PL249402B1 - Metoda wytwarzania konformalnych kanałów chłodzących w narzędziach do kucia i wyciskania - Google Patents

Abstract

Zgłoszenie ujawnia metodę wytwarzania konformalnych kanałów chłodzących w narzędziach do kucia i wyciskania polegającą na tym, że wytwarza się kanały chłodzące w narzędziach do kucia i wyciskania poprzez niskoenergetyczne spawanie i napawanie łukowe cienkich rur, i tworzy się kanały konformalne w warstwie przypowierzchniowej narzędzi, przy czym metoda ta polega na addytywnym budowaniu warstwy wierzchniej, którą tworzy się na bazie, w której doprowadzone są 2 główne kanały, kanał doprowadzający (1) i kanał odprowadzający (2) medium chłodzące. Cienka rura jest przymocowana do powierzchni materiału bazowego - cienkie rury stalowe o średnicy z zakresu 4-10 mm i grubości ścianki min. 2 mm układane są tak, aby nie przylegały do bazy, lecz były odsunięte o min. 1 mm i przymocowane spoinami sczepnymi. Układ cienkich rur jest zamknięty i połączony spoinami z kanałami doprowadzającym i odprowadzającym medium chłodzące wykonanymi w bazie. Następnie w procesie spawania rurki zostają połączone spoiną z bazą oraz następuje napawanie addytywne kolejnych warstw tak, aby cała rurka została przykryta i tak otrzymana powierzchnia zewnętrzna napoiny po mechanicznej obróbce stanowi powierzchnię narzędzia do kucia lub wyciskania.

Description

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy metody wytwarzania konformalnych kanałów chłodzących w narzędziach do kucia i wyciskania.

Przegląd współczesnej literatury potwierdza pozytywny wpływ zastosowania kanałów chłodzących na zwiększenie trwałości narzędzi stosowanych w procesie m.in. tłoczenia na gorąco co opisano w publikacjach B. Muller, Konturnahe Temperierung Beim Pressharten, 2013, M. Cortina, J.l. Arrizubieta, A. Calleja, E. Ukar, A. Alberdi, Case study to illustrate the potential of conformal cooling channels for hot stamping dies manufactured using hybrid process of laser metal deposition (LMD) and milling, Metals (Basel). 8 (2018) orazS. Feng, A.M. Kamat, Y. Pei, Design and fabrication of conformal cooling channels in molds: Review and progress updates, Int. J. Heat Mass Transf. 171 (2021).

Ostatnimi czasy do budowy nie tylko kanałów chłodzących, ale również całych narzędzi zaczęto stosować technologie addytywne (konformalne kanały chłodzące). Technologie te pozwalają na budowę spersonalizowanych narzędzi o skomplikowanych ścieżkach kanałów, których wytworzenie tradycyjnymi metodami obróbki skrawaniem jest niemożliwe. Huskic i in. Co ujawniono w publikacjach A. Huskic, J. Giedenbacher, U. Pschebezin, N. Wild, Rapid Tooling fur Umformwerkzeuge, Lizenznehmer RTejournal. (2012). https://rteiournal.de/wp-content/uploads/2012 Rapid-Toolinq-fuer-Umformwerkzeuqe.pdf, A. Huskic, J.B.B.A. Giedenbacher, A. Huskic, Standzeituntersuchungen generativ hergestellter Schmiedewerkzeuge, Schmiede J. 92013 (2013) 66-70, [4,5] wytworzyli narzędzia do kucia, ze stali X3NiCoMoTi189-5, metodą SLS z prostymi kanałami chłodzącymi.

Stosownie do publikacji D. Junker, O. Hentschel, R. Schramme, M. Schmidt, M. Merklein, Performance of hot forging tools built by laser metal deposition of hot work tool Steel X37CrMoV5-1, (2017) 1-9 badania wykazały, że narzędzia te charakteryzują się mniejszym zużyciem warstwy wierzchniej, w stosunku do konwencjonalnie wytworzonych narzędzi, które nastąpiło w wyniku odkucia 500 elementów. Junker i in.

Z publikacji D. Junker, O. Hentschel, R. Schramme, M. Schmidt, M. Merklein, Performance of hot forging tools built by laser metal deposition of hot work tool Steel X37CrMoV5-1, (2017) wynika, iż wytworzono narzędzia do kucia metodą LMD ze stali X37CrMoV5-1 i wykazali, że ich wytrzymałość jest nieznacznie mniejsza od narzędzi wytworzonych konwencjonalnie. Jedyną wadą tak wytworzonych narzędzi były drobne pęknięcia na nich powierzchni. Gebauer i Gustmann, co ujawniono w publikacji M. Gebauer,

T. Gustmann, Laser Beam Melting for Added Value in Tooling Applications, 2015 i pokazano, że narzędzia do kucia wytworzone metodą LBM charakteryzują się mniejszym zużyciem, dzięki lepszemu dopasowaniu kanałów chłodzących niż przy ich konwencjonalnym wytwarzaniu. Autorzy pokazali, że liczba wytworzonych odkuwek na takich narzędziach wzrosła z 5836 do 6855 (wzrost o 17,5%). Holker i in. (publikacja R. Holker, M. Haase, N. Ben Khalifa, A.E. Tekkaya, Hot Extrusion Dies with Conformal Cooling Channels Produced by Additive Manufacturing, Elsevier Ltd., 2015) z powodzeniem wytworzyli metodą SLS narzędzia do wyciskania stopów aluminium ze stali do pracy na gorąco H11, które posiadały konformalne kanały chłodzące.

W publikacji S. Feng, A.M. Kamat, Y. Pei, Design and fabrication of conformal cooling channels in molds: Review and progress updates, Int. J. Heat Mass Transf. 171 (2021) szczegółowo opisali dotychczasowy stan wiedzy na temat zastosowania konformalnych kanałów chłodzących w narzędziach stosowanych w różnych procesach wytwarzania. Mimo znacznych osiągnięć w budowie narzędzi do kształtowania plastycznego metali, wytwarzanych addytywnymi technologiami, ich wiedza na temat zastosowania w przemyśle jest znikoma. Najbardziej aktualne wyniki opublikowane przez zespół prof. Behrensa wydane w czerwcu 2022 roku potwierdzają możliwość poprawy trwałości w procesach kucia przez zastosowanie konformalnych kanałów chłodzących (Behrens B-A, Huskic A, Rosenbusch D, Peddinghaus J, Wester H, Siegmund M, Giedenbacher J, Siring J. Design, Characterisation and Numerical lnvestigations of Additively Manufactured H10 Hybrid-Forging Dies with Conformal Cooling Channels. Metals. 2022; 12(7):1063). Są to wyniki badań obejmujące najszersze dotąd spektrum rozwiązań - różne kształty kanałów i ich wpływ na temperaturę, właściwości i trwałość narzędzia do kucia na gorąco. Mimo to nadal nie zaproponowano zastosowania spawania i napawania cienkich rur metodą niskoenergetycznego spawania łukowego jako nowej technologii wytwarzania kanałów konformalnych w narzędziach do kucia lub wyciskania.

Z chińskiego zgłoszenia patentowego CN110576182A metoda wytwarzania addytywnego kompozytu matrycy do chłodzenia, która jest podobna do rozwiązania według wynalazku w aspekcie spawania i napawania cienkiej rurki do podłoża. Różnica polega na pozostawieniu ok. połowy powierzchni rurki nie przytwierdzonej do podłoża a jedynie swobodnie położonej w uprzednio przygotowanym kanale, co jest niewskazane w procesach kucia, ponieważ dynamiczne obciążenia będą powodować przemieszczenia w luźno podpartej części i mogą doprowadzić do szybkiego uszkodzenia.

Z kolejnego chińskiego zgłoszenia patentowego CN103409714A znana jest metoda wytwarzania matrycy wbudowanego konformalnego kanału wody chłodzącej, która wykorzystuje technologię odlewania jako sposobu przymocowania kanałów chłodzących i ich zabudowania wewnątrz narzędzia. Różnica polega na zastosowaniu technologii odlewania zamiast spawania i napawania, co jest niewskazane w procesach kucia ze względów wytrzymałościowych.

Z jeszcze innego zgłoszenia patentowego CN206677156U znana jest forma, która ma konformalną drogę wody chłodzącej opartą na bezpośredniej technice spiekania laserowego metalu i formowania odlewu. Ten rodzaj narzędzia jest wykonany przez spiekanie laserowe i odlewanie. Różnica polega na innym sposobie uzyskiwania kanałów chłodzących.

Istotą rozwiązania według wynalazku jest metoda wytwarzania konformalnych kanałów chłodzących w narzędziach do kucia i wyciskania polegająca na tym, że wytwarza się kanały chłodzące w narzędziach do kucia i wyciskania poprzez niskoenergetyczne spawanie i napawanie łukowe cienkich rur, i tworzy się kanały konformalne w warstwie przypowierzchniowej narzędzi, przy czym metoda ta polega na addytywnym budowaniu warstwy wierzchniej, którą tworzy się na bazie, w której doprowadzone są 2 główne kanały, kanał doprowadzający i kanał odprowadzający medium chłodzące, przy czym na powierzchni materiału bazowego układa są cienkie rury stalowe o średnicy z zakresu 4-10 mm i grubości ścianki min. 2 mm, przy czym cienkie rury nie przylegają do bazy, lecz są odsunięte o min. 1 mm i są przymocowane spoinami sczepnymi, natomiast układ cienkich rur jest zamknięty i jest połączony sztywno i szczelnie z kanałami doprowadzającym i odprowadzającym medium chłodzące wykonanym i w bazie i połączenie to wykonuje się metodą niskoenergetycznego spawania, podczas którego rurki zostają połączone spoiną z bazą oraz następuje napawanie addytywne kolejnych warstw tak aby cała rurka została przykryta. Tak otrzymana powierzchnia zewnętrzna napoiny po mechanicznej obróbce stanowi powierzchnię narzędzia do kucia lub wyciskania.

Wynalazek został bliżej przedstawiony w przykładzie jego wykonania oraz na rysunkach, na których Fig. 1 przedstawia kanały z medium odprowadzającym i doprowadzającym, Fig 2. przedstawia mocowanie rury do powierzchni bazowej.

Przykład 1

Metoda wytwarzania konformalnych kanałów chłodzących w narzędziach do kucia i wyciskania polegająca na tym, że wytwarza się kanały chłodzące w narzędziach do kucia i wyciskania poprzez niskoenergetyczne spawanie i napawanie łukowe cienkich rur, i tworzy się kanały konformalne w warstwie przypowierzchniowej narzędzi, przy czym metoda ta polega na addytywnym budowaniu warstwy wierzchniej, którą tworzy się na bazie, w której doprowadzone są 2 główne kanały, kanał doprowadzający 1 i kanał odprowadzający 2 medium chłodzące. Rura jest przymocowana spoiną do powierzchni bazowej a na powierzchni materiału bazowego układa są cienkie rury stalowe o średnicy z zakresu 4-10 mm i grubości ścianki min. 2 mm, przy czym cienkie rury nie przylegają do bazy, lecz są odsunięte o min. 1 mm i są przymocowane spoinami sczepnymi. Układ cienkich rur jest zamknięty i połączony z kanałami doprowadzającym 1 i odprowadzającym 2 medium chłodzące wykonanymi w bazie. Następnie w procesie spawania rurki zostają połączone spoiną z bazą oraz następuje napawanie addytywne kolejnych warstw tak aby cała rurka została przykryta i tak otrzymana powierzchnia zewnętrzna napoiny po mechanicznej obróbce stanowi powierzchnię narzędzia do kucia lub wyciskania.

Metoda ta nie była dotąd stosowana do budowy kanałów chłodzących w narzędziach do kucia i wyciskania. Pozwala ona uzyskać kanały o przekroju zbliżonym do kołowego i o gładkiej powierzchni wewnętrznej co wynika z geometrii i jakości wykonania zastosowanych cienkich rur stalowych. Kanały wykonane tą metodą mają dzięki temu zwiększoną odporność na powstawanie pęknięć ponieważ wewnątrz nie występują miejsca koncentracji naprężeń podczas obciążeń w procesach kucia i wyciskania.

Claims (2)

1. Metoda wytwarzania konformalnych kanałów chłodzących w narzędziach do kucia i wyciskania polegająca na tym, że wytwarza się kanały chłodzące w narzędziach do kucia i wyciskania poprzez niskoenergetyczne spawanie i napawanie łukowe cienkich rur, i tworzy się kanały konformalne w warstwie przypowierzchniowej narzędzi, przy czym metoda ta polega na addytywnym budowaniu warstwy wierzchniej, którą tworzy się na bazie, w której doprowadzone są 2 główne kanały, kanał doprowadzający (1) i kanał odprowadzający (2) medium chłodzące, a na powierzchni materiału bazowego układa są cienkie rury stalowe o średnicy z zakresu 4-10 mm i grubości ścianki min.

2 mm, przy czym cienkie rury nie przylegają do bazy, lecz są odsunięte o min. 1 mm i są przymocowane spoinami sczepnymi, natomiast układ cienkich rur jest zamknięty i połączony spoiną z kanałami doprowadzającym (1) i odprowadzającym (2) medium chłodzące wykonanymi w bazie i następnie w procesie spawania rurki zostają połączone spoinami z bazą oraz następuje napawanie addytywne kolejnych warstw tak aby cała rurka została przykryta, a tak otrzymana powierzchnia zewnętrzna napoiny po mechanicznej obróbce stanowi powierzchnię narzędzia do kucia lub wyciskania.