热辅助多板材滚弯成形的制作方法

本公开一般涉及金属成形，更具体地，本公开涉及一种用于约束金属板材组件的热辅助多板材滚弯成形工艺。

背景技术：

生产设备处的滚弯成形通常通过在室温下使用一系列逐渐不同的辊将单板材弯曲并进行塑性变形成所需形状来完成。该工艺是连续且高速的，其结果是将板材弯曲成用于特定目的的特定轮廓。

然而，正在采用更高强度的材料设计未来产品，而复杂的计算机分析使通常要求高强度尖角的板材设计越来越复杂。弯曲高强度材料时，这两个因素彼此相反且承受大应变的区域断裂。

为了提高难度，当在其边缘焊接两个板材时，需将整个金属板材组件作为一个单元移动。如果试图弯曲在其配合表面上可能无中性轴的两个金属板材，则由于中性轴内侧的压应力和中性轴外侧的拉应力，两个金属板材会趋向于在弯曲部处分离。结果是，内板材被往内推，且两个板材不会在弯曲部处保持在一起。

技术实现要素：

本公开提供使一种金属板材组件变形的系统和方法，该金属板材组件具有围绕紧密弯曲部附接的约束端，在弯曲部处，金属板材不分离，以及使另一种金属板材组件变形的系统和方法，该金属板材组件具有突转弯曲部，其中金属板材件在弯曲部处基本上保持在一起。

在可与本文公开的其他形式组合或分开的一种形式中，提供了一种形成金属板材组件的方法。该方法包括提供金属板材组件，金属板材组件至少包括外金属板材和内金属板材，其中外金属板材与内金属板材固定在一起以形成第一约束端和第二约束端。金属板材组件具有初始温度。该方法还包括将金属板材组件的焦点弯曲区域(focusbendingarea)加热到至少大于初始温度的弯曲温度范围。焦点弯曲区域位于金属板材组件的第一和第二约束端之间。另外，该方法包括在金属板材组件处于弯曲温度范围内时，弯曲金属板材组件的焦点弯曲区域。

在可与本文所公开的其他形式组合或分开的另一种形式中，提供了一种金属板材组件，其包括外金属板材和内金属板材。外金属板材和内金属板材固定在一起以形成第一约束端和第二约束端。所述金属板材组件在第一和第二约束端之间具有形成的弯曲部。每一金属板材在弯曲部处弯曲，且所述弯曲部在所述内金属板材和所述外金属板材之间具有最大间隙。最大间隙不大于内金属板材和外金属板材之一的厚度的五倍。弯曲部半径小于内金属板材和外金属板材之一的厚度的三倍。

可提供附加特征，包括但不限于以下内容：其中弯曲步骤包括，将辊轮工具抵靠所述金属板材组件滚动以在所述焦点弯曲区域中形成具有外侧和内侧的弯曲部；进行加热步骤之前，将热源设置在焦点弯曲区域处的外板材和/或内板材附近；通过热源加热焦点弯曲区域；其中加热步骤包括将激光施加到焦点弯曲区域；将内金属板材设置为由第一材料形成；将外金属板材设置为由第二材料形成；第一和第二材料彼此不同或相同；将内金属板材和外金属板材中的至少一个设置为由铝合金形成；将内金属板材和外金属板材中的至少一个设置为由钢制成；将内金属板材设置为具有第一厚度；将外金属板材设置为具有第二厚度；第一和第二厚度不相等；第一和第二厚度基本上彼此相等；在焦点弯曲区域保持内金属板材和外金属板材之间的最大间隙；最大间隙不大于内金属板材和外金属板材之一的厚度的五倍；最大间隙不大于内金属板材和外金属板材之一的厚度的一半；在弯曲后，对金属板材组件进行快速淬火以在室温下保持高温相结构，或基于平衡相变的受控冷却速率获得不同相结构；其中弯曲金属板材组件还包括将弯曲部形成的半径小于内金属板材和外金属板材之一的厚度的三倍；提供在其中形成有弯曲部的模具或相对的辊轮工具；其中所述弯曲步骤包括用所述辊轮工具将所述金属板材组件压靠所述模具弯曲部，以在所述金属板材组件中形成部分弯曲；和/或内金属板材和外金属板材中的至少一个在室温下保持高温相结构。

下面参考附图详细描述本公开的其他特征和优点，以及本公开的各种示例结构和操作。应注意的是，本公开并不限于本文中描述的具体实例。仅出于说明性目的在本文中呈现这些实例。根据本文包含的教导，其他示例对于相关领域的技术人员将是显而易见的。

附图说明

本文描述的附图仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本公开的范围。

图1是根据本公开原理的在形成金属板材组件的方法的第一步骤中未弯曲的金属板材组件的示意性剖视图；

图2是根据本公开原理的图1的未弯曲金属板材组件连同用于形成金属板材组件的工具的示意性剖视图；

图3是根据本公开原理的处于部分弯曲构造的图1和图2的金属板材组件的示意性剖视图；

图4是根据本公开原理的图1-3的金属板材组件的示意性剖视图，其中在金属板材组件中形成了弯曲部。

图5是根据本公开原理的在执行如图1-4所示的步骤之后的弯曲金属板材组件的示意性剖视图；和

图5a是根据本公开原理的在执行如图1-4所示的步骤之后的弯曲金属板材组件的另一变形的示意性剖视图。

具体实施方式

虽然本文使用特定应用的说明性示例描述了本公开，但应理解该公开不限于此。能够获得本文提供的教导的本领域技术人员，将认识到其范围内的其他修改、应用和示例以及该公开具有重要用途的其他领域。

本公开公开了一种用于塑性变形金属板材组件的热辅助方法。因此，所述方法涉及形成一种其中具有弯曲部的金属板材组件。

提供金属板材组件10，其至少包括“外”金属板材12和“内”金属板材14。因为下文将会描述金属板材12位于弯曲部外侧，而金属板材14位于弯曲部内侧，因此金属板材12称为“外板材”，金属板材14称为“内板材”。如果需要，附加金属板材也可包括在金属板材组件10内。因此，金属板材组件10可具有两个、三个、四个、五个或任何所需数量的金属板材。

将外金属板材12和内金属板材14固定在一起，形成第一约束端16和第二约束端18。例如，可通过焊接、钎焊、铆接或以任何其他期望方式将外金属板材12和内金属板材14固定在一起。在所示示例中，焊接头20在第一和第二约束端16、18将外金属板材12和内金属板材14连接在一起。

金属板材组件10在弯曲之前，具有称为初始温度的一定温度。举例来说，初始温度可为室温。

所有金属板材12、14可由相同或不同的材料形成。例如，两个金属板材12、14可由钢形成，或者金属板材12、14中的其中一个可由钢形成，而另一个可由铝或铝合金形成。所有金属板材12、14均可为涂覆金属板材或未涂覆金属板材。

如果是合金化的，铝合金可包括至少85wt％的铝。可构成涂覆或未涂覆铝基底的一些值得留意的铝合金是铝-镁合金、铝硅合金、铝-镁-硅合金和铝锌合金。如果进行涂覆，铝金属板材可包括耐火氧化物材料(天然的和/或在高温下制造的，例如铁鳞)的表面层，耐火氧化物材料由氧化铝化合物和其他可能氧化化合物组成，例如，如果铝基底含镁，则为氧化镁。也可在铝金属板材上涂一层锌、锡或金属氧化物转化涂层，涂层由钛、锆、铬或硅氧化物组成，如专利号为9,987,705的美国专利中所描述的。可以锻造或铸造或挤压形式，提供铝金属板材。例如，金属板材可由2xxx、3xxx、4xxx、5xxx、6xxx或7xxx系列可锻铝合金板材层、挤压制品、锻造制品或其他加工制品组成。或者，金属板材可由4xx.x、5xx.x、6xx.x或7xx.x系列铝合金铸件组成。可使用的其他铝合金包括但不限于，aa5754和aa5182铝镁合金、aa6111和aa6022铝镁硅合金、aa7003和aa7055铝锌合金、以及al-10si-mg铝压铸合金。如有需要，铝金属板材还可用于各种状态，包括退火状态(o)、应变硬化状态(h)、不稳定状态(w)和固溶热处理状态(t)。当在金属板材组件10中使用不止一个铝金属板材时，铝金属板材的组成、厚度和/或形式(例如，锻造或铸造)可相同或不同。

金属板材12、14中的一个或两个均可由具有各种强度和等级的涂覆钢或未涂覆钢制成。可对钢板材进行热轧或冷轧，且钢板材可由钢组成，如低碳钢、无间隙钢、可烘烤硬化钢、高强度低合金(hsla)钢、双相(dp)钢、复合相(cp)钢、马氏体(mart)钢、相变诱导塑性(trip)钢、淬火配分钢(q&p)、孪晶诱发塑性(twip)钢，以及硼钢(例如当钢板材包括冲压硬化钢(phs)时)。如果进行涂覆，钢板材可包括锌(例如，热浸镀锌或电镀锌)、锌-铁合金(例如，镀锌或电镀)、锌-镍合金、镍、铝、铝-镁合金、铝锌合金或铝硅合金的表面层。

金属板材12、14中的任一个(和附加板材，如果包括的话)可为冷轧金属板材，例如强度大于300兆帕(mpa)，优选大于500mpa的铝，或强度大于1000mpa，优选大于1500mpa的钢。

本文公开的方法用于最终将金属板材组件10形成为其中具有弯曲部的组件。所有金属板材12、14均可分别具有不相等厚度t1、t2，或厚度t1、t2可基本上彼此相等。作为示例，厚度t1、t2可在0.2-4.0mm的范围内。在t1和t2不相等的情况下，中性轴n不位于金属板材12、14之间的界面上，而是中性轴n贯穿金属板材12、14中的其中一个(在本情形中，为板材12)。因此，弯曲金属板材组件10时，整个内板材14处于压缩状态，且在金属板材组件10弯曲时，外板材12将具有处于压缩状态的部分13和处于拉伸状态的部分15。

为了最终将金属板材组件10形成为其中具有弯曲部的组件，该方法包括将金属板材组件10的焦点弯曲区域22加热到至少大于初始温度的弯曲温度范围。焦点弯曲区域22可通过，例如邻近外金属板材12设置的热源24进行加热，使得焦点弯曲区域22的外金属板材12变得可延展且可围绕弯曲部延伸。在进行加热步骤之前，热源24设置为邻近焦点弯曲区域22处的外板材12。焦点弯曲区域22位于金属板材组件10的第一和第二约束端16、18之间。在替代方案中，热源24可设置为邻近焦点弯曲区域22处的内板材14，以便从所得弯曲部的内部施加热量。

作为示例，热源24可为激光热源，例如激光扫描光束。因此，可通过将激光束25施加到焦点弯曲区域22，实现加热焦点弯曲区域22的步骤。加热的其他例子可为感应加热、火焰加热、聚卤素加热、高强度红外线源加热、传导加热或电阻加热，其中电流将通过板材厚度，从与板材一侧接触的辊轮工具传递至与板材另一侧接触的第二辊。在电阻加热中，材料对电流的阻力是导致加热效应的原因。然后使用加热帮助板材弯曲。在传导加热中，可通过外源(未示出)加热一个或多个辊，使得材料通过接触加热并在材料通过这些辊模时弯曲。

一旦焦点弯曲区域22达到弯曲温度范围，在金属板材组件10内弯曲金属板材组件10的焦点弯曲区域22形成弯曲部。在金属板材组件10处于弯曲温度范围内时，完成弯曲。在一些实例中，弯曲温度范围在两相亚临界温度区域内或高于临界温度，但优选地高于临界温度。因此，实际弯曲温度范围取决于用于金属板材12、14的材料。在一些实例中，采用热源24，优选激光，将金属板材12、14加热至固溶温度或奥氏体化温度。

现在参照图2和图3，在一些示例中，为了在弯曲温度范围内弯曲金属板材组件10，将辊轮工具26抵靠金属板材组件10滚动，以便在焦点弯曲区域22中形成弯曲部28。可通过辊轮工具26将金属板材组件10压靠在模具30上，模具30中形成有模具弯曲部32。在该示例中，通过利用辊轮工具26将金属板材组件10压靠在模具弯曲部32上弯曲金属板材组件10，以在金属板材组件10中形成弯曲部28。优选地，热源24直接邻近辊轮工具26设置，使得焦点弯曲区域22保持在弯曲温度范围内，同时用辊轮工具26弯曲金属板材组件10。

因此，如图4和图5所示，在金属板材组件10中形成突转弯曲部28，其形成在外金属板材12和内金属板材14两者中。弯曲部28具有形成在外板材12中的外侧34和形成在内板材14中的内侧36。因此，弯曲部28包括外板材12中的外弯曲部38和内板材14中的内弯曲部40。外弯曲部38和内弯曲部40紧密地配合在一起，以便在金属板材组件10中形成弯曲部28。在一些示例中，外弯曲部38和内弯曲部40之间无间隙并且彼此接触，如图5所示。加热焦点弯曲区域22，减小了外板材12受到拉力的部分15上的力，且有助于平衡内弯曲部40和外弯曲部38中的力。

现参考图5a，在其他示例中，在外弯曲部38和内弯曲部40之间存在间隙；换言之，在金属板材组件10的弯曲部28处的外金属板材12和内金属板材14之间存在间隙g。举例来说，间隙g可为不大于内金属板材14和外金属板材12中的其中一个的厚度t2、t1的五倍。因此，在该示例中，外板材12比内板材14厚，所以间隙g不大于t1的五倍。在其他示例中，间隙g可小得多，例如不大于外板材12和内板材14中的一个的厚度t1、t2的一半，或者如图5中所示为零。

由于根据本公开的高强度加热，金属板材组件10可弯曲至小半径，该半径是组件10或单个板材12、14中的一个的厚度的一至三倍。因此，弯曲部28可为具有曲率半径r的突转弯曲部，r小于外和内金属板材12、14之一的厚度t1、t2的三倍，或小于组件10作为一个整体的厚度的三倍。因此，在一个示例中，如果外板材12比内板材14厚，则弯曲部28可具有不大于t1的三倍的曲率半径r，其中从弯曲部28的弯曲中心c开始，至金属板材组件10的中性轴n测量曲率半径r。在其他示例中，半径r不大于内外板材12、14中的一个的厚度t1、t2，或者不大于内外板材12、14中的一个的厚度t1、t2的两倍。

冷轧金属板材示出弹性并在弯曲后易于回弹，导致曲率半径大于初始弯曲半径。使用本公开的强激光加热，基本上可消除或大大减少板材的回弹作用，因为回弹与强度有关且在高温弯曲期间的强度会大大降低。因此，曲率半径r基本上类似于，无需任何后处理的情况下由工具系统26、30提供的曲率半径。所以，利用本公开产生的半径r可更小，例如厚度t1、t2、或t1+t2的一到三倍。

尽管示出了单个辊轮26将金属板材组件10压靠在模具30上，但应该理解的是，当金属板材组件10处于弯曲温度范围内时，可使用任何其他弯曲工艺，例如使用多个辊的弯曲工艺完成弯曲。例如，可通过滚弯成形生产线上的平行辊连续进给金属板材组件10。在一些示例中，可通过若干弯曲步骤将金属板材组件10弯曲成所需形状，且采用多个辊模进行弯曲步骤。在每个辊压步骤前，可使用恰好在每组辊之前放置的附加热源加热金属板材组件10。

在金属板材组件10中形成弯曲部28后，该方法可以包括快速淬火。可通过多个冷空气喷射、液体(水、油等)喷射、接触淬火(例如，使用辊轮工具)、来自冷轧金属板材质量的自淬火、气体喷射或这些淬火方法的组合完成快速淬火。快速淬火避免了金属板材组件10中发生沉淀或任何相变。快速淬火使得后续沉淀硬化合金(例如铝或镁)能够在室温下保持高温相结构；达到室温时，高温相将转变为其他更高强度相，例如存在钢时，为残余奥氏体、马氏体和/或贝氏体。在加热和淬火之后，如有需要，可用另一组辊模继续滚弯成形。

详细描述和附图是对本公开的多个方面的支持和描述。可在各种示例之间组合或交换本文描述的要素。虽然已经详细描述了某些方面，但仍存在用于实施如所附权利要求中限定的本发明的各种替代方面。本公开仅是示例性的，且本发明仅由所附权利要求限定。