專利名稱：高速擠壓成型的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述的用于擠壓成型(extrusion)的設(shè)備。
背景技術(shù)：
擠壓成型是一種制造工藝，在該工藝中，通過在容器中放置原料(坯料)，并由撞錘迫使原料經(jīng)過模具開口，而生產(chǎn)出具有恒定橫截面的斷面或輪廓。模具的形狀和尺寸決定了產(chǎn)品的橫截面。對于大多數(shù)金屬而言，這種批量或半連續(xù)工藝在高溫下操作，以提高材料的延展性和/或抵消(off-set)機(jī)械載荷。
擠壓成型是眾所周知的制造各種形狀和尺寸的斷面的方法。擠壓成型設(shè)備在整個工業(yè)化社會都有使用。擠壓成型適用于含鐵的(例如鋼、不銹鋼)以及不含鐵的(例如鋁、銅、鎂、鈦)金屬及合金。鋁是迄今為止用于處理的最常用的材料。所謂的方形模具通常用來生產(chǎn)實心斷面。單孔和多孔斷面需要被稱為舌形模、分流模和舌形組合模的更復(fù)雜的加工結(jié)構(gòu)。這些模具使得內(nèi)型芯支架周圍的金屬流能夠分離并重新接合。
用于金屬的擠壓成型工藝的主要局限在于熱裂紋(也稱為熱脆性)的發(fā)生。該表面缺陷是由于過大的溫升而由塑性區(qū)中材料的初始熔化引起的，該表面缺陷與?？锥◤綆?die bearing)處的機(jī)械應(yīng)力結(jié)合導(dǎo)致裂紋。這種現(xiàn)象是金屬和合金特有的，因為該現(xiàn)象取決于諸如流動應(yīng)力和初始(即，非平衡)熔化溫度之類的性質(zhì)。而且，擠壓速度越快，該工藝越類似于絕熱，所以，熱裂紋有效地決定了用于獲得高水平可靠產(chǎn)品的速度。
由于熱脆性是金屬擠壓成型中的關(guān)鍵因素，所以人們已進(jìn)行了相當(dāng)多的研究和技術(shù)開發(fā)嘗試來克服該限制。具體參照鋁和鎂合金的處理，進(jìn)行了以下研究合金組合物和坯料的制備方法(例如鑄造、均化)、可替換的擠壓成型方法(例如間接擠壓成型、流體靜力擠壓成型)以及適宜的處理和加工(例如用于等溫擠壓成型的閉環(huán)式控制系統(tǒng)、模具的冷卻)。
FR980 781公開了一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述的設(shè)備。
就用于金屬擠壓成型的模具的冷卻而言，JP3138018和JP3138019公開了一種開放式系統(tǒng)，以便通過引導(dǎo)冷卻介質(zhì)穿過模具到達(dá)?？锥◤綆Ш竺娴目涨粊砝鋮s擠壓成型模具。
WO9112097描述了一種用于冷卻金屬擠壓成型模具的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)用來引導(dǎo)冷卻介質(zhì)通過進(jìn)料通道而穿過模具、在分配通道中沿圓周方向分離并使其緊接在模具支承在空腔中之后而流出。
JP3138018、JP3138019和WO9112097公開了方形成型模具，其中，用于流體蒸發(fā)的潛在熱量用來在?？锥◤綆Ш竺娴目涨恢羞M(jìn)行冷卻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于改進(jìn)用于金屬擠壓成型的處理和加工。具體地說，本發(fā)明的目的在于改進(jìn)金屬擠壓成型的處理和加工，從而使得可以加快擠壓速度，在該速度下熱裂紋不產(chǎn)生或在可接受的程度內(nèi)。
因此，本發(fā)明提供了一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于擠壓成型的設(shè)備，以及一種制造根據(jù)權(quán)利要求18所述的模具的方法。
通過區(qū)分導(dǎo)熱系數(shù)不同的本體材料來限定冷卻路徑，冷卻材料的相對較低的導(dǎo)熱系數(shù)可以大大提高。
優(yōu)選地，通過提供由粉末(例如通過粉末印刷)制成的生坯多孔(green porous)結(jié)構(gòu)、燒結(jié)該結(jié)構(gòu)，來局部提高導(dǎo)熱系數(shù)。通過用導(dǎo)熱材料填充一些位置處的小孔，可以形成冷卻路徑。通過用強(qiáng)化材料填充其它位置處的小孔，可以形成強(qiáng)化區(qū)。通過提供與冷卻通道在流體上連通的開放、多孔結(jié)構(gòu)的部分，可以提供多孔冷卻通道部。
通過所謂的快速成型/快速制造技術(shù)可以制造多孔本體。這種技術(shù)使得可以給設(shè)備提供專用的冷卻系統(tǒng)。
通過提供具有密度增大區(qū)域的多孔結(jié)構(gòu)，可以限定邊界，例如用于冷卻路徑、(多孔)冷卻通道或強(qiáng)化區(qū)。
本體優(yōu)選地至少部分地制作成多孔結(jié)構(gòu)。但是，本體也可以例如設(shè)置有插入件，以局部區(qū)分導(dǎo)熱系數(shù)不同的本體材料。
優(yōu)選地，多孔結(jié)構(gòu)由顆粒(例如金屬和/或陶瓷顆粒)制作成生坯結(jié)構(gòu)。生坯結(jié)構(gòu)可以隨后被燒結(jié)，以形成高強(qiáng)度多孔結(jié)構(gòu)，例如，可以禁得起用具有更高導(dǎo)熱系數(shù)的材料和/或具有更高強(qiáng)度的材料來填充小孔的結(jié)構(gòu)。當(dāng)具有更高導(dǎo)熱系數(shù)的材料是例如銅時，其通過毛細(xì)管作用注入小孔內(nèi)。類似地，強(qiáng)化材料可以是鋼水。
當(dāng)使用傳統(tǒng)的模具制造技術(shù)(例如，通過燒結(jié))時，多孔結(jié)構(gòu)可以隨后用作插入件。
但是，該設(shè)備也可以使用快速成型/快速制造技術(shù)而形成。優(yōu)選地，通過基于層的制造技術(shù)，優(yōu)選地使用程序片的CAD計算機(jī)文件，然后將多孔結(jié)構(gòu)制作成多層的。適當(dāng)?shù)目焖僦圃旒夹g(shù)是例如通過公司EOS可獲得的直接金屬激光燒結(jié)、通過Trumpf公司可獲得的直接金屬激光熔化、以及通過Pro-metal公司可獲得的采用滲透的粉末印刷。
通過使所加工的材料的表面在離開之前經(jīng)過冷卻區(qū)，關(guān)鍵位置處的定徑帶開口峰值溫度可以是最高的，從而可以防止待加工的材料的表面達(dá)到初始熔化溫度。這樣，可以在更高速度下進(jìn)行擠壓成型，同時仍舊可以獲得可靠的產(chǎn)品。而且，由于機(jī)械載荷區(qū)中的峰值溫度降低，可以延長模具的壽命。此外，由于模具偏差減小，可以提高產(chǎn)品的精度。
通過在表面離開定徑帶開口之前冷卻關(guān)鍵位置處的表面區(qū)域，可以防止在由于熔化而弱化的局部表面區(qū)域處形成裂紋。
通過冷卻模具的定徑帶開口的至少一部分表面，可以在最關(guān)鍵的區(qū)域處進(jìn)行冷卻。
通過冷卻定徑帶開口的入口區(qū)的至少一部分表面，更多的區(qū)域可以用來冷卻，并且可以有更多的時間用來從待加工的、運動著的材料中除熱。
在優(yōu)選實施例中，待加工的材料的表面經(jīng)過沿流動方向會聚的入口區(qū)，從而相對較大的區(qū)域可以用來冷卻。此外，可以同時減少待加工材料中的冗余工作，從而減少待加工材料的溫升。優(yōu)選地，模具的入口區(qū)是錐形的。
下面討論本發(fā)明的更多有利實施例，并在所附權(quán)利要求中限定。


利用附圖中所示的優(yōu)選實施例來闡明本發(fā)明。附圖中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的用于擠壓成型的設(shè)備的示意性橫截面；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的導(dǎo)熱系數(shù)不同的模具本體第一實施例的示意性橫截面；圖3A示出了根據(jù)本發(fā)明的模具第二實施例的示意性橫截面；圖3B示出了圖3A的模具的多孔結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。
具體實施例方式
在附圖中，使用相同的參考標(biāo)號表示相應(yīng)的部分。附圖僅示出了示例性實施例的示意性示圖，這些實施例作為本發(fā)明的非限制性實例給出。
圖1示出了用于金屬擠壓成型的設(shè)備1。該設(shè)備包括具有定徑帶(bearing)開口3的模具2，待加工的金屬被迫使通過該定徑帶開口，從而形成為具有恒定橫截面的輪廓。
定徑帶開口3包括定徑帶開口表面3a，該表面在模具的定徑帶開口入口平面4與定徑帶開口出口平面5之間延伸。所述出口平面形成模具2的開口，該開口沿下游方向與空腔6相鄰，所述空腔形成于輪廓8的外表面7與模具的間隙表面9之間。
設(shè)備1進(jìn)一步包括被模具2封閉的容器10。容器10將待加工的金屬坯料11保持在室12中。設(shè)備1進(jìn)一步包括撞錘(ram)13，該撞錘可以被推入到室12內(nèi)，以迫使坯料11的材料穿過模具2的定徑帶開口3，從而形成輪廓8。該擠壓成型工藝也可以不同地布置，例如在流體靜力變型中，其中，室填充有液體，撞錘13作用在液體上，以便用于間接迫使坯料11穿過模具2的定徑帶開口3。
該設(shè)備設(shè)置有冷卻裝置14，該冷卻裝置位于定徑帶開口3的出口表面5上游。
在該設(shè)置中，冷卻裝置包括沿模具2的入口區(qū)16延伸的冷卻回路的冷卻通道15。在該實施例中，模具2是具有入口環(huán)2A的模塊化結(jié)構(gòu)，該入口環(huán)設(shè)置在容器10與包括定徑帶開口的模具的特定產(chǎn)品(product-specific)部分之間。該入口環(huán)限定了入口區(qū)，所述入口區(qū)沿定徑帶開口3的入口表面4的方向成錐形地會聚。與模具支架2B一起，入口環(huán)保持設(shè)置有定徑帶開口的模具2的特定產(chǎn)品部分。應(yīng)該明白，冷卻裝置可以布置成沿定徑帶開口的至少一部分表面和/或入口區(qū)的至少一部分表面延伸。
在該實施例中，冷卻區(qū)因此設(shè)置在容器的至少部分外部。
模具入口的錐形減少了在坯料的關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的熱量。
而且，通過冷卻定徑帶開口3的出口平面的上游，熱量可以從坯料11的關(guān)鍵區(qū)域傳導(dǎo)。在該實施例中，這是通過使冷卻介質(zhì)通過或循環(huán)過模具2中的通道15而實現(xiàn)的。這可以認(rèn)為是增大模具2熱容的一種方法。模具入口區(qū)16的錐形確保了較大接觸面積，并使冷卻表面區(qū)域與所處理的材料之間有足夠的相互作用時間。這樣，限制了熱量的產(chǎn)生，同時促進(jìn)了熱量擴(kuò)散。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備實施例的示意性橫截面，其中，本體由模具2形成。
模具2的本體材料在導(dǎo)熱系數(shù)方面不同，從而限定了冷卻路徑20。該模具2由例如高強(qiáng)度鋼的高強(qiáng)度模具部分21制成。模具2的本體進(jìn)一步包括高導(dǎo)熱材料(例如銅)的插入件22。
模具2的本體還包括支撐拉模部分23，其中布置有冷卻通道15。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的模具第二實施例的示意性橫截面。該模具2通過快速成型而制造，并且設(shè)置有專用的冷卻系統(tǒng)。
利用基于層的制造技術(shù)，模具2的本體由粉末狀鋼顆粒制成。
在生坯結(jié)構(gòu)的制造過程中，提供了密度增大的區(qū)域，其限定了用于冷卻路徑、冷卻通道以及高強(qiáng)度區(qū)域的邊界。
在燒結(jié)之后，通過用銅填充邊界之間的材料小孔而形成冷卻路徑20。
通過用鋼填充小孔而形成了強(qiáng)化區(qū)24(以陰影線示出)。而且，將用于使冷卻液體流經(jīng)其中的冷卻通道15限定為密度增大的邊界之間的空白區(qū)。
如圖3B所示，多孔結(jié)構(gòu)是開放的，從而冷卻液體可以流經(jīng)結(jié)構(gòu)中的多孔區(qū)25。
應(yīng)該明白，本發(fā)明不限于上述實施例。例如，本發(fā)明不僅適用于如所示的實心斷面，而且適用于更復(fù)雜形狀的斷面，諸如(多)孔(hollow)斷面。
優(yōu)選地，冷卻的拉模部分與被加熱的容器是熱絕緣的。
如所述，模具結(jié)構(gòu)可以是模塊化的，具有諸如一般目的成形的冷卻入口環(huán)、可變換的產(chǎn)品專有模具、以及用于機(jī)械支撐的分離的模殼的部件。
該模具可以例如通過傳統(tǒng)的方法制造，或通過使用基于例如層沉積的快速制造技術(shù)制造。后一方法具有的優(yōu)點在于，向模具提供了專用冷卻系統(tǒng)(例如保形冷卻系統(tǒng))、和/或冷卻通道的分配，該冷卻通道的分配適合于定徑帶開口關(guān)鍵區(qū)域和/或定徑帶開口的幾何特征。
此外，模具入口可以是另一形狀，該形狀可提供用于熱交換的較大接觸表面面積。
模具的部分，尤其是模具入口，可以設(shè)置有覆層。坯料與模具材料之間的這種中間層應(yīng)該能夠承受熱載荷和機(jī)械載荷，并能夠給出有利的摩擦學(xué)和/或界面條件。
冷卻回路可以或者布局成均衡地橫過模具的周邊而冷卻，或者以專用方式進(jìn)行布局。后者能夠局部緩解關(guān)鍵位置(“熱點”)和/或可以減小所制造斷面的殘余應(yīng)力以及變形(翹曲、扭曲)。
冷卻回路可以是封閉的或開放的，這意味著冷卻介質(zhì)可以或者是循環(huán)的(包括其到模具的傳輸以及從模具的傳輸)，或者是在用過之后流出到環(huán)境中。這兩種選擇都可以將用于蒸發(fā)冷卻介質(zhì)的潛在熱量用作附加的冷卻機(jī)構(gòu)。
冷卻回路可以設(shè)置有控制裝置。這樣，在擠壓過程期間和/或在隨后的擠壓之間的冷卻操作可以是合適的，以便校準(zhǔn)擠壓期間和/或生產(chǎn)運行期內(nèi)的閃蒸溫度。
冷卻回路可以用來冷卻，也可以用來預(yù)熱模具。這在生產(chǎn)開始時和停工期期間可能是有利的，和/或有利于避免坯料變冷。
那些變型對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將很顯然，并且在所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于擠壓成型的設(shè)備，其尤其用于金屬的擠壓成型，所述設(shè)備包括限定用于待擠壓材料的通道的擠壓本體，包括具有在定徑帶開口入口表面與定徑帶開口出口表面之間延伸的定徑帶開口的模具，并且其中，冷卻裝置設(shè)置在限定所述定徑帶開口出口表面的上游擠壓通道的所述本體中，其特征在于，所述本體的材料在導(dǎo)熱系數(shù)方面不同，以便限定冷卻路徑。
2.一種用于擠壓成型的設(shè)備，其尤其用于金屬的擠壓成型，所述設(shè)備包括限定用于待擠壓材料的通道的擠壓本體，包括具有在定徑帶開口入口表面與定徑帶開口出口表面之間延伸的定徑帶開口的模具，并且其中，冷卻裝置設(shè)置在限定所述定徑帶開口出口表面的上游擠壓通道的所述本體中，其特征在于，所述模具通過快速成型而制造，并且設(shè)置有專用的冷卻系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其中，所述本體包括多孔結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，所述冷卻路徑包括導(dǎo)熱系數(shù)增大的區(qū)域，所述區(qū)域通過用具有比周圍材料和/或所述多孔結(jié)構(gòu)的材料更高導(dǎo)熱系數(shù)的材料填充小孔而形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的設(shè)備，其中，所述本體包括設(shè)置成用于使冷卻介質(zhì)流過的冷卻通道。
6.根據(jù)權(quán)利要求3-5中任一項所述的設(shè)備，其中，所述本體包括由所述本體的開放、多孔結(jié)構(gòu)的部分而形成的路徑，所述路徑與冷卻通道是在流體上是連通的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的設(shè)備，其中，所述本體包括多孔結(jié)構(gòu)，并且其中，強(qiáng)度增大的區(qū)域通過用具有比周圍材料和/或所述多孔結(jié)構(gòu)的材料更高強(qiáng)度的材料填充小孔而形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求3-7中任一項所述的設(shè)備，其中，所述多孔結(jié)構(gòu)包括燒結(jié)的顆粒。
9.根據(jù)權(quán)利要求3-8中任一項所述的設(shè)備，其中，所述多孔結(jié)構(gòu)包括密度增大的區(qū)域，所述區(qū)域限定用于冷卻路徑和/或冷卻通道的邊界。
10.根據(jù)權(quán)利要求3-9中任一項所述的設(shè)備，其中，所述多孔結(jié)構(gòu)制作成多層的。
11.根據(jù)權(quán)利要求3-10中任一項所述的設(shè)備，其中，所述多孔結(jié)構(gòu)包含鋼。
12.根據(jù)權(quán)利要求3-11中任一項所述的設(shè)備，其中，限定所述冷卻路徑的所述填充材料包含銅。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-12中任一項所述的設(shè)備，其中，所述冷卻裝置布置成冷卻所述模具的所述定徑帶開口的至少一部分表面。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-13中任一項所述的設(shè)備，其中，所述入口區(qū)的至少一部分表面被冷卻。
15.根據(jù)權(quán)利要求1-14中任一項所述的設(shè)備，其中，所述入口區(qū)朝向所述定徑帶開口會聚。
16.根據(jù)權(quán)利要求1-15中任一項所述的設(shè)備，其中，所述入口區(qū)是錐形的。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的設(shè)備，其中，所述設(shè)備是所述模具。
18.一種用于制造擠壓本體的方法，所述擠壓本體限定用于待擠壓經(jīng)過模具的通道，所述模具具有在定徑帶開口入口表面與定徑帶開口出口表面之間延伸的定徑帶開口，其中，通過區(qū)分導(dǎo)熱系數(shù)不同的本體材料，冷卻裝置設(shè)置在限定所述定徑帶開口出口表面的上游擠壓通道的所述本體中，以便限定冷卻路徑。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述本體至少部分制作成多孔結(jié)構(gòu)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述冷卻路徑通過用具有比周圍材料和/或所述多孔結(jié)構(gòu)的材料更高導(dǎo)熱系數(shù)的材料，尤其是銅，來填充小孔而形成。
21.根據(jù)權(quán)利要求18-20中任一項所述的方法，其中，所述冷卻通道設(shè)置在用于使冷卻介質(zhì)流過的所述本體中。
22.根據(jù)權(quán)利要求18-21中任一項所述的方法，其中，強(qiáng)度增大的區(qū)域通過用具有比周圍材料和/或所述多孔結(jié)構(gòu)的材料更高強(qiáng)度的材料，尤其是銅，來填充小孔而形成。
23.根據(jù)權(quán)利要求18-22中任一項所述的方法，其中，所述多孔結(jié)構(gòu)由顆粒制作成生坯結(jié)構(gòu)。
24.根據(jù)權(quán)利要求18-23中任一項所述的方法，其中，所述顆粒包括金屬或陶瓷。
25.根據(jù)權(quán)利要求18-24中任一項所述的方法，其中，所述生坯結(jié)構(gòu)被燒結(jié)。
26.根據(jù)權(quán)利要求18-25中任一項所述的方法，其中，所述生坯結(jié)構(gòu)制作成多層的。
27.根據(jù)權(quán)利要求18-26中任一項所述的方法，其中，所述生坯結(jié)構(gòu)利用快速成型/快速制造技術(shù)而制造。
28.根據(jù)權(quán)利要求18-27中任一項所述的方法，其中，所述本體是所述模具。
全文摘要
一種用于擠壓成型的設(shè)備(1)，其尤其用于金屬的擠壓成型，所述設(shè)備包括限定用于待擠壓材料的通道的擠壓本體，包括具有在定徑帶開口入口表面與定徑帶開口出口表面之間延伸的定徑帶開口(3)的模具(2)，并且其中，冷卻裝置(14)設(shè)置在限定定徑帶開口出口表面的上游擠壓通道的本體中，其特征在于，本體的材料在導(dǎo)熱系數(shù)方面不同，以便限定冷卻路徑。
文檔編號B21C29/04GK101014427SQ200580029928
公開日2007年8月8日 申請日期2005年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月6日
發(fā)明者威廉默斯·許貝蒂娜·希萊肯斯, 馬爾科·許貝特斯·弗蘭希斯卡·瑪麗亞·范豪特 申請人:荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究會(Tno)