CN105121051B - 热模成型组件以及制造热处理部件的方法 - Google Patents
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Abstract
提供了一种制造部件的方法。坯料装载到模具组件中，该模具组件具有可压缩构件和一对模座，其中，所述一对模座附接有成型件，可压缩构件夹置在模座与成型件之间。模具围绕坯料闭合以使坯料变形成部件。随后将模具打开预定距离，同时可压缩构件中的至少一个可压缩构件弹性地变形以保持成型件中的至少一个成型件与部件之间接触。随后通过至少一个成型件以传导的方式冷却小于部件的整个表面，以为部件的预定部分提供预定的显微结构。
Description
在先申请的交叉引用
本PCT专利申请要求于2013年2月6日提交的名称为“Hot Die Forming AssemblyAnd Method Of Making A Heat Treated Part”的美国临时专利申请序列号61/761,265的优先权，该申请的全部公开内容被看作是本申请公开内容的一部分并且因此通过参引并入本申请。
技术领域
本发明总体上涉及对部件进行定形以及热处理。
背景技术
很多金属部件例如汽车部件的制造既需要定形操作又需要热处理操作。多种不同类型的定形操作包括例如冲压、挤压、机械加工、轧制成型、液压成型等。热处理操作通常包括将部件加热至预定温度例如奥氏体相变温度，并且使该部件以预定速率冷却。所选的冷却速率将影响金属的显微结构并且因此影响部件的机械性能。
一种特殊类型的定形操作包括将金属坯料放置到模具组件中并且使具有一定式样的一对模具围绕坯料闭合，以使坯料变形成具有预定形状的工件。接下来，将模具彼此分开并且将工件从模具组件移除。在将工件从模具组件移除之后，对工件进行热处理以提供所需的显显微结构。
发明内容
本发明的一方面包括一种制造工件的方法。该方法包括准备模具组件的步骤，该模具组件包括一对模具，其中，模具中的至少一个模具具有模座、多个成型件和至少一个可压缩构件，多个成型件与模座以可操作的方式联接，至少一个可压缩构件夹置在模座与成型件中的至少一个成型件之间。该方法以将坯料定位在模具组件中的一对模具之间的步骤继续。该方法以使模具中的至少一个模具朝向另一模具移动的步骤继续。该方法以压缩至少一个可压缩构件，以使成型件中的至少一个成型件相对于成型件中的其他成型件移动的步骤继续。该方法以通过多个成型件使坯料变形的步骤继续。该方法以如下的步骤继续：将所述一对模具分开预定距离，使得成型件中的至少一个成型件与已变形的坯料分开，同时至少一个可压缩构件扩展以使成型件中的至少一个成型件与已变形的坯料保持接合。该方法还包括如下的步骤：在将所述一对模具分开预定距离之后，通过与已变形的坯料接合的至少一个成型件以传导的方式冷却小于已变形的坯料的整个表面。
使用相同的设备对坯料的预定部分既进行定形处理也进行热处理。这允许在部件的制造中减少制造时间并且提高的成本效益。
根据本发明的另一方面，该方法还包括在以传导的方式冷却小于已变形的工件的整个表面的步骤之后，将模具中的至少一个模具朝向另一模具移动，以使所有成型件与已变形的工件接合的步骤，以及以传导的方式冷却已变形的工件的大致整个表面的步骤。这由于允许在模具组件内对大致整个部件进行热处理而是有利的。此外，闭合模具组件具有补偿工件中可能由于不均匀冷却而引起的任何变形的效果。
本发明的另一方面提供一种用于将坯料定形成工件的成型组件。该成型组件包括一对模具，所述一对模具能够朝向彼此以及远离彼此地移动。模具中的至少一个模具具有模座、多个成型件和至少一个可压缩构件，多个成形件与模座以可操作的方式联接，至少一个可压缩构件夹置在模座与成型件中的至少一个成型件之间。至少一个可压缩构件由能够弹性变形的材料制成，以使成型件中的至少一个成型件相对于相邻的成型件移动。具有成型件的至少一个模具还包括用于吸取来自工件的热量的冷却系统。
附图说明
通过参照结合附图考虑下文的详细描述，本发明的这些及其他特征和优点将容易地领会，同时变得更好地理解，其中：
图1为示例性部件的立体正视图；
图2为示出了由图1中的方框2所标记的部件的一部分的显微结构的放大图；
图3为示出了由图1中的方框3所标记的部件的不同部分的显微结构的放大图；
图4为具有一对处于打开位置的模具的示例性模具组件的立体图；
图5为图4中示出的模具组件的模具中的一个模具的截面图；
图6为图4的模具的处于闭合位置的截面图；以及
图7为图4的模具的处于中间位置的截面图。
具体实施方式
参照附图，其中，贯穿若干附图，相同的附图标记表示相应的部件，图1中总体上示出了由钢或钢合金制成的一体式冲压汽车部件20的示例性实施方式。如图1至图3中所示，示例性汽车部件20根据不同的冶金显微结构分成多个部分22、24或区域。具体地，示例性部件20包括相互间隔开并具有第一显微结构的两个部分22(在下文中被称为“未回火部”)和相互间隔开并具有与第一显微结构不同的第二显微结构的两个部分24(在下文中被称为“回火部”)。在示例性汽车部件20中，未回火部22的第一显微结构是未回火马氏体(图2中示出)，并且回火部24的第二显微结构是回火马氏体(图3中示出)。不同的显微结构对未回火部22和回火部24提供不同的机械性能或特性，从而允许部件20针对特定的应用进行优化。可以基于部件20所需的应用来选择部件20上不同部分22、24的位置、几何形状和特定的显微结构。例如，回火部24可以位于部件20的需要增大韧性的区域，未回火部22可以位于部件20的需要增大硬度的区域。如下文将进一步详细论述的，部件20还可以设置有任意所需数量的不同的显微结构，并且特定的显微结构可以是例如马氏体、回火马氏体、贝氏体、珠光体等的任意组合。部件20可以是例如车身的A柱、B柱或C柱、或悬架系统的控制臂、或一系列其他汽车或非汽车部件。
在模具组件26上进行冲压过程期间以及紧接在该模具组件26上进行冲压过程之后，利用如在冲压过程中使用的同一模具组件26将未回火部22和回火部24形成为一体式部件20。现参照图4，示例性实施方式的模具组件26包括上模具28和下模具30，该上模具28和下模具30能够在打开位置(图4中示出)、闭合位置(图6中示出)与中间位置(图7中示出)之间相对彼此地移动。模具28、30中的每一者均具有模座32、34和多个成型件36、38，并且成型件36、38中的每一者均具有背离相应的模座32、34的成型表面。如所示出的，成型表面彼此配合以呈现用于将坯料定形成部件20的腔40。在示例性实施方式中，每个模具28、30的成型件36、38具有相似的高度。然而，应当领会的是，可以替换地采用具有不同高度的成型件。
液压缸或气压缸或由弹性可压缩的材料(例如，氯丁橡胶)或制成的多个可压缩构件42、44或盘或夹置在模座32、34与相应的成型件36、38之间，以允许成型件36、38在模具组件26的操作过程期间相对彼此运动，如下文将进一步详细论述的。现参照图5，当下模具30处于打开位置时，可压缩构件中的两个可压缩构件42a(下文的“薄的可压缩构件42a”)具有第一厚度t1，并且可压缩的构件中的两个可压缩构件42b(下文的“厚的可压缩构件42b”)具有比第一厚度t1更大的第二厚度t2。这样，由于成型件36具有相似的高度，因此，当下模具30处于打开位置时，与薄的可压缩构件42a接合的成型件36的成型表面比与厚的可压缩构件42b接合的成型表面36的成型表面相对更低，或者与薄的可压缩构件42a接合的成型件36的成型表面相对于与厚的可压缩构件42b接合的成型表面36的成型表面凹进。换言之，在相邻的成型表面之间存在台阶部，并且台阶部的高度与薄的可压缩构件42a和厚的可压缩构件42b的厚度差异对应。还需要领会的是，成型件中的一个或更多个(但不是全部)成型件可以直接附接至模座中任一模座，或者附接至模座而在其中没有夹置可压缩构件。
在示例性实施方式中，可压缩构件42、44由具有高热导率的橡胶材料制成。然而，应当领会的是，可压缩构件42、44可以由任何适合的弹性可压缩的材料替代地制成。可压缩构件42、44还可以由不同的材料制成。
再参照图4，模座32、34中的每一者均具有用于接纳冷却剂的入口45、46、用于分配冷却剂离开相应的模座32的出口48、50以及在入口与出口之间延伸的冷却剂通道。如下文将进一步详细论述的，在模具组件26的操作期间，诸如水之类的冷却剂在定形过程完成之后穿过入口45、46、出口48、50和冷却接通道用以对部件20进行选择性地冷却或热处理。
将金属坯料定形并热处理以形成例如图1至图3中示出的部件20的部件的过程以将坯料加热至预定温度开始，预定温度为例如大于500摄氏度(℃)或材料的奥氏体温度，对于钢而言，材料的奥氏体温度为大约730℃。接下来，如图6中所示，上模具28和下模具30移动到一起以将坯料20夹置在成型件36与38的成型表面之间，并使坯料20变形直到坯料20符合腔40的形状为止(图4中所示)，如所示出的，在变形过程期间，使厚的可压缩构件42b、44b比薄的可压缩构件42a、44a偏移或压缩更大的距离，从而消除相邻的成型件36、38的成型表面之间的台阶部，并且允许形成没有台阶部的大体平滑的部件20。在示例性实施方式中，所有四个成型件36、38在变形过程期间与坯料20抵接。
在坯料20在模具组件26的腔40中变形期间或紧接在坯料20在模具组件26的腔40中变形之后，使部件20在上模具28与下模具30之间进行热处理，以为部件20的材料提供预定的显微结构和机械性能。热处理过程包括将上模具28和下模具30彼此分开预定距离，使得厚的可压缩构件42b、44b比薄的可压缩构件42a、44a弹性扩展更大的距离，从而使与厚的可压缩构件42b、44b联接的成型件36、38保持与部件20接触，同时其他成型件36、38与部件20分开。
冷却剂随后通过上模具28和下模具30的模座32、34传送，并且热量从已定形的部件20通过与部件20保持接触的成型件36、38，通过厚的可压缩构件42b、44b以传导的方式传递至模座32、34中，热量在模座32、34处由冷却剂从模具组件26吸取。同样地，当上模具28和下模具30处于图7中示出的中间位置时，已定形的部件20的与成型件36、38保持接触的部分比已定形部件20的其他部分以相对更快的速率冷却。在示例性实施方式中，以预定速率从部件20吸取热量，以在这些部分中形成未回火马氏体。然而，通过例如改变通过模座32、34的冷却剂的流动、可以改变由热处理过程形成的特定的显微结构。
在与成型件36、38保持接触的部分冷却至预定温度(例如300℃)之后并且在预定持续时间之后，上模具28和下模具30这时朝向彼此移动回到图6中示出的位置，以使分开的成型件36、38返回至与已定形部件20接触。此时，从已定形部件20的如下部分也吸取热量以使这些部分形成为回火马氏体显微结构，该部分与薄的可压缩构件42a、44a相联接的成型件36、38接合。除进一步冷却部件20之外，重新闭合模具组件26提供除去部件20中在不均匀冷却过程中可能产生任何尺寸问题的附加的优点。
应当领会的是，上模具28和下模具30可以以预定的间隔选择性地移动在一起和分开，以对已定形的部件进行选择性地冷却，从而形成一系列除了仅回火马氏体和未回火马氏体之外的不同的显微结构。
本发明的另一方面涉及一种制造部件的方法。该方法包括准备模具组件26的步骤，该模具组件26包括一对模具28、30，其中，模具28、30中的至少一者(并且优选两个模具)具有：模座32、34；多个成型件36、38，所述多个成型件36、38与模座32、34以可操作的方式联接；以及至少一个可压缩构件42、44，所述可压缩构件42、44夹置在模座32、34与成型件36、38中的至少一个成形件之间。在示例性实施方式中，模具28、30中的每一者均具有多个薄的可压缩构件42a、44a和多个厚的可压缩构件42b、44b，多个薄的可压缩构件42a、44a具有第一厚度t1，多个厚的可压缩构件42b、44b具有比第一厚度t1更大的第二厚度t2。
该方法以将坯料20定位在模具组件26中的上模具28与下模具30之间的步骤继续进行。该方法继续进行如下步骤：将模具28、30中的至少一者朝向另一模具28、30移动并且压缩至少一个可压缩构件42、44以使成型件36、38中的至少一者相对于另一相邻的成型件36、38移动进行。该方法继续进行压缩至少一个可压缩构件42、44以使成型件36、38中的至少一者相对于另一成型件36、38移动的步骤。该方法继续进行通过多个成型件36、38使坯料20变形的步骤。该方法继续如下步骤：将上模具28和下模具30分开预定距离，使得成型件36、38中的至少一者与已变形的坯料20分开，同时至少一个可压缩构件42、44扩展，以使成型件36、38中的至少一者与已变形的坯料20接合。该方法以在将一对模具28、30分开预定距离之后通过与已变形的坯料20接合的至少一个成型件36、38对已变形坯料20进行冷却的步骤继续进行。
在示例性方法中，至少一个可压缩构件42、44包括至少一个厚的可压缩构件42b、44b和夹置在模座32与34之间的至少一个薄的可压缩构件42a,44a，并且其中，在将上模具28与下模具30分开期间，与至少一个薄的可压缩构件42a连接的至少一个成型件36、38与已变形的坯料20分开、并且与至少一个厚的可压缩构件42b、44b连接的至少一个成型件36、38与已变形的坯料20保持接触。
在示例性方法中，模座32、34包括冷却通道，该冷却通道用于在使坯料20变形的步骤之后运送冷却流体以对成型件36、38进行冷却。
可压缩的构件42,44优选地由具有高热导率的材料制成。
示例性方法还包括在将模具28、30中的至少一个模具朝向另一模具28、30移动的步骤之前对坯料20进行加热的步骤。
示例性方法更进一步地包括在以传导的方式冷却小于已变形的坯料20的整个表面的步骤之后，将模具28、30中的至少一者朝向另一模具28、30移动以将所有成型件36、38与已变形的坯料20接合的步骤，以及以传导的方式冷却已变形的坯料20的大致整个表面的步骤。
明显地，本发明的许多改型和变形根据上述教示是可能的，并且可以在所附权利要求的范围内以除了具体描述的方式之外的其他方式进行实践。
Claims (11)
1.一种制造工件的方法，包括下述步骤：
准备模具组件，所述模具组件包括一对模具，所述模具中的至少一个模具具有模座、多个成型件和至少一个可压缩构件，所述多个成型件与所述模座以可操作的方式联接，所述至少一个可压缩构件夹置在所述模座与所述成型件中的至少一个成型件之间；
将坯料定位在所述模具组件中并且定位在所述一对模具之间；
使所述模具中的至少一个模具朝向另一模具移动；
压缩所述至少一个可压缩构件，以使所述成型件中的至少一个成型件相对于另一成型件移动；
通过所述多个成型件使所述坯料变形；
将所述一对模具分开预定距离，使得所述成型件中的至少一个成型件与已变形的坯料分开，同时所述至少一个可压缩构件扩展以保持所述成型件中的至少一个成型件与所述已变形的坯料接合；以及
在将所述一对模具分开预定距离之后，通过与所述已变形的坯料接合的所述至少一个成型件以传导的方式冷却小于所述已变形的坯料的整个表面；
其中，所述至少一个成型模具包括至少一个厚的可压缩构件和至少一个薄的可压缩构件，所述至少一个厚的可压缩构件夹置在所述模座与所述成型件中的至少一个成型件之间，所述至少一个薄的可压缩构件夹置在所述模座与其他成型件中的至少一个成型件之间，并且其中，在所述模具分开期间，与所述至少一个薄的可压缩构件连接的所述至少一个成型件与所述已变形的坯料分开，并且与所述至少一个厚的可压缩构件连接的所述至少一个成型件与所述已变形的坯料保持接触。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述模座包括冷却通道，所述冷却通道用于接纳冷却流体用以在使所述坯料变形的步骤之后对所述成型件进行冷却。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述可压缩构件由热传导材料制成。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述模具中的每个模具均具有模座、多个成型件和至少一个可压缩构件，所述多个成型件与所述模座以可操作的方式联接，所述至少一个可压缩构件夹置在所述模座与所述成型件中的至少一个成型件之间。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括在以传导的方式冷却小于所述已变形的坯料的整个表面的步骤之后使所述模具中的至少一个模具朝向另一模具移动以使所有所述成型件与所述已变形的坯料接合的步骤，以及以传导的方式冷却所述已变形的坯料的大致整个表面的步骤。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括在将所述模具中的至少一个模具朝向另一模具移动的步骤之前将所述坯料加热至预定温度的步骤。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述预定温度为奥氏体相变温度。
8.一种用于将坯料定形成工件的成型组件，所述成型组件包括:
一对模具，所述一对模具能够朝向彼此以及远离彼此地移动；
所述模具中的至少一个模具具有模座、多个成型件和至少一个可压缩构件，所述多个成型件与所述模座以可操作的方式联接，所述至少一个可压缩构件夹置在所述模座与所述成型件中的至少一个成型件之间；
所述至少一个可压缩构件由能够弹性变形的材料制成，用于允许所述成型件中的至少一个成型件相对于相邻的成型件移动；以及
所述模具中的带有所述至少一个可压缩构件的所述至少一个模具具有用于对工件进行冷却的冷却系统；
其中，所述至少一个可压缩构件还限定为包括至少一个薄的可压缩构件和至少一个厚的可压缩构件的多个可压缩构件，所述薄的可压缩构件具有第一厚度，所述厚的可压缩构件具有大于所述第一厚度的第二厚度。
9.根据权利要求8所述的成型组件，其中，所述冷却系统位于所述模座内。
10.根据权利要求9所述的成型组件，其中，所述至少一个可压缩构件由具有高热导率的材料制成，以用于将热量从所述工件通过所述至少一个成型件并且通过所述至少一个可压缩构件传送至所述模座。
11.根据权利要求8所述的成型组件，其中，所述模具中的每个模具均包括模座、多个成型件和至少一个可压缩构件，所述多个成型件与所述模座以可操作的方式联接，所述至少一个可压缩构件夹置在所述模座与所述成型件中的至少一个成型件之间。
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