一种面向涡轮叶片的金属模具快速制造方法

摘要

本发明公开了一种金属模具的快速制造方法，通过设计模具结构，结构体抽壳3-5mm并去除非配合面，使用光固化成型设备制备模具树脂件，电弧喷涂3-6mm低熔点合金，使用强碱腐蚀去除光固化树脂得到金属模具型壳，与同样光固化喷涂腐蚀得到的金属随形冷却管道组装，然后填充金属粉和融化的低熔点钎料混合物，固化后打磨得到模具。通过光固化快速成形、电弧喷涂、树脂腐蚀等技术的结合得到的金属模具，在5-8天内制造金属模具，其精度可达到CT4等级，且模具导热性好、强度较高，保证蜡模成形时能均匀快速冷却。

说明书

技术领域

本发明属于快速制模技术领域，涉及一种面向涡轮叶片的金属模具快速 制造方法。

背景技术

失蜡法是一种熔模铸造的方法，将蜡模表面包覆耐火材料制成型壳，融 模失蜡后在高温下焙烧后即可浇铸得到精密铸件。熔模铸造得到的铸件可以 实现近净成形，在航空航天、汽车等精度要求很高的零件上应用广泛。在失 蜡法铸造中，蜡型是精密铸造的中间三维形状传递件，其质量直接决定了铸 件的精度。涡轮叶片是发动机工作环境最恶劣，结构最复杂的零件之一，其 制造方法一直是工业界的重点和难点。传统精密铸造是采用压蜡模具批量制 造蜡型，但使用机加工方法制造金属模具耗时耗力，尤其对于用于复杂结构 的零件，制造金属模具需要大量的时间和成本。

光固化快速成型技术具有制造精度高，可以制造复杂内腔结构的优点。 利用光固化快速成型技术作为中间态进行转化，进而快速制作金属模具是缩 短模具周期、降低制造成本的有效途径。

随形冷却管道是注塑模具设计要考虑的结构，使用光固化快速成形技术 可以制造树脂材料的随形冷却通道，由于一般树脂材料的导热系数非常低（小 于0.5W/(m·℃)），树脂模具蜡型冷却速度慢，导致蜡模制造周期长，蜡模和 模具的热变形大，冷却过程中蜡模的质量缺陷多，直接影响精密铸造铸件质 量。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种面向涡轮叶片的金属模具快速制造方 法，通过光固化快速成形、电弧喷涂、树脂腐蚀等技术的结合得到涡轮叶片 金属模具，节省模具制造成本，可以快速制造复杂金属叶片模具。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种面向涡轮叶片的金属模具快速制造方法，包括以下步骤：

1）根据目标制备物的结构设计模具结构，模具结构分解为公模、母模， 将模具结构抽壳3～5mm并去除一个非配合面后，使用光固化快速成形方法 制造模具树脂件；在所制造的模具树脂件的内表面和内侧壁喷涂3～6mm厚 的低熔点合金，再将树脂腐蚀后获得金属模具型壳；

2）根据模具结构设计其随形冷却管道，然后使用光固化快速成形方法制 造随形冷却管道树脂件；在所制备的冷却管道树脂件的外壁喷涂2～4mm厚 的低熔点合金，再将树脂腐蚀后获得金属形冷却管道；

3）将金属模具型壳和金属形冷却管道组装后获得组装型壳，在组装型壳 空腔内填充融化的低熔点钎料和金属粉的混合材料，填满组装型壳并将表面 均匀涂平；然后在常温条件下冷却固化得到金属模具，再将其表面打磨平整。

所述的公模、母模的内形面由树脂模具的形面反复制而来；

将公模和母模分别制备金属模后再进行组装，形成一个完整的金属模具。

所述的光固化快速成形方法包括：首先使用分层软件将设计好的树脂模 具转化为若干薄层平面图形数据输入到光固化快速成型机中；光固化快速成 形时，使用激光器逐层扫描液体树脂液面，逐层固化后的树脂构成所需要的 树脂模具；常温下固化时间为6-24h，在30-35℃条件下固化时间为3-12h。

所述的光固化快速成形方法中所采用的光固化树脂，在液体时30℃下粘 度约为240cps，密度1.1～1.2g/cm³，光固化后拉伸强度45.4～45.7MPa，弹 性模量2460～2500MPa，邵氏硬度为D约为81。

所述的喷涂是电弧喷涂，喷涂使用的合低温金为ZnAl合金，喷涂过程 中喷涂电压为28～30V，电流为50～80A，气压0.4-0.5MPa，扫描速度8m/min， 喷涂距离200mm。

所述的低熔点合金材料的熔点低于200℃。

所述的树脂腐蚀过程是将树脂在化学腐蚀液中腐蚀1～4h，将光固化树 脂去除；所述的化学腐蚀液为用氢氧化钠或氢氧化钾的醇溶液。

所述的低熔点钎料的熔点温度要低于所喷涂的低熔点合金的熔点温度， 混合材料中金属粉的质量比例为30～60%。

所述的混合材料是在180～220℃温度下填充的，低熔点钎料的熔点低于 200℃；所述的金属粉为铜粉、铝粉或铁粉；在混合浆料的填充时使用振动设 备辅助灌浆。

所述的模具尺寸精度和表面质量高于目标制备物蜡模的精度质量，同时 在混合材料灌注的时候保持装配模具外形尺寸不变形；所述的金属模具被打 磨后表面光滑，无气泡或者凸起。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的金属模具的快速制造方法，通过设计模具结构，结构体抽 壳3-5mm并去除非配合面，使用光固化成型设备制备SL模具树脂件，树脂 件内表面电弧喷涂3-6mm低熔点合金，使用强碱腐蚀去除光固化树脂得到金 属模具型壳，与同样光固化后喷涂腐蚀得到的金属随形冷却管道组装，然后 填充金属粉和融化的低熔点钎料混合材料，固化后打磨得到金属涡轮叶片模 具。通过光固化快速成形、电弧喷涂、树脂腐蚀等技术的结合得到的金属模 具，在5-8天内制造金属模具，其精度可达到CT4等级，且模具导热性好、 强度较高，保证蜡模成形时能均匀快速冷却。

本发明提供的金属模具的快速制造方法，使用电弧喷涂技术可以在光固 化树脂上喷涂低熔点合金，低熔点合金的强度和导热性较好。腐蚀去除光固 化树脂，进一步降低模具的热阻。金属粉的导热性较好，由这些金属粉末与 低熔点钎料混合固化，得到的混合物热传导系数较高，可以实现蜡模内部热 量快速散失，缩短蜡模制备周期，提高蜡模质量。

本发明提供的金属模具的快速制造方法，与传统的金属模具相比，制备 周期短，制造周期视模具复杂程度在3-7天左右；可以制备任意复杂的模具； 与完全树脂构成的模具相比，模具结构完全由金属制成，导热性能更好，节 省材料和成本，完全去除树脂成分，金属随形冷却管道的结构也增加了模具 的导热性更能和模具强度，大幅度缩短蜡模制备周期和提高蜡模的质量。使 得蜡模能更短时间固化，大大缩短蜡模制造周期，并提高蜡模质量。金属随 形冷却通道既增加了模具内部强制的换热，又增加了模具的结构强度。

本发明提供的金属模具的快速制造方法，所制作的金属模具可作为压蜡 模具、注塑模具、冲压模具等，获得的零件精度可达到CT4-CT5。

附图说明

图1是一种涡轮叶片的结构示意图；

图2是又公模和母模构成模具的结构示意图。

图3-1是公模模壳的示意图；

图3-2是金属冷却水道的示意图；

图3-3是型壳与水道组装体的示意图；

图3-4是固化成形模具的示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明 的解释而不是限定。

本发明中金属模具包括公模、母模构成,公模、母模的内形面由光固化 制造复杂形面反复制而来，使用光固化制造复杂模具，模具表面和侧壁喷涂 3-6mm厚的低熔点合金，使用强碱腐蚀去除外层光固化树脂可以得到金属模 具型壳。使用光固化制造随形管道，进过喷涂和腐蚀后获得金属随形管道。 把金属模具型壳和金属随形冷却管道按设计组装后，将金属粉与融化的低熔 点钎料按一定比例混合后填充入组装的模具中，冷却固化后即可得到金属模 具。

一种面向涡轮叶片的金属模具快速制造方法，包括以下步骤：

1）根据目标制备物的结构设计模具结构，模具结构分解为公模、母模， 将模具结构抽壳3～5mm并去除一个非配合面后，使用光固化快速成形方法 制造模具树脂件；在所制造的模具树脂件的内表面和内侧壁喷涂3～6mm厚 的低熔点合金，再将树脂腐蚀后获得金属模具型壳；

2）根据模具结构设计其随形冷却管道，然后使用光固化快速成形方法制 造随形冷却管道树脂件；在所制备的冷却管道树脂件的外壁喷涂2～4mm厚 的低熔点合金，再将树脂腐蚀后获得金属形冷却管道；

3）将金属模具型壳和金属形冷却管道组装后获得组装型壳，在组装型壳 空腔内填充融化的低熔点钎料和金属粉的混合材料，填满组装型壳并将表面 均匀涂平；然后在常温条件下冷却固化得到金属模具，再将其表面打磨平整。

所述的公模、母模的内形面由树脂模具的形面反复制而来；

将公模和母模分别制备金属模后再进行组装，形成一个完整的金属模具。

具体的，根据零件结构设计模具结构，模具结构尺寸精度和表面质量高 于目标蜡模的精度质量，同时在浆料灌注的时候保持外形尺寸不变形。将设 计的模具三维结构进行体抽壳3-5mm，并去除一个非配合面。

采用光固化快速成形技术制作此模具树脂件，在公模和母模内表面及其 侧壁通过电弧喷涂技术喷涂3-6mm厚的低熔点合金，使用强碱腐蚀法去除模 具外层的光固化树脂，获得金属模具型壳。

使用光固化快速成形技术制造模具的随形冷却管道，在随形管道的外壁 喷涂2-4mm厚的低熔点合金，使用强碱腐蚀法去除内部树脂，获得金属随形 冷却管道，把金属随形冷却管道与金属模具型壳按设计结构装配。

具体的，所述的光固化快速成形方法包括：首先使用分层软件（分层厚 度为0.1mm，）将设计好的树脂模具转化为若干薄层平面图形数据输入到光 固化快速成型机中（比如“陕西恒通智能机器有限公司”生产SPS450B型光 固化快速成型机）；光固化快速成形时，使用激光器逐层扫描液体树脂液面， 逐层固化后的树脂构成所需要的树脂模具；常温下固化时间为6-24h，在 30-35℃条件下固化时间为3-12h。

所述的光固化快速成形方法中所采用的光固化树脂，是Somos14120型 光敏树脂，在液体时30℃下粘度约为240cps，密度1.1～1.2g/cm³，光固化后 拉伸强度45.4～45.7MPa，弹性模量2460～2500MPa，邵氏硬度为D约为81。

所述的喷涂是电弧喷涂，喷涂使用的合低温金为ZnAl合金，喷涂过程 中喷涂电压为28～30V，电流为50～80A，气压0.4-0.5MPa，扫描速度8m/min， 喷涂距离200mm。所述的低熔点合金材料的熔点低于200℃。

而所述的树脂腐蚀过程是将树脂在化学腐蚀液中腐蚀1～4h，将光固化 树脂去除；所述的化学腐蚀液为用氢氧化钠或氢氧化钾的醇溶液。

在获得金属模具型壳后，将低熔点钎料加热到180-220℃融化，与金属 粉按一定比例均匀混合后填充到装配的模具内部，模具表面均匀涂平。常温 条件下模具冷却固化，模具表面使用砂纸打磨即可得到金属模具。

制备填充浆料时，需要保证低熔点钎料处于融化状态，同时不影响金属 模具的结构，因此为了达到很好的流动填充效果，保证材料填充密实，应对 选择熔点低于喷涂合金的熔点（约为200℃）的钎料，将融化的钎料和金属 粉混合制备成浆料，在填充浆料的时候可以选择使用振动设备辅助灌浆。

所述的混合材料是在180～220℃温度下填充的，低熔点钎料的熔点低于 200℃；所述的金属粉为铜粉、铝粉或铁粉；在混合浆料的填充时使用振动设 备辅助灌浆。所述的低熔点钎料的熔点温度要低于所喷涂的低熔点合金的熔 点温度，混合材料中金属粉的质量比例为30～60%。

本发明通过光固化快速成形、电弧喷涂、树脂腐蚀等技术的结合得到的 金属模具，在5-8天内制造金属模具，其精度可达到CT4等级，且模具导热 性好、强度较高，保证蜡模成形时能均匀快速冷却。本方法相对于传统技术 制造周期短，节省材料和成本，可以快速制造复杂金属模具。所述的模具尺 寸精度和表面质量高于目标制备物蜡模的精度质量，同时在混合材料灌注的 时候保持装配模具外形尺寸不变形；所述的金属模具被打磨后表面光滑，无 气泡或者凸起。

参见图3-1～图3-4，下面给出一个具体的实施例，按照上述流程制造某 型号涡轮叶片模具（如图1所示），具体包括以下操作：

1、模壳设计与光固化制造。根据叶片结构分模，设计公母模结构，将公 母模结构体抽壳2.5mm，去除上表面得到叶片模具公母模结构图。使用光固 化设备按照每层0.1mm制造光固化模壳结构，得到模具公母模的树脂件。将 树脂件经过电弧喷涂后腐蚀去除树脂，可得到金属型壳，如图3-1所示。

2、制造金属冷却水道。设计冷却水道结构，光固化制造冷却水道结构树 脂件。将树脂水道经过电弧喷涂后腐蚀去除树脂可得到金属冷却水道，如图 3-2所示。

3、模具骨架组装。将金属冷却水道与金属模具型壳组装，得到装配后的 模具骨架结构，如图3-3所示。

4、钎料填充固化成形。将低熔点钎料加热到200摄氏度，填充入模具骨 架结构中，待冷却固化后表面打磨即可得到上下金属模，如图3-4所示。

5、模具装配。将得到的上下金属模装配即可得到最终涡轮叶片模具，如 图2所示。