帶有改進的冷卻系統(tǒng)的熱成型金屬模具的制作方法
【專利摘要】一種具有一對模具的熱金屬成型裝置，該一對模具在打開位置和閉合位置之間相對于彼此可移動。該模具有對應于期望的沖壓零件形狀的對向金屬成型表面。至少一個細長的熱導管被安裝在至少一個模具內(nèi)用于將熱轉(zhuǎn)移遠離該沖壓零件，因此將該沖壓零件淬火。
【專利說明】帶有改進的冷卻系統(tǒng)的熱成型金屬模具
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2013年11月5日提交的美國臨時申請?zhí)?1/900，003的優(yōu)先權，其內(nèi)容以引用的方式并入本文。
【背景技術】
[0003]1.
技術領域
[0004]本申請大體上涉及熱金屬成型裝置。
[0005]I1.相關領域描述
[0006]有很多需要非常堅硬的部件的工業(yè)應用。例如，在機動車輛中的一些部件(諸如用于機動車輛乘客客艙的豎直柱子)通常是由高強度、輕質(zhì)量的材料構造以在碰撞事故中保護車輛的乘員，然而沒有不適當?shù)卦黾榆囕v的重量。
[0007]用在汽車應用中的一種常見堅硬的材料是馬氏體，碳鋼的同素異形體。為了形成馬氏體部件，帶有硼元素鋼的碳基片料或坯料首先被加熱至大約850至1100攝氏度，這是將金屬坯料轉(zhuǎn)化為奧氏體所必需的溫度。然后，當金屬坯料還熱且在大約450攝氏度的溫度之上時，金屬坯料被定位于沖壓模具內(nèi)，并且模具閉合來使坯料機械地彎曲且成形為通過模具的對向表面(facing surface)限定的期望的部件的形狀。然后，現(xiàn)已形成的部件以足以將奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體的急速的速度被淬火。淬火之后，部件被移除而且允許在空氣中完成冷卻以使向馬氏體的化學變化完成。
[0008]雖然使用熱沖壓方法形成的部件展現(xiàn)充分的硬度，但是在生產(chǎn)設施中執(zhí)行熱沖壓方法是昂貴的。大量的成本是由將在模具內(nèi)現(xiàn)已形成的坯料淬火至充分低的溫度來將奧氏體轉(zhuǎn)變或轉(zhuǎn)化為馬氏體所需要的時間造成的。確實，在先前已知的熱成型金屬模具中，用于在基于沖壓零件的特定輪廓的生產(chǎn)設備內(nèi)將形成的零件淬火的整個周期時間能夠需要10秒或者甚至更多時間。在一些情況下，為了滿足生產(chǎn)需要，如此長的周期時間需要多個沖壓模具的使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明提供了帶有改進的冷卻工具的用于熱金屬成型或熱金屬沖壓的裝置，以在沖壓操作后淬火形成的零件。
[0010]簡言之，本發(fā)明的裝置包括具有被定尺寸以支撐用于熱沖壓操作的坯料的床體的殼體。床體由諸如金屬的熱傳導材料構造并且具有被機加工以支撐全部坯料的表面。
[0011]上模板(upperplate)或上模具被安裝至上“模座”(頂模板)。下模板或下模具被安裝至下模座。上和下“模座”(模板組件)通過導向銷被沿水平方向引導。上和下“模座”(安裝模板)在或液壓或機械的沖壓機內(nèi)以上下垂直運動移動。當上模座處于打開位置從而產(chǎn)生在上和下安裝模板之間的缺口時，加熱的“還料”材料被引導/放置在下工具上。使用氣動的/液壓的或機械的定位器和調(diào)平器(I e ve I er s)的形式定位還料。定位器用來定位還料鋼，以及調(diào)平器用于使用小棘爪保持坯料在水平位置，以便坯料不與任何模具表面接觸，其中坯料與任何模具表面接觸將會在個別區(qū)域開始冷卻坯料，這可影響整體硬度的結(jié)果。當利用壓力機(press)將上模具閉合在下模具上面，然后壓力機在冷卻發(fā)生時保持閉合時，坯料調(diào)平器連同定位器保持坯料在合適的位置。
[0012]至少一個，并且優(yōu)選地多個細長的熱導管被附接至上模具和下模具二者。每個熱導管的一端嵌入在模具的內(nèi)部，而它的相反端定位在模具的外面。
[0013]每一個熱導管包括由熱傳導套管包圍的管狀的而且優(yōu)選地圓柱形的燒結(jié)管芯。熱導管的兩端也通過套管被密封，然而諸如水的流體被包裹(entrapped)在熱導管的內(nèi)部。
[0014]熱導管的一端嵌入在或上模具內(nèi)或下模具內(nèi)，而熱導管的另一端被熱耦合至冷卻機構。例如，熱導管的第二端可以被定位在允許恒定的水流通過模具(tooling)的冷卻液槽、散熱片、冷卻槽或通道，以便能夠在熱導管端保持恒定的水溫，以便將熱從熱導管移除。
[0015]在操作中，容納在熱導管內(nèi)的流體在熱導管的熱端處沸騰，而現(xiàn)在含汽液體進入到燒結(jié)管芯的內(nèi)部。該水汽流向冷卻機構將水汽冷卻回液體的熱導管的另一端。那些液體通過毛細管作用行進通過燒結(jié)管芯返回熱導管的熱端，在熱導管的熱端液體被再次轉(zhuǎn)化為水汽，然后重復該周期。
[0016]因此，通過提供用于上模具和下模具二者的至少一個并且優(yōu)選多個熱導管，模具并且因此沖壓零件可以通過熱導管被迅速地淬火。在操作中，通過熱導管在上模具和下模具二者中合適的使用，可以實現(xiàn)大約I秒的淬火周期時間。
【附圖說明】
[0017]當結(jié)合附圖閱讀時，通過參考以下詳細的描述，將會得到本發(fā)明的更好的理解，其中貫穿幾幅視圖的同樣的參考標志指同樣的部件，而且其中:
[0018]圖1是圖示說明在它們隔開位置的上熱沖壓模具和下熱沖壓模具的示意側(cè)視圖；
[0019]圖2是與圖1類似的視圖，但是圖示說明在沖壓操作期間的在它們的閉合位置的上模具和下模具；
[0020]圖3是大體上沿圖1的線3-3截取的視圖；
[0021]圖4是大體沿圖1的線4-4截取的而且為了清晰而放大的縱向截面視圖；
[0022]圖5是為了清晰而移除零件的熱導管的正面圖；
[0023]圖6是安裝在模具內(nèi)的豎直位置中的一個熱導管的平面視圖；
[0024]圖7是圖示說明安裝在模具中的水平位置中的一個熱導管的平面視圖；
[0025]圖8是成銳角安裝在模具內(nèi)的一個熱導管的視圖；以及
[0026]圖9是圖示說明本發(fā)明裝置的模具的一部分的不連續(xù)截面視圖。
【具體實施方式】
[0027]首先參照圖1和圖2，熱沖壓壓力機10的優(yōu)選實施例被示出。壓力機10包括安裝在下模座內(nèi)的下模具12和安裝在上模座內(nèi)的上模具14，而且下模具12和上模具14都是由諸如金屬的熱傳導材料構造。上模具14和下模具12分別具有對向金屬成型表面15和13，對向金屬成型表面15和13被機加工成對應于期望的沖壓金屬零件的形狀。
[0028]上模具14定位在下模具12之上并且在圖1中圖示說明的打開位置和圖2中圖示說明的較低位置之間可移動。在它的較高位置中，上模具14與下模具12間隔開以使金屬坯料16能夠被插入在模具12和模具14之間。這個金屬坯料16通常是由通常帶有硼的碳基材料構造，其中碳基材料被加熱至大約850攝氏度至1100攝氏度。碳基材料在850攝氏度至1100攝氏度的溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)化成奧氏體。
[0029]任何常規(guī)的機構可以用于加熱金屬坯料16至850攝氏度至1100攝氏度。而且，坯料16可以在插入上模具14和下模具12之間之前或在插入上模具14和下模具12之間之后被加熱至850攝氏度至1100攝氏度。
[0030]在金屬坯料已經(jīng)被插入在上模具14和下模具12之間之后，上模具14和下模具12被移動至圖2中圖示說明的它們的閉合位置。在它們的閉合位置，金屬坯料16被夾在上模具14上的金屬成型表面15和下模具12上的金屬成型表面13之間，以便坯料16呈現(xiàn)上模具14和下模具12的對向表面15和13的形狀。
[0031]可以利用任何常規(guī)的工具來在圖1中圖示說明的它們的打開位置和圖2中圖示說明的它們的閉合或沖壓位置之間移動上模具14和下模具12。例如，液壓或氣壓缸可以用于移動模具12和模具14中的一者或二者朝向或遠離彼此?？商娲兀瑱C械驅(qū)動裝置或甚至電力驅(qū)動裝置可以用于移動模具12和模具14。
[0032]為了將現(xiàn)已形成的金屬坯料16從奧氏體轉(zhuǎn)化成馬氏體，通過模具12和14的閉合形成的沖壓零件16必須迅速地淬火至低于大約250攝氏度的溫度，這個溫度取決于坯料16的材料。
[0033]現(xiàn)在參考圖4和圖5，為了將沖壓零件16淬火，本發(fā)明利用多個熱導管20，其中一個熱導管被示出在圖4和圖5二者中。每個熱導管包括在熱端24和冷卻端26二者閉合的管狀的且圓柱形的燒結(jié)管芯22。管芯22可以由許多不同類型的材料構造，諸如燒結(jié)銅或燒結(jié)銅/鎳材料。由于管芯22是由燒結(jié)材料構造，管芯22在貫穿它的端部24和端部26之間的長度依然多孔。
[0034]整個管芯22被包裹在形成封閉容腔29的流體不可滲透的套管28內(nèi)。套管28可以由銅、銅/鎳合金或提供的任何其他材料制成，然而，套管28展現(xiàn)高熱導率。
[0035]依然參照圖4和圖5，諸如水的液體部分地填充套管28的內(nèi)部容腔29，并且液體因此被包裹在管芯22和管芯22的內(nèi)部孔30內(nèi)。然而，其它液體可以替代地被使用。此外，流體僅填充了容腔29的容積的一小部分。
[0036]如將在隨后更詳細的描述中，熱導管20的熱端24被鄰近加熱的沖壓零件定位，而熱導管20的冷卻端26被定位在冷卻劑(諸如，水浴槽或水力槽(water channel)、冷卻空氣等)內(nèi)。在操作中，容納在套管28的內(nèi)部容腔29內(nèi)的液體在熱導管的熱端變熱并且沸騰或汽化。然后水汽朝向定位在冷卻劑內(nèi)的熱導管的冷卻端26行進。在熱導管20的冷卻端，熱從熱導管20轉(zhuǎn)移至冷卻劑，而且水汽凝結(jié)成液體并進入管芯。通過毛細管作用，液體從熱導管20的冷卻端26穿過管芯并朝向熱導管22的熱端24行進，如在圖4中通過箭頭32所指示的。一旦液體到達熱導管20的熱端24，液體再次被汽化或沸騰，而且上述過程被重復。
[0037]因此，熱導管20用于從它的熱端24移除熱，并且用于使熱消散在它的冷卻端26處。如圖9所示，為了進一步提高和便利熱導管20的熱移除特性，熱導管20的冷卻端26優(yōu)選地在冷卻槽或通道34、散熱片、散熱器或者其他常規(guī)熱移除設備中的任一者內(nèi)冷卻。
[0038]現(xiàn)在參考圖1和圖3，多個熱導管20被定位在上模具14和下模具12中的至少一個，而且優(yōu)選定位在二者中。每個熱導管20的熱端24被鄰近上模具14和下模具12的對向表面定位，并且因此靠近坯料16。相反地，每個熱導管20的冷卻端26從其相關的模具12或模具14向外延伸。而且，這個冷卻端26優(yōu)選地定位在冷卻槽34或其他機構內(nèi)來從熱導管20的端部26移除熱。
[0039]如在圖9中也許最好的示出，熱導管20的熱端24被緊鄰下模具的工作表面13或者上模具的工作表面15定位。熱導管20的熱端24優(yōu)選地被定位成距離模具14的金屬成型表面15 二分之一英寸或者少于二分之一英寸。相反地，熱導管20的冷卻端26遠離模具14的金屬成型表面15間隔開，而且優(yōu)選地定位在冷卻劑槽或冷卻劑管道34內(nèi)。管道34可以通過任何合適的液體(諸如水)冷卻。
[0040]為了使通過熱導管20的熱轉(zhuǎn)移最大化，鄰近它們的熱端24的熱導管20的部分緊貼地定位在模具14內(nèi)的它們的接收開口內(nèi)。在鄰近它們的熱端24的熱導管20和模具14之間的適貼配合保證了模具14和熱導管20之間的高效熱傳導性。諸如潤滑脂或環(huán)氧樹脂的熱傳導材料也可以在熱導管20的熱端24之間使用來使從模具14和到熱導管20的熱導率最大化。
[0041]熱導管20的長度、直徑和數(shù)量將會根據(jù)應用變化。然而，在用于機動車輛乘客客艙的柱子從坯料被沖壓的應用中，熱導管20可以在2英寸和10英寸之間的長度內(nèi)變動，而且直徑大約二分之一英寸。熱導管20可以以任何合適的方式彼此間隔開二分之一英寸和兩英寸之間，諸如圖3圖示說明的方式。
[0042]在操作中，當模具12和模具14在圖1中圖示說明的它們的打開位置和圖2中圖示說明的它們的閉合位置之間被移動時，熱從坯料16轉(zhuǎn)移至模具12和模具14。那些熱進而通過熱導管20被移除，因此有效地將現(xiàn)已形成的坯料16淬火并將奧氏體材料轉(zhuǎn)化成馬氏體。
[0043]現(xiàn)在特別地參照圖2，為了提高從熱導管20的熱端24的熱轉(zhuǎn)移，在每個熱導管20的中間部分周圍任選地提供了隔熱材料36。這個隔熱材料有效地保證了熱從每個熱導管20的熱端24轉(zhuǎn)移并且轉(zhuǎn)移至冷端26，同時最小化來自沿著熱導管20的中心部分的熱傳導的熱對模具12和模具14的加熱。
[0044]現(xiàn)在參考圖1、圖3和圖6，熱導管20被示出以大體上豎直取向安裝在模具12和模具14內(nèi)，并且熱導管如圖3所示同時彼此水平地且豎直地展開。而且，在上模具14內(nèi)的熱導管的分布與下模具12 (在如圖3所示)的熱導管的分布大體上相同。
[0045]雖然熱導管20以大體豎直的方式圖示說明，但是優(yōu)選地稍微成角度(如圖1和圖2中)取向，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，熱導管的其他取向可以被使用。例如，熱導管20可以如圖7所示被大體水平取向。同樣地，熱導管20可以從水平面傾斜(如圖8所示)。
[0046]在實踐中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過使用如圖3圖示說明的許多熱導管，將通過熱沖壓過程形成的零件淬火所必需的周期時間可以減少至大約I秒。
[0047]根據(jù)前文所述，能夠看到，本發(fā)明的沖壓裝置提供了用于熱金屬成型的新穎的沖壓操作，其享有非常短的周期時間。雖然已經(jīng)描述了本發(fā)明，但是在不偏離通過所附權利要求限定的本本發(fā)明的精神和范圍的情況下，對本發(fā)明的很多修改對于本領域技術人員將是明顯的，而且這些修改從屬于本發(fā)明。
【主權項】
1.熱金屬成型裝置，其包含: 一對模具，所述模具中的至少一個在打開位置和閉合位置之間相對于另一個模具可移動，當在所述打開位置時，所述模具被定尺寸以將熱金屬板接收于所述模具之間， 所述模具具有對向金屬成型表面， 安裝在至少一個模具中的至少一個細長的熱導管，所述熱導管具有鄰近所述金屬成型表面中的一個定位的第一端和與所述金屬成型表面隔開的第二端，所述至少一個熱導管具有套管，所述套管形成封閉的內(nèi)部容腔，而且液體部分地填充所述容腔。2.根據(jù)權利要求1限定的所述裝置，其中所述熱導管的所述第二端定位在冷卻劑內(nèi)。3.根據(jù)權利要求2限定的所述裝置，其中所述冷卻劑包含水浴槽。4.根據(jù)權利要求2限定的所述裝置，其中所述冷卻劑包含空氣。5.根據(jù)權利要求1限定的所述裝置，其中所述液體包含水。6.根據(jù)權利要求1限定的所述裝置，其中所述熱導管包括附接至所述套管的內(nèi)表面的管芯。7.根據(jù)權利要求6限定的所述裝置，其中所述管芯包含燒結(jié)金屬。8.根據(jù)權利要求7限定的所述裝置，其中所述燒結(jié)金屬包含銅。9.根據(jù)權利要求8限定的所述裝置，其中所述燒結(jié)金屬包含鎳。10.根據(jù)權利要求1限定的所述裝置，并且包含安裝至所述模具中的至少一個的多個熱導管。11.根據(jù)權利要求1限定的所述裝置，并且包含安裝至兩個模具的多個熱導管。
【文檔編號】C21D1/62GK105934292SQ201480058757
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2014年11月5日
【發(fā)明人】D·楊, A·塔卡克斯
【申請人】馬丁瑞金屬工業(yè)公司