劉暢 周正 徐宏超 賈彤珺 隗永旺

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.北京鐵科首鋼軌道技術(shù)股份有限公司，北京 102206

鐵路軌道扣件是扣壓鋼軌、減振降噪、保證列車運(yùn)行平穩(wěn)的安全保障［1］，平均每公里6 000多組。扣件中高分子材料部件的模具統(tǒng)稱為注塑模具，采用注射塑料成型技術(shù)制造。具體流程為將粒狀或粉狀塑料受熱塑化后通過噴嘴末端注入所需形狀的模具中，經(jīng)冷卻定形后脫模得到所需形狀制品［2］。

針對(duì)傳統(tǒng)注塑模具設(shè)計(jì)制造周期長、冷卻流道無法應(yīng)對(duì)復(fù)雜零件等問題，研制了隨形冷卻流道。隨形冷卻流道針對(duì)具體要求進(jìn)行特殊回路設(shè)計(jì)，通過選區(qū)激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術(shù)進(jìn)行注塑模具的增材制造。增材制造又稱3D 打印，Sachs 等［3］首次采用3D 打印技術(shù)制造隨形冷卻流道注塑模具，與傳統(tǒng)流道注塑模具相比，制造效率提高了15%，零件變形減少了9%。Ho 等［4］利用AlSi10Mg 作為鋁基冶金粉末，通過SLM 技術(shù)制備了一種非均勻尺寸和圓柱形流道的水冷式冷板，能夠改善流體分布以增強(qiáng)傳熱。Han 等［5］通過探究采用SLM 技術(shù)制造的直徑3 mm內(nèi)部流道的表面粗糙度和殘余應(yīng)力，得出磨粒流拋光有利于內(nèi)部流道表面完整性。Armillotta等［6］采用SLM 技術(shù)制備了根據(jù)零件幾何形狀設(shè)計(jì)的隨形冷卻流道的壓塊，代替?zhèn)鹘y(tǒng)直線冷卻流道的機(jī)加工壓塊。國內(nèi)對(duì)隨形冷卻流道注塑模具的研究起步較晚，Au等［7-8］提出支架冷卻方式，并設(shè)計(jì)出一種保形的冷卻通道，隨后又提出快速冷卻通道的設(shè)計(jì)方法。Bai等［9］通過SLM 技術(shù)制造出隨形冷卻流道模具，并通過機(jī)械加工提高模具表面精度。黃玉山［10］通過對(duì)模具隨形冷卻流道的模擬分析，探究注塑制品的冷卻時(shí)間和生產(chǎn)效率隨溫差的分布。陳根余、韋怡等［11-12］為使隨形流道冷卻效果更加均勻，在增材制造過程中添加激光輪廓參數(shù)，提高制件成型質(zhì)量。

增材制造加工的注塑模具可用于制造鐵路軌道復(fù)雜部件，與傳統(tǒng)機(jī)械加工注塑模具相比設(shè)計(jì)自由度更高，散熱更均勻，制作周期更短。但由于冷卻流道距模具表面較近，其增材制造效果極易影響模具質(zhì)量，同時(shí)粗糙的流道內(nèi)壁表面可能導(dǎo)致冷卻水在流道內(nèi)的流動(dòng)性較差，甚至可能出現(xiàn)紊流和沖蝕現(xiàn)象以及冷卻不均的問題。因此，流道的選擇與成型質(zhì)量是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。本文對(duì)金屬激光熔化制造過程中鐵路軌道扣件高分子材料部件注塑模具隨形冷卻流道工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證優(yōu)化后流道增材制造的效果。

1 注塑模具冷卻流道制造方法及設(shè)計(jì)

1.1 制造方法

注塑模具分為傳統(tǒng)機(jī)械加工注塑模具和增材制造加工注塑模具。傳統(tǒng)機(jī)械加工注塑模具的冷卻流道主要采用銑削與嵌套鑲拼相組合的方式［13］。其弊端是設(shè)計(jì)流程長，冷卻效率低，制品變形大。

增材制造加工注塑模具的制造技術(shù)分為直接制模技術(shù)和間接制模技術(shù)［14］。直接制模技術(shù)是通過增材制造技術(shù)直接堆積制造模具；間接制模技術(shù)是先快速成型零件作為中間過渡件，再通過零件制作所需的模具，因此直接制模技術(shù)具有一步成型的優(yōu)勢(shì)，相較于間接制模技術(shù)更適用于鐵路軌道扣件高分子材料部件注塑模具的制造。現(xiàn)有工藝將模具的整體或局部采用直接制模技術(shù)，通過SLM 技術(shù)將金屬粉末層堆疊形成帶有復(fù)雜的隨形冷卻流道的注塑模具。采用18Ni300 馬氏體時(shí)效鋼材料的模具被廣泛應(yīng)用于增材制造中，該模具具有韌性好、強(qiáng)度高、焊接性能好、尺寸穩(wěn)定的特點(diǎn)［15］。

1.2 鐵路軌道高分子材料部件模具流道設(shè)計(jì)

2016年8月中國鐵道科學(xué)研究院首次嘗試采用增材制造技術(shù)制造鐵路軌道WJ-8 型扣件絕緣軌距塊注塑模具［16］，主要研究了鑲塊中隨形冷卻流道對(duì)軌距擋板冷卻效果的影響。

圖1 為軌距擋板模具及其隨形冷卻流道。采用SLM 技術(shù)制造絕緣軌距塊注塑模具的模仁時(shí)，隨形冷卻流道需要水長時(shí)間沖刷冷卻絕緣軌距塊。因此，隨形冷卻流道的內(nèi)壁無法采用添加支撐的制造方式。本文以軌距擋板模具的隨形冷卻流道為例，通過優(yōu)化增材工藝參數(shù)，提高流道內(nèi)壁表面質(zhì)量。

圖1 軌距擋板模具及其隨形冷卻流道

2 增材工藝參數(shù)對(duì)流道性能的影響

2.1 隨形冷卻流道制造工藝

為實(shí)現(xiàn)注塑模具隨形冷卻流道的增材制造，首先采用三維數(shù)值模擬軟件建立不同孔徑流道平行于基板的橫向水路模型，并將模型轉(zhuǎn)換為三角面片格式，進(jìn)行切片和工藝參數(shù)設(shè)置；然后對(duì)金屬3D 打印機(jī)進(jìn)行打印設(shè)置，將工藝參數(shù)導(dǎo)入，通過SLM 技術(shù)得到打印半成品；最后采用線切割等后處理方式得到所需成品。注塑模具隨形冷卻流道的3D 打印質(zhì)量與體能量密度密切相關(guān)。因此，可通過調(diào)整增材制造技術(shù)中的體能量密度來獲得高精度、高質(zhì)量的零件。體能量密度E體的表達(dá)式為

式中：P為增材制造的激光功率；v為掃描速度；h為掃描間距；t為打印層厚度。

2.2 流道初始工藝參數(shù)

采用Magic 切片軟件和Epatch 填充軟件設(shè)置隨形冷卻流道的工藝參數(shù)，并通過易加三維M260 金屬打印機(jī)進(jìn)行試樣的增材制造。選用18Ni300 材料層厚50 μm 時(shí)相應(yīng)工藝參數(shù)進(jìn)行隨形冷卻流道的增材制造。流道相對(duì)基板橫向放置時(shí)，流道的上半圓受下表面參數(shù)影響，流道的下半圓受上表面參數(shù)影響，流道周圍的實(shí)體受主體參數(shù)影響。因此流道試樣原始參數(shù)包括流道主體、上表面和下表面填充的激光速度v填和激光功率P填，試樣輪廓的激光速度v輪和激光功率P輪。具體取值見表1。采用表中參數(shù)進(jìn)行流道3D 打印，流道直徑為0～ 18.5 mm。

表1 流道試樣原始參數(shù)

圖2 為原始試樣的打印效果，試樣表面硬度平均值為36.5 HRC，流道上半部分出現(xiàn)向上的凹坑和熔渣。

圖2 流道原始試樣

軌距擋板模具隨形冷卻流道的直徑為8 mm。流道與主體搭接處最后4 層激光填充路徑見圖3。其中綠色填充線和黃色輪廓線分別表示流道下表面填充和下表面輪廓的激光路徑。8 mm 流道打印過程中掃描間距和層厚不變，打印效果差且出現(xiàn)凹坑和熔渣。這是由于下表面填充和輪廓的激光功率、激光速度設(shè)置不當(dāng)。

圖3 8 mm流道上半圓頂部的激光熔化路徑

2.3 工藝參數(shù)優(yōu)化

選取相對(duì)基板橫向放置的8 mm 流道進(jìn)行掃描和打印。流道下表面填充的激光速度2 000 mm/s和輪廓的激光功率150 W保持不變，改變下表面工藝參數(shù)（填充的激光功率P填和輪廓的激光速度v輪），制造5 個(gè)試樣。試樣參數(shù)見表2。

表2 試樣參數(shù)

試樣3D 打印效果見圖4。對(duì)比圖2 和圖4 可知，與流道原始試樣相比，5 個(gè)試樣上半圓表面質(zhì)量均有所提升。

圖4 試樣的3D打印效果

為進(jìn)一步探究流道的表面質(zhì)量改善效果，采用杭州Scan 三維激光掃描儀對(duì)試樣進(jìn)行三維掃描，對(duì)比設(shè)計(jì)模型，得到試樣尺寸精度，見表3?？芍?個(gè)試樣的位置精度均達(dá)到99%以上，流道直徑精度均達(dá)到98%以上。試樣3 的流道圓度最精確，其值為0.089 mm，硬度平均值為39.2 HRC。因此，試樣3 的參數(shù)組合最優(yōu)，即下表面填充的激光速度為2 000 mm/s，激光功率為120 W，下表面輪廓的激光速度為800 mm/s，激光功率為150 W。

表3 試樣尺寸精度和力學(xué)性能

3 試樣的制造與檢測(cè)

3.1 試樣的制造

采用優(yōu)化后的參數(shù)制造檢測(cè)試樣，包含6 個(gè)拉伸棒、4 個(gè)金相塊和1 個(gè)流道塊，見圖5。拉伸棒分為平行于基板放置的XY-拉伸棒（3 個(gè)）和垂直于基板放置的Z-拉伸棒（3 個(gè)），流道塊為相對(duì)基板橫向放置。對(duì)檢測(cè)試樣的力學(xué)性能、熔池形貌和微觀形貌進(jìn)行檢測(cè)。

圖5 檢測(cè)試樣

3.2 力學(xué)性能檢測(cè)

按照GB 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)》檢測(cè)拉伸棒的力學(xué)性能，各項(xiàng)拉伸性能指標(biāo)取測(cè)試數(shù)據(jù)的平均值。

XY-拉伸棒的抗拉強(qiáng)度平均值為1 270 MPa，斷面收縮率平均值為72.0%，斷后伸長率平均值為14.0%。Z-拉伸棒的抗拉強(qiáng)度平均值為1 040 MPa，斷面收縮率平均值為68.5%，斷后伸長率平均值為12.5%。

3.3 熔池形貌檢測(cè)

將金相塊進(jìn)行鑲嵌，采用4%的硝酸HNO3和乙醇C2H5OH 溶液腐蝕。金相塊的熔池形貌見圖6。平行于基板方向的熔池呈條狀，熔池寬度在100 μm 左右；垂直于基板方向熔池呈半橢圓魚鱗狀，熔池寬度在100 μm左右，高度為打印層厚度，在50 μm左右。

圖6 熔池形貌

3.4 微觀形貌檢測(cè)

將流道塊切開，通過掃描電子顯微鏡觀察流道內(nèi)壁微觀形貌，發(fā)現(xiàn)流道內(nèi)壁附著粉末，并未完全融化，見圖7。

圖7 流道內(nèi)壁微觀形貌

4 流道工藝參數(shù)驗(yàn)證

流道成品與設(shè)計(jì)模型檢測(cè)對(duì)比流程見圖8。從三維軟件中將流道模型取出，建立支撐，然后進(jìn)行金屬增材制造；對(duì)流道成品進(jìn)行三維掃描，將掃描模型與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果顯示，流道成品的尺寸精度公差在± 0.1 mm內(nèi)，滿足要求。

圖8 流道成品與設(shè)計(jì)模型檢測(cè)對(duì)比流程

5 結(jié)論

1）針對(duì)冷卻水在增材制造模具流道內(nèi)流動(dòng)性較差，可能出現(xiàn)紊流、沖蝕、冷卻不均等問題，設(shè)計(jì)了鐵路軌道軌距擋板模具的隨形冷卻流道，采用18Ni300材料和選區(qū)激光熔化技術(shù)對(duì)隨形冷卻流道內(nèi)壁的增材制造工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。當(dāng)下表面填充的激光速度為2 000 mm/s、激光功率為120 W，下表面輪廓的激光速度為800 mm/s、激光功率為150 W 時(shí)，流道的x、y、z方向的位置精度均達(dá)到99%以上，流道直徑精度達(dá)到98%以上，圓度為0.089 mm，硬度平均值為39.2 HRC。

2）對(duì)相對(duì)基板橫向放置的8 mm 流道進(jìn)行力學(xué)性能、熔池形貌及微觀形貌檢測(cè)。XY-拉伸棒的抗拉強(qiáng)度平均值為1 270 MPa，斷面收縮率平均值為72.0%，斷后伸長率平均值為14.0%；Z-拉伸棒的抗拉強(qiáng)度平均值為1 040 MPa，斷面收縮率平均值為68.5%，斷后伸長率平均值為12.5%。平行基板方向熔池呈條狀，垂直于基板方向熔池呈半橢圓魚鱗狀。流道內(nèi)壁附著未完全熔化的金屬粉末。流道成品的尺寸精度和強(qiáng)度滿足要求。

本文給出的工藝參數(shù)可用于采用18Ni300材料的注塑模具隨形冷卻流道的增材制造中。后續(xù)將進(jìn)行注塑模具模仁研究，預(yù)測(cè)參數(shù)優(yōu)化后注塑模具的壽命。