CN105934292A - 带有改进的冷却系统的热成型金属模具 - Google Patents

Abstract

一种具有一对模具的热金属成型装置，该一对模具在打开位置和闭合位置之间相对于彼此可移动。该模具有对应于期望的冲压零件形状的对向金属成型表面。至少一个细长的热导管被安装在至少一个模具内用于将热转移远离该冲压零件，因此将该冲压零件淬火。

Description

带有改进的冷却系统的热成型金属模具

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年11月5日提交的美国临时申请号61/900,003的优先权，其内容以引用的方式并入本文。

背景技术

I.技术领域

本申请大体上涉及热金属成型装置。

II.相关领域描述

有很多需要非常坚硬的部件的工业应用。例如，在机动车辆中的一些部件(诸如用于机动车辆乘客客舱的竖直柱子)通常是由高强度、轻质量的材料构造以在碰撞事故中保护车辆的乘员，然而没有不适当地增加车辆的重量。

用在汽车应用中的一种常见坚硬的材料是马氏体，碳钢的同素异形体。为了形成马氏体部件，带有硼元素钢的碳基片料或坯料首先被加热至大约850至1100摄氏度，这是将金属坯料转化为奥氏体所必需的温度。然后，当金属坯料还热且在大约450摄氏度的温度之上时，金属坯料被定位于冲压模具内，并且模具闭合来使坯料机械地弯曲且成形为通过模具的对向表面(facingsurface)限定的期望的部件的形状。然后，现已形成的部件以足以将奥氏体转化为马氏体的急速的速度被淬火。淬火之后，部件被移除而且允许在空气中完成冷却以使向马氏体的化学变化完成。

虽然使用热冲压方法形成的部件展现充分的硬度，但是在生产设施中执行热冲压方法是昂贵的。大量的成本是由将在模具内现已形成的坯料淬火至充分低的温度来将奥氏体转变或转化为马氏体所需要的时间造成的。确实，在先前已知的热成型金属模具中，用于在基于冲压零件的特定轮廓的生产设备内将形成的零件淬火的整个周期时间能够需要10秒或者甚至更多时间。在一些情况下，为了满足生产需要，如此长的周期时间需要多个冲压模具的使用。

发明内容

本发明提供了带有改进的冷却工具的用于热金属成型或热金属冲压的装置，以在冲压操作后淬火形成的零件。

简言之，本发明的装置包括具有被定尺寸以支撑用于热冲压操作的坯料的床体的壳体。床体由诸如金属的热传导材料构造并且具有被机加工以支撑全部坯料的表面。

上模板(upper plate)或上模具被安装至上“模座”(顶模板)。下模板或下模具被安装至下模座。上和下“模座”(模板组件)通过导向销被沿水平方向引导。上和下“模座”(安装模板)在或液压或机械的冲压机内以上下垂直运动移动。当上模座处于打开位置从而产生在上和下安装模板之间的缺口时，加热的“坯料”材料被引导/放置在下工具上。使用气动的/液压的或机械的定位器和调平器(levelers)的形式定位坯料。定位器用来定位坯料钢，以及调平器用于使用小棘爪保持坯料在水平位置，以便坯料不与任何模具表面接触，其中坯料与任何模具表面接触将会在个别区域开始冷却坯料，这可影响整体硬度的结果。当利用压力机(press)将上模具闭合在下模具上面，然后压力机在冷却发生时保持闭合时，坯料调平器连同定位器保持坯料在合适的位置。

至少一个，并且优选地多个细长的热导管被附接至上模具和下模具二者。每个热导管的一端嵌入在模具的内部，而它的相反端定位在模具的外面。

每一个热导管包括由热传导套管包围的管状的而且优选地圆柱形的烧结管芯。热导管的两端也通过套管被密封，然而诸如水的流体被包裹(entrapped)在热导管的内部。

热导管的一端嵌入在或上模具内或下模具内，而热导管的另一端被热耦合至冷却机构。例如，热导管的第二端可以被定位在允许恒定的水流通过模具(tooling)的冷却液槽、散热片、冷却槽或通道，以便能够在热导管端保持恒定的水温，以便将热从热导管移除。

在操作中，容纳在热导管内的流体在热导管的热端处沸腾，而现在含汽液体进入到烧结管芯的内部。该水汽流向冷却机构将水汽冷却回液体的热导管的另一端。那些液体通过毛细管作用行进通过烧结管芯返回热导管的热端，在热导管的热端液体被再次转化为水汽，然后重复该周期。

因此，通过提供用于上模具和下模具二者的至少一个并且优选多个热导管，模具并且因此冲压零件可以通过热导管被迅速地淬火。在操作中，通过热导管在上模具和下模具二者中合适的使用，可以实现大约1秒的淬火周期时间。

附图说明

当结合附图阅读时，通过参考以下详细的描述，将会得到本发明的更好的理解，其中贯穿几幅视图的同样的参考标志指同样的部件，而且其中：

图1是图示说明在它们隔开位置的上热冲压模具和下热冲压模具的示意侧视图；

图2是与图1类似的视图，但是图示说明在冲压操作期间的在它们的闭合位置的上模具和下模具；

图3是大体上沿图1的线3-3截取的视图；

图4是大体沿图1的线4-4截取的而且为了清晰而放大的纵向截面视图；

图5是为了清晰而移除零件的热导管的正面图；

图6是安装在模具内的竖直位置中的一个热导管的平面视图；

图7是图示说明安装在模具中的水平位置中的一个热导管的平面视图；

图8是成锐角安装在模具内的一个热导管的视图；以及

图9是图示说明本发明装置的模具的一部分的不连续截面视图。

具体实施方式

首先参照图1和图2，热冲压压力机10的优选实施例被示出。压力机10包括安装在下模座内的下模具12和安装在上模座内的上模具14，而且下模具12和上模具14都是由诸如金属的热传导材料构造。上模具14和下模具12分别具有对向金属成型表面15和13，对向金属成型表面15和13被机加工成对应于期望的冲压金属零件的形状。

上模具14定位在下模具12之上并且在图1中图示说明的打开位置和图2中图示说明的较低位置之间可移动。在它的较高位置中，上模具14与下模具12间隔开以使金属坯料16能够被插入在模具12和模具14之间。这个金属坯料16通常是由通常带有硼的碳基材料构造，其中碳基材料被加热至大约850摄氏度至1100摄氏度。碳基材料在850摄氏度至1100摄氏度的温度范围内转化成奥氏体。

任何常规的机构可以用于加热金属坯料16至850摄氏度至1100摄氏度。而且，坯料16可以在插入上模具14和下模具12之间之前或在插入上模具14和下模具12之间之后被加热至850摄氏度至1100摄氏度。

在金属坯料已经被插入在上模具14和下模具12之间之后，上模具14和下模具12被移动至图2中图示说明的它们的闭合位置。在它们的闭合位置，金属坯料16被夹在上模具14上的金属成型表面15和下模具12上的金属成型表面13之间，以便坯料16呈现上模具14和下模具12的对向表面15和13的形状。

可以利用任何常规的工具来在图1中图示说明的它们的打开位置和图2中图示说明的它们的闭合或冲压位置之间移动上模具14和下模具12。例如，液压或气压缸可以用于移动模具12和模具14中的一者或二者朝向或远离彼此。可替代地，机械驱动装置或甚至电力驱动装置可以用于移动模具12和模具14。

为了将现已形成的金属坯料16从奥氏体转化成马氏体，通过模具12和14的闭合形成的冲压零件16必须迅速地淬火至低于大约250摄氏度的温度，这个温度取决于坯料16的材料。

现在参考图4和图5，为了将冲压零件16淬火，本发明利用多个热导管20，其中一个热导管被示出在图4和图5二者中。每个热导管包括在热端24和冷却端26二者闭合的管状的且圆柱形的烧结管芯22。管芯22可以由许多不同类型的材料构造，诸如烧结铜或烧结铜/镍材料。由于管芯22是由烧结材料构造，管芯22在贯穿它的端部24和端部26之间的长度依然多孔。

整个管芯22被包裹在形成封闭容腔29的流体不可渗透的套管28内。套管28可以由铜、铜/镍合金或提供的任何其他材料制成，然而，套管28展现高热导率。

依然参照图4和图5，诸如水的液体部分地填充套管28的内部容腔29，并且液体因此被包裹在管芯22和管芯22的内部孔30内。然而，其它液体可以替代地被使用。此外，流体仅填充了容腔29的容积的一小部分。

如将在随后更详细的描述中，热导管20的热端24被邻近加热的冲压零件定位，而热导管20的冷却端26被定位在冷却剂(诸如，水浴槽或水力槽(water channel)、冷却空气等)内。在操作中，容纳在套管28的内部容腔29内的液体在热导管的热端变热并且沸腾或汽化。然后水汽朝向定位在冷却剂内的热导管的冷却端26行进。在热导管20的冷却端，热从热导管20转移至冷却剂，而且水汽凝结成液体并进入管芯。通过毛细管作用，液体从热导管20的冷却端26穿过管芯并朝向热导管22的热端24行进，如在图4中通过箭头32所指示的。一旦液体到达热导管20的热端24，液体再次被汽化或沸腾，而且上述过程被重复。

因此，热导管20用于从它的热端24移除热，并且用于使热消散在它的冷却端26处。如图9所示，为了进一步提高和便利热导管20的热移除特性，热导管20的冷却端26优选地在冷却槽或通道34、散热片、散热器或者其他常规热移除设备中的任一者内冷却。

现在参考图1和图3，多个热导管20被定位在上模具14和下模具12中的至少一个，而且优选定位在二者中。每个热导管20的热端24被邻近上模具14和下模具12的对向表面定位，并且因此靠近坯料16。相反地，每个热导管20的冷却端26从其相关的模具12或模具14向外延伸。而且，这个冷却端26优选地定位在冷却槽34或其他机构内来从热导管20的端部26移除热。

如在图9中也许最好的示出，热导管20的热端24被紧邻下模具的工作表面13或者上模具的工作表面15定位。热导管20的热端24优选地被定位成距离模具14的金属成型表面15二分之一英寸或者少于二分之一英寸。相反地，热导管20的冷却端26远离模具14的金属成型表面15间隔开，而且优选地定位在冷却剂槽或冷却剂管道34内。管道34可以通过任何合适的液体(诸如水)冷却。

为了使通过热导管20的热转移最大化，邻近它们的热端24的热导管20的部分紧贴地定位在模具14内的它们的接收开口内。在邻近它们的热端24的热导管20和模具14之间的适贴配合保证了模具14和热导管20之间的高效热传导性。诸如润滑脂或环氧树脂的热传导材料也可以在热导管20的热端24之间使用来使从模具14和到热导管20的热导率最大化。

热导管20的长度、直径和数量将会根据应用变化。然而，在用于机动车辆乘客客舱的柱子从坯料被冲压的应用中，热导管20可以在2英寸和10英寸之间的长度内变动，而且直径大约二分之一英寸。热导管20可以以任何合适的方式彼此间隔开二分之一英寸和两英寸之间，诸如图3图示说明的方式。

在操作中，当模具12和模具14在图1中图示说明的它们的打开位置和图2中图示说明的它们的闭合位置之间被移动时，热从坯料16转移至模具12和模具14。那些热进而通过热导管20被移除，因此有效地将现已形成的坯料16淬火并将奥氏体材料转化成马氏体。

现在特别地参照图2，为了提高从热导管20的热端24的热转移，在每个热导管20的中间部分周围任选地提供了隔热材料36。这个隔热材料有效地保证了热从每个热导管20的热端24转移并且转移至冷端26，同时最小化来自沿着热导管20的中心部分的热传导的热对模具12和模具14的加热。

现在参考图1、图3和图6，热导管20被示出以大体上竖直取向安装在模具12和模具14内，并且热导管如图3所示同时彼此水平地且竖直地展开。而且，在上模具14内的热导管的分布与下模具12(在如图3所示)的热导管的分布大体上相同。

虽然热导管20以大体竖直的方式图示说明，但是优选地稍微成角度(如图1和图2中)取向，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，热导管的其他取向可以被使用。例如，热导管20可以如图7所示被大体水平取向。同样地，热导管20可以从水平面倾斜(如图8所示)。

在实践中，已经发现，通过使用如图3图示说明的许多热导管，将通过热冲压过程形成的零件淬火所必需的周期时间可以减少至大约1秒。

根据前文所述，能够看到，本发明的冲压装置提供了用于热金属成型的新颖的冲压操作，其享有非常短的周期时间。虽然已经描述了本发明，但是在不偏离通过所附权利要求限定的本本发明的精神和范围的情况下，对本发明的很多修改对于本领域技术人员将是明显的，而且这些修改从属于本发明。

Claims (11)

1.热金属成型装置，其包含：

一对模具，所述模具中的至少一个在打开位置和闭合位置之间相对于另一个模具可移动，当在所述打开位置时，所述模具被定尺寸以将热金属板接收于所述模具之间，

所述模具具有对向金属成型表面，

安装在至少一个模具中的至少一个细长的热导管，所述热导管具有邻近所述金属成型表面中的一个定位的第一端和与所述金属成型表面隔开的第二端，所述至少一个热导管具有套管，所述套管形成封闭的内部容腔，而且液体部分地填充所述容腔。

2.根据权利要求1限定的所述装置，其中所述热导管的所述第二端定位在冷却剂内。

3.根据权利要求2限定的所述装置，其中所述冷却剂包含水浴槽。

4.根据权利要求2限定的所述装置，其中所述冷却剂包含空气。

5.根据权利要求1限定的所述装置，其中所述液体包含水。

6.根据权利要求1限定的所述装置，其中所述热导管包括附接至所述套管的内表面的管芯。

7.根据权利要求6限定的所述装置，其中所述管芯包含烧结金属。

8.根据权利要求7限定的所述装置，其中所述烧结金属包含铜。

9.根据权利要求8限定的所述装置，其中所述烧结金属包含镍。

10.根据权利要求1限定的所述装置，并且包含安装至所述模具中的至少一个的多个热导管。

11.根据权利要求1限定的所述装置，并且包含安装至两个模具的多个热导管。