專利名稱：自透氣性金屬模具及其制造方法和應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及流體材料成型的模具制造技術，特別涉及一種自透氣性金屬模具及其制造方法和應用。
背景技術：
塑料注射成型過程中，必須將模腔中的空氣、聚合物中析出的氣體以及塑料原料和脫模劑中揮發(fā)出的水蒸氣完全徹底地排除干凈，如果模腔中的氣體不能順利排除，則會造成充不滿、制品產生熔接痕跡、裂紋、黑斑等表面質量缺陷。目前通常采用密實的塊體金屬模具坯料，通過機械加工之后制造成型腔模具(中國機械工業(yè)年鑒編輯委員會，中國模具工業(yè)協(xié)會編，2004中國模具工業(yè)年鑒，機械工業(yè)出版社，2004年9月，p59～60，p77～81)，最常采用的排氣方法是在分型面上加工出排氣槽實現(xiàn)排氣，分型面的排氣槽加工方便，是一種主要的排氣方式。對于一些無法開設排氣槽的部位，則利用推出系統(tǒng)間隙排氣，推桿和推桿孔的間隙可做成間隙配合，利用推桿和推桿孔間隙就可順利地排氣。當模具的排氣量較大，分型面排氣槽或推出系統(tǒng)間隙排氣不能滿足排氣的需要，則在型腔最后充滿的位置安裝排氣塞排氣(楊春旭，模具的排氣，模具制造，2004，NO.2，p64～65。王明杰，范新鳳，范有發(fā)，大型熱芯盒模具排氣系統(tǒng)設計，電加工與模具，2005，NO.5，p53～54)。進行CAE塑料成型過程數(shù)值模擬分析的一個重要內容就是確定模具的排氣量、排氣口的位置和尺寸，計算工作量大、建模與求解過程復雜。在鑄造過程中，由于無法順利排除模腔中的氣體，經常造成鑄件廢品。
吸塑摸具的吸氣通道一般通過鉆頭鉆孔的方法制造，由于吸氣孔尺寸較大(直徑1mm左右)，分布不密不勻，造成吸塑制品表面質量較差，特別當生產表面具有微細凹凸圖案的產品時，吸氣孔的大小及分布會直接影響圖案的連續(xù)性及復制精度，因此希望吸氣孔細而均勻地分布在模具型腔的內表面。日本首先研制出具有自透氣性能的多孔陶瓷(porous permeable ceramics)和金屬陶瓷吸塑模具之后(中國專利申請?zhí)?4104426.2，發(fā)明名稱耐用透氣性模具的制備方法)，國內外的學者相繼開展了這方面的研究(劉軍，陳志剛，Al2O3基高強度透氣性陶瓷材料的研制，機械工程材料，第28卷第12期，2004年12月，p17～19。喬木，張明，初小葵，陶瓷吸塑模具制備的工藝研究，中國陶瓷，2003(3)p26～28，25。V.Vorob’eval and V.G.Leonov，The effect of the finelydispersed component on the formation of a porous permeable structure inceramics，Glass and Ceramics，Vol.59，No.5-6，2002，p205～206.)，這種陶瓷模具本身含有遍及全體的連續(xù)細孔，氣體可以直接從模具材料中穿透，不專門設置排氣、引氣系統(tǒng)，塑料模具同樣具有良好的排氣和吸氣功能，而且由于孔隙細小而密集，不會產生局部氣體積聚的現(xiàn)象，制品成型精度高。這種透氣性陶瓷模具的制作過程是配料—制漿—母模成型—干燥—燒結。燒結之后陶瓷材料硬而脆，不易進行機械加工，特別是陶瓷不導電，金屬陶瓷中含不導電的陶瓷成分，材料無法進行線切割、電火花加工，因此不能先制造出透氣性材料，然后再通過機械加工制造成模具，模具自身的成型必須在干燥和燒結之前完成，而在干燥和燒結過程中模具坯料的形狀和尺寸會產生變化，造成模具本身最終的形狀和尺寸精度難以保證。陶瓷材料受熱不均勻的情況下容易開裂，并且由于陶瓷材料的熱傳導系數(shù)小，傳熱效率低，這一點嚴重影響了透氣性陶瓷材料在塑料成型模具中的實際應用，因為塑料成型之后，需要迅速冷卻固化，以提高重復生產的效率。由于陶瓷材料的這些缺點，沒有將透氣性陶瓷模具用于注塑成型和鑄造成型的報道。

發(fā)明內容
為了克服上述現(xiàn)有技術存在的不足，本發(fā)明的首要目的在于提供一種自透氣性金屬模具(self permeable metallic mould)。
本發(fā)明的另一目的在于提供上述自透氣性金屬模具的制造方法。
本發(fā)明的再一目的在于提供上述自透氣性金屬模具的應用。
本發(fā)明的目的通過下述技術方案實現(xiàn)一種自透氣性金屬模具的制造方法，包括下述步驟(1)采用金屬粉末在壓應力作用下制備出含有連通孔隙的塊體生坯。
(2)然后將金屬粉末塊體生坯燒結獲得透氣性金屬塊體。
(3)通過機械加工方法或電加工方法將透氣性金屬塊體制造成透氣性金屬模具型腔零件。
(4)將透氣性金屬模具型腔零件與成型模具的其它零件組合構成成型模具，即得到自透氣性金屬模具。
為了更好地實現(xiàn)本發(fā)明，所述金屬粉末進行粒度分級，采用均勻粒徑的金屬粉末制備具有均勻孔隙的塊體生坯；所述金屬粉末的粒徑介于50～60微米之間。
所述金屬粉末為不銹鋼粉末或合金鋼粉末等。
為了提高透氣性不銹鋼金屬塊體材料的強韌性，在不銹鋼粉末中加入不銹鋼短纖維粉末，所述不銹鋼短纖維粉末添加量約為5％～30％。
本發(fā)明通過控制壓制金屬粉末的壓制壓強，控制金屬粉末生坯的孔隙率，獲得具有連通孔隙的塊體生坯；所述步驟(1)中壓應力作用條件為壓制壓強在150～650MPa之間。
步驟(2)中燒結具體工藝條件為燒結溫度1200～1350℃，保溫1～3小時，維持金屬粉末塊體材料的連通孔隙。
所述金屬粉末塊體材料的連通孔隙率控制在10％～35％之間。
所述機械加工方法包括線切割、電火花、銑削、車削、磨削、或拋光等機械加工方法加工透氣性金屬材料制造模具。
一種自透氣性金屬模具就是通過上述方法得到。
本發(fā)明自透氣性金屬模具可應用于需要排除模腔中氣體的流態(tài)材料成型，包括高分子材料、塑料、復合材料、金屬液體及半固態(tài)材料的成型，流態(tài)材料是指加熱之后材料在外力作用下可以流動的材料。
本發(fā)明的作用原理是粉末顆粒堆積后其內部形成大量的孔隙，顆粒堆積在一起后其孔隙是一個連通體，氣體或液體物質可在這種連通孔隙通道內順利穿行，因此可以通過粉末冶金方法制備出氣體或液體的過濾材料。實際粉末顆粒在壓制過程中顆粒還會產生一定的變形，壓力越大，變形越大，顆粒堆積的緊密程度越高，孔隙越小。燒結之后，顆粒之間接觸的部位實現(xiàn)冶金熔合連接在一起，多孔材料從而具有一定的強度，當控制適當?shù)墓に噮?shù)，其內部的大部分微孔隙保持相互連通，因此可以通過粉末冶金方法制備出透氣性金屬塊體。然后通過機械加工的方法將透氣性金屬塊體制造成流體材料成型的模具型腔，采用透氣性金屬塊體制造的模具材料自身具有透氣性。雖然粉末冶金材料微孔隙尺寸很小(尺寸一般小于50微米)，但氣體可以穿透材料，而熱的流體材料(如塑料或金屬流體)與模具表面接觸之后，與模具表面接觸的流體材料溫度迅速降低而凝固，從而阻礙了流體材料進入模具材料的微孔隙中。因此粘性的塑料或金屬流體在透氣性金屬塊體制作的模具型腔中成型時，氣體可以順利進入粉末冶金微孔隙穿過模具金屬塊體，但粘性的塑料或金屬流體并不會進入模具的粉末冶金微孔隙中堵塞氣體通道，卸出成型件之后，透氣性金屬模具可以重復進行工作。模具型腔材料自身具有透氣性功能，因此無需開設常規(guī)的排氣系統(tǒng)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點和有益效果1、與采用普通密實的塊體金屬模具坯料通過機械加工之后制造成型腔模具的方法相比，本發(fā)明方法制造的模具本身含有遍及全體的連續(xù)細孔，氣體可以直接從模具材料中穿透，不專門設置排氣、引氣系統(tǒng)，模具同樣具有良好的排氣和吸氣功能，而且由于孔隙細小而密集。
2、與自透氣性陶瓷模具相比，本發(fā)明制造的自透氣性金屬塊體材料可以象普通金屬材料一樣進行線切割、電火花加工，而電加工是復雜型腔模具制造中必須采用的加工方法。
3、采用透氣性多微孔金屬模具進行注塑成型的應用生產底部形狀復雜的杯狀產品使用邊緣澆口的模具型腔，其排氣系統(tǒng)將需要大量的技術工作，以保證底部的空氣能完全排出。如果使用多孔性材料制造型芯和模腔，就不需要附加的排氣措施。此外，因為排氣發(fā)生在模腔的整個表面上，原則上可以自由選擇澆口的位置，因此可以簡化模具設計，為模具的設計帶來很大的方便；多孔材料模腔的排氣速度可以較快，模具型腔內氣體的壓力上升幅度較小，氣體對塑料充型流動的阻力較小，有利于提高充型速度，縮短充型時間。常規(guī)的模具制造方法即使采用排氣塞時也無法達到這樣的效果。
4、對于狹長型芯，移走必要的熱量是相當困難的，在這種情況下，可以通過型芯的微孔通入冷空氣來強化冷卻，從而縮短生產周期，而且可以改善模具表面溫度的均勻性。
5、本發(fā)明不用頂出桿、脫模圈，通過向模具的型芯注入高壓氣體也能夠卸出制品，這樣不需要克服頂出過程中的真空現(xiàn)象，可以避免塑件頂出時產生變形，也不會在塑件上留下頂出痕跡，有利于塑件的精密成型。
6、用于流體金屬成型的鑄造模具也可以采用透氣性金屬制造，可以解決大型鑄件成型過程中卷氣和排氣不順造成的問題。
7、本發(fā)明工藝步驟簡單，操作方便，實施容易，生產成本較低，適合于大批量工業(yè)生產，應用范圍廣，市場前景好。


圖1為本發(fā)明的自透氣性金屬模具的結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
實施例1本實施例是一種自透氣性金屬模具的制造步驟及進行塑料成型的過程首先選用牌號為304L的不銹鋼粉末為原料，往原料不銹鋼粉末中添加1％(質量百分比)潤滑劑硬脂酸鋅，然后將粉末材料裝入粉末壓制模具中，控制壓制壓力為400MPa，壓制出塊體生坯；然后在RSJ-13四段高溫燒結爐進行燒結，燒結氣氛為分解氨，燒結爐燒結溫度段為燒結溫度1200～1350℃，保溫1～3小時，獲得孔隙率為25％的透氣性不銹鋼塊體材料；然后進行油淬火熱處理，提高透氣性不銹鋼塊體材料的性能。
如圖1所示(8表示壓力)，10是排氣工藝孔，利用電火花工藝將透氣性不銹鋼塊體材料加工出型腔模具1，并通過磨削拋光型腔表面，上安裝板2和密封橡膠圈3組裝出完全封閉的模具型腔5(簡稱模腔)，即構成自透氣性模具主體部分；連接鑼釘4將注塑料筒6固定在上安裝板2上，上安裝板2與下安裝板11通過聯(lián)結螺桿9將透氣性模具主體部分組裝得到全套注塑實驗裝置(即自透氣性金屬模具)。實驗中選用ABS樹脂塑料，置于注塑料筒6內加熱到170℃，模具型腔5溫度加熱到40℃左右，通過注塑桿7分別在20MPa、15MPa兩種壓力條件下進行注塑實驗，注塑時間約為10s，充填完畢后保壓5min。注塑后期，模具型腔中一旦充填完畢，設備的壓力值將急速增大，此時保持預定壓力值15MPa進行保壓。5分鐘保壓時間完畢后即可以開模，卸出成型好的塑料件。重復進行塑料成型過程。
利用本發(fā)明方法設計和制造的自透氣性金屬模具順利的完成了注塑實驗，注塑件充填完全，說明所制備出的自透氣性金屬模具鋼材料透氣性能良好，利用透氣性金屬塊體制備出的自透氣性金屬模具在接觸縫被密封的條件下具有良好的排氣效果，模具型腔中的氣體透過透氣性金屬塊體材料全部排除，粘性的塑料沒有進入模具的粉末冶金微孔隙中堵塞氣體通道。
實施例2本實施例與實施例1基本相同，不同之處在于壓制壓力為150MPa，獲得孔隙率為35％的透氣性不銹鋼塊體材料。
實施例3本實施例與實施例1基本相同，不同之處在于壓制壓力為650MPa，獲得孔隙率為10％的透氣性不銹鋼塊體材料。
實施例4本實施例與實施例1基本相同，不同之處在于在常規(guī)的不銹鋼粉末中加入10％(質量百分比)的不銹鋼短纖維粉末。
實施例5本實施例與實施例1基本相同，不同之處在于對不銹鋼粉末進行粒度分級，采用粉末的粒徑介于50微米～60微米之間。
實施例6本實施例與實施例1基本相同，不同之處在于注入模具型腔的流體材料為液態(tài)鋁合金。
實施例7本實施例與實施例1基本相同，不同之處在于注入模具型腔的流體材料為半固態(tài)鋁合金。
實施例8本實施例與實施例1基本相同，不同之處在于金屬粉末材料為合金鋼粉末，牌號為SFJ200.30。
如上所述，可較好地實現(xiàn)本發(fā)明。
權利要求
1.一種自透氣性金屬模具的制造方法，其特征在于包括下述步驟(1)采用金屬粉末在壓應力作用下制備出含有連通孔隙的塊體生坯；(2)然后將金屬粉末塊體生坯燒結獲得透氣性金屬塊體；(3)通過機械加工方法或電加工方法將透氣性金屬塊體制造成透氣性金屬模具型腔零件；(4)將透氣性金屬模具型腔零件與成型模具的其它零件組合構成成型模具，即得到自透氣性金屬模具。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種自透氣性金屬模具的制造方法，其特征在于所述金屬粉末的粒徑介于50～60微米之間。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種自透氣性金屬模具的制造方法，其特征在于所述金屬粉末為不銹鋼粉末或合金鋼粉末。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種自透氣性金屬模具的制造方法，其特征在于在不銹鋼粉末中加入不銹鋼短纖維粉末，所述不銹鋼短纖維粉末添加量為5％～30％。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種自透氣性金屬模具的制造方法，其特征在于所述步驟(1)中壓應力作用條件為壓制壓強在150～650MPa之間。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種自透氣性金屬模具的制造方法，其特征在于所述步驟(2)中燒結具體工藝條件為燒結溫度1200～1350℃，保溫1～3小時。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種自透氣性金屬模具的制造方法，其特征在于所述金屬粉末塊體材料的連通孔隙率控制在10％～35％。
8.根據(jù)權利要求1所述的一種自透氣性金屬模具的制造方法，其特征在于所述機械加工方法包括線切割、電火花、銑削、車削、磨削、或拋光機械加工方法。
9.一種自透氣性金屬模具就是通過權利要求1～8任一項所述的制造方法得到。
10.權利要求9所述的自透氣性金屬模具在流態(tài)材料成型中的應用。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種自透氣性金屬模具及其制造方法。該方法采用金屬粉末在壓應力作用下制備出含有連通孔隙的塊體生坯；然后將金屬粉末塊體生坯燒結獲得透氣性金屬塊體；再通過機械加工或電加工將透氣性金屬塊體制造成透氣性金屬模具型腔零件；將透氣性金屬模具型腔零件與成型模具的其它零件組合構成成型模具。本發(fā)明自透氣性金屬模具可應用于需要排除模腔中氣體的流態(tài)材料成型，包括高分子材料成型、塑料成型、復合材料、金屬液體及半固態(tài)材料的成型。本發(fā)明工藝步驟簡單，操作方便，實施容易，生產成本較低，適合于大批量工業(yè)生產，應用范圍廣，市場前景好。
文檔編號B29C33/10GK1907642SQ20061003700
公開日2007年2月7日 申請日期2006年8月10日 優(yōu)先權日2006年8月10日
發(fā)明者周照耀, 李元元, 夏偉, 邵明, 王郡文 申請人:華南理工大學