TWI555595B - 使用鑄造和成形工具生產金屬部件的方法和裝置 - Google Patents

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Description

使用鑄造和成形工具生產金屬部件的方法和裝置
本發明涉及借助於鑄造和成形工具以生產金屬部件的方法和裝置。
從DE 10 2006 036 369 A1中可瞭解到製造高應力部件用之熔化、鑄造和壓製的方法。為此，將原材料引入到處於惰性氣體之下的封閉系統內，進行加熱、熔化和量化。然後，原料通過壓力腔輸入到鑄造模具的模具腔內，在提高的壓力之下固化，形成鑄造的微結構。在固化之後，藉由進一步提高壓力，使部件微結構在變化的模具腔內流動，因此，至少部分地轉換為混捏(knead)的微結構。在進一步冷卻和打開模具之後，取出具有其最後尺寸的部件。
從DE 38 12 740 A1中可瞭解一種鑄造鍛造方法，其中，下部模塊用於鑄造以及鍛造。下部模塊與上部鑄造模具部分一起形成了鑄造腔，且與上部模塊一起形成了鍛造模具。採用該種方法，可快速地製造具有高尺寸精度和高強度的高品質金屬部件，且需要較少的機械加工。
從US 5 729 883 A中可瞭解一種由鋁合金製造盤形鍛造部件的方法，該盤形鍛造部件係可作為用於車輛輪子的預成形件。該方法包括以下步驟：將材料澆鑄於預定的模具內，以及，其 後將材料鍛造成鍛造部件。在鍛造過程中，變形程度不小於15%。
從DE 10 2011 119 643 A1中可瞭解一種借助於鍛造過程成形而製造用於車輛輪子坯料的方法。澆鑄步驟係在鍛造過程之前執行，其中，生產出鑄造坯料，此坯料的形狀不同於簡單的金屬圓柱。鑄造坯料藉由鍛造過程被壓製成最後形狀，並變形到最後坯料。其鑄造可藉由重力鑄造、低壓鑄造或沙鑄造來執行。鍛造之後，最後坯料之外材料部分被輥壓，以便借助於流動模製過程而將輪輞製成前輪緣凸緣(flange)和後輪緣凸緣。
本發明之目的是提出藉由使用鑄造和成形工具來製造金屬部件的方法，此方法可容易地和成本有效地執行，確保最終部件具有高強度。其目的進一步提出對應的裝置，其具有簡單結構，以致僅有低的加工成本，能夠生產出具有良好強度特性的近終型(near-net-shape)部件。
一個方案是使用鑄造和成形工具來生產金屬部件的方法，包括如下步驟：將熔化的金屬合金澆鑄於鑄造和成形工具內，其中，熔化物係以第一壓力(P1)從上方傾倒入該鑄造和成形工具之基部或貯存器內；對該鑄造和成形工具之基部和上部之間的熔化物施加壓力，同時固化其熔化物，其中，以比第一壓力(P1)高的第二壓力(P2)對正在固化的熔化物加壓；以及，當熔化物至少大部分固化而形成部件時，藉由基部和上部中至少一者相對於基部和上部中另一者移動，來壓縮該部件，其中，用比第二壓力(P2)高的第三壓力(P3)對該部件進行壓縮。
此方法的優點在於，可在短時間內製造成高強度的部件。鑄造之後施加壓力，有利於形成小結晶的細微結構。因為第二壓力(P2)作用在熔化物上，相應地因為冷的上部相對移動到基部內，所以，在部件邊緣表層之區域內晶體生長受阻，所生成的晶體連續地斷裂成較小的晶體。借助於後續以較高的第三壓力(P3)進行壓縮，形成了材料的流動，其中，材料中的孔被閉合，阻止形成新的孔或減到最少。總的來說，產生了具有高強度的細微結構。壓力施加可以小於10kN的力來進行。在壓縮過程中，最好大於1000kN的力施加到部件上。另一優點是，因為壓縮的緣故，製造的部件具有近終型的形狀，這帶來材料最佳的利用率。此外，用所述方法製成的產品具有高的尺寸精度和表面光潔度。由於係用一個工具就可實施不同的加工步驟，所以，工具的成本低。此方法特別適合於製造汽車的輪緣，其中，當然也不排除其它部件的製造。
作為製造部件的材料來說，可鍛造的合金是首選採用的，其中，不排除鑄造合金的使用。像鋁、鎂和鈦之類的輕金屬的金屬合金，是作為首選材料使用的。
根據實施例，將熔化物澆鑄或填充到由工具形成的模具腔內，可在標準壓力(P1)下進行，即，模具腔內為大氣壓力。這對將全部的熔化量放入工具之模具腔內是較佳有效的。較佳地，在熔化物澆鑄過程中，鑄造和成形工具之上部相對於基部保持在部分打開的位置中。換句話說，在澆鑄過程中基部和上部還尚未完全關閉，但最好朝向彼此移動，這樣，金屬之填充高度即是基部之所有流動通道中的高度；在金屬合金之以後的壓縮和流動中，已經固化的金屬不會面彼此接觸。金屬合金也可被指定為材料。
填充作業分別從填充貯存器或定量給料單元處發生，其中，要能夠提供製造要求部件所需的熔化物體積。熔化物填充到鑄造工具內的過程、或在鑄造之後填充容器的重新填充過程，分別較佳地在感測器控制下發生。鑄造最好以重力鑄造的形式發生，這意味著只使用熔化物的重力，從佈置在上方的填充容器進入到佈置在下方的鑄造工具內。然而，原理上來說，低壓鑄造也是可能的。篩檢器可設置在填充貯存器和鑄造工具之間的流動路徑內，這會減慢鑄造流動，並因此導致熔化物流入基部內之光順的或恒定的流動特性。篩檢器例如可以設置成鋼製的絲網形式，其可佈置在填充貯存器之下端處。在填充容器的出口處，可設置冷卻單元，在熔化物從填充貯存器退出過程中，冷卻單元可使熔化物冷卻。因此，在填充基部之過程中，液體的金屬合金已經轉變到半固體狀態中。
熔化物澆鑄於鑄造和成形工具內，可在惰性氣體氛圍中進行。借助於惰性氣體氛圍，在澆鑄過程中可防止形成不希望的氧化層。使用惰性氣體取決於待處理的合金。在形成氧化層的趨勢不強的合金中，可以放棄惰性氣體的使用。
根據實施例，在澆鑄過程中和/或鑄造之後，可將振動引入鑄造和成形工具內。因此，可形成改進的具有高強度的微結構。藉由引入振動，早期地形成了晶體邊界，因而形成了相對較小的晶體。此外，較快地流入，且恒定地在基部內發生熔化物之上升，這對微結構也具有有利的效果。
較佳地，上部之至少一部分比基部之至少一部分設定成更低的溫度。這可適用於澆鑄步驟和/或施加壓力步驟和/或壓縮 步驟中至少一者。因為基部的溫度較高，相較於接觸到上部的熔化物諸部分，流入基部內的熔化物係更長時間地保持在液態中。同時，在較冷的工具零件或工具部分處，發生材料快速淬火，這導致微結構具有高的強度。相應地，在工具內部且沿基部方向，固化開始於上部處。
基部或基部之至少局部部分，最好加熱到一定的溫度，此溫度對應於金屬合金之固相溫度的三分之二(2/3)±固相溫度的25%。在鑄造之前，基部之加熱作業例如可發生在爐子內。在澆鑄過程中，上部和基部之間的溫差例如可以超過200℃。
為了製造旋轉對稱體，基部可具有基部部分和環形的外殼部分，其中，在固化過程中和/或在壓縮過程中，外殼部分最好設定在比基部部分低的溫度。基部部分和外殼部分可一體地形成，或形成為分離的零件，它們在其後彼此連接在一起。
根據優選的實施例，對熔化物施加壓力發生在部件表層溫度(T2)處，此溫度低於金屬合金的液相線(TL)和/或高於其固相線(TS)(TS<T2<TL)，其中，該過程通常還可在達到液相線(TL)之前開始，例如，在液相線上方3%處。關於這一點，部件表層溫度意味著這樣的溫度，它是部件在層區域內、或正在由熔化物固化或已經固化的表層的溫度。固化從外部向內部發生，於是，正在固化的部件在內部的溫度高於邊緣層處。施加壓力的步驟在第二壓力(P2)下進行，該壓力高於大氣壓，並例如可借助於作用在熔化物上的上部之重量來施加。此壓力導致正在固化的材料流動，因而此過程由此也可被指定為流動形成。在施加壓力之前，相應地在施加壓力開始時，材料仍然是液態的。在施加壓力結束時，材料至少部分地呈 麵團狀，或從部件之邊緣層區域開始到達部件內部，材料具有混捏(knead)的微結構。一旦上部朝向基部作相對運動，便可發生壓力的施加。對於一個快速的過程來說，在此情形中有利地是，如果是在不到10秒的時間內實施壓力施加，直至達到兩個工具部分彼此限定的第一距離。在達到該第一距離之後，可開始一段保持時間，直到分別地出現熔化物至少大部分固化、及出現半固態的金屬合金。
在壓縮步驟的過程中，在部件從熔化物至少大部分地固化之後，該部件被加諸以增高的第三壓力(P3)，其也是由基部朝向上部的相對運動而產生的，或反之亦然。這樣，該壓縮步驟也可被指定為後壓縮。至少大部分固化是指，部件已經從液態冷卻，使得其結構至少介於液態和固態之間。材料在此一已經部分固化的狀態中具有混捏的質地。此狀態也被稱作半固態。
壓縮步驟最好發生在部件表層溫度(T3)下，在施加壓力的過程中，該溫度低於金屬合金的溫度(T3<T2)。執行壓縮的溫度(T3)之下邊界較佳地是金屬合金之固相線溫度(TS)的一半(T3>0.5TS)。部件之部分區域也可具有溫度(T3)之外的溫度。在壓縮過程中，分別使基部和/或上部之部件溫度可受到控制。借助於特別靠近於鑄造和成形工具之內壁而安裝的溫度感測器，便可確定溫度。藉由到達上部之朝向於基部相對運動之最終位置、且通過達到特定的溫度，可較佳地限定成形過程之結束。
根據實施例，執行壓縮步驟，這樣，由於壓縮，使得部件相應地經歷變形，其變形程度小於15%，特別是小於10%，更加特別地是小於5%。因為變形程度相當低，所以，變形速度很高，這對於製造時間具有有利的影響。材料在壓縮過程中進一步固 化，因為在壓力施加之下快速地冷卻，該材料形成特別小的晶體，這導致高品質的微結構。
根據實施例，藉由移動基部，同時使上部保持靜止不動，便可執行壓縮步驟。然而，還有反向的運動學方式也是可能的，這意味著，使基部保持靜止而移動上部。還有，可構思使兩個部分相對於彼此移動。在壓縮過程中，澆鑄過程中基部和上部之間存在的間隙係完全閉合，或至少大部分閉合。藉由使諸工具部分朝向彼此移動，來壓縮在已經固化區域下方之仍為液體或麵團狀的材料，這樣，可防止形成收縮腔、鼓吹孔或微孔，或至少使尺寸和數量減到最小。在壓縮過程中，內腔可以被「壓出」部件外，由此，相應地減小部件之體積。取決於工具部件和部件面積，這可以是在內腔的20%至80%之間，相應地也是孔的20%至80%之間。當使用鋁合金時，部件面積量可減小3%以上。實現具有改進特徵值的內腔(相應地，孔也是)減小的部件。
作為壓縮之後的另一方法步驟，可以提供：完全固化的部件之局部後壓縮，其中，藉由將鍛造工具移動到鑄造和成形工具之基部內，來實現後壓縮作業，由此，其部件至少在局部區域內被鍛造工具進一步壓縮，並因此塑性變形。
在局部後壓縮過程中，比壓縮過程中大的力量作用在部件上。在後壓縮區域內，產生類似於鍛造的微結構，其在以後可承受更高的載荷。這樣，後壓縮也可被指定為鍛造加工。對於後壓縮來說，鑄造和成形工具之上部係從基部提升起來，然後，將鍛造工具移入基部內。部件之局部區域，尤其是在運行條件下經受較高載荷的區域，發生塑性變形，並被鍛造工具壓縮。因為局部鍛造， 在這些受高載荷的區域內，實現帶有特別高強度的部件之微結構。根據需要的變形程度或強度，一個或多個鍛造工位都是可能的。在鍛造之後，該部件使具有近終型的形狀，於是，可降低像流動成形或機械加工那樣的後處理步驟之費用。
較佳地執行壓縮步驟和/或局部後壓縮步驟，藉由所述壓縮過程，即相應的後壓縮過程，使得部件變形，總變形程度小於15%，較佳地小於10%，尤其是小於5%。這樣，部件便接近於所要求的最後輪廓。
在局部後壓縮之後，諸如部件或部件之部分區域之流動成形或熨平之類的成形過程，可提供作為另一方法步驟。借助於該成形過程，帶有底切(undercut)的外部或內部形狀，可產生在先前已經變形的部件上，如果根據具體情況而定，則在部分區域內進行後鍛造。例如，旋轉對稱部件之外殼部分可借助於流動成形，而形成為汽車之輪緣之輪輞凸緣。
在流動成形之後，可接著實施其它的方法步驟，尤其是，清除毛邊、形狀切割或機械後加工處理、如X射線檢查的品質控制、和/或上清漆(varnishing)。
上述目的進一步藉由製造金屬部件的裝置來滿足，此裝置包括：帶有基部和上部的鑄造和成形工具；定量給料單元，金屬合金熔化物用該定量給料單元從上方送入該鑄造和成形工具之基部或貯存器內；定位手段；至少在金屬合金澆鑄於該鑄造和成形工具內的過程中，使基部和上部保持在相對於彼此的限定位置中；以及施力機構，在基部與上部之間產生相對運動，以使從熔化的金屬合金中至少部分地固化的部件發生變形。
藉由此裝置，可達到如上述方法同樣的優點，於是，要關心這些優點則可參照以上說明。
鑄造和成形工具也被稱作鑄造模具，其可根據模組設計系統來設計，以使鑄造的設定時間保持很短。若干個鑄造模具可佈置在可旋轉的圓臺上，使其可通過若干個生產工位。在鑄造之前，鑄造模具可在一個工位內預熱處理溫度。鑄造模具最好容納在一個保持或運輸裝置內，藉由使用滾子傳輸器、鏈條傳輸器或皮帶傳輸器，來對該裝置進行運輸設計。對於傳輸來說，借助於機器人或閘式起重機來操作也是可能的。
該保持或運輸裝置被建構成為：使得基部和上部中至少一者可沿著一軸線移動，即，不是完全固定在此保持或運輸裝置內。在軸線之兩個反向上，所述基部和/或上部是固定的。可特別地形成壓力施加機構，使得基部可相對於上部移動，而上部保持靜止不動。上部和/或基部可設置有冷卻單元和溫度感測器，它們較佳地在鑄造之後連接起來。
基部也可被稱作下部模具，較佳地係一體形成。然而，替代地，也可用若干個分離部件組裝而成，然而它們在製造過程中為彼此不可以分離。較佳地，基部是旋轉對稱地形成。基部之構造高度特別進行設定，當上部關閉時，該基部可容納全部液態金屬量。
諸零件中至少一者，即，基部或上部，具有通道，使得對應零件可設定在規定的溫度。這樣，基部和上部可分別在鑄造和固化過程中設定成不同溫度，這對固化行為並因此對固化的工件之微結構有正面的效應。
根據較佳實施例，鑄造和成形工具之至少一個零件，即，基部和/或上部，係形成為無底切。這樣，軸向的移出是可能的。另一優點是，該工具只需兩個零件。可省略徑向滑塊。
較佳地，此裝置還包括鍛造工具，當上部從基部中移去時，該鑄造工具可移入鑄造和成形工具之基部內。部件之局部區域可用鍛造工具進行局部後壓縮，這使得所述區域內有特別高的強度。
根據另一實施例，可提供振動機構，利用該機構，可將振動引入到該鑄造和成形工具內，以實現特別良好的微結構。在流動特性不良的合金中，諸如鋁混捏合金，這是特別有利的。
根據另一種改進實施例，可提供液態金屬定量給料單元，利用該單元，可定量供給引入到該鑄造和成形工具內的熔化金屬量。較佳地，該定量供料單元僅直接在澆鑄過程之前和期間中才接通基部。溫度感測器可設置在填充容器上或填充容器內，利用該溫度感測器，可確定熔化物之溫度。
下面利用附圖來詳細說明較佳實施例。
2‧‧‧(生產金屬部件)裝置
3‧‧‧(填充和)定量給料單元
4‧‧‧(鑄造和)成形工具；鑄造模具
5‧‧‧下部；基部；(工具)部分
6‧‧‧上部；(工具)部分
7‧‧‧饋送通道
8‧‧‧部件
9‧‧‧熔化物
10‧‧‧饋送管
11‧‧‧出口開口
12‧‧‧出口閥
13‧‧‧控制感測器
14‧‧‧填充液位控制單元
15‧‧‧溫度感測器
16‧‧‧惰性氣體單元
17‧‧‧饋送管
18‧‧‧(靜止)部件
19‧‧‧擺動機構
20‧‧‧篩檢器
21‧‧‧模具腔
22‧‧‧基部部分
23‧‧‧(中央)突出部
24‧‧‧殼體部分
25‧‧‧(錐形)部分
26‧‧‧凸緣部分
27‧‧‧殼體部分
28‧‧‧定位手段；環形體
29‧‧‧基座構件；下部支承框架
30‧‧‧(中央)開口
31‧‧‧填充容器；定量給料貯存器
32‧‧‧施力機構
33‧‧‧行程運動構件
34‧‧‧支承構件
35‧‧‧承載手段
36‧‧‧間隙
37‧‧‧振動機構
38‧‧‧貫通開口
39‧‧‧貫通開口
40‧‧‧導管
41‧‧‧抽吸單元
42‧‧‧鄰接面
43‧‧‧鄰接面
44‧‧‧徑向間隙
45‧‧‧環形槽
46‧‧‧鎖定裝置
47‧‧‧冷卻單元
48‧‧‧冷卻單元
49‧‧‧中間構件
50‧‧‧冷卻單元；冷卻裝置
51‧‧‧絕熱裝置；加熱裝置
52‧‧‧閉合缸筒
53‧‧‧入口開口
54‧‧‧上部支承框架
55‧‧‧(第一)傳輸輥；支承輥
56‧‧‧(第二)傳輸輥
57‧‧‧鍛造工具；模塊
58‧‧‧保持件；(環形)鍛造面
60‧‧‧冷卻單元
61‧‧‧貯存器
62‧‧‧活塞
A‧‧‧金屬
B‧‧‧金屬
P‧‧‧壓力
P1‧‧‧(第一)壓力
P2‧‧‧(第二)壓力
P3‧‧‧(第三)壓力
S‧‧‧方法步驟
S10‧‧‧澆鑄步驟(過程)
S20‧‧‧施加壓力步驟(過程)
S30‧‧‧壓縮步驟(過程)
S40‧‧‧後壓縮步驟(過程)
S50‧‧‧流動成形步驟(過程)
T‧‧‧溫度
T2‧‧‧(部件表層)溫度；(施加壓力步驟)溫度範圍
T3‧‧‧(部件表層)溫度；(壓縮步驟)溫度範圍
T4‧‧‧(部件表層)溫度；(後壓縮步驟)溫度範圍
TL‧‧‧液相線(溫度)
TS‧‧‧固相線(溫度)
WL‧‧‧(金屬合金量)比例
圖1是第一實施例中使用鑄造和成形工具生產金屬部件的裝置之縱向剖視圖。
圖2是圖1之鑄造和成形工具之基部之詳圖。
圖3是第二實施例中使用鑄造和成形工具生產金屬部件的裝置之縱向剖視圖。
圖4是在澆鑄過程中(S10)第三實施例中使用鑄造和成形工具生產金屬部件的裝置之縱向剖視圖。
圖5是圖4之鑄造和成形工具之基部之詳圖。
圖6是在壓縮過程中(S30)另一實施例中使用鑄造和成形工具生產金屬部件的裝置之縱向剖視圖。
圖7示出了在局部的後壓縮過程中(S40)根據圖6的裝置，其中已移去上部並放上鍛造工具。
圖8係以方法步驟S10至S50示出了借助於鑄造和成形工具來生產金屬部件的本發明之方法。
圖9是根據圖8的方法製造一部件的金屬合金之狀態圖(相圖)。
下面一起來描述圖1至9。在圖1至4中，圖中示出在第一實施例中用於生產金屬部件的本發明的裝置2，在圖5和6中，圖中示出修正的第二實施例。圖7和8示出對應的生產方法，相應地示出用於生產的金屬合金的狀態圖(相圖)。
在說明中，由於此工具係用於主題彼此不同的方法步驟，因此選用一般性的術語：基部5和上部6，以及鑄造和成形工具4。因此，根據鑄造和/或成形的使用情況，術語「鑄造」、「鑄造模具」、「模塊」、「成形零件」、「下部模具」、「上部模具」、「基部」也可被用來指代鑄造和成形工具及其主要部件。
裝置2包括了帶有定量給料貯存器31的填充和定量給料單元3，以及，帶有基部5和上部6的鑄造和成形工具4。加熱或熔化裝置(未示出)可佈置在定量給料單元3的前面，用來計量液態金屬並將之填充到成形工具4內。金屬熔化物藉由饋送通道7而從熔化裝置饋送到定量給料貯存器31內。圖1示出填充有熔化的液態金屬之熔化物9的定量給料貯存器31。定量給料貯存器31 形成為漏斗形，並在其下端處具有饋送管10，此饋送管10具有出口開口11。為了視需要而有選擇地打開或關閉饋送管10，將出口閥12設置在定量給料貯存器31內，於是，可選擇地使熔化物可從定量給料貯存器流入佈置在下面的鑄造和成形工具4內，或可中斷其流動。為了確定出口閥12之位置，設置了控制感測器13，此感測器係與控制單元可操作地連接，用以控制出口閥12。出口閥12和出口開口11可用陶瓷或特艾梅(Triamet)材料來製造。
此外，填充液位控制單元14設置在定量給料貯存器31內，其可確定代表填充液位的信號，並將所述信號傳輸到控制單元。因此，在填充過程中或填充之前，可測量液態金屬量。此外，設置溫度感測器15，其係被建構成確定代表金屬溫度的信號，其中，所述溫度信號也由控制單元進行處理。定量給料貯存器31中的填充溫度，理想地是在澆鑄過程所必須的溫度之上。
此外，裝置2包括惰性氣體單元16，利用此單元，惰性氣體可通過饋送管17饋送到定量給料單元3內。借助於在定量給料單元3中產生惰性氣體氛圍，可防止形成不理想的氧化層。在惰性氣體氛圍中執行該過程是可選的，並可依據合金來使用。定量給料單元3借助於擺動機構19而可擺動地附接到靜止的部件18上，例如，擺動機構19可包括一個或多個彈簧構件。
當出口閥12打開時，熔化物可流入鑄造和成形工具4內，該鑄造和成形工具4係佈置在裝置2下方。篩檢器20延遲熔化物之流動，並引起流入基部5內的恒定流動特性，該篩檢器20係佈置在定量給料單元3之出口開口11處。此篩檢器也可被稱作流入流阻尼器，可包括由不銹鋼製成的絲網。當液態金屬之溫度已 經冷卻到鑄造溫度時，便可開始鑄造模具4之填充。
上部6定位在基部5上，其中，在鑄造之前，鑄造工具較佳為還未完全關閉。模具腔21形成在鑄造和成形工具4之兩個部分5、6之間，熔化物可流入該模具腔內，並填充此模具腔。在本情形中，鑄造和成形工具4被形成為：圍成近似罐形的內腔。為此，基部5具有基部部分22以及圓周地延伸的殼體部分24，而該基部部分22係帶有中央突出部23，而此突出物係佈置在出口開口11之區域內。上部6也被稱作上部模具，包括有：錐形部分25、連接到此錐形部分之上端的凸緣部分26，以及，側向地包圍住基部5的圓周地延伸的殼體部分27。兩個工具部分5、6之內面或輪廓形成為無底切，這樣，使其能夠軸向地移出固化的部件8。
定位手段28被佈置在上部6與基部5之間，以在澆鑄過程中將所述工具部分以相對彼此的限定距離相應地保持在限定的位置中。定位手段28被形成為環形的構件，其係佈置在基座構件29與基部5之間。基座構件29環形地或框架狀地形成有中央開口30。它用作為鑄造和成形工具4之支承件，其中，基部5係向下被支承在包圍住開口30的邊緣上，且其中，上部6係藉由徑向地位在基部5外面的環形體28而被向下地支承。
此外，裝置2還包括施力機構32，其係相對於上部6以移動基部5。施力機構32也被稱作行程運動或壓力機構，包括行程運動構件33和支承構件34，該行程運動構件33係相對於基座構件29垂直地移動，而該支承構件34係藉由彈性的和/或阻尼的承載手段35支承抵靠在行程運動構件33上。行程運動構件33和支承構件34分別藉由基座構件29之開口30。藉由提升行程運動構件 33，支承構件34和支承在其上的基部5被垂直地向上載入。在此情形中，基部5接近於保持靜止的上部6，其中，鑄造和成形工具4之兩個部分5、6之間形成的間隙36至少寬泛地關閉。藉由載入，相應地朝向上部6移動基部5，佈置在兩者之間的部件可成為緊緻，於是，形成了具有高強度的細顆粒無小孔結構。可通過振動機構37將振動引入鑄造和成形工具4內，該振動機構37係佈置在基部5上，而在圖中僅示意地示出。此外，上部6包括貫通開口38、39，借助於此等開口，惰性氣體單元之導管40和抽吸單元41被連接起來。
在圖1的實施例中，詳細地顯示在圖2中的基部5係一體地形成。可以看到基部之無底切(undercut-free)形狀，其在完全固化之後能夠軸向地移出工件。基部5係旋轉對稱地形成。
圖3示出修改的第二實施例中根據本發明之裝置。第二實施例在較大程度上對應於圖1的實施例，於是，有關共同的特徵，可參照以上的說明。在此情形中，相同的或互相對應的部件具有與圖1相同的元件符號。
本實施例之主要的差別在於，在液態金屬合金從定量給料單元3排放到鑄造和成形工具4內的過程中，液態金屬合金被冷卻。為此，設置了冷卻單元60，其係圍繞著饋送管10而佈置在上部6之內壁部分上。此外，貯存器61設置在基部5上，金屬合金可流入其內。貯存器61被絕熱或加熱裝置51所包圍，其分別將金屬保持在規定的溫度上或規定的溫度範圍之內。貯存器61附接在基部5之中央部分處，並垂直地向下延伸。在貯存器61之下端處，設置可控制的活塞62。藉由撤回作為活塞缸筒的貯存器61內 的活塞62，佈置在貯存器內的金屬可被壓入模具腔21內。
本實施例的操作模式如下。在排放過程中，熔化物9被冷卻，其中，排放速度被配置成為：借助於冷卻單元60，使液態金屬合金轉變到半固體狀態。這意味著這樣的一種狀態：合金的溫度大約或近似在液相線溫度TL之下。貯存器61也可被稱作收集容器，在該貯存器61中，合金保持在半固體狀態中，或略微在半固體狀態以上，這意味著，處於液相線溫度TL或略微高於液相線溫度TL。視金屬合金之不同，必須在幾度溫度之範圍內調整此狀態。在合金從定量給料貯存器31中完全排放掉之後，入口便關閉，而且，活塞62將處於半固體狀態的合金壓入鑄造和成形工具4內。為此，可以將鑄造和成形工具之工具部分5、6調整到這樣低於固相溫度的固相線溫度TS的至少10%的溫度。在填充之後，在鑄造和成形工具4內執行部件壓縮的步驟，以及，可選的局部後壓縮步驟。
除此之外，根據圖3的本實施例之結構和操作模式，對應於圖1和2之結構和操作模式，於是達到以上所描述的程度。
圖4和5示出了在另一實施例中根據本發明之裝置2。這在很大程度上對應於圖1之實施例，於是，有關共同的特徵可參照以上的說明。在此情形中，相同的或互相對應的部件具有與圖1相同的元件符號。
與圖1之實施例相比，第一個差異在於，在執行鑄造的同時，從基部5移去上部6，相應地保持在一定的距離處。僅在填充熔化物之後，上部6才放置到基部5上，相應地接近到規定的距離，並如圖1所描述的那樣，繼續此過程。
另一特徵在於，基部5由兩個部件構成，即，由基部部分22(基部本體)和殼體部分24(殼體本體)組成。基部部分22和殼體部分24具有互補的錐形鄰接面42、43，以便於兩個本體相對於彼此對中和支承。在殼體部分24之端面與基部部分22之徑向面之間，在組裝狀態下形成了徑向間隙44。環形槽45設置在環形的殼體部分24之外圓周面內，其可被鎖定裝置46嚙合，而相對於基座構件29固定住殼體部分24。在本情形中，基座構件29係形成為罐子狀，具有圓盤部分和圓柱形部分。定位手段28也可被稱作定位或側邊構件，其係徑向地插入在基座構件29與基部5之間。鎖定裝置46穿透定位手段28，並被支承在基座構件29之環形部分內。除此之外，圖4和5之實施例在設計和操作模式上對應於圖1和2，於是，有關設計和操作模式，可參照以上說明。
圖6示出了在另一改型的第三實施例中根據本發明的裝置。這在很大程度上對應於圖1之實施例，於是，有關共同的特徵，可參照以上的說明。在此情形中，相同的或互相對應的部件具有與圖1和2相同的元件符號。
與圖1之實施例相比的差別在於，上部6之殼體部分27和定位手段28在其內面相應地具有面向基部5的冷卻單元47、48。冷卻單元47、48可形成為冷卻肋或冷卻通道，冷卻流體可流過其中。另外，基部5之基部部分22在本實施例中被冷卻。為此，板狀的中間構件49被佈置在支承構件34與基部部分22之間，該中間構件49在其上側具有呈冷卻肋或冷卻通道之形式的冷卻裝置50，此冷卻裝置50係面向基部部分22。振動機構37被佈置在中間構件49與支承構件34之間。鑄造和成形工具4之基部5之熱量可 藉由冷卻單元47、48、50釋放，於是讓部件更快地固化。
圖6中的裝置2被顯示為在壓縮步驟(S30)過程中、相應地在壓縮步驟(S30)之後。為此，基部5借助於施力機構32從靜止的基座構件29提起，在本情形中，基座構件29係形成為帶有基座和殼體部分的支承框架。基部5被提起直到上部6，於是，間隙36被閉合，而正在固化的部件受到壓縮。在壓縮之前，貫通開口38、39關閉，於是，正在固化的或已經固化的材料不再被壓出模具腔之外。為此，設置了閉合缸筒52，其係進入貫通開口38、39和入口開口53，並在上部6上產生反壓力。
在壓縮步驟過程中，上部6被支承在保持靜止的上部支承框架54上。下部支承框架29與支承在其上的所有部件，沿著朝向上部支承框架54的方向被提起。在本實施例中，提供第一和第二傳輸輥55、56，用以垂直地和水平地導向下部支承框架29，以及沿前進方向線性地移動所述框架。藉由提升下部支承框架29，如圖6所示，在支承輥55與下部支承框架29之下側之間形成一段距離。最遲在壓縮步驟之後，出現完全固化的部件8。
圖7示出下一個加工步驟S40中之圖6之裝置。施力機構32僅示意地顯示在這裡。可見到，上部支承框架54、閉合缸筒52和上部6已經從其餘組件中移去。
取代該上部，現在將鍛造工具57移入該部件內。此部件之部分區域由鍛造工具57進行後壓縮，這導致這些局部區域具有特別高的強度。在本情形中，鍛造工具57具有帶有環形鍛造面58的環形部分，其係軸向地作用在該部件上，以便壓縮該部件和使其塑性變形。鍛造工具57也可被稱作模塊，該鍛造工具57附 接並軸向地支承在保持件58上。藉由借助於提升裝置來提升包括有基部5的下部支承框架29，執行局部的後壓縮(作為進行過的壓縮)。
除此之外，此實施例在佈局和操作模式上對應於圖6，於是，有關佈局和操作模式，可參照以上說明。
在圖8中，本發明之用於生產金屬部件的方法顯示為流程圖，此流程圖具有方法步驟S10至S50。可鍛造的合金可用於此過程，以實現具有高強度的微結構。
在第一個方法步驟S10中，金屬合金之熔化物以第一壓力(P1)排放入鑄造和成形工具4內，其中，在無加壓的情況下執行填充全部的熔化物量，相應地亦在大氣壓下執行。熔化物從上部由定量給料貯存器31填充到鑄造和成形工具4內。在將熔化物從定量給料貯存器31填充到鑄造模具內的過程中，可將振動引入到鑄造模具內。也有可能的是，藉由冷卻和調整排放速度，來控制定量給料貯存器31之出口，以使液態金屬轉變為半固體狀態。
在熔化物已經完全填充到鑄造和成形工具4內之後，填充和定量給料單元3以及鑄造和成形工具4被彼此分離，而且，關閉振動機構37。鑄造和成形工具4可在一個傳輸單元上移至下一個處理工位。
在下一個方法步驟S20中，將壓力施加到佈置在模具腔內的金屬合金。為此，壓力P2形成在基部5與上部6之間，大於大氣壓，而相應地大於第一壓力P1。此壓力P2例如可由上部6之靜重所產生。鑄造和成形工具4之所有的開口必須在施力之前關閉，這樣，不會材料意外地被壓出工具之外。對熔化物施加壓力之 步驟可在部件表層溫度範圍T2內執行，此溫度範圍大約在液相線TL附近，直到高於金屬合金之固相線TS，這意味著TS<T2<TL。在施加壓力之前，材料仍為液態。在施加壓力之步驟結束時，材料至少部分地處於麵團狀的狀態。
根據需要，藉由對應地加熱基部5和/或上部6，可在方法步驟S20過程中影響材料固化的進程。例如，基部5可被加熱到比上部6為高的溫度，而在上部更快地發生金屬合金的固化。為了加熱，相應地為了冷卻，鑄造和成形工具4之兩個部分5、6可具有一個或多個冷卻回路，其中，至少有一個溫度感測器被分配到每個冷卻回路。冷卻作業可在根據需要而定比例的水空氣混合物中執行，以便在部件中確保特殊的固化過程。
在施加壓力步驟(S20)之後，當材料至少部分地處於麵團狀或大部分固化的狀態以形成部件時，所述部件之壓縮係在下面的方法步驟S30中執行。藉由朝向上部6相對地移動基部5，來執行此壓縮步驟，使之產生第三壓力P3，此第三壓力P3係大於方法步驟S20中的第二壓力P2。藉由用大的力量沿著上部6之方向加壓下部5，可發生壓縮。較佳地，僅在當金屬合金至少大部分固化而相應地處於半固體狀態中時，才開始進行壓縮。壓縮作業可在部件表層溫度T3下執行，此溫度係低於施加壓力之方法步驟S20過程中的金屬合金之部件表層溫度T2。此外，作為溫度T3之下限，可採用金屬合金之固相線溫度TS的一半，這意味著T2>T3>0.5TS。藉由到達上部之朝向基部的相對運動之終點位置，並藉由達到預定的溫度，可限定成形過程之終點。在壓縮步驟S30過程中，其部件僅經歷小於15%之相對小的變形度，特別是小於10%，相應地小於5%。 在壓縮過程中，部件內的孔被閉合，由此可改進工件之微結構。
作為另一個方法步驟S40，可在壓縮步驟S30之後，提供對完全固化的部件之局部的後壓縮。藉由將鍛造工具引入鑄造和成形工具之基部內，或藉由抵靠著鍛造工具(模塊)而提升基部5，來執行此局部後壓縮作業。因此，部件在部分區域內受壓縮和塑性變形。在局部後壓縮過程中，部件再次經受比壓縮步驟S30過程中大的力量。在後壓縮區域中產生類似於鍛造的微結構，這可抵擋特別高的載荷。
在局部後壓縮(S40)之後，可在另一個方法步驟S50中執行部件之局部區域之流動成形。借助於流動成形，可在變形的部件內產生帶有底切(undercut)的外或內輪廓。
在流動成形步驟S50之後，可進行其它的方法步驟，特別是，去毛邊、金屬切割或機械後加工處理、如X射線檢查的品質控制、和/或上清漆(varnishing)等。
利用本發明之方法和裝置，借助於澆鑄(S10)、後續的施加壓力(S20)、後續的壓縮/變形(S30)、及可選擇的局部材料後壓縮(S40)，可在相同基部內藉由若干個步驟中的新穎方式產生鑄造坯件。壓力施加(S20)在相應使用的合金之固相線溫度(由液態直到麵團狀態)以上發生。圖9示出以本發明之方法或裝置製造出部件的金屬合金之狀態圖(相圖)。在x軸上，表示金屬合金量之比例(WL)，其包括金屬A的XA%及金屬B的XB%。在y軸上，給出溫度(T)。施加壓力步驟之溫度範圍T2最好低於液相線溫度(TL)而高於固相線溫度TS(TL>T2>TS)，在圖9中用水平陰影線表示。依據施加壓力(S20)之過程時間，對於後續的壓縮(S30)仍保持小於15% 的殘餘變形度。壓縮步驟(S30)特別是在溫度範圍T3中發生，此溫度範圍係介於溫度T2與固相線溫度一半0.5TS之間(T2>T3>0.5TS)。此範圍在圖9中用從左上到右下的陰影線表示。可選擇地，局部的金屬後壓縮(S40)發生在部件暴露在應力下的區域，其可借助於從上面引入模塊來實現。這特別發生在溫度T4時，此溫度低於溫度T3，相應地低於固相線溫度的90%(T3>T4和/或T4<0.9 TS)。此溫度範圍在圖9中用垂直的陰影線表示。
本方法對有關於已知鑄造方法的設計和形狀提供了更大的自由度，因為，對生產原材料的鑄造零件來說，鑄造用的橫截面無須達到已知鑄造方法所須達到的程度。藉著可選擇地使用模塊57，全部的製造過程可發生在一個簡單的基部5內。上部6及此處可應用的一個或多個可選擇地使用的側邊零件，在流動程序開始時具有比基部5顯著為低的溫度(溫差高達固相線溫度的50%)。借助於此製造過程，從快速冷卻鑄造的微結構，可實現帶有混捏質地而具有更好機械特性的微結構。
2‧‧‧(生產金屬部件)裝置
3‧‧‧(填充和)定量給料單元
4‧‧‧(鑄造和)成形工具；鑄造模具
5‧‧‧基部；(工具)部分
6‧‧‧上部；(工具)部分
7‧‧‧饋送通道
9‧‧‧熔化物
10‧‧‧饋送管
11‧‧‧出口開口
12‧‧‧出口閥
13‧‧‧控制感測器
14‧‧‧填充液位控制單元
15‧‧‧溫度感測器
16‧‧‧惰性氣體單元
17‧‧‧饋送管
18‧‧‧(靜止)部件
19‧‧‧擺動機構
20‧‧‧篩檢器
21‧‧‧模具腔
25‧‧‧(錐形)部分
26‧‧‧凸緣部分
27‧‧‧殼體部分
28‧‧‧定位手段；環形體
29‧‧‧基座構件；下部支承框架
30‧‧‧(中央)開口
31‧‧‧填充容器；定量給料貯存器
32‧‧‧施力機構
33‧‧‧行程運動構件
34‧‧‧支承構件
35‧‧‧承載手段
36‧‧‧間隙
37‧‧‧振動機構
38‧‧‧貫通開口
39‧‧‧貫通開口
40‧‧‧導管
41‧‧‧抽吸單元

Claims (15)

  1. 一種使用鑄造和成形工具生產金屬部件的方法，包括如下步驟：將金屬合金之熔化物(9)澆鑄(S10)於鑄造和成形工具(4)內，其中，熔化物係以第一壓力(P1)從上方傾倒入該鑄造和成形工具(4)之基部(5)或貯存器(61)內；對該鑄造和成形工具(4)之基部(5)與上部(6)之間的熔化物施加壓力(S20)，同時固化其熔化物，其中，以比第一壓力(P1)高的第二壓力(P2)對正在固化的熔化物加壓；當熔化物至少大部分固化而形成部件時，藉由該基部(5)和該上部(6)中至少一者相對於該基部(5)和該上部(6)中另一者之移動，來壓縮(S30)該部件，其中，用比第二壓力(P2)高的第三壓力(P3)對該部件進行壓縮，以及其中，僅有在熔化物(9)至少是處於液態與固態之間的半固態狀態下，才開始用第三壓力(P3)來壓縮(S30)。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該鑄造和成形工具(4)之上部(6)在熔化物(9)之澆鑄過程中，係相對於該基部(5)而保持在部分打開的位置中。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，設置有定量給料單元(3)，用於將熔化物澆鑄於該基部(5)內，而其中，在澆鑄(S10)過程中，藉由該定量給料單元(3)之出口處的冷卻單元(60)，使熔化物冷卻。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，在低於金屬合金的液相線(TL)和高於金屬合金的固相線(TS)的部件表層溫度(T2)下， 執行對正在固化的熔化物施加壓力的步驟(S20)。
  5. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，在部件表層溫度(T3)下執行壓縮步驟(S30)，該部件表層溫度(T3)是以下至少一個溫度：低於在施加壓力步驟(S20)過程中之部件表層溫度(T2)(T3<T2)，以及最小為金屬合金之固相線溫度(TS)之一半(T3>0.5TS)。
  6. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，藉由該基部(5)和該上部(6)之間的相對運動，來執行壓縮步驟(S30)，而其中，該鑄造和成形工具(4)之基部(5)和上部(6)中之一者保持靜止不動。
  7. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，至少在施加壓力步驟(S20)和壓縮步驟(S30)中之一者過程中，將該上部(6)設定成比該基部(5)低的溫度。
  8. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，該基部(5)具有基部部分(22)和環形的殼體部分(24)，而其中，至少在施加壓力步驟(S20)和壓縮步驟(S30)中之一者過程中，將該殼體部分(24)設定成比該基部部分(22)低的溫度。
  9. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，在壓縮步驟(S30)之後，並在部件完全固化時，作為另一步驟，此方法包括：對完全固化的部件(8)進行後壓縮的步驟(S40)，其中，藉由將一鍛造工具(57)移入該鑄造和成形工具(4)之基部(5)內而執行其後壓縮作業，這樣，至少在局部區域內，藉由該鍛造工具(57)使部件壓縮和塑性變形。
  10. 如申請專利範圍第9項之方法，其中，執行壓縮步驟(S30)和局部的後壓縮步驟(S40)中之至少一者，使得其部件變形程度小於 15%變形。
  11. 如申請專利範圍第10項之方法，其中，在後壓縮(S40)步驟之後，作為另一步驟，此方法包括：部件之流動成形步驟(S50)，以產生最後的輪廓。
  12. 一種藉由申請專利範圍第1項之方法以生產金屬部件的裝置，此裝置包括：鑄造和成形工具(4)，具有基部(5)和上部(6)；定量給料單元(3)，用於從上面將金屬合金之熔化物(9)填充到該鑄造和成形工具(4)之基部(5)或貯存器(61)內；定位手段(28)，至少在將金屬合金澆鑄於該鑄造和成形工具(4)內的過程中，將該基部(5)和該上部(6)相對於彼此保持在限定的位置中；以及施力機構(32)，用於產生該基部(5)與該上部(6)之間的相對運動，這樣，從熔化的金屬合金中至少部分地固化的部件為可變形。
  13. 如申請專利範圍第12項之裝置，其中，該鑄造和成形工具(4)之基部(5)和上部(6)中之至少一者是沒有底切(undercut)的。
  14. 如申請專利範圍第12或13項之裝置，其中，提供鍛造工具(57)，當從該基部(5)移去該上部(6)時，該鍛造工具(57)可移入該鑄造和成形工具(4)之基部(5)內。
  15. 如申請專利範圍第12或13項之裝置，其中，該施力機構(32)被建構成使該基部(5)可相對於該上部(6)移動，而其中，該上部(6)係保持靜止不動。
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