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關(guān)鍵字： 電鑄；共形冷卻道；熱導(dǎo)率；背襯 摘　要： 快速批量生產(chǎn)模能用于大批量生產(chǎn)，以注塑成形工藝為例，可將這種快速模具安裝在注塑機(jī)上，替代鋼質(zhì)注塑模，大批量成形高品質(zhì)的塑料件。

目前，比較成熟的快速批量生產(chǎn)模（又稱為快速硬模）有以下7種：（1）具有共形冷卻道的鎳殼－銅層－背襯(ExpressTool)模；（2）電鑄鎳殼－陶瓷背襯(NCC)模；（3）氣相沉積鎳殼－背襯(NVD)模；（4）燒結(jié)工具鋼/碳化鎢－滲銅(3D Keltool)模；（5）直接金屬激光液相燒結(jié)(DMLS)模；（6）分層高速切削－疊合金屬模；（7）直接金屬噴鍍(DMD)模。本文將著重介紹已在國(guó)外廣泛采用的ExpressTool模。

1  ExpressTool模的結(jié)構(gòu)

ExpressTool模見圖1是一種具有共形冷卻道的鎳殼－銅層－背襯模，它先在母模表面電鑄鎳殼，然后設(shè)置共形冷卻道，再電鍍銅層，并澆注背襯而構(gòu)成，其核心技術(shù)是采用了電鑄鎳－銅復(fù)合殼，以及共形冷卻道。

（1）電鑄鎳殼

電鑄（electroforming）是利用電化學(xué)反應(yīng)中的陰極沉積現(xiàn)象，在陰極表面獲得金屬型芯或型腔殼體的一種加工方法，即用預(yù)先按所需形狀制作的母模作陰極見圖2，用電鑄材料作陽極，將它們一同放在與陽極材料相同的金屬鹽溶液中，并在陰極和陽極之間通以直流電。在電解作用下，金屬鹽溶液中的金屬離子在陽極獲得電子后，傳送到陰極并沉積在陰極表面上，陽極的金屬原子失去電子而成為金屬陽離子，源源不斷地補(bǔ)充到電鑄溶液中，使溶液中的金屬離子濃度保持基本不變。當(dāng)原模表面的沉積層達(dá)到所需的厚度時(shí)，停止電鑄，從溶液中取出帶有電鑄層的母模，并使二者分離，獲得與母模形狀相反但尺寸和表面光潔度基本一致的金屬?gòu)?fù)制件。電鑄的金屬通常有銅、鎳與鐵等，以鎳的電鑄應(yīng)用最廣。在CD/VCD光盤的生產(chǎn)中已廣泛采用電鑄工藝，通過玻璃母模來制作注塑模的鎳殼見圖3。

ExpressTool模的鎳殼是由快速成形件做母模，經(jīng)導(dǎo)電化處理后電鑄而成，厚度應(yīng)達(dá)到2mm。采用電鑄鎳殼的優(yōu)點(diǎn)是：1）電鑄件的復(fù)制精度高，它能復(fù)制出機(jī)械加工難于制作的精細(xì)表面（如花紋、皮紋、文字等0.1mm以內(nèi)的母模特征），以及形狀復(fù)雜的高精度、高表面質(zhì)量的型芯與型腔，并且，電鑄件的組織精細(xì)，因此，只要母模有足夠的精度和表面光潔度，電鑄件就有足夠的精度和表面光潔度，例如，能夠復(fù)制表面粗糙度Ra=0.1mm的高品質(zhì)光學(xué)表面，用于成形塑料鏡片。2）電鑄件的硬度和強(qiáng)度高，例如，電鑄鎳的硬度可達(dá)HRC35～50，抗拉強(qiáng)度一般為550～650MPa，可耐300℃的高溫，不易變形，無需熱處理，有較好的防腐能力，因此使用壽命長(zhǎng)。3）電鑄的型芯與型腔面很光潔，無需再拋光。4）可采用任何材質(zhì)的母模，它可以是石膏、蠟、紙基材料、塑料、皮革、木材、低熔點(diǎn)合金、不銹鋼與鋁等，因此，母模易于成形，不一定必須用CNC機(jī)床加工。5）電鑄所用設(shè)備較簡(jiǎn)單，成本較低。

（2）電鍍銅層

電鍍銅層的厚度約為4mm，采用電鍍銅的原因是：1) 與電鑄鎳相比，電鍍銅更快，能縮短制作周期。2) 銅的熱導(dǎo)率比鎳高得多，因此，能加快工件冷卻，縮短注塑循環(huán)時(shí)間，提高生產(chǎn)率。3) 薄鎳殼背面的電鍍銅層是良好的控溫體。4) 電鍍銅有良好的抗壓強(qiáng)度(280~336 MPa)。5) 電鍍銅的線膨脹系數(shù)為16.5×10－6 K-1，非常接近電鑄鎳的線脹系數(shù)13.6×10－6 K-1 。這樣小的線脹系數(shù)差(2.9 ×10－6 K-1)是很重要的，因?yàn)樵谶@種條件下，每一次注射循環(huán)中誘發(fā)的最大應(yīng)變僅為0.07%，它處于鎳與銅的屈服點(diǎn)之下，屬于彈性變形的范圍。大的線膨脹系數(shù)差與收縮差會(huì)導(dǎo)致大的誘發(fā)應(yīng)力、塑性變形、疲勞、脫層與模具失效。目前， ExpressTool 模的壽命已達(dá)270 000次注射，而無脫層問題。

（3）CCC冷卻道      

共形冷卻道(Conformal Cooling  Channel，簡(jiǎn)稱CCC)的布置與注塑件的主輪廓形狀近似見圖4，其截面形狀可為圓、橢圓等。這種冷卻道不僅能提高冷卻效率，縮短注射循環(huán)周期30％~50％，而且可顯著縮小模面上的溫差DTmax，減小工件中的內(nèi)應(yīng)力與翹曲變形，提高工件的品質(zhì)。

顯然，共形冷卻道的優(yōu)點(diǎn)相當(dāng)突出，但是，如果要用傳統(tǒng)的機(jī)加工方法，在一整塊鋼材中制作這樣復(fù)雜的冷卻道是很困難的，只能制作直線排列的鉆削式（Drilled Cooling Channel，簡(jiǎn)稱DCC）冷卻道，而采用ExpressTool工藝能方便地制作共形冷卻道。

（4）背襯

ExpressTool模常用環(huán)氧樹脂或低熔點(diǎn)金屬做背襯，也可用高強(qiáng)度化學(xué)粘結(jié)陶瓷(CBC)或鋼材作為支撐背襯。

ExpressTool 模的制作周期僅為1～2周，顯著短于傳統(tǒng)CNC機(jī)加工的鋼模的制作周期（12～15周）。

2  ExpressTool模的特點(diǎn)

ExpressTool模不僅可替代鋼質(zhì)注塑模，用于大批量生產(chǎn)注塑件，而且還有以下特點(diǎn)：

（1）鎳殼－銅層的熱導(dǎo)率高

從圖4可見，2 mm厚鎳－4 mm厚銅復(fù)合殼的熱導(dǎo)率稍低于鋁,為180 W/(m·k)，約是傳統(tǒng)H-13模具鋼的熱導(dǎo)率的7倍，因此，它具有良好的綜合特性：相當(dāng)高的熱導(dǎo)率，以及高硬度的工作面(鎳面)，良好的耐磨性、抗腐蝕性、工件脫模性與拋光性，這些特性對(duì)于注塑工藝非常重要。實(shí)踐表明，ExpressTool模具已能注射100 000次以上，有的已達(dá)到270 000次注射，而無明顯的磨損痕跡。

（2）冷卻效果好

從圖6可見，與其它形式的冷卻道相比，共形冷卻道有能明顯提高散熱效果，從而可使型腔上的溫差縮小至0.9℃。

（3）易于設(shè)置共形冷卻道

由于易于設(shè)置共形冷卻道，使模具上的熱點(diǎn)數(shù)量減少，模面的溫度分布與塑料工件的收縮更均勻，誘發(fā)的應(yīng)力小，工件的翹曲變形小，能縮短注塑循環(huán)周期。

（4）能提高注塑生產(chǎn)率。

采用鎳－銅復(fù)合殼與共形冷卻道后，與傳統(tǒng)機(jī)加工的鋼模相比，平均能提高注塑生產(chǎn)率約33%。例如，瓶蓋工件的注塑，采用傳統(tǒng)H-13/DCC模時(shí)，循環(huán)周期為15s，即生產(chǎn)率為240件/h；而采用 ExpressTool 模時(shí)，循環(huán)周期縮短至9s，即生產(chǎn)率為400件/h，提高了67%。若按循環(huán)周期為1 0s、每天工作12h、每周工作5天計(jì)算，那么，每周可注塑約20 000件，每年可注塑約1 000 000件。

3  ExpressTool模的制作工藝

ExpressTool 模的制作工藝過程有如下幾個(gè)主要步驟：

（1）電鑄鎳殼

將已導(dǎo)電化的母模作陰極，鎳板作陽極，連于電鑄槽中，電鑄鎳殼見圖7 。當(dāng)電鑄的鎳殼足夠厚(如2 mm)后，從電鑄槽中取出母模及仍與其相連的鎳殼，并將它們置于清水中沖洗，然后晾干。

（2）制作共形冷卻道

將銅管置于鎳殼的背面，并彎曲銅管，以便使其與注塑件的主輪廓形狀共形見圖8。

（3）電鍍銅層

將電鑄的鎳殼與相連的母模，以及已定位的共形冷卻道，置于第二個(gè)銅電鍍槽中見圖9 ，使銅鍍于鎳殼上，并用電鍍銅包裹共形冷卻道，因此，注射塑料的熱量可通過鎳殼與銅層, 直接傳至冷卻道，然后通過對(duì)流而排出。

（4）澆注背襯

對(duì)母模－鎳殼－銅層－冷卻道構(gòu)成的組合件澆注背襯見圖10。

（5）裝配      

取出母模，將制成的型腔安裝于模架中見圖11 ，穿

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