辊轧冷弯成型工艺及其生产装置的制作方法

专利名称:辊轧冷弯成型工艺及其生产装置的制作方法
本发明主要涉及冷轧成形金属带材，具体地说是有关冷连轧工艺和生产金属带材的方法及装置。该工艺和装置是用于使金属带材纵向变薄，横向间隔区域形成不同厚度，同时涉及用该种带材制得的产品。
许多压延型材都是由辊轧成形为所需截面的金属板材制成的。例如吊顶用龙骨、锚固件和瓦垅板，但并不局限于这些。另外在许多场合下，型材的用途在于如果能使金属在型材内特定位置处聚积，那么就可以更有效地利用成形型材的材料。
例如龙骨通常是一边带承重骨架而另一边有下翼缘。骨架和下翼缘由中间的腹板相连。在这种T型构件结构中，骨架和下翼缘起主要的结构强度作用，而腹板几乎不起结构强度作用，其主要功能就是使骨架与下翼缘保持间距。因此，如腹板厚度减小，而使成形龙骨的金属聚积在构件的两端即骨架和下翼缘处。那么龙骨的金属材料就得以进一步的充分利用。
授于本发明受让人的美国专利证书专利号№.4，206，578描述了一种将材料聚积在两端的龙骨以及由此而产生的效益，摘编于此供参考。
此外，若以相似的方式使金属锚固件和槽钢上腹板的厚度相对其两侧的厚度有所减小的话也会使材料得到有效地利用。同样在多数情况下，瓦垅板上薄薄的连接腹板使其材料得以有效地利用。
一般来说，在过去将带材冷轧成在纵向指定的区域内厚度变薄而其它区域保持原有厚度的型材是不可能也是做不到的。例如以往工字梁一直是热状态下，即在再结晶温度之上辊轧成的，因此轧制前，成形工字梁的材料具有较高的塑性。其它变截面的型材通常也是在热态下挤压或辊轧成形的。
在截面厚度变化的典型冷弯辊轧成形中，薄板带材或板材在两个相对的辊轧中通过，两个辊轧间带材的两面施加压力将其厚度塑性变小。在此常规的辊轧过程中，带材首先在长度方向产生变形，使其长度增加，如果厚度的缩减是在带材的整个宽度上均匀地完成，则不会出现什么问题，因为延伸是在带材整个宽度上均匀发生的。
另一方面，在过去若是采用常规的冷轧成形来减少带材某一纵向长度上的厚度同时保持其余纵向长度上厚度不弯，那么就会遇到很大的困难，这是因为厚度减少的部分更趋于使带材延展，而厚度未减小或未变薄的部分却要保持不弯。这会使得带材发生卷曲和折弯并丧失原有的平整表面。因此，这种工艺方法不能用来生产上述通用的型材。
美国专利证书№.4，233，833提出一种采用辊轧成形工艺生产金属带材的方式，使得带材在指定的部位向纵向厚度减小而其它部分保持不变。该专利所发明的方法是，带材通过成对的波纹轧辊，同时带材的两边分别被横向地限制在一固定范围内。该方法的目的在于对正在被加工弯折的材料施加一横向的张力，使其横向伸展并厚度减小。该专利进一步叙述了随后的平整工序。人们不相信这一新专利中所述的方法。目前不敢断定此新专利中所述的方法是否有所发展或是已投入工业生产。
本发明是针对生产各种轧金属制品的，这些金属制品要求大大地减少其金属用量而实际上又丝毫不影响其强度和功能。同时本发明是针对这些冷轧金属制品的工艺方法及设备。对某些用途来说，人们希望将金属加热至一低于再结晶温度的选定温度，但本发明介绍的工艺过程最好在室温下实施。因此，这里所采用的术语“冷弯成形”或“冷轧”，其含义即是在金属低于再结晶温度进行生产，最好是在室温下生产。
本发明的主要内容是有关冷轧的一个新原理，该原理使得有可能利用冷轧来生产沿带材纵向延伸方向具有在横向间隔区内不同厚度的金属带材，同时带材不发生卷曲或折弯。
这种新工艺方法的特点就在于向带材表面施加一剪切力的工序，该剪切力倾斜于带材表面并基本位于带材长度的法向平面内，因此，该剪切力的纵向分力很小，板材上指定区域在剪切力的作用下，产生剪切变形及相应的金属拉薄，基本上不产生纵向变形;使剪切力沿带钢的长度方向做相对的运动以形成一条纵向变薄的延伸区域，该延伸带区域较带材上邻近的部位为薄。
在一特定的最佳所示装置中，在相间隔的工位上沿带材的长度方向，施加剪切力以逐渐将厚度已减小的带域展宽。
根据另一所示的特定装置，沿纵向向带钢上横向相邻的限定工位施加剪切力，以成形第一条变薄区或变薄带，然后隔过一条与第一条变薄带相邻的未变薄带，再以同样的方式施加剪切力，成形出一条被隔过的长条区横向间隔开的第二条变薄带，重复这种间隔轧制的过程直至获得所需变薄带的总宽度。该装置所成形的两条或两条以上的互相间连的变薄区被一相当窄的未变薄带所间隔。
在两个图示的装置中，变形力来自迥转的胎轴和迥转的压辊，压辊是用来沿狭窄的轧制变形区向带钢施压变形力的。该变形区的延伸方向与带材的长度方向一致。由于变形区的长度大大超过其宽度，因而胎轴和压辊的摩擦力限制了金属的纵向流动使得金属基本上沿流动阻力最小的横向流动。
另外，在两个装置中，金属被限定在变形区的一侧边内，以限制其流向该侧边，并使几乎所有的横向流动都向另一侧方向发生。
在该特定最佳所示装置中，施加在相间工位上的剪切力与带材表面倾斜成一角度，该角度在各相间工位土为一常数，同时控制剪切力的大小，最好使带材厚度被剪切变形至一最小厚度，使该厚度等于带材原厚度与该倾角正弦之积。已经发现，可以通过限制上述的变薄量来减小变薄带材上有害的纵向变形及裂纹，不过在一些例子中，当带材的弯薄量显著地超过该正弦值时，亦取得过理想的结果。
采用高速冷轧设备可实现上述发明的工艺方法，来生产无限长的金属带材。带材压延在长度方向上的各横截面上，某些区段的壁厚保持不变。而某些区段的壁厚大大薄于带材的原厚度。在完成带材剪切变薄过程的同时，带材上纵向的变薄金属材料基本上不产生拉伸变形，因此带材的平直度几乎不受影响。另外采用向带材施加对称的横向力来完成剪切变形及拉薄同时解决了带材的导向问题。
根据本发明另一内容所提出的新的改进方法，可生产拉伸结构件，即通过剪切变形使结构件上应力低的区域变薄而应力高的区域加厚，从而进一步有效利用金属。
本发明提供了一种制做压延结构件的新方法，该方法使构件上纵向区域在制做过程中被剪切变薄并硬化，从而提高了该种构件的金属利用率。
依照本发明提供的新方法，可使带有涂层的压延带材上某纵向延伸区域变薄，该方法允许带材上涂层后再行压延，涂层并不损坏。
本发明提供了一种用金属带材压延的方法，在剪切变形力的作用下，使带材纵向延伸区域变薄。
本发明提供了一种生产新型龙骨的方法，从而使其腹板处的金属薄于承重骨架和下翼缘处的金属。
本发明提供了一种新改进的生产锚固件的方法，即通过剪切变形使锚固件的腹板截面变薄以使锚固件上的金属合理分布。
本发明提供了一种制造新型瓦垅金属结构的方法，使瓦垅面上的壁厚大于腹板处的壁厚。
本发明提供了一种用来完成上述各工艺方法的新装置。
本发明的所有内容皆在所附示意图中示明，同时在下面的详细说明中一一叙述。
图1所示为要按本发明方法生产的金属拉延带材的透视图。
图2所示为一轧机的侧视图，该轧机用来成形图1所示的型材。
图3，图4，图5和图6是沿图2中有关截面线剖取的局部剖面示意图，依次地示明图1所示型材的变形过程;
图3a是图3所示结构中的局部放大示意图示明施加于金属带材上的剪切力;
图7是本发明所述的龙骨之剖面图;
图7a是图7中龙骨的局部放大剖面图;
图8是本发明所述的U型槽钢，能用做锚固件;
图8a是改进装置的局部剖面示意图，示明用来成形图8所示槽钢的剪切变形;
图9是本发明所述的H型锚固件的剖面图;
图10是本发明所述的一段金属瓦垅薄板的剖面;
图11是一局部剖面，示明另一种改进装置。该装置用来渐近地成形图10中的瓦垅金属板。
图12是一段与图1所示带材相似的轧延带材的透视图，但它是本发明中所图示的第二种装置制得的。
图13是沿图12中13-13线截得的局部放大截面图。
图14是图12中园圈所标记处的放大视图，示明位于两相邻变薄带间未变薄区上形成的鱼刺状纹理。
图15是另二种装置中第一工位的局部剖面示意图，初始变薄过程由此产生。
图16是本发明的第二种装置中第二工位的局部剖面示意图。
图17是本发明的第二种装置中第三工位的局部剖面示意图。
图18是第四工位的局部剖面示意图，隔过带钢上一未变薄区后目该工位起成形毗连的第二变薄区。
图19是金属带材上辊轧变形区的放大视图。
参见附图。图1所示的轧延构件是将带钢按本发明所述方法剪切变形制得。依本发明生产吊顶用龙骨及类似构件时，最好采用厚度约为0.02吋或再薄一些的板材，但该发明也适用更厚些的金属板材，因为“板材”(sheet metal)一词的含义有时也包括较厚的材料，即中厚板(plate)。如图所示，构件10的中央有一平壁11，两左右外延的侧壁12，13分别与折边14，16毗连，折边14，16在中央壁两侧横向交错并大体与相连邻壁12，13相垂直。
中壁11及两侧折边14，16的厚度T1基本上与成形构件10的带钢之原厚度相同，变形使两侧壁12，13减薄为T2，该部位的硬度高于构件上的其它部位，这是由于变形和轧薄过程中发生的加工硬化所致。
图中，侧壁12，13与垂直于中壁11的平面成一夹角A。按照该特定的轧延方法，厚度T2应等于或大于T1·SineA。正如下面详细述的，实验证明，通过控制轧薄量可将侧面上不希望有的纵向变形或裂纹趋势减至最小，该轧薄由Sine公式确定的。在许多例子中，两侧壁12，13都因剪切变形而被轧薄至T2，这里T2大体上等于T1·SineA。构件10的宽度，即折边14，16的外沿17，18之间的距离，大体上等于用来轧制构件10的带材原宽度。
图2-6示出把带材21连续冷轧成构件10的形状时所用的方法及装置。图中的装置包括四个工位即23-26，然而，也可按照特殊的要求及构件的大小采用更小或更多的工位。图2-6中变形工序有些夸张，这是为了更好地示明轧延金属时各有关步骤。
由图3可看出，工位23有一旋转轴胎41。其结构为一胎辊装在一从动轴42上。轴胎41的中央部分为园柱形表面46，两端为截锥表面47，48，截锥表面47，48与轴胎41的中央垂直平面44所形成的夹角为A，这在图1中已提过。园柱表面46的宽度等于图1中构件10的中壁宽度。
在工位23中，有一对压辊51，52位于轴胎上部。两个压辊51，52形状相同的，但装向相反，都装在同一轴53上，与中央平面44等距分布，轴53两端为轴颈，装在支架上可以围绕轴线54旋转，同时轴42的轴线43及轴线54位于同一垂直平面内。
图中有一对活塞式液压调节缸56、57施力于压辊51，52上，使之与轴胎41同时运转。液压调节缸56，57的缸体装在机架60上，活塞杆58，59通过轴承61与轴53的两端相连接，当调节缸加压时，则沿箭头62所指的方向向轴53上靠近压辊51，52处施加向下的压力。
两个压辊为51，52为园形，用来形带材21产生剪切变形，3a中的压辊52清楚地表明，两个压辊施加的压力是相等的，因为两个辊子尽管装向相反但形状相同。在图3a中，压辊52的圆解66处的直径最大，该图角目66处沿径向向内延展即形成截锥的工作面67，67与轴胎41表面48同步运转。如图所示，截锥工作面67与轴胎41上对应的工作面48相平行，在某些特例中，不平行的配合工作面也有使用的可能。
在操作中，带材21在两个压辊51，52的工作面67及相应轴胎41的锥面47，48之间的间隙连续送进。调节缸56，57施以充分的压力压延金属，使其变形，沿着带材产生出减薄的带状区68，带状区68减薄后的厚度T2即为图1中构件10的侧壁12，13的厚度。
带材21的剪切变形产生了带状区68，但该区金属并不纵向延展多少，其结果是该区带材不产生翘曲。这种轧制方式在图3a中示出。压辊52的力按箭头71的方向压下，由压辊52施加的剪切力71与其邻近带材的外表面65是相互倾斜的，所在的平面大体上正交于带材的纵向轴线，这样该力就没有什么纵向分力了。如图所示，力71可分解为平行于带材21的外表面65的分力72，另一分力73正交于该表面。
当两根轴42，53平行时，由压辊52施加在带材21上的剪切力71与表面48及65的倾解为B。在图中所示的实例中，解B等于图1中构作10中的解A。
当剪切变形与该发明相一致时，带状区68的减薄量是随压辊52压在金属上的力的大小而改变的，实验证明，最大的轧延比T2/T1(其中T1为带材原厚，T2为变形后带状区68的厚度)最好应不超过sineB，以避免变形的金属引起的裂纹或纵向变形。例如，如果要求厚度降低50%，那么相配合的压辊形状最好应满足角B的正弦不大于0.5。即角B应等于或小于30°。实现该发明时要使T2等T1·SineB，然后逐渐使T2等于T1·SineA，那么剪切变形后，带材21的横向宽度大体上等于带材原宽，这个特性在制瓦垅板时或许是有利有，这点在后面将有所说明。
带材21上的减薄带状区68在随后的几个工位24-26上逐步变宽直到向两边撇开的两侧壁达到所要求的宽度，如图4-6中所示的68a-c处。从动轴台41a-c最好与上述的轴胎41相同，它们相应地用于工位24-26，在每个工位上都有一对相配合的压辊，使带材受剪切变形而减薄，其作用与上述压辊51，52的作用相似。
关于图4，压辊51a，52a装在可旋转的轴53a上，由液压调节缸(未示出)加载，与图3中调节缸56，57相似，每一个压辊51a、52a都有一个截锥工作面67a，与压辊51，52的工作面的工作面67相对应。从工作面67a的内棱径向地向内延伸，是第二个表面70a，该表面压在带材在前一工位23时已轧薄的部分，表面70a对67a来讲更后退了一点，或放松了一点，亦即从邻近的轴胎41a的表面离开一个很小的量，约0.003-0.005英吋。这第二个面的作用是防止金属向没有减薄的带材中央部位反挤压。压辊表面70a的稍微放松可以在轧制过程中，壁免前一工位已经减薄的侧壁在表面68受到压印，同时可以限制金属，避免产生反挤。
按图所示，在工位25(图5)中的压辊51b、52b与图4中的压辊51a、52a相似，但其卸载表面70b，比70a更宽一些，这是为了全面覆盖前两工位23，24所减薄的部分，同样地，在工位26中压辊51c、52c的卸载表面70c地同样加宽，以覆盖前三个工位的减薄部分。
在大多数情况下，总是希望完成剪切变形以便逐步变薄的带状区基本上厚薄匀均，然而，有些厚度不匀均的带状区是由于制造的公差以及多次行程所引起的。此外，在某些实例中，可能要求改变两个相邻压辊的宽度，使带状区的厚度有所改变。当涉及到厚度T2时，应当明白，减薄的带状区厚度才是T2，在厚度上不全均匀的带状区也包括在内。
从上面所述，这项发明所用装置的工艺是十分明显的，带材没有长度的限制，连续地通过几个工位23-26。在工位23时，带材的68部位，由于压辊51，52与轴胎46的作用而向外弯曲，同时由于剪切力71而使之变薄，并因此使金属横向两侧方向延展，而纵向基本上不产生变形。
按指定规程操作时，角A保持不变，带钢变薄，其厚度不小于原厚度与角A正弦之积，这是为了避免金属的纵向变形及裂纹，当带材通过一个工位到下一个工位时，下一工位的压辊便接触与上一工位压薄的带状区相邻的未压薄区，因此压薄的带状区的宽度逐步增大，直到所要求的宽度为止。
由于每一个工位上的两个压辊是对称的，而且压到金属上的力基本相等且方向相反，因此，带钢上两个角所形成的导向作用足以对带材进行导向，无需另设导向机构。
上述装置中，带材10是经过冷轧后呈对称的形状，因此厚度的减少，压薄带状区的宽度均相等。在这种情况下，最好采用图中所示的对称轴胎，即具有圆柱形的中央部位，和位于两侧的具有相同园锥角的截锥体。该项发明还具有更广泛的特性，即可生产非对称的构件，如具有两个独立的纵向带状区，其厚度及宽度各不相同的构件。在这种情况下，轴胎可能设有中央部位或中央部位不是圆柱体。此外，轴胎两端的圆锥角也可能不同或两端不是圆锥体的，甚至压辊的旋转轴线不平行于轴胎线，或液压调节缸加在两个压辊上的力的方向不同从而改变角B。
一般来讲，轴胎靠电力(图中未示出)驱动。调节缸施加于压辊上的力可以调节，以保证产生所需要的减薄量。
最好是采用液压传动的调节缸，由它们组成的调节系统可产生一些弹簧作用，这样，使之被轧制之材料的厚度产化不会剧烈地影响所施加的力。例如，若将轴53机械地固定在一给定位置，微小的厚度变化便会在调节系统中产生剧烈的振动。如果使系统中施加于压辊的力，厚度的变化而随压辊有一些浮动，则剪切力大体上是均匀的，从而获得的相同的剪切变形比。
实际上，已经确定逐邻工位上获得得的减薄量是递减，人们认为这是由于紧贴着正被剪切变形区域的金属发生加工硬化的缘故。事实上，紧贴着辐射状区域66处的金属带是略趋于增加厚度的。
由于各工位紧贴压辊处的金属总是趋于增加厚度，因此显然是金属发生横向挤压或流动，致使一些马上要在下一工位被轧薄的金属发生加工硬化，这种加工硬化被认为是导致各逐邻工位的变薄区厚度增加的原因，可以采用一种与本发明图12-18所示的第2种装置相应的方法来解决变薄区壁厚增加的问题。根据第二种装置，随继将带钢21通过图15，16和17所示的第一组的三个工位，在图15所示的第一工位，仍采用一个带有一圆柱体外表面202和一对互反的相同截锥面203的胎轴，类似于第一种装置的胎轴，然而为了简化示意图故只示意了一个截锥面203。在该装置中，压辊204由胎轴上的园柱体部分202相间一定距离的圆柱体部分206构成，该距离为带钢21的原始厚度。同样，两个相对的相同形状压辊204与胎轴相对转，因此一个压辊204轧制带钢的一边而另一个压辊204同时在胎轴的另一侧轧制带钢的另一侧。每个压辊204由一个与所对应于圆锥面的203相间隔的截锥面207构成，该截面的内端与园柱体表面206衔接，同样，压辊204的园锥面207与对应锥面203间的距离被选定基本上等于带钢21的原厚度，因此，锥面207并不起轧薄带钢的作用。
沿径向紧挨着锥面207的是截锥工作面208，该面依一幅射状平面209与锥面207衔接。如图所示，园锥工作面208与相邻胎轴201上园锥面203间的距离小于带钢21的原厚度，基本上等于所需轧薄量。应该理解胎轴201和两压辊分别绕平行的两轴旋转，形式与第一种装置相同，同样，两压力辊被相同的活塞杆及动力油缸压下。
当带钢21通过压辊和胎轴之间的工位时，园锥工作面208与相对应的带钢区域接触，使该区域发生变形，产生一条纵向延伸的薄带224，该薄带较窄。
同样，作用于带钢上的力使金属产生横向流动而几乎没有纵向流动。因此带钢保持平直，图15所示中拉于锥面208之上的金属部分基本上被锥面207和园柱面206所限定，从而避免了金属的反挤及回流。因此，变形引起带钢上的金属横向外流。在这种情况下，压辊由一园柱表面211构成，该面藉园角212与园锥工作面208相衔接，因而折缘延伸，基本上与带钢的中部平行，而不是象第一种装置中那样与斜壁垂直。
在第二工位，同样有一个胎轴201a和两个压辊204a，见图16。压辊204a与图16中的第一工位的压辊不同，在图15中，园锥工作面208a的横向宽度增加了，继第一工位变薄区域后延展，并使与第一工位轧薄的区域224相接的带钢224a横向变形，从而增加了变薄带的总宽度。同样，此园锥工作面与先前在图16中第一工位上变形的轧薄带方向一致，受到一样限定，所以不会发生反挤，新轧制的带钢区域沿胎轴201a上锥面203a的角度侧向外移。另外，金属横向变形时几乎不产生纵向流动，带钢保持平直。
图17所示的第三工位仍是以同样方式展宽变薄带224和224a，压辊204b有园锥工作面208b，其宽度大于图17中第二工位压辊的园锥工作面，因而产生进一步的横向流动，变薄带224和224a宽度增加，如224b所示。实验表明，成形冷轧普通优质钢时，可以采用三个连续的工位来展宽变薄的带状区而不发生被认为是加工硬化引起的厚度减小。然而，如果再增加同样的相继工位，带钢厚度的减小量将会大幅度减小。因此，图18所示的第四工位是用来跳过带钢上一段未变薄的窄条区以使带钢与一段不受前面轧制影响的带状区相连接。
图18所示第四工位的压辊由一个园柱面206c，一个园锥面207c和一个锥面208c组成，它们的尺寸与图17中第三工位的对应表面一致。然而，压辊204c有一个园锥工作面216c，该面与锥面208c被一缓和区217所间隔。在此工位，除缓和区外金属被横向向内限定，第二条狭窄的薄带226c沿带钢纵向成形。由于与园锥工作面216c所接触的带钢金属在此之前尚未产生加工硬化，所以可对其进行最大限度的减薄，通常，带材要通过另一工位(未示出)，该工位将以与展宽第一条带相同的方式逐渐展宽第二条带。如果轧薄材料的总宽度再要求间跳工步，那么随后的诸工位就要提供相同的缓和部分，即要求第二次间跳过加工硬化区。
图15-18所示的装置中，一个间跳工步前有3个连续的轧辊型缝，应该明确，尽管可以在间跳工步间设置或多或少的连续型缝，但要视轧制材料厚度及所需变薄量而定。因此，本发明并不受三次间跳工步后再设间跳工步的限制。
图12示明一种用第二种装置生产的带材220，在很大程度上与图1所示的带材相同。同样，该带材具有中壁221，其厚度为T1，与带钢的原厚度相等。在该装置中，构件或带材220依然具有左右岔开的斜壁222，它们仍与折边223终接在一起。在这种情况下，折边延伸并基本上与中壁222相平行，因为压辊是由园柱表面211通过园柱表面211c构成，它们保持平行。
不过，在该装置中，岔开的斜壁222由第一条减薄带224-224b和第二条减薄带226c组成，两者位于筋状区227两侧、第一条减薄带是在图15-17中的第一组三个工位上形成的，第二条减薄带是在图18中的二位成形的，随即被其后的工位(未示出)逐渐展宽，由于间跳工步引起筋状区227，因而两条带状区得以均匀的变薄，因此，既或是小的，非常窄的筋状物存在，也会获得足够的轧薄变形。
图13是一加倍放大的剖面图，截目图12中的13-13剖部面，应指出，两条变薄带224-224b和226c具有均匀厚度T2，而折边223和中壁221仍保持带钢的原厚度，另外还应说明，筋状区227看来象是在231处有少量的折叠或是绉曲，我们认为这是由于在图18的第四工位的变形过程中，在间跳工步后少量金属反挤造成的。由于金属在园锥工作面216c过后没被立即限定，主要是缓冲部分217c的缘故，因此产生了一些反挤。
图14示明绉曲趋于在筋状区227发生，正和此放大图所示，曲是以鱼刺形的纹理产生，且绉曲部分231是倾斜并有叠加，因此，图13所示的绉曲是非规则的，形成为鱼刺形。人们认为这种在绉曲处产生的鱼刺形花纹是由间跳工步前变薄过程中产生的材料残余应力而致。当绉曲发生时，使得这些内部应力被释放出来，从而引起筋状区227的鱼刺形花纹，尽管筋部有些不规则，但这它起到了带材上变薄部位所需的加强作用。
该发明的一个具体实例就是在室温下轧制2.559寸宽，0.015寸厚的带钢，带钢是经过冷轧并带有涂层的普通钢材。轧制时用油皂(oilsoap)润滑，经过12道型缝的剪切轧制形成两个减薄的带状区。每个带状区厚度均为0.009寸，宽度为0.915寸，角A为28°。减薄的百分比均为40%，轧制后，边到边的表面宽度为3.300英寸。
另一例子为室温下轧制极软的未涂层铝带材，宽为2.359吋，厚为0.023吋，经剪切轧制形成两个横向彼此隔开的带状区，每个区减薄后的厚度为0.015吋，宽为0.915吋，角度为28°，减薄百分比为35%。
在上述各例中，T2与T1的比值大于角的正弦值，因此，该变薄是由剪切力所致，然而，另一个变薄比超过角A正弦值的特例中，原始厚度为0.013吋的普通优质带钢采用上述的第二种装置在室温下进行了轧制，同样，轧辊的锥角是28°。第一变薄带224，224c的厚度介于0.0028吋-0.0046吋之间，第二，变薄226的厚度则波动于0.0034吋-0.006吋之间，在该例中，T2/T1＝21%-46%，因此，减薄量大大超过了28°角的正弦值，尽管如此，金属未发生裂纹和撕伤，同时带钢保持平直。
人们认为，在这种情况，初始变形仅仅是剪切变形，而进一步的流动则超过了SineA，但并未产生过多的纵向流动而影响带钢的平直度。因此，尽管变形超过了纯剪切变形，但基本都发生在横向方向上。
金属的这种横向流动起因于轧辊的带钢在变形241区域内的接触面积，如图19所示，较长的用L表示，即沿带钢长度方向，图上所示为箭头242，宽度W，沿横向方向。如图所示，长度L至少是宽度W的3倍，这种情况下，其中带钢和轧辊之间轧制结合区沿带钢纵向方向上很长，而相对长度的横向方向上很窄，作用于带钢上的摩擦力限制了长度方向的变形而对横向变形的阻力却很小，因而尽管压力超过了产生纯剪切变形所需的力而且变薄率超过SineA，但钢带所产生的变形绝大部分还是横向的。然而在许多情况下，特别是当用极薄的金属板来生产带有纵向延伸的变薄区的构件时，其变薄比应大于或等于sineA，从而很轻易地产生剪切变形。
图7及7a所示的构件80是根据该发明制得的吊顶用龙骨。该构件是由一整体带材弯曲而成，包括腹板81，腹板81上边的承重骨架以及腹板81下边相对的两下翼缘83及84。该构件中，如图7所示，在下翼缘远离腹板一侧装有一单独的罩86。然而在许多实例中，不需装罩，整个龙骨是由一条带钢弯成的。
最好用图1或图12中构件220所示的冷轧构件成形龙骨80，在这种情况下，整个承重骨架是由原位于构件10上中壁11处的材料形成，壁厚为T1，另外，两层腹板由原来的侧壁12，13构成，每层厚度为T2，而下翼缘则最好由轧延构件10上的折缘16，17轧成，其厚度等于T1。
如果用上述变形并具有轧薄区的带材冷轧成形龙骨，那么，在轧成的龙骨上金属便集中在构件的承重骨架及下翼缘上，而腹板则是减薄了的。如前所述，腹板受力不大因此将两层腹板减薄以节约材料，而龙骨的强度不受任何影响。例如一龙骨其承重骨架82约为1/4吋宽、1.5吋高，腹板约1吋高，两下翼缘总宽略少于1吋，那么轧制该龙骨所需的带材宽约4.5吋。
如果成芹的龙骨上处处金属壁厚相等，那么所用带钢单位长度上的金属总量则大约是相同长度龙骨上金属量的4.5倍，反之，若将腹板厚度轧成骨架及下翼缘厚度之半，而用来形成T部位的带钢宽度为3.5吋时，则单位长度龙骨所需的金属量则是相同长度带钢上金属量的3.5倍。因此用于制作薄腹板龙骨的金属量与均匀壁厚龙骨所用金属量之比是3.5/4.5，或仅需等壁厚龙骨所用金属量的78%，那么薄腹板龙骨可节省大约22%左右的金属。
金属的节约量随减薄量及减薄区的宽度而变化。在上例中，减薄比为50%时可节省约22%的金属。对于给定的运用范围，金属的节约量随减薄比的降低而降低。
该发明的另一特性，是可使带有涂层的带材产生变形，而不使涂层受到破示。例如，通常是采用预先上过涂层的板材来成形龙骨。这种予敷涂料的带材往往是涂过漆或热浸过锌的，它们皆可剪切变形，减薄截面，而不使其涂层损示。图7a更清楚地示明，剪切变形及轧成龙骨之前的涂层87，88在末减薄的区域依然保持原涂层厚度。但沿腹板81部分的涂层厚度，如图87a，88a所示，则薄于承重骨架及下翼绷处的涂层厚度。
由于用来轧制型材的带钢可在成形前的平面状态下方便地实施涂层，因此在大量制造型材时能否将原涂层轧薄是至关重要的。此外，在许多情况下带钢表面的涂层实际上是有助于变形过程的，因为涂层可以减少压辊及轴胎表面的磨损及附着。加然如此，在许多情况下，在变形时仍需有冷却液及润麻剂。
此外，带材上纵向延伸区的变薄还可增加其硬度。这对很多型材来说也是有益的。例如在图7及图7a所示的龙骨中，两层腹板虽然比龙骨其它部位薄，但是由于剪切变薄后其硬度增加，从而补偿了因厚度减小而带来的强度降低。在多数情况下，龙骨腹板的两端还要有接头以便把龙骨连接起来。美国专利证书，№S.3，501，185及4，108，563可供参考。该专利插图分别示出铆接在腹板上的整体接头及分端接头。尽管腹板较薄，但由于硬化，仍然具有足够的强度。
图8及9所示构件上的附加部分，这也可以按该发明轧出。图8所示为一槽形构件，它可以用作无浆砌墙时的锚固件，该构件是由中间腹板91及侧面延伸的翼缘92，93构成的。图8很清楚地表明除腹板91的正中间部分94外，翼缘92，93的厚度T1基本上等于腹板厚度的两部。另外这种结构因为腹板91已减薄，形成槽形件的金属便集中在翼缘，从而具有最大的结构强度。
图8所示的槽形件的轧制方式与图1或12所示的轧延件相似，但图8a中所示的，在剪切变形时，支持带材的轴胎形状，具有很窄的中间部位46m的宽度。所以减薄后的腹板91基本上等于46m的宽度。图8中的槽形件，另然未示出涂层，但这种槽形件可以用予敷涂层的金属轧制成形。涂层亦沿着减薄部位减少其厚度，就象图7及7a中的龙骨一样，一旦变形完成之后，槽形件即可用一般的轧制法制成。
图9所示为H形条材，或工字架。它可以用作无浆砌墙的锚固件101，这种锚固件包括厚度为T2的中央腹板102，它的厚度显然比翼缘103及104的厚度T1要小。这样的结构，也是因为形成锚固件的金属集中在沿翼缘处而节约了金属，同时，如此轧制使翼缘处的强度最大。H形的锚固件101也可先经初步减薄，如图8a所示那样，然后再用普通方法轧制，以成形锚固件的形状。如果有必要的话，也可以予敷涂层，在变形时涂层会变薄并依旧覆在金属表面上。
图10及11所示为一种新改进型的瓦垅板的轧制该型材的装置。经过轧延的瓦垅板111，其横截面如图10所示，该型材包括上平面112及下平面113，其厚度皆为T1，即原薄板厚度或是用来轧制瓦垅板111的带钢原厚度。上下平面112，113均与倾斜的腹板116，117连接，如上所述，它们均因剪切变形而减薄，其腹板厚度为T2，明显地比厚度T1要薄。
如上所述，在两个岔开的连接壁116，117之间夹角2A约为60度。按正弦公式，T2约等于T1的一半。由于这种厚度关系，图10中的瓦垅板可用图11所示的装置很方便的逐步轧出。在该装置中，每个独立的轴胎118用来轧制一个瓦垅，其相关的压辊119，120与每个轴胎117相配合。这里应当说明，图11所示的仅仅是一个工位。依次进行工作相似工位是为了增加薄壁的宽度，直到薄壁的宽度与图11所示相等。
上平面112保持其原始宽度，而下平面的宽度减小了，这是因为薄壁逐步增加宽度直至图10所示的113的宽度的缘故。在本工艺中，与上述情况一样，因为减薄工艺是按照角A正弦值的要求完成的，因此带材的总宽度不变。例如，如果原带材宽为4英尺，虽然腹板的宽度有所增加，并且对顶，底两个部位111及113是倾斜的，但轧成瓦垅板宽度仍约为4英尺。此外，如腹板厚度符合A角正弦值的规律，则在减薄过程中相邻轴胎的间隔也保持不变。
有时，可能要求先轧出象图10那样的瓦垅板，然后再纵向剪切成一段一段的带材。这种纵向切短的带材有时只是一种用来轧制最终所需构件的型材坯料。
该发明的特定装置虽已由插图示出，并加以说明，但是仍可对其采取各种方式加以修改或将其部件重新安排，但这并不违背本文对该发明所作的说明及所提出的要求。
权利要求
1.一种将原始厚度为T的压延带材上，至少在一个纵向延伸的带状区域轧薄的冷弯成形方法，其特点是(a)向上述带材(10或23)某一选定区段施加一定域的剪切力。该剪切力相对带材的表面倾斜成一角度B，并基本上作用于带材长度方向的法向平面内，因此在纵向几乎没有剪切分力，从而在剪切变形随后的金属变薄过程中，带材不产生纵向变形。同时带材横向相邻的部分不产生拉薄。(b)并且沿带材长度方向产生相应的移动以产生一纵向延伸的薄带区段(12，13和68)。
2.按权利要求
1中所述方法的咖一特点，即控制对带材(10或23)施加剪切力大小的措施，以使变薄带状区段(12、12和68)的厚度(T2)至少和带材原厚度T1与角B正弦之积相等。
3.按权利要求
2中所述措施具有的特点，即向带材(10或23)施加足够的剪切力，以将上述带状区段的厚度减至和角B正弦与原厚度T之积相同的厚度。
4.按权利要求
2中所述方法具有的特点，即将上述带状区段(12，13及68)及与其横向间隔的一相似带状区段(12，13及68)同时轧薄，以使施加在带材上的力大致平衡。
5.按权利要求
1中所述方法具有的特点，即将上述带状区段(12，13及68)及与其横向间隔的一相似带状区段(12，13及68)同时轧薄，以使施加在带材上的力大到平衡。
6.按权利要求
5中所述方法具有的特点，即提供了有轴颈的轴胎(41)，该胎具绕轴线(43)迥转并在两端具有相对应的斜面(47，48)。带材923)被压向此斜面以产生上述的变形。
7.按权利要求
6中所述方法具有的特点，即利用上述轴胎上的棱角实现带材(23)的导向。这些棱角与带材上相应的棱角相吻合。
8.按权利要求
1中所述方法具有的特点，即带材敷有涂层，而沿上述带状区段的涂层在上述变形过程被轧薄。
9.按权利要求
1中所述的一种方法，其特点在于连续地将带材成型为龙骨(80)，其中介于未变薄的下翼缘(83，84)和承重骨架(82)间的变薄带状区段形成龙骨的腹板(81)。
10.按权利要求
1中所述的一种方法，特点在于连续将带材成型为一结构件(101)，其中变薄区(102)位于应力减少的区域而未变薄区段位于应力较大的区域。
11.一种将拉延带材成形为厚度减少的纵向延伸变薄区段的冷弯成形方法，骐特点是使带材(10或23)沿纵向在迥转的轴胎(41)和压辊(51，52)之间通过。通过轴胎和压辊向带材施加两边相对的倾斜力，使纵向延伸的变薄区段在剪切力的作用下产生横向变形，同时纵向几乎没有变形。
12.一种将压延带材或形为沿纵向延伸方向厚度减薄的冷弯成形方法，其特点是提供了对称的旋转轴胎，该轴胎两端具有相同但方向相反的两个圆锥(47，48)，中间以一段非锥体(46)相连，通过相互平衡的剪切力将带材(10或23)压向两端的锥面。剪切力使带材上两条纵向区段横向变形，从而产生两条轧薄的纵向延伸区段(12，13和68)。
13.按权利要求
12中所述的一种方法，其特点在于顺序地将带材(10或23)通过相同的轴胎(41)同时将带材压在该胎具上，使与前面已变薄部分相邻的金属在剪切力的作用下没横向变形，从而展宽变薄区域(12，13和68)。
14.按权利要求
13中所述的一种方法，其特点在于将变薄区域(12，13和68)的厚度继续轧薄直至其厚度基本上等于带材(10或23)原厚度和各圆锥面(47，48)与剪切力夹角B的正弦之积。
15.按权利要求
11中所述的一种方法，其特点是带状区段在轧薄之前将带材表面敷以涂层，并使变薄区域上的金属及涂层同时轧薄而基本上不损坏涂层。
16.按权利要求
11中所述的一种方法，其特点在于提供了具有约60夹角的圆锥面(47，48)，并将变薄区段(12，13和68)的厚度轧薄至原带材厚度的50%左右。
17.按权利要求
12中所述的一种方法，其特点在于连续将带材成型为龙骨(80)，其中轧薄的区域形成龙骨的中间腹板(81)。带材上未轧薄的部分形成腹板两端的承重骨架(82)和下翼缘(83，84)。
18.按权利要求
12中所述的一种方法，其特点在于连续将带材成型为一种构件，构件的腹板(91和102)由带材上的轧薄的部分组成，而带材上未轧薄的部分形成构件复板两端的翼缘(92，93和103，104)。
19.按权利要求
18中所述的一种方法，其特点在于采用上述的连续成型工艺生产一种槽形锚固件。
20.按权利要求
18中所述的一种方法，即采用上述的连续成型工艺生产一种H型锚固件(101)。
21.一种瓦垅板的冷弯成型方法，其特点是，在轴胎(118)上支撑着带材的横向相间但纵向延伸的第一部位(112)，然后逐步地在第一部位两侧施加剪切变形力，使第二部位(116，117)变薄，并对第一部位形成明显的角度。当连着第一部位的两个第二部位被第三部位(113)隔开时，剪切变形终止。
22.按权利要求
21中所述的一种方法，其特点是将二区(116，117)折弯成与垂直于一区(112)的平面成一角度A的平面，并将二区厚度轧薄至基本等于一区厚度与角A正弦之积。
23.按权利要求
21中所述的一种方法，其特点是，平金属薄板的宽度基本上与成品瓦垅板的宽度相等。
24.一种用均匀初始厚度的压延带材冷轧成形的平直压延带材，其特点是原始的纵向区带(11)隔开了具有带材原始厚度(12，13)的两个侧边，第二，第三纵向区间位于原始纵向区间的两俐，在剪切变形的作用下，12区和13区的厚度被均匀轧薄而小于原带材的厚度。
25.按权利要求
24中所述的一种压延带材，其特点为二区(12)和三区(13)倾斜于原始区域(11)，且与和原始区域垂直的平面成倾角A，同时三区和二区的厚度至少等于原始厚度与角A正弦之积。
26.按权利要求
25中所述的一种压延带材，其特点是该带材上二区(12)和三区(13)的厚度基本上等于一区(11)厚度与角A琥弦之积。
27.按权利要求
25中所述的一种压延带材，其特点在于该带材上具有原始厚度的四区和五区(16，17)分别位于二区和三区(12，13)的侧面，与一区(11)相对称。
28.按权利要求
27中所述的一种压延带材，其特点在于四区(16)和五区(17)被一区(11)横向间隔，二区(12)和三区(13)的硬度高于一区和四区、五区。
29.按权利要求
24中所述的一种压延带材，其特点在于带材上具有原厚度的四区(16)，五区(17)分别位于二区(12)三区(13)的两连，与一区(11)相对称。
30.一种由均匀初始厚度(T)的压延带材冷轧成形的冷轧构件，其特点为该构件由一个厚度等于原始厚度(T1)的纵向延伸的一区(11)和两个沿构件(10)纵向延伸并与一区邻接的通长斜壁(12，13)组成，两个斜壁间的夹角为予定角A的二倍，两个斜壁的厚度T2＝T1SinA。
31.按权利要求
30中所述的一种压延构件，其特点在于该构件(10)具有两边延伸的折缘(14，16)，折缘与一区两边的斜壁相连从而使折缘与一区相间隔。
32.按权利要求
31中所述的一种压延构件，其特点在于与斜壁(12，13)相连的一区(11)是平的。其折缘(14，16)与斜壁相垂直。
33.按权利要求
30中所述的一种压延构件，其特点为其一区(11)为一平面，与其斜壁毗连的折边横向相间。
34.按权利要求
30中所述的一种压延构件，其特点为该带材上的涂层在一区(11)范围内厚度不变而斜壁(12，13)上的涂层被轧薄。
35.一种吊顶用龙骨，该龙骨由单张带材形成的中间腹板和腹板上端的加强骨架及腹板底边两侧的下翼缘组成，该加强骨架和下翼缘由均匀初始壁厚的带材构成，该龙骨的特点在于其腹板由较薄的均厚带材组成，而所说的单张带材则形成经剪切变形而获得的腹板(81)，腹板的硬度高于承重骨架(82)和下翼缘(83，84)。
36.按权利要求
35中所述的一种压延构件，其特点在于至少沿龙骨的外表面敷以涂层，肯承重骨架(82)和下翼缘(83，84)上的涂层保持(带材上)原有厚度而腹板(81)上的涂层较薄。
37.一种由一个用单张带材弯成的中间腹板，一个在腹板一边的承重骨架和一个在腹板另一边左右伸出的下翼缘构成龙骨，该龙骨的外表面敷有涂层，该龙骨的特点在于骨加(82)和下翼缘(83，84)的厚度及其表面涂层的厚度保持不变，而腹板(81)的厚度以及腹板表面的涂层厚度被轧薄。
38.一种金属瓦垅板的特点在于将各腹板(16，17)折弯，使其与垂直于第一部位及第二部位(12，13)的平面成倾角A，而腹板的厚度等于第一部位和第二部位的厚度与角A正弦之积。
39.一种压延的金属梁，该梁由一条用金属带材形成的腹板和一沿腹板一侧延伸的翼板所构成。其特点为翼板(92，93和(103，104)保持原带材的厚度而腹板(91)的厚度则因金属的剪切变形而变薄。
40.按权利要求
39中所述的一种梁，其特点是该梁为一槽钢。
41.按权利要求
39中所述的一种梁，其特点是该梁为一H型梁。
42.一种用于辊轧金属薄板的装置。该装置包括围绕第一根轴线迥转和轴胎，该轴胎轴颈提供一倾斜面，一个绕第二根轴线旋转的压力辊，其周围部分与其倾斜面交界，以及可向压力辊施加压力的工具其压力方向倾斜于上述倾斜面。该装置的特点在于当一块轧延的板材在轴胎(41)和压辊(51，52)之间纵向通过时间时转动。将一纵向延伸的区域(68)剪切变形，使其厚度减小而纵向上不产生变形。
43.按权利要求
42中所述的一种装置，其特点是该装置上其它相同的辆胎和压辊同时转动，从而逐步地将纵向延伸斜面上的金属产生剪切变形，使该面展宽。
44.按权利要求
42中所述的一种装置，其特点是该施力装置(56，57)提供一弹力，可使压力辊(51，52)浮动以补偿带材的厚度变化。
45.按权利要求
42中所述的一种装置，其特点为该装置上的第一和第二根轴(43，54)位于同一平面并相互平行。
46.一种用于辊轧板材的装置，其中包括一个绕第一根轴线迥转的轴胎，该轴胎由两个相对应的园锥表面和与两园锥表面衔接中间部分组成，具有相同但又方向相反园压辊，其外园与上述园锥表面相毗邻;及与压辊园锥面相倾斜的方向向压辊施加力的可调缸。该装置(41)的特点为，当一块压延板材在轴胎及压辊(51，52)之间纵向通过时，其轴胎和压辊同时转动，向板材施加平衡的剪切力，使园锥两侧纵向延伸的区域(68)剪切变形，厚度减小而在纵向不发生变形。
47.按权利要求
46中所述的一种装置，其特点是该装置上与轴颈相连的压力辊(51，52)绕第二根轴线(54)旋转，并与第一根轴(43)相平行。
48.按权利要求
47中所述的一种装置，其特点为压力工具(56，57)对于上述的园周(47，48)部分具有弹力而且可以调节。
49.一种生产一平直轧延带材的冷弯成形法，该种带材具有纵向延伸的变薄带状区，该方法包括使轧制带钢在迥转胎具和迥转压辊之间通过，沿一狭窄的变形区用胎具和压辊向带钢施加变形压力，该变形区走向基本上与带钢长度方向一致，使带钢上的金属产生横向流动以成形第一条轧薄的金属带状区，同时不产生导致绉曲的纵向金属流动，随后用胎具和压辊向第一条变薄区的一侧施加侧向的变形力，该侧与第二条狭窄的轧制变形区相邻，同样，该变形区的延伸方向与带钢的纵向一致，使带钢上的金属产生横向流动以成形第二条金属薄带，同时不使带钢上的金属产生纵向流动而导至绉曲。
50.按权利要求
49中所述的一种方法，包括即限定带钢上已成形处的金属在每一变形区的内侧以限制其流向内侧，此外同时使未完成成形的金属横向向已成形区的外侧流动。
51.按权利要求
49中所述的一种冷弯成形方法，即第一和第二带状区横向彼此相邻，形成一个连续的减薄区，该区的宽度基本上等于两条变薄带的宽度。
52.按权利要求
49中所述的一种冷弯成形方法，即第一和第二变薄区被一段保持原有厚度的带钢横向彼此间隔开。
53.按权利要求
49中所述的一种冷弯成形方法，即变形力与带钢的对应表面倾斜，金属随剪切变形横向流动。
专利摘要
本发明为一种利用横向剪切变形使板材上局部纵向延伸区域轧薄而无纵向变形的冷弯成型方法，采用本方法可以制得低应力处薄、而高应力处厚的压延构件以提高材料利用率。实现本方法的装置由一个有两对应圆锥面的回转轴胎和一对垂直的向轴胎回转轴施加压力的可调压辊组成。材料上某区域在剪切力的作用下产生变形，板材上该纵向延伸的区域轧薄。压力作用在带材长度的法向平面内以避免纵向拉伸。
文档编号E04C3/04GK87101818SQ87101818
公开日1988年1月20日 申请日期1987年3月11日
发明者乔治·博索, 帕特里克·凯利, 丹尼斯·阿尔瓦雷斯, 盖尔·索尔, 约瑟夫·豪塞尔 申请人:唐公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan