专利名称：一种高熔点金属电弧喷涂快速制模方法
技术领域：
本发明属于制造业的先进制造技术领域，涉及快速模具制造方 法，特别涉及一种高熔点金属电弧喷涂快速制模方法。
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涂层，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，在完成背衬材料浇注、脱模、抛 光等后处理工艺后，即可完成模具的快速制造。金属电弧喷涂制模工 艺流程主要包括母模的制备与处理；金属电弧喷涂；填充背衬材料; 脱模及后处理等。根据实际情况与需要也可以进行表面抛光或者进行 少切削量的数控精加工，以获得更高的形状精度、尺寸精度和表面质
对于金属板料拉延成型模具，金属电弧喷涂快速制模的金属材 料一般是锌、锌铝合金等中低熔点金属，金属喷涂模具的硬度、强 度及使用寿命完全取决于喷涂材料，而中低熔点金属硬度低、强度 低，模具使用寿命低，不可能达到大批量生产，应用范围受到限制。
因此，高熔点金属电弧喷涂制造模具，可显著提高金属型壳的 硬度，提高模具的使用寿命，扩大模具的应用范围。中国专利"电弧喷涂汽车覆盖件冲压模具快速制造方法"(公开
号CN1488455)，内容为一种金属电弧喷涂汽车覆盖件冲压模具快速 制造方法。该方法以金属电弧喷涂技术为主，结合玻璃钢成型、环氧 树脂成型、电刷镀等技术实现了汽车覆盖件模具的快速制造，为新车 型开发中的样车试制、覆盖件模具试制提供了快速、经济的服务手段。 该方法包括，喷涂母模准备、基体处理、金属电弧喷涂、背衬材料填 充等工艺步骤，最终形成的模具在横断面上呈现梯度层状结构，各结 构层具有不同的机械性能，有利于发挥材料特性，既保证了模具整体 性能要求，又简化了工艺、降低了成本。该方法未涉及对高熔点金属 材料的制模方法以及对母模的加热。
芬兰技术研究中心申请的中国专利"工具钢及通过喷雾成形快 速加工的方法"(公开号CN1705535)。该专利涉及一种热喷涂模具钢 材料制备模具方法，模具钢材料化学元素成分包括铁、碳、硅、锰、 铬、钼、钒，其中钒成分超过1.4 -%。将模具钢材料雾化，然后喷 涂在陶瓷母模上，母模不停的摆动角度，轴线跟喷嘴保持一定的沉积 角度，使熔滴沉积在母模表面，最终形成快速模具。该方法未涉及电 弧喷涂制造模具技术，该方法也未涉及对母模内表面的预处理和母模 基体的加热。
美国Ford Global Technologies, Inc.,专禾!j， Method of making a spray formed rapid tool,专利号US6513567。该专利是先制造一陶瓷 母模，对陶奪母模进行加热，在母模上喷涂熔融状态的金属颗粒，从 而得到快速制造的模具，该发明未涉及高熔点金属材料制模方法。
目前国内外所采用的热喷涂快速制造模具材料多是中低熔点金
属材料，以锌、锌铝合金等为代表的中低熔点金属电弧喷涂快速制模技术已经在汽车大型覆盖件模具开发和样车制造中得到应用，以其快 速和低成本特点体现出巨大的技术价值并取得良好的经济效益。但由 于锌、锌铝合金的硬度相对较低，模具的使用寿命和应用范围受到一 定限制。
高熔点、高硬度材料的电弧喷涂技术在金属基体上比较容易实 现，但是在非金属母模表面制造模具型壳，工艺上却存在较大困难。 碳素钢、合金钢等高熔点金属在喷涂时涂层收縮率、热应力、孔隙率 都比较大，涂层易开裂、翘曲、剥落，模具型壳制造困难，工艺参数 控制难以掌握，
电弧喷涂过程中碳和合金元素易烧损，易造成涂层多孔和氧化物 夹渣，使涂层性能下降。喷涂丝材成分直接决定着模具型壳的涂层组 织及机械性能。
发明内容
针对中低熔点金属电弧喷涂快速制模技术存在的不足，本发明提 供一种高熔点金属电弧喷涂制造模具的方法。 为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案
一种高熔点金属电弧喷涂快速制模方法，其特征在于，具体步骤
为
(1)母模的制备-
1) 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，进行烘干
2) 烘干后的母模基体，根据零件的3D数模制造的与其形状相 吻合的母模基体的3D数模，在数控设备上母模基体进行机械加工3)得到尺寸与精度均符合产品设计要求的母模。
(2)母模的预处处理
1)打磨母模内表面，或者使用重量百分比的浓度为20-60%的 盐酸涂刷母模表面；提高母模的表面粗糙度，清除母模表面的粉尘和 颗粒；
(3) 对母模加热用可控温加热装置加热母模，保证母模基 体温度均匀，控制母模的温度在25(TC-30(TC;
(4) 金属电弧喷涂
1) 为了使喷枪能够沿母模基体轮廓形状运动并且喷涂作业，需 要对预先设计好的零件的3D数字模型进行修正，进行分层处理；
2) 通过电弧喷涂高熔点金属熔滴3Crl3马氏体不锈钢到母模表 面，按照设计参数，使喷枪能沿母模基体轮廓形状运动并且喷涂作业， 从母模的一端喷涂到另一端，重复这样的过程，直到喷涂涂层厚度达 到10 20mm，得到母模的金属型壳；
喷涂电压为28 35V，喷涂电流为160A 240A，压縮空气压力 为0.50 0. 60MPa,送丝电压为10 12V，喷涂距离为200 280mm。 3Crl3涂层由马氏体基体、铬铁氧化物、气孔等组成，涂层呈灰黑
色。显微硬度测定为马氏体基体HV550 650、铬铁氧化物HV650 700，
涂层的宏观硬度为HRC40 45， 3Crl3涂层均匀致密、氧化物少，孔隙率
低，与基体结合面形貌凹凸不平，均无大的孔隙和氧化物，结合良好。
(5)背衬的制作
在经过电弧喷涂的金属型壳背面上添加模框，所述膜框是由钢 板制成，其形状与母模的金属型壳的轮廓外缘相一致，在模框内填充 树脂和高强度水泥作为背衬；(6)后处理 脱模并将多余的边切除； (7)对模具金属型壳内表面修整抛光，得到最终的可以使用的模具。 本发明的主要优点
1、 无焙烧陶瓷母模具有成本低、制作周期短，无需高温焙烧， 特别适合于高熔点金属电弧喷涂快速制模技术。与传统的石膏型母模 相比，具有强度高、耐高温和电弧喷涂工艺性能好等特点。
2、 在喷涂过程中对母模进行加热，控制母模的温度有利于减少
甚至消除涂层缺陷的发生，涂层厚度得到显著增加。
3、 电弧喷涂的高熔点金属熔滴为3Crl3马氏体不锈钢，3Crl3 涂层由马氏体基体、络铁氧化物、气孔等组成，涂层呈灰黑色涂层均 匀致密、氧化物少，孔隙率低，与基体结合面形貌凹凸不平，均无大 的孔隙和氧化物，结合良好。
4、 通过电弧喷涂制模方法制造高硬度、高强度喷涂模具却是最 具吸引力的，不仅因为其材料价格相对低廉，更因为高硬度、高强度 的模具型壳可以大幅度提高喷涂模具寿命，从而拓宽喷涂模具的应用 范围。
5、 碳钢和低合金钢是常用的电弧喷涂材料。它具有强度较高、 耐磨性好、价格低廉等特点。
具体实施方法
实施例一 实现快速制模的步骤如下 (1)母模的制备
1)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，进行烘干2) 烘干后的母模基体，根据零件的3D数模制造的与其形状相 吻合的母模基体的3D数模，在数控设备上母模基体进行机械加工
3) 得到尺寸与精度均符合产品设计要求的母模。 (2)母模的预处处理
1)打磨母模内表面，或者使用重量百分比的浓度为20%的盐 酸涂刷母模表面；提高母模的表面粗糙度，清除母模表面的粉尘和颗 粒；
(3) 对母模加热用可控温加热装置加热母模，保证母模基 体温度均匀，控制母模的温度在300'C;
(4) 金属电弧喷涂
1) 为了使喷枪能够沿母模基体轮廓形状运动并且喷涂作业，需
要对预先设计好的零件的3D数字模型进行修正，进行分层处理；
2) 通过电弧喷涂高熔点金属熔滴3Crl3马氏体不锈钢到母模表 面，按照设计参数，使喷枪能沿母模基体轮廓形状运动并且喷涂作业， 从母模的一端喷涂到另一端，重复这样的过程，直到喷涂涂层厚度达 到10mm，得到母模的金属型壳；
喷涂电压为35V，喷涂电流为160A，压縮空气压力为0.50MPa， 送丝电压为12V，喷涂距离为200mm。
(5) 背衬的制作
在经过电弧喷涂的金属型壳背面上添加模框，所述膜框是由钢 板制成，其形状与母模的金属型壳的轮廓外缘相一致，在模框内填充 树脂和高强度水泥作为背衬；
(6) 后处理 脱模并将多余的边切除；
(7) 对模具金属型壳内表面修整抛光，得到最终的可以使用的模具。
实施例二
(1) 母模的制备
1) 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，进行烘干
2) 烘干后的母模基体，根据零件的3D数模制造的与其形状相 吻合的母模基体的3D数模，在数控设备上母模基体进行机械加工
3) 得到尺寸与精度均符合产品设计要求的母模。
(2) 母模的预处处理
1)打磨母模内表面，或者使用重量百分比的浓度为36%的盐
酸涂刷母模表面；提高母模的表面粗糙度，清除母模表面的粉尘和颗
粒；
(3) 对母模加热用可控温加热装置加热母模，保证母模基
体温度均匀，控制母模的温度在25(TC;
(4) 金属电弧喷涂
1) 为了使喷枪能够沿母模基体轮廓形状运动并且喷涂作业，需
要对预先设计好的零件的3D数字模型进行修正，进行分层处理；
2) 通过电弧喷涂高熔点金属熔滴3Crl3马氏体不锈钢到母模表 面，按照设计参数，使喷枪能沿母模基体轮廓形状运动并且喷涂作业， 从母模的一端喷涂到另一端，重复这样的过程，直到喷涂涂层厚度达 到20mm，得到母模的金属型壳；
喷涂电压为28V，喷涂电流为240A,压縮空气压力为0.60MPa， 送丝电压为12V，喷涂距离为280mm。 (5)背衬的制作 在经过电弧喷涂的金属型壳背面上添加模框，所述膜框是由钢板制成，其形状与母模的金属型壳的轮廓外缘相一致，在模框内填充树 脂和高强度水泥作为背衬；
(6) 后处理
脱模并将多余的边切除；
(7) 对模具金属型壳内表面修整抛光，得到最终的可以使用的模具。
实施例三 (1)母模的制备
1) 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，进行烘干
2) 烘干后的母模基体，根据零件的3D数模制造的与其形状相 吻合的母模基体的3D数模，在数控设备上母模基体进行机械加工
3) 得到尺寸与精度均符合产品设计要求的母模。
(2) 母模的预处处理
1)打磨母模内表面，或者使用重量百分比的浓度为28%的盐 酸涂刷母模表面；提高母模的表面粗糙度，清除母模表面的粉尘和颗 粒；
(3) 对母模加热用可控温加热装置加热母模，保证母模基 体温度均匀，控制母模的温度在275'C;
(4) 金属电弧喷涂
1) 为了使喷枪能够沿母模基体轮廓形状运动并且喷涂作业，需
要对预先设计好的零件的3D数字模型进行修正，进行分层处理；
2) 通过电弧喷涂高熔点金属熔滴3Crl3马氏体不锈钢到母模表 面，按照设计参数，使喷枪能沿母模基体轮廓形状运动并且喷涂作业， 从母模的一端喷涂到另一端，重复这样的过程，直到喷涂涂层厚度达到15mm，得到母模的金属型壳；
喷涂电压为32V,喷涂电流为200A，压縮空气压力为0.55MPa， 送丝电压为IIV，喷涂距离为240mm。
(5) 背衬的制作-在经过电弧喷涂的金属型壳背面上添加模框，所述膜框是由钢板
制成，其形状与母模的金属型壳的轮廓外缘相一致，在模框内填充树 脂和高强度水泥作为背衬；
(6) 后处理
脱模并将多余的边切除；
(7) 对模具金属型壳内表面修整抛光，得到最终的可以使用的模具。
本高熔点金属喷涂快速制模方法与传统模具加工方法相比，成本 相当于普通钢模具的1/2左右，模具制作周期一般少于4星期。本方 法制作的模具表面硬度大于HRC40，板料拉延模具寿命可达2万件 以上。可以为汽车、航空、仪器仪表、塑料制品以及军工等行业新产 品的开发、试制及批量生产提供快速、低成本的模具制造集成技术， 尤其是可以极大地縮短汽车车身开发的周期、降低开发的成本，为汽 车新车型的开发提供技术支撑。
权利要求
1. 一种高熔点金属电弧喷涂快速制模方法，其特征在于，具体步骤为(1)母模的制备1)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，进行烘干2)烘干后的母模基体，根据零件的3D数模制造的与其形状相吻合的母模基体的3D数模，在数控设备上母模基体进行机械加工3)得到尺寸与精度均符合产品设计要求的母模；(2)母模的预处处理1)打磨母模内表面，或者使用重量百分比的浓度为20-60％的盐酸涂刷母模表面；提高母模的表面粗糙度，清除母模表面的粉尘和颗粒；(3)对母模加热用可控温加热装置加热母模，保证母模基体温度均匀，控制母模的温度在250℃-300℃；(4)金属电弧喷涂1)为了使喷枪能够沿母模基体轮廓形状运动并且喷涂作业，需要对预先设计好的零件的3D数字模型修正，进行分层处理；2)通过电弧喷涂高熔点金属熔滴3Cr13马氏体不锈钢到母模表面，按照设计参数，使喷枪能沿母模基体轮廓形状运动并且喷涂作业，从母模的一端喷涂到另一端，重复这样的过程，直到喷涂涂层厚度达到10～20mm，得到母模的金属型壳；喷涂电压为28～35V，喷涂电流为160A～240A，压缩空气压力为0.50～0.60MPa，送丝电压为10～12V，喷涂距离为200～280mm；3Cr13涂层由马氏体基体、铬铁氧化物、气孔等组成，涂层呈灰黑色，显微硬度测定为马氏体基体HV550～650、铬铁氧化物HV650～700，涂层的宏观硬度为HRC40～45，3Cr13涂层均匀致密、氧化物少，孔隙率低，与基体结合面形貌凹凸不平，均无大的孔隙和氧化物，结合良好；(5)背衬的制作在经过电弧喷涂的金属型壳背面上添加模框，所述膜框是由钢板制成，其形状与母模的金属型壳的轮廓外缘相一致，在模框内填充树脂和高强度水泥作为背衬；(6)后处理脱模并将多余的边切除；(7)对模具金属型壳内表面修整抛光，得到最终的可以使用的模具。
2.根据权利要求1所述的高熔点金属电弧喷涂快速制模方法，其特征在于，步骤为(1) 母模的制备-1) 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，进行烘干2) 烘干后的母模基体，根据零件的3D数模制造的与其形状相 吻合的母模基体的3D数模，在数控设备上母模基体进行机械加工3) 得到尺寸与精度均符合产品设计要求的母模；(2) 母模的预处处理1)打磨母模内表面，或者使用重量百分比的浓度为20%的盐 酸涂刷母模表面；提高母模的表面粗糙度，清除母模表面的粉尘和颗 粒；(3)对母模加热用可控温加热装置加热母模，保证母模基 体温度均匀，控制母模的温度在30(TC;(4)金属电弧喷涂1) 为了使喷枪能够沿母模基体轮廓形状运动并且喷涂作业，需 要对预先设计好的零件的3D数字模型进行修正，进行分层处理；2) 通过电弧喷涂高熔点金属熔滴3Crl3马氏体不锈钢到母模表 面，按照设计参数，使喷枪能沿母模基体轮廓形状运动并且喷涂作业， 从母模的一端喷涂到另一端，重复这样的过程，直到喷涂涂层厚度达到10mm，得到母模的金属型壳；喷涂电压为35V，喷涂电流为160A,压縮空气压力为0.50MPa， 送丝电压为12V，喷涂距离为200mm; 3Crl3涂层由马氏体基体、铬铁氧化物、气孔等组成，涂层呈灰黑 色，显微硬度测定为马氏体基体HV550 650、铬铁氧化物HV650 700， 涂层的宏观硬度为HRC40 45， 3Crl3涂层均匀致密、氧化物少，孔隙率 低，与基体结合面形貌凹凸不平，均无大的孔隙和氧化物，结合良好；(5) 背衬的制作在经过电弧喷涂的金属型壳背面上添加模框，所述膜框是由钢 板制成，其形状与母模的金属型壳的轮廓外缘相一致，在模框内填充 树脂和高强度水泥作为背衬；(6) 后处理 脱模并将多余的边切除；(7) 对模具金属型壳内表面修整抛光，得到最终的可以使用的模具。
3.根据权利要求1所述的高熔点金属电弧喷涂快速制模方法， 其特征在于，步骤为 (1)母模的制备1)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，进行烘干-2) 烘干后的母模基体，根据零件的3D数模制造的与其形状相 吻合的母模基体的3D数模，在数控设备上母模基体进行机械加工3) 得到尺寸与精度均符合产品设计要求的母模； (2)母模的预处处理1)打磨母模内表面，或者使用重量百分比的浓度为36%的盐 酸涂刷母模表面；提高母模的表面粗糙度，清除母模表面的粉尘和颗 粒；(3) 对母模加热用可控温加热装置加热母模，保证母模基 体温度均匀，控制母模的温度在25(TC;(4) 金属电弧喷涂1) 为了使喷枪能够沿母模基体轮廓形状运动并且喷涂作业，需 要对预先设计好的零件的3D数字模型进行修正，进行分层处理；2) 通过电弧喷涂高熔点金属熔滴3Crl3马氏体不锈钢到母模表 面，按照设计参数，使喷枪能沿母模基体轮廓形状运动并且喷涂作业， 从母模的一端喷涂到另一端，重复这样的过程，直到喷涂涂层厚度达 到20mm，得到母模的金属型壳；喷涂电压为28V，喷涂电流为240A，压縮空气压力为0.60MPa， 送丝电压为12V，喷涂距离为280mm; 3Crl3涂层由马氏体基体、铬铁氧化物、气孔等组成，涂层呈灰黑 色，显微硬度测定为马氏体基体HV550 650、铬铁氧化物HV650 700， 涂层的宏观硬度为HRC40 45， 3Crl3涂层均匀致密、氧化物少，孔隙率 低，与基体结合面形貌凹凸不平，均无大的孔隙和氧化物，结合良好； (5)背衬的制作 在经过电弧喷涂的金属型壳背面上添加模框，所述膜框是由钢板 制成，其形状与母模的金属型壳的轮廓外缘相一致，在模框内填充树 脂和高强度水泥作为背衬；(6) 后处理 脱模并将多余的边切除；(7) 对模具金属型壳内表面修整抛光，得到最终的可以使用的模具。
4.根据权利要求2所述的高熔点金属电弧喷涂快速制模方法， 其特征在于，步骤为(1) 母模的制备-1) 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，进行烘干2) 烘干后的母模基体，根据零件的3D数模制造的与其形状相 吻合的母模基体的3D数模，在数控设备上母模基体进行机械加工-3) 得到尺寸与精度均符合产品设计要求的母模；(2) 母模的预处处理1)打磨母模内表面，或者使用重量百分比的浓度为28%的盐 酸涂刷母模表面；提高母模的表面粗糙度，清除母模表面的粉尘和颗 粒；(3) 对母模加热用可控温加热装置加热母模，保证母模基 体温度均匀，控制母模的温度在275°。；(4) 金属电弧喷涂1) 为了使喷枪能够沿母模基体轮廓形状运动并且喷涂作业，需 要对预先设计好的零件的3D数字模型进行修正，进行分层处理；2) 通过电弧喷涂高熔点金属熔滴3Crl3马氏体不锈钢到母模表 面，按照设计参数，使喷枪能沿母模基体轮廓形状运动并且喷涂作业， 从母模的一端喷涂到另一端，重复这样的过程，直到喷涂涂层厚度达 到15mm，得到母模的金属型壳；喷涂电压为32V，喷涂电流为200A,压缩空气压力为0.55MPa，送丝电压为11V，喷涂距离为240mm;3Crl3涂层由马氏体基体、铬铁氧化物、气孔等组成，涂层呈灰黑 色，，显微硬度测定为马氏体基体HV550 650、铬铁氧化物 HV65(K700，涂层的宏观硬度为HRC40~45， 3Crl3涂层均匀致密、 氧化物少，孔隙率低，与基体结合面形貌凹凸不平，均无大的孔隙和 氧化物，结合良好；(5) 背衬的制作 在经过电弧喷涂的金属型壳背面上添加模框，所述膜框是由钢板制成，其形状与母模的金属型壳的轮廓外缘相一致，在模框内填充树 脂和高强度水泥作为背衬；(6) 后处理 脱模并将多余的边切除；(7) 对模具金属型壳内表面修整抛光，得到最终的可以使用的模具。
全文摘要
本发明属于制造业的先进制造技术领域，涉及快速模具制造方法，特别涉及一种高熔点金属电弧喷涂快速制模方法。该方法采用无焙烧陶瓷母模做复型基体，通过电弧喷涂高熔点金属熔滴到母模表面，喷涂一定的厚度后在型壳背面加模框，填充树脂和高强度水泥背衬，脱模后对型壳表面进行切边和抛光等后处理，提供快速、低成本的模具制造集成技术。
文档编号B22D23/00GK101434026SQ20081023233
公开日2009年5月20日 申请日期2008年11月19日 优先权日2008年11月19日
发明者何仲云, 卢秉恒, 唐一平, 智 王, 王伊卿 申请人:西安交通大学;快速制造国家工程研究中心