CN109080055A - 用于模压淬火工具的成形工具部件的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于模压淬火工具的成形工具部件的制造方法，该制造方法包括通过增材制造方法利用金属材料制造预制件。该预制件具有外壁，该外壁至少部分地对应于工具部件的成形操作面。该预制件还包括与外壁相邻的冷却通道的至少一个通道壁以及至少大部分比通道壁更远离外壁的至少一个凹部。在制造预制件之后，用液态金属填充至少一个凹部，该液态金属随后固化并且形成工具部件的一部分。

Description

用于模压淬火工具的成形工具部件的制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于模压淬火工具的成形工具部件的制造方法。

背景技术

本部分中的陈述仅提供与本发明相关的背景信息并且可以不构成现有技术。

在制造成形金属板部件的过程中，可以区分不同的方法步骤。一个步骤涉及将坯料或半成品实际成形为所需形状。该成形可以在一个或多个阶段中进行，其中已知的是热成形操作或冷成形操作是可能的。通常特别是在热成形操作之后，除了调整特定的三维形状之外，还要进行微观结构的调整。在该情况下，工件根据提供的时间/温度进程从加热状态(例如，奥氏体化温度以上)冷却。为此，取决于部件的类型和期望的微观结构，已知有不同的方法。通常，选择性冷却产生更大的硬度，因此也参考工件的淬火或回火。

一方面，随后的回火是可能的，其中工件从成形工具移除，在适用的情况下再次加热并且最终冷却(例如，淬火)。在模压淬火或成形淬火期间，淬火或回火在成形工具内部、直接在成形操作之后或甚至在成形操作期间进行。为了实现工件的必要冷却，成形工具必须以有效的方式冷却。这通常借助于用于液体冷却介质(例如水)的冷却通道来进行。在该情况下，这些理想的情况是以与成形表面基本恒定的、不太大的间距延伸。然而，由于成形表面的路径通常很复杂，所以这不能借助于简单的孔来产生。一方面可以将成形工具部件制造成单件，其中冷却通道的路径通常较差，这对淬火操作和所制造的工件的质量具有不利影响。另一方面，工具部件可以由多个单独部件组成，其中冷却通道也部分地形成在单独部件之间。在该情况下，尽管原则上冷却通道的任何路径都可以制造，但由于具有多个单独部件的结构，制造复杂度增加并且因此也增加了成本。另一个问题是，成形表面和冷却通道通常至少部分借助于工具部件的机械加工操作来制造。这是昂贵的并且与高度磨损相关联，原因在于工具部件具有特别高的硬度水平，该硬度水平是为了在模压淬火操作期间承受负载所需要的。

美国专利号6,354,361B1描述了例如在注射成型操作期间可以使用的模具的制造。在该情况下，借助于增材制造方法将邻近成形表面的冷却通道集成在模具中。在该情况下提供的是金属颗粒(例如钢)首先借助于选择性施加的粘合剂粘合结合，由此产生预期的三维形状。除去多余的粉末后，例如可以将模具烧结或者可以将粘合剂热移除，并且在该情况下产生的中间空间充满铜合金。为了减少散热，模具的一部分可以具有开放结构。也可能的是，只有与模具外表面相对应的壳体以增材方式制造，并且随后例如用陶瓷材料或环氧树脂填充内部空间。

美国专利公开号2013/0255346A1描述了用于金属板成形的工具部件的增材制造。工具部件由聚合物或金属粉末成层状构成，其中连接尤其可以借助于激光烧结或电子束熔化来进行。所有实施例都阐述了实心的工具部件。

DE 10 2005 041 460 A1描述了一种成形工具系统，该成形工具系统特别适用于汽车工业中的金属板加工。在该情况下，至少一个工具部件具有成形表面，该成形表面借助于位于背衬上的掩模(mask)形成。提供的是能够选择性地使用不同的掩模。背衬可以借助于金属分层实体制造(Laminated Object Manufacturing,LOM)方法制造。

EP 2 982 463 A2公开了借助于3D打印操作制造用于穿孔装置的冲片或冲压缸。在该情况下，可以打印整个部件，或者使用以不同方式预制的基座元件并且仅在基座元件上打印冲孔线或切割线。制造可以特别地通过选择性激光熔化或选择性激光烧结来进行。可选地，在3D模压操作之后，可以进行雕刻操作，由此可以补偿存在的任何公差。

美国专利公开号2011/0156304 A1描述了用于制造例如用于飞机构造中的大型聚合物复合部件的模具产品。在该情况下，借助于增材制造来产生意图被制造的部件贴靠在其上的模具的部分。

WO2008/009101A1公开了一种成形工具，借助于该成形工具可以成形加热的金属板坯。在成形工具中，在成形表面附近形成有冷却通道，通过该冷却通道可以引导冷却介质，以便在成形之后直接将金属板固化。在该情况下，每一半的工具模具具有形成成形表面的壳状外部部分以及外轮廓基本上与外部部分的内轮廓重合的单独制造的插入件。在该情况下，在插入件的表面中产生一排凹部，该一排凹部与外部部分的内表面一起限定冷却通道。

发明内容

本发明提供了用于模压淬火工具的成形工具部件的有效制造。

应该注意的是，以下描述中单独列出的特征和措施可以以任何技术上有利的方式彼此组合，并且阐述本发明的其它形式。该描述特别结合附图附加地表征和指定了本发明。

由于本发明，提供了一种用于模压淬火工具的成形工具部件的制造方法。在本文中的模压淬火工具意图涉及一种装置，该装置既进行在两个半模之间的金属工件(通常为金属板部件)的热成形操作，又同时或随后进行淬火或回火。后者导致工件必须在模压淬火工具内冷却。两个半模也可以被称为凹模和凸模并且在成形操作期间至少部分地包围工件。为此，两个半模中的至少一个沿着朝向另一半模的方向移动。当工件被封闭在两个半模之间时进行固化。在此情况下根据本发明制造的成形工具部件形成半模中的一个的至少一部分。

根据本发明，首先通过增材制造方法用金属材料制造预制件。这种方法也可能与快速成型或快速制造领域相关联。术语“预制件”是指意图被制造的工具部件，其中预制件不代表最终状态而代之以中间阶段。在该情况下，预制件的制造通常是通过分层施加并选择性区域连接的金属粉末来进行。由于各层彼此连接，产生了三维预制件。当然，制造过程是基于意图被制造的物体的预定义数据(例如，CAM(计算机辅助制造)数据)来进行。在该情况下，金属粉末应被理解为包括至少一种金属的任何粉末状或颗粒状材料。它也可以是不同金属颗粒的合金或混合物。例如，该粉末也可以含有半金属或非金属作为合金的组分。金属尤其可以包括铝、钛以及铁，然而仍然在本发明的范围内，并且不应限于所提及的金属。因此，金属材料是包含至少一种金属的材料。

在一种形式中，为了产生工具部件所需的强度，选择性激光熔化(SLM)被用作增材制造方法。也可以使用电子束熔化(EBM)。在该情况下，将金属粉末根据所提供的三维形状分层施加并且选择性地熔化。施加装置施加具有例如10μm和500μm之间的厚度的层，但是其它厚度的层也是可能的。为了使平滑且均匀的层结构成为可能，施加装置可以包括平滑装置，例如平行于结构面移动并且使粉末表面平滑的刮刀、刷子或刀片。在该情况下，在基座元件(通常为基座板)上分层进行施加，即，将第一层直接施加到基座元件上，之后将附加层依次施加在另一个之上。施加各层之后，粉末通过激光束(以SLM方式)或电子束(以EBM方式)部分熔化并随后固化。以这种方式，由粉末形成粘合的实心体。同时，最后添加的粉末层与下面的层或下面的多层的实心体结构一起熔化，由此产生彼此保持层。尤其是根据层厚度，材料可以熔化到与多个层厚相对应的深度。

基座元件不仅形成用于制造物体的机械基座，而且它还可以具有散热的重要功能。通过在基座元件上散热，预制件的过度加热以及随之而来的与热相关的变形(例如，弯曲)可以大大减小。一般地，在增材制造方法期间，还产生连接到基座元件的支撑结构，并且该支撑结构稍后可以在适用的情况下移除。支撑结构一方面可以被用于在制造期间稳定预制件，另一方面它们也可以改进与基座元件的热连接，以便可以更好地排出热量。此外，支撑结构可以布置在基座元件和预制件的可用部分之间，使得预制件仅经由支撑结构间接地连接到基座元件。由此可以以更简单的方式将预制件的可用部分在不损坏的情况下从基板分离。这种支撑结构例如可以是支撑件、支材、腹板等的形式。它们也可以具有开放的，例如网格状、网状或蜂窝状结构。

可替选地，或除了SLM或EBM之外，还可以使用其它制造方法(例如选择性激光烧结(SLS))。

所制造的预制件具有至少部分地对应于工具部件的成形操作面的外壁、与外壁相邻的冷却通道的至少一个通道壁以及至少大部分比通道壁更远离外壁的至少一个凹部。在该情况下外壁对应于意图被制造的工具部件的外部区域。在该情况下外壁的区域对应于工具部件的成形操作面。在该情况下，操作面是工具部件的表面在模压淬火操作期间与工件接触的部分，并且因此确定或共同确定成形。在该情况下外壁的其它部分可以直接或间接邻近操作面。外壁可以特别是以壳状的方式构造。

除了外壁之外，预制件还具有冷却通道的通道壁。这种冷却通道是在模压淬火操作的背景下提供的以便引导冷却剂(例如水或与其的混合物)。当然，也可以提供多个冷却通道。经由至少一个冷却通道，主要是操作面的区域并且因此其次与其接触的工件得到冷却。在一种形式中，为了进行冷却，冷却通道至少部分地邻近外壁(特别是邻近操作面)延伸。在该情况下，外壁的一部分可以与通道壁一起限定冷却通道。通道壁可以从外壁缩回，或者两个壁可以是至少一个冷却通道在其中延伸的材料层的一部分。可替选地，也可以设想通道壁邻近外壁延伸，但与其间隔开。在该情况下，通道壁必须通过一个或多个连接腹板至少部分地连接到外壁。

此外，预制件具有凹部，该凹部至少大部分比通道壁更远离外壁。这意味着凹部的主要部分(即，一半以上)比通道壁更远离外壁。也可以说，当从外壁看时，凹部被布置在通道壁之外。虽然通道壁因此被布置为与外壁相邻，但凹部的至少主要部分更远离。这并不排除也布置在通道壁附近的凹部的部分。该至少一个凹部在该情况下对应于在增材制造方法期间不产生粘附体的区域，即，在SLM或EBM的情况下，不存在粉末的熔化。在该情况下，在增材制造结束之前凹部仍然填充随后可以被移除的粉末。在粉末被移除之后，这种凹部形成通常部分地被外壁包围的空的空间。显然可以设置多个这种凹部。在凹部内，也可以设置固定结构，例如在通道壁和外壁之间的上述支撑结构或连接腹板。

在通过增材制造方法完成预制件之后，根据本发明，至少一个凹部填充有随后固化并形成工具部件的一部分的液态金属。预制件在该情况下在一定程度上形成用于液态金属的容器。在一种形式中，凹部至少大部分或完全充满金属。因此，在金属固化之后，与凹部相邻的预制件的部分通过引入的金属以材料一体或至少强制联锁(positive-locking)的方式彼此连接。在该情况下可以用作金属，例如钢或铸铁。原则上，也可以使用在适用的情况下含有半金属或非金属的合金。在这方面，代替液态金属，也可能涉及液态金属材料。填充可以在预制件处于充满沙子(或其它耐高温材料)的容器中时进行。在倒入液态金属之前，可以可选地移除上述支撑结构(如果存在的话)。当然，从增材制造中遗留下来的任何粉末都可以从预制件中移除，特别是从凹部中移除。然而，在某些情况下，一些粉末残留物留在凹部中并且倒入液态金属中也是可以接受的。在固化之后，已经倒入的金属形成了工具部件的一部分，使得整个工具部件至少包括预制件和倒入的金属。

根据本发明的方法组合了各种优点。一方面，通过增材制造方法可以以高精度和任意形状制造具有至少一个冷却通道的外壁。在该情况下，特别是可以产生靠近表面的冷却通道的合适路径。与冷却通道的机械加工制造相比，单件制造是可能的，而没有任何几何限制。与从坯料或半成品开始的机械加工操作相比，增材制造通常也更节省时间。然而，该方法的显著的时间优势在于，不是工具部件的整个提供的体积，而是在极端的情况下仅限定工具部件的外部轮廓的外壁以及限定冷却通道的路径的至少一个通道壁以增材的方式产生。在任何情况下，所提供的体积的一部分被省略(即，与至少一个凹部相对应的部分)并且随后用金属填充。当然，用金属填充可以比使用增材制造方法填充相应体积快得多。

原则上，只要凹部在该位置处具有对应的开口，就可以从不同侧面进行液体金属在凹部中的倾倒。在一种形式中，产生在远离操作面的一侧具有开口的至少一个凹部，其中液态金属通过开口倒入。如果操作面的一侧被称为前侧，则该开口因此位于后侧。相应的凹部可以经由所述开口进入，使得可以因此倒入液态金属。在该情况下，操作面不会受到损伤，即，它至少可以基本上以意图在模压淬火工具内使用的形式制造。

在一些情况下，外壁的表面(特别是在对应于操作面的区域中)略微偏离所提供的形状。例如，这可能是由于分层结构导致没有精确光滑的表面产生的事实的结果。也可以设想，由于填充液态金属并且随后固化和冷却该液态金属，外壁会稍微变形。为了克服任何不精确性，在该方法的一种形式中提供的是，外壁的表面在其被制造后以侵蚀的方式再加工。在该情况下，再加工操作可以以机械加工方式(例如通过铣削)进行。

根据一种形式，在金属的填充和固化之后进行再加工操作。一方面，由此可以克服填充和固化导致的任何不精确性。另一方面，特别是在外壁特别薄的情况下，由于填充的工具部件在机械上更稳定，因此可以更好地在填充的工具部件上进行加工。

根据本发明的方法特别可以结合以模块化方式构造的模压淬火工具来使用，其中所产生的工具部件构成可以以相对简单的方式被替换的模块，这取决于期望的成形类型。在该情况下，可以在工具部件上制造用于连接到模压淬火工具的基座部分的结构。在该情况下，基座部分构成了意图永久装配在其上的模压淬火工具的一部分。基座部分可以是固定的或可移动的。在任何情况下，设置为使得不同的工具部件可以选择性地装配(通常通过拧紧)在其上。在该情况下，结构可以是可以通过其引导螺钉的孔。

诸如上述孔的结构可以在再加工操作的情况下例如通过钻孔机产生。然而，有利的是，所述结构通过增材制造方法来制造。即，在至少一个凹部被填充之前，它们已经基于相应的三维数据而制造。由此简化了整个制造流程并节省了时间。此外，加工工具的磨损被消除。

根据本文提供的描述，其它应用领域将变得显而易见。应该理解的是，描述和具体示例仅用于说明的目的而不意图限制本发明的范围。

附图说明

为了可以很好地理解本发明，现在将描述其作为示例给出的参考附图的各种形式，附图中：

图1是根据本发明的原理构造的工具部件的透视图；

图2是具有用于图1的工具部件的预制件的制造设备的局部剖视图；

图3是图2的预制件的剖视图；

图4是在填充操作期间图3的预制件的局部图示；

图5是图1的工具部件和铣削工具的示意图；以及

图6是具有图1的工具部件的模压淬火工具的剖视图。

这里描述的附图仅用于说明的目的，并不意图以任何方式限制本发明的范围。

具体实施方式

以下描述本质上仅仅是示例性的，并非旨在限制本发明、应用或用途。应该理解的是，贯穿附图，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。

图1是可以使用根据本发明的方法制造的工具部件1的透视图。在该情况下，工具部件1形成模压淬火工具14的凸模的一部分(如图6所示)。使用模压淬火工具14，金属板部件40可以热成形并且固化。尤其是在工具部件1的操作面2上进行成形，该工具部件1由侧面3形成两侧。工具部件1还具有带通孔5的四个延续部4。

为了制造工具部件1，预制件6首先以高度示意性的方式在图2所示的制造设备20内制造。在该情况下可以通过选择性激光熔化(SLM)进行制造。在可垂直移动的基板21上，金属粉末28通过施加装置23分层施加。金属粉末28例如可以是钢粉末。施加装置23被连接到用于金属粉末28的供应线24，并且如双箭头所示，可以在水平方向上移动。它可以具有一种用于分配粉末的喷嘴或阀门和平滑装置(例如刮刀)。为了防止金属粉末28从基板21侧向滴落，设置了固定的侧壁22。

当施加装置23已经使用激光束26施加了一层金属粉末28时，一部分粉末28被选择性地熔化，由此产生意图被制造的预制件6的层。激光束26由激光器25产生并且由可枢转的反射镜27引导到提供的金属粉末28表面内的坐标位置上。在该情况下激光器25的激活和反射镜27的控制根据预制件6的预定义CAM数据以计算机控制的方式进行。基板21在本示例中以间歇方式操作，即，它在粉末层被施加和部分熔化并且随后向下移动对应于所提供的层厚度的距离的同时停止。

所制造的预制件6具有外壁7，该外壁基本上对应于操作面2的路径和侧壁3的路径。此外，在邻近外壁7的状态下，产生了一系列在该情况下合并到外壁7中的通道壁8。每个通道壁8(与外壁7一起)限定了冷却通道9。如图2中可以清楚地看到的，在制造操作期间保持有部分地被外壁7包围并且大部分比通道壁8更远离外壁7的凹部11。凹部11的较小部分区域在该情况下布置在外壁7附近的通道壁8之间。

由于激光束26的作用，所产生的预制件6被强力加热，但是当激光束26的作用结束时熔化的粉末28再次固化。不可能进行向周围粉末28或周围大气(其可以例如包含惰性气体)的有效的热量排放。因此，为了抑制预制件6的与热相关的变形，有利的是通过连接到基板21的被制造的支撑结构10来支持对基板21的热量排放。这些支撑结构10一方面使预制件6稳定，但最重要的是它们用于更好地热量排放到基板21中。支撑结构10还可用于将预制件6的可用部分与基板21隔开使得在制造完成之后，预制件6可以被分离而不会损坏可用部分。因此，在相对于基板21具有小于约45°的角度的位置或表面处使用支撑结构10可能是有利的。在图2中，仅示意性地示出了三个支撑结构10，其中附加的支撑结构可以被布置在该部分区域之外。

图3示出了已经从基板21释放的完成的预制件6。该预制件已经具有在增材制造操作期间产生的具有通孔5(图1)的延续部4。还可以看出，凹部11在远离操作面2的一侧具有较大的开口12。由于在制造操作期间已经产生了凹部11，所以预制件6仅对应于整个工具部件1的较小的部分体积。特别地，外壁7可以具有如此小的厚度，以致于其本身无法承受在金属板部件40成形期间出现的力。

如图4所示，预制件6中因此缺少的材料厚度通过填充有金属13的凹部11来补充。金属13从坩埚31以液态倒入开口12。为了以有效的方式配置填充操作，将预制件6上下翻转到一定程度，并且为了安全支撑和温度排放，将预制件6嵌入例如容器29内的沙子30的床中。金属13可以例如是钢或铸铁。由于通道壁8的存在，通道9的内部保持不受约束，同时凹部11完全被金属13填充。在金属13的固化和冷却之后，现在基本上完成的工具部件1可以从沙子30中移除。也可以使用其它合适的材料或者进行适当的措施来代替沙子以实现可靠的支撑和温度排放。

可选地，如图5所示，可以进行操作面2的侵蚀加工操作，以便克服在增材制造操作期间或者由于填充期间的热变形而可能发生的任何不精确性。

图6以高度示意性的方式示出了整个模压淬火工具14，其中工具部件1以模块化方式与固定的基座部分15装配在一起。为此，螺钉17被引导穿过通孔5并且拧紧到基座部分15。在成形操作期间，图1的金属板部件40(例如，在前奥氏体化之后)在工具部件1和可垂直移位的凹模16之间成形。凹模16在该情况下被示出为实心的整体部件，但也可以以与工具部件1类似的方式制造。在成形操作期间或直接在此之后，将冷却介质(例如，水或与其的混合物)引导通过冷却通道，由此对操作面2以及因此也对金属板部件40进行显著的冷却。由于预制件6的增材制造，冷却通道9可以相对于操作面2以有效的间隔延伸。可以减小工具部件1的机械加工操作。由于工具部件1的大部分体积通过充满金属13而被填充，所以总体上可以在短时间内制造。因此，可以以相对快速和经济有效的方式制造可与基座部分15组合的模块化工具部件1。

本发明的描述本质上仅仅是示例性的，因此，不脱离本发明的实质的变化意图落入本发明的范围内。这种变化不被认为是背离本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种模压淬火工具的成形工具部件的制造方法，所述制造方法包括：

通过增材制造方法利用金属材料制造预制件，所述预制件包括：

外壁，所述外壁至少部分地对应于所述工具部件的成形操作面；

冷却通道的至少一个通道壁，所述冷却通道的至少一个通道壁与所述外壁相邻；以及

至少一个凹部，其中所述凹部的至少一半比所述至少一个通道壁更远离所述外壁定位；以及

用液态金属填充所述至少一个凹部，其中所述液态金属随后固化并且形成所述工具部件的一部分。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其中所述增材制造方法是选择性激光熔化。

3.根据权利要求1所述的制造方法，其中所述至少一个凹部在远离所述操作面的一侧包括开口，其中所述液态金属通过所述开口倒入。

4.根据权利要求1所述的制造方法，其中在已经制造所述外壁的表面之后，通过侵蚀加工对所述表面进行再加工。

5.根据权利要求4所述的制造方法，其中所述再加工操作在用液态金属填充所述至少一个凹部并且使所述液态金属硬化之后进行。

6.根据权利要求1所述的制造方法，还包括制造支撑结构，所述支撑结构被配置为将所述模压淬火工具的基座部分连接到所述工具部件。

7.根据权利要求6所述的制造方法，其中所述支撑结构由所述增材制造方法制造。

8.根据权利要求1所述的制造方法，其中所述增材制造方法是电子束熔化或选择性激光烧结。

9.一种模压淬火工具的成形工具部件的制造方法，所述制造方法包括：

通过增材制造方法制造由金属材料制成的预制件，所述预制件包括：

外壁，所述外壁对应于所述工具部件的操作面；

多个通道壁，每个通道壁限定合并到所述外壁中的冷却通道；以及

至少一个凹部，所述至少一个凹部由所述外壁部分地包围并且限定开口；

通过所述增材制造方法在所述预制件的所述至少一个凹部内产生至少一个支撑结构；以及

通过由所述凹部限定的所述开口倾倒液态金属以用液态金属填充所述凹部的至少一部分，其中所述液态金属随后固化并且形成所述工具部件的一部分。

10.根据权利要求9所述的制造方法，还包括在将所述液态金属倒入所述预制件的所述凹部中之前移除所述至少一个支撑结构。

11.根据权利要求9所述的制造方法，其中所述增材制造方法是选择性激光熔化。

12.根据权利要求9所述的制造方法，其中所述增材制造方法是电子束熔化或选择性激光烧结。

13.根据权利要求9所述的制造方法，其中在已经制造所述外壁的表面之后，通过侵蚀加工对所述表面进行再加工。

14.根据权利要求13所述的制造方法，其中所述再加工在用液态金属填充所述至少一个凹部并且使所述液态金属固化之后进行。

15.根据权利要求9所述的制造方法，还包括在将所述液态金属倒入所述预制件的所述凹部中之前，将所述预制件放置在包含耐热材料的容器中。

16.根据权利要求15所述的制造方法，其中将所述预制件倒置在所述容器中并且嵌入所述耐热材料中。

17.根据权利要求15所述的制造方法，其中所述耐热材料是沙子。

18.根据权利要求15所述的制造方法，还包括在所述液态金属固化和冷却之后从所述容器中移除所述预制件。

19.根据权利要求9所述的制造方法，其中所述预制件还包括至少一个延续部，所述延续部限定通孔。

20.根据权利要求9所述的制造方法，其中所述外壁和所述通道壁限定所述冷却通道。