快速批量生产模

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快速批量生产模
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。
1  ExpressTool模的结构
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。

（1）电铸镍壳
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。
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HRC35～50，抗拉强度一般为550～650MPa，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。

! G; f3 h2 l; u( `（2）电镀铜层
  M; ]/ [. X! ~4 M6 b* ]- ?  `9 P/ R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。
1 |; k- D% a& j, `$ h; j. f（3）CCC冷却道      
$ ]0 G2 G% |; d. |% N  c! G( D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。
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。
* f+ w" v* \- o% G" _, x  u（4）背衬
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。

ExpressTool 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）。
( s- J' C! N, p9 V; P" F0 V2  ExpressTool模的特点
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：
（1）镍壳－铜层的热导率高
5 H9 `# r7 q+ a' e7 F: t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。

（2）冷却效果好
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℃。
（3）易于设置共形冷却道
9 Q- o- |. L* N' }& Y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。

% e; T# C8 R( T! b7 c- j4 _（4）能提高注塑生产率。
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。
5 C. k$ P0 l6 v* ?7 Z7 b3  ExpressTool模的制作工艺
9 m6 b( }& e! `ExpressTool 模的制作工艺过程有如下几个主要步骤：
（1）电铸镍壳
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）制作共形冷却道
/ }4 l  i4 W3 U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。
（3）电镀铜层
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。

（4）浇注背衬
对母模－镍壳－铜层－冷却道构成的组合件浇注背衬见图10。
（5）装配      
* `9 x  v& e. ~/ }" v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，
4 h. ?6 w  ~) R$ ^# ^" k. B得到注塑模。

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。
3 Y! I7 ~& g9 ^. {: {0 o0 }! A/ |5 ~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。
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谢谢楼主的贡献，见识了