TWI613018B - 用以形成液態鍛造物品之方法與裝置 - Google Patents

Abstract

一種形成一液態鍛造物品的方法。該方法包含將一熔料注入一模穴中；相對於該模穴移動一衝頭，而使該熔料進入該衝頭中之至少一個高縱橫比的空穴內，且空氣會經由該衝頭中之至少一個通氣道插嵌物釋出；及當該熔料在該高縱橫比之空穴中固化時施加一成形壓力於該熔料上。

Description

用以形成液態鍛造物品之方法與裝置 發明領域

本發明係有關一種用以形成一液態鍛造物品的方法與裝置，且特別是但非唯獨地有關形成一具有高縱橫比之細構的液態鍛造近網狀物品之方法及裝置。

發明背景

具有高縱橫比之特徵細構的物品傳統上係以包括機製、擠押、鍛造、或鑄造一金屬例如鋁(Al)等方法來製成。機製係為一種製法其可製成具有高容差控制和良好表面加工的物品。然而，其乃耗時且昂貴的，且會造成大量的材料浪費，令其不適合作為一種量產的製法。擠押和鍛造係為能製成具有良好結構整體性的物品之製法。但是，傳統的擠押和鍛造不能形成需要一高密度之具有高縱橫比的細構之物品，譬如具有緊鄰靠近之凸片和凸銷的散熱器等，如第1和2圖所示。

模鑄(高壓和低壓)係為一種競爭技術，其在材料固化時具有某些形式的間接壓力，而被廣泛使用於工業中。重力鑄造或模鑄容許物品在很小或沒有壓力下固化。但是，由重力鑄造或模鑄法製成的物品時常受到限制，譬如在該物品結構中的多孔性，此乃例如因高壓模鑄時的澆口內之高紊流，或在重力鑄造時的氣體滯陷所致，而會造成不佳的機械性質。模鑄亦不能沒有扭曲變形地形成具有高縱橫比 細構的網狀物品，例如第1圖所示之具有高縱橫比凸片10的圓形散熱器，其中該各凸片10的高度(h)對厚度(t)之比係大於40比1，即h：t>40：1。又，材料選擇會自然地僅限於鑄造合金，而針對一要被用作為熱管理構件例如散熱器的物品，乃期望其係由低矽精鍊的鋁合金或純鋁所形成，因為它們有較高的散熱性能。但是，該等材料會由於鑄造過程所造成的收縮缺陷而不能被成功地鑄造。

擠壓鑄造或液態鍛造係使用至少部份熔化的金屬於一衝頭和模組中在直接壓力下來成形物品。具有最小化的材料畸變和收縮缺陷之改良的物品容差將能被獲得。但是，由於氣體滯陷所產生之多孔性和不完全的部件成形等問題仍會存在，尤其是在形成具有高縱橫比之細構的物品時。當該等高縱橫比的細構必須是尺寸較小之時，例如，若該細構的厚度為2mm或更小時，則此恐將會是一個大問題，因為在如此小細構中的細孔會構成該細構之一相當大比例，而造成材料破裂及/或部件破壞。

發明概要

依據一第一實施例，係在提供一種形成一液態鍛造物品的方法。該方法包含將一熔料注入一模穴中；相對於該模穴移動一衝頭，而使該熔料進入該衝頭內之至少一高縱橫比的空穴中，且空氣會經由該衝頭內的至少一通氣道插嵌物釋出；及當該熔料在該高縱橫比的空穴內固化時施加一成形壓力於該熔料上。

該方法可更包含當該物品扣持於該模穴中時，將該衝頭相對地移離該模穴。該物品較好係藉在一設於一包含該模穴的模中之一扣持銷中所提供的凹槽內形成該物品之一扣持部而被扣持於該模穴中。

依據一第二舉例態樣，係提供一種用以形成一液態鍛造物品的裝置。該裝置包含一模穴用以容納一熔料；及一衝頭構製成可施加一成形壓力於該熔料上，該衝頭包含至少一高縱橫比的空穴可供該熔料容納其中，及至少一通氣道插嵌物可容許空氣被由該高縱橫比的空穴釋出。

對該二種態樣而言，空氣較好係穿過一由該通氣道插嵌物與該高縱橫比之空穴所界定的排氣通道釋出。空氣更可經由至少一設在該通氣道插嵌物中的通氣孔釋出，該通氣孔係與該排氣通道呈流體導通。

該通氣道插嵌物較好包含一頭部及一插入部，該頭部係被構製成可相對於該高縱橫比空穴來定位該通氣道插嵌物，且該插入部係構製成可伸入該高縱橫比空穴中。該插入部可為推拔狀，而在其伸入該高縱橫比空穴內時具有一逐漸減少的截面積。

該通氣道插嵌物可設有至少一通氣孔，該通氣孔係與該排氣通道呈流體導通。該至少一通氣孔較好是設在該頭部中。

請排氣通道較好係被定寸成可阻止過多的熔料流入其中，以避免該排氣通道被固化的熔料所阻塞。該排氣通道可具有一長度介於2mm至6mm之間，且在該通氣道插嵌物 與該高縱橫比空穴之一壁間有一至少20μm的餘隙。

該裝置可更包含一扣持銷用以在由該模穴相對地移離該衝頭時將該物品扣持於該模穴中，該扣持銷係被設在一包含該模穴的模中。該扣持銷較好包含一凹槽可供該熔料固化於其中，而在該凹槽內形成該物品之一扣持部。

該裝置可包含多數個高縱橫比空穴及對應的多數個通氣道插嵌物。該多數個通氣道插嵌物可被個別地提供。

依據一第三舉例態樣，係在提供一種以第一態樣之方法所形成之具有高縱橫比細構的液態鍛造物品。

依據一第四舉例態樣，係在提供一種以第二態樣之裝置所製成之具有高縱橫比細構的液態鍛造物品。

圖式簡單說明

為使本發明能被完全地瞭解並容易地進入實際應用，現將藉由本發明之非限制性的實施例來描述說明，該等描述係參照所附的說明性圖式。

在該等圖式中：第1(a)圖係為一具有高縱橫比細構之物品，即一具有推拔凸片的圓形散熱器之一側視示意圖；第1(b)圖係為第1(a)圖的散熱器之一頂視示意圖；第2圖係為數個具有高縱橫比細構的典型物品，即具有推拔凸片、凸銷和徑向凸片等之散熱器的立體示意圖；第3圖係為一形成液態鍛造物品之舉例方法的流程圖；第4圖為一用以形成液態鍛造物品之舉例裝置在一將一熔料注入一模穴內的形成步驟之側視截面示意圖； 第5圖為第4圖之裝置在一將一衝頭移入該模穴中的形成步驟之側視截面示意圖；第6圖為通氣道插嵌物在第4圖的裝置之衝頭中的側視截面示意圖；第7圖為第6圖之一通氣道插嵌物的放大圖；第8圖為第4圖之裝置在一將該衝頭由模穴相對地移離的形成步驟之示意圖；第9圖為第4圖之裝置在一由該模穴逐出一成形物品的形成步驟之示意圖；第10(a)-(b)圖為除去該成形物品的一部份之側視示意圖；第11圖為被形成具有毛邊的高縱橫比細構之側視示意圖；第12圖為由本發明的舉例方法和裝置所形成之舉例物品的立體像片；第13(a)圖為由傳統鑄造所獲得之材料晶粒尺寸的顯微像片；及第13(b)圖為由本發明所獲得之材料晶粒尺寸的顯微像片。

較佳實施例之詳細說明

如第3至10圖中所示，一舉例的方法100和裝置20係被提供用於形成一液態鍛造物品，其具有至少一高縱橫比的特徵細構而有較好大於40：1的高度對寬度之比率。

該裝置20包含一衝頭22具有至少一個高縱橫比空穴24可供在一液態鍛造物品30中形成一高縱橫比細構物34。針對具有多數個高縱橫比細構物34的物品，會有對應多數個 高縱橫比空穴24等被提供於該衝頭22中。各高縱橫比空穴24皆具有一內部空穴形狀對應於一要被形成於該物品30中的所需細構物，例如一被示於第2圖之散熱器中的凸銷或凸片。該等高縱橫比空穴24可由設在該衝頭22中之對應的高縱橫比細構物25等來界定。

該裝置20更包含一底拉件或扣持銷44設在一模42中可供部件扣持和逐出。在一實施例中，該底拉件或扣持銷44係設有一T形的凹槽46，可供使用一鳩尾套合方式來扣持一形成的物品。該衝頭22和模42較好係被定向且設成一上衝頭22和一底下模42。

如第4圖所示，在該舉例方法100之一第一步驟時，一熔料52包含一用以形成該物品30之至少部份熔化的材料，會被例如經由一導槽50注入該模42之一模穴41中(102)。該熔料溫度可由710℃至750℃，乃視所選擇的材料而定。

嗣，如第5圖中所示，該衝頭22會被相對於該模穴41移動以接觸該模穴41中的熔料52(104)，而使該熔料52進入該扣持銷44的凹槽46內，俾在該液態鍛造物品30中形成一扣持部36。該熔料52亦會被強迫流動而進入該衝頭22的高縱橫比空穴24內。此較好係將該衝頭22帶向該模穴41如箭號60所示地來達成。該衝頭22與模穴41之間的衝壓速度或相對速度較好係少於0.5ms^-1，以容許該等空穴24中完全填滿該熔料52。

實質上沒有氣泡會滯陷在進入並填滿該等高縱橫比空穴24的熔料52中，或被熔料52所滯陷，因空氣會被釋放或 被容許經由提供於該衝頭22中的通氣道插嵌物80逃逸(106)。如第6圖所示，每一高縱橫比空穴24皆在該衝頭22中設有其各自的通氣道插嵌物80，以容許空氣被由各高縱橫比空穴24釋出。此可確保所有的空穴24等皆完全被該熔料52填滿，而在成形時能實質上免除多孔性或有不完全部件形成於該物品30中。

各通氣道插嵌物80較好具有一頭部82及一插入部84。該頭部82和該插入部84係可互相整合成一體。該頭部82可被容納於該衝頭22中之一對應形狀且較好係構設在該通氣道插嵌物80相對於所對應之高縱橫比空穴24的位置之凹槽23內。該插入部84係構製成可伸入該高縱橫比空穴24中，而使該通氣道插嵌物80具有一概呈T形的截面，如第7圖中所示。因此，該通氣道插嵌物80乃可包含例如一盤狀的頭部82及一桿狀的插入部84以供形成一高縱橫比的凸銷；或一伸長而實質上呈矩形的頭部82及一伸長而實質上呈矩形的插入部84以供形成一高縱橫比的凸片，耑視要被形成的所需高縱橫比細構而定。

該插入部84較好係為推拔的，當其伸入該高縱橫比空穴24中時會有一逐漸減少的截面積，而使該插入部84會與該高縱橫比空穴24界定一排氣通道86。各通氣道插嵌物80亦較好在該頭部80中設有至少一個通氣孔88，該通氣孔88係與該排氣通道86呈流體地導通。該排氣通道86和通氣孔88在該熔料52進入該高縱橫比空穴24內時，可容許空氣由該空穴24內沿第7圖中之箭號66所示的方向逃逸。

該通氣道插嵌物80較好係由一高導熱性材料製成，譬如一銅基類材料，俾使當該熔料52與該通氣道插嵌物80接觸時，該熔料52會迅速地冷卻。該熔料52的快速冷卻會阻止該熔料52過分地流入該排氣通道86中，其會導致該排氣通道86或通氣孔88的堵窒或阻塞。因此，該排氣通道86應被定寸成能防止過多熔料流入其中，俾可避免被固化的熔料52阻塞，而仍可充分地容許空氣被釋出。針對於此，該排氣通道86沿該空穴24可具有一介於2mm至6mm之間的長度，且在該插入部84與該高縱橫比空穴24的一壁26之間具有一至少20μm的餘隙。

該衝頭22係構製成當該熔料52在該高縱橫比空穴24中固化時，可施加一50MPa至120MPa之間的成形或直接壓力於該熔料52上(108)。藉著在固化期間施加一直接成形壓力，應力會均勻地分佈於該固化材料中，因此實質上所有的收縮缺陷會在該形成的物品中被消除。經由該等通氣道80來釋出空氣，及在該衝頭22的直接壓力下來固化該熔料52，將可造成一具有高縱橫比細構物34且實質上沒有多孔性或收縮缺陷之近似網狀物品30的形成。

在該熔料52已凝固之後，該衝頭22會相對於該模穴41移動，以使該液態鍛造物品30與該衝頭22分開。例如在第8圖中所示，該衝頭22可被由該模42縮回，如箭號62所示，而留下該液態鍛造物品30在該模穴41中。該衝頭22能被縮回而不會使該形成的物品30黏著於該衝頭22，因為在該扣持銷44中的凹槽46與形成於該物品30中的扣持部36之間有鳩尾套合。該液態鍛造物品30嗣會藉該扣持銷44與模42之間的相對移動而被由該模穴41移除或逐出，直到該所形成的物品30完全離開模穴41為止。該相對移動較好係藉將該扣持銷44沿第9圖中之箭號64所示的方向移入該模穴41中，以使該形成物品30被推出該模穴41而來達成。

該物品30可被以機製加工來完成或切掉該扣持部36，如第10(a)圖中的虛線所示，而形成一具有高縱橫比的細構34之近網狀液態鍛造物品30，如第10(b)圖中所示。第11圖示出舉例的高縱橫比之細構物70、72等，由於該熔料52在排氣通道27中冷却的結果而形成具有擠壓餘料的毛邊71、73等。一較厚的細構物70之毛邊71如第11(a)圖中所示，可被以噴砂或滾磨來除去。而一較薄細構物72如第11(b)圖中所示者可能並非剛硬得足以承受噴砂或滾磨之力，故該等毛邊73可被切掉或剪除。

由上述之舉例的方法100和裝置20所形成之舉例的液態鍛造物品譬如具有高縱橫比凸片92或凸銷94的散熱器90係被示於第12圖中。如在第13(b)圖中可見，該等液態鍛造物品的微結構晶粒尺寸係遠小於第13(a)圖中所示之以傳統鑄造法形成的物品之晶粒尺寸。較小的晶粒尺寸以及幾乎沒有細孔會造成該液態鍛造物品優於傳統鑄造物之改良的韌性，而得強化所形成的高縱橫比細構物。

雖前在本發明之實施例的以上描述中已有說明，但精習於該技術者應可瞭解許多設計、構造及/或操作上的細節變化亦可能被達成而不超出本發明。例如，若有多數個高縱橫比的空穴24被提供於該衝頭22中，則對應的多數個通氣道插嵌物80可被個別地提供以便空氣釋出，或者亦可形成一整體單元地提供而包含多數個插入部84佈設在一單獨的頭部82上，用以減低機具成本。該多數個高縱橫比空穴24(及它們的對應通氣道插嵌物80)可為相同或不同的，乃視要被形成之所需高縱橫比細構物34而定。該液態鍛造物品30可為對稱或不是對稱的。

10．．．凸片

20．．．形成裝置

22．．．衝頭

23．．．凹槽

24．．．空穴

25，70，72．．．細構物

26．．．壁

30．．．液態鍛造物品

34．．．細構物

36．．．扣持部

41．．．模穴

42．．．模

44．．．扣持銷

46．．．凹槽

50．．．導槽

52．．．熔料

60．．．衝壓方向

62．．．縮回方向

64．．．移入方向

66．．．排氣方向

71，73．．．毛邊

80．．．通氣道插嵌物

82．．．頭部

84．．．插入部

86．．．排氣通道

88．．．通氣孔

90．．．散熱器

92．．．凸片

94．．．凸銷

100．．．形成方法

102～108．．．各步驟

h．．．高度

t．．．厚度

第1(a)圖係為一具有高縱橫比細構之物品，即一具有推拔凸片的圓形散熱器之一側視示意圖；

第1(b)圖係為第1(a)圖的散熱器之一頂視示意圖；

第2圖係為數個具有高縱橫比細構的典型物品，即具有推拔凸片、凸銷和徑向凸片等之散熱器的立體示意圖；

第3圖係為一形成液態鍛造物品之舉例方法的流程圖；

第4圖為一用以形成液態鍛造物品之舉例裝置在一將一熔料注入一模穴內的形成步驟之側視截面示意圖；

第5圖為第4圖之裝置在一將一衝頭移入該模穴中的形成步驟之側視截面示意圖；

第6圖為通氣道插嵌物在第4圖的裝置之衝頭中的側視截面示意圖；

第7圖為第6圖之一通氣道插嵌物的放大圖；

第8圖為第4圖之裝置在一將該衝頭由模穴相對地移離的形成步驟之示意圖；

第9圖為第4圖之裝置在一由該模穴逐出一成形物品的形成步驟之示意圖；

第10(a)-(b)圖為除去該成形物品的一部份之側視示意圖；

第11圖為被形成具有毛邊的高縱橫比細構之側視示意圖；

第12圖為由本發明的舉例方法和裝置所形成之舉例物品的立體像片；

第13(a)圖為由傳統鑄造所獲得之材料晶粒尺寸的顯微像片；及

第13(b)圖為由本發明所獲得之材料晶粒尺寸的顯微像片。

20．．．形成裝置

22．．．衝頭

24．．．空穴

25．．．細構物

41．．．模穴

42．．．模

44．．．扣持銷

46．．．凹槽

50．．．導槽

52．．．熔料

80．．．通氣道插嵌物

Claims (15)

1. 一種形成一液態鍛造物品的方法，該方法包含：將一熔料注入一模穴中；相對於該模穴移動一衝頭，而使該熔料進入該衝頭中之至少一高縱橫比空穴內，且空氣會經由該衝頭中之至少一通氣道插嵌物釋出，其中空氣係穿過一由該通氣道插嵌物與該高縱橫比空穴所界定的排氣通道而被釋出；及當該熔料在該高縱橫比空穴內固化時，施加一成形壓力於該熔料上，用來形成包含一對應於該高縱橫比空穴之高縱橫比細構的該液態鍛造物品，及用來形成更包含該熔料於該排氣通道中冷卻所導致之一毛邊的該液態鍛造物品。
2. 如申請專利範圍第1項之方法，更包含當將該物品扣持在該模穴中時，由該模穴相對地移開該衝頭。
3. 如申請專利範圍第2項之方法，其中該物品係藉在一設於一包含該模穴的模中之一扣持銷所提供的凹槽內形成該物品之一扣持部而被扣持於該模穴中。
4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中空氣係更穿過被設在該通氣道插嵌物中之至少一通氣孔而被釋出，該通氣孔係與該排氣通道呈流體導通。
5. 一種用以形成一液態鍛造物品的裝置，該裝置包含：一模穴用以容納一熔料；及一衝頭構製成可施加一成形壓力於該熔料上，該衝 頭包含至少一高縱橫比空穴用以將該熔料容納其中，及至少一通氣道插嵌物可容許空氣被由該高縱橫比空穴中釋出；其中該通氣道插嵌物會與該高縱橫比空穴界定一排氣通道；及其中該裝置係經組構成用來形成包含對應於該高縱橫比空穴之高縱橫比細構的該液態鍛造物品，及用來形成更包含該熔料於該排氣通道中冷卻所導致之一毛邊的該液態鍛造物品。
6. 如申請專利範圍第5項之裝置，其中該通氣道插嵌物包含一頭部和一插入部，該頭部係被構製成可相對於該高縱橫比空穴來定位該通氣道插嵌物，而該插入部係被構製成可伸入該高縱橫比空穴中。
7. 如申請專利範圍第6項之裝置，其中該插入部係為推拔的而當其伸入該高縱橫比空穴中時會有一漸減的截面積。
8. 如申請專利範圍第7項之裝置，其中該通氣道插嵌物係設有至少一通氣孔，該通氣孔係與該排氣通道呈流體導通。
9. 如申請專利範圍第8項之裝置，其中該至少一通氣孔係設在該頭部中。
10. 如申請專利範圍第5至9項之任一項的裝置，其中該排氣通道係被定寸成可阻止過多的熔料流入其中，以防止該排氣通道被固化的熔料阻塞。
11. 如申請專利範圍第10項之裝置，其中該排氣通道具有一長度介於2mm至6mm之間，且其中在該通氣道插嵌物與 該高縱橫比空穴的一壁之間有一至少20μm的餘隙。
12. 如申請專利範圍第5至9項之任一項的裝置，更包含一扣持銷用以在由該模穴相對地移開該衝頭時將該物品扣持於該模穴中，該扣持銷係設在一包含該模穴的模中。
13. 如申請專利範圍第12項之裝置，其中該扣持銷包含一凹槽用以將該熔料固化於其中，而得在該凹槽內形成該物品之一扣持部。
14. 如申請專利範圍第5至9項之任一項的裝置，更包含多數個高縱橫比空穴及對應多個通氣道插嵌物。
15. 如申請專利範圍第14項之裝置，其中該多數個通氣道插嵌物係被個別地提供。