况来看，大多是在传统冷却系统的研究基础上进行拓展，且缺乏成熟的适用于增材制造的压铸模具材料。选区激光熔化(Selectivelasermelting，SLM)是一种典型的金属增材制造技术，利用高能量激光
随着近年来 3D 打印技术的发展，随形冷却技术在注塑模具上的应用已经 屡见不鲜，由于压铸工况下较注塑工况温度更高，压力更大，模具所需的材料性 能要求更高，且 3D 打印技术的不够成熟，已知压铸模具钢无法适用增材制造， 增材制造压铸模具是否满足模具服役使用寿命的要求等问题还有待探究。本文正 式在传统压铸模具水路设计的基础上，通过对······材料······，解决随形冷 却压铸模具在增材制造过程中存在一些的问题，并探究了随形冷却压铸模具失效 形式和失效机理，为随形冷却压铸模具的制造和实际应用提供参考。随形冷却方 式与传统的冷却方式的区别在于，其冷却水道的形状随着压铸制品的外形变化， 不再是直线状的，如图 1-1 所示。这种冷却水道很好地解决了传统冷却水道与 模具型腔表面距离不一致的问题，可以使得压铸制品得到均匀的冷却，减少热点 和热节，冷却效率更高。 图 1-1 传统水道与随形冷却水道示意图 1.2 研究目的与意义 压铸模具冷却系统的设计影响着成型制品的质量和生产效率，传统的冷却系 统难以实现模具的均匀冷却，模具中存在大量的热点和热节导致成型制品容易出 现变形、气孔、内裂纹等缺陷。20 世纪 90 年代提出的随形冷却技术，水路依 据制品外形变化，可实现均匀冷却，能显著改善制品的品质，减少冷却时间，具 有很强的适用性。 随着 3D 打印技术的发展成熟，随形冷却技术将在模具行业中取得更广泛 的应用。但从目前的研究状况来看，大多是在传统冷却系统的研究基础上进行拓 展 ， 且缺乏成熟的适用于增材制造的压铸模具材料 。 选区激光熔化 (Selective laser melting, SLM) 是一种典型的金属增材制造技术，利用高能量激光
束将粉未逐层熔化成形三维金属实体，具有制作复杂形状、成形件致密度高、节省材料等优点。SLM技术应用于医学领域个性化定制、随形冷却模具、多孔或网状等复杂几何形状构件等方面。3D打印技术所带来的制造方式的变革，还未很好地在压铸模具设计和研究中得到充分体现。目前，随形冷却水道的设计大多针对水道的整体结构，着重于水道的随形性，而水路形状对冷却的影响研究较少。另外，关于3D打印技术的应用探索主要集中在医疗、航空航天等领域，针对模具的3D打印制造，尤其是关于压铸模具材料、压铸模具失效机理、使用寿命和3D打印压铸模具所具有的特征结构的尺寸精度、表面质量等研究较少。鉴于此，本课题通过对三种不同适用于压铸模具的材料并制成粉末的SLM的工艺研究、性能变化、生产实际、寿命评估，对基于3D打印的随形冷却注塑模具的设计和制造的相关问题进行研究，旨在通过本研究，为随形冷却水道的设计和制造提供一定理论上的参考和工程实践指导作用。1.3国内外最新研究进展1.3.1随形冷却最新研究进展传统的冷却水道在设计中需要遵循一定的设计原则，但是水道的设计还是存在很大的自由度，不同的设计者针对某个压铸制件所设计的冷却方式往往不同。随形冷却与制品的几何特征有关，在设计中，将会更加的灵活和自由，目前来说，还未存在统一的设计原则，商业化的CAD软件也没有集成相应的随形冷却水道设计模块。但国内外针对随形冷却水道的设计的研究已取得了一定的进展。2000年，美国麻省理工学院的Xu等[3]对模具随形冷却水道的设计原则进行了探讨，总结出了六个原则：（1）随形冷却条件的设计：（2）冷却剂压降的设计：（3）冷却剂温度均匀性的设计；（4）制件充分冷却的设计；（5）冷却均匀性的设计：（6）模具强度和变形的设计。同时构建了基于划分冷却单元的随形冷却水道设计方式，并制造了模具，测试结果表明，与传统冷却方式相比，该随形冷却水道模具能缩短制件的生产周期20%左右，减少制件的变形约15%。香港理工大学对随形冷却水道的设计进行了较为全面的研究。2005年，Au[4]等以六面贯通的立方体小单元为基体，设计了一种新的随形冷却模具，基
束将粉末逐层熔化成形三维金属实体，具有制作复杂形状、成形件致密度高、节 省材料等优点。SLM 技术应用于医学领域个性化定制、随形冷却模具、多孔或网 状等复杂几何形状构件等方面。 3D 打印技术所带来的制造方式的变革，还未很好地在压铸模具设计和研究 中得到充分体现。目前，随形冷却水道的设计大多针对水道的整体结构，着重于 水道的随形性，而水路形状对冷却的影响研究较少。另外，关于 3D 打印技术的 应用探索主要集中在医疗、航空航天等领域，针对模具的 3D 打印制造，尤其是 关于压铸模具材料、压铸模具失效机理、使用寿命和 3D 打印压铸模具所具有的 特征结构的尺寸精度、表面质量等研究较少。鉴于此，本课题通过对三种不同适 用于压铸模具的材料并制成粉末的 SLM 的工艺研究、性能变化、生产实际、寿 命评估，对基于 3D 打印的随形冷却注塑模具的设计和制造的相关问题进行研究， 旨在通过本研究，为随形冷却水道的设计和制造提供一定理论上的参考和工程实 践指导作用。 1.3 国内外最新研究进展 1.3.1 随形冷却最新研究进展 传统的冷却水道在设计中需要遵循一定的设计原则，但是水道的设计还是存 在很大的自由度，不同的设计者针对某个压铸制件所设计的冷却方式往往不同。 随形冷却与制品的几何特征有关，在设计中，将会更加的灵活和自由，目前来说， 还未存在统一的设计原则，商业化的 CAD 软件也没有集成相应的随形冷却水 道设计模块。但国内外针对随形冷却水道的设计的研究已取得了一定的进展。 2000 年，美国麻省理工学院的 Xu 等[3]对模具随形冷却水道的设计原则 进行了探讨，总结出了六个原则：（1）随形冷却条件的设计；（2）冷却剂压降的 设计；（3）冷却剂温度均匀性的设计；（4）制件充分冷却的设计；（5）冷却均匀 性的设计；（6）模具强度和变形的设计。同时构建了基于划分冷却单元的随形冷 却水道设计方式，并制造了模具，测试结果表明，与传统冷却方式相比，该随形 冷却水道模具能缩短制件的生产周期 20%左右，减少制件的变形约 15%。 香港理工大学对随形冷却水道的设计进行了较为全面的研究。2005 年， Au[4]等以六面贯通的立方体小单元为基体，设计了一种新的随形冷却模具，基
体如图1-2所示。通过立方单元的组合，在模具型腔内部构成冷却空间，利用立方体形成的冷却面近似逼近制品的表面从而实现随形冷却的目的，并通过CAE和CAF软件模拟分析了制品的温度分布、注塑时模具的变形及冷却水的流动。基体还可以根据需要设计成其他形状，如六棱柱。结果表明，以这种方式建立的随形冷却更具有“随形”性，可以为模具型腔提供多层次的随形冷却，同时立方体还可以提供支撑，避免模具在注塑压力作用下的变形。但是，立方体基体的加工制造复杂，精度要求高；相邻基体之间的配合要求严格，否则，不仅会影响冷却，而且注塑时模具也易产生变形；另外，模具制造难度较大，成本高。10101101010-图1-2立方体基体示意图2006年，Au[5设计了可变半径的随形冷却水道（VariableRadiusConformalCoolingChannel)，通过加大冷却水道出口来增加出口处冷却水的冷却面积，补偿因冷却水温度升高引起的冷却效率降低和型腔的冷却不均。此外，他还研究了随形冷却面冷却（ConformalSurfaceCooling）的设计，将这种冷却方式分为Conformal porous pocket cooling(CPPC)和 Conformal scaffold pocketcooling（CSPC），CPPC即是将多孔结构的材料填充到型腔内部替代冷却水道，材料如图1-3所示，该结构可以通过3D打印技术制造。CSPC即是参考文献[4]所述冷却方式。为了便于形象直观地观察模具冷却状况，Au借助计算机辅助工业设计（Computer-aidedIndustrialDesign，简称CAID）软件，用光源模拟冷却水道中的关键节点，以光照强度模拟冷却剂的温度，通过观察模型的显示色差来研究冷却效果。该方式省去了CAE分析的繁琐过程，可以快速直观地了解到冷却状况，对冷却水道的布局和设计具有很好的辅助参考作用
体如图 1-2 所示。通过立方单元的组合，在模具型腔内部构成冷却空间，利用立 方体形成的冷却面近似逼近制品的表面从而实现随形冷却的目的，并通过 CAE 和 CAF 软件模拟分析了制品的温度分布、注塑时模具的变形及冷却水的流动。 基体还可以根据需要设计成其他形状，如六棱柱。结果表明，以这种方式建立的 随形冷却更具有“随形”性，可以为模具型腔提供多层次的随形冷却，同时立方 体还可以提供支撑，避免模具在注塑压力作用下的变形。但是，立方体基体的加 工制造复杂，精度要求高；相邻基体之间的配合要求严格，否则，不仅会影响冷 却，而且注塑时模具也易产生变形；另外，模具制造难度较大，成本高。 图 1-2 立方体基体示意图 2006 年，Au[5]设计了可变半径的随形冷却水道（Variable Radius Conformal Cooling Channel），通过加大冷却水道出口来增加出口处冷却水的冷却面积，补 偿因冷却水温度升高引起的冷却效率降低和型腔的冷却不均。此外，他还研究了 随形冷却面冷却（Conformal Surface Cooling）的设计，将这种冷却方式分为 Conformal porous pocket cooling（CPPC）和 Conformal scaffold pocket cooling （CSPC），CPPC 即是将多孔结构的材料填充到型腔内部替代冷却水道，材料如 图 1-3 所示，该结构可以通过 3D 打印技术制造。CSPC 即是参考文献[4]所述 冷却方式。为了便于形象直观地观察模具冷却状况，Au 借助计算机辅助工业设 计（Computer-aided Industrial Design，简称 CAID）软件，用光源模拟冷却水道 中的关键节点，以光照强度模拟冷却剂的温度，通过观察模型的显示色差来研究 冷却效果。该方式省去了 CAE 分析的繁琐过程，可以快速直观地了解到冷却状 况，对冷却水道的布局和设计具有很好的辅助参考作用