多物理场耦合烧结模具的制作方法

本实用新型涉及粉末冶金设备制造技术领域，尤其涉及一种多物理场耦合烧结模具。

背景技术：

多物理场耦合烧结技术是一种是集高能量密度的环境和结构为一体的快速成形技术。多物理场耦合下的快速烧结中，由于电场、力场、温度场等外场的耦合，实现了高能量密度下的快速烧结。该技术实质是：采用大电流(数万安培)、低电压(3～10伏左右)的交流电通过粉末/模具体系，利用焦耳热效应等快速升温，使粉末体系在多物理场(电场、热场、力场)耦合作用下，实现粉末材料烧结致密化和微型零件超快速成形的一种新的微制造技术。目前采用该技术已成功制备齿轮、圆柱、三角形、航空紧固件等零件。该技术具有高效、快速、节能、环保的特点，是一种制备高密度、高性能微零件的创新技术。然而由于该技术是在多场耦合的作用下实现粉末烧结成型，因此对该技术下使用的模具提出了更高的要求，目前使用的模具存在热应力集中、模具使用寿命短、取模困难等问题，这也给该技术快速大量制备微型零件带来了严重的阻碍作用。

技术实现要素：

为克服现有多物理场耦合烧结模具存在的上述问题，本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种热应力分散、强度大、取模容易的多物理场耦合烧结模具。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

多物理场耦合烧结模具，包括由石墨材料制成的相互配合的凹模和凸模，所述凸模由模冲和底板构成，所述凸模的模冲与底板的连接处设有加强段，所述加强段的外部尺寸从底板到模冲逐渐缩小。

进一步的是，所述加强段为设置在模冲与底板之间的多个加强筋。

进一步的是，所述加强段为从底板到模冲逐渐缩小的锥形结构。

进一步的是，所述加强段锥形结构的倾斜角度为45°。

进一步的是，所述加强段锥形结构的长度不小于模冲的直径。

本实用新型的有益效果是：首先利用石墨材料来制作模具，可使模具具备良好的耐高温性、导电导热性、润滑性和化学稳定性等优点，然后再通过在凸模具的底板和模冲之间设置加强段，与采用倒圆角处理的凸模相比，加强段的结构消除了模冲底部横截面积的热应力集中现象，降低了凸模模冲的损坏概率，延长了模具使用寿命，并且可使凸模与凹模的接触面积的热能集中程度减小，从而降低凸模的热膨胀程度，便于取模。

附图说明

图1是本实用新型实施例一的结构示意图。

图2是本实用新型实施例二的结构示意图。

图中标记为，1-凹模，2-凸模，3-模冲、4-底板，5-加强段。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

如图1、图2所示，本实用新型的多物理场耦合烧结模具，包括由石墨材料制成的相互配合的凹模1和凸模2，所述凸模2由模冲3和底板4构成，所述凸模2的模冲3与底板4的连接处设有加强段5，所述加强段5的外部尺寸从底板4到模冲3逐渐缩小。现有的用于多物理场耦合烧结的模具大都采用镍基高温合金材料，该材质能抵抗75～125MPa的外场压力，但是烧结结束后高温膨胀系数过大，凸模不容易从凹模型腔中取出，为解决该问题，本实用新型创新性的采用石墨材料来制作模具。

石墨材料由于其特殊微观结构而具有如下特殊性质：

耐高温性：石墨材料的熔点为3850±50℃，即使采用温度非常高的电弧灼烧，它的质量损失也很小。高温环境下的热膨胀系数小。重要的是，石墨的强度会随温度的提高而加强，例如在2000℃时，石墨强度是室温时的两倍。

导电、导热性：相较于一般非金属矿，石墨的导电性能是其百倍以上。由于石墨的导热系数会随着温度的升高而降低，甚至当温度达到一定高时，石墨变成绝热体。因此其导热性能超过了钢、铁和铅等金属材料。

润滑性：石墨材料具有特殊的鳞片结构，鳞片的大小对石墨的润滑性影响显著，鳞片越大，摩擦系数越小，石墨的润滑性能越好。

化学稳定性：石墨在常温条件下具有优异的化学稳定性，能抵抗各种酸、碱及有机溶剂的腐蚀。

可塑性：石墨材料的韧性非常好，可碾成很薄的片层状。

抗热震性：石墨在烧结过程中能经受住温度的剧烈变化而不被破坏，当烧结温度突变时，石墨的体积变化不大，不会因此产生裂纹。

因此，采用石墨材料来制作模具，易于加工，价格便宜，重量轻，装卸方便，最重要的是膨胀系数低，烧结完成后能轻松取出凸模。而石墨材质的模具在使用过程中也容易出现一些问题，比如热应力过于集中，加上石墨本身强度不高，凸模2容易出现破损和断裂。所以在凸模2的模冲3与底板4的连接处设置了加强段5，该加强段5一方面能够消除模冲3底部横截面积的热应力集中现象，降低凸模2的模冲3的损坏概率，从而延长模具使用寿命；另一方面可使凸模2与凹模1的接触面积的热能集中程度减小，从而降低凸模2的热膨胀程度，便于取模。

对于加强段5的具体结构，本实用新型设置以下两种方案：

实施例一：

如图1所示，所述加强段5为设置在模冲3与底板4之间的多个加强筋。加强筋类似于小的直角三角板，固定在底板4与模冲3的连接处，在制作时最好与底板4和模冲3一体成型，保证结构的稳定性。加强筋应至少包括三个，且均匀的设置在模冲3周围。在凹模1上应当设置与加强筋相匹配的缺口。

实施例二：

如图2所示，所述加强段5为从底板4到模冲3逐渐缩小的锥形结构。该结构为本实用新型的优选方案，锥形结构的加强段5与模冲3和底板4为一体成型结构，容易加工，并且过渡圆滑，接触面积大，不仅提高了连接强度，还极大的增加了凸模2与凹模1的接触面积，使热能集中程度得到减小，从而降低凸模2的热膨胀程度，便于取模。

为了对该结构进行验证，设置了两组对照试验，一组是凸模模冲3与底板4采用倒圆角处理的模具，第二组是凸模模冲3与底板4之间设置锥形的加强段5的模具。分别对两种模具装填粉末并进行多物理场耦合烧结实验，在相同的烧结参数下分别经过多次烧结试验后发现，第一组模具完成三次烧结实验后凸模出现了破损和断裂，使用寿命非常低，并且凸、凹模分离过程不易；而采用第二组模具进行烧结实验时，当完成11次烧结实验后，仅凸模模冲的顶端粘有少许粉末，凸、凹模完好无损，经过后期对模具的清理工作，该模具仍可继续使用，且取模较为容易。

进一步的，所述加强段5锥形结构的倾斜角度为45°。经过理论分析和大量试验验证，发现45°的斜台可最大限度的减少热应力和热能集中的问题。

所述加强段5锥形结构的长度不小于模冲3的直径，不同大小的模冲3其自身强度和承受的热应力不同，当加强段5的长度不小于模冲3的直径时可保证加强段起到足够的加强作用。

本实用新型结构简单，制作方便，在用于多物理场耦合烧结技术中具有热应力分散、使用寿命长、热膨胀程度低、取模容易等优点，具有很好的实用性和应用前景。