用于激光辅助的工具构造和修复的方法

用于激光辅助的工具构造和修复的方法
【专利摘要】一种用于形成定形产品的工具具有由诸如铸铁之类的第一材料制成的支承体。该第一材料限定了工具的成型表面的第一部并且具有支承在该第一材料上的特征。该特征具有支承在支承体的第一材料上的一层第二材料、支承在该层第二材料上的一层第三材料、以及支承在该层第三材料上的一层第四材料。诸如工具钢合金之类的该层第四材料限定了工具的成型表面的第二部。在使用期间，成型表面的第一部与成型表面的第二部配合以形成定形产品的所需形状。
【专利说明】用于激光辅助的工具构造和修复的方法
[0001]现有申请的交叉引用
[0002]本PTC专利申请要求于2012年4月16日提交的美国临时专利申请序列号N0.61/624，562 的名称为“PROCESS FOR LASER-ASSISTED TOOL BUILD AND REPAIR(用于激光辅助的工具构造和修复的方法)”的权益，该申请的全部公开内容被认为是本申请的公开内容的一部分，并且通过参引并入。

【技术领域】
[0003]本发明总体上涉及一种用于构造诸如在汽车或其他制造工业中使用的压模和铸模之类的工具的方法。更特别地，本发明涉及一种用于将工具钢合金激光熔覆到由铸铁或其他较低等级的可浇注材料制成的基部结构上以在该工具的成型表面上形成特征或对该工具的成型表面上的特征进行修复的方法，并且还涉及利用所述方法制造的工具。

【背景技术】
[0004]压模和铸模为在汽车和其他制造工业中使用的工具的示例。这样的工具具有配备有用于生产具有所需的形状或设计的成品的特征的成型表面。例如，用于生产车身面板的压模可以包括具有包括互补的相反表面特征的成型表面的冲头和模块组件。该压模的部件安装在装载有金属板坯料的压机中，并且随后在操作吨位下结合在一起以使金属板坯料在模具的部件之间变形。在压模的部件结合在一起时，金属板坯料被拉伸并且与在压模的部件的成型表面上设置的特征的形状相符合。以此方式，可以形成具有“旋风式线(TornadoLine) ”或其他设计特征的车身面板。
[0005]压模和铸模的制造需要大量的机械加工以移除不必要的大量锻造或铸造材料，从而形成用于制造成品的具有所需特征的成型表面。通常，大量锻造材料为相对昂贵的工具钢合金或铁。实际上，生产成品工具的成本主要归因于材料的成本以及所需的机械加工的量。遗憾地，将金属板坯料拉伸并变形的方法使工具的成型表面承受磨耗，从而导致了大幅的“磨损和撕裂”，并且从而限制了这种工具的有效寿命。特别地，用以生产“旋风式线”或其他类似设计的尖特征更容易受到磨损。这是由于金属板坯料相对于工具的尖特征滑动得比在该工具的其他部分内滑动的程度更大，并且由于相比工具的其他表面部分，尖特征更脆并且从而更加容易受到损坏和磨损。为了延长这种工具的有效寿命，已知的是使尖特征承受热处理加工以增大尖特征的材料硬度，并且从而增大其耐磨性。然而，最后，该工具磨损得不能再使用并且必须修复，或者在以相当大的成本进行了有限次的可用的修复之后被更换。一般而言，将该工具再磨光并非成本有效。
[0006]在W02009/077524中描述了一种用于通过以下方式由诸如高抵抗性混凝土之类的低成本材料生产工具的方法:通过将低成本材料铸造成所需形状并且随后以金属或陶瓷层涂覆该低成本材料。根据这种方式，由于使用低成本混凝土代替铁合金，因此减小了工具的材料成本，并且由于需要移除仅相对较薄的一层沉积金属或陶瓷来限定成型表面，因此减小了对机械加工的需求。遗憾地，利用这种方法生产的工具略微较脆，并且尽管其耐高压缩载荷，但是其对拉伸应力的抵抗性较小。这默示该方法适于在工具不需要具有很长的寿命周期时制造低成本工具。
[0007]在W02009/090622中描述了一种用于延长金属型腔模具的寿命的方法。特别地，该方法用于修复用于制造诸如瓶之类的玻璃制品的铸模中的缺陷。当铸模变得磨损或损坏时，从整个模制表面削去一层金属，随后将比在机械加工步骤期间所移除的该层金属更厚的一层填充材料沉积到机械加工表面上,并且最后将该填充材料机械加工成用于模制玻璃制品的设计尺寸。遗憾地，必须对整个模制表面进行机械加工以修复缺陷，这增大了成本。此外，应当说明的是，用于形成熔覆层的填充材料必须与铸模的铸铁冶金相容。这种要求限制了可以用于形成熔覆层的材料的类型。因此，限制了改变模制表面的材料特性的能力。
[0008]以上提到的方法均不适于制造用于在大容量的A类汽车应用或其他类似制造工业中使用的工具。另外，以上提到的方法均没有在允许工具的有效寿命得以增大的同时实现减小的工具材料成本。此外，以上提到的方法均不适于由冶金非相容材料或具有非相容的机械特性的材料来制造工具。
[0009]因此，有益的是提供一种用于制造工具的方法并提供根据所述方法制造的工具，其克服了现有技术的以上提到的限制和缺点中的至少某些限制和缺点。


【发明内容】

[0010]根据本发明的至少一个实施方式的方面，公开了一种用于形成定形产品的工具，该工具包括:支承体，该支承体由第一材料制成，支承体的第一材料限定了工具的成型表面的第一部；以及特征，该特征支承在支承体上，该特征包括:支承在支承体的第一材料上的一层第二材料、支承在该层第二材料上的一层第三材料、以及支承在该层第三材料上的一层第四材料，该层第四材料限定了工具的成型表面的第二部，其中，在使用期间，成型表面的第一部与成型表面的第二部配合以形成定形产品的所需形状。
[0011]根据本发明的至少一个实施方式的方面，公开了一种用于形成定形产品的工具，该工具包括:支承体，该支承体具有限定了工具的成型表面的第一部的机械加工表面；以及特征，该特征以与机械加工表面相邻的方式支承在支承体上并且限定了成型表面的第二部，该特征包括多层，所述多层包括:顶层，该顶层由与支承体的机械加工表面的材料冶金非相容或者不能与支承体的机械加工表面的材料形成适当的熔融结合的材料形成；底层，该底层由与支承体的机械加工表面的材料冶金相容的材料形成；以及中间层，该中间层由与顶层的材料以及底层的材料冶金相容的材料形成，其中，在使用期间，成型表面的第一部与成型表面的第二部配合以形成定形产品的所需形状。
[0012]根据本发明的至少一个实施方式的方面，公开了一种用于形成定形产品的工具，该工具包括:支承体，该支承体由第一材料制成并且限定了支承表面；第一特征，该第一特征包括多层金属合金，所述多层金属合金以一层位于另一层上方的方式沉积，从而限定了支承在第一材料上的结合层、支承在结合层上的过渡层以及支承在过渡层上的功能层；以及第二特征，该第二特征包括多层金属合金，所述多层金属合金以一层位于另一层上方的方式沉积，从而限定了支承在第一材料上的结合层、支承在结合层上的过渡层以及支承在过渡层上的功能层，其中，第一特征的功能层由具有第一材料特性的第一金属合金制成，并且第二特征的功能层由具有第二材料特性的第二金属合金制成，第二材料特性不同于第一材料特性。
[0013]根据本发明的至少一个实施方式的方面，公开了一种用于构造工具的方法，该方法包括:提供由第一材料制成的支承体；对支承体的第一材料的一部分进行机械加工以限定工具的成型表面的第一部；以及将限定了工具的成型表面的第二部的特征沉积到支承体上，将限定了工具的成型表面的第二部的特征沉积到支承体上包括:将一层第二材料沉积到支承体的第一材料上；将一层第三材料沉积到该层第二材料上；以及将一层第四材料沉积到该层第三材料上，该层第四材料限定了工具的成型表面的第二部。
[0014]根据本发明的至少一个实施方式的方面，公开了一种用于构造工具的方法，该方法包括:提供由第一材料制成的支承体；对支承体的第一材料的一部分进行机械加工以限定机械加工表面；在机械加工表面的第一区域内形成第一特征，该第一特征包括多层金属合金，所述多层金属合金以一层位于另一层上方的方式沉积，从而限定了支承在第一材料上的结合层、支承在结合层上的过渡层以及支承在过渡层上的功能层；以及在机械加工表面的第二区域内形成第二特征，该第二特征包括多层金属合金，所述多层金属合金以一层位于另一层上方的方式沉积，从而限定了支承在第一材料上的结合层、支承在结合层上的过渡层以及支承在过渡层上的功能层，其中，第一特征的功能层利用具有预定的第一材料特性的第一金属合金形成，并且第二特征的功能层利用具有预定的第二材料特性的第二金属合金形成，第一材料特性不同于第二材料特性。
[0015]根据本发明的至少一个实施方式的方面，公开了一种用于修复工具中的缺陷的方法，该工具具有由第一材料制成的支承体并具有特征，该特征包括沉积在支承体上的第一金属合金层、沉积在第一金属合金层上的第二金属合金层、以及沉积在第二金属合金层上的第三金属合金层，该缺陷位于第三金属合金层内，该方法包括:移除第三金属合金层的至少包括缺陷的一部分；在第三金属合金层的所述至少一部分被移除处沉积一定量的第三金属合金，该沉积通过激光熔覆来执行，并且沉积的量足以超过特征的设计尺寸；以及对沉积的第三金属合金进行机械加工以大致实现特征的设计尺寸。
[0016]根据本发明的至少一个实施方式的方面，公开了一种用于改变工具用途的方法，该方法包括:提供具有呈第一构型的成型表面的工具，该工具由第一材料制成；利用激光熔覆将特征沉积到工具的成型表面上，利用激光熔覆将特征沉积到工具的成型表面上包括将一层第二材料沉积到工具的第一材料上、将一层第三材料沉积到该层第二材料上、以及将一层第四材料沉积到该层第三材料上，该层第四材料限定了工具的成型表面的第二部，其中，特征被沉积到成型表面的除与成型表面的现有特征的位置对应的部分以外的部分上，使得成型表面在沉积特征之后具有与第一构型不同的第二构型。

【专利附图】

【附图说明】
[0017]本发明现在将仅通过示例并参照附图来描述，其中，贯穿若干附图，类似的附图标记表示类似的元件，并且在附图中:
[0018]图1a示出了在其成型表面内具有特征的工具的简化俯视图。
[0019]图1b示出了沿着图1a中的线A-A截取的简化截面图。
[0020]图1c为位于图1b的虚线圆内的特征的放大图。
[0021]图2a为示出了在利用根据本发明的实施方式的方法构造激光辅助的工具之前的支承体的表面区域的简化截面图。
[0022]图2b为示出了图2a的在激光辅助的工具构造期间沉积结合层之后的表面区域的简化截面图。
[0023]图2c为示出了图2a的在激光辅助的工具构造期间将过渡层沉积到结合层之后的表面区域的简化截面图。
[0024]图2d为示出了图2a的在激光辅助的工具构造期间将功能层沉积到过渡层之后的表面区域的简化截面图。
[0025]图3a为示出了根据本发明的另一实施方式的通过激光熔覆沉积到支承体上的第一特征和第二特征的简化截面图。
[0026]图3b示出了图3a的虚线圆内的结构的放大细节。
[0027]图4为示出了根据本发明的另一实施方式的通过激光熔覆沉积到支承体上的第一特征和第二特征的简化截面图。
[0028]图5为根据本发明的实施方式的用于构造工具的方法的简化流程图。
[0029]图6为根据本发明的实施方式的用于修复工具中的缺陷的方法的简化流程图。
[0030]图7为根据本发明的实施方式的用于改变工具用途的方法的简化流程图。

【具体实施方式】
[0031]提供以下描述以使本领域的技术人员能够实现并使用本发明，并且以下描述是在特定应用和其要求的背景下提供的。对所公开的实施方式的各种改型对于本领域的技术人员而言将显而易见，并且本文中所限定的一般原理可以在不背离本发明的范围的情况下应用至其他实施方式和应用。因此，本发明不意于限制所公开的实施方式，而是与本文中所公开的原理和特征一致的最宽范围相符。
[0032]参照图la，示出的是具有在其成型表面内限定的特征的工具的简化俯视图，该特征利用根据本发明的实施方式的激光辅助工具构造的方法而沉积。工具100包括定形成限定了成型表面104的支承体102，该成型表面104构造成用于形成具有所需形状的定形产品。成型表面104包括第一部106。此外，特征108设置在成型表面104内，该特征108限定了成型表面104的第二部。在使用期间，成型表面104的第一部106与成型表面104的由特征108限定的第二部配合以形成具有所需形状的定形产品。例如，工具100用于形成具有旋风式线设计元素的车身面板。
[0033]现在参照图lb，示出的是图1a的工具100的沿着线A-A截取的简化截面图。如在图1b中所示，支承体102由诸如铸铁之类的第一材料制成。相比利用诸如工具钢之类的更高等级的材料制成的工具，使用铸铁制造支承体102减小了工具100的总材料成本。当然，可以使用其他适当材料来代替铸铁。如在图1b中进一步示出的，支承体102被机械加工成产生了与成型表面104的所需最终形状近似的表面200。可选地，第一材料为近似所需的最终形状的铸件，并且仅在必要时执行额外的机械加工以实现所需的最终形状。有利地，铸铁的硬度小于工具钢的硬度，从而在支承体102由铸铁而非工具钢制成时更容易地对表面200进行机械加工。在本实施方式中，铸铁支承体102的机械加工表面200限定了成型表面104的第一部106。可选地，如在以下更加详细地讨论的，该机械加工表面由具有所需材料特性的另一材料覆盖。
[0034]图1a的限定了成型表面104的第二部的特征108在图1b中的虚线圆内示出。图1c中示出了特征108的放大截面图。现在参照图1b和图lc，特征108并非由第一材料制成，而是包括多层金属合金。换句话说，特征108通过激光沉积(熔覆)而构造在机械加工表面200的顶部上。熔覆是一种使类似和不同的材料结合在一起的方法，但是与作为使材料固定在一起的方法的焊接或胶合不同。在激光熔覆中，粉末或线材原材料通过使用激光被融化并结合以涂覆基板的一部分或者以制造近网状部件。通过正确地选择待沉积的材料或材料的组合，由激光熔覆构造的特征可以具有所需的机械特性。此外，通过利用各种合金材料，可以构造具有不同的机械特性的不同特征。
[0035]虽然如此，但是工具钢合金在铸铁或其他工具材料上的激光熔覆并非是简单的过程，并且在某些环境下可能会导致具有不期望的裂缝和/或多孔性的熔覆层的形成。熔覆层内的缺陷的形成可归因于铸铁材料和工具钢合金的机械和/或热特性方面的差异以及在这两种材料融合在一起时其间的相容性。在根据本发明的实施方式的方法中，金属合金在铸铁或其他适当的支承体上的三层沉积可以用以产生具有所需的机械特性并且不具有不期望的裂缝和/或多孔性的特征。参照图1b和图lc，这三层包括:结合层110、过渡层112以及功能层114。
[0036]现在参照图2a至图2d，示出的是描绘了根据本发明的实施方式的工具构造方法的不同阶段的简化截面图。如以上指出的，可以使用诸如铸铁之类的更低等级的材料代替工具钢合金来构造支承体102。图2a示出了在进行了机械加工以产生机械加工表面200之后的支承体102的一部分。特别地，图2a示出了机械加工表面200的待沉积特征108的部分。
[0037]现在参照图2b，示出的是支承体102的利用激光熔覆沉积结合层110之后的部分。特别地，结合层由表现出与支承体102的铸铁或其他材料的良好的浸润性的材料制成。在本示例中，当支承体102由铸铁制成时，结合层110例如可以由诸如钴铬钨硬合金21之类的钴基合金制成。
[0038]现在参照图2c，示出的是支承体102的将过渡层112沉积到结合层110上之后的部分。在本示例中，过渡层112由具有中等硬度和高韧性的铁基工具钢合金制成。
[0039]现在参照图2d，示出的是支承体102的将功能层114沉积到过渡层112上之后的部分。特别地，功能层114提供了工具100的预期应用所需的机械特性。在本示例中，功能层114由具有所需硬度的工具钢合金制成。在功能层114的沉积之后，必要时执行机械加工以基于将要利用工具100制造的定形产品的所需形状来实现工具100的成型表面的构型。可选地，沉积额外的功能层材料以实现功能层114的所需厚度。
[0040]已经就利用激光熔覆将三层金属合金沉积到铸铁支承体102上的具体的并且非限制性的示例对参照图2a至图2d示出的方法进行了描述。可选地，在将特征108形成在工具100的成型表面上期间可以沉积多于参照图2a至图2d描述的这三层的额外层。
[0041]通常，这三层金属合金110、112和114在支承体102与功能层114之间提供了材料特性的阶梯式过渡。利用参照图2a至图2d描述的方法，可以构造具有由如下材料制成的功能层114的特征:功能层114的材料具有与支承体102的材料的机械特性不同的机械特性，其中功能层114基本上不存在裂缝或多孔性。功能层114例如由高度耐磨损的金属合金制成。以此方式，可以使用低成本材料形成支承体102并限定成型表面104的在定形产品的形成期间不会承受大幅的磨损和磨蚀的第一部106。在定形产品的形成期间承受大幅的磨损和磨蚀的特征或区域根据参照图2a至图2d描述的方法构成。这样构成的特征的功能层114可以由耐磨损的金属合金制成。由于所构成的特征可以更加高度地耐磨损，并且成型表面104的其他部分可能不会承受大幅的磨损和磨蚀，因此根据以上所描述的方法制造的工具的总体寿命可以比得上完全由更高等级的材料制成的工具的寿命。这样，参照图2a至图2d描述的方法可以支持以更低的材料成本和更低的机械加工成本来构造工具，但是也没有牺牲工具的寿命或者在工具的寿命期间不需要大量的额外维护。
[0042]现在参照图3a，示出的是工具的成型表面的一部分的放大截面图，其中该工具根据参照图2a至图2d描述的加工过程的变型方式制造。另外，图3b示出了图3a的虚线圆内的结构的放大细节。特别地，特征108大致如以上参照图2a至图2d所描述地形成在支承体102的机械加工表面200上。另外，第二特征300沉积在机械加工表面200的与特征108相邻的部分上。在该示例中，第二特征300以包括三层金属合金的薄表面涂覆的形式沉积，这三层金属合金包括:结合层302,该结合层302由表现出与支承体102的材料的良好的浸润性的第一金属合金制成；过渡层304,该过渡层304由第二金属合金制成；以及功能层306，该功能层306由具有所需的机械特性的第三金属合金制成。例如，沉积第二特征300以在工具的成型表面的与特征108相邻的部分上提供更高的耐磨性。可选地，第二特征300在工具的大致整个成型表面上方延伸，或者第二特征300仅在成型表面的期望在利用工具形成定形产品期间承受较高的磨损和磨蚀的选定部分上方延伸。在该示例中，特征300和特征108限定了工具的成型表面的毗邻表面部。
[0043]现在参照图4，示出的是工具的成型表面的一部分的放大截面图，其中该工具根据参照图2a至图2d描述的方法的另一变型方式制造。特别地，特征108大致如以上参照图2a至图2d所描述地形成在支承体102的机械加工表面200上。另外，第二特征400沉积在机械加工表面200的与特征108相邻并间隔开的部分上。第二特征400大致类似于特征108，并且包括:结合层402，该结合层402由表现出与支承体102的材料的良好的浸润性的第一金属合金制成；过渡层404,该过渡层404由第二金属合金制成；以及功能层406,该功能层406由具有所需的机械特性的第三金属合金制成。第二特征400形成了工具102的成型表面的第三部。在该示例中，特征108和第二特征400限定了工具102的成型表面的不毗邻部。虽然如此，但是成型表面的第一部106与由特征108和第二特征400限定的成型表面毗邻。此外，在该示例中，第二特征400的功能层406与特征108的功能层114由不同的合金形成。例如，功能层406由具有比用以形成特征108的功能层的材料更大的耐磨性的工具钢合金制成。在该示例中，特征108的结合层110与特征400的结合层402由相同的金属合金制成，并且特征108的过渡层112与特征400的过渡层404由相同的金属合金制造。可选地，特征108和特征400的结合层和/或过渡层由不同的合金制成。例如，选择不同的金属合金以确保冶金相容性。
[0044]在参照图1至图4描述的实施方式中，功能层的材料与支承基部的材料冶金相容。例如，功能层的材料为铁基工具钢合金并且支承基部的材料为铸铁。尽管冶金相容，但是在利用激光熔覆将功能层直接沉积到支承体102上的情况下可以预期:功能层将包括裂缝以及不期望的多孔性。这种情况下的非相容性可归因于材料特性方面的差异；例如，在该具体的并且非限制性的示例中，工具钢功能层的硬度比铸铁支承件的硬度大得多。在沉积功能层114之前将结合层和过渡层沉积到支承体102上，以提供支承体102与功能层114之间的材料特性的阶梯式过渡，并且从而允许形成大致没有裂缝和不期望的多孔性的功能层114。
[0045]在其他系统中，功能层的材料可以与支承体的材料冶金非相容。以上描述的该方法还可以用以形成包括冶金非相容材料的结构。例如，结合层的材料选择成与支承基部的材料冶金相容，并且过渡层的材料选择成与结合层的材料和功能层的材料冶金相容。以此方式，可以使用激光熔覆将所需的结合层沉积到支承体上，并且随后将所需的过渡层沉积到结合层上，并且随后将功能层沉积到过渡层上。通过适当的选择用于不同层中的每一层的材料，甚至在功能层的材料与支承基部的材料冶金非相容的情况下也可以形成大致没有裂缝和不期望的多孔性的功能层。
[0046]现在参照图5，示出的是根据本发明的实施方式的用于构造工具的方法的简化流程图。在500处，提供了由第一材料制成的支承体。例如，第一材料可以为具有比工具钢更低的等级，诸如铸铁。可选地，支承体大致被铸造成所需的最终形状，或者支承体以块的形式提供。在502处，对支承体的第一材料的一部分进行机械加工以限定工具的成型表面的第一部。必要的机械加工的量取决于支承件大致被铸造成所需的最终形状还是以块的形式提供。在504处，将限定了工具的成型表面的第二部的特征沉积到支承体上。更特别地，沉积特征包括将一层第二材料沉积到支承体的第一材料上，随后将一层第三材料沉积到这层第二材料上，并且最后将一层第四材料沉积到这层第三材料上。该第二、第三和第四材料利用激光熔覆每次一种地沉积。所沉积的材料以粉末或者线材原料的形式给送，利用激光使粉末或者线材原料融化并沉积到基板的所需部分上。沉积这些层中的每一层可选地包括沉积多层相应材料以获得沉积材料的所需厚度。可选地，结合层、过渡层和功能层具有不同的厚度。在506处，必要时执行额外的机械加工以获得特征的所需的最终形状并完成成型表面。在使用期间，这层第四材料限定了工具的成型表面的第二部，该第二部与工具的成型表面的第一部配合以产生具有所需形状的定形产品。
[0047]现在参照图6，示出的是根据本发明的实施方式的用于修复工具的方法的简化流程图。更特别地，该方法用于修复工具中的缺陷，该工具具有由第一材料制成的支承体并具有如下特征，该特征包括沉积在支承体上的第一金属合金层、沉积在第一金属合金层上的第二金属合金层、以及沉积在第二金属合金层上的第三金属合金层。在该具体的并且非限制性的示例中，假设已经在这三层特征的顶部上沉积了另外的多层第三金属合金，使得第三金属合金层的材料厚度足以确保任何缺陷和/或磨损均发生在该第三金属合金层内。虽然如此，但是在某些情况下，缺陷或磨损也可能会延伸到更低层中，例如延伸到第二金属合金层中或者甚至延伸到第一金属合金层中。
[0048]仍然参照图6，在600处，移除第三金属合金层中的包括缺陷的部分。例如，对第三金属合金层进行机械加工以移除至少一些第三金属合金。可选地，将第三金属合金层完全移除。在602处，将一定量的第三金属合金沉积以替换第三金属合金层中的至少被移除的部分。特别地，第三金属合金利用激光熔覆来沉积，由此第三金属合金以粉末或者线材原料的形式给送、利用激光融化、并且被沉积以替换第三金属合金层中的至少被移除的部分。沉积的所述一定量的第三金属合金足以超过修复的特征的设计尺寸。随后，在604处，对所沉积的第三金属合金进行机械加工以大致实现该特征的设计尺寸，其中，该设计尺寸基于利用工具制造的定形产品的所需形状来确定。
[0049]现在参照图7，示出的是根据本发明的实施方式的用于改变工具用途的方法的简化流程图。更特别地，图7的方法涉及例如通过将特征沉积在成型表面内来修改现有工具的成型表面。可选地，例如通过机械加工将一个或更多个现有特征移除或修改。在700处，提供了如下工具:该工具为具有呈第一构型的成型表面的现有工具，并且该工具由第一材料制成。例如，第一材料比工具钢等级更低，诸如铸铁。在702处，利用激光熔覆将特征沉积到工具的成型表面上。沉积特征的步骤包括:将一层第二材料沉积到工具的第一材料上；将一层第三材料沉积到这层第二材料上；以及将一层第四材料沉积到这层第三材料上。在704处，执行另外的机械加工以实现成型表面的所需的第二构型。这层第四材料限定了工具的成型表面的一部分。此外，将特征沉积到成形表面的除与成形表面的现有特征的位置对应的部分以外的部分上，使得在沉积特征之后，成形表面的第二构型不同于第一构型。
[0050]通过将诸如铸铁之类的更低等级的材料用于支承体并且通过利用激光熔覆来构造特征，使构造工具的最初成本相比现有技术的工具构造方法得以减小。通过选择适当材料用于构造特征，熔覆可以产生具有对于具体的应用所需的机械特性。特别地，工具可以构造成具有确保承受磨损和磨蚀的更长的使用寿命的特征。当检测到缺陷或磨损时，可以在没有降低质量的情况下对工具进行修复而非被回收。这种修复可以在不需要任何热处理或大量的机械加工的情况下进行，其节约了时间、能源和资金。在某些情况下，可以对现有工具上的特征进行修改而非构造完全新的工具，从而允许改变废弃工具的用途而非回收。
[0051]尽管以上描述构成了本发明的多个实施方式，但是应当理解到，可以在不背离所附权利要求的合理意义的情况下对本发明进行进一步修改和改变。
【权利要求】
1.一种用于形成定形产品的工具，所述工具包括: 支承体，所述支承体由第一材料制成，所述支承体的所述第一材料限定了所述工具的成型表面的第一部；以及 特征，所述特征支承在所述支承体上，所述特征包括: 一层第二材料，所述一层第二材料支承在所述支承体的所述第一材料上； 一层第三材料，所述一层第三材料支承在所述一层第二材料上；以及 一层第四材料，所述一层第四材料支承在所述一层第三材料上，所述一层第四材料限定了所述工具的所述成型表面的第二部， 其中，在使用期间，所述成型表面的所述第一部与所述成型表面的所述第二部配合以形成所述定形产品的所需形状。
2.根据权利要求1所述的工具，其中，所述一层第二材料、所述一层第三材料以及所述一层第四材料通过激光熔覆来沉积。
3.根据权利要求1或2所述的工具，其中，所述第一材料和所述第四材料不适于没有过多缺陷的熔融结合。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的工具，其中，所述一层第二材料形成粘结层，所述一层第三材料形成过渡层，并且所述一层第四材料形成功能层，所述第四材料具有比所述第一材料的硬度更大的硬度。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的工具，其中，所述第一材料为铸铁，所述第二材料为钴基合金，所述第三材料为具有高韧性的铁基合金，并且所述第四材料为具有预定的机械特性的工具钢合金。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的工具，其中，所述工具为压模和铸模中的一者的一部分。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的工具，其中，在使用期间，所述成型表面的所述第一部与所述成型表面的所述第二部配合以限定所述定形产品内的尖A类特征的至少一部分。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的工具，其中，所述成型表面的所述第一部与所述成型表面的所述第二部为毗邻的成型表面部。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的工具，其中，所述成型表面的所述第一部为所述支承体的机械加工表面。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的方法，其中，所述第一材料、所述第二材料、所述第三材料以及所述第四材料中的每一者均为不同的金属或金属合金。
11.一种用于形成定形产品的工具，所述工具包括: 支承体，所述支承体具有机械加工表面，所述机械加工表面限定了所述工具的成型表面的第一部；以及 特征，所述特征以与所述机械加工表面相邻的方式支承在所述支承体上并且限定了所述成型表面的第二部，所述特征包括多层，所述多层包括:顶层，所述顶层由与所述支承体的所述机械加工表面的材料冶金非相容的材料形成；底层，所述底层由与所述支承体的所述机械加工表面的所述材料冶金相容的材料形成；以及中间层，所述中间层由与所述顶层的所述材料以及所述底层的所述材料冶金相容的材料形成，其中，在使用期间，所述成型表面的所述第一部与所述成型表面的所述第二部配合以形成所述定形产品的所需形状。
12.根据权利要求11所述的工具，其中，所述特征的所述底层、所述中间层以及所述顶层通过激光熔覆顺序地沉积。
13.根据权利要求11或12所述的工具，其中，所述底层形成结合层，所述中间层形成过渡层，并且所述顶层形成功能层。
14.根据权利要求11至13中的任一项所述的工具，其中，所述顶层的所述材料具有比所述支承体的所述机械加工表面的所述材料的硬度更大的硬度。
15.根据权利要求11至14中的任一项所述的工具，其中，所述工具为压模和铸模中的一者的一部分。
16.根据权利要求11至15中的任一项所述的工具，其中，在使用期间，所述成型表面的所述第一部与所述成型表面的所述第二部配合以限定所述定形产品内的尖A类特征的至少一部分。
17.根据权利要求11至16中的任一项所述的工具，其中，所述成型表面的所述第一部与所述成型表面的所述第二部为毗邻的成型表面部。
18.一种用于形成定形产品的工具，所述工具包括: 支承体，所述支承体由第一材料制成并且限定了支承表面； 第一特征，所述第一特征包括多层金属合金，所述多层金属合金以一层位于另一层上方的方式沉积，从而限定了支承在所述第一材料上的结合层、支承在所述结合层上的过渡层以及支承在所述过渡层上的功能层；以及 第二特征，所述第二特征包括多层金属合金，所述多层金属合金以一层位于另一层上方的方式沉积，从而限定了支承在所述第一材料上的结合层、支承在所述结合层上的过渡层以及支承在所述过渡层上的功能层， 其中，所述第一特征的所述功能层由具有第一材料特性的第一金属合金制成，并且所述第二特征的所述功能层由具有第二材料特性的第二金属合金制成，所述第二材料特性不同于所述第一材料特性。
19.根据权利要求18所述的工具，其中，所述第一特征与所述第二特征分别限定了所述工具的成型表面的毗邻的第一表面部和第二表面部。
20.根据权利要求18所述的工具，其中，所述第一特征与所述第二特征分别限定了所述工具的成型表面的不毗邻的第一表面部和第二表面部。
21.根据权利要求18至20中的任一项所述的工具，其中，所述第一特征和所述第二特征中的每一者的所述结合层由与所述第一材料冶金相容的金属合金制成。
22.根据权利要求18至20中的任一项所述的工具，其中，所述第一特征和所述第二特征中的每一者的所述过渡层由与所述结合层的金属合金以及所述功能层的金属合金冶金相容的金属合金制成。
23.根据权利要求18至20中的任一项所述的工具，其中，所述第一特征和所述第二特征中的每一者的所述功能层由与所述过渡层的金属合金冶金相容的金属合金制成。
24.根据权利要求18至20中的任一项所述的工具，其中，所述第一特征和所述第二特征中的至少一者的所述功能层由与所述第一材料冶金非相容或者不能与所述第一材料形成没有过多缺陷的熔融结合的金属合金制成。
25.根据权利要求18至24中的任一项所述的工具，其中，所述第一特征和所述第二特征中的每一者的所述结合层、所述过渡层以及所述功能层通过激光熔覆来沉积。
26.根据权利要求18所述的工具，其中，所述第一材料为铸铁，所述第一特征和所述第二特征的所述结合层的金属合金为钴基合金，所述第一特征和所述第二特征的所述过渡层的金属合金为具有高韧性的铁基合金，并且所述第一特征和所述第二特征的所述功能层的金属合金为具有预定的机械特性的工具钢合金。
27.根据权利要求18至26中的任一项所述的工具，其中，所述工具为压模和铸模中的一者的一部分。
28.一种用于构造工具的方法，所述方法包括: 提供由第一材料制成的支承体； 对所述支承体的所述第一材料的一部分进行机械加工以限定所述工具的成型表面的第一部；以及 将限定了所述工具的所述成型表面的第二部的特征沉积到所述支承体上，其包括: 将一层第二材料沉积到所述支承体的所述第一材料上； 将一层第三材料沉积到所述一层第二材料上；以及 将一层第四材料沉积到所述一层第三材料上，所述一层第四材料限定了所述工具的所述成型表面的第二部。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述第二材料与所述第一材料冶金相容，所述第四材料与所述第一材料冶金非相容，并且所述第三材料与所述第二材料和所述第四材料两者都冶金相容。
30.根据权利要求28或29所述的方法，其中，所述第一材料为铸铁。
31.根据权利要求28至30中的任一项所述的方法，其中，所述第二材料为钴基合金，所述第三材料为具有高韧性的铁基合金，并且所述第四材料为具有预定的机械特性的工具钢I=1-Wl O
32.根据权利要求28至31中的任一项所述的方法，其中，所述特征被沉积到所述支承体的在形成定形产品期间承受高磨损和磨蚀的区域上。
33.根据权利要求28至32中的任一项所述的方法，其中，所述一层第二材料、所述一层第三材料以及所述一层第四材料通过激光熔覆来沉积。
34.根据权利要求28至33中的任一项所述的方法，其中，所述第一材料、所述第二材料、所述第三材料以及所述第四材料中的每一者均为不同的金属或金属合金。
35.一种用于构造工具的方法，所述方法包括: 提供由第一材料制成的支承体； 对所述支承体的所述第一材料的一部分进行机械加工以限定机械加工表面； 在所述机械加工表面的第一区域内形成第一特征，所述第一特征包括多层金属合金，所述多层金属合金以一层位于另一层上方的方式沉积，从而限定了支承在所述第一材料上的结合层、支承在所述结合层上的过渡层以及支承在所述过渡层上的功能层；以及 在所述机械加工表面的第二区域内形成第二特征，所述第二特征包括多层金属合金，所述多层金属合金以一层位于另一层上方的方式沉积，从而限定了支承在所述第一材料上的结合层、支承在所述结合层上的过渡层以及支承在所述过渡层上的功能层， 其中，所述第一特征的所述功能层利用具有预定的第一材料特性的第一金属合金形成，并且所述第二特征的所述功能层利用具有预定的第二材料特性的第二金属合金形成，所述第一材料特性不同于所述第二材料特性。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，所述第一特征和所述第二特征设置在所述机械加工表面上以分别限定所述工具的成型表面的不毗邻的第一表面部和第二表面部。
37.根据权利要求35所述的方法，其中，所述第一特征和所述第二特征设置在所述机械加工表面上以分别限定所述工具的成型表面的毗邻的第一表面部和第二表面部。
38.根据权利要求35至37中的任一项所述的方法，其中，所述第一特征和所述第二特征中的每一者的所述结合层由与所述第一材料冶金相容的金属合金制成。
39.根据权利要求35至38中的任一项所述的方法，其中，所述第一特征和所述第二特征中的每一者的所述过渡层由与所述结合层的金属合金冶金相容的金属合金制成。
40.根据权利要求35至39中的任一项所述的方法，其中，所述第一特征和所述第二特征中的每一者的所述功能层由与所述过渡层的金属合金冶金相容的金属合金制成。
41.根据权利要求35至40中的任一项所述的方法，其中，所述第一特征和所述第二特征中的至少一者的所述功能层由与所述第一材料冶金非相容或者不能与所述第一材料形成没有过多缺陷的熔融结合的金属合金制成。
42.根据权利要求35至41中的任一项所述的方法，其中，所述第一特征和所述第二特征中的每一者的所述结合层、所述过渡层以及所述功能层通过激光熔覆来沉积。
43.根据权利要求35至42中的任一项所述的方法，其中，所述第一材料为铸铁，所述第一特征和所述第二特征的所述结合层的金属合金为钴基合金，所述第一特征和所述第二特征的所述过渡层的金属合金为具有高韧性的铁基合金，并且所述第一特征和所述第二特征的所述功能层的金属合金为工具钢合金。
44.根据权利要求35至43中的任一项所述的方法，其中，所述工具为压模和铸模中的一者的一部分。
45.一种用于修复工具中的缺陷的方法，所述工具具有由第一材料制成的支承体并具有特征，所述特征包括沉积在所述支承体上的第一金属合金层、沉积在所述第一金属合金层上的第二金属合金层、以及沉积在所述第二金属合金层上的第三金属合金层，所述缺陷位于所述第三金属合金层内，所述方法包括: 移除所述第三金属合金层的包括所述缺陷的至少一部分； 在所述第三金属合金层的所述至少一部分被移除处沉积一定量的第三金属合金，所述沉积通过激光熔覆来执行，并且所述沉积的量足以超过所述特征的设计尺寸；以及 对沉积的第三金属合金进行机械加工以大致实现所述特征的所述设计尺寸。
46.根据权利要求45所述的方法，其中，所述第一材料为铸铁，第一金属合金为钴基合金，第二金属合金为具有高韧性的铁基合金，并且所述第三金属合金为具有预定的材料特性的工具钢合金。
47.根据权利要求45或46所述的方法，其中，所述第三金属合金层的所述至少一部分通过机械加工来移除。
48.根据权利要求45至47中的任一项所述的方法，其中，移除所述第三金属合金层的所述至少一部分使下面的所述第二金属合金层的一部分暴露，并且其中，随后将所述一定量的第三金属合金沉积到暴露的第二金属合金上。
49.一种用于改变工具用途的方法，所述方法包括: 提供具有呈第一构型的成型表面的工具，所述工具由第一材料制成； 利用激光熔覆将特征沉积到所述工具的所述成型表面上，其包括: 将一层第二材料沉积到所述工具的所述第一材料上； 将一层第三材料沉积到所述一层第二材料上；以及 将一层第四材料沉积到所述一层第三材料上，所述一层第四材料限定了所述工具的所述成型表面的第二部， 其中，所述特征被沉积到所述成型表面的除与所述成型表面的现有特征的位置对应的部分以外的部分上，使得所述成型表面在沉积所述特征之后具有与所述第一构型不同的第二构型。
50.根据权利要求49所述的方法，其中，所述工具在所述成形表面处包括第一金属或金属合金，并且其中，所述第二材料、所述第三材料以及所述第四材料中的每一者均为不同的金属合金。
【文档编号】B23P15/00GK104245224SQ201380020171
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年4月4日 优先权日:2012年4月16日
【发明者】马克西米利安·阿姆特曼, 辜红平, 博里斯·舒利金, 阿尔多·万格尔德 申请人:麦格纳国际公司