专利名称：成形装置、该成形装置的模板以及成形方法
技术领域：
关于用于由金属薄板或者具有预定长度的带材形成具有例如圆管或者矩形管的 各种截面形状的开口截面构件的一种新装置和新方法，本发明是利用旋转单元的一种成形 装置、该成形装置的模板以及成形方法，其中利用在外表面上设置有成形模并且在环状轨 道上运动的多个模板而形成的模板组系，来实现正如与利用具有极大直径的成形轧辊所获 得成形操作一样的成形操作。
背景技术：
总的来说，作为长的金属产品的连续生产工艺，通常使用成形轧辊。在它们之中 的由电阻焊接管的工艺所代表的典型工艺通常包括将作为原材料的金属薄板回绕以将该 金属薄板供给到成形处理的预处理；由粗轧轧辊(break down roll)、多辊轧机(cluster roll)以及精轧轧辊(fin pass roll)来执行的初始成形处理；用于例如通过高频来焊接 带材的相对边缘部的焊接处理；用于通过校正轧辊来校正管的圆度和直线度的定形处理， 以及将所制造的金属管切割为预定长度的切割处理。长的金属产品的成形方法通常分为上述的轧制成形方法和压制成形方法。在压制 形成方法中，将被成形的材料基本仅仅受到截面上的二维变形，因此该将要成形的材料几 乎没有多余扭曲和残余应力，并且容易获得产品的尺寸精度。然而，对包括金属模的工厂和 设备的投资很高、生产力低并且产品的长度是受限制的。另一方面，在轧制成形中，由于不 仅仅对工厂和设备的投资较低，而且能够实现连续生产，所以生产力也高。此外，几乎不限 制产品的长度。然而，由于将被成形的材料取决于成形轧辊而受到三维变形，所以产生了下 述缺点。轧制成形的基本问题大多在于，成形工具是作为回转件的轧辊，并且由于生产能 力、成本等等的限制而使其回转半径不能增大。因此，具体地，产生了如下面指出的问题。(1)诸如环绕轧辊的材料的卷绕那样的三维变形的特征很强。不仅仅在作为成形 对象的截面上产生变形，而且在其他方向上也产生了各种额外的变形和扭曲。结果，总扭曲 较大，并且残余应力的状态复杂，这对产品的尺寸精度和内在品质带来了不利的影响。(2)由于在轧辊与将被成形的材料之间的接触区域中的圆周速率差异较大，所以 由于在该轧辊与该将被成形的材料二者之间的相对滑动，针对产品的表面质量经常产生问 题。(3)由于与剧烈变形相比在该轧辊与该将被成形的材料之间的接触区域较小，所 以在该轧辊与该将被成形的材料之间的表面压力较高。由于高表面压力与高圆周速率差异 的共同作用，轧辊的磨损严重并且用于维持产品的尺寸精度的成本变高。(4)由于将被成形的材料从轧辊受到的插入阻力很大，经常引起推力不足，并且所 需要的驱动能变高。例如，在上述金属管的连续生产工艺中的定形工艺中，使用布置在同一平面上的 二向辊、三向辊或四向辊，该二向辊、三向辊或四向辊的中心轴垂直于管的轴线。在这些辊的任意组合中，形成基本握持原材料管的外表面的整个外周这样的孔型。作为为了减小在定形截面中成形轧辊台座的数目而获得每一个孔型的高缩小比 的结构，提出了这样一种方法，即，使得四向辊台座的左右相对的轧辊的外径小于上下相对 的轧辊的外径，并且将该左右相对的轧辊布置在与该上下相对的轧辊的位置相比更位于上 游的位置处(PTLl)。专利文献[PTL l]JP-A-2000-167620[PTL 2]JP-A-08-187516[PTL 3]JP-B-08-018075[PTL 4]JP-T-2002-529252(W000/29164)
发明内容
本发明要解决的问题当生产电阻焊接管的时候，为了获得具有高尺寸精度的产品，在定形过程中，在通 过粗轧轧辊、多辊轧机和精轧轧辊执行初始成形处理之后，通过二向辊台座或四向辊台座 中相对的辊对原材料管施加挤压。然而，由于如上所述的作为成形工具的轧辊的特性，不仅 仅在作为成形目标的截面之中产生并积累了弯曲和挤压，而且在其他方向上也产生并积累 了各种额外的变形的扭曲，这通常对横截面的成形带来严重的影响。因此，例如，在上述定形过程中，在产品的截面中的弹性回复运动变得极其复杂。 因而，不能解决成形轧辊所特有的上述问题，例如，不能容易地获得产品的理想尺寸精度。本发明的目的是提供一种新的成形装置、该成形装置的成形工具以及成形方法， 其中在用于形成圆管、矩形管或开口截面材料的任何成形过程中，不会使常用轧制成形的 生产力变差并且在很少有额外变形和扭曲施加于将被成形的材料的情况下执行规定的操 作，使得能够生产具有高尺寸精度和高质量的产品。问题的对策当发明人等分析将被成形的材料在轧制成形期间所受到的应力的分布以调查研 究成形轧辊的上述问题时，他们认识到仅仅该轧辊正下方的一部分(包括轧辊的轴线的材 料的横截面)附近的极其有限的表面与该将被成形的材料产生接触，并且在近似线接触的 点接触的状态下，局部地施加有非常大的载荷。发明人等认识到，例如，当为了该分析而显示出应力分布时，极强接触应力的峰值 产生在刚好在轧辊正下方的那部分之前的特定部分中，并且发明人等认为需要开发一种新 的成形装置和成形方法，其中均衡的力作用在与将被成形的材料产生接触的宽范围上，而 不会产生上述应力的峰值。例如，在获得材料的简单二维变形的压模成形中，不能够实现轧制成形所擅长的 连续成形操作。替换地，在通过金属模的拉拔成形方法中，在产品的表面上的缺陷和金属模 的严重磨损的产生是不可避免的，并且不能够完全获得与轧制成形相同的生产效率。因而，如在PTL 2中所公开的，想要使用一种装置，其中将传动带与轧辊或模板一 起使用，以防止缺陷并施加驱动力。然而，由于插入了低刚度的该传动带，所以该装置对于 厚度小的材料来说是优选的，然而，不能够获得如一般轧制成形的高成形能力。
此外，如在PTL 3和PTL 4中所公开的，想要提供一种装置，其中将具有规定孔型 的许多模板以链的形式连接在一起，并且将各模板配置成为在卵形或椭圆形的环状轨道上 旋转的环状成形模板组。在这种装置中，由于带材的两端的对接表面是焊接的，所以该装置 适合于适当地保持已经在预处理中成形为圆筒状的原材料管的目的，然而，该装置并不适 合于如轧制成形中的各种不同的成形过程或者上述定形过程。为了提供能够解决轧辊的问题的新的成形装置和成形方法，发明人等还检查了常 用轧制成形方法或压模成形方法。结果，例如，当他们模拟在定形过程中，使用具有几十倍 于、几百倍于和几千倍于目标管孔径的直径的成形轧辊的情况时，他们注意到在诸如将被 成形的材料的尺寸的各种情况下都存在效果的饱和点，然而，通过该常用成形轧辊能够大 大地减弱上述局部接触应力的峰值。然而，由于制造具有上述巨大直径的成形轧辊是不切实际的，所以发明人等试图 实现通过其能够获得与利用具有巨大直径的成形轧辊所获得的效果相同的小型成形装置。 他们注意到即使在巨大成形轧辊的条件下，也只有极其有限的部分与将被成形的材料产生 接触的事实，并且研究能够实现巨大成形轧辊的结构。结果，发明人等获得了这样一种知识，S卩，可以制成这样一种其中使用模板组系成 形装置，该模板组系通过将每一个都具有模的多个模板连接在一起而形成，以使该模板组 系能够在环状轨道上连续运动同时孔型指向外，所述模具有圆弧曲面，并且将与具有假想 的巨大轧辊的直径的虚拟圆的规定圆弧部相同的曲率半径和相同的圆弧长度赋予成形区 间的环状轨道表面，该成形区间邻接在将被成形的材料上并且与该将被成形的材料同步运 动，因此通过成形区间的环状轨道表面的模块组系能够将与虚拟巨大成形轧辊相同的操作 应用于将被成形的材料，并且能够解决轧辊的各种问题。此外，发明人等具有这样的知识，S卩，通过以包含目标成形截面的部分或全部表面 形状的母曲线绕着虚拟圆的中心轴或位于该中心轴附近位置处的轴线回转达规定角度的 方式而形成的圆弧曲面来构造形成所述模板组系的模板的成形孔型，因此能够获得与利用 虚拟巨大成形轧辊执行成形操作所获得的效果相同的效果。发明人等具有这样的知识，S卩，例如，当在将所述材料定形成目标截面形状的过程 中使用上述新的成形装置时，上述局部接触应力的峰值在该将被成形的材料中大大地减 弱。此外，他们认识到，由于与传统轧制成形装置相比，该将被成形的材料能够被孔型部分 约束达更长的时间，所以均衡的塑性加工过程被应用于该将被成形的材料的纵向和周向而 提高了圆度和直线度，此外，生产效率与传统轧辊成形的相同，并且该将被成形的材料的进 入阻力比传统轧制成形的低，并且所需要的驱动力减小，并且完成了本发明。因此，本发明是一种成形装置和利用该成形装置的一种成形方法，该成形装置包 括模板组系，该模板组系包括多个模板，在该多个模板上向外设置有具有沿着目标成形截 面的全部或部分外周形状的形状的孔型；以及多个旋转单元，每个旋转单元都具有环状轨 道，所述模板组系在该环状轨道上运动，其中所述模板的孔型在成形区域中与将被成形的 材料接触并且与该将被成形的材料同步运动。该成形装置和成形方法的特征在于，所述环 状轨道的在成形区域中的那部分表面具有所需要的虚拟圆的圆弧长度和半径。此外，发明人等提供了特征在于下面所指出的各特征的一种成形装置和成形方 法，在上述的成形装置和成形方法中
(a)模板组系是环状列(endless train)。(b)成形区域中的那些模板的相邻表面被连接，以形成连续孔型。(c)模板的孔型具有回转曲面，该回转曲面通过使包括目标成形截面的部分或全 部外周形状的母曲线绕着轴线回转而形成。(d)所述孔型具有回转曲面，该回转曲面通过使包括目标成形截面的部分或全部 外周形状的线绕着虚拟圆的中心轴回转而形成。(e)所述旋转单元布置成与所述将被成形的材料的平行，或者布置成经由该将被 成形的材料而彼此相对。(f)在该成形装置的成形区域中，成形轧辊、另一个模板或它们二者与所述将被成 形的材料产生接触。(g)所述环状轨道的外周面形成为内滚道面，所述模板组系的与该环状轨道的外 周面相对的内周面形成为外滚道面，并且滚动元件设置在该内滚道面和该外滚道面之间以 形成滚动轴承结构。此外，本发明是用于具有上述构造的成形装置的模板，该模板的特征在于，该模板 的孔型具有回转曲面，该回转曲面通过使包括目标成形截面的部分或全部外周形状的线绕 着轴线回转而形成。本发明的有益效果在本发明中，由于成形装置采用了利用形成有环状模板组系的旋转单元的结构， 该环状模板组系通过将每个都具有包含圆弧曲面的模的多个模板连接在一起而形成，以便 能够在环状轨道上运动同时所述孔型指向外，并且将与具有假想巨大直径的虚拟圆的规定 圆弧部相同的曲率半径和相同的长度赋予成形区间的环状轨道表面，该成形区间邻接在将 被成形的材料上，所以可以说，实现了使用具有巨大直径的成形轧辊、维持了作为传统成形 轧辊的特征的连续性和高生产效率，并且可以使将被成形的材料以基本与压模成形相同的 方式二维变形。由于根据本发明的成形装置和成形方法具有上述结构，所以该成形装置和成形方 法展现出了下面的操作效果。(1)将由于三维变形而引起的施加于将被成形的材料的额外 扭曲尽可能低的抑制到最小值，并且残余应力的分布是均勻的。(2)几乎不会发生由于圆周 速率差异而引起的在成形工具与将被成形的材料之间的相对滑动。(3)由于接触面积较宽 并且抑制了当将被成形的材料前进时产生接触应力的峰值，所以格外地降低了支承压力。 (4)大大地减小了移动阻力并且大大地减小了驱动能。因此，根据本发明的成形装置和成形方法能够彻底地改善传统轧制成形中的上述 缺点并且呈现出下面的操作效果。(1)大大地提高了产品的尺寸精度、表面质量和内在质 量。(2)增大了成形的范围(厚度与外部直径的比率或者能够成形的材料)。(3)降低了成 形工具的成本并且大大地延长了成形工具的寿命。(4)能够制造节能产品。
图IA是示出了当在原材料管的处理方向上从视图的前侧向后侧观看时，在从上 部和下部固定将被成形的原材料管的构造中，成形装置的实施例的说明斜视图。图IB是成形装置的环状模板组系的说明斜视图。
图IC是示出了图IA所示的成形装置与虚拟的巨大成形轧辊之间的关系的概念说 明图。图ID是模板的孔型的概念说明图。图IE是示出了成形区间中的模板与其环状轨道表面之间的关系的概念说明图。图2A是示出了当在原材料管的处理方向上从视图的右侧向左侧观看时，在从上、 下、左和右固定原材料管的构造中，成形装置的实施例的侧视说明图。图2B是示出了在从处理方向观看时，在从上、下、左和右固定了原材料管的结构 中，成形装置的实施例的前视图。图3是示出了环状模板组系的实施例的说明斜视图。图4是示出了上下驱动单元的环状轨道表面的组装结构的说明斜视图，环状模板 组系在该环状轨道表面上回转。图5是用于支撑上下驱动单元的环状轨道表面的组装结构的横梁的说明斜视图， 环状模板组系在该环状轨道表面上回转。图6是示出了设置在环状轨道表面上的凹槽部上的滚珠列的构造的说明斜视图， 该滚珠列用于使得所述环状模板组系自由回转。图7是应用于带材的边缘的弯曲处理的成形装置的说明斜视图。图8是在带材的边缘的弯曲处理完成之后，应用于粗轧成形处理的成形装置的说 明斜视图。图9是用于精轧成形处理的成形装置的说明斜视图。图10是代替挤压辊用于对接焊处理的成形装置的说明斜视图。图11是将圆管用于原材料管的矩形管的再成形装置的说明斜视图。图12是示出了作用在将被成形的原材料管上的接触状态和载荷分布的曲线图。附图标记a母曲线P将被成形的原材料管R虚拟成形轧辊Is 模板Ia 轮廓2模板保持器3轧辊随动件4连接销5 链板6 链轮7 横梁 10 壳体11、12 横梁13至16千斤顶17驱动轴单元20模板组合件
21模板保持器22S、53s 模板22a 轮廓23外滚道片24 销孔25保持器连接部26 销33、34 链轮35在回归区域中滚珠的环状轨道表面36在成形区域中滚珠的环状轨道表面40P、50P 原材料板60P、70P、80P 原材料管51上轧辊52中间的下轧辊100回转单元101 至 107、111 至 114、121 至 124、131 至 132、141 至 148 环状模板组系
具体实施例方式将参考附图来描述根据本发明的成形方法。图IA和图IB是用于定形将被成形的 原材料管的成形装置的透视说明图。图IC是示出了具有巨大直径的虚拟成形轧辊与图IA 和图IB中示出的成形装置之间的关系的概念说明图。图ID是模板的成形孔型的概念说明 图。在附图中，空心箭头表示成形方向，并且这也适用于其他附图。现在，将在下面描述使得能够获得与使用巨大成形轧辊所得到操作效果相同的操 作效果的成形装置具体化的概念。如图IC所示，其基本概念是仅仅使用具有巨大直径的虚 拟圆中的具有特定长度的圆弧部分，该具有特定长度的圆弧部分相当于该大型虚拟成形轧 辊R与将被成形的原材料管P产生接触的区域。例如，当将被成形的原材料管P的直径是 50mm的时候，如果使用具有7000mm的半径的虚拟成形轧辊R，那么该虚拟成形轧辊的邻接 在将该被成形的原材料管P上的圆弧部分的长度是大约100mm。在附图中，为了纸面的方 便，该圆用远小于假定半径的半径所绘示。为了实现作为具有7000mm的虚拟成形轧辊R中大约IOOmm的接触区域的圆弧部 分，一对旋转单元100和100具有这样的结构，S卩，如图IA所示，环状模板组系101通过经 由夹具将每个都具有指向外的轮廓表面的模板(shoe) Is连接在一起而形成，并且在环状 轨道上回转和运动。如图IB所示，连接夹具的模板保持器2具有鞍状，其中该模板Is的安 装表面设置在上表面中并且保持器连接部在两个垂直侧表面部分中设置有两对前后销孔。 该模板保持器2布置在相同方向上，以交替地接合于连接部。轧制轧辊随动件3布置为鞍 状，并且将穿过销孔并且从该销孔布置的轴端设置为连接销4。因此，在环状模板组系101中，安装在轧辊随动件3上并且其上安装有模板Is的 模板保持器2通过将构造成链条的链板5而连接在一起，并且链轮6与连接销4接合，使得 能够旋转和驱动该环状模板组系101。这里，通过在环状轨道表面上滚动的一组轧辊随动件
93而连接在一起的模板Is能够连续地运动，同时规定的成形孔型Ia指向外。在与形成环状轨道表面并且支撑环状模板组系101的横梁7的成形区间相对应的 部分中，多个模板彼此邻接以刚性地形成为一体。对于成形区间的环状轨道表面，赋予上述 虚拟成形轧辊R的曲率半径(7000mm)。由具有在环状轨道上回转和运动的模板Is的环状模板组系101所构成的旋转单 元100和100相对地布置成在上下部分的一对，并且规定的圆弧曲面分别设定在模板Is的 成形孔型Ia的表面上，使得能够形成用于定形处理的成形装置。换句话说，本发明的技术思想在于假定使用具有大直径的成形轧辊R。例如，模 板Is具有对应于将被成形的原材料管P的目标横截面形状的成形孔型la。多个模板Is连 接在一起以形成模板组系101。旋转单元100形成为使得该模板组系能够在环状轨道上回 转和运动。此外，通过布置一个或者多个旋转单元100而形成用于使将被成形的材料成形 的装置。对于通过成形区间的模板组系，赋予具有巨大半径的圆弧的运动轨迹，使得能够实 现与具有相同巨大半径的虚拟成形轧辊基本相同的成形操作效果。在该成形装置中，不仅仅可以选择上述环状模板组系，而且可以根据将被成形的 材料的目标横截面形状来恰当地选择具有各种结构的模板组系，例如以规定间隔布置多个 模板组系并且在环状轨道上回转和运动的结构。现在，将在下面详细描述用于该成形装置的模板的成形孔型。为了体现成形区间 中所述巨大的虚拟成形轧辊的成形孔型，如图ID所示，模板Is的成形轮廓Ia通过圆曲表 面形成，该圆曲表面是以包括产品P的目标成形截面的部分或全部表面形状的母曲线“a” 绕着虚拟成形轧辊R的轴线回转了规定角度的方式而形成的。因而，实现了巨大虚拟成形 轧辊R的成形孔型而呈现出与该巨大虚拟成形轧辊相同的成形操作效果。在该成形装置中，在模板在成形方向上(S卩，虚拟圆的周向)的长度比虚拟圆的半 径足够小的情况下，即使当模板的成形孔型不是分别形成有上述圆弧曲面时，也能够获得 与精确地圆弧曲面基本相同的操作效果。此外，即使当圆弧曲面的中心轴不是完全对应于 虚拟圆的中心轴时，在上述条件下，也能够获得与精确地圆弧曲面基本相同的效果。在该成形方法中，应该理解的是，目标成形截面指的是当在一个成形装置中的成 形操作完成时所得到的形状。然而，在传统的成形轧辊的孔型设计中，偶尔大胆地将该孔型 的形状与目标截面形状设定为彼此不同，使得产品的尺寸在轧辊通过成形区间之后可以接 近目标尺寸。即，认为弹性回复量使将被成形的材料弯曲超过目标尺寸，并且该将被成形的 材料在轧辊通过成形区间之后返回到预定形状。而且，在本发明中，偶尔设定与目标截面略 微不同的孔型形状。在该成形方法中，成形区间的轨迹不是直线和限制的并且具有合适的曲率半径的 理由如下所述。如图IE所示，在成形区域的前半段的弹性变形区域和塑性变形区域中，由于模板 连续地下压以使将被成形的材料的表面变形，所以那部分的环状轨道需要从成形区间的入 口侧朝着模板的下压操作的最低点倾斜。另一方面，作为金属变形运动的特征，因为随着在 移除载荷的过程中的弹性回复而必然发生将被成形的材料的形状变化，所以在成形区间的 后半段的弹性回复区域中，环状轨道需要在与成形区间的前半段相反的方向上从模板的下 压操作的最低点朝着成形区间的出口侧倾斜，以使该将被成形的材料弹性回复并且使该将被成形的材料从模板平稳地分离。此外，在成形区间的整个区域中，需要形成成形孔型的连 续表面。因此，满足上述所有条件的环状轨道的轨迹不是直线而是圆弧。与本发明相比，如现有技术的PTL3和PTL4中所描述的，利用传统模板组系的装置 不能够执行如本发明的成形方法中那样的成形操作，并且出于推力的目的而具有简单的导 板的功能或者类似牵引装置的功能。在该装置邻接在材料上的区域中，该装置仅仅围绕该 材料而假定没有大的变形。即使当将环状轨道的轨迹设定为直线时，也不会出现问题。在本发明中，当将该成形装置应用于圆管的生产时，将被成形的原材料管的目标 直径与虚拟成形轧辊的直径之间的关系如下所述。为了消除在传统成形轧辊与将被成形的 材料产生接触的区域内的局部集中载荷，当虚拟成形轧辊的直径越大时，可以说是越优选 的。然而，当该轧辊的直径更大时，更加增大了施加于该装置的载荷。根据将被成形的对象 或者成形处理的种类，存在由于虚拟成形轧辊的直径的增大而引起的效果的饱和点。需要 通过集中地考虑上述要点来合适地选择虚拟成形轧辊的直径。这可以应用到甚至是产品具 有非封闭轮廓的情况。在本发明中，关于成形装置的环状轨道的形状，具有与具有巨大直径的虚拟成形 轧辊相同的曲率的圆弧部分可以仅仅形成在成形区间的环状轨道表面上，并且其它部分是 可以具有用于仅仅使模板返回的形状的回归区间，并且可以使用任何已知的形状。作为用于使模板组系沿着环状轨道表面回转和运动的机构，可以使用称作轴承的 已知滑动机构或滚动机构。例如，可以适当地选择熟知的机械机构，诸如其中具有低摩擦系 数的滑动材料安装在环状轨道的外表面上或者模板保持器的内表面上以使该滑动材料滑 动和运动的结构、其中如图IA和图IB所示并入了轧辊随动件型或凸轮随动件型的轴承的 结构，以及其中模板保持器的内表面形成为外滚道、环状轨道表面形成为内滚道、如第一示 例性实施例所示的诸如滚珠组系或辊子组系或其结合的组系那样的滚动件夹在两个滚道 之间并且至少环状轨道的成形区间形成为轴承的结构。在本发明中，该成形装置可以在制造圆管的任何处理中使用。例如，可以将该成形 装置应用于粗轧成形处理的边缘弯曲处理。可以使用其中将传统上轧辊和下轧辊改变为本 发明的一对旋转单元的结构，或者其中将传统成形轧辊布置在上侧而将旋转单元布置在下 侧的结构。此外，在诸如多辊(clustering)、精轧成形、对接焊、定形等的各种处理中，可以 适当地采用旋转单元代替传统成形轧辊。S卩，在本发明中，根据目标横截面形状或者将被成形的材料的成形阶段，可以将旋 转单元布置成彼此平行或彼此相对，并且可以将成形轧辊和诸如模板的其他金属模与每个 旋转单元合并而成为一对。第一实施例图2A和图2B所示的成形装置具有这样一种结构，S卩，从四个方向约束将被成形的 原材料管2，以使该将被成形的材料定形。在垂直方向上以及在水平方向上布置的一对相对 的环状模板组系102、103、104、105分别由横梁11、11、12和12支撑。该横梁11、11、12和 12通过千斤顶13、14、15和16由壳体10和10来支撑，以调节这些横梁11、11、12和12的
支撑位置。通过利用销26连接图3示出的模板组合件20而分别使环状模板组系102、103、 104和105制成为环状，并且通过将图6所示的三个滚珠组系插入到由横梁11、11、12和12支撑的该环状模板组系与环状轨道表面之间以形成滚珠轴承件而使该环状模板组系形成 为可以自由回转。驱动轴单元17和17驱动由在四个方向中的垂直方向上布置的相对的环 状模板组系102和103所构成的旋转单元。在模板组合件20中，在称作鞍状模板保持器21的上表面部分上，安装且固定有具 有规定形状的孔型22a的模板(金属模)22s。外滚道片23固定于内表面部分。保持器21 具有保持器连接部25和25，该保持器连接部在其两个垂直侧表面中设置有销孔24。两对 前后保持器连接部25和25彼此交叠且彼此连接，并且销26配合到销孔24中以将保持器 连接部连接在一起。如图4所示，环状轨道表面36具有用于获得虚拟巨大成形轧辊的成形效果的曲率 和长度，该环状轨道表面36对应于上述滚珠的滚道的成形区间的环状轨道表面。该滚珠的 滚道由环状轨道表面35、35和35和基本平坦的环状轨道表面36形成。此外，图4中示出的驱动链轮33和33与用于连接形成环状模板组系106的模板 组合件20的销27接合，以便可以形成驱动部。在链轮33和33中，具有小直径的链轮同轴 地布置，并且能够通过图2A和2B中示出的驱动轴单元和链条来传送来自电机的动力。可 以容易地实现用齿轮驱动来代替链条驱动。用于支撑环状模板组系和轨道表面部分组装件的横梁在下面描述。图5示出了横 梁11穿过并且接合于图4中示出的环状轨道表面部分组装件并且环状模板组系103连接 在外部的状态。这里，金属管被旋转单元的模板组系在四个方向上约束、受到规定的成形处理，并 且定形为具有处于目标公差内的外部直径。在该成形装置中，能够以具有图2中示出的上 述尺寸的一级结构来完成常用的四向辊的具有三到四级的定形机台。此外，由于原材料管 与成形装置产生接触的区域在纵向上具有长的距离，所以在该原材料管通过成形区间的同 时该原材料管受到了无数的三点弯曲而变成直管，并且具有用于消除翘曲和弯曲的Turk 式头部机台(Turk-head stand)的功能。将在下面描述图2至图6示出的本示例性实施例的成形装置的整个尺寸。当产品 的最大直径是50mm时，在包括了环状轨道表面部分组装件的环状模板组系102、103、104和 105的外部尺寸中，长X高X宽是大约800mmX500mmX140mm。包括含有横梁的外壳10 和10的整个装置的外部尺寸近似为IlOOmmX ISOOmmX IOOOmm0因而，与假设的虚拟成形轧 辊的14000mm的直径相比，能够实现极其小型的装置。第二实施例将具有与第一实施例相同结构的成形装置应用于具有IOOmm的目标直径和7mm的 厚度的产品的定形处理。材料是热轧制钢并且缩小比是1%。对于成形装置的环状轨道的成形区间，应用曲率半径(2500到20000mm)，以研究 环状模板组系和将被成形的材料的接触状态和载荷分布。此外，作为将要比较的对象，准备 具有传统的四向辊(半径200mm)的定形装置和具有与该实施例相同的结构和直线成形区 间的装置。图12示出了作用在将被成形的原材料管上的接触状态和载荷分布。该曲线图的 横轴表示距离旋转单元的模板的下压操作的最低点(轧辊正下方的点)的纵距。纵轴表示 原材料管的各截面分别受到的载荷(线性压力)。从附图中可以清楚的看出，当使用具有200mm的半径的轧辊时，载荷集中到在轧辊正下方的部分的正前方的特定位置，并且接触长 度极小。与此相比，在本示例性实施例的装置中，成形载荷是非常分散的。然而，应该理解 的是，当虚拟轧辊的半径较大时，这种效果是饱和的。另一方面，当使用具有直线成形区间的比较装置时，在成形区间和回归区间的连 接部分中出现了接触缺裂的发生和原材料管的不连续尺寸变化，因此不能够执行规定的成 形操作。第三实施例在第二实施例中，当使将被成形的原材料管的材料从普通钢变成不锈钢以执行定 形处理时，在传统轧制成形的情况下，在无润滑条件下检测由于原材料管和成形轧辊的相 对滑动而引起的在该原材料管的表面上的咬粘的发生。与此相比，在本实施例的成形装置 中，即使在无润滑的条件下也不会发生咬粘。第四实施例图7是应用于粗轧辊成形处理的成形装置的说明斜视图。该成形装置用一对传统 的上下成形轧辊代替，以弯曲带材40P的边缘。一对上下环状模板组系111和112具有与 图3中示出的相同的结构。每个模板Is的成形轮廓Ia都具有与带材40P的宽度相对应的 宽度。对于其中模板Is邻接在带材40P上以与该带材40P同步运动的成形区间，应用具有 等于常用成形轧辊的直径的100倍的直径的虚拟圆的曲率半径和规定长度。环状模板组系111和112的模板Is和Is分别将带材40P夹在上下部分之间。每 个成形孔型都具有圆弧曲面，该圆弧曲面以基本包括目标横截面的所有表面形状的母曲线 绕着虚拟圆的中心轴回转了对应于所述规定长度的角度的方式而形成。当将在成形区间内利用模板的成形操作与利用传统成形轧辊的成形操作相比较 时，可以说，由于利用模板的成形操作与压模成形相同，所以基本上消除了由于轧辊上的 带材的卷绕而引起的大的扭曲作用在该带材40P上的现象，这种现象迄今为止是不可避免 的，并且很难辨认出在该成形操作之后的缠绕。第五实施例在带材的边缘部分在预先阶段中被完全弯曲之后，为了将相邻部分弯曲到带材的 边缘部分，执行图8中的粗轧成形操作。与由上下成形轧辊来成形的传统装置相比，使用由 环状模板组系113和114的旋转单元来代替下轧辊，使得在预先阶段中形成的带材50P被 极其平稳地引入和咬合，并且能够在成形方向的较宽范围内由旋转单元来支撑该带材50P 的边缘部分。此外，由于在保持预先阶段中的成形部分的情况下，上轧辊51和51将进量供 给到将被成形的相邻部分，所以可以认为执行了精确的且充分的成形操作。尤其地，当通过利用传统轧辊来使薄材成形时，边缘部分可以在纵向上比其他部 分延伸的更多，因此很容易发生纵弯曲(边缘波)现象。然而，在该示例性实施例中，可以 认为抑制了卷绕或弹回而很难产生纵弯曲现象，并且实现了高质量的粗轧成形操作。第六实施例图9示出了应用于精轧成形装置的四个方向上的环状模板组系。该四个方向上的 环状模板组系121、122、123和124以及由附图中未示出的其他部分构成的旋转单元基本具 有与图2A和图2B所示的相同的结构。任何模板组系的模板的成形孔型都使用圆弧曲面，该圆弧曲面通过使包括了目标横截面的部分表面形状的母曲线绕着具有规定巨大直径的虚拟圆的中心轴回转了对应于 规定长度的角度的方式而形成。在两侧和下侧的环形模板组系122、123和124的每个模板 的成形孔型的母曲线都是圆弧状。在上侧的环状模板组系121的模板具有邻接在相对边缘 上的所谓的翅片形状。在利用精轧轧辊的传统成形装置中，两到四个阶段的轧制成形过程是必要的。然 而，在本实施例的精轧成形装置中，能够获得具有巨大直径的成形轧辊的成形功能，因此仅 仅一个阶段就能够执行与传统成形装置等同的成形操作。由于将被成形的材料的边缘部分 在纵向上有很大的长度被约束，所以能够高效地抑制该材料的扭转。第七实施例用与TIG或者激光焊装置联动的挤压辊来代替图10中所示的成形装置。由两侧 的环状模板组系131和132以及图中未示出的其他机构构成的旋转单元基本具有与图IA 和IB中所示的相同的结构。此外，其中原材料管70P与模板组系产生接触的区间以及模板 的孔型使用与其他实施例中的成形区间和成形孔型相同的结构。利用本实施例的装置的对接焊具有以下优点材料被模板组系的约束时间以及该 材料的被该模板组系约束的距离比常用挤压辊的大得多。此外，与用于施加推力的常用简 单导板或者环状轨道类型相比，通过具有巨大直径的成形轧辊的成形功能能够形成边缘部 分的良好对接状态，并且该良好的对接状态能够保持足够的时间而容易优化和稳定焊接条 件。第八实施例通过图11所示的本发明的具有两级结构的成形装置，使切割成规定长度的圆管 80P再成形为矩形管。具有由环状模板组系141、142、143和144构成的四个方向的旋转单 元的第一级机台和具有由环状模板组系145、146、147和148构成的四个方向的旋转单元的 第二级机台分别基本具有与图2A和图2B所示的第一示例性实施例相同的结构。在传统成形轧辊中，当将圆管引入到轧制成形机中时，产生了该管的末端向内弯 曲而闭合的现象。因而，产生了产品大大偏离了产品公差的问题。由于该圆管的该末端的 刚度比该管的中心部分的刚度低，并且当圆管邻接在成形轧辊上时该成形轧辊的纵向上的 曲率半径作用于该圆管，所以产生了上述的现象。与此相比，由于本示例性实施例的成形装 置具有类似于使用虚拟巨大轧辊时的极其优异的原材料管的导向性，所以不会产生上述现 象。在再成形操作中，在横截面形状上出现大量变化，并且在成形轧辊中产生高的移 动阻力，而很难确保推力。在本示例性实施例的成形装置中，不仅仅减小了移动阻力，而且 通过驱动旋转单元将充足的推力施加于原材料管。因此，常用的矩形管成形装置需要很多 驱动辊机台，然而，仅仅通过上述两级结构就能够实现本实施例的成形装置。工业实用性从各实施例可以清楚的看出，根据本发明的成形装置和成形方法具有很高的成形 能力，并且能够大幅提升产品的尺寸精度、产品的表面质量和内在质量。此外，根据本发明的成形装置和成形方法能够保持与常用成形轧辊相同的生产效 率、扩大了成形轧辊的成形局限、改变了生产系统并且简化了成形线的装置的结构。
权利要求
成形装置，包括模板组系，该模板组系包括多个模板，在该多个模板上向外设置有具有与目标成形截面的全部或部分外周形状相一致的形状的孔型；以及多个旋转单元，每个该旋转单元都具有环状轨道，所述模板组系在该环状轨道上运动，其中，所述模板的孔型在成形区域中与将被成形的材料产生接触并且与该将被成形的材料同步运动，其中，所述环状轨道的在所述成形区域中的那部分表面具有虚拟圆的所需要的圆弧长度和半径。
2.根据权利要求1所述的成形装置，其中， 所述模板组系是环状列。
3.根据权利要求1所述的成形装置，其中，所述成形区域中的那些模板的相邻表面被连接，以形成连续孔型。
4.根据权利要求1所述的成形装置，其中，所述模板的所述孔型具有回转曲面，该回转曲面通过使包括所述目标成形截面的部分 或全部外周形状的线绕着轴线回转而形成。
5.根据权利要求1所述的成形装置，其中，所述孔型具有回转曲面，该回转曲面通过使包括所述目标成形截面的部分或全部外周 形状的线绕着所述虚拟圆的中心轴回转而形成。
6.根据权利要求1所述的成形装置，其中，所述旋转单元布置成与所述将被成形的材料的平行，或者布置成相对于所述将被成形 的材料彼此相对。
7.根据权利要求1所述的成形装置，其中，在所述成形装置的所述成形区域中，成形轧辊、另一个模板或该成形轧辊与该另一个 模板二者与所述将被成形的材料产生接触。
8.根据权利要求1所述的成形装置，其中，所述环状轨道的外周面形成内滚道面，所述模板组系的与该环状轨道的外周面相对的 内周面形成外滚道面，并且滚动元件设置在所述内滚道面和所述外滚道面之间，以便形成滚动轴承结构。
9.根据权利要求1所述的成形装置的模板，其中，该模板的孔型具有回转曲面，该回转曲面通过使包括所述目标成形截面的部分或全部 外周形状的线绕着轴线回转而形成。
10.一种用于使材料成形的成形方法，包括 制备成形装置，该成形装置包括模板组系，该模板组系包括多个模板，在该多个模板上向外设置有具有与目标成形截 面的全部或部分外周形状一致的形状的孔型；以及多个旋转单元，每个该旋转单元都具有环状轨道，所述模板组系在该环状轨道上运动， 其中，所述模板的孔型在成形区域中与将被成形的材料产生接触，并且与该将被成形 的材料同步运动，其中，所述环状轨道的在所述成形区域中的那部分表面具有虚拟圆的所需要的圆弧长2度和半径。
11.根据权利要求10所述的成形方法，其中， 所述模板组系是环状列。
12.根据权利要求10所述的成形方法，其中，所述成形区域中的那些模板的相邻表面被连接，以形成连续孔型。
13.根据权利要求10所述的成形方法，其中，所述模板的孔型具有回转曲面，该回转曲面通过使包括所述目标成形截面的部分或全 部外周形状的线绕着轴线回转而形成。
14.根据权利要求10所述的成形方法，其中，所述孔型具有回转曲面，该回转曲面通过使包括所述目标成形截面的部分或全部外周 形状的线绕着所述虚拟圆的中心轴回转而形成。
15.根据权利要求10所述的成形方法，其中，所述旋转单元布置成与所述将被成形的材料的平行，或者布置成相对于所述将被成形 的材料彼此相对。
16.根据权利要求10所述的成形方法，其中，在所述成形装置的成形区域中，成形轧辊、另一个模板或该成形轧辊与该另一个模板 二者与所述将被成形的材料产生接触。
17.根据权利要求10所述的成形方法，其中，所述环状轨道的外周面形成内滚道面，所述模板组系的与该环状轨道的外周面相对的 内周面形成外滚道面，并且滚动元件设置在所述内滚道面和所述外滚道面之间，以形成滚动轴承结构。
全文摘要
本发明公开了一种成形装置和方法，在模制圆管、角管或开口成形材料时，该成形装置和方法能够通过例如轧制成形、压模成形或模板成形等的各种成形方法来形成所需的截面轮廓；能够执行任何这些成形过程中所需要的成形，而不会丧失传统轧制成形的生产效率并且对将被成形的材料造成最小的额外变形；以及能够生产具有高尺寸精度的高质量产品。公开了一种成形装置，该成形装置被构造成通过使用环状模板组系能够基本实现例如使用大的成形轧辊，其中将多个独立的模板连接，以将与虚拟巨大直径圆的所需圆弧部分相同的曲率半径和长度设置到与将被成形的材料相接触的成形区间的环状轨道的表面，所述模板在其回转曲面上具有孔型，并且该孔型能够在圆周方向上在环状轨道上连续运动。
文档编号B21D5/12GK101965260SQ20098010755
公开日2011年2月2日 申请日期2009年2月26日 优先权日2008年3月3日
发明者中野智康, 尹纪龙, 猪熊昭德, 王飞舟, 阏伽井光明 申请人:株式会社中田制作所