一种异形水道型芯及水冷机壳的制造方法与流程

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1.本发明涉及水冷机壳制造技术领域，具体涉及一种异形水道型芯的制造方法以及带异形水道的水冷机壳的制造方法。

背景技术：

2.在水冷机壳的异形水道的设计和制造中，由于内部流道狭窄，薄壁结构多(薄壁通常在1.5mm左右，铸件可加厚至2-2.5mm左右，充型难)、螺旋水道厚(通常在5mm左右，脆、易变形、难固定)，对于101铝合金、铸铁件的铸造来说，采用砂型铸造技术在铸造的过程中无法对这种薄壁结构有效充型，产生很多铸造缺陷，影响产品的制造量。

技术实现要素：

3.本发明的目的是针对现有技术中采用砂型铸造技术在薄壁结构异形水道制造过程中的上述缺陷，提供一种异形水道型芯的制造方法，该方法采用特种工艺，能够解决异形水道的壁薄、狭窄流道在模具以及铸造过程中的问题，另外本发明还提供一种带有异形水道的水冷机壳的制造方法。
4.本发明技术方案详述如下：
5.第一方面，本发明提供一种异形水道型芯的制造方法，是首先利用蜡膜打印机以pla为打印材料打印得到pla异形水道型芯，然后通过pvd离子镀膜技术将pla异形水道型芯表面镀上铜金属膜，得到铜单质型芯，最后通过pla醇解方式将铜单质型芯内的pla进行醇解，获得异形水道型芯。
6.pla即聚乳酸，又称聚丙交酯，是指以乳酸为主要原料聚合得到的聚酯类聚合物，通常使用可再生的植物资源(如玉米、木薯等)所提出的淀粉为原料制成，属于新型的可再生生物降解材料。pla为现有已知市售3d打印材料。
7.pvd(physical vapor deposition，物理气相沉积)离子镀膜技术，是真空条件下采用低电压大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质电离，在电场的作用下，使被蒸发物质或其反应产物沉积在工件上。
8.第二方面，本发明提供一种带异形水道的水冷机壳的制造方法，是先3d打印出水冷机壳的砂型模具，所述砂型模具带有异形水道结构；再将上述方法获得的异形水道型芯安装在所述砂型模具中；最后向安装有异形水道型芯的砂型模具中浇注液体金属，得到的铸件再进行孕育处理即获得带异形水道的水冷机壳。
9.可选或优选的，上述水冷机壳的制造方法中，所述3d打印采用的原料包括硅砂和粘结剂，所述硅砂目数范围为100-200目，粒度为0.15mm～0.075mm，发气量≤8ml/g，6～24h的抗拉强度在5mpa，sio2含量≥99.1％，角形因数≤1.2，平均细度afs64～67，主要粒度组成部分选用0.075mm标准筛的两筛不小于90％。
10.可选或优选的，上述水冷机壳的制造方法中，所述粘结剂为呋喃树脂，所述呋喃树脂的不溶物颗粒度d99≤0.45μm，20℃下电导率≤15μs/cm，20℃下粘度6mpa
·
s～12mpa
·
s，表面张力35mn/m～50mn/m，含水量≤1.0％。
11.可选或优选的，上述水冷机壳的制造方法中，所述液体金属由金属原料熔炼获得，所述金属原料包括a3钢，所述a3钢使用硫质量百分含量＜5％的石墨化增碳剂进行增碳，并使用碳化硅进行液体金属预处理；所述a3钢在金属原料中的质量百分比为70％以上，其余为合金。
12.可选或优选的，上述水冷机壳的制造方法中，以质量百分比计算，所述液体金属中c含量在3.30
±
0.05％，si含量1.6
±
0.05％，s含量0.06～0.09％，mn含量0.75
±
0.05％，cr含量0.3
±
0.05％，cu含量0.65
±
0.1％，sn含量0.04
±
0.01％。
13.可选或优选的，上述水冷机壳的制造方法中，所述孕育处理分两次进行，第一次使用复合孕育剂，所述复合孕育剂由占铸件质量0.25％的硅钡孕育剂、占铸件质量0.1％的稀土硅合金和占铸件质量0.1％的锰铁粉组成，其中稀土硅合金中re的质量百分含量为20％，复合孕育剂使用量为铸件质量的0.45％；第二次使用sisr孕育剂，sisr孕育剂使用量为铸件质量的0.1％。
14.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
15.以往砂型铸造技术在铸造过程中无法对水冷机壳的异形水道的薄壁结构进行有效充型，会产生很多铸造缺陷，影响产品质量。本发明异形水道型芯的制造方法，采用蜡膜3d打印+电镀铜+消失模铸造的方式，有效解决了上述问题。本发明的方法首先通过蜡膜铸造的方式打印出pla异形水道型芯，蜡膜打印尺寸精度误差可控制在0.1mm内，在制作细小结构的水道设计时能保证精度和轮廓度；pla材料更耐高温不会融化，结合电镀技术科将铜膜附着在pla材料上，且更有利于后期溶解去掉型芯，且pla能循环利用。pla材质的型芯也能够配合电镀铜技术进行表面镀铜金属膜，其厚度可控，内部精度由蜡膜打印的pla材料保证，外部耐热性能由铜膜保证。经过表面镀铜的型芯进行溶解去除pla后即可用于安装在水冷机壳砂型模具中进行水冷机壳铸造。
16.本发明提供的带异形水道的水冷机壳的制造方法，先采用3d打印做出砂型模具，再将异形水道型芯安装在砂型模具中进行浇注孕育处理，使得整个铸件产品质量提升。
附图说明
17.图1为实施例中异形水道设计图；
18.图2为实施例中异形水道型芯实物，左边为蜡膜，右边为铜单质镀膜；
19.图3为实施例中水冷机壳砂型模具上安装异形水道型芯的实物图。
具体实施方式
20.下面结合附图和较佳的具体实施例对本发明技术方案进行详细解释和说明，以使本领域技术人员能够更好地理解本发明并予以实施。
21.实施例1带异形水道的水冷机壳制造
22.1、水冷机壳砂型模具的制作：
23.水冷机壳的砂型模具采用砂型3d打印机来实现，打印机型号为3dmax砂型3d打印机。利用solidworks制图软件对整个水冷机壳的关键零部件进行建模，形成图1所示的剖面图和立体三维图，中间红部分(箭头所指)为异形水道的具体结构，异型水道为盘绕的薄
壁空心管状结构，因此本实施例设计一个金属型型芯来实现该空心结构的构造。
24.在水冷机壳的砂型模具中，3d打印材料为硅砂和粘结剂。硅砂采用目数范围为100-200目，粒度为0.15mm～0.075mm，发气量≤8ml/g，6～24h的抗拉强度在5mpa，sio2含量≥99.1％，角形因数≤1.2，平均细度afs64～67，主要粒度组成部分两筛不小于90％(选用0.075mm标准筛)的原材料。该规格的硅砂制作型砂模具强度高，可减少粘结剂加入量，节约制模成本，也有利于减少后期铸造过程中高温下的膨胀现象。
25.在粘结剂方面，采用呋喃树脂，呋喃树脂中不溶物颗粒度d99≤0.45μm，电导率≤15μs/cm(20℃)，粘度6mpa
·
s～12mpa
·
s(20℃)，表面张力35mn/m～50mn/m，含水量≤1.0％。该规格的呋喃树脂适配上述硅砂，整体上粘结剂用量少，所得型砂模具强度高。
26.完成单个砂模的打印需要46小时，单个设备中，两个砂模同时在同一个打印空间中打印，折合单个砂模的工作效率为23小时，使用传统的砂模模具设计，设计和制造工艺周期大概在3-4周，使用3d砂型打印技术极大缩短了研发和设计周期，相比较传统工艺，节省了时间成本。
27.2、异形水道型芯的设计和制造：
28.异型水道的结构复杂，薄壁结构多，管状通道狭窄，如果内壁精度误差大于0.2mm，会影响内部流道的流体力学性能，又因为是内壁结构，无法进行机加工，因此在铸造和模具设计阶段就需要保证薄壁结构的尺寸精度。
29.本实施例在异型水道型芯的设计中，选用一种特种制造的工艺，首先通过solidworks进行结构设计，并将结构设计图导入到蜡膜打印机器中，得到图2中左侧第一个产品展示的异型水道型芯蜡膜，材料为pla材料。但pla蜡膜材料无法作为型芯用于砂模铸造中(pla无法耐受铸造时浇注金属液体的高温)，需要将蜡膜表面转换成耐热的金属表面，因此选用一种pvd离子镀膜的技术，使用离子镀膜机，将pla异型水道型芯蜡膜置于阴极，作为接收金属电离离子的基片，在蒸发源上，选用单质铜作为原材料，置于阳极，作为蒸发源，建立一个低压气体放电的等离子区，在单质铜镀材被气化后，蒸发离子进入等离子区被电离，形成离子，经过电离区的电场加速，沉积到阴极基片上，形成铜金属膜，形成的沉淀的工艺和离子溅射的工艺同时进行，最终形成致密的铜膜，厚度在1mm。pla异型水道型芯进行离子镀膜有以下优点：
30.①
膜层附着性能好：溅射清洗，伪扩散形成；
31.②
膜层密度高(与块体材料相同)：正离子轰击；
32.③
绕射性能好；
33.④
可镀材料范围广；
34.⑤
沉淀速率高，成膜速率快，可镀较厚的模；
35.⑥
清洗工具简单，对环境无污染。
36.得到的铜单质镀膜异型水道型芯需要进行蜡膜(即pla材料)的去除处理，在该关键零部件的型芯制造工艺中，我们使用pla醇解方法使用甲醇进行醇解，产物为乳酸甲酯；使用乙醇进行醇解所得产物为乳酸乙酯。pla在进行醇解过程中，往往需要添加少量催化剂，比如h2so4、zncl2、4-吡咯烷吡啶、tbd等，同时需要一定的温度。乳酸甲酯和乳酸乙酯可用作绿溶剂，具有良好的生物降解性和低毒性，同时，乳酸烷基酯可以通过闭环反应生成丙交酯，从而实现pla的循环利用。
37.3、水冷机壳铸造工艺：
38.水冷机壳铸造所用原料：
39.(1)配料方面：废钢使用a3钢(a3碳素结构钢，a3碳素结构钢新钢号为q235碳素结构钢)，占原料总质量的比例不低于70％，使用含硫百分含量＜5％的石墨化增碳剂对a3钢进行增碳处理，再使用碳化硅进行铁水预处理，增加石墨核心，添加石墨化增碳剂和碳化硅后原料达到100％。
40.(2)成分控制：原料中各元素占原料质量的百分含量应控制在如下范围：c：3.30％
±
0.05％(走中上线)，原铁水中si：1.6％
±
0.05％(中线控制)，s0.06％～0.09％，mn:0.75％
±
0.05％(中线控制)，cr 0.3％
±
0.05％(中下线控制)，cu 0.65％
±
0.1％(中下线控制)，sn 0.04％
±
0.01％(中线控制)，mo视情况决定是否加入。所述原铁水是指进行增碳处理和加入碳化硅预处理后的铁水。
41.原料熔炼温度：1530℃静置5分钟。
42.出铁温度：1470～1500℃(视包况和浇注温度而定)，浇注等待不超过2分钟。
43.浇注温度：1390～1420℃。
44.孕育处理：孕育剂都需要150℃烘烤2小时，孕育处理分两次进行。第一次使用复合孕育剂，所述复合孕育剂由占铸件质量0.25％的硅钡孕育剂、占铸件质量0.1％的稀土硅合金和占铸件质量0.1％的锰铁粉组成，其中稀土硅合金中re的质量百分含量为20％，复合孕育剂使用量为铸件质量的0.45％。二次孕育使用sisr孕育剂做包嘴随流孕育，sisr孕育剂使用量为铸件质量的0.1％。
45.所得带异形水道的水冷机壳产品质量检测结果如下表1所示：
46.表1.水冷机壳化学成分及机械性能检测结果
[0047][0048]
对带异形水道的水冷机壳产品进行gom(产品3d测量软件)检验。对齐方法：将水冷机壳竖直放监测平台上，垂直于工作平台，在构件中线处设置基准面y，并给予基准面对进气道进行以下几个角度进行检查：1、基准面位置扫描；2、与基准面夹角30度位置扫描；3、与基准面夹角60度位置扫描；4、与基准面夹角90度位置扫描；5、与基准面夹角120度位置扫描；6、与基准面夹角150度位置扫描。得出各个基准面位置流道轮廓度、表面尺寸精度表。扫描结果参见下表2-13。
[0049]
表2.工件基准面0
°
(180
°
)轮廓度检测结果(基准对齐：z/f/g)
[0050][0051]
表3.工件基准面0
°
(180
°
)轮廓度检测结果(基准对齐：最佳拟合)
[0052][0053]
表4.与工件基准面夹角30
°
(210
°
)位置扫描检测结果(基准对齐：z/f/g)
[0054][0055]
表5.与工件基准面夹角30
°
(210
°
)位置扫描检测结果(基准对齐：最佳拟合)
[0056][0057]
表6.与工件基准面夹角60
°
(240
°
)位置扫描检测结果(基准对齐：z/f/g)
[0058][0059]
表7.与工件基准面夹角60
°
(240
°
)位置扫描检测结果(基准对齐：最佳拟合)
[0060][0061]
表8.与工件基准面夹角90
°
(270
°
)位置扫描检测结果(基准对齐：z/f/g)
[0062][0063]
表9.与工件基准面夹角90
°
(270
°
)位置扫描检测结果(基准对齐：最佳拟合)
[0064][0065]
表10.与工件基准面夹角120
°
(300
°
)位置扫描检测结果(基准对齐：z/f/g)
[0066][0067]
表11.与工件基准面夹角120
°
(300
°
)位置扫描检测结果(基准对齐：最佳拟合)
[0068][0069]
表12.与工件基准面夹角150
°
(330
°
)位置扫描检测结果(基准对齐：z/f/g)
[0070][0071]
表13.与工件基准面夹角150
°
(330
°
)位置扫描检测结果(基准对齐：最佳拟合)
[0072][0073]
通过对水冷机壳不同基准面和角度的轮廓度进行检测的结果表明，产品轮廓度误差范围非常小，且精度很高。
[0074]
本实施例采用蜡膜3d打印、电镀铜和消失模铸造技术相结合的方式，能够获得的水冷机壳产品，相较于传统制造工艺，具有以下优点：
[0075]
1、减少研发和生产周期，通过增材制造(砂型模具3d打印)的工艺，可以将模具的
研发周期缩短至一周内；
[0076]
2、异型水道型芯通过蜡膜打印技术，尺寸精度误差可以控制在0.1mm以内，在制作细小结构的水道设计时，可以保证精度。
[0077]
3、异型水道型芯蜡膜结合电镀技术可以将铜膜附着在pla材料上，让pla的表面耐受高温，同时，电镀层厚可控，内部精度可以由蜡膜打印的pla材料保证，外部耐热性能由铜膜保证。
[0078]
4、传统工艺的异型水道型芯设计，无法保证内部流道的轮廓度和流动力学性能，通过3d打印的灵活性，可以保证内部流道的轮廓度。
[0079]
本文中应用了具体个例对发明构思进行了详细阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离该发明构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种异形水道型芯的制造方法，其特征在于，首先利用蜡膜打印机以pla为打印材料打印得到pla异形水道型芯，然后通过pvd离子镀膜技术将pla异形水道型芯表面镀上铜金属膜，得到铜单质型芯，最后通过pla醇解方式将铜单质型芯内的pla进行醇解，获得异形水道型芯。2.一种带异形水道的水冷机壳的制造方法，其特征在于，先3d打印出水冷机壳的砂型模具，所述砂型模具带有异形水道结构；再将权利要求1所述方法获得的异形水道型芯安装在所述砂型模具中；最后向安装有异形水道型芯的砂型模具中浇注液体金属，得到的铸件再进行孕育处理即获得带异形水道的水冷机壳。3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述3d打印采用的原料包括硅砂和粘结剂，所述硅砂目数范围为100-200目，粒度为0.15mm～0.075mm，发气量≤8ml/g，6～24h的抗拉强度在5mpa，sio2含量≥99.1％，角形因数≤1.2，平均细度afs64～67，主要粒度组成部分选用0.075mm标准筛的两筛不小于90％。4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述粘结剂为呋喃树脂，所述呋喃树脂的不溶物颗粒度d99≤0.45μm，20℃下电导率≤15μs/cm，20℃下粘度6mpa
·
s～12mpa
·
s，表面张力35mn/m～50mn/m，含水量≤1.0％。5.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述液体金属由金属原料熔炼获得，所述金属原料包括a3钢，所述a3钢使用硫质量百分含量＜5％的石墨化增碳剂进行增碳，并使用碳化硅进行液体金属预处理；所述a3钢在金属原料中的质量百分比为70％以上，其余为合金。6.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，以质量百分比计算，所述液体金属中c含量在3.30
±
0.05％，si含量1.6
±
0.05％，s含量0.06～0.09％，mn含量0.75
±
0.05％，cr含量0.3
±
0.05％，cu含量0.65
±
0.1％，sn含量0.04
±
0.01％。7.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述孕育处理分两次进行，第一次使用复合孕育剂，所述复合孕育剂由占铸件质量0.25％的硅钡孕育剂、占铸件质量0.1％的稀土硅合金和占铸件质量0.1％的锰铁粉组成，其中稀土硅合金中re的质量百分含量为20％，复合孕育剂使用量为铸件质量的0.45％；第二次使用sisr孕育剂，sisr孕育剂使用量为铸件质量的0.1％。

技术总结

本发明公开了一种异形水道型芯及水冷机壳的制造方法，其中异形水道型芯的制造方法是首先利用蜡膜打印机以PLA为打印材料打印得到PLA异形水道型芯，然后通过PVD离子镀膜技术将PLA异形水道型芯表面镀上铜金属膜，得到铜单质型芯，最后通过PLA醇解方式将铜单质型芯内的PLA进行醇解，获得异形水道型芯。水冷机壳的制造方法是先3D打印出水冷机壳的砂型模具，再将异形水道型芯安装在所述砂型模具中；最后向安装有异形水道型芯的砂型模具中浇注液体金属，再进行孕育处理即可。本发明的方法有效解决了以往砂型铸造技术在铸造过程中无法对异型水道壁薄结构、狭窄流道结构进行有效充型、产品质量缺陷较多的问题。产品质量缺陷较多的问题。产品质量缺陷较多的问题。