CN102218465A - 板坯的流体辅助非等温冲压 - Google Patents

Abstract

本发明涉及板坯的流体辅助非等温冲压，提供了一种把板坯冲压成理想形状的方法，该方法包括提供板坯。该方法还包括在板坯成型为理想形状期间，在要经历高应力集中的预定区域中用流体流局部冷却板坯。此外，方法包括在具有冲头的冲压机中使金属板坯成型为理想形状。还公开了使用成型板坯的方法的***。

Description

板坯的流体辅助非等温冲压

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年3月2日提交的、序列号为No.61/309,573的美国临时专利申请的优先权，通过引用将其全部内容并入于此。

技术领域

本发明涉及流体辅助非等温板坯冲压。

背景技术

冲压通常包括多种薄板成型生产过程，例如使用机器或者冲压机的冲孔、冲裁、压纹、弯曲、折边、以及压印。冲压过程能够以高生产率形成简单的或者复杂的形状。例如金属或者塑料的各种基材可以用在这种过程中。

将板坯冲压成理想形状可以单级操作发生或者可通过多级完成，其中在单级操作中，冲压机的每次冲程都由毛坯形成了理想的成品形状。经常地，冲压操作产生的成品形状、以及生产率，受到板坯承受变形且不产生裂缝和撕裂的能力的限制。

发明内容

一种把板坯冲压成理想形状的方法包括提供板坯。方法还包括在板坯成型为理想形状期间，在要经历高应力集中的预定区域中用流体流局部冷却板坯。方法还包括在具有冲头的冲压机中使金属板坯成型为理想形状。

方法还可包括将板坯传输到冲压机，同时在传输期间可用流体流局部地冷却板坯。也可在成型之前或期间在冲压机中用流体流局部地冷却板坯。

板坯具有温度高于环境温度的特征。在这种情况下，使用的流体的特征在于环境温度，但是也可是，例如具有温度低于环境温度的特征的压缩气体。板坯的特征也可以为温度基本上等于环境温度。在这种情况下，使用的流体的特征在于低于环境温度的温度，例如液态氮。

冲压机可包括成型模具，并且成型模具是等温的，且可以为环境温度和升高的温度之一。成型模具也可是非等温的，并且冲头的特征可在于温度低于模具的温度。

如上所述，还提供了一种成型板坯的***。

本发明提供了下列技术方案。

技术方案1：一种把板坯冲压成理想形状的方法，该方法包括：

在所述板坯成型为所述理想形状期间，在经历高应力集中的预定区域内用流体流局部冷却板坯；以及

在具有冲头的冲压机中使金属板坯成型为所述理想形状。

技术方案2：根据技术方案1所述的方法，还包括将所述板坯传输到所述冲压机，并且其中，在所述传输期间完成所述用流体流局部冷却板坯。

技术方案3：根据技术方案1所述的方法，其中在所述成型之前，在冲压机中完成所述用流体流局部冷却板坯。

技术方案4：根据技术方案1所述的方法，其中在所述成型期间，在冲压机中完成所述用流体流局部冷却板坯。

技术方案5：根据技术方案1所述的方法，其中所述板坯的特征在于温度高于环境温度，且所述流体的特征在于环境温度。

技术方案6：根据技术方案5所述的方法，其中所述板坯的特征在于温度基本上等于环境温度，且所述流体的特征在于温度低于环境温度。

技术方案7：根据技术方案1所述的方法，其中所述流体是液态氮。

技术方案8：根据技术方案1所述的方法，其中所述冲压机包括成型模具，并且所述成型模具是等温的，处于环境温度和升高的温度之一。

技术方案9：根据技术方案1所述的方法，其中所述冲压机包括成型模具，成型模具是非等温的，并且所述冲头的特征在于温度低于所述模具的温度。

技术方案10：一种在冲压操作期间增加板坯的可成形性的方法，该方法包括：

通过用流体流局部冷却所述板坯，使得变形应变远离所述板坯上的潜在失效位置；以及

使用冲头在成型模具之间将所述板坯冲压为理想形状。

技术方案11：根据技术方案10所述的方法，还包括将所述板坯传输到所述成型模具，并且其中，在所述传输期间完成所述用流体流局部冷却板坯。

技术方案12：根据技术方案10所述的方法，其中在所述成型之前，在所述成型模具之间完成所述用流体流局部冷却板坯。

技术方案13：根据技术方案10所述的方法，其中在所述成型期间，在所述成型模具之间完成所述用流体流局部冷却金属板坯。

技术方案14：根据技术方案10所述的方法，其中板坯的特征在于温度高于环境温度，所述流体的特征在于是环境温度。

技术方案15：根据技术方案14所述的方法，其中所述板坯的特征在于温度基本上等于环境温度，所述流体的特征在于温度低于环境温度。

技术方案16：根据技术方案15所述的方法，其中所述流体是液态氮。

技术方案17：根据技术方案10所述的方法，其中至少一个所述成型模具是等温的，处于环境温度和升高的温度之一。

技术方案18：根据技术方案10所述的方法，其中至少一个所述成型模具是非等温的，并且所述冲头的特征在于温度低于所述至少一个模具的温度。

技术方案19：一种用于成型板坯的***，该***包括：

冲压机，其包括：

成型模具；以及

冲头；

设置成将所述板坯传送到所述冲压机的传输设备；以及

一装置，其构造为在所述板坯成型为理想形状期间，用流体流在要经历高应力集中的预定区域中局部冷却所述板坯，所述装置位于所述冲压机和所述传输设备的至少一个中。

技术方案20：根据技术方案19所述的***，其中所述板坯的特征在于下列之一：

高于环境温度的温度，且所述流体的特征在于环境温度；以及

基本上等于环境温度的温度，且所述流体的特征在于温度低于环境温度。

本发明的上述特征和优点以及其它的特征和优点将从实现本发明的最佳方式的以下详细描述中结合附图而变得显而易见。

附图说明

图1是在成型之前的冲压机的横截面示意图，冲压机包括用于局部冷却板坯的流体喷射；

图2是在成型期间图1中示出的冲压机的横截面示意图；

图3是在成型期间冲压机的横截面示意图，冲压机包括用于局部冷却板坯的流体喷射路线的替换实施例；

图4是布置用于将板坯传送到冲压机的传输设备的横截面示意图，冲压机包括在传输期间用于局部冷却板坯的流体喷射；和

图5是示出了用于冲压金属薄板的方法的流程图。

具体实施方式

参看附图，其中相同的部件始终采用相同的数字表示，图1和2示出了布置用于使板坯12成型为理想形状的冲压机10。冲压机10包括上成型模具14、下成型模具16和冲头18。如本领域技术人员所知，为了使板坯12产生理想形状，板坯设置在成型模具14、16之间，并且被冲头18压制。如所想象的，使用的板坯12可是任何可变形的基材，例如金属或者塑料。预期的成型操作可涉及内拉（draw-in）、纯拉伸、或者二者的结合，如本领域技术人员所理解的那样。

上模具14和下模具16各自分别包括挖空的中心部分14A、16A。挖空的中心部分14A、16A可具有大致圆形的横截面或者任何在冲压操作期间使板坯12产生理想形状的其他形状。类似地，冲头18的特征在于具有互补于挖空的中心部分14A、16A的横截面。此外，冲头18包括引导部分18A，其特别地形成以在冲压操作期间使板坯12产生理想的半球形。

喷射喷嘴20相对于上模具14设置在挖空的中心部分14A中。喷嘴20可结合在上模具14的结构内，或者从外部被安装在上模具上或者其附近。喷嘴20包括用于排放流体流F1的孔口20A。在使板坯产生理想形状的期间，孔口20A在板坯12上预定经历高应力集中的特定点或者区域处指向板坯。流体流F1与板坯12上高应力集中的预定区域的接触影响了该特定区域的局部冷却，从而在成型操作期间，增加了基材的强度，并且降低了目标区域内的材料薄度。喷射通道22设置在冲头18的结构内用于传递流体流F2以在与流体流F1冷却的相同高应力区域内冷却板坯12的下面。因此，流体流可从模具14侧、冲头22侧或者从这两个方向被引至板坯12。成型材料的典型目标是，承受一定大小的应力，其产生每秒0.01到10.0速率内的应变，如本领域技术人员所理解的那样。具有潜在高应力集中的板坯12的局部区域冷却旨在使材料应变率降至上述目标应变率。

有意使流体流的温度低于板坯12的温度。例如，预期的流体流可处于室内环境或者环境温度下，当板坯12的温度高于环境温度时，在这种情况下，可使用有规律的加压空气或者另一种类型的气体。例如，可使用特征为大约90Psi压力的空气流来冷却板坯12。在替换实施例中，当板坯12的温度基本等于环境温度时，流体流的特征可在于低于环境温度的温度，例如液态氮或者液态氦。在这种情况下，大约为负196摄氏度温度的液态氮流、或者大约为负296摄氏度温度的液态氦流可用于冷却板坯12。对于如铝和镁这样的材料来说，板坯12的额定温度通常可处于环境温度到350摄氏度的范围内，然而在局部冷却期间，在潜在高应力区域中的温度目标是比板坯的额定温度低20摄氏度。通常地，在板坯12上的高应力集中的预定区域的预期局部冷却可在如图1所示的成型操作开始之前完成、或者在如图2所示的成型过程期间完成。

可进行流体流的喷射而上模具14在整个成型操作期间保持等温，其中模具的温度通常保持恒定于环境温度、或者一些具体的升高温度，即高于环境温度。此外，可同样进行流体流的喷射而相应的上模具和下模具14、16是非等温的，其中，模具的温度在成型操作期间随着它的周围环境而发生变化。在使用非等温的相应的上模具和下模具14、16的情况下，冲头18可被有意地冷却至低于上模具温度的温度。冲头18的理想冷却可由将流体流F2传递通过喷射通道22来完成。

如本领域技术人员所理解的，在冲压操作的建模期间，或者在冲压操作的测试和开发阶段期间，通常可以预先确定板坯12上的高应力区域，同时过程参数被精调并确定。虽然示出的喷嘴20包括单个孔口，但是也可以包括多个孔口，以将流体流引导至高应力集中的较大的区域，或者引导到板坯12上高应力集中的分散区域。

图3描述了冲压机30，其被设置用于使板坯12成型为理想形状。类似于图2中示出的冲压机10的位置，图3示出了在板坯12成型的过程中的冲压机30。冲压机30的构造大部分地类似于相对于图1和图2描述的冲压机10。冲压机30包括上成型模具34、下成型模具36和冲头38。上模具34和下模具36均分别包括挖空的中心部分34A、36A。类似于挖空的中心部分14A、16A，挖空的中心部分34A、36A可具有大致圆形的横截面或者任何其它的理想形状。冲头38的特征在于具有互补于挖空的中心部分34A、36A的横截面，且包括专门形成以用于使板坯12产生理想形状的引导部分38A。

仍然参考图3，多个喷射喷嘴（示出为喷嘴40和42，但是也可以包括任意多个喷嘴）结合在上模具34的结构内。由喷嘴40和42代表的多个喷射喷嘴也可从外部被安装在上模具34上或者其附近。如图所示，代表性的喷嘴40、42包括用于分别排放流体流F3和F4的各自孔口40A和42A。与相对于图1和图2描述的孔口20A的情况相同，在使板坯产生理想形状期间，孔口40A和42A在板坯12上预定经历高应力集中的特定点或者区域处指向板坯。流体流与板坯12上高应力集中的预定区域的接触影响了该特定区域的局部冷却，且在成型操作期间，增加了基材的强度，并且降低了目标区域内的板坯的可见应变率。

喷射通道44设置在冲头38的结构内以传递流体流F5，从而冷却板坯12的下面。喷射通道44***成多个附属通道，示出为通道44A和44B，但是可包括任何多个通道。通道44A和44B设置在冲头18的结构内以传递由流F5A和F5B代表的多个流体流，从而在与流体流F3和F4冷却的相同高应力区域内冷却板坯12的下面。由于与多个喷射通道协同工作的多个喷射喷嘴，可有效地冷却板坯12的相当大的区域，该区域在成型期间经历高应力集中。通道44A和44B可直接给板坯12上的区域供流，或者可最初地给围绕引导部分38A的周长设置的凹槽46供流，以便流体流在接触板坯之前充满凹槽。

图4描述了传输设备50，其优选的是设置成将板坯12传输至冲压机10或者冲压机30的机器人设备。传输设备50包括容纳吸盘54A和54B的“端部执行器（end-effector）”或者支架52。吸盘54A和54B设置成将自身粘附以用于持续地传输板坯12，并且在上成型模具14和下成型模具16之间、或者在上成型模具34和下成型模具36之间释放板坯。传输设备50还包括喷射喷嘴56，但是也可包括多个喷嘴。喷射喷嘴56包括构造成排放流体流F6的孔口58。

与上面描述的在冲压机10、30中使用的喷射喷嘴的孔口类似，在使板坯产生理想形状期间，孔口58在板坯12上预定经历高应力集中的特定点或者区域处指向板坯。在板坯12传输到冲压机10或者冲压机30期间，流体流F6的排放受到影响。流体流F6与在板坯12上的高应力集中的预先确定区域的接触影响了该特别区域的局部冷却，从而在成型操作期间，增加了基材的强度，并且降低了目标区域内的板坯的可见应变率。

图5描述了冲压金属薄板的方法60。这里相对于在冲压机10中成型板坯12来描述方法60。方法60同样可应用于在冲压机30中成型板坯12，并且在任何冲压机中成型板坯12之前使用传输设备50。方法起始于框62，然后继续至框64，在框64中提供板坯12。在框64之后，方法前进至框66，在框66中，在板坯成型为理想形状期间，板坯12在要经历高应力集中的预定区域中被流体流F1和/或F2局部冷却。

根据本方法，在成型操作期间和/或在成型开始之前，执行板坯12的局部冷却。当在成型操作开始之前执行时，局部冷却可在成型开始之前的任何时间发生，例如，在将板坯传输到冲压机10之前即刻，在这种传输期间，和/或正好在成型开始之前在冲压机中。从框66，方法继续至框68，在框68中，金属板坯12由冲头18在冲压机10中成型为理想形状。在金属板坯12成型为理想形状之后，方法在框70中结束。

尽管已经详细描述了实现本发明的最佳方式，那些熟悉本发明涉及的技术领域的人员将意识到在所附权利要求范围内的用于实施本发明的各种替换设计以及实施例。

Claims (10)

1.一种把板坯冲压成理想形状的方法，该方法包括：

在所述板坯成型为所述理想形状期间，在经历高应力集中的预定区域内用流体流局部冷却板坯；以及

在具有冲头的冲压机中使金属板坯成型为所述理想形状。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述板坯传输到所述冲压机，并且其中，在所述传输期间完成所述用流体流局部冷却板坯。

3.根据权利要求1所述的方法，其中在所述成型之前，在冲压机中完成所述用流体流局部冷却板坯。

4.根据权利要求1所述的方法，其中在所述成型期间，在冲压机中完成所述用流体流局部冷却板坯。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述板坯的特征在于温度高于环境温度，且所述流体的特征在于环境温度。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述板坯的特征在于温度基本上等于环境温度，且所述流体的特征在于温度低于环境温度。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述流体是液态氮。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述冲压机包括成型模具，并且所述成型模具是等温的，处于环境温度和升高的温度之一。

9.一种在冲压操作期间增加板坯的可成形性的方法，该方法包括：

通过用流体流局部冷却所述板坯，使得变形应变远离所述板坯上的潜在失效位置；以及

使用冲头在成型模具之间将所述板坯冲压为理想形状。

10.一种用于成型板坯的***，该***包括：

冲压机，其包括：

成型模具；以及

冲头；

设置成将所述板坯传送到所述冲压机的传输设备；以及

一装置，其构造为在所述板坯成型为理想形状期间，用流体流在要经历高应力集中的预定区域中局部冷却所述板坯，所述装置位于所述冲压机和所述传输设备的至少一个中。

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