CN101356021B - 一种模具组件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新颖的用于挤压和拉拔铁和非铁金属的模具组件，同时涉及一种制造所述模具组件的方法。根据本发明的模具组件包括：模心(3)；至少一个围绕模心(3)设置的预应力圈(2)；和围绕圈(2)的模壳(1)，其中圈(2)通过将其压配到壳(1)上而塑性变形并硬化，使所述壳的压应力比其材料的屈服极限高10％-40％，所述心和所述圈的配合几何特征(5)是朝其出口渐缩的，从而获得刚性容器系统，其中模心可在模具不开裂的情况下用强力压配。结果，通过在模具免于开裂的情况下用强力组装模心而获得高性能、小尺寸、低生产成本的耐用模具组件。

Description

一种模具组件及其制造方法

技术领域

本发明一般地涉及一种新颖的用于挤压和拉拔铁和非铁金属的模具组件，同时涉及一种制造所述模具组件的方法。

发明背景

从模具最初为人们所发明至今，其结构无创新变革；其仅在材料方面有所改进，现在则进入结合涂覆技术的状态。使生产成本的降低和工作性能的改善成为可能的结构创新在本领域高度重要。有必要开发一种新颖的具有高强度的模具容器和用强力将模心装配到这类系统上的安全方法。

4,270,380号美国专利提供了一种具有中间层的模具组件，所述中间层处于模尖与加热液相线温度范围为500℃-570℃的全晶陶瓷材料构成的壳之间。在使用所述组件的过程中固化中间层在所述尖上保持均匀的缩配压缩，从而使得有可能克服模具开裂，使其工作性能得到改善。

WO 2005058519号国际专利申请描述了一种具有模心和至少两个容纳模心的预应力圈的金刚石模具及其制造方法。所述至少两个圈可以被缩配、压配或以其它方式围绕彼此形成，使弹性和塑性变形得以发生并使所述圈处于接近屈服状态而非屈服状态。

在所述模心与所述壳之间具有中间层的模具也在1477497号俄罗斯专利中得到描述，其特征在于，中间层材料的屈服强度为所述壳材料的0.5-0.9倍。厚度为0.25mm的中间层通过将所述心浸渍在溶解的中间层材料中形成。涂覆有中间层的模心然后被缩配到被预加热的壳上，被预加热的壳的内表面装配前用螺纹梳刀制出金属螺纹。结果获得寿命较长的易移除模具。

通过采用迄今已知的模壳及组装方法，有可能通过用强力装配模心并在用强力装配轻质模心时防止模具开裂来显著改善其工作性能。

如果用耐磨材料如抗拉强度低而抗压强度高的超硬合金制成的模具以模心不开裂的安全方式用强力加以装配，其工作性能会显著改善。

本发明的目的是通过提供一种高强度刚性模具容器系统和一种在模具免于开裂的情况下用强力将模心组装到该模具容器系统上的方法获得一种工作性能得到改善的耐用模具组件。

发明内容

本发明提供的模具组件包括：模心；至少一个围绕模心设置的预应力圈；和围绕所述圈的模壳。所述圈在超过其材料屈服极限的压应力下产生塑性变形而硬化，所述心和所述圈的配合几何特征(feature)是朝出口渐缩的。

按照本发明，模心材料优选地选自硬质合金、超硬合金、氮化物、碳化物、人造金刚石或它们的组合。

在本发明的一个实施例中，模壳材料选自钢或合金钢，优选硬度范围为HRC 40-55。

在本发明的一个优选实施例中，预应力圈的无量纲厚度D₂/d₂为1.12-1.3，其中D₂和d₂分别为所述圈的外径和内径。

按照本发明，圈料优选地选自钢、合金钢或强度和塑性变形性能与钢和合金钢相同的铁/非铁金属合金，其优选硬度范围为HRC30-45。

在一个实施例中，所述模心和所述圈的配合几何特征是以角度1°-3°朝其出口渐缩的。

本发明还提供一种形成按照本发明的模具组件的方法，所述方法包括以下步骤：

a)磨削所述模具的渐缩外表面；

b)对所述圈和所述模壳进行机加工和热处理，并对所述壳与所述圈之间的界面进行磨削或精加工；

c)将所述圈塑性压配到所述模壳的内表面上使所述圈的压应力比其材料的屈服强度高10％-40％；

d)将所压配的圈的内表面加工成与所述模心的锥形相配的锥形；

e)将所述模心压配到所述圈的渐缩内表面上。

按照本发明，在步骤a)中模心经磨削或精加工成使其外表面粗糙度为Ra 1.25或更高。

在本发明一个实施例中，在步骤b)中所述壳与所述圈的界面经磨削或精加工成使其粗糙度为Ra 2.5或更高。

在步骤d)中所述圈的内表面可以经磨削或精加工成使其粗糙度为Ra 2.5或更高。

本发明连同其独特的模具容器系统和在模具免于开裂的情况下用强力将所述心组装到该系统上的新方法使得有可能提供一种性能惊人地高、生产成本较低、尺寸较小的耐用模具组件。

附图说明

图1是根据本发明的模具组件的剖视图，其中模心被压配到容纳在壳内的圈上。

图2是根据本发明的模心的剖视图，其中所述心的外表面是渐缩的；图号10和7分别表示料通过的入口和出口；13表示承载区。

具体实施方式

一种得到改进的高强度模具容器系统

本领域技术人员公知，在单一圆柱模具容器上形成的工作压力P至多为材料屈服强度的一半；当容器具有多于一个的壳体时，工作压力大于材料屈服强度的一半，其由公式(1)描述：

$P=\frac{{\mathrm{\σ}}_{S}n(K^{\frac{2}{n}}-1)}{2K^{\frac{2}{n}}}---\left(1\right)$

其中σ_s表示圆柱形壳体材料的屈服强度；n表示圆柱数；K表示其外径b与其内径a的比(b/a)。根据上述公式，n＝1时P为0.5σ_s，而n＝2时P为0.66σ_s。

基于Lame公式的公式(1)对应于具有一个以上圆柱的厚圆柱形容器系统。基于所述公式设计的拉模的容器系统尺寸大而难以用于实践中。

当较薄的圈被塑性压配到较厚的圆柱体上时，可获得强度和刚性特别高但尺寸小的模具容器。实践证明，这类模具容器系统如果被用在用于挤压和拉拔以及轴对称孔的尺寸和类型各异的模具组件时有很大效果。

图1示出根据本发明一个实施例的模具组件，其中模心被组装在这类模具容器中。图1中，1表示具有较大厚度的圆柱形壳体，2表示压配到壳体1上的圈，3表示模心。

D₁和H₁分别表示模壳1的外径和高度；而d₁和h₁则表示所述模心和所述圈组装处的模壳1的腔的深度和内径；D₂，d₂和h₁分别表示圈2被装配到所述壳之前的外径、内径和高度。模壳1的底12具有充足的厚度，用于卸料的开口8以角度40°-45°渐缩。

模具容器系统由较厚的模壳和相对较薄的预应力圈组成，其中壳1的无量纲厚度被表示为α₁＝D₁/d₁，圈的无量纲厚度被表示为α₂＝D₂/d₂。α₁总是高于1.6，α₂则处于1.12-1.3的范围内。

壳1用钢或合金钢制成，圈2用钢、合金钢或强度和塑性变形性能与钢或合金钢相同的铁/非铁金属合金制成。

为了充分提高壳的强度和圈的作用，壳1和圈2经热处理达到所需硬度。

相对较薄的圈2如此塑性压配到较厚的壳1上，以致圈2被应变硬化。结果，当不太高的拉应力在模壳1上生成时，较高的压应力在圈2上形成，使所述壳的强度提高20％。

当圈2被压配成具有很大负公差的塑性变形状态时，超过其材料屈服强度的压应力(预应力)在圈2上生成，在其作用下圈金属的结晶体变得更为紧密，其强度得到提高。

所获得的模具容器系统及其高强度使得有可能用较大的力将模心装配到容器上。此外，因尺寸较小，它成为理想的模具容器。

圈2的装配用压床进行。

当用压床使壳1与圈2在界面6上相配时，所述负公差与直径的关系由公式(2)表示：

δ₁＝D₂-d₁(2)

其中D₂和d₁分别表示装配前圈2的外径和壳1的内径。

一种新颖的装配方法

本发明还提供一种新颖的装配方式和心3与容器系统的配合几何特征，其使得在用强力将模具装配到所述系统上时模具开裂可能性降至最小。模心3和圈5的配合几何特征5是呈圆锥形渐缩的，这导致当将心3装配到圈2中时整个配合特征上的均匀压力逐渐增加。从而，模心3被安全地装配到圈1上而免于开裂。

模心的外表面制成为以一角度渐缩，在考虑到模心3的尺寸、圈2的厚度、模具的工作状况和任务时该角度为1°-3°渐缩，如图2所示。

装配前模心的上表面9的外径由D₃表示，其高度由H₃表示，所述心的外尺寸不大于ISO 1684(1975)标准。

圈2被装配到壳1上后，所述圈的内表面被精加工成与模心的锥形相配的锥形。

模心3用压床以一定的负公差δ₂压配到圈2的渐缩内表面上。

已压配到壳1上的圈2再一次在模心3与壳1之间受压和硬化以便精确而牢固地装配到模心3上。

模心3与圈2的负公差与直径的关系由公式(3)表示：

δ₂＝D₃-d₂′(3)

其中D₃表示模心的上表面9的直径；d₂′表示当圈2被加工成与心3的锥形相配的锥形时距离壳腔底部的高度H₃处圈2的内径。

壳1、圈2与心3之间的界面以使它们精确地彼此相配的方式通过磨削或机加工来实现精加工。

由公式(2)和公式(3)表示的δ₁和δ₂参照用于所述模心和所述壳的材料、它们的结构和尺寸来确定。

所述圈的作用

为了通过使圈的效果最大化从而以安全方式用强力组装模心来改善模具组件的工作性能，极为重要的是适当选择模心渐缩的角度、圈的材料、其厚度α₂以及负公差δ₁和δ₂。

如果模心以小于1°的角度渐缩，局部装配压力可能在装配过程中出现。如果该角度超过3°，因为装配前所述圈的厚度较薄，难于提供所述圈的所需厚度。

负公差δ₁的值如此确定以致所述圈可通过比其材料屈服极限高10％-40％的较大压应力来受压和硬化。

负公差δ₂的值如此确定以致模心通过不低于弹性极限的压应力来相配。

为了采用适当的圈料，正确选择所述圈的硬度和厚度对增加中间圈的效果尤为重要。如果硬度或刚性不够高，就不可能在压配过程中提高中间圈的强度从而获得具有较大预应力和强度的刚性容器。如果所述圈的硬度太高，就会因加工和装配所述界面中精度的缺陷而导致模具开裂。

如果所述圈的无量纲厚度α₂小于1.12就太薄而难于实现所述圈的配合刚性和高强度。此外，如果其大于1.3就太厚而难于通过较大的压应力受压和被硬化从而无法获得轻质模具容器。

按照δ₁和δ₂的值，所述圈的压配力P₁和所述心的压配力P₂得到确定。有利于改善成形金属的工作性能的、通过压应力产生的合理的变形的状态可能依赖于P₂而出现。

由于具有预应力圈的模具容器系统具有高强度，通过强力压配的模心通过高压应力得到硬化，这有利于模具的工作性能。

在组装过程中，模心3与圈2的圆锥形界面保持在所述心周围的均匀的压配压力，所述压力逐渐加大从而有效地防止模具开裂。

圈2使得模具容器系统能够具有更高强度以及长期工作的性能。

在模具工作过程中，使心结合的力因重复的工作压力和热负荷而松弛，这导致模具工作性能的改变和疲劳裂纹。但是，由于根据本发明的所述圈的内外表面被牢固地结合到壳1和心3上，所述圈的变形量因所述心的圆锥形外表面而受到控制，结合力大体上得到保持，这使模心具有长期工作性能。

如上所述，所述圈在提高所述壳的强度方面具有惊人地高的效果，可防止组装过程中模具开裂并改善模具的性能。

如果两个或更多个圈同样地塑性压配，容器系统的强度可进一步提高。这类装配方法可应用于制造高压设备如制造氮化硼和金刚石的模具。

制造本发明的模具组件的方法

模心3用硬质合金或其他具有高抗压强度的耐磨模具材料制成，其外径不超过ISO标准1684。其外表面以角度1°-3°渐缩。它经磨削使粗糙度为Ra 1.25或更高。

本发明所述心可以具有合理的、为本领域技术人员公知的内部型面11，即形如圆形、椭圆形、多边形或梯形并具有圆角，以便最佳地支承均匀径向压缩便于有均匀内部应力。

相对于D₃，所述圈的内径由d₂＜D₃-δ₂表示，外径则由D₂＝α₂·d₂表示。这样所述圈的高度等于h₁；内径d₁被加工成使δ₁比D₂亦即所述圈的外径短。

壳1的内径和圈2的外径在压配前进行倒角，这有利于压配。

所述壳用钢、合金钢制成；所述圈用钢、合金钢或强度和塑性变形性能与钢或合金钢相同的铁/非铁金属合金制成。

在温度范围800℃-900℃的条件下，对壳1和圈2进行热处理，然后油冷再回火使壳的硬度达到HRC 40-55，所述圈的硬度达到HRC30-45。

对壳1与圈2之间的界面进行精加工使粗糙度为Ra 2.5或更高，然后将所述圈以负公差δ₁压配到所述壳上，对界面进行润滑。

所述圈被压配到所述壳上后，通过对其进行磨削或精加工使粗糙度为Ra 2.5或更高而使内径渐缩。

模心3用压床压配到所述圈内。施加压力直到所述心到达壳1的底4。所述心与所述圈之间的界面也予以润滑。

例子

表1示出两类模具的尺寸和装配特点。它们的壳由合金钢40Cr构成并经热处理使硬度达到HRC 42和40；它们的圈用合金钢20Cr制成并经热处理使硬度达到HRC 35和32。

以表1所示负公差装配到所述壳的所述圈受压并被硬化至塑性变形(压缩变形)超过它们的材料的屈服极限的状态。

它们的模心都是用硬质合金WCO 8制成的，其硬度为HRA 88。它们的所述心的入口10以角度16°渐缩，出口7以角度40°渐缩，承载区的尺寸分别为3mm和2.5mm。

如果外径D₂给定，壳1的内径d₁较短，差值为δ₁。

所述圈和所述模心的配合几何特征是以角度1.95°渐缩的。

两种模具然后以负公差δ₂进行压配。结果，模心安全地组装在所述圈中，通过超过WCO8的弹性极限的2100MPa压应力硬化，从而，它们处于有利于模具性能的变形状态。因所述壳的强度较高，可安全地完成压配。

两种对钢40进行拉拔的试验模具的工作性能的评价示于表2。

表2

如表所示，当30吨直径为8.5mm的钢40由直径7.5mm模具拉拔时，所述心的直径磨损量为0.03mm且无开裂。当38吨直径为7.5mm的钢40由直径6.5mm模具拉拔时，所述心的直径磨损量为0.045mm且无开裂。

Claims (13)

1.一种模具组件，包括：模心；至少一个围绕所述模心设置的预应力圈；和围绕所述预应力圈的模壳，其特征在于，所述预应力圈通过超过其材料的屈服极限10％-40％的压应力而被塑性变形和硬化，所述模心和所述预应力圈的配合几何特征是朝出口渐缩的，其中所述预应力圈的无量纲厚度D₂/d₂为1.12-1.3，其中D₂和d₂分别为所述预应力圈的外径和内径。

2.如权利要求1所述的模具组件，其中所述模心的材料选自硬质合金、超硬合金、氮化物、碳化物、人造金刚石或它们的组合。

3.如权利要求1所述的模具组件，其中所述模壳的材料选自钢。

4.如权利要求1所述的模具组件，其中所述模壳的材料选自合金钢。

5.如权利要求3或4所述的模具组件，其中，所述模壳的材料的硬度范围为HRC 40-55。

6.如权利要求1所述的模具组件，其中，所述预应力圈的材料选自钢或强度和塑性变形性能与钢相同的铁/非铁金属合金。

7.如权利要求1所述的模具组件，其中，所述预应力圈的材料选自合金钢或强度和塑性变形性能与合金钢相同的铁/非铁金属合金。

8.如权利要求6或7所述的模具组件，其中，所述预应力圈的材料的硬度范围为HRC30-45。

9.如权利要求1-4以及权利要求6和7之一所述的模具组件，其中所述模心与所述预应力圈上的配合几何特征是以角度1°-3°渐缩的。

10.一种形成如权利要求1-9之一所述的模具组件的方法，包括以下步骤：

a)对所述模心的渐缩外表面进行磨削；

b)对所述预应力圈和所述模壳进行机加工和热处理，并对所述模壳与所述预应力圈之间的界面进行精加工；

c)将所述预应力圈塑性压配到所述模壳的内表面上，使所述预应力圈的压应力比其材料的屈服强度高10％-40％；

d)将所述预应力圈的内表面机加工成与所述模心的朝出口渐缩的锥形相配的锥形；

e)将所述模心压配到所述预应力圈的渐缩内表面上；

其中所述预应力圈的无量纲厚度D₂/d₂为1.12-1.3，其中D₂和d₂分别为所述预应力圈的外径和内径。

11.如权利要求10所述的方法，其中在步骤a)中对所述模心的渐缩外表面进行磨削使其粗糙度为Ra 1.25或更高。

12.如权利要求10所述的方法，其中在步骤b)中对所述模壳的内表面和所述预应力圈的外表面进行精加工使其粗糙度为Ra 2.5或更高。

13.如权利要求10所述的方法，其中在步骤d)中对所述预应力圈的渐缩内表面进行精加工使其粗糙度为Ra 2.5或更高。

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