模具的數(shù)字化設(shè)計和快速制造技術(shù)

利用傳統(tǒng)方法設(shè)計注塑模，主要特點是憑借設(shè)計人員的經(jīng)驗，從最初的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析到模具的布局設(shè)計、型腔設(shè)計、模架設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計等環(huán)節(jié)都需要進(jìn)行大量計算，翻閱技術(shù)手冊，選定技術(shù)參數(shù)，最后手工繪制出模具的二維零件圖和總裝圖，整個過程交互性差，不利于各環(huán)節(jié)技術(shù)人員的交流溝通，導(dǎo)致設(shè)計過程中模具修改頻繁，延長了設(shè)計周期和增加了設(shè)計費用。

本課題采用改進(jìn)的數(shù)字化設(shè)計方法，利用計算機技術(shù)來輔助注塑模的結(jié)構(gòu)設(shè)計。在三維造型軟件（U G /ProE）平臺下，由設(shè)計人員輸入一些參數(shù)后直接形成注塑模的三維模型，為所見即所得的設(shè)計模式。

以本課題組自主開發(fā)的滴灌用新型渦流灌水器為例，滴灌產(chǎn)品關(guān)鍵功能部位的特征尺寸只有1 m m 左右，成型精度高達(dá)± 0.01mm，屬于精密注塑范疇。為了保證滴灌產(chǎn)品注塑件的成型精度，提高模具設(shè)計與制造的一次成功率，采用的注塑模具數(shù)字化設(shè)計路線具體過程為：首先，根據(jù)產(chǎn)品的CAD 模型，利用注塑模具計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)完成灌水器的注塑模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計，這里采用了一模八腔的非自然平衡流道的設(shè)計，利用這種所見即所得的方法設(shè)計注塑模，所需工作量只有2～3人/天，提高了模具設(shè)計的效率。在完成注塑模設(shè)計之后，如果直接進(jìn)行制造往往還存在一定的風(fēng)險，可能帶來很大的經(jīng)濟和時間損失。為此，有必要利用計算機模擬技術(shù)，利用已設(shè)計好的模具進(jìn)行注射過程模擬，預(yù)測可能產(chǎn)生的缺陷，如充型不充分、各型腔注射進(jìn)程不一致等問題。本課題利用華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室自主開發(fā)的華塑CAE 系統(tǒng)，對上述新型渦流灌水器進(jìn)行了注射模擬。充型結(jié)果顯示，從各時間點的流道前沿可以看出各型腔的沖型進(jìn)程基本一致，模具設(shè)計合理。

本文主要介紹本課題組研究的可用于模具快速制造的3種SLS金屬零件的間接制造工藝，并簡要介紹本課題組正在研究的選擇性激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）技術(shù)。

1 SLS 成型/ 燒結(jié)/ 浸漬

利用華中科技大學(xué)自行研發(fā)的SLS 設(shè)備，采用如下的工藝路線制造致密金屬零件:

（1）利用SLS 燒結(jié)鐵粉與高聚物的混合物，成型任意復(fù)雜形狀的低強度型坯;
（2）對型坯進(jìn)行脫脂處理，去除高聚物，形成多孔型坯;
（3）進(jìn)行二次燒結(jié)，提高型坯強度;
（4）浸漬銅/ 樹脂，形成致密零件。從純鐵SLS 燒結(jié)、滲銅后的微觀組織可以看出，純鐵顆粒中出現(xiàn)了Fe-Cu 共析組織，促進(jìn)了合金元素的擴散，從而改善了型坯的機械性能。除了處理滲金屬外，從純鐵SLS燒結(jié)后浸漬樹脂的微觀形貌可以看出，浸漬前型坯內(nèi)有許多孔隙，導(dǎo)致型坯強度較低，而浸漬樹脂后孔隙被樹脂填充，且樹脂與金屬顆粒緊密粘結(jié)，形成密實的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，強度大幅提高。本課題組利用該工藝成功制造出高性能的金屬零件，其中以復(fù)雜結(jié)構(gòu)小葉輪為典型代表。
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SLS 燒結(jié)金屬覆膜金屬粉末工藝路線

SLS 燒結(jié)后滲銅合金的部分機械性能

2 SLS成型覆膜金屬粉末

該工藝具有制造速度快、成本低的特點，所制造的金屬零件熱導(dǎo)性和力學(xué)性能優(yōu)良，其步驟如下：

（1）由尼龍12 粒料、Cu 粉制備尼龍12 覆膜Cu 粉的復(fù)合粉末材料；
（2）利用SLS 燒結(jié)尼龍12 覆膜Cu 粉復(fù)合粉末材料，成型任意復(fù)雜形狀的零件型坯；
（3）浸滲低粘度、耐高溫環(huán)氧樹脂，密封型坯的表面孔隙，提高其強度和耐熱性。

3 SLS成型與冷等靜壓(Cold Isostatic Pressing,CIP)/ 熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing, HIP)復(fù)合工藝

利用華中科技大學(xué)自行研發(fā)的SLS 設(shè)備，采用如下的工藝路線制造致密金屬零件:（1）利用SLS 技術(shù)燒結(jié)金屬粉末與高聚物的混合物，成型具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的低強度型坯;（2）進(jìn)行脫脂，去除高聚物，形成多孔型坯;（3 ）進(jìn)行CIP/HIP，形成高性能的致密零件。SLS 型坯經(jīng)過CIP后，型坯粉末顆粒間形成的燒結(jié)頸被破壞，粉末顆?？緾IP過程的壓力作用“冷焊合”在一起，沒有達(dá)到冶金結(jié)合，所以CIP 后需進(jìn)行燒結(jié)處理，其機械性能可得到進(jìn)一步提高。從SLS 成型的齒輪零件經(jīng)CIP 處理前后的形狀對比可看出，其體積變小15%～20％，沒有發(fā)生變形。SLS 型坯經(jīng)過C I P處理后，零件致密度達(dá)到80％以上，但還難以滿足模具的性能要求，于是提出了SLS 與HIP 的結(jié)合工藝，本課題組正在進(jìn)行相關(guān)研究，初步表明HIP 后各項性能均有提高。
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SLS 燒結(jié)+CIP/HIP 工藝路線

SLS 燒結(jié)型坯浸滲樹脂前后的部分機械性能對比

4 SLM 直接成型制造

上述３種工藝均是建立在S L S技術(shù)的基礎(chǔ)之上，實現(xiàn)任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬零件的間接制造技術(shù)。為了克服SLS技術(shù)成型零件時面臨的工藝繁瑣和零件致密度低的問題，我們提出并自主研發(fā)了選擇性激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)裝備，并初步研究了利用SLM 法直接制造致密金屬零件。通過分析SLS 與SLM成型的FeCuC 合金材料的金相組織微觀S E M 形貌可知，SLS/ 滲銅后的金相組織為珠光體和a-Cu，SLM 制件的金相組織為針狀馬氏體和殘余奧氏體。經(jīng)顯微硬度測試，S L M 制件的顯微硬度達(dá)到HB350，與SLS 間接法制件的硬度相比有明顯提高。在本課題組利用SLM制造的試驗樣件中，復(fù)雜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)樣件的外形尺寸為20mm× 20mm × 10mm，內(nèi)含孔直徑僅有2 m m ，細(xì)微結(jié)構(gòu)清晰，具有較高的成型精度。

上述的數(shù)字化設(shè)計與多種快速制造技術(shù)為模具的快速制造提供了成套的解決方案。以SLS燒結(jié)/浸漬工藝為例，具體介紹本課題組研制成功的具有隨形冷卻水道的注塑模的應(yīng)用實例。