粉末注射模制硬质合金或金属陶瓷部件的模制工具和方法与流程

本公开涉及一种用于粉末注射模制硬质合金或金属陶瓷部件的模制工具，所述部件带有至少一个通孔。本公开还涉及一种通过粉末注射模制来制造带有至少一个通孔的硬质合金或金属陶瓷部件的方法。

背景技术：

粉末注射模制(pim)是一种制造技术，其中，聚合物粘结剂和金属粉末、碳化物粉末或金属陶瓷粉末的液态复合物通过注射模制机在高压下注射到封闭的模具中。该方法结合了诸如良好模具充填和制造复杂形状的能力的塑料注射模制的优势与使用诸如硬质合金和金属陶瓷的硬质和高强度材料作为部件材料的可能性。这使粉末注射模制成为制造具有窄公差或复杂形状的坚固耐磨部件的合适方法。例如，各种类型的汽车工业的切削刀片或部件。

然而，当涉及带有包括通孔的设计的部件，例如用于快速螺钉或紧固系统的通孔的切削刀片时，粉末注射模制具有一些局限性。

由于pim复合物的特性，避免使模具中的pim复合物的流动前沿相遇(meetingflowfront)是优选的，这是因为在两个流动前沿相遇的区域中，可能在固化的部件中形成弱化焊接线。因此，当通过粉末注射模制来制造具有通孔的部件时，绕着或者沿着限定部件中的通孔的型芯径向充填模具是优选的。由此，部件会在尺寸上保持稳定，而不会被扭曲，而在具有例如位于一侧处的单个门时，部件可能被扭曲。

wo2009139700a1描述了通过粉末注射模制来制造具有通孔的切削刀片的模制工具和方法。为了避免使模具中的流动前沿相遇，wo2009139700a1中的模制工具布置成使得pim复合物被直接注射到型芯的端表面上。这导致了pim复合物被型芯的端表面径向偏转，并且模具绕着型芯均匀地被充填。

然而，常规做法导致了，在完成充填和固化之后，固化的pim复合物形成的插塞(plug)保留在部件的通孔中。为了清理通孔，插塞必须在后续加工操作中移除。当通过粉末注射模制来制造具有通孔的部件时，部件的这种加工和必要处理导致高的生产成本。

因此，本发明的目的是，提供用于粉末注射模制具有通孔的硬质合金或金属陶瓷部件的改进的模制工具和改进的方法。本发明的目的还是，解决上述现有技术缺点中的至少一个。特别地，本发明的目的是，提供用于以低成本并最少的后处理来粉末注射模制具有通孔的硬质合金或金属陶瓷部件的模制工具和方法。

技术实现要素：

根据本公开的第一方面，这些目的中的至少一个目的通过一种用于粉末注射模制硬质合金或金属陶瓷部件的模制工具来实现，所述部件具有至少一个通孔，所述模制工具包括：至少第一工具部分和第二工具部分，所述至少第一工具部分和第二工具部分布置用以限定用于形成部件的至少一个模具腔；至少一个入口通道，所述至少一个入口通道用于将模制材料引入到所述至少一个模具腔，所述入口通道穿过第一工具部分延伸到模具腔，并且所述入口通道包括出口端，出口端具有用于将模制材料从入口通道排出到模具腔中的出口开口；至少一个型芯，所述至少一个型芯用于形成部件中的通孔，所述型芯具有端部并且布置成沿着纵向轴线x在朝向入口通道的出口开口的方向上延伸到模具腔中，其特征在于，型芯的端部适于封闭入口通道的出口开口，并且型芯布置成能够沿着纵向轴线x移动，使得型芯的端部可与入口通道的出口开口接合。

在模制工具的操作中，可在用模制材料填充模具之后移动型芯，以接合并封闭出口开口。在这个过程期间，型芯会将模制材料从出口开口前面的区域清除，并且当接合且堵塞出口开口时，其还阻止更多的模制材料进入模具。这会导致在模制步骤期间已经穿过部件实现连续通孔，并且在模制之后的固化部件的加工可以省略或至少被最小化。因此，本发明的模制工具允许以低生产成本、以有效的“近净形状”的方式制造部件。

根据替代实施例，型芯的端部适于穿过入口通道的出口开口插入到入口通道中。由此，型芯将有效地封闭出口开口并且还迫使多余模制材料从模具返回到入口通道，使得其可容易在模具的打开期间移除。

根据替代实施例，型芯的端表面适于抵靠在入口通道的出口端上或抵靠在第一工具部分上。入口通道的出口开口的封闭由此可通过相对简单设计的型芯来实现，而无需以窄公差设定型芯的尺寸。

根据替代实施例，型芯是中空的并且推杆可滑动地布置在该中空型芯中。优选地，型芯和推杆可彼此独立地可移动。推杆的端部还可包括用于保持冷插塞的装置。通过以这样的方式布置推杆，推杆的端部可将已经固化成冷插塞的模制材料保持在入口通道中。当模具打开时，冷插塞可随后容易移除并接着被再利用。

优选地，入口通道的至少一部分具有锥形横截面，使得入口通道的横截面沿从入口通道的出口开口朝向入口开口的方向变窄。锥形横截面便于冷插塞从入口通道移除。

优选地，推杆可位于中空的型芯中，使得推杆的端部和中空的型芯界定用于接纳所注射的模制材料的空间。在注射期间，由型芯和中空的型芯的型芯壁界定的空间形成冷井，该冷井可捕集已固化的模制材料的颗粒并防止这些颗粒在模具中循环。

根据替代实施例，模制工具可包括热通道。由此，至少第一工具部分和第二工具部分限定多个模具腔，每个模具腔都被提供来形成具有通孔的部件，其中，所述模制工具包括：

多个入口通道，每个入口通道穿过第一工具半部延伸到相应的模具腔，以及

多个可移动型芯，所述可移动型芯用于形成部件中的通孔，其中，

每个入口通道的每个入口端连接到热通道。

本公开还涉及一种通过使用根据本公开的注射模制工具来制造具有至少一个通孔的硬质合金或金属陶瓷部件的方法，所述方法包括以下步骤：

-通过将模制材料通过入口通道的出口开口引入到模具腔中来充填模具腔；

-移动型芯，以封闭入口通道的出口开口；

-冷却部件1达预定冷却时间；

-打开模制工具；

-将部件从模制工具中移除；

-对该部件进行烧结。

附图说明

图5c、5e和5f所示的没有数字的箭头指示可能的运动方向。

图1：包括注射单元10和模制工具20的粉末注射模制机5的示意性侧视图。

图2a：根据本公开的第一替代实施例的模制工具20的示意性侧视图，示出了处于第一位置a的型芯40。

图2b：图2a所示的模制工具20的示意性侧视图，示出了处于第二位置b的型芯40。

图2c：图2b所示的模制工具20的放大部分。

图3：根据本公开的替代实施例的模制工具20的示意性侧视图。

图4：根据本公开的替代实施例的模制工具的示意性侧视图。

图5a-5f：操作中的模制工具20的示意性侧视图，其中，图5a示出了处于位置a的型芯40而图5d示出了处于位置b的型芯40。步骤100在图5b和5c中示出，步骤200在图5d中示出，步骤400在图5e中示出并且步骤500在图5f中示出。

具体实施方式

现将在下文中更全面描述根据本公开的模制工具20和方法。然而，根据本公开的模制工具20和方法可以以不同的形式实施并且不应被解释为限于本文所述的实施例。相反地，通过示例的方式提供这些实施例是为了使本公开充分且完整，并充分对本领域的技术人员传达本公开的范围。在整个说明书中，相同的附图标记指代相同的元件。

图1示意性地示出了用于粉末注射模制的粉末注射模制机5。粉末注射模制机5包括注射单元10，注射单元10包括料斗11，料斗11用于接收模制材料3，即碳化物和/或碳氮化物和/或氮化物和粘结金属的粉末混合物以及粘结剂例如聚合物和/或石蜡的的复合物或原料。通常，模制材料3包括选自wc和/或tic和/或tin和/或ticn的硬质颗粒和选自co和/或fe和/或ni的粘结金属以及包括聚合物和/或石蜡的粘结剂。

加热圆筒12被提供用以接收模制材料并使粘结剂熔融，使得模制材料3形成液态浆料。通常被称为螺杆的螺纹活塞13布置在圆筒12中，以混合模制材料3并将模制材料3馈送到圆筒12中，并且通过轴向运动将其通过注射单元10的喷嘴14挤出。粉末注射模制机5还包括模制工具20。模制工具20包括第一工具部分21和第二工具部分22，第一工具部分21和第二工具部分22布置成彼此相对并且在模制工具20关闭时限定模具腔25。模制工具20还可包括第三工具部分23和第四工具部分24，第三工具部分23和第四工具部分24也布置成彼此相对并且与第一、第二工具部分21、22一起限定模具腔25。工具部分21、22、23和24可布置成是可移动的，使得模制工具20能够打开和关闭。在图1中，第二工具部分22可沿轴向方向朝向和远离第一工具部分21移动，第一工具部分21是静止的。第三和第四工具部分23、24布置成能够沿朝向和远离彼此的方向移动。模具工具20还可包括可移动压板26和静止压板27，可移动压板26保持可移动的第二工具部分22，静止压板27保持静止的第一工具部分21。

虽然图1所示的模制工具20包括四个工具部分，但显然，模制工具20可仅包括限定模具腔25的两个相对的工具部分。当然，模制工具20可仅包括三个工具部分。模制工具20还能够包括四个以上工具部分。

用于形成通孔2的型芯40延伸穿过第二工具部分22并进入到模具腔25中。入口通道30穿过第一工具部分21延伸到模具腔25。入口通道30具有入口端31(在图2a中示出)，入口端31与注射单元10的喷嘴14流体连通。

应该理解，图1所示的粉末注射单元10以示意性的方式描绘，并且粉末注射单元10，具体地说，模制工具20，可包括技术人员公知的若干另外的特征。例如，适当的密封件、用于致动各个部分的液压系统以及用于在模制过程期间控制粉末注射单元10的操作的电子器件。

图2a示出了图1所示的模制工具20的中心区域的放大图，该中心区域用虚线圈出。在图2a中，四个工具部分21、22、23和24限定具有立方体形状的模具腔25。然而，取决于工具部分21、22、23和24的设计，模具腔25可具有任意几何形状。优选地，模具腔25可以设计成用于制造呈切削刀片或喷嘴或密封圈或辊圈或管或垫圈的形式的部件1，切削刀片或喷嘴或密封圈或辊圈或管或垫圈全部都具有至少一个通孔2。

部件1的最大尺寸以及因此模具腔25的最大容积受用于粉末注射模制的模制材料3的冷却和固化性质限制。已经表明，在固化期间，可能在部件1中形成裂纹，并且裂纹形成的可能性随着部件1的尺寸增加而增加。因此，优选的是，模具腔25的总容积最大是50cm³或更小，优选地40cm³或更小。模具腔25的最小容积由部件1的尺寸要求设定。例如，模具腔25的容积可以是0.05-50cm³。

也被称为浇口通道的入口通道30穿过第一模具部分21延伸到模具腔25。入口通道30或其至少部分优选地是锥形的，使得其在从出口开口34朝向其入口开口32的方向上变窄。入口通道30的锥形形状便于在模制之后移除冷插塞4。入口通道30具有带有入口开口32的入口端31，入口开口32用于从注射单元10(参见图1)接收模制材料3。入口通道30还具有带有出口开口34的出口端33，出口开口34用于将模制材料3排出到模具腔25中。在所述实施例中，入口通道30布置成使得入口通道30的出口端33突出到模具腔25中，但是，如稍后在文中将要解释的那样，其它构造也是可以的。

型芯40沿朝向入口通道30的出口开口34的方向穿过第二工具部分22中的开口延伸到模具腔25中。更详细地，型芯40沿着穿过型芯40的中心和入口通道30的中心的纵向轴线x延伸。在图2a中，模制工具20布置成使得入口通道30和型芯40在模具腔25中居中定位(centered)并且沿着纵向轴线x对准。即，入口通道30延伸穿过第一工具部分21的中心，并且型芯40延伸穿过第二部分22的中心。然而，只要型芯40和入口通道30定位成彼此相对并且沿着穿过型芯40的中心和入口通道30的中心的纵向轴线x对准，也能够将型芯40和入口通道30布置在模具腔25中的其它位置处。型芯40被布置成能够沿轴向方向在模具腔25中来回移动。型芯40的移动可通过连接到型芯40的液压致动器(未示出)来执行。

根据本公开，型芯40的端部41适于封闭入口通道30的出口开口34。此外，根据本公开，型芯40布置成能够移动，使得型芯40的端部41可接合并封闭入口通道30的出口开口34。“封闭”的意思是，通过型芯40的端部41阻止入口通道30的出口开口34与模具腔25连通。在操作中，型芯40由此沿着纵向轴线x在朝向入口通道30的出口开口34的方向上移动，直到型芯40的端部41与入口通道30的出口端33形成密封接触并封闭出口开口34为止。图2b示出了图2a所示的模制工具20处于型芯40的端部41接合并封闭入口通道30的出口开口34的位置上。

“型芯40的端部41”是指型芯40的远端41。型芯40的端部41可包括型芯40的纵向端部部分42或型芯40的端表面43或型芯40的纵向端部部分42和端表面43两者。

为了接合并封闭入口通道30，型芯40的端部41可具有各种设计。此外，入口通道30可以适配成使得在型芯40和入口通道30之间实现密封接触。

现将参照图2c描述型芯40和入口通道30的设计的优选实施例，图2c示出了图2b所示的型芯40和入口通道30以及模制工具20的第一工具部分21的一部分的放大图。其它替代设计将在下文中进一步描述。

因此，参照图2c，入口通道30可包括均匀圆柱形形状的接触段35，该接触段35从入口通道30的出口端33朝向入口端31延伸。因此，入口通道30包括均匀圆柱形形状的接触段35以及锥形部分36，所述锥形部分36从接触段35朝向入口通道30的入口端31延伸。型芯40或至少型芯40的端部41也是圆柱形形状的。型芯40的端部41和接触段35的直径的尺寸被设定成使得型芯40的端部41可通过出口开口34插入到入口通道30中，并且使得型芯40的纵向端部部分42密封接触入口通道30的接触段35。接触段35的长度优选地被设定尺寸，使得型芯40的纵向端部部分42密封接合接触段35，但不与入口通道30的锥形部分36形成接触。型芯40和入口通道30的上述布置以简单的方式结合了具有在型芯40和入口通道30之间的紧密密封的锥形入口通道30的优势，而不会有在密封期间型芯40撞击入口通道30的风险，而型芯40撞击入口通道30可能损坏型芯40或入口通道30。

回到图2a，型芯40具有中空形状并且型芯40的端部41是敞开的。因此，型芯40呈圆柱形管的形式。实心且可具有圆柱形形状的推杆45布置成能够在中空型芯40中滑动。推杆45布置成独立于型芯40的移动而移动，并且因此可设有单独的液压致动器或连接到模制机(未示出)中的推出器功能。推杆45的端部46还设有用于保持冷插塞4的装置47，冷插塞4可在粉末注射模制过程期间在模制材料3在入口通道30中固化时形成。

在图2a中，保持冷插塞4的装置47是正交于推杆45的纵向方向延伸的凹部。推杆45的端部46因此是钩形的。稍后将参照图5a-5f解释用于保持冷插塞4的装置47的功能。

在下文中，将描述图2a和2b中公开的模制工具20的某些特征的替代设计。应该理解，替代设计的特征可与图2a和2b所述的模制工具20结合起来。还应该理解，下述替代特征可在适当的地方替代图2a和2b所述的模制工具20的个别特征。

首先，入口通道30可具有各种构造。例如，如图3所示，入口通道30的出口端33可与第一工具部分21的内侧齐平。如图4所示，第一工具部分21的一部分构成入口通道30的一部分也是可以的。入口通道30还可由注射单元10的注射喷嘴14(参见图1)构成。

入口通道30还可具有均匀的横截面形状(未示出)，诸如是圆柱形或具有锥形横截面。在这种情形中，型芯40或至少型芯40的端部41优选地具有与入口通道30相同的形状，例如，圆柱形或锥形。同样如图2a-2c所述，型芯40的端部41的外径可被设定尺寸，使得型芯40的端部41插入到入口通道30中，并且使得型芯40的纵向端部部分42密封接触入口通道30的内表面。

还能够将圆柱形形状的型芯40与锥形的入口通道30结合。由此，型芯40可被设定尺寸，使得在型芯40的端表面和纵向端部部分42之间的周向边缘密封接触入口通道30的内表面。这个实施例具有的优势是，在型芯40的端部41处的周向边缘切断在入口通道30中的模制材料3，使得基本上没有模制材料3留在型芯40的端部41和入口通道30之间的接触区域中，并且因此确保有效密封。在型芯40的端部41处的周向边缘可进一步被倒角，以提高型芯40和入口通道30之间的密封。

此外，如图3所示，型芯40的端部41可适配成使得型芯40的端表面43密封地抵靠在入口通道30的端部33上，并且由此封闭入口通道30的出口开口34。

用于保持冷插塞4的装置也可具有各种构造。优选地，用于保持冷插塞4的装置包括处在型芯40的端部41上或处在推杆的端部处的底切部。用于保持冷插塞4的装置也可以是处在型芯40的端部41上的突起48，诸如如图3和4所示的球形突起。

型芯40可具有如图3和4所示的实心横截面。型芯40的横截面也可变化。例如，型芯40可以是圆柱形的或可以具有方形、三角形或椭圆形横截面，这些全部都取决于部件1的设计。

在下文中，将参照5a-5f描述在具有通孔2的部件1的制造期间的主要过程步骤。

图5a示出了如图2a所述的模制工具20。模制工具20被关闭并且型芯40沿朝向入口通道30的出口开口34的方向延伸到模具腔25中。由此，型芯40的端部41处在模具腔25中的第一位置a处，在第一位置a处，在型芯40的端部41的端表面43和入口通道30的出口开口34之间存在预定距离(d)。将型芯40的端部41定位在位置a中的目的是：允许模制材料3流在型芯40的端部41上径向偏转。这允许模具充填，而不会产生模制材料3的流动前沿相遇。预定距离(d)可由技术人员根据例如模制材料3和模具腔25的属性来选择。推杆45已经被缩回到型芯40中，使得通过推杆45和中空型芯40的圆柱形围绕壁界定用于接纳模制材料3的空间，即冷井(coldwell)。

在第一步骤100中，参见图5b，用穿过入口通道30进入模具腔25的模制材料3填充模具腔25。初始地，模制材料3充填由推杆45和型芯40的围绕壁界定的冷井，并且然后沿径向方向偏转到周围的模具腔25中。图5c示出了填充有模制材料3的模具腔25。

在第二步骤200，移动型芯40，以接合入口通道30的出口开口34。图5d示出了处于位置b中的型芯40，在该位置b中，型芯40的端部41接合并封闭出口开口34，使得进一步的模制材料3被阻止进入模制腔25。模具腔25和入口通道30因此彼此分开。

在第三步骤300中，允许模制材料3冷却达预定时间，直到模制材料3固化为止。在固化期间，模制工具20保持在关闭状态中，如图5d所示。冷却时间取决于部件1的尺寸并且可由技术人员预先确定。

在第四步骤400，参见图5e，打开模制工具20。第二工具部分22由此远离第一工具部分21(参见图5d)移动，并且第三工具部分23和第四工具部分24沿相反方向远离彼此移动。图5e示出了提供在模具工具20中的锥形入口通道30以及在推杆45的端部处的用于保持冷插塞4的装置47的优势。在这种情形中，用于保持冷插塞4的装置47是凹部。在打开模制工具20期间，冷插塞4因材料3已经固化在推杆45的凹部47中而被牢固地保持至推杆45。因此，冷插塞4将在远离第一工具部分21(在图5e中不可见)的方向上紧随第二工具部分22，由此冷插塞4将从锥形的入口通道30滑出。这种做法显著地减少了在模制循环之间清理入口通道30的时间并因此提高生产率。冷插塞4可随后通过沿型芯40的端部41的方向移动推杆45以将冷插塞4从中空型芯40推出来移除，如图5e所示。

在第五步骤500中，参见图5f，可通过朝向部件1移动第二工具部分22，以将部件1推离型芯40，从而从模制工具20移除部件1。可替代地，型芯40可被从部件1拉出。可布置抓持装置(未示出)，例如机器人，用以接收部件1。图5f示出了具有通孔2的部件1。

在第六步骤600中，部件1被烧结。烧结(未示出)通过将部件1放置在烧结炉中来进行，烧结炉通常被加热到高于部件1中的粘结金属的熔点但低于硬质颗粒，即碳化物或碳氮化物的熔点的温度。在烧结之后，部件1由硬质合金或金属陶瓷构成。

在烧结之前，部件1可以经受萃取步骤(extractionstep)550，在萃取步骤550中，石蜡和/或聚合物粘结剂被驱除。萃取可以例如使用超临界co2进行。

该方法还可包括另外或可选的步骤。例如，充填模具的步骤100可在第一子步骤110中进行，直到模具腔25中达到第一压力p1为止。此后，在第二子步骤中，模具中的模制材料3的压力被设成第二压力p2，即，第二压力p2等于或小于第一压力p1。这样做是为了补偿在固化期间模制材料3的收缩。当模制材料3已经从注射温度冷却时但在模制材料3固化之前，移动型芯40，以封闭入口通道30中的出口开口34。压力p2优选地在封闭模具腔25期间从入口通道30施加，即，直到出口开口34被封闭为止。

可以在第二压力p2已经释放并且因此没有压力作用在模具腔25上之后移动型芯40，以封闭入口通道30中的出口开口34。可替代地，可在第二通道p2仍作用在模具腔25上的同时移动型芯40，以封闭入口通道30中的出口开口34。

在型芯40是中空的并且推杆45可滑动地布置在型芯40中的情况下，方法还可包括步骤50：在充填模具腔25之前，定位推杆45，使得型芯40和推杆45界定用于冷插塞4的空间。

在型芯40是中空的并且推杆45可滑动地布置在型芯40中的情况下，该方法还可包括步骤450：在打开模制工具20之后，移动推杆45，以将冷插塞4从型芯40推出。

还能够添加最终步骤700：回收冷插塞4的模制材料3并在随后的模制循环中再利用所述模制材料3。冷插塞4在充填和打开模制工具20之后被移除。通过粉碎冷插塞4，例如通过研磨并将其馈送回到注射模制机5的料斗11，模制材料3可容易地在随后的模制循环中再利用。

虽然已经详细公开了具体实施例，但这样做仅是为了说明，并且不意味着是限制性的。特别地，能考虑到，可以在权利要求书的范围内作出各种替代、改动和改型。

例如，在上面描述中，模制工具20已经描述成与冷通道系统、冷浇道系统一起使用。但是，根据本公开的模制工具20还可设有热通道系统、热浇道系统。这种热通道系统通常包括连接到入口通道30的加热通道或歧管。在热通道系统中，根据本公开的模制工具20可包括若干个(由若干个工具部分限定的)模具腔，其中，从热通道系统的单独的入口通道30向每个模具腔25提供模制材料3。入口通道30可布置用以将模制材料3直接注射到相应的模具腔25中。热通道系统的使用提高了生产率并减少了浪费，这是因为没有冷插塞形成或有较小的冷插塞形成。

尽管本文采用专门的术语，但它们的使用只是一般和描述的含义而并无限制的目的。此外，如本文所使用的，术语“包括/包括”或“包含/包含”不排除其它元件的存在。最后，在权利要求书中的附图标记仅作为澄清示例提供，并且不应被解释为以任何方式限制权利要求书的范围。