具有紋理表面的成形工具的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種形成具有期望形狀的部件的方法。為用于將金屬坯料成形為期望形狀的成形工具限定輪廓表面，其中金屬坯料的各個部分在成形期間流過輪廓表面。將輪廓表面產生的固有材料流動模式與期望流動進行比較，以確定輪廓表面上具有不足流動的區(qū)域，該區(qū)域會在成形金屬坯料上形成接收少于期望金屬量的區(qū)域。將選定模式的表面微觀紋理應用到輪廓表面，通過為輪廓表面的確定區(qū)域提供相對于鄰近區(qū)域減小摩擦來增加沿確定區(qū)域的金屬流動。
【專利說明】具有紋理表面的成形工具【技術領域】
[0001]本發(fā)明總的來說涉及金屬成形，更具體地，涉及能夠在拉伸過程中調控金屬流動模式的改良成形工具(如拉伸模具或沖壓模具)。
【背景技術】
[0002]金屬板成形技術在包括汽車車身面板和結構件制造在內的很多行業(yè)中得到應用。一種常用工藝采用具有沖壓側和腔體側的沖壓模具，其中沖壓側和腔體側具有匹配的輪廓表面。在沖壓過程中，金屬被拉伸成輪廓表面限定的期望形狀。金屬板的材料流過模具表面，同時金屬板的材料在模具表面的拉伸所施加的力的作用下彎曲并延展。
[0003]重大的工程計劃對于設計一種金屬成形加工工藝是必不可少的。例如，設計者確定模具輪廓表面、約束件的強度和位置以及金屬坯料的形狀和尺寸。當加工部件的期望形狀具有陡彎或復彎曲時，很難設計出一種能夠避免金屬在一個方向上流動過量而在另一方向上流動不足的趨勢的模具。如果沒有合適的流動，那么一些區(qū)域在拉伸過程中無法獲得期望厚度。具體地，完成(即，沖壓)件的部分區(qū)域可能會由于凈流動遠離該區(qū)域而過薄。
[0004]模具表面與流動金屬板之間的摩擦會導致模具表面的磨損。磨損會使模具的工具壽命受限。因此，為延長工具壽命，需要減少工件與工具之間的摩擦。
【發(fā)明內容】
[0005]本發(fā)明的一個方面提供了一種加工具有期望形狀的金屬成形部件的方法。限定了一種成形工具的輪廓表面，用于將金屬坯料成形為期望形狀，其中金屬坯料的各個部分在成形期間流過輪廓表面。將該輪廓表面產生的固有材料流動模式與期望流動對比，以確定輪廓表面上具有不恰當流動的區(qū)域，其會在成形金屬坯料上形成接收多于或少于期望金屬量的區(qū)域。將選定模式的表 面微觀紋理應用到輪廓表面上，通過為輪廓表面的確定區(qū)域提供相對于鄰近區(qū)域減小了的摩擦來增加沿著確定區(qū)域的金屬流動。優(yōu)選地，表面微觀紋理配置為在某些確定區(qū)域來減小摩擦并增加金屬流動，但當需要時，也可配置為增加摩擦以減小來自確定區(qū)域的金屬流動。
[0006]優(yōu)選地，通過為上述輪廓表面的確定區(qū)域提供相對于鄰近區(qū)域減小了的摩擦，上述表面微觀紋理增加了沿確定區(qū)域的金屬流動。表面微觀紋理的模式包括相同的微元，至少一些微元的長寬比不為I并具有長軸和短軸，上述流動沿著短軸時遇到流阻最小，并且上述至少一些微元各自的短軸與確定區(qū)域中各自的期望流向一致。
[0007]優(yōu)選地，上述方法還包括以下步驟:根據具有相同流阻系數的輪廓表面的模型進行上述成形的第一次計算機仿真，基于上述成形的第一次計算機仿真確定固有材料流動模式；在確定區(qū)域內基于具有改變的流阻系數的輪廓表面的模型進行上述成形的第二次計算機仿真，改變的流阻系數對應于初步微觀紋理；將第二次計算機仿真產生的材料流動模式與上述期望流動進行比較；最后將上述表面微觀紋理限定為對初步微觀紋理的修正以與期望流動更好地匹配。[0008]優(yōu)選地，至少一個單獨區(qū)域中的改變的流阻系數取決于金屬坯料在單獨區(qū)域內的流動方向。
[0009]優(yōu)選地，上述表面包括由微觀紋理形成的整體背景以基本覆蓋輪廓表面的全部，對表面微觀紋理的模式進行分級以便最大程度地減小確定區(qū)域內的摩擦并在整個上述表面上減小摩擦以減少磨損。
[0010]優(yōu)選地，上述成形工具包括拉伸模具，并且金屬坯料包括金屬板。
[0011]根據本發(fā)明的另一方面，提供了一種成形工具，其用于將金屬坯料加工成期望形狀。該成形工具包括用于沖壓上述金屬坯料的模具輪廓表面，這使得金屬坯料的各個部分在金屬坯料成形為期望形狀期間流過上述輪廓表面；上述模具輪廓表面對應于在金屬坯料的區(qū)域內引起不均等延伸的固有材料流動模式，這使得上述區(qū)域中的不足流動會在成形金屬坯料上形成接收少于期望金屬量的區(qū)域；上述輪廓表面具有以增加金屬流動的模式沿著上述區(qū)域的表面微觀紋理，從而所確定區(qū)域中的摩擦會相對于上述輪廓表面的鄰近區(qū)域改變。
[0012]優(yōu)選地，上述表面微觀紋理的模式包括相同的微元，至少一些微元的長寬比不為I并具有長軸和短軸，上述流動沿著短軸時遇到流阻最小，并且上述至少一些微元各自的短軸在上述確定區(qū)域中與各自的期望流向一致。
[0013]優(yōu)選地，上述表面包括由微觀紋理形成的整體背景以基本覆蓋輪廓表面的全部，對表面微觀紋理的模式進行分級以便最大程度地減小上述確定區(qū)域內的摩擦并在整個表面上減小摩擦以減少磨損。
[0014]優(yōu)選地，該成形工具還包括用以容納金屬板形式的金屬坯料的拉伸模具。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是沖壓模具和金屬坯料的立體圖；
[0016]圖2是映射到模具表面的期望金屬流動模式的示意圖；
[0017]圖3是與特定模具表面設計的固有流動模式對應的實際金屬流動模式的示意圖；
[0018]圖4更詳細地示出了不期望的金屬流動的區(qū)域；
[0019]圖5示出了映射到表面摩擦減小以修正金屬流動模式的模具表面的區(qū)域；
[0020]圖6示出了用于在各個區(qū)域中相對于鄰近區(qū)域減小表面摩擦的各種表面微觀紋理；
[0021]圖7示出了模具表面應用微觀紋理所產生的修正金屬流動模式；
[0022]圖8示出了一種優(yōu)選為卵形或橢圓形的微元部件；
[0023]圖9是示出在圖8的微元上的摩擦減小的方向性的曲線圖；
[0024]圖10和圖11示出了加至圖1所示沖壓模具各個部分的微觀紋理的位置和方向；
[0025]圖12是示出本發(fā)明一個優(yōu)選方法的流程圖；
[0026]圖13是更詳細示出圖12所示方法的一部分的優(yōu)選實施例的流程圖；
[0027]圖14示出了應用到整個模具表面以減小工具磨損的微觀紋理。
【具體實施方式】
[0028]現在參照圖1，成形工具的模具10具有沖壓金屬板材坯料12以形成期望形狀的輪廓表面11。輪廓表面11包括具有復曲率的部件13和具有陡彎的部件14。輪廓表面11所產生的固有材料流動模式會產生流動不足的區(qū)域，從而在成形金屬坯料上形成接收少于金屬材料期望量的區(qū)域。
[0029]圖2示出了映射到模具輪廓表面15上的期望金屬流動模式。表面15的輪廓具有三個維度，但為簡單起見，投射到圖2至圖7的二維平面上。區(qū)域16可對應于完成件中的顯著彎曲，因此期望流動17尤其包括指向區(qū)域16的流動組成。
[0030]模具輪廓表面的任一具體結構都會產生圖3所示的固有(B卩，未修改的)流動模式。材料流動的實際方向和量級取決于施加在金屬坯料上的力，其包括金屬在模具表面上滑動所產生的表面摩擦力。在特定加工工藝與模組的發(fā)展過程中，工程師們使用計算機仿真來分析和優(yōu)化設計。仿真在隨著模具表面移動到一起的分立步驟中順序分析施加在金屬板上的變形力。對力的分析包括計算流動金屬板與模具表面之間的滑動摩擦力。這種計算依據表征特定材料及其表面光潔度的摩擦系數(即，流阻)。在傳統(tǒng)仿真中，假定摩擦系數在所有作用表面上都是恒定的并且假定其與流動方向無關。由于采用光滑的表面光潔度和/或涂層來試圖減小摩擦系數，因此對摩擦系數無方向性的假定是合理準確的。在下面描述的本發(fā)明的一些實施例中，將引入根據流向變化的流向系數。此外，傳統(tǒng)的鋁板坯料通常具有會產生一些未考慮在內的流阻的表面紋理。在本發(fā)明中，影響(增加或減小)流阻的任意金屬板紋理均可用作影響金屬流動模式的一個因素。
[0031]在圖3中，模具輪廓表面20的固有材料流動模式產生了接收流動不足的區(qū)域21。這種流動示為矢量22，其對應于通過模具表面20上的每個對應點的凈流量。如圖4更詳細示出的，流動不足區(qū)域21被流動部分22包圍，如果流動部分22能夠被重新定向，則其能夠為區(qū)域21提供所需材料。除了在沖壓過程中作為低/無流動區(qū)域之外，部分22還是將過量材料搬運至不需要的目的地的區(qū)域。
[0032]本發(fā)明提供了 一種用于控制材料流動的機制。具體地，在整個模具表面上引入變化的摩擦系數以修正材料流動，從而抵消固有流動模式的不足。由于整個表面的摩擦存在相對差異，因此可以影響金屬的流動。可通過局部減小摩擦或局部增大摩擦的表面處理來引入相對差異。由于表面磨損可通過減小摩擦而得以改善，因此本發(fā)明主要結合減小摩擦來進行說明，但是本發(fā)明可包括在某些區(qū)域增加相對摩擦以抵消或幫助重新定向流動過量區(qū)域。
[0033]如圖5所示，接收材料不足的區(qū)域21被局部減小流阻的區(qū)域23-27包圍，從而在箭頭所示方向上增加流動，進而為區(qū)域21提供金屬材料。圖5所示的增加流動通過增加表面微觀紋理來獲得，表面微觀紋理在各種切削工具應用中用以減少摩擦和磨損。例如，已采用激光刻蝕在工具表面上制造微觀凹痕，其通過形成潤滑劑容器以及提供容納摩擦微粒的容器來減小表面摩擦，以防止滑動過程中的表面破壞。整個模具表面的摩擦系數的減小可在每個點處實現全向減小，但在特定區(qū)域之間具有相對差異，使得流動變化僅僅由沿阻力最小路徑的材料產生。如下面進一步解釋的，還可以根據流向減小流阻系數以更有效地修正流動模式。
[0034]圖6不出了在減小摩擦時可用于模具輪廓表面的各種微兀模式。在一個優(yōu)選實施例中，微元包括在模具表面的主平面上方成形為凸起件的卵形或橢圓形波痕，其中，每個波痕的長度范圍約為5至10微米，高度(如果形成為凹坑時則為深度)約為3微米。使用微觀紋理獲得的流阻系數的相對減小量可例如通過改變波痕尺寸和/或改變任意特定區(qū)域的堆積密度來控制。因此，由于波痕尺寸和密度的不同，模式PI相較于模式P2可提供較少的阻力減小。橢圓形波痕的長軸可沿模式Pl所示的弧線排列，可以如模式P2所示呈直線排列，或者可按其他模式組織或隨機組織。在期望增加特定區(qū)域中的摩擦的事件中，可形成精心打磨的平坦表面或采用可使?jié)櫥そ导壊⒃黾颖砻嫦嗷プ饔玫奈⒂^紋理。
[0035]不同區(qū)域之間的阻力變化還可以如模式P4和P5所示通過具有不同密度或間隔的相同尺寸的波痕來獲得。除了橢圓形，波痕也可以為模式P6所示的圓形或諸如矩形的其它形狀。
[0036]基于固有材料流動模式與期望流動模式的對比，本發(fā)明確定了流量不足區(qū)域以及獲得期望流量所必須的流阻相對減小量。確定表面微觀紋理的適宜模式，并在將其應用于模具輪廓表面之后產生圖7所示增加流動至區(qū)域21的修正金屬材料流動模式30。
[0037]橢圓形微元由于其形成流動偏向的能力而成為優(yōu)選的微觀紋理形狀，因為流阻系數的減小取決于材料相對于橢圓軸的流動方向。如圖8所示，模具表面31具有橢圓波痕32，其具有半短軸a和半長軸b。實線所示的波痕32表示半長軸與垂直軸之間的角度Θ等于O的方向。圖9以圖表示出了在Θ值增加到90°的過程中流阻的相對減小量(圖8中金屬流向為水平)。流阻的相對減小量在Θ值等于O時最大(S卩，流動垂直于長軸，或平行于短軸)。在流動方向逐漸平行于長軸(即，沿著波痕32最窄的輪廓)時，相對減小量降低到最小值。
[0038]通過為流阻系數的減小引入方向性，增強了對修正流向的影響。如圖10所示，模具10具有圍繞復曲面部件13的微觀紋理，其中橢圓波痕以使流入區(qū)域13的金屬增加的方式外圍環(huán)繞區(qū)域13排列。更具體地，波痕35沿著區(qū)域13的頂部邊緣排列，以增加沿流向36的金屬流，并且微觀紋理波痕37和40分別沿著區(qū)域13的側面排列，以從側面提供增強的流動38和41。相似地，如圖11所示，沿著部件14位于陡彎上方的流動43通過微觀紋理波痕42得到加強。應當注意，為簡明起見，圖10和圖11中的波痕均大大放大了尺寸(即，每個橢圓代表多個小橢圓)。
[0039]圖12示出了本發(fā)明的一種優(yōu)選方法，其中在步驟50中限定成形工具的輪廓表面。本發(fā)明包括各種成形工具，如沖壓模具、擠壓模具或成形過程中金屬流過模具表面的任何其他工具。在步驟51中，基于沿著成形工具表面的所有點的流阻相等這一假設確定固有材料流動。固有流動模式可由適當的計算機模型確定或通過實際制造一個使用該限定工具表面的部件來確定。在步驟52中，確定固有材料流動與期望材料流動之間的差異。在步驟53中，確定減小材料流之間的差異的分級阻力模式(其可具有減小摩擦的區(qū)域和/或具有增大摩擦的區(qū)域)。在步驟54中，根據步驟53所確定的阻力模式將合適的微觀紋理模式應用到成形工具輪廓表面上。
[0040]在一種優(yōu)選方法中，圖12所示的步驟52和步驟53可如圖13所示使用計算機仿真來執(zhí)行。在步驟60中，采用相同的流阻系數進行沖壓仿真以便確定固有材料流動模式。在步驟61中，基于對固有材料流動模式的觀察設計出初步微觀紋理模式，從而微觀紋理模式對應于接收過量流動的區(qū)域與接收不足流動的區(qū)域之間的流阻減小的區(qū)域(和/或阻止朝接收過量流量的區(qū)域的流動的阻力增加區(qū)域)。
[0041]在步驟62中，根據初步模式采用修正流阻系數在確定區(qū)域執(zhí)行第二次計算機沖壓仿真，以便對金屬流的重新分配進行仿真來更精確地實現期望流動。在步驟63中，將修正流動與期望流動進行比較，然后在步驟64中核查確定修正流動是否足夠接近期望流動。如果是，則在步驟65中完成計算機仿真，然后將微觀紋理模式應用到成形工具。如果修正流動還不足以接近期望流動，則在步驟66中利用修正流動與期望流動的差異確定對微觀紋理模式進行的修正。在回到步驟64之前，在步驟67中利用再修正的微觀紋理模式對材料流動再次仿真并再次與期望流動對比，以確定再修正的流動此時是否足夠接近期望流動。[0042] 本發(fā)明只在需要再分配金屬流動的區(qū)域采用微觀紋理，以在零件的所有區(qū)域中獲得期望的最終零件厚度。然而，僅需要流阻系數的相對改變，以獲得對材料流動的期望控制。因此，如圖14所示，還可以在成形工具的所有區(qū)域減小表面摩擦以提高整個工具的壽命。因此，輪廓表面70可包括由微觀紋理73形成的整體背景模式，其增強潤滑性能并減小整個表面70上的摩擦力。使用背景微觀紋理模式73的流阻特性提供了可用于確定輪廓表面70上流動不足區(qū)域的固有材料流動模式。利用提供更大流阻系數減小量的特定表面微觀紋理模式71和72解決確定區(qū)域的相對流阻。阻力的進一步減小還包括針對流阻的定向部件。具體地，表面微觀紋理模式因此進行分級，以最大程度地減小確定區(qū)域內的摩擦。
【權利要求】
1.一種加工具有期望形狀的金屬成形件的方法，包括步驟: 限定將金屬坯料加工成所述期望形狀的成形工具的輪廓表面，所述金屬坯料的各個部分在成形期間流過所述輪廓表面； 將所述輪廓表面產生的固有材料流動模式與期望流動對比，以確定所述輪廓表面的流動不足區(qū)域，所述流動不足區(qū)域在成形的金屬坯料上形成接收少于期望金屬量的區(qū)域；以及 將選定模式的表面微觀紋理應用到所述輪廓表面上，通過為確定區(qū)域提供相對于所述輪廓表面的鄰近區(qū)域改變的摩擦來改變沿所述確定區(qū)域的金屬流動。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，通過為所述確定區(qū)域提供相對于所述輪廓表面的鄰近區(qū)域減小了的摩擦，所述表面微觀紋理增加沿所述確定區(qū)域的所述金屬流動。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，所述表面微觀紋理的模式包括相同的微元，至少一些所述微元的長寬比不為I并具有長軸和短軸，所述流動沿著所述短軸時遇到的流阻最小，并且所述至少一些所述微元各自的短軸與所述確定區(qū)域中各自的期望流向一致。
4.根據權利要求1所述的方法，還包括步驟: 根據具有相同流阻系數的所述輪廓表面的模型進行所述成形的第一次計算機仿真，基于所述成形的第一次計算機仿真確定所述固有材料流動模式。
5.根據權利要求4所述的方法，還包括步驟: 在對應于初步微觀紋理的所述確定區(qū)域內，基于具有改變的流阻系數的所述輪廓表面的模型進行所述成形的第二次計算機仿真； 將所述第二次計算機仿真產生的材料流動模式與所述期望流動進行比較；以及 將所述表面微觀紋理限定為所述初步微觀紋理的修正以與所述期望流動更好地匹配。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，至少一個單獨區(qū)域中的所述改變的流阻系數取決于所述金屬坯料在所述單獨區(qū)域內的流動方向。
7.根據權利要求5所述的方法，其中，所述表面包括由微觀紋理形成的整體背景以基本覆蓋所述輪廓表面的全部，對所述表面微觀紋理的模式進行分級以便最大程度地減小所述確定區(qū)域內的摩擦并在整個所述表面上減小摩擦以減少磨損。
8.根據權利要求1所述的方法，其中，所述成形工具包括拉伸模具，并且所述金屬坯料包括金屬板。
9.一種將金屬坯料加工成期望形狀的成形工具，包括: 用于沖壓所述金屬坯料的模具輪廓表面，使得所述金屬坯料的各個部分在所述金屬坯料成形為所述期望形狀期間流過所述輪廓表面； 其中，所述模具輪廓表面對應于在所述金屬坯料的區(qū)域內引起不均等延伸的固有材料流動模式，使得所述區(qū)域中的不足流動會在成形金屬坯料上形成接收少于期望金屬量的區(qū)；以及 其中，所述輪廓表面具有沿著所述區(qū)域增加金屬流動的模式的表面微觀紋理，從而確定區(qū)域中的摩擦會相對于所述輪廓表面的鄰近區(qū)域改變。
10.根據權利要求9所述的成形工具，其中，所述表面微觀紋理的模式包括相同的微元，至少一些所述微元的長寬比不為I并具有長軸和短軸，流動沿著所述短軸時遇到的流阻最小，并且所述至少一些所述微元各自的短軸與所述區(qū)域中各自的期望流向一致。
11.根據權利要求9所述的成形工具，其中，所述表面包括由微觀紋理形成的整體背景以基本覆蓋所述輪廓表面的全部，對所述表面微觀紋理的模式進行分級以便最大程度地減小所述確定區(qū)域內的摩擦并在整個表面上減小摩擦以減少磨損。
12.根據權利要求9所述的成 形工具，其中，包括用以接收金屬板形式的金屬坯料的拉伸模具。
【文檔編號】B21D22/20GK103464560SQ201310162962
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年5月6日 優(yōu)先權日:2012年5月7日
【發(fā)明者】夏志永, 曹簡, 王茜, 拉杰什·塔爾瓦, 唐納德·J.·格齊納, 蒂芙尼·戴維斯·林, 劉品智 申請人:福特環(huán)球技術公司, 曹簡, 王茜, 拉杰什.塔爾瓦, 唐納德.J..格齊納, 蒂芙尼.戴維斯.林, 劉品智