CN102438772B - 形成液锻物品的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种形成液锻物品的方法。该方法包括：将熔化物引入模腔；相对于所述模腔移动冲头，使得熔化物进入所述冲头中的至少一个高纵横比腔，并且气体经由所述冲头中的至少一个排气口插件释放；以及当熔化物在所述高纵横比腔中凝固时，在熔化物上施加成型压力。

Description

形成液锻物品的方法和装置

技术领域

本发明涉及形成液锻(liquid-forged)物品的方法和装置，具体但不限于涉及形成具有高纵横比(aspect ratio)特征的近似网状的液锻物品。

背景技术

具有高纵横比特征的物品通常采用对金属(例如铝Al)进行机加工、挤压、锻造或铸造等方法来形成。机加工是生成具有高度公差控制和良好表面处理的物品的工艺。然而该工艺耗时且昂贵，导致大量的材料浪费，不适于大规模生产。挤压和锻造是生成具有良好结构完整性的物品的工艺。然而传统的挤压和锻造不能形成要求高密度的高纵横比特征的物品，例如图1和2所示的具有紧密相邻的散热片和销的散热器。

压模铸造(高低压)是工业中广泛采用的具有竞争力的技术，该技术在材料凝固期间具有某种形式的间接压力。重力或压模铸造允许物品在压力极小或没有压力时凝固。然而，通过重力或压模铸造方法得到的物品通常具有局限性，例如由于高压压模铸造中内浇口的高度扰动而在物品结构中产生气孔，或重力铸造中的气体残留，使得机械性能很差。压模铸造也无法形成没有变形且具有高纵横比特征的近似网状物品，例如图1所示的具有高纵横比散热片10的圆形散热器，其每个散热片10的高度(h)与厚度(t)之比大于40比1，即h∶t＞40∶1。此外，材料的选择自然只限于铸造合金，但是对于作为热管理部件(例如散热器)的物品来说，由于其加强了散热性能，需要用低硅锻铝(lowsilicon wrought Al)合金或纯铝制作。然而，由于铸造过程中产生的收缩缺陷，不能成功地铸造这些材料。

挤压铸造或液态锻造在凹凸模机组座中使用直接压力下的至少部分熔融金属来形成物品。可以获得改善的物品公差以及最小化的材料变形和收缩缺陷。然而，仍然存在由于气体残留而形成的气孔组织和不完整部分的问题，在形成具有高纵横比特征的物品时尤其如此。当高纵横比特征被要求具有相对较小的尺寸时这种问题更加严重，例如特征厚度为2mm或2mm以下的情况，因为在这种较小特征中气孔可以占据该特征的很大部分，从而导致材料破裂和/或部件故障。

发明内容

根据第一示例性实施方式，提供一种形成液锻物品的方法。该方法包括：将熔化物引入模腔；相对于所述模腔移动冲头，使得熔化物进入所述冲头中的至少一个高纵横比腔，并且气体经由所述冲头中的至少一个排气口插件释放；以及当熔化物在所述高纵横比腔中凝固时，在熔化物上施加成型压力。

该方法还可包括在将物品保持在所述模腔内时，相对于所述模腔移走所述冲头。优选通过在凹槽内形成物品的保持部而将物品保持在所述模腔内，其中所述凹槽设置在位于模具中的保持销中，所述模具包括所述模腔。

根据第二示例性方面，提供一种形成液锻物品的装置。该装置包括：模腔，所述模腔用于接收熔化物；以及冲头，所述冲头被构造用以在熔化物上施加成型压力，所述冲头包括用于接收熔化物的至少一个高纵横比腔和允许从所述高纵横比腔释放气体的至少一个排气口插件。

对两个方面，优选通过具有所述高纵横比腔的排气口插件限定的排气通道释放气体。还可通过设置在所述排气口插件内的与所述排气通道流体连通的至少一个气体出口进一步释放气体。

所述排气口插件优选包括头部和插入部，所述头部被构造用以相对于所述高纵横比腔定位所述排气口插件，而所述插入部被构造用以延伸到所述高纵横比腔内。所述插入部可为截面积在其向所述高纵横比腔内延伸时递减的锥形。

所述排气口插件可设置与所述排气通道流体连通的至少一个气体出口。所述至少一个气体出口优选设置在所述头部中。

所述排气通道的尺寸优选设计成防止过量的熔化物在其中流动以避免所述排气通道被凝固的熔化物阻塞。所述排气通道可具有2mm-6mm的长度，并且其中在所述排气口插件和所述高纵横比腔的壁之间可具有至少20mm的间隙公差。

该装置还包括保持销，所述保持销用于当相对于所述模腔移走所述冲头时，将物品保持在所述模腔内，所述保持销设置在包含所述模腔的模具内。所述保持销优选包括用于凝固其中的熔化物的凹槽，以在所述凹槽内形成物品的保持部。

该装置还可包括多个高纵横比腔和相应的多个排气口插件。所述多个排气口插件可独立设置。

根据第三示例性方面，提供一种采用如第一方面所述的方法形成的具有高纵横比特征的液锻物品。

根据第四示例性方面，提供一种使用如第二方面所述的装置形成的具有高纵横比特征的液锻物品。

附图说明

为使本发明能被充分理解并且易于实施，现通过本发明的示例性实施方式的非限制性实例并且参照附图进行描述。其中：

图1(a)是具有高纵横比特征的物品(即具有锥形散热片的圆形散热器)的侧视图；

图1(b)是图1(a)的散热器的俯视图；

图2是具有高纵横比特征的典型物品实例(即具有锥形散热片、销和径向散热片的散热器)的透视图；

图3是形成液锻物品的示例性方法的流程图；

图4是在将熔化物引入模腔的形成步骤中的形成液锻物品的示例性装置的横截面侧视图；

图5是在将冲头移入模腔的形成步骤中的如图4所示的装置；

图6是如图4所示的装置的冲头中的排气口插件的横截面侧视图；

图7是如图6所示的排气口插件的局部放大图；

图8是在将冲头相对于模腔远离移动的形成步骤中的如图4所示的装置；

图9是在从模腔中进行成品脱模的形成步骤中的如图4所示的装置；

图10是移除一部分成品的侧视图；

图11是形成有毛边(flash)的高纵横比特征的侧视图；

图12是采用本发明的示例性方法和装置形成的示例性物品的透视图；

图13(a)是通过传统铸造获得的材料晶粒尺寸的显微照片；以及

图13(b)是通过本发明获得的材料晶粒尺寸的显微照片。

具体实施方式

如图3-10所示，提供一种形成液锻物品的示例性方法100和装置20，该液锻物品具有至少一个高纵横比特征，其高度与宽度之比优选大于40∶1。

装置20包括冲头22，冲头22具有至少一个用于在液锻物品30中形成高纵横比特征34的高纵横比腔24。针对具有多个高纵横比特征34的物品，相应地在冲头22中设置多个高纵横比腔24。每个高纵横比腔24具有与待形成在物品30中的所需特征(例如图2所示散热器中的销或散热片)相对应的内腔形状。高纵横比腔24可由设置在冲头22中的相应的高纵横比特征25限定。

装置20还包括设置在模具42中用于部件保持和脱模的底部拨具或保持销44。在示例性实施方式中，底部拨具或保持销44设有采用榫接配合(dovetail fit)来保持成品的梯形凹槽46。冲头22和模具42优选定向和设置为顶部冲头22和底部模具42。

如图4所示，在示例性方法100的第一步骤中，将包括用于形成物品30的、至少部分熔融的材料的熔化物52，例如通过流槽50，引入到模具42、102的模腔41。融化温度的范围为710℃-750℃，取决于材料的选择。

接着，如图5所示，冲头22相对于模腔41移动以接触模腔41、104中的熔化物52，以使得熔化物52进入保持销44中的凹槽46，从而在液锻物品30中形成保持部36。还使得熔化物52流动并进入冲头22的高纵横比腔24，优选通过使冲头22按照箭头60所示朝向模腔41来实现。冲头22和模腔41之间的下冲(ram down)速度或相对速度优选小于0.5ms-1以允许熔化物52彻底填满腔24。

实质上没有气泡在进入并填充高纵横比腔24的熔化物52内或由进入并填充高纵横比腔24的熔化物52形成，这是因为气体通过设置在冲头22、106中的排气口插件80被释放或允许逸出。如图6所示，每个高纵横比腔24都在冲头22中设有自身的排气口插件80，以允许从各个高纵横比腔24中释放气体。这样保证所有的腔24都能完全被熔化物52填充，从而实质上消除了物品30成型时在物品30中形成的气孔或不完整部分的形成。

每个排气口插件80优选具有头部82和插入部84。头部82和插入部84可以一体形成。头部82可容纳在冲头22内相应形状的凹槽23中，并优选被构造用以将排气口插件80相对其对应的高纵横比腔24进行定位。插入部84被构造用以延伸到高纵横比腔24内，使得排气口插件80具有大致T形横截面，如图7所示的阴影线(hatched)。相应地，排气口插件80可包括例如盘状头部82，其具有用于形成高纵横比销的杆状插入部84；或细长且大致矩形的头部82，其具有用于形成高纵横比销的细长且大致矩形的插入部84，这取决于待形成的所需高纵横比特征。

插入部84优选为横截面积在其向高纵横比腔24内延伸时递减的锥形，使得插入部84通过高纵横比腔24限定排气通道86。每个排气口插件80优选在头部80中设置至少一个与排气通道86流体连通的气体出口88。当熔化物52在图7的箭头66所示方向上进入高纵横比腔24时，排气通道86和气体出口88允许气体从腔24逸出。

排气口插件80优选采用高导热性金属(例如铜基材料)制成，使得当熔化物52与排气口插件80接触时，熔化物52能迅速冷却。熔化物52的迅速冷却能防止过量的熔化物52流入排气通道86避免排气通道86或气体出口88通气不畅或阻塞。相应地，排气通道86的尺寸设计成防止过量的熔化物在其中流动以避免被凝固的熔化物52阻塞，同时充分允许气体的释放。为此，排气通道86可沿腔24具有2mm-6mm的长度，并且在插入部84和高纵横比腔24的壁26之间具有至少20μm的间隙公差。s

冲头22被构造用以当熔化物52在高纵横比腔24、108内凝固时，在熔化物52上施加50MPa-120MPa的成型或直接压力。通过在凝固期间施加直接成型压力，应力得以在凝固材料上均匀分布，从实质上消除成品中的所有收缩缺陷。经由排气口插件80释放气体并且在冲头22的直接压力下凝固熔化物52能形成具有高纵横比特征34的近似网状物品30，其几乎没有气孔或收缩缺陷。

在熔化物52凝固后，相对于模腔41移动冲头22，以将液锻物品30与冲头22分开。例如，如图8所示冲头22可从模具42按照箭头62所示进行转折，将液锻物品30保留在模腔41中。由于保持销44中的凹槽46与形成在物品30中的保持部36之间存在榫接配合，冲头22可以在无成品30粘附的情况下转折。然后通过保持销44和模具42之间的相对运动，在模腔41中进行液锻物品30的移除或脱模，直至成品30与模腔41脱离。相对运动优选地可以通过将保持销44在图9的箭头64所示的方向上移入模腔41而实现，从而将成品30从模腔41中推出。

可通过对保持部36的机加工或切除而对物品30进行表面处理，如图10(a)中的虚线所示，从而形成如图10(b)所示的具有高纵横比特征34的近似网状液锻物品30。图11示出了在排气通道27中冷却熔化物52而形成的具有毛边71、73的示例性高纵横比特征70、72的局部放大图。图11(a)所示较厚特征70的毛边71可通过喷砂或滚筒抛光(tumbling)去除。对于图11(b)所示较薄特征72，其刚性不足以承受喷砂或滚筒抛光的力，则可通过切割或修剪去除毛边73。

图12示出了采用上述示例性方法100和装置20形成的示例性液锻物品，例如具有高纵横比散热片92或销94的散热器90。从图13(b)可知液锻物品的微结构晶粒尺寸远小于图13(a)所示的通过传统铸造形成的物品晶粒尺寸。由于晶粒尺寸更小并且几乎没有气孔，因此液锻物品的韧性相对于传统的铸造物品得以改善，从而增强了形成的高纵横比特征。

尽管通过上述示例性实施方式对本发明进行了描述，本领域技术人员应当理解，在不偏离本发明的前提下可进行设计、构造和/或操作细节的各种变化。例如，当冲头22中设置了多个高纵横比腔24时，可以独立地设置多个对应的排气口插件80以便于气体排放，或者可以设置为位于单个头部82上的包括多个插入部84的整体单元以减少模具成本。多个高纵横比腔24(及其对应的排气口插件80)可以相同也可以不同，这取决于待形成的所需高纵横比特征34。液锻物品30可以对称也可以不对称。

Claims (17)

1.一种形成液锻物品的方法，所述方法包括：

将熔化物引入模腔；

相对于所述模腔移动冲头，使得所述熔化物进入所述冲头中的至少一个高纵横比腔，并且气体经由所述冲头中的至少一个排气口插件释放；以及

当所述熔化物在所述高纵横比腔中凝固时，在所述熔化物上施加成型压力。

2.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括相对于所述模腔移走所述冲头而将物品保持在所述模腔内。

3.如权利要求2所述的方法，其中通过在凹槽内形成物品的保持部而将物品保持在所述模腔内，其中所述凹槽设置在位于模具中的保持销中，所述模具包括所述模腔。

4.如权利要求1所述的方法，其中通过所述排气口插件和所述高纵横比腔限定的排气通道释放气体。

5.如权利要求4所述的方法，其中通过设置在所述排气口插件内的、与所述排气通道流体连通的至少一个气体出口进一步释放气体。

6.一种形成液锻物品的装置，所述装置包括：

模腔，所述模腔用于接收熔化物；以及

冲头，所述冲头被构造用以在所述熔化物上施加成型压力，所述冲头包括用于接收熔化物的至少一个高纵横比腔和允许从所述高纵横比腔释放气体的至少一个排气口插件。

7.如权利要求6所述的装置，其中所述排气口插件通过所述高纵横比腔限定了排气通道。

8.如权利要求6所述的装置，其中所述排气口插件包括头部和插入部，所述头部被构造用以相对于所述高纵横比腔定位所述排气口插件，而所述插入部被构造用以延伸到所述高纵横比腔内。

9.如权利要求8所述的装置，其中所述插入部为横截面积在所述插入部向所述高纵横比腔内延伸时递减的锥形。

10.如权利要求7所述的装置，其中所述排气口插件通过所述高纵横比腔限定了排气通道，且所述排气口插件设置有与所述排气通道流体连通的至少一个气体出口。

11.如权利要求10所述的装置，其中排气口插件包括头部和插入部，其中，所述头部被构造用以将所述排气口插件相对其对应的高纵横比腔进行定位，所述插入部被构造用以延伸到高纵横比腔内，其中所述至少一个气体出口设置在所述头部中。

12.如权利要求7所述的装置，其中所述排气通道的尺寸设计成防止过量的熔化物在其中流动以避免所述排气通道被凝固的熔化物阻塞。

13.如权利要求7所述的装置，其中所述排气通道具有2mm-6mm的长度，并且其中在所述排气口插件和所述高纵横比腔的壁之间具有至少20mm的间隙公差。

14.如权利要求6所述的装置，所述该装置还包括保持销，用于当相对于所述模腔移走所述冲头时，将物品保持在所上述模腔内同时相对于所述模腔移走所述冲头，所述保持销设置在容纳包含所述模腔的模具内。

15.如权利要求14所述的装置，其中所述保持销包括用于凝固其中的熔化物的凹槽，以在所述凹槽内形成物品的保持部。

16.如权利要求6所述的装置，该装置还包括多个高纵横比腔和相应的多个排气口插件。

17.如权利要求16所述的装置，其中所述多个排气口插件独立设置。

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