專利名稱：包含微腔的金屬主體以及與其相關(guān)的裝置和方法
包含微腔的金屬主體以及與其相關(guān)的裝置和方法相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本專利申請(qǐng)要求2007年7月5日提交的名稱為"包含微腔的金屬主體以及與其相關(guān)的裝置和方法，，的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No.60/984155的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容通過參考結(jié)合在本文中。
背景技術(shù)：
單片金屬主體可以通過各種方法，例如通過各種擠壓技術(shù)來制造。在擠壓過程中，金屬坯材為固態(tài)的，但在加熱爐中被軟化。進(jìn)行擠壓操作一般是坯材被加熱至超過375°C，以及根據(jù)被擠壓的合金可高達(dá)500°C。當(dāng)擠壓機(jī)的錘體對(duì)擠壓機(jī)的擠壓筒內(nèi)的坯材施加壓力時(shí)，擠壓處理開始，這也通稱為直接擠壓工藝?？蛇x擇地，可將壓力施加至壓靠坯材移動(dòng)的模具組件上，這種處理通稱為間接擠壓。眾所周知液壓機(jī)施加壓力的范圍是100tons至22000 US tons。當(dāng)初始施加壓力時(shí)，坯材被推壓在模具上，變得又短又寬直至由于與擠壓筒壁完全接觸而使其擴(kuò)展受到限制。于是，當(dāng)壓力增加時(shí)，軟的(但仍是固態(tài)的)金屬坯材沒有其它可以延伸的地方，其開始通過模具的成形孔被擠出進(jìn)而在另一側(cè)以完全成形的型材而呈現(xiàn)。完成的擠壓件在模具中被剪切，金屬的剩余部分被除去以便再使用。在金屬制品脫離模具之后，仍然熱的擠壓金屬制品根據(jù)合金可被淬火、機(jī)械處理、以及老化。

發(fā)明內(nèi)容
概括地說，本發(fā)明的公開內(nèi)容涉及具有在其內(nèi)的經(jīng)設(shè)計(jì)的微腔的主體，以及用于制造該主體的裝置和方法。在一個(gè)實(shí)施例中，所述主體為金屬主體，例如鋁主體或鋁合金主體。在一個(gè)實(shí)施例中，金屬主體為單片主體。在一個(gè)實(shí)施例中，金屬主體通過"硬質(zhì)合金"鋁擠壓來制造。硬質(zhì)鋁合金是需要相對(duì)高壓力來擠壓且其在最終回火過程中的拉力屈服強(qiáng)度通常為至少約50ksi的合金。硬鋁合金的實(shí)例包括許多2XXX和7XXX系列合金以及一些6XXX (例如高銅或硅)和8XXX (例如鋁-鋰)系列合金。其它鋁合金可具有硬質(zhì)鋁合金的資格。
一個(gè)或多個(gè)微腔可包含在金屬主體中，并可連續(xù)貫穿該金屬主體 的一部分。通常，微腔的橫截面積小于所述主體的橫截面積。在一個(gè) 實(shí)施例中，微腔具有不大于2mm (平均)的直徑，例如不大于1.5mm (平均)的直徑，或不大于lmm (平均)的直徑。在一個(gè)實(shí)施例中， 微腔具有至少約0.5mm (平均)的直徑。在一個(gè)實(shí)施例中，微腔具有 范圍約0.5mm至約2.0mm(平均)的直徑。在一個(gè)實(shí)施例中，微腔具 有約lmm (平均)的直徑。微腔通常為橢圓形或圓形剖面，但可以是 其它幾何形狀(例如矩形)的剖面。
微腔例如在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控(SHM)中是有用的。擠壓型面的完整 性可采用許多不同的SHM技術(shù)包括光學(xué)或聲-超聲方法沿著其長(zhǎng)度檢 測(cè)。此外，當(dāng)微腔的一側(cè)被堵塞時(shí)，可釆用真空或氣體壓力監(jiān)控技術(shù)。 具有微腔的主體可被應(yīng)用于航空和航天、商業(yè)運(yùn)輸(例如汽車、卡車、 船舶)和土木工程結(jié)構(gòu)/應(yīng)用，僅舉幾個(gè)例子。例如，用于航空和航天 應(yīng)用的縱梁可制造有這樣的微腔。由于金屬主體可用于結(jié)構(gòu)應(yīng)用，因 此微腔的橫截面積(Av)的比率小于金屬主體的橫截面積(Ab)的比 率。這與其它已知的具有大微腔的金屬主體(例如熱交換器)是相反 的，其中，在這種大微腔內(nèi)，用于熱交換器的增大的表面積是有用的。 在一個(gè)實(shí)施例中，Av/Ab比率不大于10。在一個(gè)實(shí)施例中，Av/Ab比 率不大于5。在一個(gè)實(shí)施例中，Av/Ab比率不大于1。在一個(gè)實(shí)施例中， Av/Ab比率不大于0.75。在一個(gè)實(shí)施例中，Av/Ab比率不大于0.5。在 一個(gè)實(shí)施例中，Av/Ab比率不大于0.1。微腔可以是基本直的。微腔可 以具有基本平滑的壁面。微腔在金屬主體的整個(gè)長(zhǎng)度上可以是連續(xù)的， 因此孩y空可以延伸至少0.5米，或至少1米，或至少5米，或至少10 米，或至少15米，或更多。微腔可以在金屬主體的整個(gè)長(zhǎng)度上比較均 勻。雖然這里描述的是圓柱類型的微腔，但也可以是其它的微腔形狀， 并且這種形狀取決于所選擇的芯棒的形狀，如下所述。
二微腔可被包含在例如任何硬質(zhì)鋁合金金屬主體中。在一個(gè)實(shí)施例中，這種金屬主體可被應(yīng)用在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中，其中這種結(jié)構(gòu)可通過微腔 被監(jiān)控/測(cè)試。在一個(gè)實(shí)施例中，金屬主體可用于飛行器。在一個(gè)實(shí)施 例中，金屬主體是飛行器的結(jié)構(gòu)組件，例如像機(jī)身縱梁、機(jī)身構(gòu)架、 機(jī)翼縱梁等。在其它的實(shí)施例中，金屬主體可以用于非航空和航天應(yīng) 用，例如汽車、火車、船舶、油和氣、以及支撐結(jié)構(gòu)，僅舉幾個(gè)例子。 例如，金屬主體可包含在卡車、拖車、火車、地鐵、電車、軌道車、 和/或其它運(yùn)輸車輛的構(gòu)架軌道或橫梁中。金屬主體可用于船身加強(qiáng)、 船甲板和/或上部結(jié)構(gòu)中。金屬主體可用于油氣提升器、鉆柱和/或平 臺(tái)結(jié)構(gòu)中。金屬主體可用于船橋甲板和/或其它基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。金屬主體可 用于渦輪葉片。金屬主體可用于車輛驅(qū)動(dòng)軸線或其它適當(dāng)應(yīng)用。簡(jiǎn)而 言之，金屬主體可用于任何能夠受益于監(jiān)控/測(cè)試金屬主體的完整性的 結(jié)構(gòu)應(yīng)用中，而實(shí)質(zhì)上不會(huì)劣化金屬主體的強(qiáng)度、韌性、疲勞壽命、 或其它的相關(guān)材料特性。
本發(fā)明還公開了用于制造微腔的模具。所述模具可用于直接或間 接擠壓工藝。在一個(gè)方法中，模具包括設(shè)置在該模具內(nèi)的曲折通道，
該曲折通道包括用于接收金屬原料的入口區(qū)、用于排出金屬制品的出
口區(qū)、和位于該入口區(qū)與出口區(qū)之間的中間區(qū)。在這個(gè)方式中，；f莫具 可包括與該模具固定地互連的芯棒，其中，該芯棒的第一部分位于所 述通道的中間區(qū)內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，所述芯棒的第一部分延伸該中 間區(qū)的長(zhǎng)度的至少三分之一。在一個(gè)實(shí)施例中，所述芯棒延伸該中間 區(qū)的長(zhǎng)度的至少一半。在一個(gè)實(shí)施例中，芯棒不在出口區(qū)。因此，在 金屬的擠壓過程中，金屬可流動(dòng)通過該模具的通道并圍繞所述芯棒的 至少第一部分通過。當(dāng)金屬移動(dòng)離開所述芯棒并進(jìn)入出口區(qū)中時(shí)，可 以在所述金屬內(nèi)產(chǎn)生環(huán)隙。伴隨著金屬的移動(dòng)，金屬冷卻，然后使該 環(huán)隙定型并限定連續(xù)微腔。通過將芯棒的第 一部分定位于所述中間區(qū)， 但使所述芯棒不在出口區(qū)，直接或間接擠壓工藝過程中產(chǎn)生的大擠壓 力(在鄰近模具的出口區(qū)在縱向上更明顯)不會(huì)明顯影響芯棒(例如 使其割裂，使其剝離)，由此允許在金屬主體中形成連續(xù)微腔。此外， 作用在流動(dòng)的金屬材料上的壓力可保持在加強(qiáng)所述金屬的再結(jié)合的水平，從而制得具有連續(xù)微腔的金屬主體。
所述芯棒(有時(shí)指的是細(xì)絲)可以是任何用于/適于抵抗金屬擠壓 條件的材料。在一個(gè)實(shí)施例中，所述芯棒可以與模具成一體。例如， 芯棒可以與模具的第一板(例如橋板)成一體。在一個(gè)實(shí)施例中，所 述第一板包括至少一個(gè)孔眼，例如一些成對(duì)的孔眼。在成對(duì)的孔眼方 式中，每個(gè)孔眼可通過輻板與它的相鄰孔眼分離。在一個(gè)實(shí)施例中， 輻板^U幾加工以制造所述芯棒。
在另一個(gè)實(shí)施例中，所述芯棒可以是與所述模具非成一體的(分 離的部件)。例如，輻板可包括一個(gè)或多個(gè)互補(bǔ)部件(例如陰螺紋)以 容納和接合芯棒的一個(gè)或多個(gè)互補(bǔ)部件(例如陽螺紋)。在這個(gè)實(shí)施例 中，所述芯棒可以是可拆卸的芯棒，其易于與模具的橋板接合和分離。 在另一實(shí)例中，所述模具可以包括與所述芯棒固定地互連的盒，并且 該模具可以包括用于容納該盒的槽。在一個(gè)實(shí)施例中，所述槽包括與 所述中間區(qū)和盒連通的孔，該孔適于容納所述芯棒。在一個(gè)實(shí)施例中， 所述孔的尺寸形成為限制性地接合所述芯棒的外表面。在一個(gè)實(shí)施例 中，模具包括模具帽和與該模具帽互連的供給件，其中，由于互連， 模具帽和供給件限定曲折通道的至少一部分。所述曲折通道用來產(chǎn)生 適當(dāng)構(gòu)型的擴(kuò)展金屬主體。在一個(gè)實(shí)施例中，供給件包括所述槽，所 述模具還包括密封件，該密封件適于與供給件的近端互連以密封所述 模具中的盒。
所述芯棒可以是剛性的或柔性的。在一個(gè)實(shí)施例中，所述芯棒由 與模具相同的材料(例如與橋板相同的材料)構(gòu)成。在另 一實(shí)施例中， 芯棒由與模具不同的材料構(gòu)成。例如，芯棒可以是金屬絲或螺釘?shù)男?式并可包括高強(qiáng)度材料例如鋼、鈦或陶瓷。
芯棒可以以與擠壓方向一致的方式定向，并且其可以與模具的中 心軸線類似。在一個(gè)實(shí)施例中，芯棒的第一部分的軸線與模具的中心 軸線一致。在一個(gè)實(shí)施例中，芯棒的第一部分的軸線基本平行于模具 的中心軸線。
注意，微腔的橫截面積通常比圍繞該微腔的主體的橫截面積要小
8得多。因此，在一個(gè)實(shí)施例中，所述通道的出口區(qū)包括模具出口，芯 棒的第一部分的橫截面積與模具出口的橫截面積的比率不大于約1。
在一個(gè)實(shí)施例中，該比率不大于0.5,在一些實(shí)施例中，該比率不大于 0.1。
模具可包括多個(gè)芯棒以在金屬主體中制造相應(yīng)數(shù)量的多個(gè)微腔。 在一個(gè)實(shí)施例中，模具包括第一芯棒(如上所述)和第二芯棒。笫二 芯棒可以與模具固定地互連，其中第二芯棒的第一部分設(shè)置在模具的 中間區(qū)的一部分中。第一和第二芯棒的長(zhǎng)度可相似或不相似。在一個(gè) 實(shí)施例中，第一芯棒的第一部分的長(zhǎng)度大約等于第二芯棒的第一部分 的長(zhǎng)度。在橋式擠壓模的情況下，可采用每對(duì)孔眼一個(gè)芯棒?？舍娪?許多不同的模具類型，例如多孔分流擠壓模。
用于制造具有連續(xù)微腔的金屬主體的方法也被公開。在一種方式 中，方法包括使金屬流動(dòng)通過(例如模具的)通道，該通道包括入 口區(qū)、出口區(qū)、和位于該入口區(qū)與出口區(qū)之間的中間區(qū)；4吏該金屬在 鄰近出口區(qū)處成形為主體；以及伴隨著成形步驟，在該主體內(nèi)制造連 續(xù)微腔，其中該連續(xù)微腔包括不大于2mm的直徑，微腔的直徑與圍 繞該微腔的金屬主體的橫截面積的比率小于1。
在一個(gè)實(shí)施例中，所述方法包括使一部分金屬圍繞設(shè)置在所述通 道的中間區(qū)內(nèi)的芯棒的至少一部分通過。在一個(gè)實(shí)施例中，所述制造 步驟包括使金屬圍繞設(shè)置在所述通道的中間區(qū)內(nèi)的芯棒的至少一部分 通過，并使該金屬移動(dòng)離開芯棒并進(jìn)入到出口區(qū)中，由此在該金屬內(nèi) 產(chǎn)生環(huán)隙。在相關(guān)的實(shí)施例中，所述方法可包括伴隨著使金屬移動(dòng)的 步驟，對(duì)該金屬進(jìn)行冷卻的步驟，由此使所述環(huán)隙定型，在流動(dòng)步驟 之后，該環(huán)隙限定連續(xù)微腔。


圖1A為具有連續(xù)微腔的金屬主體的透視圖； 圖1B為圖1A的金屬主體的剖視圖； 圖1C為具有兩個(gè)連續(xù)微腔的金屬主體的透視圖； 圖1D為圖1C的金屬主體的剖視圖；圖1E為具有連續(xù)微腔的金屬主體的透視圖； 圖1F為圖1E的金屬主體的剖視圖； 圖1G為具有兩個(gè)連續(xù)微腔的金屬主體的透視圖； 圖1H為圖1G的金屬主體的剖視圖2為用于制造具有連續(xù)微腔的金屬主體的模具的一個(gè)實(shí)施例的 透視圖3為圖2的端4見圖4為沿著圖2-3的線4-4的剖視圖5為圖4的剖視圖的特寫；
圖6為圖2的模具的供給件的正視圖7為圖2的模具的盒的俯視透視圖8為模具的部件的實(shí)施例的透視圖9為圖8的橋板的金屬入口側(cè)的透視圖10為顯示用于制造具有連續(xù)微腔的金屬主體的方法的一個(gè)實(shí) 施例的流程圖11為具有不同長(zhǎng)度的芯棒的測(cè)試模具的一個(gè)實(shí)施例的示意性 剖視圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參照附圖，其至少幫助圖解本發(fā)明的各種相關(guān)特征?，F(xiàn)在參 照附圖1A-1H，其示出了金屬主體具有至少一個(gè)連續(xù)微腔的實(shí)施例。 金屬主體由石更質(zhì)鋁合金(例如2XXX, 6XXX， 7XXX或8XXX系列鋁 合金中的任一種)制成并具有連續(xù)微腔。該連續(xù)微腔具有橫截面積 (Av),該橫截面積(Av)小于周圍的金屬主體的橫截面積(Ab)。
例如，參照附圖1A和1B，其示出了由Aluminum Association合 金6060制成的具有Z形型面的金屬主體100。金屬主體100具有連續(xù) 微腔110。連續(xù)微腔110沿著金屬主體100的長(zhǎng)度L延伸。連續(xù)微腔
110通常是直的并且具有平滑的壁面。連續(xù)微腔110具有等于;r(Z)/2)2的
橫截面積(Av)，其中D為微腔的直徑。金屬主體100通常具有幾個(gè)
部分(Am, AB2， Ab3和Ab4)，它們構(gòu)成周圍金屬主體區(qū)域Ab。金屬主體區(qū)域(AB)具有大于微腔110的橫截面積。為了確定Ab的橫截 面積，可使用常規(guī)的測(cè)量和/或數(shù)學(xué)分析。在圖1A-1B的示例中
Av=7t ( D/2 ) 2; ( 1)
AB= AB1+AB2+AB3+AB4- Av; 以及 (2 )
AV/ABS1 ( 3 )
在另一示例中，參照附圖1C和1D，其示出了由Aluminum Association合金2099制成的具有Z形型面的金屬主體120。金屬主體 120具有兩個(gè)連續(xù)微腔130, 132。所述連續(xù)微腔130， 132沿著金屬主 體120的長(zhǎng)度L延伸。每個(gè)連續(xù)微腔130， 132都具有等于7T (D/2) 2 的橫截面積(AV1， AV2),其中D為每個(gè)微腔的直徑。金屬主體120 通常具有幾個(gè)部分(AB1, AB2， AB3， Ab4和Abs),它們構(gòu)成周圍金屬
主體區(qū)域Ab。在圖1C-1D的示例中
Avl=7i ( Dl/2 )2; ( 4 )
AV2=7i ( D2/2 )2; ( 5 )
Av= AV1+ AV2; ( 6 )
AB= AB1+AB2+AB3+AB4+ AB5- AV1- AV2; ( 7 )
AV/AB《10 ( 8 )
在其它示例中，參照附圖IE和1F，其示出了由Aluminum Association合金2099制成的具有L形型面的金屬主體140。金屬主體 140具有連續(xù)微腔150。連續(xù)微腔150沿著金屬主體140的長(zhǎng)度L延 伸。連續(xù)微腔150具有等于7T (D/2) 2的橫截面積(Av)，其中D為微 腔150的直徑。金屬主體140通常具有幾個(gè)部分(AB1, Ab2和Ab3)， 它們構(gòu)成周圍金屬主體區(qū)域Ab。為了確定AB的橫截面積，可使用常
規(guī)的測(cè)量和/或數(shù)學(xué)分析。例如，Ajj2可分成幾個(gè)較小部分(例如AB2_A
和Ab2—b,)，包含在每個(gè)部分(X， Y)中的微腔的數(shù)量可以從每個(gè)部分 的區(qū)域中減去。在這個(gè)示例中，X=Y=l/2，因此入1 2= ( AB2_A-l/2 Av ) + ( AB2-B-l/2 Av )。在圖1E-1F的示例中
Av=7i ( D/2 ) 2; ( 9 )
AB= AB1+ ( A阻-l/2 Av ) + ( AB2—B-l/2 Av ) +AB3; ( 10 )AV/AB《1 ( 11)
在另一示例中，參照附圖 1G和 1H， 其示出了由 Aluminum Association合金2099制成的具有Z形型面的金屬主體160。金屬主體 160具有兩個(gè)連續(xù)微腔172, 174。連續(xù)微腔172， 174沿著金屬主體 160的長(zhǎng)度L延伸。每個(gè)連續(xù)微腔172， 174都具有等于ti (D/2) 2的 橫截面積(AV1， AV2)，其中D為每個(gè)微腔的直徑。如上所述，金屬 主體160通常具有幾個(gè)部分AB1， A肪和Ab其余(未示出)，可使用常規(guī) 的測(cè)量和/或數(shù)學(xué)分析來確定ab的橫截面積。在圖1G-1H的示例中
Avl=7i ( D1/2 )2; ( 12 )
AV2=7i ( D2/2 )2; ( 13 )
Av= AV1+ AV2; ( 14 )
AB= ( AB1- AV1) + ( AB2- AV2) +AB其余； (15 )
AV/AB《1 ( 16 )
如上文的示例所描述的，微腔(Av)的橫截面積的比率小于周圍 金屬主體(AB)的橫截面積的比率，并且通常Av/Ab比率不大于1。 Av和AB的準(zhǔn)確值可以基于每單一個(gè)案來確定并可經(jīng)由測(cè)量和/或各種 數(shù)學(xué)公式來確定。金屬主體可以以任何能夠被擠壓的形狀來制造。連 續(xù)微腔也可以以任何能夠在擠壓期間在金屬主體內(nèi)形成連續(xù)環(huán)隙的形 狀來制造。例如，微腔可用來檢測(cè)其內(nèi)包含有該微腔的金屬主體的結(jié) 構(gòu)完整性。金屬主體內(nèi)可包含任何數(shù)量的微腔。但是，由于擠壓件可 用作(例如飛行器的)結(jié)構(gòu)元件，所以優(yōu)選是較少數(shù)量的微腔。
包含有連續(xù)微腔的金屬主體可通過直接或間接擠壓工藝來制造。 圖2-7示出了可在直接或間接擠壓裝置中使用的用于制造本發(fā)明的金 屬主體的模具的一個(gè)實(shí)施例。在圖2所示的實(shí)施例中，模具組件200 包括密封件210、供給件220、和模具帽230。密封件210、供給件220 和模具帽230可以經(jīng)由鎖合件240、鎖合件孔243 (圖6)和相關(guān)結(jié)構(gòu) (例如定心銷241 (圖6)和相關(guān)的定心銷孔242 )彼此固定地互相連 接。為了制造微腔，相應(yīng)數(shù)量的芯棒222從供給件220的末端(未編 號(hào))朝向模具帽230的末端234延伸。
12特別參照?qǐng)D4和5，芯棒222可從密封件210的盒212延伸通過 供給件220 (例如經(jīng)由圖6所示的孔214)，并進(jìn)入模具組件的焊接區(qū) 250。芯棒222經(jīng)由密封件210的盒212可被保持就位。尤其是，盒 212可包括盒托盤213、盒板215和用于固定安裝芯棒222的齒216。 一個(gè)或多個(gè)芯棒支架226可與供給件220包含在一起以有助于在所需 方位上固定芯棒222和/或幫助制造微腔。
芯棒222延伸入焊接區(qū)250的距離可決定微腔是否被成功制造。 在一個(gè)實(shí)施例中，焊接區(qū)250包括入口區(qū)252、中間區(qū)254和出口區(qū) 256。在該圖示的實(shí)施例中，芯棒222的第一部分223通過入口區(qū)252 延伸，并至少部分地進(jìn)入到焊接區(qū)250的中間區(qū)254內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施 例中，芯棒222的第一部分223延伸中間區(qū)254的長(zhǎng)度的至少三分之 一。在一個(gè)實(shí)施例中，芯棒222的第一部分223延伸中間區(qū)254的長(zhǎng) 度的至少一半。在圖示的實(shí)施例中，芯棒222不在出口區(qū)256中。在 一些實(shí)施例中，芯棒222可延伸進(jìn)入出口區(qū)256內(nèi)。在一些實(shí)施例中， 芯棒222可通過出口區(qū)256延伸，甚至延伸到其外面。在其它的實(shí)施 例中，芯棒222可僅延伸進(jìn)入到入口區(qū)252內(nèi)。重要的是芯棒在焊接 區(qū)延伸得足夠遠(yuǎn)以產(chǎn)生微腔，但由于擠壓過程中施加于芯棒和金屬上 的大的力而不會(huì)延伸遠(yuǎn)到使其受損和/或從模具上離開。在一個(gè)實(shí)施例 中，芯棒222的第一部分223的軸線與模具組件200的中心軸線一致。 在特定的實(shí)施例中，芯棒222的笫一部分223的軸線基本平行于模具 組件的中心軸線，如圖4所示。如圖所示，每個(gè)芯棒222的第一部分 223的軸線通常彼此對(duì)齊。在其它的實(shí)施例中， 一個(gè)芯棒的第一部分 的軸線可橫向于其它芯棒的第一部分的軸線。
由于金屬通過模具組件200被擠壓，因此金屬可流動(dòng)通過模具組 件的曲折通道(例如，至少部分由供給件220的供給口 228和模具帽 的孔232 (圖3)限定的通道)，并且圍繞和接觸一部分芯棒222。當(dāng) 金屬經(jīng)由模具帽230流出該模具組件200時(shí)，每個(gè)芯棒222和/或芯棒 支架226通過不允許那些部分中的金屬填充被芯棒222和/或芯棒支架 226占據(jù)的那些區(qū)域來至少部分地幫助在金屬內(nèi)產(chǎn)生環(huán)隙。當(dāng)所述金屬冷卻并離開模具組件200時(shí)，微腔可由環(huán)隙形成，這些環(huán)隙通過芯 棒222和/或芯棒支架226被制成。
芯棒222可由適于抵抗金屬擠壓條件的任何金屬制成和/或形成。 在一個(gè)實(shí)施例中，芯棒222是柔性的。在另一實(shí)施例中，芯棒222是 剛性的。在一個(gè)實(shí)施例中，芯棒222可包括高強(qiáng)度的彈簧鋼絲。在一 些實(shí)施例中，芯棒222基本為圓柱形，從而制造形狀相似的微腔。在 其它實(shí)施例中，芯棒222可以是其它形狀(例如矩形固體)或任何其 它幾何形狀以制造具有理想形狀的微腔。芯棒222可以如上所述地是 與模具非成一體的。在其它實(shí)施例中，如下文進(jìn)一步詳細(xì)說明的，一 個(gè)或多個(gè)芯棒可以是模具的一部分的整體部件。
現(xiàn)在參照附圖2， 5和6，供給件220可包括一個(gè)或多個(gè)用于容納 4寺擠壓金屬的口 228、 一個(gè)或多個(gè)用于容納芯才奉222的孔214、 一個(gè)或 多個(gè)用于容納盒212的槽229 (圖4和7)、以及用于促進(jìn)供給件220 與模具帽230和/或密封件210互連的各種其它口孔和/或銷?？?228 可(例如經(jīng)由焊接區(qū)250 )與模具帽的一個(gè)或多個(gè)孔口 232連通?？?214可(例如經(jīng)由芯棒222 )與焊接區(qū)250的中間區(qū)254連通。孑L 214 可適于容納芯棒222。在一個(gè)實(shí)施例中，孔214的尺寸為與芯棒222 的外表面限制性地接合。
現(xiàn)參照?qǐng)D6和7，在該示出的實(shí)施例中，盒212用于保持芯棒222, 該盒212可包括盒板215、盒托盤213和齒216。鎖合件240 (例如螺 釘或其它適當(dāng)裝置)可用來使盒212的各個(gè)部件相互連接。齒216可 用來固定地保持芯棒222就位。盒212可裝配在供給件220的槽229 內(nèi)。芯棒222可經(jīng)由供給件220的孔214通過模具組件200 (圖2 )延 伸。盒212可經(jīng)由密封件210與供給件220固定地互連，該密封件210 可經(jīng)由鎖合件240與模具帽230固定地互連。
圖8和9示出了在制造具有一個(gè)或多個(gè)連續(xù)微腔的金屬主體中可 使用的模具的另一實(shí)例。在所示的實(shí)施例中，模板800和橋板820可 用來構(gòu)成模具。該模具可用于直接或間接擠壓裝置。
模板800包括用于與橋板820的口孔822匹配的銷802。模板800還包括至少一個(gè)孔口 804。孔口 804包括才莫具開口 806和含有至少一 部分才莫具開口 806的凹穴808。才莫具開口 806可適用于與金屬和/或橋 板820的一個(gè)或多個(gè)芯棒824的至少一部分連通。模具開口 806的形 狀和尺寸通常被形成為與擠壓的金屬主體的理想構(gòu)造相匹配。凹穴 808的形狀和尺寸通常被形成為與模具開口 806的形狀和尺寸一致， 從而更易于制造擠壓的金屬主體。
橋板820包括上述的銷口孑L 822和芯棒824。橋板還包括多個(gè)主 口 828，它們經(jīng)由輻板826被分離成較小的口 (孔)829。橋板820的 主口 828與孔口 804相結(jié)合可以至少部分地限定用于金屬通過的曲折 通道。
橋板820的主口 828適于容納金屬(例如軟化的鋁合金坯材，該 坯材例如為由硬質(zhì)鋁合金制成的坯材)并允許金屬經(jīng)由較小口 829穿 過其通過。輻板826適于將每個(gè)主口 828的金屬分離成至少兩個(gè)部分。 由于金屬穿過較小口 829并從主口 828出來然后進(jìn)入模板的模具開口 806內(nèi)，再?gòu)目卓?804的凹穴808出來，因此具有模具開口 806的形 狀的金屬主體便形成。與此伴隨的是，由于粘性金屬流動(dòng)通過主口 828 和/或孔口 804,因此金屬會(huì)在其中一個(gè)芯棒824的一部分的周圍流動(dòng) 并與其接觸。當(dāng)金屬經(jīng)模具開口 806從模具組件中流出時(shí)，芯棒通過 不允許在那些部分中的金屬填充被芯棒占據(jù)的那些區(qū)域而至少部分地 幫助了在金屬內(nèi)形成環(huán)隙。當(dāng)金屬冷卻并脫離模具時(shí)，微腔可由通過 芯棒制成的環(huán)隙形成。
如所示，芯棒824與橋板(例如經(jīng)由輻板826)形成一體。在其 它的實(shí)施例中， 一個(gè)或多個(gè)芯棒可以是與模板非成一體的，并且可以 是可移去的部件。例如，輻板826可包括一個(gè)或多個(gè)互補(bǔ)部件(例如 陰螺紋)，其適于容納并接合芯棒824的一個(gè)或多個(gè)互補(bǔ)部件(例如陽 螺紋)。在這個(gè)實(shí)施例中，芯棒824可以是可移除的芯棒，其易于與模 具的橋板接合和分離。
本發(fā)明也提供了制造具有連續(xù)微腔的金屬主體的方法。圖10中示 出了一個(gè)方法的實(shí)施例。在該實(shí)施例中，所述方法(IOOO)包括使金屬流動(dòng)通過模具的通道(1010);使金屬形成為主體(1020);以及 伴隨著形成步驟(1020)，在主體內(nèi)制成連續(xù)微腔(1022)。流動(dòng)步驟 (1010)可包括預(yù)處理待擠壓的金屬(例如，將金屬坯材加熱至適當(dāng)?shù)?擠壓溫度，例如至少約300。C或約375°C,以及高達(dá)約500。C或約 550°C)。流動(dòng)步驟(1010)可包括將力施加到金屬上以將金屬擠壓通 過模具，例如通過模具的曲折通道。所述曲折通道可包括入口區(qū)、出 口區(qū)和位于入口區(qū)與出口區(qū)之間的中間區(qū)。使金屬形成為主體的步驟 (1020)可包括使金屬穿過所述的曲折通道，其中所述主體在鄰近出口 區(qū)處形成。制成連續(xù)微腔步驟(1022 )可包括使金屬圍繞芯棒的至少 一部分通過(1024 )，該芯棒設(shè)置在曲折通道的中間區(qū)內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施 例中，芯棒的長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)以易于制造金屬主體的連續(xù)微腔，但由于施 加用來實(shí)現(xiàn)流動(dòng)步驟(1010)的力，所述長(zhǎng)度不會(huì)長(zhǎng)到使其受損和/ 或從模具上分離。
所述方法(1000 )可包括將金屬?gòu)男景羯弦苿?dòng)離開并進(jìn)入出口區(qū) 中，由此在金屬內(nèi)產(chǎn)生環(huán)隙的步驟。在相關(guān)的實(shí)施例中，所述方法 (1000 )可包括伴隨著移動(dòng)金屬的步驟對(duì)金屬進(jìn)行冷卻，由此定型環(huán)隙 的步驟，其中在流動(dòng)步驟(1010)之后，環(huán)隙限定連續(xù)微腔。在一個(gè) 實(shí)施例中，具有連續(xù)微腔的金屬主體包括不大于2mm的直徑。在一 個(gè)實(shí)施例中，微腔的直徑與該微腔周圍的金屬主體的橫截面積的比率 小于1。
實(shí)例
實(shí)例1
制造與圖2類似的模具組件。金屬通過直接擠壓被擠壓，與上文 所述的類似。產(chǎn)生既扁平又非線性的型面。連續(xù)微腔形成在金屬主體 中，微腔具有與芯棒的直徑類似的直徑。對(duì)所制得的金屬主體進(jìn)行斷 層X光分析表明微腔是連續(xù)的、直的并且具有平滑的壁面。微腔的連 續(xù)性也通過透射過該微腔的激光得到論證。
實(shí)例2
各種長(zhǎng)度的芯棒與圖2類似的模具固定地互連。圖11示出了芯棒的構(gòu)造。所述芯棒伸進(jìn)入模具的焊接區(qū)約10mm (芯棒1)至約20mm (芯棒2)。 2XXX系列合金經(jīng)由直接擠壓被擠壓通過模具。擠壓機(jī)為 IOMN壓力機(jī)。擠壓筒襯的直徑為約146mm。芯;唪具有約5mm的直 徑?？倝毫Ρ嚷蕿榧s59:1。進(jìn)料之后壓力比率為約6:1。焊接腔在進(jìn) 料之后具有約10mm的高度。支承面的長(zhǎng)度為約8mm。錘擊速度為約 lmm/秒。坯材溫度為約550。C。擠壓筒襯的溫度為約450°C。工具的 溫度為約380。C。
芯棒1和2未能在經(jīng)擠壓的金屬主體內(nèi)制成微腔，而芯棒3， 4， 5和6在金屬主體中制成微腔。芯棒l失敗是因?yàn)樗滩⑶覜]有在 模具的焊接區(qū)中延伸足夠遠(yuǎn)。芯棒2失敗是因?yàn)樗L(zhǎng)并且由于在擠 壓工藝處理過程中被擠壓金屬切斷。芯棒3-6至少部分地延伸進(jìn)入焊 接區(qū)的中間區(qū)內(nèi)(不像芯棒1 )，但不會(huì)延伸進(jìn)入焊接區(qū)的出口區(qū)內(nèi)(不 像芯棒2),因此能夠至少部分地幫助在擠壓的金屬主體中制成連續(xù)微 腔。
實(shí)例3
制造與圖8和9類似的模具組件。Aluminum Association合金2099
被擠壓通過模具。制得與圖1E和1G類似的金屬主體。連續(xù)微腔形成 在金屬主體中，并且微腔具有與芯棒的直徑類似的直徑。對(duì)所制得的 金屬主體進(jìn)行斷層X光分析表明微腔是連續(xù)的、直的并且具有平滑的 壁面。微腔的連續(xù)性也通過透射過該微腔的激光得到論證。
雖然已經(jīng)對(duì)本發(fā)明的各種實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述，但本領(lǐng)域技術(shù) 人員顯然可以對(duì)這些實(shí)施例做出變更和修改。然而，顯然要理解的是 這種變更和修改落在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。
1權(quán)利要求
1.一種單片金屬主體，包括包含在該金屬主體中的連續(xù)微腔，其中，金屬主體包括硬質(zhì)鋁合金，金屬主體的橫截面積與微腔的橫截面積的比率不大于10。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的單片金屬主體，其特征在于，微腔包括 不大于5mm的直徑。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單片金屬主體，其特征在于，微腔包括 不大于2mm的直徑。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單片金屬主體，其特征在于，微腔包括 至少約0.5mm的直徑。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單片金屬主體，其特征在于，金屬主體 的橫截面積與微腔的橫截面積的比率不大于1。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單片金屬主體，其特征在于，金屬主體 的橫截面積與微腔的橫截面積的比率不大于0.5。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單片金屬主體，其特征在于，金屬主體 的橫截面積與微腔的橫截面積的比率不大于0.1。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單片金屬主體，其特征在于，金屬主體 由擠壓的硬質(zhì)鋁合金制成。
9. 一種擠壓模具，包括設(shè)置在模具內(nèi)的曲折通道，該曲折通道包括用于接收金屬原料的 入口區(qū)、用于排出金屬制品的出口區(qū)和位于入口區(qū)與出口區(qū)之間的中 間區(qū)；以及與模具固定地互連的芯棒，其中，芯棒的第一部分設(shè)置在所述通 道的中間區(qū)內(nèi)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，芯棒不在所述通 道的出口區(qū)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的裝置，其特征在于，所述芯棒的第一 部分延伸所述中間區(qū)的長(zhǎng)度的至少三分之一。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述芯棒的笫一 部分延伸所述中間區(qū)的長(zhǎng)度的至少一半。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述芯棒適于抵 抗金屬擠壓條件。
14. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述模具包括 與所述芯棒固定地互連的盒，所述模具包括用于容納所述盒的槽。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述槽包括與所 述中間區(qū)和盒連通的孔，所述孔適于容納所述芯棒。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，所述孔的尺寸形 成為限制性地接合所述芯棒的外表面。
17. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述模具包括模 具帽和與該模具帽互連的供給件，由于互連，所述模具帽與供給件限 定所述通道。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，所述供給件包括 所述槽，所述模具還包括適于與所述供給件的近端互連的密封件，以 密封所述模具內(nèi)的所述盒。
19. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述通道的出口 區(qū)包括模具出口 ，所述芯棒的第一部分的橫截面積與該模具出口的橫 截面積的比率不大于1。
20. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述芯棒為第一 芯棒，所述裝置還包括與所述模具固定地互連的第二芯棒，該第二芯棒的第一部分設(shè)置 在所述中間區(qū)的一部分中。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，所述第一芯棒的 第一部分的長(zhǎng)度大約等于所述笫二芯棒的第一部分的長(zhǎng)度。
22. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述芯棒的第一 部分的軸線與所述模具的中心軸線一致。
23. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述芯棒的第一 部分的軸線基本上平行于所述模具的中心軸線。
24. —種用于制造金屬主體的方法，該金屬主體具有包含在其內(nèi)的連續(xù)微腔，所述方法包括使金屬流動(dòng)通過通道，該通道包括入口區(qū)、出口區(qū)和位于該入口區(qū)與出口區(qū)之間的中間區(qū)；使金屬在鄰近所述出口區(qū)處形成為主體；伴隨著所述形成步驟，在所述主體內(nèi)制造連續(xù)微腔，其中，所述連續(xù)微腔包括不大于約5mm的直徑。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，所述形成步驟包括使一部分金屬圍繞設(shè)置在所述通道的中間區(qū)內(nèi)的芯棒的至少一部分通過。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，所述制造步驟包括使金屬移動(dòng)離開所述芯棒并進(jìn)入所述出口區(qū)中，由此在所述金屬內(nèi)產(chǎn)生環(huán)隙；伴隨著所述移動(dòng)步驟對(duì)所述金屬進(jìn)行冷卻，由此將環(huán)隙定型，其中，在流動(dòng)步驟之后，所述環(huán)隙限定所述連續(xù)微腔。
27. —種擠壓的航空和航天結(jié)構(gòu)件，包括連續(xù)微腔，其中，所述
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單片金屬主體(100，120，140，160，例如硬質(zhì)鋁合金)，其包括包含在該金屬主體內(nèi)的連續(xù)微腔(110，130，150，172，174)。所述金屬主體的橫截面積(A_B)與微腔的橫截面積(A_V)的比率可以不大于10。所制得的金屬主體可以用于結(jié)構(gòu)應(yīng)用(例如飛行器)中以監(jiān)測(cè)或測(cè)試該金屬主體的完整性。
文檔編號(hào)B21C23/02GK101687237SQ200880023534
公開日2010年3月31日 申請(qǐng)日期2008年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月5日
發(fā)明者A·霍夫曼, H·魏蘭, J·劉, M·海尼曼, R·C·帕爾 申請(qǐng)人:美鋁公司