塑料成型金属模具相关技术的发展

 1 热处理及表面处理

虽然单纯简化模具制作工艺是困难的，但根据各种成型条件，更快更稳定制作高性能金属模具却是可行的。同时，还应构建从海外接受模具制作的订货体制。而且，应重新评价过去实施热处理的模具。就现实状况而言，模具制作虽然不能完全避开热处理，但相当一部分塑料模具从热处理型向无热处理型转换则是可能的。

1.1 热处理型和无热处理型分类

一般以成型树脂的组成和压铸数量决定选择哪种模具材料。也就是说树脂内玻璃纤维（下称GF）的数量和压铸数量是选择模具材料的重要因素。根据过去的实际操作，则可将含35%GF作为分界，将压铸数分为50万（次）以上的热处理型和50万（次）以下的无热处理型。

例如若用含30%GF的树脂进行30万次以下的成型，在对30-32HRC的预硬化钢实施N化处理的条件下，且若将含35%GF的树脂进行50万次的成型，在对40HRC预硬化钢实施N化和PVD涂镀条件下，即使不采用热处理型材料，也可达到目标压铸数量。当然，对含40%-50%GF树脂进行70万次的压铸成型模具，则须将母材进行高硬度热处理，且需作N化和PVD复合处理，日本不二越工业公司的不少模具就进行了这样的处理。

1.2 热处理条件和模具质量

进行热处理的模具在淬火、回火中产生变形，因此，在满足热处理质量要求方面应尽可能快速冷却，这与为抵制变形需尽量慢冷之间存在矛盾，要同时满足上述两方面的要求是非常困难的。

模具材料除了要具有好的切削性能之外，还需要减少在热处理工序中尺寸的变形。最近将冷锻模具钢PD613和HPM31改良，开发成SLD-Magic和DCMX两种材料。较之JIS的SKD11，这些改良钢的性能得到大幅度改善。在塑料成型用金属模具中，由于主要是进行难燃强化树脂的成型，故除考虑其耐磨损性和耐蚀性外，还需充分考虑在成型中引起的时效变化。

由于耐磨损性与硬度成正比，故金属模具材料采用了硬度60HRC的钢种。另外，需要注意的是材料硬就会变脆，故对于可能产生破损的模具，应考虑其延展性（又称可锻性），因此，一般将材料硬度控制为56-58HRC。并且，当需要考虑耐蚀性时，原则上采用M（马氏体）系不锈钢。在重视耐蚀性的热处理中，不能析出会降低防蚀抗力的碳化物。需避免在450℃以上的温度回火。然而，为了热处理后实施N化和涂镀处理，进行高温回火又是恰当的处置。

为了防止时效变化，有必要进行低温处理，即回火应在不析出碳化物的400℃以下的温度进行。

1.3 无热处理型模具材料的发展

在日本国内的塑料成型金属模具制作中，虽然面临降低成本、缩短交货期、提高质量的压力，但在塑料模具使用预硬化钢附加表面改质的条件下，即使不进行热处理也能满足使用要求。根据调查得知，目前从热处理型材料转换为硬度40HRC的预硬化钢表面改质的非热处理型模具正在急剧增加。预计数年后，预硬化钢的硬度将从现在的40HRC左右提高到45HRC左右，从而成为非热处理型的模具材料。

在模具产业全球化的背景下，日本国内的模具企业为了能够生存下去，必须采取一些对策。特别要重视成本、交货期和产品质量等重要指标，以便能与海外制造的模具竞争。硬度40HRC的预硬化钢附加表面改质的非热处理型材料的应用将会普遍。然而，这样处置的使用范围有限。因此，若匆忙将预硬化钢的硬度提高至45HRC左右，可能将难以满足对48HRC左右硬度非热处理型材料的全球化需求。

为了实现既定目标，炼钢厂家必须组织所定硬度预硬化钢的开发。而高硬度化材料的切断、切削加工等难题的解决时间，将会左右非热处理型预硬化钢实际应用的进程。

2 用激光堆焊 焊接的金属模具精密修补技术

过去，模具的堆焊 焊接修补，一般都采用W极惰性气体保护电弧焊（简称TIG焊）。然而，近年由于脉冲激光堆焊.焊接机的问世，使得更细微、精密的模具修补成为可能。在日本，激光堆焊 焊接机本来因其精密操作性而用于珠宝饰品加工。但现在已广泛用于塑料、压铸、冲压等模具的修补。由于可以对模具零配件、磨损部、缺陷及针孔等以0.01mm内的精度进行堆焊修补，故作为有效的修补手段，其市场扩大、需求高涨，使模具生产厂家和受委托加工业者都纷纷引进此技术及设备。

2.1 修补技术的特点

与一般的TIG焊接相比，激光堆焊.焊接具有焊接输入热量小，无需进行预热和焊后处理等特点，使得过去不可能进行的细微精密堆焊.焊接成为可能。

由于TIG焊是一边用焊炬的高热量熔工件和堆焊材料，一边进行堆焊.焊接，具有焊接速度快，焊合强度大等优点。但因其输入热量很大，工件易变形，产生二级咬边和应力；并且，因毛剌（飞边）多，造成机械加工、电火花加工时间长、费用上升等问题。另外，对于细小部位（如针销状尖端、沟状底部和侧面等），TIG焊是不适合的。

反之，激光堆焊.焊接是脉冲状激光的点状照射，对工件的热影响极小，不会造成工件的变形、二级咬边等损伤。可以一边用附属的显微镜确认堆焊.焊接部位，一边进行激光焊接操作。并且，由于持续调整显微镜的焦点和激光焦点的距离，从而可以对堆焊.焊接部位进行准确照射。当然，较之TIG焊接，若用激光进行大量堆焊，则有焊接速度慢的缺点。但是，激光焊接精度极高，且可以减少其后精加工时间和费用，加之可以对狭窄的沟槽、孔穴底部、内角等细小部位进行堆焊.接焊，故可认为激光焊接是修补塑料成型用金属模具最佳的技术。

伴随塑料成型、压铸、冲压等模具的修补及设计的变更，除改造、修正之外，还有机械部件、精密部件的堆焊.焊接、TIG等焊接不良（如二级咬边、针孔等）的修补，以及各类金属之间的堆焊.焊接等。

2.2 堆焊方法与使用

同时考虑了堆焊.焊接部的材质、形状而调整了激光脉冲宽度、频率数、射束直径（焦点直径），从而设定了最佳的堆焊.焊接条件。由于持续对显微镜焦点和激光焦点距离进行调整，故容易进行条件设定。首先，为了防止修补部位融合不良，不使用焊丝而仅进行激光对堆焊部位照射。继而将焊丝尖端插入，少量熔融地进行堆焊；然后进行正常堆焊，直至形成无针孔等焊接不良的堆焊层。

3 快速成型工艺

3.1 快速成型概要

所谓快速成型，是将实体对象的三维形状用薄层叠置进行处理，以主体形状堆积而实现物理形状。具体是以高精度、超短交货期、批量生产的金属模具制作为目标，进行了金属粉末激光烧结技术和精密切削复合加工技术的开发。

该技术的基本原理是：

1）首先，用三维计算机辅助设计定义最终形状的立体部件形状。

2）其次，由此三维形状数据算出等间隔切薄片轮廓形状的处理，以求出薄片数据。

3）以薄片数据为基础，一面利用CO2激光将实际粉末材料烧结成薄板状，一面和已经终止成型的下层相接合，经激光反复烧结后切削精加工轮廓表面。

4）将材料固化、切薄片数据反复叠置，直到与计算机上定义的部件形状相同的物理部件。

3.2 实现注射成型金属模具的快速成型技术

在此金属光造型法中，可以实现在原来的模具加工中不可能进行的单一工艺加工，故可以期待超短交货期及低成本的金属模具制作。在加工法中，可自由地形成内部结构，还可构成三维温度调节回路，可以期待注射成型精度的提高和成型周期的缩短等高功能金属模具技术及成型技术的革新。

本技术使用的Fe系粉末材以合金钢粉末为主要成分。利用Ni粉和Cu系粉末的混合粉末开发的造型物也无微裂纹，最大的弯曲强度、硬度与一般使用的金属模具用钢材S50C相同。切削加工而成的试样表面尺寸精度达±0.03mm，表面光洁度为20μm R2。

采用此技术在浇口衬套内部设置了水管，缩短了冷却时间，使注射成型工程实现了高周期化，抵制了金属模具温度的上升，从而避免了成型事故，并提高了模具寿命。

3.3 塑料成型模具相关的新技术

日本将价格便宜的塑料成型用金属模具的生产向中国和韩国转移。而中国生产的模具存在一些问题，主要是成型塑料产品外观不良，原因是对模具中塑料热分解气体的抽出和抽气机构的设计研究不充分。并且，若利用廉价的材料和循环材，受其杂质的影响，发生的热分解气体多，也易造成产品外观不良。

有人采用金属光造型复合加工机，但建议使用双通道方式，结果缩短了塑料注射成型周期。由于利用局部的低密度层而从金属间隙吸引热分解气体和负压，促进了树脂的填充，在成型后喷出高压空气的条件下，促使热分解气体排出，在低密度层去除了堵塞孔眼的杂质，从而有利于提高产品质量。

EOS公司建议采用金属的直接造型技术。瑞士Ecoparts公司进行了利用DMLS修补破损金属模具的技术开发，从而对损坏模具进行有效修补。较之整体制造，可降低成本，节约时间。

超高强度的马氏体时效处理钢的抗拉强度达1900MPa、硬度达55HRC，业界最近一直努力将之应用于压铸金属模具和注射成型模具的衬垫部件。

Sintermask公司利用生成断面形状掩蔽，用10kW红外灯管，开发了高速熔融热可塑性树脂的叠层造型方式。其最大造型尺寸为300mm×200mm×800mm；只要是聚酰胺材料，就能以每层100μm厚、每小时700mm的速度造型；若是一次一批拇指大的个别形状部件，可以制造3000个，达到每个10秒以下的生产率。

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