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關鍵字： 電鑄；共形冷卻道；熱導率；背襯 摘　要： 快速批量生產模能用于大批量生產，以注塑成形工藝為例，可將這種快速模具安裝在注塑機上，替代鋼質注塑模，大批量成形高品質的塑料件。

目前，比較成熟的快速批量生產模（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）燒結工具鋼/碳化鎢－滲銅(3D Keltool)模；（5）直接金屬激光液相燒結(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外廣泛采用的ExpressTool模。

1  ExpressTool模的結構

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，然后設置共形冷卻道，再電鍍銅層，并澆注背襯而構成，其核心技術是采用了電鑄鎳－銅復合殼，以及共形冷卻道。

（1）電鑄鎳殼

電鑄（electroforming）是利用電化學反應中的陰極沉積現象，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。當原模表面的沉積層達到所需的厚度時，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復制件。電鑄的金屬通常有銅、鎳與鐵等，以鎳的電鑄應用最廣。在CD/VCD光盤的生產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，經導電化處理后電鑄而成，厚度應達到2mm。采用電鑄鎳殼的優點是：1）電鑄件的復制精度高，它能復制出機械加工難于制作的精細表面（如花紋、皮紋、文字等0.1mm以內的母模特征），以及形狀復雜的高精度、高表面質量的型芯與型腔，并且，電鑄件的組織精細，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，能夠復制表面粗糙度Ra=0.1mm的高品質光學表面，用于成形塑料鏡片。2）電鑄件的硬度和強度高，例如，電鑄鎳的硬度可達HRC35～50，抗拉強度一般為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。3）電鑄的型芯與型腔面很光潔，無需再拋光。4）可采用任何材質的母模，它可以是石膏、蠟、紙基材料、塑料、皮革、木材、低熔點合金、不銹鋼與鋁等，因此，母模易于成形，不一定必須用CNC機床加工。5）電鑄所用設備較簡單，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) 銅的熱導率比鎳高得多，因此，能加快工件冷卻，縮短注塑循環時間，提高生產率。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度(280~336 MPa)。5) 電鍍銅的線膨脹系數為16.5×10－6 K-1，非常接近電鑄鎳的線脹系數13.6×10－6 K-1 。這樣小的線脹系數差(2.9 ×10－6 K-1)是很重要的，因為在這種條件下，每一次注射循環中誘發的最大應變僅為0.07%，它處于鎳與銅的屈服點之下，屬于彈性變形的范圍。大的線膨脹系數差與收縮差會導致大的誘發應力、塑性變形、疲勞、脫層與模具失效。目前， ExpressTool 模的壽命已達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，減小工件中的內應力與翹曲變形，提高工件的品質。

顯然，共形冷卻道的優點相當突出，但是，如果要用傳統的機加工方法，在一整塊鋼材中制作這樣復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模常用環氧樹脂或低熔點金屬做背襯，也可用高強度化學粘結陶瓷(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CNC機加工的鋼模的制作周期（12～15周）。

2  ExpressTool模的特點

ExpressTool模不僅可替代鋼質注塑模，用于大批量生產注塑件，而且還有以下特點：

（1）鎳殼－銅層的熱導率高

從圖4可見，2 mm厚鎳－4 mm厚銅復合殼的熱導率稍低于鋁,為180 W/(m·k)，約是傳統H-13模具鋼的熱導率的7倍，因此，它具有良好的綜合特性：相當高的熱導率，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，這些特性對于注塑工藝非常重要。實踐表明，ExpressTool模具已能注射100 000次以上，有的已達到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）易于設置共形冷卻道

由于易于設置共形冷卻道，使模具上的熱點數量減少，模面的溫度分布與塑料工件的收縮更均勻，誘發的應力小，工件的翹曲變形小，能縮短注塑循環周期。

（4）能提高注塑生產率。

采用鎳－銅復合殼與共形冷卻道后，與傳統機加工的鋼模相比，平均能提高注塑生產率約33%。例如，瓶蓋工件的注塑，采用傳統H-13/DCC模時，循環周期為15s，即生產率為240件/h；而采用 ExpressTool 模時，循環周期縮短至9s，即生產率為400件/h，提高了67%。若按循環周期為1 0s、每天工作12h、每周工作5天計算，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主要步驟：

（1）電鑄鎳殼

將已導電化的母模作陰極，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，然后通過對流而排出。

（4）澆注背襯

對母模－鎳殼－銅層－冷卻道構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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