專利名稱：：一種模具組件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明一般地涉及一種新穎的用于擠壓和拉拔鐵和非鐵金屬的模具組件，同時(shí)涉及一種制造所述模具組件的方法。
背景技術(shù)：
：從模具最初為人們所發(fā)明至今，其結(jié)構(gòu)無創(chuàng)新變革；其僅在材料方面有所改進(jìn)，現(xiàn)在則進(jìn)入結(jié)合涂覆技術(shù)的狀態(tài)。使生產(chǎn)成本的降低和工作性能的改善成為可能的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新在本領(lǐng)域高度重要。有必要開發(fā)一種新穎的具有高強(qiáng)度的模具容器和用強(qiáng)力將模心裝配到這類系統(tǒng)上的安全方法。4,270,380號(hào)美國專利提供了一種具有中間層的模具組件，所述中間層處于模尖與加熱液相線溫度范圍為500。C-570。C的全晶陶瓷材料構(gòu)成的殼之間。在使用所述組件的過程中固化中間層在所述尖上保持均勻的縮配壓縮，從而使得有可能克服模具開裂，使其工作性能得到改善。WO2005058519號(hào)國際專利申請描述了一種具有才莫心和至少兩個(gè)容納模心的預(yù)應(yīng)力圏的金剛石模具及其制造方法。所述至少兩個(gè)圏可以被縮配、壓配或以其它方式圍繞彼此形成，使彈性和塑性變形得以發(fā)生并使所述圏處于接近屈服狀態(tài)而非屈服狀態(tài)。在所述模心與所迷殼之間具有中間層的模具也在1477497號(hào)俄羅斯專利中得到描述，其特征在于，中間層材料的屈服強(qiáng)度為所迷殼材料的0.5-0.9倍。厚度為0.25mm的中間層通過將所述心浸漬在溶解的中間層材料中形成。涂覆有中間層的模心然后被縮配到被預(yù)加熱的殼上，被預(yù)加熱的殼的內(nèi)表面裝配前用螺紋梳刀制出金屬螺紋。結(jié)果獲得壽命較長的易移除模具。通過采用迄今已知的模殼及組裝方法，有可能通過用強(qiáng)力裝配模心并在用強(qiáng)力裝配輕質(zhì)模心時(shí)防止模具開裂來顯著改善其工作性能。如果用耐磨材料如抗拉強(qiáng)度低而抗壓強(qiáng)度高的超硬合金制成的模具以模心不開裂的安全方式用強(qiáng)力加以裝配，其工作性能會(huì)顯著改善。本發(fā)明的目的是通過提供一種高強(qiáng)度剛性模具容器系統(tǒng)和一種在模具免于開裂的情況下用強(qiáng)力將模心組裝到該模具容器系統(tǒng)上的方法獲得一種工作性能得到改善的耐用模具組件。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供的模具組件包括模心；至少一個(gè)圍繞模心設(shè)置的預(yù)應(yīng)力圏；和圍繞所述圏的模殼。所述圏在超過其材料屈服極限的壓應(yīng)力下產(chǎn)生塑性變形而硬化，所述心和所述圏的配合幾何特征(feature)是朝出口漸縮的。按照本發(fā)明，模心材料優(yōu)選地選自硬質(zhì)合金、超硬合金、氮化物、碳化物、人造金剛石或它們的組合。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，模殼材料選自鋼或合金鋼，優(yōu)選硬度范圍為HRC40-55。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，預(yù)應(yīng)力圏的無量綱厚度D2/d2為1.15-1.3，其中02和d2分別為所述圈的外徑和內(nèi)徑。按照本發(fā)明，圈料優(yōu)選地選自鋼、合金鋼或強(qiáng)度和塑性變形性能與鋼和合金鋼相同的鐵/非鐵金屬合金，其優(yōu)選硬度范圍為HRC30-45。在一個(gè)實(shí)施例中，所述模具和所述圏的配合幾何特征是以角度1°-3°朝其出口漸縮的。本發(fā)明還提供一種形成按照本發(fā)明的模具組件的方法，所述方法包括以下步驟a)磨削所述模具的漸縮外表面；b)對所述圏和所述模殼進(jìn)行機(jī)加工和熱處理，并對所述殼與所述圏之間的界面進(jìn)行磨削或精加工；c)將所述圏塑性壓配到所述模殼的內(nèi)表面上使所述圏的壓應(yīng)力比其材料的屈服強(qiáng)度高10%-40%;d)將所壓配的圏的內(nèi)表面加工成與所述模心的錐形相配的錐形；e)將所述模心壓配到所述圏的漸縮內(nèi)表面上。按照本發(fā)明，在步驟a)中模心經(jīng)磨削或精加工成使其外表面粗糙度為Ra1.25或更高。在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，在步驟b)中所述殼與所述圏的界面經(jīng)磨削或精加工成使其粗糙度為Ra2.5或更高。在步驟d)中所述圏的內(nèi)表面可以經(jīng)磨削或精加工成使其粗糙度為Ra2.5或更高。本發(fā)明連同其獨(dú)特的模具容器系統(tǒng)和在模具免于開裂的情況下用強(qiáng)力將所述心組裝到該系統(tǒng)上的新方法使得有可能提供一種性能驚人地高、生產(chǎn)成本較低、尺寸較小的耐用模具組件。圖1是根據(jù)本發(fā)明的模具組件的剖視圖，其中模心被壓配到容納在殼內(nèi)的圏上。圖2是根據(jù)本發(fā)明的模心的剖視圖，其中所述心的外表面是漸縮的；圖號(hào)IO和7分別表示料通過的入口和出口；13表示承載區(qū)。具體實(shí)施例方式一種得到改進(jìn)的高強(qiáng)度模具容器系統(tǒng)本領(lǐng)域技術(shù)人員公知，在單一圓柱模具容器上形成的工作壓力P至多為材料屈服強(qiáng)度的一半；當(dāng)容器具有多于一個(gè)的殼體時(shí)，工作壓力大于材料屈服強(qiáng)度的一半，其由公式(l)描述<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(1)其中(is表示圓柱形殼體材料的屈服強(qiáng)度；n表示圓柱數(shù)；K表示其外徑b與其內(nèi)徑a的比(b/a)。根據(jù)上述/〉式，n=l時(shí)P為0.5os，而n=2時(shí)P為0.66ds。基于Lame公式的公式(1)對應(yīng)于具有一個(gè)以上圓柱的厚圓柱形容器系統(tǒng)?；谒龉皆O(shè)計(jì)的拉模的容器系統(tǒng)尺寸大而難以用于實(shí)踐中。當(dāng)較薄的圏被塑性壓配到較厚的圓柱體上時(shí)，可獲得強(qiáng)度和剛性特別高但尺寸小的模具容器。實(shí)踐證明，這類模具容器系統(tǒng)如果被用在用于擠壓和拉拔以及軸對稱孔的尺寸和類型各異的模具組件時(shí)有很大效果。圖1示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的模具組件，其中模心被組裝在這類模具容器中。圖1中，1表示具有較大厚度的圓柱形殼體，2表示壓配到殼體l上的圏，3表示模心。D,和H,分別表示模殼1的外徑和高度；而山和lM則表示所述模心和所述圏組裝處的模殼1的腔的深度和內(nèi)徑；D2，d2和h,分別表示圏2被裝配到所述殼之前的外徑、內(nèi)徑和高度。模殼1的底12具有充足的厚度，用于卸料的開口8以角度40。-45。漸縮。模具容器系統(tǒng)由較厚的模殼和相對較薄的預(yù)應(yīng)力圏組成，其中殼1的無量綱厚度被表示為a產(chǎn)D,/山，圏的無量綱厚度被表示為a2=D2/d2。at總是高于1.6，a2則處于1.12-1.3的范圍內(nèi)。殼1用鋼或合金鋼制成，圈2用鋼、合金鋼或強(qiáng)度和塑性變形性能與鋼或合金鋼相同的鐵/非鐵金屬合金制成。為了充分提高殼的強(qiáng)度和圏的作用，殼1和圏2經(jīng)熱處理達(dá)到所需硬度。相對較薄的圏2如此塑性壓配到較厚的殼1上，以致圏2凈皮應(yīng)變硬化。結(jié)果，當(dāng)不太高的拉應(yīng)力在模殼1上生成時(shí)，較高的壓應(yīng)力在圏2上形成，使所述殼的強(qiáng)度提高20%。當(dāng)圏2被壓配成具有很大負(fù)公差的塑性變形狀態(tài)時(shí)，超過其材料屈服強(qiáng)度的壓應(yīng)力(預(yù)應(yīng)力)在圏2上生成，在其作用下圏金屬的結(jié)晶體變得更為緊密，其強(qiáng)度得到提高。所獲得的模具容器系統(tǒng)及其高強(qiáng)度使得有可能用較大的力將模心裝配到容器上。此外，因尺寸較小，它成為理想的模具容器。圏2的裝配用壓床進(jìn)行。當(dāng)用壓床使殼1與圏2在界面6上相配時(shí)，所述負(fù)公差與直徑的關(guān)系由公式(2)表示&=D2-山(2)其中D2和d,分別表示裝配前圏2的外徑和殼1的內(nèi)徑。一種新穎的裝配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明還提供一種新穎的裝配方式和心3與容器系統(tǒng)的配合幾何特征，其使得在用強(qiáng)力將模具裝配到所述系統(tǒng)上時(shí)模具開裂可能性降至最小。模心3和圏5的配合幾何特征5是呈圓錐形漸縮的，這導(dǎo)致當(dāng)將心3裝配到圏2中時(shí)整個(gè)配合特征上的均勻壓力逐漸增加。從而，模心3被安全地裝配到圏1上而免于開裂。模心的外表面制成為以一角度漸縮，在考慮到模心3的尺寸、圏2的厚度、模具的工作狀況和任務(wù)時(shí)該角度為1°-3。漸縮，如圖2所示。裝配前模心的上表面9的外徑由D3表示，其高度由H3表示，所述心的外尺寸不大于ISO1684(1975)標(biāo)準(zhǔn)。圈2被裝配到殼1上后，所述圏的內(nèi)表面被精加工成與模心的錐形相配的錐形。模心3用壓床以一定的負(fù)公差32壓配到圏2的漸縮內(nèi)表面上。已壓配到殼1上的圏2再一次在模心3與殼1之間受壓和硬化以便精確而牢固地裝配到模心3上。模心3與圈2的負(fù)公差與直徑的關(guān)系由公式(3)表示S2=D3-d2，(3)其中D3表示模心的上表面9的直徑；(12'表示當(dāng)圏2被加工成與心3的錐形相配的錐形時(shí)距離殼腔底部的高度H3處圏2的內(nèi)徑。殼1、圏2與心3之間的界面以使它們精確地彼此相配的方式通過磨削或機(jī)加工來實(shí)現(xiàn)精加工。由公式(2)和公式(3)表示的^和82參照用于所述模心和所述殼的材料、它們的結(jié)構(gòu)和尺寸來確定。所述圏的作用為了通過使圏的效果最大化從而以安全方式用強(qiáng)力組裝模心來改善模具組件的工作性能，極為重要的是適當(dāng)選擇模心漸縮的角度、圏的材料、其厚度(X2以及負(fù)公差^和&。如果模心以小于1。的角度漸縮，局部裝配壓力可能在裝配過程中出現(xiàn)。如果該角度超過3。，因?yàn)檠b配前所述圏的厚度較薄，難于提供所述圏的所需厚度。負(fù)公差&的值如此確定以致所述圏可通過比其材料屈服極限高10%-40%的較大壓應(yīng)力來受壓和硬化。負(fù)公差62的值如此確定以致模心通過不低于彈性極限的壓應(yīng)力來相配。為了采用適當(dāng)?shù)膰?，正確選擇所述圏的硬度和厚度對增加中間圏的效果尤為重要。如果硬度或剛性不夠高，就不可能在壓配過程中提高中間圈的強(qiáng)度從而獲得具有較大預(yù)應(yīng)力和強(qiáng)度的剛性容器。如果所述圏的硬度太高，就會(huì)因加工和裝配所述界面中精度的缺陷而導(dǎo)致模具開裂。如果所述圈的無量綱厚度012小于1.12就太薄而難于實(shí)現(xiàn)所述圏的配合剛性和高強(qiáng)度。此外，如果其大于1.3就太厚而難于通過較大的壓應(yīng)力受壓和被硬化從而無法獲得輕質(zhì)模具容器。按照^和62的值，所述圏的壓配力P，和所述心的壓配力Pz得到確定。有利于改善成形金屬的工作性能的、通過壓應(yīng)力產(chǎn)生的合理的變形的狀態(tài)可能依賴于P2而出現(xiàn)。由于具有預(yù)應(yīng)力圏的模具容器系統(tǒng)具有高強(qiáng)度，通過強(qiáng)力壓配的模心通過高壓應(yīng)力得到硬化，這有利于模具的工作性能。在組裝過程中，模心3與圏2的圓錐形界面保持在所述心周圍的均勾的壓配壓力，所述壓力逐漸加大從而有效地防止模具開裂。圏2使得模具容器系統(tǒng)能夠具有更高強(qiáng)度以及長期工作的性能。在模具工作過程中，使心結(jié)合的力因重復(fù)的工作壓力和熱負(fù)荷而松弛，這導(dǎo)致模具工作性能的改變和疲勞裂紋。但是，由于根據(jù)本發(fā)明的所述圏的內(nèi)外表面被牢固地結(jié)合到殼l和心3上，所述圏的變形量因所述心的圓錐形外表面而受到控制，結(jié)合力大體上得到保持，這使模心具有長期工作性能。如上所述，所述圈在提高所述殼的強(qiáng)度方面具有驚人地高的效果，可防止組裝過程中模具開裂并改善模具的性能。如果兩個(gè)或更多個(gè)圏同樣地塑性壓配，容器系統(tǒng)的強(qiáng)度可進(jìn)一步提高。這類裝配方法可應(yīng)用于制造高壓設(shè)備如制造氮化硼和金剛石的模具。制造本發(fā)明的模具組件的方法模心3用硬質(zhì)合金或其他具有高抗壓強(qiáng)度的耐磨模具材料制成，其外徑不超過ISO標(biāo)準(zhǔn)1684。其外表面以角度1。-3。漸縮。它經(jīng)磨削使粗糙度為Ral.25或更高。本發(fā)明所述心可以具有合理的、為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的內(nèi)部型面11，即形如圓形、橢圓形、多邊形或梯形并具有圓角，以便最佳地支承均勻徑向壓縮便于有均勻內(nèi)部應(yīng)力。相對于D3，所述圏的內(nèi)徑由d^D3-82表示，外徑則由D2=a2d2表示。這樣所述圏的高度等于h,;內(nèi)徑dj被加工成使6,比D2亦即所述圏的外徑短。殼1的內(nèi)徑和圏2的外徑在壓配前進(jìn)行倒角，這有利于壓配。所述殼用鋼、合金鋼制成；所述圏用鋼、合金鋼或強(qiáng)度和塑性變形性能與鋼或合金鋼相同的鐵/非鐵金屬合金制成。在溫度范圍800。C-900。C的條件下，對殼1和圏2進(jìn)行熱處理，然后油冷再回火使殼的硬度達(dá)到HRC40-55,所述圏的硬度達(dá)到HRC30-45。對殼1與圏2之間的界面進(jìn)行精加工使粗糙度為Ra2.5或更高，然后將所述圈以負(fù)公差8,壓配到所述殼上，對界面進(jìn)行潤滑。所述圏被壓配到所述殼上后，通過對其進(jìn)行磨削或精加工使粗糙度為Ra2.5或更高而使內(nèi)徑漸縮。模心3用壓床壓配到所述圏內(nèi)。施加壓力直到所述心到達(dá)殼1的底4。所述心與所述圈之間的界面也予以潤滑。例子表1示出兩類模具的尺寸和裝配特點(diǎn)。它們的殼由合金鋼40Cr構(gòu)成并經(jīng)熱處理佳^更度達(dá)到HRC42和40;它們的圏用合金鋼20Cr制成并經(jīng)熱處理^吏硬度達(dá)到HRC35和32。以表1所示負(fù)公差裝配到所述殼的所述圏受壓并被硬化至塑性變形(壓縮變形)超過它們的材料的屈服極限的狀態(tài)。表1<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>它們的模心都是用^tt合金WC08制成的，其硬度為HRA88。它們的所述心的入口10以角度16°漸縮，出口7以角度40。漸縮，承栽區(qū)的尺寸分別為3mm和2.5mm。如果外徑D2給定，殼l的內(nèi)徑d,較短，差值為&。所述圏和所述才莫心的配合幾何特征是以角度1.95。漸縮的。兩種模具然后以負(fù)公差82進(jìn)行壓配。結(jié)果，模心安全地組裝在所述圏中，通過超過WC08的彈性極限的2100MPa壓應(yīng)力硬化，從而，它們處于有利于模具性能的變形狀態(tài)。因所述殼的強(qiáng)度較高，可安全地完成壓配。兩種對鋼40進(jìn)行拉拔的試驗(yàn)?zāi)＞叩墓ぷ餍阅艿脑u(píng)價(jià)示于表2。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>如表所示，當(dāng)30噸直徑為8.5mm的鋼40由直徑7.5mm模具拉拔時(shí)，所述心的直徑磨損量為0.03mm且無開裂。當(dāng)38噸直徑為7.5mm的鋼40由直徑6.5mm模具拉拔時(shí)，所述心的直徑磨損量為0.045mm且無開裂。權(quán)利要求1.一種模具組件，包括模心；至少一個(gè)圍繞所述模心設(shè)置的預(yù)應(yīng)力圈；和圍繞所述圈的模殼，其特征在于，所述圈通過超過其材料的屈服極限的壓應(yīng)力而被塑性變形和硬化，所述心和所述圈的配合幾何特征是朝出口漸縮的。2.如權(quán)利要求1所述的模具，其中所述模心的材料選自硬質(zhì)合金、超硬合金、氮化物、碳化物、人造金剛石或它們的組合。3.如權(quán)利要求l所述的模具，其中所述模殼的材料選自鋼或合金鋼，優(yōu)選地其石更度范圍為HRC40-55。4.如權(quán)利要求1所述的模具，其中所述預(yù)應(yīng)力圏的無量綱厚度D2/d2為1.12-1.3，其中Dz和d2分別為所述圏的外徑和內(nèi)徑。5.如權(quán)利要求l所述的模具，其中，優(yōu)選地，所述中間圏的材料選自鋼、合金鋼或強(qiáng)度和塑性變形性能與鋼或合金鋼相同的鐵/非鐵金屬合金，其硬度范圍優(yōu)選地為HRC30-45。6.如權(quán)利要求l-5之一所述的模具，其中所述模具與所述圈上的配合幾何特征是以角度1。-3。漸縮的。7.—種形成如權(quán)利要求l-6之一所述的模具組件的方法，包括以下步驟a)對所述模具的漸縮外表面進(jìn)行磨削；b)對所述圏和所述模殼進(jìn)行機(jī)加工和熱處理，并對所述殼與所述圏之間的界面進(jìn)行磨削或精加工；c)將所述圈塑性壓配到所述模殼的內(nèi)表面上，使所述圏的壓應(yīng)力比其材料的屈服強(qiáng)度高10%-40%;d)將所述壓配圏的內(nèi)表面機(jī)加工成與所述模心的錐形相配的錐形；e)將所述模心壓配到所述圏的漸縮內(nèi)表面上。8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中在步驟a)中對所述模心的漸縮外表面進(jìn)行磨削使其粗糙度為Ra1.25或更高。9.如權(quán)利要求7所述的方法，其中在步驟b)中對所迷殼的內(nèi)表面和所述圏的外表面進(jìn)行磨削或精加工使其粗糙度為Ra2.5或更高。10.如權(quán)利要求7所迷的方法，其中在步驟d)中對所述圏的漸縮內(nèi)表面進(jìn)行磨削或精加工使其粗糙度為Ra2j或更高。全文摘要本發(fā)明提供一種新穎的用于擠壓和拉拔鐵和非鐵金屬的模具組件，同時(shí)涉及一種制造所述模具組件的方法。根據(jù)本發(fā)明的模具組件包括模心(3)；至少一個(gè)圍繞模心(3)設(shè)置的預(yù)應(yīng)力圈(2)；和圍繞圈(2)的模殼(1)，其中圈(2)通過將其壓配到殼(1)上而塑性變形并硬化，使所述殼的壓應(yīng)力比其材料的屈服極限高10％-40％，所述心和所述圈的配合幾何特征(5)是朝其出口漸縮的，從而獲得剛性容器系統(tǒng)，其中模心可在模具不開裂的情況下用強(qiáng)力壓配。結(jié)果，通過在模具免于開裂的情況下用強(qiáng)力組裝模心而獲得高性能、小尺寸、低生產(chǎn)成本的耐用模具組件。文檔編號(hào)B21C3/02GK101356021SQ200780001291公開日2009年1月28日申請日期2007年7月15日優(yōu)先權(quán)日2006年7月17日發(fā)明者最乘技申請人:最乘技