混合冲压系统的制作方法

本公开涉及一种用于零件的小批量生产的混合冲压系统。

背景技术：

冲压是一种制造工艺，其包括诸如冲孔、冲裁、压印、压弯、弯边和压花的成形操作。冲压的过程典型地采用压机来通过用模具使工件变形而将该工件定形或切割该工件。冲压过程可以是单工步操作，在单工步操作中，压机的每个冲程在工件上制造期望的形式，或冲压过程可通过一系列工步发生。尽管冲压过程通常在金属板上实施，但其可还用于从其他材料形成部件，诸如聚苯乙烯。

技术实现要素：

一种用于成形工件的混合冲压系统包括冲压机。冲压系统还包括第一模具和第二模具，所述第一模具具有由模具基部材料(这里还称为第一材料)形成的第一模具基部，且配置为安装在所述冲压机中，所述第二模具具有由所述模具基部材料形成的第二模具基部，且配置为对着第一模具安装在所述冲压机中。冲压系统还包括由嵌体材料形成的第一嵌体。第一嵌体具有模具侧和工件侧。第一嵌体的模具侧被铸入且并入到第一模具中，而第一嵌体的工件侧被配置轮廓为成形工件的一侧。

冲压系统还包括由嵌体材料(这里也称为第二材料)形成的第二嵌体。第二嵌体具有模具侧和工件侧。第二嵌体的模具侧被铸入且并入到第二模具中，而第二嵌体的工件侧被配置轮廓为成形工件的另一侧。所述模具基部材料具有第一硬度，所述嵌体材料具有第二硬度，该第二硬度大于第一硬度。所述第一和第二模具安装在所述冲压机中，使得，当所述冲压机操作时，工件在第一嵌体的工件侧和第二嵌体的工件侧之间成形。

第一嵌体可包括第一和第二部段，第二嵌体可类似地包括第一和第二部段。在这样的情况下，第一嵌体的第一部段邻接第一嵌体的第二部段，且第 二嵌体的第一部段邻接第二嵌体的第二部段。

第一和第二嵌体的第一和第二部段的每一个可包括基脚，所述基脚配置为将特定部段支撑在相应的第一或第二模具基部中并提供用于其的基座。

第一嵌体的第一部段经可由第一互锁部与第一嵌体的第二部段联接，第二嵌体的第一部段可经由第二互锁部与第二嵌体的第二部段联接。

第一互锁部和第二互锁部的每一个可包括鸠尾榫连接部。另外，所述第一互锁部和第二互锁部的每一个可包括环氧粘合剂连结部，所述环氧粘合剂连结部配置为在相应的第一和第二嵌体的第一和第二部段之间产生连续过渡部。

所述模具基部材料可以是Kirksite合金，所述嵌体材料可以是工具级钢。

第一和第二嵌体的至少一个的第一和第二部段的至少一个可经由三维(3D)打印工艺成形。

第一和第二嵌体的至少一个的第一和第二部段的至少一个可经由铸造工艺和机加工工艺的至少一个成形。

混合冲压系统可还包括结合元件，所述结合元件具有由模具基部材料形成的结合基部。在这样的情况下，结合元件可安装在冲压机中，且配置为相对于下模具位移，用于使工件从其排出。另外，所述结合元件可包括由所述嵌体材料形成的结合嵌体，使得结合嵌体具有模具侧和工件侧。结合嵌体的模具侧则可铸入且并入到结合基部中。

还披露了一种制造用于成形工件的混合冲压系统的方法。该方法包括将第一嵌体定位在第一铸模中。该方法还包括由模具基部材料将第一模具基部铸造在第一铸模中，以由此将第一嵌体的模具侧固定至第一模具基部并成形第一模具。该方法还包括将第二嵌体定位在第二铸模中。该方法还包括由模具基部材料将第二模具基部铸造在第二铸模中，以由此将第二嵌体的模具侧固定至第二模具基部并成形第二模具。此外，该方法包括将第一模具和第二模具对着彼此安装在冲压机中。

根据本发明的一个具体方面，提出一种制造用于成形工件的混合冲压系统的方法，所述方法包括：

由嵌体材料提供第一嵌体，所述第一嵌体具有模具侧和工件侧，其中，所述第一嵌体的工件侧被配置轮廓为成形工件的一侧；

将第一嵌体定位在第一铸模中；

从模具基部材料将第一模具基部铸造在第一铸模中，且由此将第一嵌体的模具侧固定至第一模具基部以成形第一模具，其中，所述模具基部材料具有第一硬度，以及所述嵌体材料具有第二硬度，该第二硬度大于第一硬度；

由所述嵌体材料提供第二嵌体，第二嵌体具有模具侧和工件侧，其中，所述第二嵌体的工件侧被配置轮廓为成形工件的另一侧；

将第二嵌体定位在第二铸模中；

从所述模具基部材料将第二模具基部铸造在第二铸模中，且由此将第二嵌体的模具侧固定至第二模具基部以成形第二模具；和

在冲压机中安装所述第一模具，以及对着所述第一模具安装第二模具。

优选地，其中，第一嵌体包括第一和第二部段，第二嵌体包括第一和第二部段，且其中，所述提供第一嵌体包括使第一嵌体的第一部段邻接第一嵌体的第二部段，所述提供第二嵌体包括使第二嵌体的第一部段邻接第二嵌体的第二部段。

优选地，其中，所述第一和第二嵌体的第一和第二部段的每一个包括基脚，且其中，所述将第一嵌体的模具侧固定至第一模具基部和所述将第二嵌体的模具侧固定至第二模具基部包括：将第一和第二嵌体的第一和第二部段经由各基脚支撑在各第一和第二模具基部中。

优选地，其中，所述提供第一嵌体包括经由第一互锁部联接第一嵌体的第一部段与第一嵌体的第二部段，所述提供第二嵌体包括经由第二互锁部联接第二嵌体的第一部段与第二嵌体的第二部段，

优选地，其中，第一互锁部和第二互锁部每一个包括鸠尾榫连接部。

优选地，其中，所述第一互锁部和第二互锁部每一个包括环氧粘合剂连结部，所述方法还包括经由所述环氧粘合剂连结部在各第一和第二嵌体的第一和第二部段之间提供连续过渡部。

优选地，其中，所述模具基部材料是Kirksite合金，所述嵌体材料是工具级钢。

优选地，其中，提供第一和第二嵌体的至少一个包括经由三维(3D)打印工艺成形各嵌体的第一和第二部段的至少一个。

优选地，其中，提供第一和第二嵌体中的至少一个包括：经由铸造工艺和机加工工艺的至少一个成形各嵌体的第一和第二部段的至少一个。

优选地，其中：

所述提供第一嵌体包括提供结合嵌体；

所述铸造第一模具基部包括由所述模具材料将结合基部铸造在第一铸模中，且由此将结合嵌体的模具侧固定至结合基部，以形成结合元件；和

所述安装第一模具包括将结合元件安装在冲压机中，使得所述结合元件布置为相对于第一模具位移，以用于使工件从其排出。

本发明的上述特征和优势及其他特征和优势将从用于实施所述公开的最佳模式(一个或多个)和实施例(一个或多个)的以下详细描述连同附图和所附权利要求时显而易见。

附图说明

图1是冲压机的示意性透视图，所述冲压机采用混合冲压系统，该混合冲压系统包括上模具、下模具、和结合元件，每一个具有嵌体，以及包括定位在嵌体之间的工件。

图2是沿图1中所示的截面2-2的、上模具和下模具与结合元件的示意性特写横截面侧视图，每一个具有嵌体。

图3是图1-2中所示的嵌体的示意性特写俯视图。

图4是在制造图3中所示的嵌体的单独部段中所采用的3D打印机的示意性透视图。

图5是制造图1-3中所示的混合冲压系统的方法的流程图。

图6是根据图4中所示的方法的在图1-3中所示的冲压系统的制造和组装期间所使用的工具的示意性透视图。

具体实施方式

具有本领域常规技术的人将认识到，诸如“之上”、“之下”、“上”、“下”、“顶部”、“底部”等的术语用来描述附图，且不表示对本公开的范围的限制，所述范围如由所附的权力要求所限定的。

参考附图，其中相同的附图标记贯穿几幅视图指向相同的零件，混合冲压系统在图1中的20处大致示出。混合冲压系统20可配置为用于形成部件10(图2中示出)，诸如但不限于车身面板、支撑托架、热屏蔽件、或可通过冲压过程从工件或金属板坯件32制造的一些其他物品，如图1中所示的。如首先设想的，混合冲压系统20可用于来自任何可成形基底金属(base metal)(所述基底金属诸如钢、铝、镁、或钛)的部件10的“小批量”生产，而不丧失对于被制造部件的期望轮廓的限定，但可类似地用于从其他材料形成部件，诸如聚苯乙烯。这样的“小批量”生产运行可有时产生许多主题部件。

混合冲压系统20包括冲压机22。如已知的，冲压机通常是通过使用特定配置的模具来定形和/或切割材料(常常为金属)的机床。相应地，如所示的，冲压机22包括第一或下成形模具24和第二或上成形模具26。上模具26配置为用于对着下模具24安装在冲压机22中。另外，典型的冲压机包括支承板，描绘为元件28，和撞击装置(ram)，描绘为元件30。支承板28通常配置为大型静止金属块体，下模具24夹在该金属块体上。大型冲压机，类似于在汽车工业中所使用的冲压机，可具有模具缓冲件(die cushion)(未示出)，所述模具缓冲件集成在支承板28中，以将保持力施加至工件或金属板坯件32。当单动压机(在该单动压机中，单个撞击装置既用于抵靠下模具保持工件，又用于形成工件)用于深拉时，这样的模具缓冲件可以是必要的。类似于支承板28，撞击装置30通常配置为固体金属块体，其被夹到上模具26并在冲压机22中提供冲程，即，上下运动。上模具26的上下动作导致冲压机22由被馈送通过其的工件32生产具有期望轮廓或形状的零件。冲压机22可以是多工步冲压操作中的初始工步或中间工步的一部分，所述冲压操作被设计为从工件32形成期望的最终形状。

特别需要指出的是，这里描述的下和上模具24、26可还配置为拉伸、整修、翻边、冲孔或挤压模具，其中，本领域技术人员理解这样的特定采用的模具的应用。因此，尽管在本公开中，下和上模具24、26主要描述为被设计和布置为执行成形模具的功能，但不排除如下文详细描述的下和上模具24、26构造为应用于上述拉伸、整修、翻边、冲孔或挤压模具。

如图1中所示，下模具24包括第一或下模具基部25。下模具基部25通过铸造工艺由模具基部或第一材料M1(诸如Kirksite合金)形成。第一材料M1具有第一硬度H1，且配置为安装在冲压机22中。硬度H1可在布氏硬度级别(HB)BN 98-100的范围内。另外，第一材料M1的冲击强度可在40-50焦耳每立方米(J·m^–3)的范围内。通常，Kirksite材料具有作为基底金属的锌，且包括铝、镁、和铜的合金元素。由Kirksite铸造的模具提供低成本工具作业，因为合金可被准确地铸造，需要最少的精加工。此外，Kirksite已经被用作用于无应力(典型地是非结构化)部件的通用铸造合金。 上模具26包括第二或上模具基部27。上模具基部27也由与下模具基部25相同的模具材料M1形成。Kirksite是中等强度合金，能够用作用于部件的较小规模生产运行的成形工具材料。但是，Kirksite相对较软，例如与钢相比，且因此趋于较快磨损。由此，具有Kirksite成形表面的模具不能支持大批量生产。通常，与常常被需要用于数以千计地生产零件的批量生产工具相比，Kirksite可承受数以百计的零件生产运行。因此，Kirksite通常用于制造原型零件。

混合冲压系统20还包括第一嵌体34和第二嵌体36。第一嵌体34和第二嵌体36二者均由嵌体或第二材料M2形成，该嵌体或第二材料M2具有大于第一硬度H1的第二硬度H2。用于第一和第二嵌体34、36的第二材料M2可以是工具级的钢，诸如FCD25，铸铁、铸钢或具有类似适当硬度的任何其他金属。通常，工具级钢为碳和合金钢，其特别好地适于制成为工具，这是由于主体材料(subject materials)的独特硬度、抗磨性、保持刃口的能力、和/或它们对在升高温度下的变形的抵抗力。工具级钢常常在热处理状态下使用。工具级钢的碳含量通常在0.7-1.5％的范围内。以布氏硬度(HB)计，硬度H2可对于铸铁在BN 143-248的范围内，对于铸钢在HRB 85-HRC26的范围内，以及对于工具钢在HRC 54-HRC65的范围内。另外，第一材料M2的代表性冲击强度可对于铸铁的最小拉伸强度处于204-585MPa的范围内，或对于各种钢在夏比冲击(Charpy Impact)尺度上处于10.8-20.3焦耳的范围内。因而，用于第一和第二嵌体34、36的第二材料硬度针对以上材料特性选择，同时用于下和上模具基部25、27的第一材料硬度H1为了易于可成形和减少成本而选择。当嵌体34、36与各下和上模具基部25、27组合时，得到的模具系统能够支持小批量下的部件10的生产运行，具有减少的工具成本、以及具有可替换的磨损零件-嵌体34、36。

第一嵌体34由模具侧34A和相对的工件侧34B限定。模具侧34A固定在第一嵌体34的下模具基部25中，第一嵌体的工件侧34B配置轮廓为形成工件32的一侧，使得完工的部件10在下模具24的那侧具有期望的形状。第一嵌体34在形成下模具基部25之前形成，且随后在下模具基部的铸造期间并入或集成到下模具基部中。因而，在下模具基部25的铸造之后，模具侧34A变为固定在第一嵌体34的下模具基部中而不使用任何分立的紧固件，诸如螺钉或夹具，且工件侧34B被暴露以在下模具24的那侧上形成完工部 件10的期望的轮廓。

类似地，第二嵌体34由模具侧36A和相对的工件侧36B限定。模具侧36A固定在上模具基部27中，第二嵌体的工件侧36B配置轮廓为形成工件32的另一侧，即，相反侧，使得完工的部件10在上模具26的那侧具有期望的形状。第二嵌体36在形成上模具基部27之前形成，且随后在上模具基部的铸造期间并入或集成到上模具基部中。因而，在上模具基部27的铸造之后，模具侧36A变为固定在第二嵌体36的上模具基部中而不使用任何分立的紧固件，诸如螺钉或夹具，且工件侧36B被暴露以在上模具26的那侧上形成完工部件10的期望的轮廓。在嵌体34、36铸入并入到各下和上模具基部25、27中之后，上和下模具24、26安装在冲压机22中。因而，在冲压机22的操作期间，工件22形成在第一嵌体34的工件侧34B和第二嵌体36的工件侧36B之间，以产生部件10的期望形状。

图2描绘了具有第一和第二嵌体34、36的上和下模具24、26的横截面侧视图。图2中所示的上和下模具24、26的横截面侧视图沿图1中所示的截面2-2截取，其中为了清楚将冲压机22的部件移除。如所示的，第一嵌体34可包括多个互锁部段，如通过示例性第一部段34-1和第二部段34-2示出的。第一嵌体34的第一部段34-1邻接第一嵌体的第二部段34-2。第一部段34-1与第二部段34-2经由第一互锁部38联接。如图3中所示，第一互锁部38可以包括鸠尾榫连接部38A。第一互锁部38可还包括环氧粘合剂结合部38B，其配置为在第一和第二部段34-1、34-2之间产生平滑且连续的过渡部，并且还密封第一互锁部。类似地，第二嵌体36可包括相应多个互锁部段，例如第一部段36-1和第二部段36-2，如图2所示。第二嵌体36的第一部段36-1邻接第二嵌体36的第二部段36-2，且经由第二互锁部40与其联接。类似于第一互锁部38，第二互锁部40可包括鸠尾榫连接部40A，如图3所示。如图3和4所示，每一个鸠尾榫连接部38A和40A包括凸出部分(male portion)39和凹下部分(female portion)41。

如图3所示，第二互锁部40可另外包括类似于粘合剂连结部38B的环氧粘合剂连结部40B，用于在第一和第二部段36-1、36-2之间产生平滑且连续的过渡部，且还密封第二互锁部。尽管在各互锁部38和40中示出鸠尾榫连接部，但可使用其他类型的连接部，诸如舌和沟槽接头(未示出，但对本领域技术人员已知)，其有助于形成具有抗拉开性的可靠的互锁接头。另外， 如图2所示，各第一和第二嵌体34、36的第一和第二部段34-1、34-2、36-1和36-2中的每一个可包括基脚42。基脚42配置为在各下和上模具基部25、27中支持每一个部段34-1、34-2、36-1和36-2，并提供用于其的基座。

第一嵌体34的第一和第二部段34-1、34-2的每一个，以及第二嵌体36的第一和第二部段36-1、36-2的每一个可经由三维(3D)打印工艺形成。通常，3D打印为一种用于从数字模型产生三维固体物体的制造工艺。3D打印使用增材过程实现，其中，连续层的材料以不同形状放下。这样，3D打印不同于传统机加工技术，传统机加工技术主要依赖于通过诸如切割或钻孔的方法进行材料移除，即，减材过程。通常，数字模型采用3D计算机辅助设计(CAD)软件内的3D数字数据，诸如固体模型、3D产品和制造信息以及相关元数据，以提供用于单独部件或产品组件的规格。

通常被包括在用于3D打印的数字模型中的信息的类型为几何尺寸和容差(GD&T)、部件层次材料(component level materials)、材料的组装层次清单、工程配置、设计意图等。图4中示出了可用在第一和第二部段34-1、34-2和第一和第二部段36-1、36-2的制造中的3D打印机44的例子。3D打印机44是专门的工业机器人，其能够在计算机控制下实施材料增加过程。在替换例中，第一嵌体34的第一和第二部段34-1、34-2的每一个，以及第二嵌体36的第一和第二部段36-1、36-2的每一个可经由更多传统铸造和/或机加工工艺形成。

如图1和2所示，混合冲压系统20可还包括结合元件46，该结合元件46具有结合基部47，其由模具基部材料形成，即，由与下模具基部25和上模具基部27相同的材料形成。结合元件46安装在冲压机22中，且配置为相对于下模具24位移，用于在完成成形操作之后使工件32从其排出。结合元件46还包括结合嵌体48，结合嵌体48由嵌体材料形成，即，由与第一和第二嵌体34、36相同的材料形成。类似于下模具24，结合嵌体48具有模具侧48A和工件侧48B，其中，结合嵌体的模具侧铸入且并入到结合基部47中。类似于第一和第二嵌体34、36，结合嵌体48可包括多个互锁部段，所述互锁部段经由互锁部与彼此联接，所述互锁部诸如第一和第二互锁部38、40以及全部它们的附带特征，如以上详细描述的且在图3中所示的。结合嵌体48的单独部段可经由三维(3D)打印工艺形成，如以上关于图4相对于部段34-1、34-2、36、1和36-2所描述的。

图5描绘了制造图1-4中所示的用于形成工件32的混合冲压系统20的方法100，并参考图6，图6示出了在冲压系统的制造和组装期间所使用的附加工具。相应地，方法100开始于框102，其中提供第一和第二嵌体34、36。如上参考图1-3所述的，提供第一嵌体34可还包括使第一部段34-1邻接第二部段34-2。类似地，提供第二嵌体36可包括使第一部段36-1邻接第二部段36-2。另外，提供第一嵌体34可包括经由第一互锁部38联接第一部段34-1和第二部段34-2。如上所述，第一互锁部38可包括鸠尾榫连接部38A和环氧粘合剂连结部38B。类似地，提供第二嵌体36可包括经由第二互锁部40联接第一部段36-1和第二部段36-2。第二互锁部40可包括鸠尾榫连接部40A和环氧粘合剂连结部40B，如关于图1-3详细描述的。

如上关于图1-4讨论的，提供第一和第二嵌体34、36可包括经由3D打印工艺在3D打印机44中成形各第一和第二嵌体的第一部段34-1、34-2和第二部段36-1、36-2中的至少一个。替代地，提供第一和第二嵌体34、36可包括经由采用专用铸造工具的铸造工艺和/或机加工过程来成形各第一和第二嵌体的第一部段34-1、34-2和第二部段36-1、36-2中的至少一个。

在框102之后，方法100前进至框104，在框104，方法包括将下嵌体34定位在第一铸模50中。在框104之后，方法行进至框106，在框106，方法包括在第一铸模50中从第一材料M1铸造下模具基部25，以由此将第一嵌体34的模具侧34A固定至下模具基部，且由此将第一嵌体并入到下模具基部中。在框106之后，方法前进至框108，在框108，方法包括将第二嵌体36定位在第二铸模52中。在框108之后，该方法前进至框110。在框110中，方法包括在第二铸模52中从第一材料M1铸造上模具基部27，以由此将第二嵌体36的模具侧36A固定至第二模具基部，且由此将第二嵌体并入到下模具基部中。相应地，上述方法步骤通过经由铸造工艺将嵌体34、36并入到各模具基部25、27中而产生各下和上模具24、26，如图6中所示的。如上关于图1-3所讨论的，将第一嵌体34的模具侧34A固定在下模具基部25中可包括经由基脚42将第一嵌体的第一和第二部段34-1、34-2支持在下模具基部中。类似地，将第二嵌体36的模具侧36A固定在上模具基部27中可包括经由基脚42将第二嵌体的第一和第二部段36-1、34-2支持在上模具基部中。

另外，在框110中，方法可包括从牺牲性材料(诸如聚苯乙烯泡沫塑料) 定形单独的铸造模式部(pattern)54、56。铸造模式部54、56可首先与嵌体34、36组装，并随后定位在各铸模50、52中，以接收第一嵌体34的相应模具侧34A和第二嵌体36的模具侧36A。在将铸造模式部54、56与第一和第二嵌体34、36一起定位在各铸模50、52中之后，型砂将被绕被组装后的嵌体34、36和模式部54、56倾注。型砂将被压紧，以绕组装后的嵌体34、36和模式部54、56形成硬形状。模式部54、56将随后从铸模50、52移除，以提供用于下和上模具基部25、27的第一材料M1的腔体，所述第一材料要被倾注到各铸模中(如图6所示)。因此，第一嵌体34将变为并入或固定在下模具基部25中，且第二嵌体36将变为并入或固定在上模具基部27中。此外，结合嵌体48可经由相同过程固定在结合基部47中，且在第一铸模50中在上模具基部25旁边，或在分立的模具中，如果期望的话。因此，完成的下模具24、上模具26、和结合元件46可随后从各铸模50和52移除。此外，方法100可包括各第一和第二嵌体34、36的工件侧34B、36B以及结合嵌体48B的工件侧的机加工和/或抛光，以实现被制造部件10的期望轮廓和表面精加工。

在框110之后，方法行进至框112，在框112，方法包括将成形的下模具24连同对着上模具26的结合元件46一起安装在冲压机22中。在下模具24、上模具26和结合元件46已经安装在冲压机22中之后，混合冲压系统20可被初始地试验，以验证系统已经准备好用于批量生产，即，用于成形工件32。冲压机22可以是多工步冲压操作的一部分，所述冲压操作被设计为从工件32形成期望的最终形状。另外，作为冲压工艺的一部分，在经由图1-3中所示的混合冲压系统20成形工件32之后，可还发生附加的操作，诸如再冲制和穿孔。此外，可通过经由单独的修整模具或激光操作(二者都未示出，但对本领域技术人员已知)来修整成形的工件32，而产生部件10的期望的最后形状。总体上，方法100可用于提供混合冲压系统20，该混合冲压系统能够在减少的工具成本下支持部件10的“小批量”生产运行。

详细描述和附图或视图支持和描述本公开，但是本公开的范围仅由权利要求限定。尽管已详细描述了用于执行要求保护的发明的最佳模式和其他实施例，存在各种替换涉及和实施例，用于实践限定在所附权利要求中的本发明。此外，附图中所示的实施例或本说明书中提到的各实施例的特征不必被理解为独立于彼此的实施例。而是，实施例的例子中的一个中描述的每一个 特征可与来自其他实施例的一个或多个其他期望特征结合，得到在文中或通过参考附图未描述的其他实施例。相应地，这样的其他实施例落入所附权利要求的范围的框架中。