CN104874679A - 用于生产金属制品的系统和方法 - Google Patents

Abstract

按照一个或多个实施例，热冲压装置包括：具有金属M的合金的第一和第二模具部分，该金属M的合金具有比铁基合金更高的导热系数；以及与第一和第二模具部分中的至少一个连通的冷却回路。该金属M可以为铜。金属M的合金可以包括按重量计超过50％的金属M。该第一和第二模具部分中的每个独立地包括按重量计超过50％的金属M的合金。

Description

用于生产金属制品的系统和方法

技术领域

本公开的发明构思总体涉及用于生产金属制品的系统和方法。

背景技术

在某些现有的方法中，用于热冲压的拉延模/成型模在建造和维护上常常是昂贵的并且与在环境温度下进行的冷冲压的模具相比具有相对短的使用寿命。在热冲压中，进入到具有大约800到850摄氏度的入口温度的模具中的坯件的高温促进了与破坏机理相关的磨损，破坏机理包括毛边，诸如表面疲劳这样的过热生裂，以及脱碳，所有的这些都趋向于软化模具的表面并使模具容易受到磨损。

如果可以提供生产金属制品的系统和方法以解决所认识到的问题中的一个或多个，则其因此将是有利的。

发明内容

该公开的发明构思相信可以克服与生产金属制品相关的一个或多个问题。

在一个或多个实施例中，热冲压装置包括：第一和第二模具部分，其包括金属M的合金——该金属M的合金具有比铁基合金更高的导热系数；以及与第一和第二模具部分中的至少一个连通的冷却回路。在某些情况下，该冷却回路包括多个由铁基合金组成的冷却通道。

该金属M可以为铜。金属M的合金可以包括按重量计大于50％的金属M。第一和第二模具部分中的每个可以独立地包括按重量计大于50％的金属M的合金。

该第一和第二模具部分可以各自包括第一和第二表面段，该第一和第二表面段一起限定了空腔并且其每个独立地包括金属M的合金。

该第一和第二模具部分可以各自包括与该第一和第二表面段相邻的第一和第二主体段，该第一和第二主体段独立地包括按照重量计分别少于第一和第二表面段的至少20％的金属M的合金。

根据本发明的一个实施例，其中该冷却回路包括与第一和第二模具部分中的至少一个接触的多个冷却通道。

根据本发明的一个实施例，其中该冷却回路包括与第一和第二表面段中的至少一个接触的多个冷却通道。

根据本发明的一个实施例，其中多个冷却通道包括铁基合金。

根据本发明的一个实施例，其中金属M的合金包括铍、锡以及锌中的至少一个。

在一个或多个其他实施例中，热冲压的方法包括按照此处所述使金属零件经受热冲压装置。

根据本发明，还提供一种热冲压装置，包含：

第一和第二模具部分，其每个包括铜合金，该铜合金包括按重量计超过50％的铜；以及与第一和第二模具部分中的至少一个连通的冷却回路。

根据本发明的一个实施例，该第一和第二模具部分中的每个独立地包括按重量计超过50％的铜合金。

根据本发明的一个实施例，其中该第一和第二模具部分分别包括第一和第二表面段，该第一和第二表面段共同限定了空腔并且该第一和第二表面段中的每个独立地包括铜合金。

根据本发明的一个实施例，其中该第一和第二模具部分分别包括与第一和第二表面段相邻的第一和第二主体段，该第一和第二主体段独立地包括按照重量计分别少于第一和第二表面段的至少20％的铜合金。

根据本发明的一个实施例，其中该冷却回路包括具有铁基合金并与第一和第二模具部分中的至少一个接触的多个冷却通道。

根据本发明的一个实施例，其中该冷却回路包括具有铁基合金并与第一和第二表面段中的至少一个接触的多个冷却通道。

根据本发明，还提供一种热冲压的方法，包含：

使金属部件经受由第一和第二模具部件限定的空腔，第一和第二模具部分中的至少一个包括金属M的合金，该金属M的合金具有比铁基合金更高的导热系数。

根据本发明的一个实施例，本发明的方法进一步包含将具有金属M的合金的第一和第二模具部分中的至少一个与多个冷却通道接触。

根据本发明的一个实施例，本发明的方法进一步包含通过铸造形成多个冷却通道。

根据本发明的一个实施例，本发明的方法进一步包含将金属部件与第一和第二模具部分接触以产生压缩。

以上的优点以及其他的优点和特征在以下连同附图对实施例的详细说明中将是显而易见的。

附图说明

为了对本发明的实施例更完整的理解，应当参考附图中更详细地阐释的和下列通过示例的方式描述的实施例，其中：

图1示例性地描述了按照一个或多个实施例生产金属制品的系统；

图2示例性地描述了生产自图1中引用的金属制品的非限定的流程；

图3A示例性地描述了自图1中引用的系统的局部分解图；

图3B示例性地描述了自图3A中引用的系统的剖视图(非等比例)；

图4示例性地描述了自图1中引用的系统的可选择的局部分解图；

图5A示例性地描述了自图1中引用的系统的可选择的局部分解图；以及

图5B示例性地描述了自图5A中引用的系统的剖视图(非等比例)。

具体实施方式

参照附图，相同的附图标记用于指代相同的组件。在以下说明中，各种操作参数和组件被描述用于不同构造的实施例。这些特定参数和组件作为示例被包含并且并非意在限定。

如此处的其他部分所描述的，在一个或多个实施例中的本发明至少在这样的情况下是有利的：热冲压模具可以由提供相对高的导热系数的材料构成并因此更有效率地进行拉制件/冲压件淬火的冷却。该材料可以包括金属或金属合金，其不仅适于热冲压环境而且提供不能轻易地由诸如铁或钢这样的现有铁基合金得到的一个或多个益处。

在一个或多个实施例中，以及如图1中示例性描述的，总体上以100示出的热冲压装置包括冲压机110，设置在冲压机110中并包括金属M的合金的第一和第二模具部分112、114，该金属M的合金具有比铁基合金更高的导热系数，以及与该第一和第二模具部分112、114中的至少一个连通的冷却回路116。

为了示例的目的，仅两对第一和第二模具部分112、114在图1中示出。然而，该热冲压装置100不需要被限定为仅两对第一和第二模具部分112、114。当需要时，多于或少于一个两组的第一和第二模具部分112、114可以被使用以及以任何适当的布置被使用。

该热冲压装置100可以连同一个或多个其他组件一起使用，其可以共同称为由图1引用的总体上以102示出的热冲压系统。

图2示例性地描述了总体上由200示出的流程，该流程用于制造图1中所引用的金属制品。在一非限定的示例中，以及基于图2由图1中所示的，金属源材料通过源支架120提供到台式切割机108；以及在此该金属源材料被切割成所期望的形状以形成一个或多个金属部件118。这个步骤还参考图2中的步骤202。

在步骤204，一个或多个金属部件118可以手动或通过机械手106传送到熔炉104。该一个或多个金属部件在步骤206在熔炉104中被加热到一升高的温度。

该一个或多个金属部件118在加热之后立即在步骤208选择性地通过另一个机械手(未示出)被移除至放置在由空腔122限定的空腔122中。

在步骤210中，该金属部件118通过第一和第二模具部分112、114冲压以采用通过第一和第二模具部分112、114的相对表面限定的形状。

在冲压和压缩过程中，第一和第二模具部分112、114的每一个可以独立地通过与冷却回路116连通来冷却。该冷却效果可以通过诸如由冷却回路116输送的冷却水这样的冷却液的流动施加在第一和第二模具部分112、114上。由于该第一和第二模具部分112、114中的至少一个包括具有相对较高导热系数的金属M的合金，所以通过冷却回路116输送的冷却效果通过包括金属M的合金的第一和第二模具部分112、114的使用被增强。因此，该金属部件118可以通过与第一和第二模具部分112、114接触而更有效且更快速地冷却。相对更快的冷却或淬火随着冲压提供了具有相对更高强度和所期望的金属结构的金属部件118。

如果金属M的合金具有比铁基合金更高的导电系数，则该金属M可以为任何适当的金属。没有想要被任何特定的理论所限制，可以认为金属M的合金与其相应的纯金属M相比在导热系数上具有实质的影响。此外，不同的金属合金还可以具有在导热系数上的可测量的差值。在对于铜的情况下，作为一群组的铜合金可以比铁基合金的导热系数多出数倍通常是可以接受的。

金属M的非限定列表包括铜、银和铝。在某些情况下，该金属M为铜。

金属M的合金可以采用任何适当的形式。金属M的合金的非限定示例包括与一个或多个铍、锡和锌的铜合金。没有想要被任何特定的理论限定，可以认为铍有助于建立强度，锡有助于镀青铜色以及锌有助于镀黄铜色。

该金属M在金属M的合金中按重量计可以大于50％。合金家族典型地由金属元素识别，其组成了成分的大部分。通过示例的方式，铜基合金将包含按重量计50％或更多的元素铜。银合金可以被使用；然而，银合金相对于铜合金过于昂贵。铝合金也可以被使用；然而，铝合金不具备必要的压缩强度。

第一和第二模具部分112、114的每一个可以独立地包括按重量计超过50％的金属M的合金。在此非限定性的考虑为该第一和第二模具部分112、114可以仅仅包括金属M的合金但出于成本考虑不完全由后者组成。在这些设计中，第一和第二模具部分112、114的基底可以为铁基合金，诸如铸铁、铸钢和/或锻钢。

在某些情况下，以及如图3A中所示，第一和第二模具部分112、114的每一个可以包括第一和第二表面段302、304，二者一起在其之间限定了空腔122，每个第一和第二表面段302、304包括金属M的合金。每个第一和第二模具部分可以包括分别与第一和第二表面段302、304相邻的第一和第二主体段308、310。这可以为一种设计，其中该第一和第二主体段308、310可以由相对更有成本效益的材料构建同时相对提高的导热系数通过与将要插入到该空腔122中的金属部件118接触的第一和第二表面段302、304得到。第一和第二表面段302、304的厚度或重量可以相对于第一和第二主体段308、310按照即将来临的冲压项目的某些特定需求被改变。举例来说，该相对厚度或重量可以按照金属部件118的尺寸和/或对于金属部件118的合成的冷却需求改变。

然而，总的方向是，每个第一和第二表面段302、304应当独立地包含与第一和第二主体段308、310相比相对更多的金属M的合金。在某些情况下，第一和第二主体段308、310中的每一个独立地包括按重量计分别少于第一和第二表面段302、304的至少20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％的金属M的合金。在某些情况下，第一和第二主体段308、310的每一个独立地包括按重量计少于10％、5％或1％的金属M的合金。

第一和第二表面段302、304可以装备有多个冷却通道326。该冷却通道326在剖面上可以为任何适当的形状以及可以由任何适当的材料构建。该冷却通道326可以按照需要以单层或多层来提供。该冷却通道326可以被共同连接到用于冷却液输送的入口328和出口330，冷却液可选择地为水。

该冷却通道326可以通过机器钻孔形成以便产生通道形式的开口。钻孔本身可以为成本及劳力密集型。一种选择可以是通过铸造形成通道，其中金属铸造材料的熔融物被导入到具有铸芯的预成型的铸件中，留下的孔洞后来变成冷却通道。

铸芯可以总体上由利用粘合剂保持在一起的砂。在液态金属固化之后，该粘合剂失效并且破碎的砂然后可以典型地通过摇动或喷砂清理从孔洞中移除。

在这些使用砂芯的设计中，用于制造孔洞的长径比典型地为大约5到1。这意味着由铸芯生成的冷却通道对于有效地热传输来说太短且太粗。为了制造可以用于有效地热传输的镶铸的冷却通道，非限定方式将是将铁基合金管放置到模具中并环绕该模具注入铜合金。

在这个铸造流程中，利用含有与所有的铁基熔融物相对照的熔融物的铜合金在成本和性能上提供了协同效益。由于所有的铁基金属材料将具有相对高的熔点，所以铁基铸芯对于在全铁基熔融物铸造流程过程中需要的及形成的极度的热将是非常敏感的以及可能不利地被融化。在这个场景中，冷却通道可以在全铁基模具中通过非常劳力密集型的钻孔流程形成并且该铸造可能不是切实可行的选择。

按照一个或多个实施例中的本发明，铜合金具有与铁基合金相比实质降低的熔点；以及作为结果，铁基铸芯可以在不会引起铸芯熔化的温度下用于含有熔融物的铜合金的铸造中。相应地，冷却通道可以通过用于包含了模具的铜合金的铸造容易并相对简单地形成。以这种方式，不仅含有模具的铜合金提供相对更好的冷却，而且该冷却可以由于冷却通道可以更加成本有效地形成而更经济地产生效果。简言之，在一个或多个实施例中的本发明同时提供了更快及更便宜的冷却。

诸如钢这样的铁基合金具有所有常规使用的金属合金的最高熔点。当接近其熔点时，任何金属会变软和变弱。因此当液态钢进入到腔体中时，在模具中的金属嵌入物可以被熔化或严重软化。钢熔点等于或大约为2800°F，而铜合金熔点等于或大约为1750°F。如果液态铜围绕诸如钢管这样的铁基合金管注入，则该钢管将保持固态并在适当位置。围绕钢管注入液态钢使钢管危险地接近熔点以及它们会如之前提到的皱缩和/或扭曲。用于工具的铜合金使其有能力镶铸冷却通道。为了理想地制造铸钢模具，插入到模具中的管应当由具有与钢高相比高很多的熔点的某物制造，然而，很少有材料具有高于钢的熔点；大多数的稀有金属不具有工程学上的意义。

回到图4，以及以可选择的视角，附图标记402、404共同分别指代第一模具部分112的第一表面段以及第二模具部分114的第二表面段。附图标记408、410共同分别指代第一模具部分112的第一主体段以及第二模具部分114的第二主体段。附图标记430、432、434指代分别与粘合剂420，粘合剂422以及冲压机424对应的第一主体段408的相关部分。附图标记440、442、444指代分别与粘合剂420、粘合剂422以及冲压机424对应的第一表面段402的相关部分。

图4示例性地描述了自图3A中引用的系统的变形的局部剖面图。如图4中的示例性描述，该第一模具部分112可以包括粘合剂(又名，压边圈)420、422以及与粘合剂420、422间隔设置的冲压机424。对于拉延模/模具操作这是特别的，其中该粘合剂420、422通过向第二模具部件114更靠近而提供如设置在空腔122中那样的对金属部件118的非常好的定位。一旦金属部件118被定位在空腔122中并通过粘合剂420、422和第二模具部分114有弹性地固接，冲压机424就可以接着与金属部件118接触以赋予拉延。该术语“有弹性地固接”指代操作，该操作特别是拉延/模具操作，其中该金属部件118穿过由粘合剂420、422中的一个以及第二模具部分114之间限定的区域依然是可移动的，正如会需要将金属材料输送到冲压机424和第二模具部分114之间限定的区域那样。

图3A和图4都示例性地描述了第一和第二模具部分112、114包括表面段和主体段。在另一种选择中(未示出)，该第一和第二模具部分可以由形成表面段的材料整个地构建。由于形成表面段的材料趋向相对更昂贵，所以用形成表面段的材料整个制造的第一和第二模具部分112、114的实际性可以通过成本考虑来限定。然而，如此处的其他部分所提到的，在建造诸如模具部分中增加的成本可以通过在形成冷却通道的成本的降低来减少。因此，这样的设计相信相对于模具部分由铁基合金整个构建的一些现有设计仍是有用的。

图5A示例性地描述了由图3A或图4中引用的横截面的变形，以及图5B示出了由线5B-5B截取的横截面。图5A与图3A或图4相比较，显著差别在于冷却通道526的形状和构造，其以“圆片”的形式被配置。冷却液可以通过第二模具部分114的底部表面提供并穿过每个冷却通道流动以及通过出口(未示出)返回退出。

在一个或多个实施例中，在此提出的公开的发明克服了公知的金属制品的生产中所面临的挑战。然而，技术领域内的技术人员将从这样的讨论中以及从附图和权利要求中容易认识到各种改变、修改和变形可以在不背离以下权利要求中所限定的本发明的真实意图和合理范围的情况下做出。

Claims (9)

1.一种热冲压装置，包含：

包括金属M的合金的第一和第二模具部分，该金属M的合金具有与铁基合金相比更高的导热系数；以及

与第一和第二模具部分中的至少一个连通的冷却回路。

2.如权利要求1所述的热冲压装置，其中该金属M为铜。

3.如权利要求1所述的热冲压装置，其中该金属M的合金包括按重量计超过50％的金属M。

4.如权利要求1所述的热冲压装置，其中该第一和第二模具部分的每一个独立地包括按重量计超过50％的金属M的合金。

5.如权利要求1所述的热冲压装置，其中该第一和第二模具部分分别包括第一和第二表面段，该第一和第二表面段一起限定空腔并且该第一和第二表面段中的每个独立地包括金属M的合金。

6.如权利要求5所述的热冲压装置，其中该第一和第二模具部分包括分别与第一和第二表面段相邻的第一和第二模具主体段，该第一和第二主体段独立地包括按重量计分别少于第一和第二表面段的至少20％的金属M的合金。

7.如权利要求1所述的热冲压装置，其中该冷却回路包括与第一和第二模具部分中的至少一个接触的多个冷却通道。

8.如权利要求5所述的热冲压装置，其中该冷却回路包括与第一和第二表面段中的至少一个接触的多个冷却通道。

9.如权利要求8所述的热冲压装置，其中多个冷却通道包括铁基合金。