高熔点金属电弧喷涂陶瓷型母模的快速制造工艺与装备

摘要

本发明公开了一种高熔点金属电弧喷涂陶瓷型母模的快速制造工艺与装备，具体制备步骤为：步骤1，用层叠堆积的方法制造母模；步骤2，硅胶浇注：将母模置于型框内，并用浇道棒支撑在母模与型框底板之间，然后浇注硅胶或ABS料，在室温下固化8-15h或在固化箱内保持120-150℃固化2-6h；步骤3，制作分型面取出母模：拆除型框，根据母模的形状特点，制作分型面，然后沿着分型面对硅胶分型，取出所述母模和浇道棒；步骤4，浇注陶瓷浆料：将取出母模后的硅胶沿分型面合模，然后翻转180°，将配制好的耐高温陶瓷浆料沿着浇道棒留下的右侧孔浇入，浇道棒留下的左侧孔则作为冒口，待其充型后，室温下固化20-26h后，开模取出复型后的耐高温陶瓷母模。

说明书

技术领域

本发明涉及快速模具的制造方法与工艺装备，特别涉及一种高熔点金属电弧喷涂陶瓷型母模的快速制造工艺与装备。

背景技术

金属电弧喷涂快速制模技术是一种基于“复制”的制模技术，它以一个实物模型(或称为原型)作为母模，以电弧为热源，通过高速气流将熔融状态的金属材料雾化，并使其喷射、沉积在母模表面上，形成一定厚度的致密金属型壳，即模具型壳。模具型壳精确拷贝了原型的形状，获得了所需的模具型腔，在完成补强、脱模、抛光等后处理工艺后，即可完成模具的快速制造。电弧喷涂模具制造完成后一般不再需要另外的机械加工，就可以直接用于成形制造。根据实际情况与需要也可以进行少切削量的数控精加工，因此，电弧喷涂制模技术实质上是一种“近净成形制模技术”。

金属喷涂模具以母模为标准，模具型腔尺寸、几何精度完全取决于母模，型腔表面及其精细花纹一次同时形成，故制模速度快，制造周期短，成本低，同时拥有较长的模具寿命，制造周期约为传统数控加工的一半，制造费用可以节省至少25％以上，成为新产品开发及小批量生产的重要途径。模具表面光洁度好，工艺简单，设备要求低，比较适合于注射成型模、压铸模、板料冲压模的快速制造，在表面形状复杂及具有精细花纹的各种聚氨酯制品的吹塑、吸塑、PVC注射、PU发泡及各类注射成型模具中，花纹复制的特征细节甚至可以达到5μm。

目前该快速模具制造技术已被广泛地应用于飞机、汽车、家电、家具、制鞋、美术工艺品等行业。在美国及中国东南沿海，几乎所有的聚氨酯鞋底制造商在其自动成型生产设备上都采用了电弧喷涂模具进行生产。在汽车制造中，可以用来生产驾驶盘、汽车仪表盘、坐垫、头部靠垫、阻流板、汽车内饰顶蓬等。近年来，电弧喷涂制模技术已经开始用于制造汽车覆盖件冲压模具，喷涂材料不同，喷涂模具的强度、硬度、精度和寿命也不尽相同，因而应用范围也存在差异，有的适合用于汽车样车的试制，有的甚至可以在生产线上替代传统的钢模具进行生产。

在国内，喷涂制模的材料主要是中低熔点金属，西安交通大学和烟台机械工艺研究所为国内最早的研发单位，西安交通大学先进制造技术研究所，自90年代以来，对表面成型制模技术、低熔点合金浇铸成型制模技术以及模具树脂制模技术等快速制模工艺进行了长期的研究和实践，并在金属电弧喷涂成型快速制模技术上拥有发明专利(ZL200810232335.0；ZL200810232334.6)。在长安汽车、洛阳一拖、上海中顺、柳州微汽等企业应用。经试制检验，合格的快速模具的3D数据用于制造大批量生产用钢模具，可避免在钢模具的设计和制作上的反复，保证钢模具一次加工成功。发明专利“一种高熔点金属电弧喷涂快速制模方法(专利号为：ZL200810232335.0)”只是介绍了根据产品的形状和尺寸确定母模基体的形状和尺寸，以耐高温陶瓷原料制作无焙烧陶瓷母模基体，至于耐高温陶瓷原料的配方、陶瓷型母模制作的工艺未作详细的介绍和说明；发明专利“一种由于电弧喷涂母模具体的快速制备方法(专利号为：ZL200810232334.6)”公开了一种用于电弧喷涂母模基体的快速制备方法。该母模基体属于一种菱镁复合材料，含有轻烧氧化镁41.2～57.7％，工业氯化镁15.9～36.1％，短切碳纤维≤2.0％，其余为水。这个喷涂母模基体材料配方制作的母模满足不了高熔点金属电弧喷涂的高温耐热性能和机械性能的需要。

对于锌、锌铝合金等中低熔点金属喷涂制模而言，目前主要采用半水石膏材料制作毛坯，干燥后经数控加工得到喷涂用母模。石膏成本低，易切削，但纯石膏材料制作的母模表面喷涂工艺性差，在未经改性的石膏表面喷涂，容易出现涂层沉积困难，涂层剥落等现象。此外，半水石膏水化反应的理论需水量仅为其重量的18.6％，在使用中为了使浆体具有足够的流动性，通常的加水量远大于理论需水量，β型石膏水固比达60％～80％，α型石膏水固比为35％～45％，对于大型汽车覆盖件模具而言，石膏毛坯湿重达数吨，含水量达数百公斤，其干燥速度和成本将直接影响喷涂模具的制作周期和成本。

利用中低熔点合金喷涂制模，金属熔点相对较低，例如，Zn熔点为419℃，而Al为658℃，对母模基体的热输入小，母模表面温升小、变形小，如有些材料所导致的母模表面温升小于70℃。因此，母模材料可以有多种选择，木材、树脂、石膏甚至纸都可以用来制作母模。这种制模方法的主要缺点就是模具表面硬度较低(HV46～67)，因而模具寿命较短。

对于高熔点、高硬度金属电弧喷涂制模而言，因为喷涂材料的熔点高(1400～1500℃)，对母模基体的热输入大，母模表面温升大，因此要求母模材料具有较高的耐热性能和一定的高温机械性能。金属微粒达到母模表面的温度很高，必须要采用耐高温基体材料制作母模，同时母模还必须要具有较好的高温强度和较低的线胀系数。包括普通石膏在内的大多数中低熔点金属喷涂用母模材料，都不能用于高熔点材料的喷涂，无法满足工业生产需要。耐高温陶瓷型母模的材料配方和快速制造工艺，是高熔点金属电弧喷涂快速制模技术的基础和保障。

发明内容

本发明针对中低熔点金属电弧喷涂快速制模技术存在的不足，提供一种高熔点金属电弧喷涂陶瓷型母模的快速制造工艺与装备，它不仅制造速度快，复型精度高，而且具有成本低，流动性好，耐高温，易加工，喷涂材料与母模结合强度高等特点。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高熔点金属电弧喷涂陶瓷型母模的快速制造工艺，具体制备步骤为：

步骤1，用层叠堆积的方法制造树脂母模；

步骤2，硅胶浇注：将树脂母模置于型框内，并用浇道棒支撑在树脂母模与型框底板之间，然后浇注硅胶或ABS料，在室温下固化8-15h或在固化箱内保持120-150℃固化2-6h；

步骤3，制作分型面取出树脂母模：拆除型框，根据树脂母模的形状特点，制作分型面，然后沿着分型面对硅胶分型，取出所述树脂母模和浇道棒；

步骤4，浇注陶瓷浆料：将取出母模后的硅胶沿分型面合模，然后翻转180°，将配制好的耐高温陶瓷浆料沿着浇道棒留下的右侧孔浇入，浇道棒留下的左侧孔则作为冒口，待其充型后，室温下固化20-26h后，开模取出复型后的耐高温陶瓷母模。

所述步骤1中，树脂母模材料采用液态光敏树脂，使其在激光束的照射下快速固化，通过层叠堆积制造母模：首先建立母模的三维CAD模型，再把三维模型离散分层；然后，在计算机程序的控制下，利用激光扫描的方式在工作台上逐层光固化成型每一个层面的截面形状，每固化一层，工作台下移一个层片距离，以此类推；采用这种方式，直至整个母模成型完成，母模成型完成后，关闭激光器，将工作台移出液面，从工作台上将母模取下，再经过后处理和多次固化，进一步提高母模的形状精度和结合强度。

所述步骤4中，所述耐高温陶瓷浆料为水解液和陶瓷混合料搅拌制作而成，其中水解液与陶瓷混合料的质量分数为50-60％；水解液由质量分数为65-75％的硅酸乙酯、8-12％的无水乙醇、0.5-1％的盐酸、0.5-1％的醋酸、0.5-1％的甘油，其余为水配制而成；陶瓷混合料为陶瓷和金属粉按质量百分数为70-80％混合而成，陶瓷采用粒径为20-65μm的莫来石、Al₂O₃或者SiC，金属粉采用粒径为50-80μm、碳的质量分数小于0.25％的铁碳合金。

一种高熔点金属电弧喷涂陶瓷型母模的快速制造工艺用装备，它包括机台，机台设有树脂箱，在树脂箱内设有承载树脂母模原型的工作台，工作台与升降装置连接，在树脂箱顶部设有刮平装置，激光器设置在与树脂母模原型相应的位置；升降装置、刮平装置和激光器均与控制计算机连接。

所述升降装置包括丝杠，丝杠顶部设有电动机，丝杠上安装竖滑块，竖滑块底部设有定位装置；竖滑块安装在立背的竖滑道以及两立柱上；丝杠底部则与支撑装置配合；两立柱底部伸入树脂箱内并与工作台连接；电动机与控制计算机连接。

所述刮平装置包括刮平器，它在水平导轨上移动，水平导轨设置在机台上；刮平器两端和皮带用螺栓相连，从而实现刮平器和皮带运动的同步，在皮带和刮平器相连处放置行程块，皮带与带轮连接，带轮与带传动电机连接，带传动电机与控制计算机连接。

所述工作台为带有很多圆形小孔的薄钢板，工作台下部的角铁和工作台长度相当，通过多个螺钉将角铁和工作台固联，同时角铁还与立柱连接。

所述滚珠丝杠下端支撑装置包括一对滚动轴承，滚动轴承上部是轴承套，下部是轴承端盖，丝杠置于滚动轴承之间。

所述定位装置包括螺母，螺母和竖滑块用螺栓联接。

采用上述技术方案的高熔点金属电弧喷涂陶瓷型母模的快速制造工艺用装备，在计算机程序的控制下，利用激光照射混合均匀的液态树脂，每固化一层，工作台下移一个层片距离，以此类推，采用这种方式，直至整个母模成型完成。高熔点金属模具型壳快速制造技术是一种“复制”的制模技术，它以耐高温陶瓷型母模作为基体，以电弧为热源，通过高速气流将熔融状态的金属材料雾化，将喷涂粒子喷射、沉积在基体表面上，形成一定厚度的致密金属涂层，即模具型壳。型壳精确拷贝了原型的形状，获得了所需的模具型腔。

本发明的有益效果是：与现有的石膏型等低熔点母模相比，为了增加石膏浆体的流动性，B型石膏水固比达60％～80％，α型石膏水固比为35％～45％，对于大型汽车覆盖件模具而言，石膏毛坯湿重达数吨，含水量达数百公斤，其干燥速度和成本将直接影响喷涂模具的制作周期和成本。使用本发明制作的母模具有以下优点：不仅制造速度快，周期短，成本低，而且具有复型精度高，流动性好，耐高温，易加工，喷涂材料与母模结合强度高等特点。

采用本发明方案制作的高熔点金属电弧喷涂陶瓷型母模涂层结合强度高，表面粗糙度Ra值小于3.2μm，复型精度高于IT7，加工性能好，在温度高于1650℃依然具有非常好的机械性能，成本比石膏型母模至少节省25％以上，周期降低到1/3～1/5。

从表1-3明显可以看出，与低熔点的石膏型母模相比，耐高温的陶瓷型母模的结合强度、耐高温性能、复型精度均具有明显的优势。

表1α型石膏和陶瓷型母模结合强度对比

表2α型石膏和陶瓷型母模耐高温对比

表3α型石膏和陶瓷型母模复型精度及成本对比

附图说明

图1是一种实施例的采用层叠堆积的方法制造母模示意图；

图2是这种实施例的硅胶浇注示意图；

图3是这种实施例的制作分型面取出母模示意图；

图4是这种实施例的浇注陶瓷浆料示意图；

图5是这种实施例的复型后的陶瓷母模示意图；

图6是这种实施例的快速制造工艺用装备主视图；

图7是这种实施例的快速制造工艺用装备左视图；

图8是这种实施例的快速制造工艺用装备带传动机构、刮平器连接方式示意图；

图9是这种实施例的快速制造工艺用装备滚珠丝杠副带动工作台移动的示意图。

其中，1树脂母模原型，2硅胶(ABS料)，3浇注容器，4浇道棒，5型框，6分型面，7冒口，8陶瓷浆料，9漏斗，10浇口，11复型后的耐高温陶瓷母模，12树脂箱，13机台，14水平导轨，15刮平器，16传动轴，17立柱，18竖滑块，19丝杠，20电动机，21立背，22螺母，23带传动电动机，24行程块，25带轮，26皮带，27角铁，28树脂，29工作台，30激光器，31激光束，32滚动轴承，33竖滑道，34螺栓，35轴承套，36轴承端盖。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：

图1-图5中，制备步骤为：

1)用层叠堆积的方法制造树脂母模：树脂母模原型1的材料采用液态光敏树脂28，使其在激光束31的照射下快速固化，通过层叠堆积制造树脂母模原型1，首先建立树脂母模原型1的三维CAD模型，再把三维模型离散分层，然后，在计算机程序的控制下，利用激光扫描的方式在工作台29上逐层光固化成型每一个层面的截面形状，每固化一层，工作台29下移一个层片距离，以此类推，采用这种方式，直至整个母模成型完成，树脂母模原型成型完成后，关闭激光器30，将工作台29移出液面，从工作台29上将树脂母模原型1取下，再经过后处理和二次固化，进一步提高母模原型的形状精度和结合强度。

(2)硅胶浇注：将树脂母模原型1置于型框5内，并用2个浇道棒4支撑在母模原型1与型框5底板之间，然后浇注硅胶2，在室温下固化15h。

(3)制作分型面取出母模：拆除型框5，根据母模原型1的形状特点，制作分型面6，分型面的目的就是使母模原型1从硅胶2中脱模方便，不损伤硅胶和母模原型，然后沿着分型面6用手术刀片对硅胶分型，取出母模原型1和2个浇道棒4。

(4)浇注陶瓷浆料：将取出母模原型1后的硅胶上下2个型腔沿分型面6合模，然后翻转180°，将配制好的耐高温陶瓷浆料8沿着浇道棒4留下的右侧孔即浇口10浇入，浇道棒4留下的左侧孔则作为冒口7，待其充型后，室温下固化26h后，开模取出复型后的耐高温陶瓷母模11。

所述耐高温陶瓷浆料8为水解液和陶瓷混合料搅拌制作而成，水解液与陶瓷混合料的质量分数为60％；水解液由质量分数为72％的硅酸乙酯、10％的无水乙醇、0.5％的盐酸、0.5％的醋酸、1％的甘油，其余为水配制而成；陶瓷混合料为陶瓷和金属粉按质量分数为75％混合而成，陶瓷采用粒径为60μm的莫来石(Al₂O₃-SiO₂)，金属粉采用粒径为55μm、碳的质量分数为0.20％的铁碳合金。

实施例2：制备步骤为：

(1)用层叠堆积的方法制造树脂母模：树脂母模原型1的材料采用液态光敏树脂28，使其在激光束31的照射下快速固化，通过层叠堆积制造树脂母模原型1，首先建立树脂母模原型1的三维CAD模型，再把三维模型离散分层，然后，在计算机程序的控制下，利用激光扫描的方式在工作台29上逐层光固化成型每一个层面的截面形状，每固化一层，工作台29下移一个层片距离，以此类推，采用这种方式，直至整个母模成型完成，树脂母模原型成型完成后，关闭激光器30，将工作台29移出液面，从工作台29上将树脂母模原型1取下，再经过后处理和二次固化，进一步提高母模原型的形状精度和结合强度。

(2)硅胶浇注：将树脂母模原型1置于型框5内，并用2个浇道棒4支撑在母模原型1与型框5底板之间，然后浇注ABS料2，然后在固化箱内保持150℃固化6h。

(3)制作分型面取出母模：拆除型框5，根据母模原型1的形状特点，制作分型面6，分型面的目的就是使母模原型1从ABS料2中脱模方便，不损伤ABS料和母模原型，然后沿着分型面6用手术刀片对ABS料分型，取出母模原型1和2个浇道棒4。

(4)浇注陶瓷浆料：将取出母模原型1后的ABS料上下2个型腔沿分型面6合模，然后翻转180°，将配制好的耐高温陶瓷浆料8沿着浇道棒4留下的右侧孔即浇口10浇入，浇道棒4留下的左侧孔则作为冒口7，待其充型后，室温下固化23h后，开模取出复型后的耐高温陶瓷母模11。

所述耐高温陶瓷浆料为水解液和陶瓷混合料搅拌制作而成，水解液与陶瓷混合料的质量分数为55％；水解液由质量分数为68％的硅酸乙酯、12％的无水乙醇、1％的盐酸、1％的醋酸、0.5的甘油，其余为水配制而成；陶瓷混合料为陶瓷和金属粉按质量分数为70％混合而成，陶瓷采用粒径为45μm的Al₂O₃，金属粉采用粒径为75μm、碳的质量分数为0.25％的铁碳合金。

如图6所示，一种高熔点金属电弧喷涂陶瓷型母模的快速制造工艺用装备，这种装置是由机械部分和计算机控制部分构成，机械部分主要由平置的机台13，刮平器15，丝杠19，立背21，螺母22，带轮25，工作台29构成；立背21和竖滑道33相连，竖滑块18在滚珠丝杠螺母22的带动下，可以沿着竖滑道33上下移动，两个立柱17与竖滑块18采用螺栓联接，保证立柱17和螺母22同步运动；滚珠丝杠螺母22和竖滑块18用螺栓联接，螺母22上下移动带动竖滑块18、立柱17和工作台29上下移动；立柱17和工作台29利用角铁27和螺栓34联接，工作台29下部角铁27和工作台29长度相当，利用螺钉将角铁27和工作台29固联；滚珠丝杠19下端支撑结构由滚动轴承32、轴承套35，轴承端盖36组成，丝杠19上端与电动机20相连；平置的机台13用于放置树脂箱12和水平导轨14，刮平器15在水平导轨14上移动，刮平器15两端和皮带26用螺栓34相连，从而实现刮平器15和皮带26运动的同步，在皮带26和刮平器15相连处放置行程块24，当皮带26运动到设定位置时，行程块24碰到限位开关，使带传动电动机23停转。

在工作台29的左右两边分别有一套带传动机构，这两个带传动机构通过传动轴16与带传动电动机23相连，实现皮带26和刮平器15的运动。树脂箱12顶上方设有激光器30。

如图6和图7所示，这种高熔点金属电弧喷涂陶瓷型母模的快速制造工艺用装备的机台13和竖置的立背21。其中立背21和竖滑道33相连，竖滑块18可以沿竖滑道33上下移动。滚珠丝杠副的螺母22和竖滑块18连接，螺母22和竖滑块18可以沿着竖滑道33上下同步运动。在竖滑道33两侧连接着两个立柱17，这两个立柱17和滚珠丝杠副同步运动，实现精确控制工作台29运动的要求。图9所示是这种实施例的滚珠丝杠副带动工作台29移动的示意图，电动机20与丝杠19上端相连，滚珠丝杠副的螺母22和竖滑块18联接，丝杠19和螺母22配合带动竖滑块18、立柱17和工作台29一起上下移动。滚珠丝杠19下端支撑结构由滚动轴承32、轴承套35，轴承端盖36组成。

如图6所示，在立柱17的下部，利用四个角铁27和螺栓将左右两个立柱17和工作台29联接，其中工作台29为带有很多圆形小孔的薄钢板。工作台29下部角铁27和工作台29长度相当，利用多个螺钉将角铁27和工作台29固联，可以显著提高工作台的刚度。

在该装置平置的机台13上放有树脂箱12，树脂箱12中装有树脂28，在工作之前，其液面高度和工作台29上端面高度平齐，树脂28具有光固化特性，在树脂箱12顶上方设有激光器30，在一定强度的激光束31照射下树脂28可以按照要求固化，每固化一层层片高度，工作台29下移一个层片距离。如此逐层固化，最后形成树脂母模原型1。

在平置的机台13上还放置两个水平导轨14，刮平器15可以在水平导轨上水平移动，刮平器15的往复运动是通过工作台29两侧的带传动机构实现的，带传动机构由带轮25、皮带26、传动轴16和带传动电动机23构成。

图8是这种实施例的带传动机构、刮平器连接方式示意图，刮平器15两端和皮带26用螺栓34相连，从而实现刮平器15和皮带26运动的同步。在皮带26和刮平器15相连处放置行程块24，当皮带26运动到设定位置时，行程块24碰到限位开关，(限位开关控制行程机构为一般电气结构，未画出)使带传动电动机23停转，可以有效防止刮平器15与树脂箱12相撞。