[发明专利]电弧熔丝增材制造内含随形冷却内流道模具钢构件的方法

说明书

电弧熔丝增材制造内含随形冷却内流道模具钢构件的方法，涉及电弧熔丝增材制造技术。采用冷金属过渡焊技术，先对含随形冷却内流道钢构件基板表面的内流道内表层所在的位置进行电弧熔丝增材沉积，然后将内流道盖板覆盖到内流道内表层上端口上正好盖住上端口，然后再采用制造内流道外其余的部分，使得内流道外其余的部分不低于内表层上端口；内流道内侧面所在层采用相对较小的小热输入工艺参数进行沉积，内流道外其余层采用相对较大的大热输入工艺参数进行沉积。本发明电弧沉积过程稳定、无熔池流淌及坍塌现象、各层之间以及各道之间呈良好的冶金结合、表层精度较高、且无损探伤检测结果表明无裂纹或未熔合等缺陷存在。

技术领域

本发明涉及电弧熔丝增材制造技术，具体涉及一种采用电弧熔丝增材制造内含随形冷却内流道模具钢构件的方法。

背景技术

传统H13热作模具钢构件均是先采用等材制造工艺(铸锻等)进行制坯，然后再采用减材制造工艺(车铣刨磨等)进行成型加工，采用传统这种“铸锭冶金+塑性变形”工艺进行模具生产时具有加工量大、材料利用率低、生产周期长、成本高昂等缺点。且因模具性能要求高、几何(内腔)结构复杂、材料形变难及需多道工序配合等原因，给传统制造工艺带来很大困难。此外，因材料利用率低而造成极严重浪费。

电弧熔丝增材制造技术以电弧为热源、金属丝材为原料，按照规划路径以“线”为基本构型单元在基板上逐层沉积，最终形成复杂形状三维零件，从而可一次快速精确成形实现“自由制造”。与传统减材及等材制造相比，该技术在成形过程中无需专用模具、夹具、刀具以及多道繁琐工序配合，可显著提高生产效率、缩短生产周期、简化生产工序，且本发明所用增材制造平台不受设备成型室空间限制而具有柔性制造大尺寸零件能力。

H13热作模具钢具有很好的淬透性、韧性及抗热裂能力，常用于制备冲击载荷大的锻模、精锻模及热挤压模等。而传统模具中冷却液通道均是采用直线钻孔方式进行制备以获得网状交叉式内流道。该直线钻孔方式所加工内流道无法与零件表面几何特征相匹配，流道必须绕过零件最外层以防干扰模具型腔，这意味着距离零件中间区域越近部位常离最近冷却流道较远。尤其是在模具热点区域常因热积累严重产生残余应力、增加零件翘曲缩痕几率。

采用电弧增材制造技术所制备随形冷却内流道模具可根据零件表面几何特征进行内部冷却液通道柔性设计。这样一方面可保持随形冷却流道与模具表面等距离分布而使冷却效果均匀，另一方面还可在模具热点区域增加流道密集度而使热点区域获得更快冷速。随形冷却流道的设计不仅可确保湍流功能、进一步增加模具至冷却剂传递热量，提高模具冷却效率，还可降低注塑压力使模具服役寿命提高、降低分模线磨损使模具复杂细节减少。

研究显示：电弧增材制造技术在较高沉积效率下可制备内含随形冷却流道H13模具，从而使模具在较快冷却下确保各部位冷却速度波动范围较小、且内部晶粒尺寸和残余应力分布均匀而最终提高模具服役寿命。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有冷却模具中仅可采用直线钻孔方式进行制备以获得网状交叉式内流道这一问题，提出一种采用电弧熔丝增材制造内含随形冷却内流道模具钢构件的方法，解决传统模具冷却速度慢、热分布不均匀、甚至热点区域因热积累严重而出现翘曲缩痕等问题。

一种采用电弧熔丝增材制造内含随形冷却内流道模具钢构件的方法，该方法是按照以下步骤进行的：

(1)内流道尺寸设计

在钢构件基板表面预设内流道的位置，标记上内流道内表层；

(2)内流道盖板设计

盖板按照内流道的图样采用机加工的方法进行制备；确保盖板厚度略厚于大热输入工艺参数下最大熔深以避免焊透现象；盖板厚度可根据热输入参数调整；内流道盖板的材料与钢构件基板的材料相同。

(3)钢构件基板预处理

对钢构件基板表面如机加工后H13热作模具钢基板待沉积表面用角磨机打磨、除锈、除油，得到平整光洁的表面。