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快速批量生产模

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发表于 2010-10-10 11:15 | 显示全部楼层 |阅读模式
快速批量生产模
% k! {% _  ~  H; c8 g目前,比较成熟的快速批量生产模(又称为快速硬模)有以下7种:(1)具有共形冷却道的镍壳-铜层-背衬(ExpressTool)模;(2)电铸镍壳-陶瓷背衬(NCC)模;(3)气相沉积镍壳-背衬(NVD)模;(4)烧结工具钢/碳化钨-渗铜(3D Keltool)模;(5)直接金属激光液相烧结(DMLS)模;(6)分层高速切削-叠合金属模;(7)直接金属喷镀(DMD)模。本文将着重介绍已在国外广泛采用的ExpressTool模。
% u# w- y# Y" ?1  ExpressTool模的结构
6 P: F- u3 S- ~9 A! z# m. ?ExpressTool模见图1是一种具有共形冷却道的镍壳-铜层-背衬模,它先在母模表面电铸镍壳,然后设置共形冷却道,再电镀铜层,并浇注背衬而构成,其核心技术是采用了电铸镍-铜复合壳,以及共形冷却道。" C/ W+ n# E: C3 d! Q# N1 G) ^, [
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(1)电铸镍壳
! m( j/ A9 K$ j' `电铸(electroforming)是利用电化学反应中的阴极沉积现象,在阴极表面获得金属型芯或型腔壳体的一种加工方法,即用预先按所需形状制作的母模作阴极见图2,用电铸材料作阳极,将它们一同放在与阳极材料相同的金属盐溶液中,并在阴极和阳极之间通以直流电。在电解作用下,金属盐溶液中的金属离子在阳极获得电子后,传送到阴极并沉积在阴极表面上,阳极的金属原子失去电子而成为金属阳离子,源源不断地补充到电铸溶液中,使溶液中的金属离子浓度保持基本不变。当原模表面的沉积层达到所需的厚度时,停止电铸,从溶液中取出带有电铸层的母模,并使二者分离,获得与母模形状相反但尺寸和表面光洁度基本一致的金属复制件。电铸的金属通常有铜、镍与铁等,以镍的电铸应用最广。在CD/VCD光盘的生产中已广泛采用电铸工艺,通过玻璃母模来制作注塑模的镍壳见图3。* {3 \3 Y6 G3 N" b
ExpressTool模的镍壳是由快速成形件做母模,经导电化处理后电铸而成,厚度应达到2mm。采用电铸镍壳的优点是:1)电铸件的复制精度高,它能复制出机械加工难于制作的精细表面(如花纹、皮纹、文字等0.1mm以内的母模特征),以及形状复杂的高精度、高表面质量的型芯与型腔,并且,电铸件的组织精细,因此,只要母模有足够的精度和表面光洁度,电铸件就有足够的精度和表面光洁度,例如,能够复制表面粗糙度Ra=0.1mm的高品质光学表面,用于成形塑料镜片。2)电铸件的硬度和强度高,例如,电铸镍的硬度可达HRC3550,抗拉强度一般为550650MPa,可耐300的高温,不易变形,无需热处理,有较好的防腐能力,因此使用寿命长。3)电铸的型芯与型腔面很光洁,无需再抛光。4)可采用任何材质的母模,它可以是石膏、蜡、纸基材料、塑料、皮革、木材、低熔点合金、不锈钢与铝等,因此,母模易于成形,不一定必须用CNC机床加工。5)电铸所用设备较简单,成本较低。' O0 @5 H# w$ z% C& w/ u

+ H: o9 x, A8 }% u) ?- A- Y8 u(2)电镀铜层
+ h9 e, b. W3 C& D/ E- L9 G2 G电镀铜层的厚度约为4mm,采用电镀铜的原因是:1) 与电铸镍相比,电镀铜更快,能缩短制作周期。2) 铜的热导率比镍高得多,因此,能加快工件冷却,缩短注塑循环时间,提高生产率。3) 薄镍壳背面的电镀铜层是良好的控温体。4) 电镀铜有良好的抗压强度(280~336 MPa)。5) 电镀铜的线膨胀系数为16.5×10-6 K-1,非常接近电铸镍的线胀系数13.6×10-6 K-1 。这样小的线胀系数差(2.9 ×10-6 K-1)是很重要的,因为在这种条件下,每一次注射循环中诱发的最大应变仅为0.07%,它处于镍与铜的屈服点之下,属于弹性变形的范围。大的线膨胀系数差与收缩差会导致大的诱发应力、塑性变形、疲劳、脱层与模具失效。目前, ExpressTool 模的寿命已达270 000次注射,而无脱层问题。. Q( f# t8 X! S% D
(3)CCC冷却道      
1 `4 Q* T+ e) i& ?5 n# T; P共形冷却道(Conformal Cooling  Channel,简称CCC)的布置与注塑件的主轮廓形状近似见图4,其截面形状可为圆、椭圆等。这种冷却道不仅能提高冷却效率,缩短注射循环周期30%~50%,而且可显著缩小模面上的温差DTmax,减小工件中的内应力与翘曲变形,提高工件的品质。. _1 k7 }) w$ X" J3 |
显然,共形冷却道的优点相当突出,但是,如果要用传统的机加工方法,在一整块钢材中制作这样复杂的冷却道是很困难的,只能制作直线排列的钻削式(Drilled Cooling Channel,简称DCC)冷却道,而采用ExpressTool工艺能方便地制作共形冷却道。1 n  F8 ~  O0 i& Q) r
(4)背衬 2 p. e1 y+ ?+ }$ }. s4 b7 u- q3 T
ExpressTool模常用环氧树脂或低熔点金属做背衬,也可用高强度化学粘结陶瓷(CBC)或钢材作为支撑背衬。
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3 j* a. p( S6 D( H+ k: z9 vExpressTool 模的制作周期仅为1~2周,显著短于传统CNC机加工的钢模的制作周期(12~15周)。
" A1 V: o! {7 }8 Y, K3 T6 l2  ExpressTool模的特点  J. S3 L! {( Y
ExpressTool模不仅可替代钢质注塑模,用于大批量生产注塑件,而且还有以下特点:( E6 y( @- E* V9 ~* M6 x) D
(1)镍壳-铜层的热导率高
8 Y( a9 r9 d; k从图4可见,2 mm厚镍-4 mm厚铜复合壳的热导率稍低于铝,为180 W/(m·k),约是传统H-13模具钢的热导率的7倍,因此,它具有良好的综合特性:相当高的热导率,以及高硬度的工作面(镍面),良好的耐磨性、抗腐蚀性、工件脱模性与抛光性,这些特性对于注塑工艺非常重要。实践表明,ExpressTool模具已能注射100 000次以上,有的已达到270 000次注射,而无明显的磨损痕迹。, j# y2 t0 w9 x! ^
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(2)冷却效果好0 j4 |( X  `2 ?
从图6可见,与其它形式的冷却道相比,共形冷却道有能明显提高散热效果,从而可使型腔上的温差缩小至0.9℃。
" i5 }+ y0 J0 ^3 ~$ L. g2 J" G3 P(3)易于设置共形冷却道
, o/ g/ K9 o  |8 Z- u! ~6 c0 C/ U由于易于设置共形冷却道,使模具上的热点数量减少,模面的温度分布与塑料工件的收缩更均匀,诱发的应力小,工件的翘曲变形小,能缩短注塑循环周期。7 Q$ J* H) `  m1 m3 E' Q2 w

+ J4 z3 `# g2 ~, \) a- W(4)能提高注塑生产率。; m1 q  K' u4 o% q$ f
采用镍-铜复合壳与共形冷却道后,与传统机加工的钢模相比,平均能提高注塑生产率约33%。例如,瓶盖工件的注塑,采用传统H-13/DCC模时,循环周期为15s,即生产率为240件/h;而采用 ExpressTool 模时,循环周期缩短至9s,即生产率为400件/h,提高了67%。若按循环周期为1 0s、每天工作12h、每周工作5天计算,那么,每周可注塑约20 000件,每年可注塑约1 000 000件。9 A5 `6 O8 m7 O$ [2 P! x- R- a
3  ExpressTool模的制作工艺
1 t, i  k" u0 x, A' B0 oExpressTool 模的制作工艺过程有如下几个主要步骤:
+ B& N7 V7 a% V/ S1 K! n(1)电铸镍壳
: ^: @) }# |- K. [2 t# i8 _# e将已导电化的母模作阴极,镍板作阳极,连于电铸槽中,电铸镍壳见图7 。当电铸的镍壳足够厚(如2 mm)后,从电铸槽中取出母模及仍与其相连的镍壳,并将它们置于清水中冲洗,然后晾干。! |2 H- j0 Y' r3 N
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(2)制作共形冷却道$ D, [# r: m, j& e  c9 H( F
将铜管置于镍壳的背面,并弯曲铜管,以便使其与注塑件的主轮廓形状共形见图8。: u( V& Z. W7 ~4 x6 G0 `  t8 o
(3)电镀铜层
+ ?* l2 E# k6 D1 e; |将电铸的镍壳与相连的母模,以及已定位的共形冷却道,置于第二个铜电镀槽中见图9 ,使铜镀于镍壳上,并用电镀铜包裹共形冷却道,因此,注射塑料的热量可通过镍壳与铜层, 直接传至冷却道,然后通过对流而排出。! b2 ^! |8 R% q/ f; G2 q& h. |
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(4)浇注背衬
! P$ v$ S( u$ L( u; O$ I对母模-镍壳-铜层-冷却道构成的组合件浇注背衬见图10。
  P! F& f/ o1 L2 a(5)装配       ! [0 r4 r# O' a/ s, ]; \% t
取出母模,将制成的型腔安装于模架中见图11 ,穿过背衬层-铜层-镍壳钻推料孔,
/ J8 r" P) y0 }, e1 e2 e# {得到注塑模。
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. o' j& K! X) R. u; W" X" \/ @- m图12是上海富奇凡机电科技有限公司制作的手机机壳的ExpressTool注塑模,图13是装配在模架中的手机机壳ExpressTool注塑模,图14是在注塑机上用此模进行注塑成形的情况。实际使用证明,这种模具完全可以取代传统整体钢质注塑模,值得大力推广。- h3 |0 o: B% ~) b- G
我国的有些单位也制作了类似ExpressTool的电铸注塑模,例如,福建轻工研究所用电铸法制作的电动气泡太空枪的注塑模(见图15),从此图可见,其凹模由电铸镍壳、挂锡层和低熔点合金背衬等三层组成,电铸件的投影面积约500mm2,但是,未采用镀铜层和共形冷却道。- r2 p7 F  h% C+ O5 S( q$ y

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发表于 2010-10-10 11:28 | 显示全部楼层
谢谢楼主的贡献,见识了
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