CN105939800A - 形成定制铸造坯料的方法 - Google Patents

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Abstract

一种形成定制铸造坯料的方法，包括确定坯料（15）的厚度样式或轮廓样式中的至少一个；生成具有所确定的厚度或轮廓样式的一系列坯料的设计；以及根据所述设计铸造条材（16），包括在条材的铸造期间改变铸造装置宽度（1）。

Description

形成定制铸造坯料的方法
本发明涉及形成定制铸造坯料的方法，尤其是用轻金属合金形成定制铸造坯料。
在汽车工业中，许多部件都是由坯料压制的。坯料是一个金属件，其已被切成正确的形状并且准备用于压制。最近，已经使用了被称为定制坯料的一种特殊类型的坯料。定制坯料通常通过将不同厚度的金属和/或不同等级的金属焊接在一起而制成。定制坯料的主要优点是它能够在不同的区域具有不同的特性——例如在一个区域中具有高强度，而在另一个区域中具有深拉特性和/或更低的强度。定制坯料能够节省重量并且还能比传统的坯料更便宜。
汽车工业中的另一趋势是越来越多地使用铝合金和其它轻金属，比如镁合金。由铝合金制成的定制焊接坯料已被用于汽车工业中，但是在焊接的完整性和性能方面还有不足，因此汽车工业正在研究不采用焊接而生产定制坯料的其它方法。
不采用焊接而生产定制坯料的方法中的其中一种被称为定制轧制坯料。在轧制过程中，辊间隙以与条材的速度同步的受控方式被调节，使得被轧制的条材具有与所要求坯料的大小同步的厚度变化。当此后从轧制条材切出坯料时，坯料在不同的区域具有不同的厚度。
原始的定制轧制坯料概念的局限之一是厚度变化仅沿着被轧制条材的长度，因而坯料的厚度变化仅沿着一个轴线。在许多情况下这是足够的，但是为了甚至更大的可弯曲性，汽车工业也正在考虑在宽度上改变厚度。这被称为条材轮廓轧制。例如，平坦产品的厚度变化和条材轮廓轧制是亚琛工业大学金属成形研究所的研究项目。课题包括结合定制轧制和条材轮廓轧制以同时在纵向方向和宽度方向上改变条材的厚度。另一活跃研究领域是在铸造装置处生产厚度变化和轮廓变化。例如，如在“Twin-roll casting of strip with tailored thickness variation”，Hirt等人，生产工程，研究与发展（2006），Bd.13，Nr.2，S.91-94，中所描述的。
根据本发明的第一方面，形成定制铸造坯料的方法包括确定坯料的厚度样式或轮廓样式的至少一个；生成具有所确定的厚度样式或轮廓样式的一系列坯料的设计；以及根据所述设计铸造条材，包括在所述条材的铸造期间改变铸造装置的宽度。
所述方法改变所述铸造装置中熔融金属的宽度方向边缘限制，并因此改变了所得到的条材的宽度，根据选择的坯料设计，由此减少了浪费。
优选地，改变铸造装置宽度包括在所述条材的至少一个边缘上改变边缘限制设备的有效位置以遵循所述设计的外形。
根据所要求的外形形状，位置改变可以是同时在全部两个边缘上，不同时地在一个边缘上、然后在另一个边缘上，或者一起改变全部两个侧面屏障的位置和每次仅改变一个侧面屏障的组合。
优选地，改变铸造装置宽度包括独立地在所述条材的全部两个边缘上改变边缘限制设备的有效位置以遵循所述设计的外形。
优选地，所述边缘限制设备包括机械边缘坝或者电磁限制机件中的其中一个。
优选地，所述方法还包括改变铸造装置辊间隙以改变坯料的多个部分的厚度。
优选地，所述方法还包括轧制所述铸造条材以改变坯料的多个部分的厚度。
优选地，沿着所述条材的长度改变厚度，或者横跨所述条材的宽度改变厚度，以改变轮廓。
优选地，所述方法还包括确定另一坯料的另一样式并且将所述另一样式和所述设计中的样式合并以进行铸造。
优选地，所述铸造和轧制是连续的过程。
优选地，铸造并轧制的条材被形成为盘卷。
优选地，所述方法还包括将所述条材切成离散的部分，每个部分都包括至少一个定制铸造坯料。
根据本发明的第二方面，条材包括至少一个定制铸造坯料，所述条材的外形在其边缘上按照边缘限制设备的位置在铸造期间横跨铸造装置宽度的变化而变化。
现在参照附图描述形成定制铸造坯料的方法的示例，其中：
图1说明了形成定制焊接坯料的过程；
图2说明了形成定制轧制坯料的过程；
图3说明了用于形成根据本发明的定制铸造坯料的装置；
图4示出了使用本发明的方法所形成的铸造条材的第一示例；
图5示出了使用本发明的方法所形成的铸造条材的第二示例；以及
图6示出了用于形成根据本发明的定制铸造坯料的装置的另一实施例。
铝和其它轻金属条材通常由厚达约600mm的厚铸造平板或锭生产，例如通过直冷（DC）铸造装置生产，或者在双辊铸造装置中生产。一般来说，DC铸造装置不能在铸造期间改变铸造宽度，因此整个平板或锭以同一宽度生产，因此轧制条材在盘卷的整个长度上具有相同宽度。一些双辊铸造装置能在铸造期间改变铸造宽度，但是这通常是用来由先前的盘卷生产具有不同宽度的盘卷。在每个盘卷内，宽度基本上是恒定的。其它的铸造方法也是如此，比如带铸造；铸造平板或铸造条材在盘卷的长度上具有基本上恒定的宽度。
在定制焊接过程中，如图1中所示，用于汽车用途的完整车门面板可被分成由不同等级和厚度的材料制成的区段，从而最优化车门面板的强度和重量。像这样分割车门面板的另一益处是各个区段可被布置在轧制条材上，从而最大化轧制条材的利用。由不同等级钢的盘卷20、21、22、23，切出特定区段的多个复制区段。在这个示例中，不同的区段摆放开，厚度分别是1mm、2mm、1.5mm和2mm。这些区段相对于它们在车门面板中的最终布置被旋转并且以最大可能地使用材料24、25、26、27的样式被摆放，然后从这些条材切出区段A、B、C、D、E。在一些情况下，从同一条材中切出多于一个的区段，如部分C和D所示。这种材料高效使用带来的成本节约经常是大于焊接过程的成本，使得完整的定制坯料实际上比传统的坯料更便宜。构成完整的车门坯料28所要求的全部部分被放置就位并且然后沿着焊接线29被激光焊接在一起，之后被运送到消费者。
但是，如在背景技术部分讨论的，在铝和其它轻合金的情况下，在定制焊接坯料中焊接的完整性和性能方面存在不足，所以业界正在替代地研究定制轧制坯料和定制异型坯料。图2说明了这种类型的坯料的一个示例。先前形成的盘绕的条材32被轧制，从而在该条材上建立坯料30的部分A、B、C、D、E，每个部分都具有要求的厚度，但是当它们被从连续的条材轧制时，它们已经连接在一起，所以不需要焊接步骤就形成了坯料30。对于定制轧制坯料，虽然可以在坯料的不同区域获得不同的厚度，但是不能以和定制焊接坯料相同的方式最大化对轧制条材的利用，这是因为所述坯料作为单一件被轧制。结果，对于定制轧制或3-D异型坯料来说，浪费材料31可能很多。
为了减少这种浪费，但仍然能够获得无焊接的益处，本发明提供了一种形成坯料的方法，借此方法通过改变用来形成条材的过程来获得对条材的更加高效的使用。
形成用于轧制的金属条材的当前实践包括铸造离散的多个金属平板，这些平板在被轧制成正确厚度之前必须被再加热；铸造金属股线，所述金属股线离开铸造机器之后就被直接轧制而不进行长度切割；或者铸造具有恒定宽度和厚度的条材，所述条材必须由终端用户切割和压制成形，从而导致产量损失和能量损失，这是由于轧制产品在大小和形状方面仅模糊地类似于最终产品。使用双辊铸造装置铸造金属的正常实践是从铸造的开始到铸造的结尾以相同的宽度进行铸造。
图3说明了执行本发明的方法的装置。来自铸造装置中间包10的熔融金属通过铸造装置给料尖端2进入到铸造装置辊4以形成条材16。在铸造装置给料尖端2的每一侧都有电磁体1，电磁体用来在宽度方向上限制熔融金属。在条材的铸造期间，通过横向于铸造方向地移动位于铸造装置给料尖端2的一侧或全部两侧上的电磁体1中的一者或全部两者，如箭头3所示，可以改变液体金属向铸造装置辊4内的流动并且因此改变铸造条材在某些区域7中的最终宽度。在熔融金属离开铸造装置之前改变熔融金属在宽度方向上被约束的程度，导致了如此形成的铸造条材的宽度沿着其长度变化。铸造条材16可沿着长度具有变化的宽度，该变化的宽度直接与最终产品的轮廓的变化相关。铸造期间铸造装置宽度的这种变化减少了浪费。铸造装置宽度可被改变以遵循要在条材中被形成的坯料的外形。
而且，厚度改变可通过铸造不同条材厚度或者通过紧密连接轧机支架和所述铸造装置来实现。条材穿过铸造装置辊之间的辊间隙，或者轧机支架辊之间的辊间隙。在垂直于铸造方向的方向6上移动铸造装置辊4或者轧机支架辊5以增加或减少辊间隙，允许改变条材厚度8。因此，通过按要求控制横向和垂直移动和约束，铸造和轧制条材的大小和形状可被制造成尽可能地接近最终产品。这尤其与汽车工业中的产品相关，但是在其它工业中也是有用的，比如航天。
图4说明了根据本发明被制造的定制铸造坯料的示例，其中在坯料15的初始部分已经被形成之后且对于条材的长度的仅一部分对应每个坯料来说，通过将仅在一侧上的电磁体1重新定位在沿着长度的位置12来仅在铸造条材33的边缘11、14中的仅一个上改变宽度。在第一坯料的端部处，电磁体被移回到其开始位置13并持续一段时间，在这段时间中条材的边缘再次平行。
图4中所示的坯料的布置从铸造装置宽度的改变速率观点来看不是理想的。全部的宽度改变都发生在一侧，而优选的是将被轧制的条材的中心保持为尽可能地接近轧机的中心线，从而最小化转向问题。取决于所要求的坯料的大小以及最大条材宽度，可以重新布置坯料以实现低得多的铸造装置宽度改变速率并保持条材的中心更接近铸造装置和轧机的中心线。图5中示出了一个可能的布置。对于这些可能已被定制铸造/定制轧制/3-D异型的坯料来说，区域A、B、C、D、E是一个坯料15内的不同厚度的区域。在这个示例中，电磁体被彼此独立地移动以遵循坯料的轮廓并且也保持条材尽可能地被在铸造装置和轧机中心线附近居中定位。因此，变化可以是同时在两个边缘上、不同时地在一个边缘上然后在另一个边缘上、或者一起改变全部两个电磁体的位置和每次仅改变一个电磁体的位置的组合，由此改变了由熔融金属的限制所建立的有效边缘。条材的边缘17、18可在一些地方基本上是彼此平行的，但是它们不再基本上平行于条材轧机的中心线。但是，整个铸造轧制条材与图4的示例相比相对于铸造装置和轧机中心线被更加接近地居中定位。
在铸造和轧制之后，条材可被盘卷，之后被发运到终端用户；或者条材可被按照最终产品的要求切成离散的长度。铸造和轧制过程可被联系起来以改善能量节约并且改善盘卷的生产率，盘卷随后在进一步的轧制、冲压和裁剪中间步骤之前被发送给消费者以被切成更短的长度。宽度和厚度的变化以及切成产品的长度可由自动化***精确地控制和同步。在初始铸造和热轧阶段直接改变铸造条材中的铸造宽度和厚度使条材尺寸更接近地匹配最终产品的尺寸，因此减少了浪费。宽度改变是迅速的并且可被频繁地执行以实现所要求的宽度变化，因此在生产最终产品时显著地减少了被浪费的材料的量，或者被再循环的材料的量。在条材被形成时改变条材的宽度和或厚度减少了为完成条材到最终产品的转换而需要在条材上进行的再加工的量。
通过在过程期间改变条材宽度和厚度而将金属条材连续地铸造和轧制成定制铸造坯料消除了在轧制到正确厚度之前再加热产品的要求，同时通过将产品建立成尽可能地接近最终尺寸而减少了产量损失。
本发明的另一个特征是，在条材的原本不被使用的部分中包含了用于不同部件的坯料，这取决于所要求的大小或者厚度或者等级是足够地类似。另一种选择是在铸造装置和轧机中使用异型辊以横跨条材的宽度以及沿着其长度改变条材的厚度。
在另一实施例中，在图6中所示，代替单个异型辊，可使用多个辊，这些辊横跨条材宽度地被错开。为了清楚起见，多对辊被图示为在铸件的行进方向上错开，但它们不必如此。利用合适的支撑件，多对辊可在与铸造装置辊轴线平行的同一直线上被定位成彼此邻近，或者在平行于铸造装置辊轴线的两条直线上交替排列。为每对辊设置的辊间隙根据在该横向位置所要求的跨过该条材的厚度来选择。铸造条材16离开铸造装置辊4并且穿过轧机支架的所述辊对、或每对辊，这取决于所述辊对是否在铸造方向上被错开。朝着所述条材的一个边缘定位的第一对辊34具有不同的辊间隙并且因此在轧制产品中产生了与邻近一对辊不同的厚度，虽然横跨宽度，但如果终端产品如此要求的话，还可以有多于一组的非邻近辊被设置成相同的辊间隙。示出的示例具有另外三对辊35、36、37，每一对都在横向方向上相对于第一对辊34彼此错开，但是实际使用的辊对的数量将取决于终端产品的要求。在穿过全部滚对之后，最终条材38具有的宽度按照由铸造过程所应用的变化而变化并且具有的厚度轮廓由后续的轧制过程所改进。条材的宽度、条材的厚度和横截面轮廓可沿着长度被无限改变以适应成品坯料要求。
已经参照使用电磁体来约束熔融金属并如此改变沿着铸造条材长度的不同位置处的条材宽度描述了多个示例，因为这是最灵活的自动化本方法的方式。不过，对于相对来说小量的宽度改变，或者不是特别迅速的改变来说，机械端坝可在被根据所要求的外形编程的控制器的控制下，与铸造装置一起使用并且被致动器移动。

Claims (12)

1.一种形成定制铸造坯料的方法，所述方法包括确定坯料的厚度样式或轮廓样式中的至少一个；生成具有所确定的厚度和/或轮廓样式的一系列坯料的设计；和根据所述设计铸造条材，包括在所述条材的铸造期间改变铸造装置的宽度。
2. 如权利要求1所述的方法，其中， 改变铸造装置宽度包括在所述条材的至少一个边缘上改变边缘限制设备的有效位置以遵循所述设计的外形。
3. 如权利要求1或2所述的方法，其中， 改变铸造装置宽度包括在所述条材的全部两个边缘上独立地改变边缘限制设备的有效位置以遵循所述设计的外形。
4. 如权利要求2或3所述的方法，其中所述边缘限制设备包括机械边缘坝或电磁限制机件中的其中一者。
5. 如前述任一权利要求所述的方法，其中，所述方法还包括改变铸造装置辊间隙以改变所述坯料的多个部分的厚度。
6. 如前述任一权利要求所述的方法，其中，所述方法还包括轧制铸造条材以改变所述坯料的多个部分的厚度。
7. 如权利要求5或6所述的方法，其中，沿着所述条材的长度改变所述厚度，或者横跨所述条材的宽度改变所述厚度，以改变所述轮廓。
8. 如前述任一权利要求所述的方法，其中，所述方法还包括确定另一坯料的另一样式并且将所述另一样式和所述设计中的样式合并以进行铸造。
9. 如前述任一权利要求所述的方法，其中所述铸造和轧制是连续的过程。
10.如前述任一权利要求所述的方法，其中所述铸造和轧制条材被形成为盘卷。
11.如前述任一权利要求所述的方法，其中，所述方法还包括将所述条材切成离散的部分，每个部分都包括至少一个定制铸造坯料。
12.一种条材，所述条材包括至少一个定制铸造坯料，所述条材的外形在其边缘上按照边缘限制设备的位置在铸造期间横跨铸造装置宽度的变化而变化。
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