一種間接快捷制造模具方法的探討*

程智勇，李曉娟，蔡海鑒

（廣州鐵路職業技術學院機電學院，廣東廣州 510430）

0 引言

快捷原型技術是用離散分層的原理制作產品原型的總稱，其原理如圖1所示。

快捷模具制造分為直接快捷制造模具和間接快捷制造模具[1]；直接快捷制造模具是用選擇性激光燒結技術（SLS）、熔融沉積成型技術（FDM）、分層實體制造技術（LOM）等快捷成型工藝的方法直接制造出模具；間接快捷制造模具是用快捷成型件作為母模或過渡模具，再將所需模具制造出來[2]。

由于直接快捷制造模具的技術參數要求高而模具表面質量難保證，并且綜合力學性能有較高要求等問題[3]，本文重點研究間接快捷制造模具的方法。

1 間接快捷模具的制造基本思路

基于此有必要針對上述問題，提供一種快捷開發模具的間接快捷制造模具的方法。

1.1 總體具體實施方式

如圖2所示，間接快捷制造模具方法包括以下步驟：

（1）采用快捷原型技術制造快捷原型。首先獲得工件的離散數據點云，再構造出工件的三維CAD模型。將三維CAD模型以STL文件格式輸出，并輸入到快捷成型機中進行快捷原型制造，可以將零件上的表面圖紋直接制作出來，通過后期工藝復制在模具上。

（2）以快捷原型為模型，制造硅橡膠反模。

（3）利用硅橡膠反模制造鑄型，所述鑄型具有待制造模具形狀的型腔。

總體思路按上述流程圖來達到間接快捷制造模具，關鍵點是間接快捷制造模具材質合金含量的研究。

圖2 間接快捷制造模具的方法流程圖

1.2 合金含量的研究

各原材料實際加入元素量計算公式為：

圖1 快捷模具制作過程

式中：Mi為含某元素的原材料實際質量；

Ei為元素燒損率；

Hi為某元素在合金中的百分含量；

Yi為某元素在原材料中百分含量；

M鋅是一次熔煉爐料的總質量，試驗中每爐料重500 g。

本文作者設計的間接快捷制造模具，其材質為合金，在合金中添加鋯，可以使金屬球化、細化晶粒，提高合金的塑性和韌性；進一步通過添加稀土元素，使合金的力學性能提高，耐腐蝕性能得到改善。通過研究該方法制造得到的模具，其表面洛氏硬度高達HRC50，能達到開發軌道交通零部件快捷模具所需要的硬度性能；同時可大大縮短制模時間，通一般可在3天左右得到模具，比數控加工節約25%～40%的成本。

（1）合金液按質量百分數計算，包括11%～14%Al，6%～8%Cu，6%～8%Mg，0.2%～0.4%Zr，0.04%～0.06%稀土元素，Zn余量。

（2）稀土元素為Ce、La、Y和Gd中的至少一種。

（3）稀土元素為Ce、La、Y和Gd。

（4）稀土元素是以稀土中間合金（ZnRe中間合金）的形式加入，所述ZnRe中間合金按質量百分數計算，包括 45% ～55%Ce， 10%～15%La， 5% ～10%Y，3% ～8%Gd，Zn余量。

（5）合金液的制備步驟包括：將鋅基中間合金和稀土中間合金加熱熔化，得到所述合金液；其中所述鋅基中間合金由Zn、Al、Cu、Mg和Zr組成，所述稀土中間合金由Zn元素和稀土元素組成。

（6）將鋅基中間合金和稀土中間合金加熱熔化得到所述合金液的步驟具體為：先將所述鋅基中間合金加熱熔化，再加入所述稀土中間合金，繼續加熱熔化，得到所述合金液。

（7）合金液的加熱熔化的溫度為500～600℃。

（8）鑄型的型腔中澆注合金液的步驟之前，還包括將所述合金液冷卻至470～480℃以進行澆注的步驟。

1.3 實驗過程

實驗過程需要用到的設備如表1所示。

該間接快捷制造模具的方法特別適用于軌道交通零部件用模具的制造。

（1）實驗一

實驗一的間接快捷制造模具的方法如下。構建軌道交通零部件的三維CAD模型：獲得軌道交通零部件的離散數據點云，再構造出的三維CAD模型。根據所述三維CAD模型，采用快捷原型技術制造快捷原型：將三維CAD模型以STL文件格式輸出，并輸入到快捷成型機中進行快捷原型制造。

表1 實驗設備清單

以所述快捷原型為模型，制造硅橡膠反模。利用硅橡膠反模制造鑄型，所述制得的鑄型具有待制造模具形狀的型腔：將硅橡膠反模放置在模腔上，并將其固定好，將混制好的石膏等鑄型材料注入模腔內，鑄型硬化后，將硅橡膠反模從鑄型中取出，得到所需形狀模仁的鑄型。

制備合金液：把坩堝放入箱式電阻爐中，加熱，待爐溫升至500℃時，向坩堝中加入鋅基合金，繼續加熱，待全部熔化后，再加入稀土合金，充分熔化，將合金液從箱式電阻爐中取出（具體成份如表2所示），扒渣，攪拌，當合金液降溫至470-480℃時，澆注到鑄型的型腔中，凝固后取得模仁的合金模具。

表2 實驗一至四與對比例一、二中合金液的組成

（2）實驗二

實驗二的間接快捷制造模具的方法與實驗一的基本相同，不同之處在于合金液的組成以及熔化的溫度，實驗二熔化的溫度為520℃，合金液的組成如表2所示。

（3）實驗三

實驗三的間接快捷制造模具的方法與實驗一的基本相同，不同之處在于合金液的組成以及熔化的溫度，實驗三熔化的溫度為550℃，合金液的組成如表2所示。

（4）實驗四

實驗四的間接快捷制造模具的方法與實驗一的基本相同，不同之處在于合金液的組成及熔化溫度，實驗四熔化的溫度為600℃，合金液的組成如表2所示。

對比例一：對比例一的模具制造方法與實驗1的基本相同，不同之處在于合金液的組成及熔化溫度，對比例一的熔化溫度為520℃，合金液的組成如表2所示。

對比例二：對比例二的模具制造方法與實驗一的基本相同，不同之處在于合金液的組成及熔化溫度，對比例一的熔化溫度為550℃，合金液的組成如表2所示。

如表2所示，在鋅基合金中添加鋯元素的含量不同，合金的組織結構表現有所不同。如實驗一，當合金中的鋯含量為0.2%時，合金組織樹枝晶體數量增多，尺寸明顯變小，樹枝晶體臂變得粗短，共晶組織由條狀變成菊花狀的團塊狀[4]。如實驗二，當合金中鋯含量為0.3%時，合金組織初生樹枝晶體平均尺寸稍有減小，共晶組織也得到細化，組織中出現小塊狀顆粒。如實驗三和四，當合金中鋯含量為0.4%時，合金組織中初生晶枝晶臂變得圓整，組織中塊狀顆粒數量增多，使合金球化，細化晶粒。如對比例1，當合金中鋯含量為0.5%時，合金組織初生枝晶又變得粗大，塊狀顆粒較多[5]。在合金中添加0.2%～0.4%鋯元素時，樹枝晶體絕大部分被打斷，同時晶粒得到細化，且分布均勻，主要原因就是合金在凝固時，鋯元素促進了初生相的結晶核增多，同時阻止初生樹枝晶體長大[6]。而對比例一、二，當合金中添加0.5%鋯時，熔體中固溶的鋯元素含量也增加，由于含鋯化合物的迅速生長，減少了起細化作用的鋯元素，以至失去作用，如圖3所示。

圖3 加入鋯元素的合金微觀組織

1.4 鋯元素含量對合金力學性能的影響

適量鋯元素的加入能使合金力學性能得到提高，是因為鋯元素能使金屬球化、細化晶粒，減少偏析，組織分布均勻。提高合金的塑性和韌性；進一步通過浸滲稀土合金，使合金的力學性能提高，耐腐蝕性能得到改善。采用上述方法制造出來的模具，其表面洛氏硬度高達HRC50，達到了開發產品快速模具所需要的性能。圖4為鋯含量對合金力學性能的影響。

圖4 鋯含量對合金力學性能的影響

2 結論

采用實驗一至四的間接快捷制造模具的方法，制得的模具表面硬度、抗拉強度和延伸率，滿足模具的要求，而對比例一、二中，合金中添加鋯元素含量為0.5%以上時，它們的表面硬度、抗拉強度和延伸率就下降，不符合要求。

采用快捷原型技術制造快捷原型；以快捷原型為模型，制造硅橡膠反模；利用硅橡膠反模制造鑄型，鑄型具有待制造模具形狀的型腔；鑄型的型腔中澆注合金液，合金液凝固成型，得到模具，包括10%～15%Al，6%～10%Cu，5%～10%Mg， 0.2%～0.4%Zr，0.04%～0.06%稀土元素，Zn余量。通過用快捷模具制作方法一般可在3～4天得到模具，比數控加工節約25%～40%的成本；模具達到所需要的性能。