注塑成型周期通常包括注塑、保壓、冷卻和開模四個(gè)階段，其中冷卻是核心階段，其對(duì)注塑成型的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：①冷卻的均勻性直接影響塑料的成型質(zhì)量，主要包括冷卻不均引起的內(nèi)應(yīng)力集中，使塑料翹曲變形、精度不良、造成力學(xué)性能下降、表面質(zhì)量不良等缺陷，②冷卻效率影響塑料注射成型周期，降低生產(chǎn)效率，增加生產(chǎn)成本。因此，在優(yōu)化或研究注塑工藝時(shí)，需要關(guān)注冷卻階段。

隨形冷卻通道（CCC）是指冷卻通道隨著注射模型腔的變化而變化，可以有效地解決注射成型中的冷卻不均勻引起的各種問題。冷卻水道以均勻的距離布置在腔體板和型芯中，形成塑料的熱包絡(luò)區(qū)，限制熱量在一個(gè)區(qū)間內(nèi)的傳遞，使塑料冷卻均勻，減少塑料的翹曲變形，提高尺寸精度，縮短成型周期。

目前國內(nèi)外注射模CCC的制造方法主要有間接模制造法和直接模制造法。間接模具制造方法：YANG Y F等采用精密注射成型（PSF）技術(shù)制造出注射模隨形冷卻水路嵌件。曹馳采用鋅基合金制造模具隨形冷卻水線鑲塊，并應(yīng)用于產(chǎn)品試制。直接模具制造法：ILYASI等結(jié)合機(jī)械加工方法和選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)制造隨形冷卻水道。XURX等在前人研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了低慣性快速熱循環(huán)隨形冷卻水道注射模的制造技術(shù)。徐華鵬利用選擇性激光熔融（SLM）技術(shù)加工了具有多孔結(jié)構(gòu)的隨形冷卻水道模具零件。但是，間接模具制造法和直接模具制造法還有一定的局限性，例如，水路隨形程度不足，難以控制復(fù)雜塑料隨形水路與模具擠壓機(jī)構(gòu)的干涉，加工后的模具零件的強(qiáng)度和密度不能滿足生產(chǎn)要求，需要進(jìn)行復(fù)雜的后處理必須用專用設(shè)備加工模具零件等。

真空擴(kuò)散焊具有以下優(yōu)點(diǎn)：①不存在氣孔、宏觀裂紋等熔融焊接特有缺陷，也不存在過熱組織的熱影響區(qū)，②可用于焊接復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工件及工件內(nèi)部的接頭，③焊接后的焊接件不變形一種能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械加工后的精密裝配連接的高精密連接方法。目前，真空擴(kuò)散焊已成功應(yīng)用于航空產(chǎn)品，如某高壓大流量航空液壓泵轉(zhuǎn)子平面和9個(gè)柱塞全部采用擴(kuò)散焊技術(shù)焊接等。劉鵬等人采用真空擴(kuò)散焊接技術(shù)焊接鋁合金和鎂合金，得到高剪切強(qiáng)度的異種金屬擴(kuò)散焊接接頭。曲文卿等人采用真空擴(kuò)散焊制備的鋁銅二重合金片材料厚度薄，有一定強(qiáng)度。趙麗敏等人在356℃溫度下對(duì)鎂鋁異種金屬進(jìn)行擴(kuò)散焊接連接，實(shí)現(xiàn)了鎂鋁材料的可靠連接。

為了解決間接模具制造法和直接模具制造法對(duì)隨形冷卻水路的不足，提出采用真空擴(kuò)散焊接與機(jī)械加工相結(jié)合的方法制造隨形冷卻水路。以ABS材質(zhì)電動(dòng)機(jī)后蓋注射模隨形冷卻水路的制造為研究對(duì)象，對(duì)S136模具鋼真空擴(kuò)散焊后焊縫的形態(tài)、偏析狀況、碳化物的存在形式、硬度分布等進(jìn)行了檢驗(yàn)分析，探索了適合隨形冷卻水路制造的真空擴(kuò)散焊技術(shù)。

伺服冷卻水路的設(shè)計(jì)

以型腔深度深的電動(dòng)機(jī)后蓋塑料為例，其成型材料為ABS，采用隨形冷卻水道進(jìn)行注射模冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，型芯冷卻水路設(shè)計(jì)為隨形冷卻水路，型腔板冷卻水路采用傳統(tǒng)冷卻水路。中子隨形冷卻水路的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由螺旋水路和垂直水路兩部分構(gòu)成。中間?8mm的垂直水道，外部直徑為?8mm及壁高3.5mm的U型斷面螺旋水道，水道與垂直平面的角度為3°，空腔板冷卻系統(tǒng)具有4級(jí)直徑?它由一個(gè)8mm獨(dú)立的冷卻回路組成，在塑料頂部設(shè)計(jì)了兩個(gè)獨(dú)立的冷卻回路，以加強(qiáng)凝聚材料在澆口中的冷卻。

圖1芯隨形冷卻水路

如圖2所示，芯體由芯體、芯體內(nèi)部的冷卻管道嵌入件和底板這三部分構(gòu)成。將三個(gè)零件單獨(dú)加工，通過真空擴(kuò)散焊接連接。

圖2核心

S136模具鋼除了具有良好的加工性、耐磨損性、淬火性及耐腐蝕性外，還具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，因此選擇S136模具鋼作為模具芯主體及冷卻水路嵌入件的材料。避免在使用過程中因水管腐蝕造成的返工問題。

試驗(yàn)研究

1

試驗(yàn)材料

S136模具鋼的主要化學(xué)成分如表1所示。

2

真空擴(kuò)散焊接試樣制備

真空擴(kuò)散焊是在真空條件下，對(duì)焊接件施加一定壓力，使焊接件相互接觸，產(chǎn)生微塑性變形，在溫度作用下，焊接件接觸表面出現(xiàn)原子擴(kuò)散，形成牢固連接的過程，其工藝流程如圖3所示。為了驗(yàn)證真空擴(kuò)散焊用于隨冷卻水路制造的可能性，選擇厚度為9.5mm且焊接面經(jīng)過精密機(jī)械加工處理的2片S136模具鋼進(jìn)行試驗(yàn)，采用表2所示的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行焊接，焊接后的焊接部件如圖4所示焊接面（見圖4）的兩個(gè)斜孔用于焊接后焊接質(zhì)量的初步觀察和焊接件到金相試樣的切割。

圖3真空擴(kuò)散焊接工藝流程

圖4S136模具鋼真空擴(kuò)散試樣

3

金相試樣制備

采用線切割獲得焊縫試樣，采用冷嵌件法制備金相試樣，避免了嵌件過程中的熱影響，并對(duì)試樣依次進(jìn)行研磨、研磨、腐蝕（腐蝕液：4%HF+4%HNO3+92%H2O），腐蝕后進(jìn)行掃描電鏡觀察、硬度測(cè)定及XRD物相分析。

結(jié)果和討論

1

焊接的微觀形態(tài)

圖5示出了使用SEM（HITACHIS 3400）觀察S136模具鋼的真空擴(kuò)散焊接試樣的焊接組織的微觀形態(tài)的結(jié)果。由圖5（a）～（c）可知，S136組織中碳化物分散分布在鐵素體基體上，碳化物粒子細(xì)小且分布均勻，焊接品質(zhì)良好，如從圖5（d）可知，在焊縫的個(gè)別區(qū)域形成間隙，間隙寬度約為5μm；由圖5（e）可知，在焊縫的個(gè)別區(qū)域出現(xiàn)的孔的孔長(zhǎng)度為10～20μm，寬度5~10μm。

圖5S136模具鋼真空擴(kuò)散焊接試樣焊接的SEM圖

從總體分析來看，焊接質(zhì)量好，但也存在一定的缺陷。其原因如下：①隨形冷卻水線插件焊接表面粗糙度大，②焊接壓力不足；③保溫時(shí)間短。增加焊接壓力會(huì)增加焊接件的變形風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)保溫時(shí)間會(huì)使晶粒長(zhǎng)大，影響焊接件的適用性，因此在實(shí)際加工過程中，一般采用降低鑲件表面粗糙度的方法來提高焊接件的焊接質(zhì)量。

2

擴(kuò)散焊接試樣硬度的分布規(guī)律

用數(shù)字式維氏硬度計(jì)（THVP-10）測(cè)試焊縫及焊縫附近硬度的分布規(guī)律，試驗(yàn)載荷為500g，保壓時(shí)間為15s。所選擇的試驗(yàn)點(diǎn)如圖6所示，1、2點(diǎn)為母材，3點(diǎn)為焊縫，4、5點(diǎn)為焊縫的兩側(cè)。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可知，真空擴(kuò)散焊后，焊縫硬度接近母材，焊縫硬度無明顯波動(dòng)，焊縫兩側(cè)組織均勻。

圖6S136模具鋼真空擴(kuò)散焊接試樣硬度試驗(yàn)點(diǎn)

3

擴(kuò)散焊接試樣物相分析

使用XRD（Bruker:D8advance）測(cè)試焊接的物相組成并進(jìn)行分析。試驗(yàn)條件為Cu靶、電壓40kV、掃描角度20°~90°、速度0.04°/s，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，試樣的主要物相為Ni-Cr-Fe相，在基體中形成Ni-Cr-Fe固溶體。根據(jù)金屬學(xué)原理，合金中的C的一部分固溶于Fe基體中，形成鐵素體間隙固溶體，其他部分C形成親和性強(qiáng)的Cr和V、（Cr，F(xiàn)e）23C6和VC。

圖7S136模具鋼真空擴(kuò)散焊接物相組成

采用機(jī)械加工與真空擴(kuò)散焊相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了電動(dòng)機(jī)后蓋注射模隨形冷卻水道的結(jié)構(gòu)。采用S136模具鋼材料成形隨形冷卻水通道嵌件，采用真空擴(kuò)散焊的方法接合嵌件，然后采用SEM、維氏硬度、XRD等測(cè)試方法對(duì)焊縫組織和性能進(jìn)行觀察和驗(yàn)證。結(jié)果表明：采用真空擴(kuò)散焊的方式，焊縫硬度接近母材，焊縫不出現(xiàn)硬度波動(dòng)現(xiàn)象，且焊縫兩側(cè)組織均勻，焊縫質(zhì)量可滿足隨形冷卻水道的使用要求。同時(shí)，結(jié)合真空擴(kuò)散焊接技術(shù)和注射模隨形冷卻水路的特點(diǎn)，提出采用降低鑲塊表面粗糙度的方法來提高焊縫的焊接質(zhì)量。