CN110248746B - 一种用于构成成型件的方法以及成型件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种由轻金属或轻金属合金通过沿着挤压轴（X）对坯料进行冲挤构成成型件（10）的方法。根据本发明，该成型件至少在一个区域和基于挤压轴旋转对称的基本形状存在差异，该对称差异区域在通过反向杯吸冲挤构成的成型件壁状段（6.1）上以主要垂直于挤压轴轴向走向的法向矢量延伸，在相同的冲挤过程中在与壁状段相邻的平面状成型件底座（5）处以主要沿挤压轴方向走向的法向矢量在与壁状段相对的一侧通过正向杯吸冲挤、正向空心冲挤或正向实心冲挤构成环绕挤压轴的结构（7），其中，在壁状段过渡至底座的壁厚最小区域，壁厚[mm]与在过渡处构成的平均曲率（l/r）[mm‑1]的商大于0.03，优选大于0.1，进一步优选大于0.3，特别是大于0.6和/或在沿圆周方向看的底座和壁过渡的至少主要区域内，壁厚与底座厚度的比例小于1.0，优选小于0.85，特别是小于0.7。本发明也涉及一种由轻金属或轻金属合金冲挤制成的成型件。

Description

一种用于构成成型件的方法以及成型件
技术领域
本发明涉及一种由轻金属或轻金属合金通过沿着挤压轴对坯料进行冲挤构成成型件的方法以及由此制造出的成型件和由此构成的组合部件。
背景技术
冲挤是一种已知的固体加工成型方法，其中，待成型的形式为坯料的材料在冲挤过程中在高压作用下流动，并通过冲挤机的形状将成型件挤压成特定的形状。
由于较高的可实现压力，该成型过程也可以在室温下进行（冷冲挤），也就是说，坯料不需要在挤压过程前根据材料被强制加热至例如200°至800°的温度。
冲挤最适合被用于制造具有基于挤压轴旋转对称基本形状的成型件。因此，如果在单个部件（例如壁状件）需要实现足够良好的机械材料性能，借助冲挤制造成型件的主要问题在于其几何形状的构成可能性有限。例如对于承载和/或强机械负载部件，可能出现的问题例如在于对材料微结构（例如表面的沟槽或凹陷）的影响，这些结构尤其在存在交变牵引负载时可能会导致疲劳断裂。
发明内容
本发明的目的在于，通过此类方法在实现令人满意的材料质量的情况下制造在基本形状方面具有更高可变性的成型件。
该目的在方法方面通过改进上述类型的方法加以实现，其基本特征在于，构成的成型件至少在一个区域以和基于挤压轴旋转对称的基本形状存在差异的方式构成，该对称差异区域在通过反向杯吸冲挤或反向空心冲挤构成的成型件壁状段上以主要垂直于挤压轴轴向走向的法向矢量延伸，在相同的冲挤过程中在与壁状段相邻的平面状成型件底座处以主要沿挤压轴方向走向的法向矢量在与壁状段相对的一侧通过正向杯吸冲挤或正向空心冲挤构成环绕挤压轴的结构，其中，在壁状段过渡至底座的壁厚最小区域，壁厚[mm]与在过渡处构成的平均曲率[mm-1]的商大于0.03，优选大于0.1，进一步优选大于0.3，特别是大于0.6，和/或在沿圆周方向看的底座和壁过渡的至少主要区域内，壁厚与底座厚度的比例小于1.0，优选小于0.85，特别是小于0.7。
根据本发明的方法有助于避免在冲挤模具中出现流动材料的局部裂纹开始应力，即出现第一个裂纹时出现的材料牵引应力，通过该方式实现进一步均匀的微结构，由此进一步改善成型件的材料质量。根据本发明，材料优选为铝或铝合金。在一种特别优选的构成中，合金具有以下质量百分比的化学成分：
硅 0.01至1.3
镁 0.01至1.2
锰 0.01至1.0，
其中，剩余部分由铝和因制造条件导致的杂质组成。
也可以是以下质量百分比的化学成分：
硅 0.01至0.25
镁 0.01至0.05
锰 0.01至0.05
其中，剩余部分由铝和因制造条件导致的杂质组成。
在另一种特别的方法中，壁厚和平均曲率的商大于（以mm2）测量到的底座区域面积的1/10000，优选大于该面积的1/4000，特别是大于该面积的1/1000。由此，由挤压杆施加的力可以在底座与壁状段之间的过渡处形成有利的流动性能。
就绝对值而言，优选地，在底座和壁状段或环绕结构之间的过渡区域（在该方法中，流动材料的流动方向在该区域发生变化）构成长度至少为0.2 mm，优选至少为1 mm，特别是至少为2 mm的圆形区域。通过该方式，可以尽可能避免在表面形成缺口，即使在交变机械负载下，该成型件可以更耐受材料疲劳和开裂。
在一种特别优选的实施方式中，壁状段是环绕挤压轴的壁状结构的组成部分。这可以构成容器状的成型件。此外，该方法优选的实施方式为，冲挤后至加工后形成成型件的额定几何形状，成型件壁高度的最低和最高距离之间的最大高度差少于3mm，尤其少于2mm。由此可以避免形成多余的边角，此外可以节省材料。
在该方法的一种有利的实施方式中，壁状结构的轮廓主要以及尤其完全和基于挤压轴旋转对称的基本形状存在差异，尤其和多边形存在差异。出于冲挤技术的原因，由于旋转对称差异，该变体并不适合，但可以为这一类的成型件使用情况实现更高的可变性。
在一种可能的实施方式中，底座的基本形状和/或壁状结构的轮廓基于至少一个、优选至少两个、特别是至少四个对称轴成对称分布。这可以实现固有的冲挤优点和成型件使用过程中的上述可变性方面良好的折中。
在一种优选的方法中，坯料的基本形状和底座的基本形状基本一致。尽管最简单的坯料为旋转对称圆盘，与底座的基本形状相匹配的形状提供冲挤坯料流动性能方面的优点，这超过了提供此类坯料所需的额外花费。
在一种特别优选的实施方式中，在底座侧沿正向方向构成相关的平面区域，扣除环绕结构面积，该平面区域覆盖底座面积的至少70%，优选至少80%，其中，形式为高度水平差的表面粗糙度小于20%，优选小于10%。
在一种特别优选的方法中，壁状结构的壁厚相互在环绕区域的至少80%上具有少于8%，优选少于4%，特别是少于2%的相对差异和/或从环绕区域看，最大壁厚和最小壁厚的商小于3.6，优选小于3.2，特别是小于2.8。由此至少在大多数情况下可以逆向于所使用的冲挤机的挤压杆的挤压方向实现均匀的材料流。此外，在环绕的至少80%上，优选在环绕的至少90%上，抗拉强度、抗压强度、硬度、密度的一种或多种机械性能差异低于8%，优选低于4%，特别是低于2%。这提高了成型件在使用过程中的可靠性。
在该情况下，对于材料硬度而言也可以是，在横截面上，其数值介于30至80HB之间。该数值被证明有利于实现尽可能均匀的微结构，这会在机械性能方面带来优势。
在一种可能的方法中使用一侧，特别是两侧封闭的成型模具。尤其在后一种变体中，要求所使用的坯料体积和打算制造出的最终形状实现非常精确的匹配，但其优点在于可以省去随后可能需要的成型件的切削再加工。
在一种特别优选的实施方式中，在底座的壁状段侧通过反向实心冲挤构成一个或多个尤其成销钉状的成型元件，尤其是分散状远离底座中心。该成型元件允许构成由壁状结构形成的用于打算实现的技术功能的内部区域，并由此提高在使用成品成型件过程中的灵活性。尤其是，销钉状成型元件具有大于1.2，特别是大于1.6，进一步优选大于2.0的长度与直径比。技术功能尤其也可以接合其他成型件和/或结构加以实现。
适当地，实施冲挤的挤压机的坯料和/或工作面设有润滑剂。在此，该润滑剂可以是锌脂皂。这可以简化成型过程，此外由于低摩擦的流动可以提高冲挤机的寿命。
在一种特别优选的实施方式中，以低于2s，特别是低于1.3s，尤其是低于0.7s的时间间隔制造多个相同的成型件。通过该方式，可以在相对较少的时间内制造出大量相同的成型件。在此，优选使用肘杆压力机类型的冲挤机，也可以优选使用冷挤压力机。
在一种特别优选的实施方式中，壁状结构和环绕结构沿挤压轴向看相互排成直线。这允许将零件相互连接在一起或者和模块原理制造的类似成型件连接在一起。
对于许多应用而言，成型件应具有流动结构元件，其可以特别简单地通过再加工加以实现，例如通过铣切和/或钻孔的切削再加工。此外，也可以以适当的方式去除可能存在的不期望的残留尖角。
在成型件的绝对尺寸方面，本发明特别有利地用于范围 (10 mm)2至(100 mm)2的底座面积。壁状段或壁状结构的壁厚优选大于0.5 mm，特别是大于1.0 mm至10 mm，优选仅至7mm，特别是仅至4mm。
如上所述，在冲挤法中，材料在局部裂纹开始应力下流动。也就是说，在压力下在成型模具铰接部件之间构成的空心区域内流动的材料在局部裂纹开始应力下成型，其中，该裂纹开始应力通过材料中出现第一个裂纹时的牵引应力确定。
此外，本发明也涉及一种由两种、尤其是由相同的轻金属或相同的轻金属合金构成的成型件组成的组合部件的制造方法，其中，第一成型件根据上述其中一种方法构成，尤其是其形状和第一成型件存在差异的第二成型件尤其也根据上述其中一种方法构成，以及其中，第一和第二成型件设计成沿挤压轴方向依次布置相互连接。由此，通过另一成型件例如用作盖子可以“封闭”成型件。为连接成型件，可以优选将其焊接在一起，对此其分别具有可焊接构成的连接区域。由此，例如气密容器由两个成型件构成。优选地，第一和第二成型件在连接状态下形成空心区域，该空心区域除规定的通道外密封、尤其是气密封闭。通道例如通过在壁状结构或底座上钻孔实现。
相应地，由轻金属或轻金属合金制成的冲挤成型件也受本发明的保护，其基本特征在于，该成型件至少在一个区域和基于挤压轴旋转对称的基本形状存在差异，该对称差异区域在通过反向杯吸冲挤或反向空心冲挤构成的成型件壁状段上以主要垂直于挤压轴轴向走向的法向矢量延伸，在与壁状段相邻的平面状成型件底座处以主要沿挤压轴方向走向的法向矢量在与壁状段相对的一侧通过正向杯吸冲挤或正向空心冲挤构成环绕挤压轴的结构，其中，在壁状段过渡至底座的壁厚最小区域，壁厚[mm]与在过渡处构成的平均曲率[mm-1]的商大于0.03，优选大于0.1，进一步优选大于0.3，特别是大于0.6和/或在沿圆周方向看的底座和壁过渡的至少主要区域内，壁厚与底座厚度的比例小于1.0，优选小于0.85，特别是小于0.7。
此类成型件的优点来自于方法的上述说明。
此外，该成型件具有一种或多种形状特征，其由根据一种或多种上述工序的方法的制造方法步骤形成。
此外，组合部件，尤其是根据上述其中一种组合部件制造方法制造的组合部件也受保护，该组合部件由两个成型件构成，这些成型件尤其由相同的轻金属或相同的轻金属合金制成，其中，第一成型件根据上述方法其中一种构成，第二成型件尤其在其形状方面和第一成型件存在差异，尤其是也作为成型件根据上述方法其中一种构成，其中，第一和第二成型件设计为沿挤压轴方向依次布置相互连接。
对于特定的应用可以证明有利的是，和上述壁厚与底座厚度的上述比例(< 1.0)存在差异，相反该比例在沿圆周方向的主要区域具有不同的设置，即大于1.0，优选大于1.25，特别是大于1.5，但优选小于3.0，特别是小于2.5。该变体尤其在组合时被证明有利的是，壁状段，尤其是底座上方的环绕壁状结构的高度不超过壁厚的3倍，优选不超过2.5倍，特别是不超过2倍。对于该构成而言，为避免形成褶皱，可以证明有利的是，纤维模具至少在一侧封闭，从而可以对流动的材料形成配合压力。
附图说明
本发明的其他特征、细节和优点见参考附图的下述说明，其中：
图1示意示出了通过冲挤制造出的成型件，
图2示出了图1所示成型件的部分轴向段的示意图，
图3示出了成型件的壁状段和底座之间的过渡区域。
具体实施方式
在图1中以示意视图的形式示出了成型件10，其通过冲挤进行制造。在沿挤压轴方向的大约一半高度处可以看到底座5，其具有多边形的形状，此处其形状为五边形，在下文中也被称为底部。除了五边形的形状也可以使用其他形状，尤其是具有对称轴的形状。
图1中位于底部5上方的结构通过反向杯吸冲挤法构成，具有壁状段6.1以及在本实施方式中具有其他的壁状段6.2、6.3、6.4和6.5，其共同构成上部壁状结构6。
图1中在底部5下方构成的结构为环绕结构7，其在上述实施例中和壁状结构6的形状对应。在所示的实施方式中，底部5大致位于成型件10的一半高度处，但其位置也可能为非对称状态，即高于或低于图1所示。
从底部5开始沿向上的方向分散延伸有销钉件8，其通过反向实心冲挤法构成。销钉8以及可能存在的其他销钉是由壁状结构6形成的空心区域上部结构的构成示例。
在图1中未示出的是，在上部边缘9处的虽然较小，但仍然存在的相对高度差，即形式为各自壁状段6.i中心的更高壁高的较小尖角，其在冲挤后直接形成。相反，示出了位于相同高度的上部边缘9，例如在冲挤过程后的铣切过程生成。当然，通过铣切或钻孔再加工可以在图1所示的成型件中加工出其他的结构，例如槽、孔、阶梯和贯穿孔。底部5的下方表面在根据优选实施方式的该实施例中为平面构成，除了环绕壁状结构形成一个平整的表面。
可以看出，沿冲挤轴的观察方向，壁状结构6和环绕结构7相互连成直线。图1所示的成型件因此适合和类似的成型件组合成组合部件。对此，可以在例如第一部件的上部边缘9和其他部件的下部边缘（在部件相同时）之间建立永久的焊接连接。由此构成的容器状内部区域也可以被密封、尤其是气密封闭。
在图2的视图（其中，当然在底部5和壁状段6.1或环绕结构7之间的过渡区域设有的倒角未示出）中可以看出，选择的壁厚w小于底部厚度b。在冲挤成型件时，由此材料流动的方向相同，且由此形成壁状结构6以及环绕结构7较高的均匀性。
在图3中示意示出了底部8至壁状段6.1的过渡处和倒角以及其曲率半径r。壁厚w[mm]（此处为2）和在过渡处构成的平均曲率l/r[mm-1]（此处为1/0.35）的比例在所示的示例中为0.7。
本发明并不局限于上述示例中所示的实施方式。相反，权利要求以及上述说明的特征对于本发明不同的实施方式均具有重要意义。

Claims (55)

1.由轻金属或轻金属合金通过沿着挤压轴（X）对坯料进行冲挤形成成型件（10）的方法，其特征在于，该成型件至少在一个区域和基于挤压轴旋转对称的基本形状存在主要差异，该对称差异区域在通过反向杯吸冲挤构成的成型件的壁状段（6.1）上以主要垂直于挤压轴轴向走向的法向矢量延伸，在相同的冲挤过程中在与壁状段相邻的平面状成型件底座（5）处以主要沿挤压轴方向走向的法向矢量在与壁状段相对的一侧通过正向杯吸冲挤或正向空心冲挤构成环绕挤压轴的结构（7），其中，在壁状段过渡至底座的壁厚最小区域，壁厚（w）/mm与在过渡处构成的平均曲率mm-1的商大于0.03。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，壁厚（w）/mm与在过渡处构成的平均曲率mm-1的商大于0.1。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，壁厚（w）/mm与在过渡处构成的平均曲率mm-1的商大于0.3。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，壁厚（w）/mm与在过渡处构成的平均曲率mm-1的商大于0.6。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在沿圆周方向看的底座和壁过渡的至少主要区域内，壁厚与底座厚度（b）的比例小于1.0。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，壁厚与底座厚度（b）的比例小于0.85。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，壁厚与底座厚度（b）的比例小于0.7。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该商大于以mm2测量到的底座区域面积的1/10000。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，该商大于以mm2测量到的底座区域面积的1/4000。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，该商大于以mm2测量到的底座区域面积的1/1000。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，壁状段是环绕挤压轴的壁状结构（6）的组成部分。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，壁状结构的轮廓完全和基于挤压轴旋转对称的基本形状存在差异。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，壁状结构的轮廓是多边形形状。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，底座的基本形状和/或壁状结构的轮廓基于至少一个对称轴呈对称分布。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，底座的基本形状和/或壁状结构的轮廓基于至少两个对称轴呈对称分布。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，底座的基本形状和/或壁状结构的轮廓基于至少四个对称轴呈对称分布。
17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，坯料的基本形状和底座的基本形状基本一致。
18.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，壁状结构的壁厚相互在环绕区域的至少80%上具有少于8%的相对差异；和/或从环绕区域看，最大壁厚和最小壁厚的商小于3.6。
19.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，壁状结构的壁厚相互在环绕区域的至少80%上具有少于8%的相对差异；和/或从环绕区域看，最大壁厚和最小壁厚的商小于3.6。
20.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，壁状结构的壁厚相互在环绕区域的至少80%上具有少于8%的相对差异；和/或从环绕区域看，最大壁厚和最小壁厚的商小于3.6。
21.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，壁状结构的壁厚相互在环绕区域的至少80%上具有少于8%的相对差异；和/或从环绕区域看，最大壁厚和最小壁厚的商小于3.6。
22.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，壁状结构的壁厚相互在环绕区域的至少80%上具有少于8%的相对差异；和/或从环绕区域看，最大壁厚和最小壁厚的商小于3.6。
23.根据权利要求18至22中任一项所述的方法，其特征在于，壁状结构的壁厚相互在环绕区域的至少80%上具有少于4%的相对差异。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，壁状结构的壁厚相互在环绕区域的至少80%上具有少于2%的相对差异。
25.根据权利要求18至22中任一项所述的方法，其特征在于，最大壁厚和最小壁厚的商小于3.2。
26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，最大壁厚和最小壁厚的商小于2.8。
27.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法使用一侧封闭的成型模具。
28.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法使用两侧封闭的成型模具。
29.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在底座通过实心冲挤构成一个或多个成型件。
30.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，在底座的壁状段侧通过实心冲挤构成一个或多个成型件。
31.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，成型件呈销钉状。
32.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，多个成型件以分散状远离底座中心。
33.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，冲挤机实施冲挤的坯料和/或工作面设有润滑剂。
34.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以低于2s的时间间隔制造多个相同的成型件。
35.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，以低于1.3s的时间间隔制造多个相同的成型件。
36.根据权利要求35所述的方法，其特征在于，以低于0.7s的时间间隔制造多个相同的成型件。
37.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，壁状结构和环绕挤压轴的结构沿挤压轴向看相互排成直线。
38.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在冲挤后紧接着对成型件进行再加工。
39.根据权利要求38所述的方法，其特征在于，所述再加工是切削再加工。
40.根据权利要求39所述的方法，其特征在于，所述切削再加工是铣切和/或钻孔。
41.由两种相同的轻金属或轻金属合金形成的成型件组成的组合部件的制造方法，其特征在于，第一成型件根据权利要求1至40中任意一项所述的方法形成，第二成型件也根据权利要求1至40中任意一项所述的方法形成，以及第一成型件和第二成型件设计成沿挤压轴方向依次布置为相互连接。
42.根据权利要求41所述的方法，其特征在于，第一成型件的形状和第二成型件存在差异。
43.根据权利要求41所述的方法，其特征在于，各自的连接区域为可焊接的。
44.根据权利要求41所述的方法，其特征在于，第一成型件和第二成型件在连接状态下形成空心区域，该空心区域除规定的通道外密封。
45.根据权利要求44所述的方法，其特征在于，所述密封是气密封闭。
46.由轻金属或轻金属合金制成的冲挤成型件，其特征在于，该成型件至少在一个区域和基于挤压轴旋转对称的基本形状存在主要差异，该对称差异区域在通过反向杯吸冲挤或反向空心冲挤构成的成型件的壁状段上以主要垂直于挤压轴轴向走向的法向矢量延伸，在与壁状段相邻的平面状成型件底座处以主要沿挤压轴方向走向的法向矢量在与壁状段相对的一侧通过正向杯吸冲挤或正向空心冲挤构成环绕挤压轴的结构，其中，在壁状段过渡至底座的壁厚最小区域，壁厚 mm与在过渡处构成的平均曲率mm-1的商大于0.03。
47.根据权利要求46所述的成型件，其特征在于，壁厚 mm与在过渡处构成的平均曲率mm-1的商大于0.1。
48.根据权利要求47所述的成型件，其特征在于，壁厚 mm与在过渡处构成的平均曲率mm-1的商大于0.3。
49.根据权利要求48所述的成型件，其特征在于，壁厚 mm与在过渡处构成的平均曲率mm-1的商大于0.6。
50.根据权利要求46所述的成型件，其特征在于，在沿圆周方向看的底座和壁过渡的至少主要区域内，壁厚与底座厚度的比例小于1.0。
51.根据权利要求50所述的成型件，其特征在于，壁厚与底座厚度的比例小于0.85。
52.根据权利要求51所述的成型件，其特征在于，壁厚与底座厚度的比例小于0.7。
53.根据权利要求1所述的方法形成的成型件，其特征在于，具有根据权利要求8至22、27至40中任意一项所述的方法形成的形状特征。
54.根据权利要求41至45中任意一项所述的方法制造的组合部件，其特征在于，由两个成型件构成，所述成型件由相同的轻金属或轻金属合金制成，其中，第一成型件是根据权利要求46或53的成型件，第二成型件也是根据权利要求46或53的成型件，第一成型件和第二成型件设计成沿挤压轴方向依次布置为相互连接。
55.根据权利要求54所述的组合部件，其特征在于，第一成型件的形状和第二成型件存在差异。
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