具有纹理表面的成形工具的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种形成具有期望形状的部件的方法。为用于将金属坯料成形为期望形状的成形工具限定轮廓表面，其中金属坯料的各个部分在成形期间流过轮廓表面。将轮廓表面产生的固有材料流动模式与期望流动进行比较，以确定轮廓表面上具有不足流动的区域，该区域会在成形金属坯料上形成接收少于期望金属量的区域。将选定模式的表面微观纹理应用到轮廓表面，通过为轮廓表面的确定区域提供相对于邻近区域减小摩擦来增加沿确定区域的金属流动。
【专利说明】具有纹理表面的成形工具【技术领域】
[0001]本发明总的来说涉及金属成形，更具体地，涉及能够在拉伸过程中调控金属流动模式的改良成形工具(如拉伸模具或冲压模具)。
【背景技术】
[0002]金属板成形技术在包括汽车车身面板和结构件制造在内的很多行业中得到应用。一种常用工艺采用具有冲压侧和腔体侧的冲压模具，其中冲压侧和腔体侧具有匹配的轮廓表面。在冲压过程中，金属被拉伸成轮廓表面限定的期望形状。金属板的材料流过模具表面，同时金属板的材料在模具表面的拉伸所施加的力的作用下弯曲并延展。
[0003]重大的工程计划对于设计一种金属成形加工工艺是必不可少的。例如，设计者确定模具轮廓表面、约束件的强度和位置以及金属坯料的形状和尺寸。当加工部件的期望形状具有陡弯或复弯曲时，很难设计出一种能够避免金属在一个方向上流动过量而在另一方向上流动不足的趋势的模具。如果没有合适的流动，那么一些区域在拉伸过程中无法获得期望厚度。具体地，完成(即，冲压)件的部分区域可能会由于净流动远离该区域而过薄。
[0004]模具表面与流动金属板之间的摩擦会导致模具表面的磨损。磨损会使模具的工具寿命受限。因此，为延长工具寿命，需要减少工件与工具之间的摩擦。
【发明内容】
[0005]本发明的一个方面提供了一种加工具有期望形状的金属成形部件的方法。限定了一种成形工具的轮廓表面，用于将金属坯料成形为期望形状，其中金属坯料的各个部分在成形期间流过轮廓表面。将该轮廓表面产生的固有材料流动模式与期望流动对比，以确定轮廓表面上具有不恰当流动的区域，其会在成形金属坯料上形成接收多于或少于期望金属量的区域。将选定模式的表 面微观纹理应用到轮廓表面上，通过为轮廓表面的确定区域提供相对于邻近区域减小了的摩擦来增加沿着确定区域的金属流动。优选地，表面微观纹理配置为在某些确定区域来减小摩擦并增加金属流动，但当需要时，也可配置为增加摩擦以减小来自确定区域的金属流动。
[0006]优选地，通过为上述轮廓表面的确定区域提供相对于邻近区域减小了的摩擦，上述表面微观纹理增加了沿确定区域的金属流动。表面微观纹理的模式包括相同的微元，至少一些微元的长宽比不为I并具有长轴和短轴，上述流动沿着短轴时遇到流阻最小，并且上述至少一些微元各自的短轴与确定区域中各自的期望流向一致。
[0007]优选地，上述方法还包括以下步骤:根据具有相同流阻系数的轮廓表面的模型进行上述成形的第一次计算机仿真，基于上述成形的第一次计算机仿真确定固有材料流动模式；在确定区域内基于具有改变的流阻系数的轮廓表面的模型进行上述成形的第二次计算机仿真，改变的流阻系数对应于初步微观纹理；将第二次计算机仿真产生的材料流动模式与上述期望流动进行比较；最后将上述表面微观纹理限定为对初步微观纹理的修正以与期望流动更好地匹配。[0008]优选地，至少一个单独区域中的改变的流阻系数取决于金属坯料在单独区域内的流动方向。
[0009]优选地，上述表面包括由微观纹理形成的整体背景以基本覆盖轮廓表面的全部，对表面微观纹理的模式进行分级以便最大程度地减小确定区域内的摩擦并在整个上述表面上减小摩擦以减少磨损。
[0010]优选地，上述成形工具包括拉伸模具，并且金属坯料包括金属板。
[0011]根据本发明的另一方面，提供了一种成形工具，其用于将金属坯料加工成期望形状。该成形工具包括用于冲压上述金属坯料的模具轮廓表面，这使得金属坯料的各个部分在金属坯料成形为期望形状期间流过上述轮廓表面；上述模具轮廓表面对应于在金属坯料的区域内引起不均等延伸的固有材料流动模式，这使得上述区域中的不足流动会在成形金属坯料上形成接收少于期望金属量的区域；上述轮廓表面具有以增加金属流动的模式沿着上述区域的表面微观纹理，从而所确定区域中的摩擦会相对于上述轮廓表面的邻近区域改变。
[0012]优选地，上述表面微观纹理的模式包括相同的微元，至少一些微元的长宽比不为I并具有长轴和短轴，上述流动沿着短轴时遇到流阻最小，并且上述至少一些微元各自的短轴在上述确定区域中与各自的期望流向一致。
[0013]优选地，上述表面包括由微观纹理形成的整体背景以基本覆盖轮廓表面的全部，对表面微观纹理的模式进行分级以便最大程度地减小上述确定区域内的摩擦并在整个表面上减小摩擦以减少磨损。
[0014]优选地，该成形工具还包括用以容纳金属板形式的金属坯料的拉伸模具。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是冲压模具和金属坯料的立体图；
[0016]图2是映射到模具表面的期望金属流动模式的示意图；
[0017]图3是与特定模具表面设计的固有流动模式对应的实际金属流动模式的示意图；
[0018]图4更详细地示出了不期望的金属流动的区域；
[0019]图5示出了映射到表面摩擦减小以修正金属流动模式的模具表面的区域；
[0020]图6示出了用于在各个区域中相对于邻近区域减小表面摩擦的各种表面微观纹理；
[0021]图7示出了模具表面应用微观纹理所产生的修正金属流动模式；
[0022]图8示出了一种优选为卵形或椭圆形的微元部件；
[0023]图9是示出在图8的微元上的摩擦减小的方向性的曲线图；
[0024]图10和图11示出了加至图1所示冲压模具各个部分的微观纹理的位置和方向；
[0025]图12是示出本发明一个优选方法的流程图；
[0026]图13是更详细示出图12所示方法的一部分的优选实施例的流程图；
[0027]图14示出了应用到整个模具表面以减小工具磨损的微观纹理。
【具体实施方式】
[0028]现在参照图1，成形工具的模具10具有冲压金属板材坯料12以形成期望形状的轮廓表面11。轮廓表面11包括具有复曲率的部件13和具有陡弯的部件14。轮廓表面11所产生的固有材料流动模式会产生流动不足的区域，从而在成形金属坯料上形成接收少于金属材料期望量的区域。
[0029]图2示出了映射到模具轮廓表面15上的期望金属流动模式。表面15的轮廓具有三个维度，但为简单起见，投射到图2至图7的二维平面上。区域16可对应于完成件中的显著弯曲，因此期望流动17尤其包括指向区域16的流动组成。
[0030]模具轮廓表面的任一具体结构都会产生图3所示的固有(B卩，未修改的)流动模式。材料流动的实际方向和量级取决于施加在金属坯料上的力，其包括金属在模具表面上滑动所产生的表面摩擦力。在特定加工工艺与模组的发展过程中，工程师们使用计算机仿真来分析和优化设计。仿真在随着模具表面移动到一起的分立步骤中顺序分析施加在金属板上的变形力。对力的分析包括计算流动金属板与模具表面之间的滑动摩擦力。这种计算依据表征特定材料及其表面光洁度的摩擦系数(即，流阻)。在传统仿真中，假定摩擦系数在所有作用表面上都是恒定的并且假定其与流动方向无关。由于采用光滑的表面光洁度和/或涂层来试图减小摩擦系数，因此对摩擦系数无方向性的假定是合理准确的。在下面描述的本发明的一些实施例中，将引入根据流向变化的流向系数。此外，传统的铝板坯料通常具有会产生一些未考虑在内的流阻的表面纹理。在本发明中，影响(增加或减小)流阻的任意金属板纹理均可用作影响金属流动模式的一个因素。
[0031]在图3中，模具轮廓表面20的固有材料流动模式产生了接收流动不足的区域21。这种流动示为矢量22，其对应于通过模具表面20上的每个对应点的净流量。如图4更详细示出的，流动不足区域21被流动部分22包围，如果流动部分22能够被重新定向，则其能够为区域21提供所需材料。除了在冲压过程中作为低/无流动区域之外，部分22还是将过量材料搬运至不需要的目的地的区域。
[0032]本发明提供了 一种用于控制材料流动的机制。具体地，在整个模具表面上引入变化的摩擦系数以修正材料流动，从而抵消固有流动模式的不足。由于整个表面的摩擦存在相对差异，因此可以影响金属的流动。可通过局部减小摩擦或局部增大摩擦的表面处理来引入相对差异。由于表面磨损可通过减小摩擦而得以改善，因此本发明主要结合减小摩擦来进行说明，但是本发明可包括在某些区域增加相对摩擦以抵消或帮助重新定向流动过量区域。
[0033]如图5所示，接收材料不足的区域21被局部减小流阻的区域23-27包围，从而在箭头所示方向上增加流动，进而为区域21提供金属材料。图5所示的增加流动通过增加表面微观纹理来获得，表面微观纹理在各种切削工具应用中用以减少摩擦和磨损。例如，已采用激光刻蚀在工具表面上制造微观凹痕，其通过形成润滑剂容器以及提供容纳摩擦微粒的容器来减小表面摩擦，以防止滑动过程中的表面破坏。整个模具表面的摩擦系数的减小可在每个点处实现全向减小，但在特定区域之间具有相对差异，使得流动变化仅仅由沿阻力最小路径的材料产生。如下面进一步解释的，还可以根据流向减小流阻系数以更有效地修正流动模式。
[0034]图6不出了在减小摩擦时可用于模具轮廓表面的各种微兀模式。在一个优选实施例中，微元包括在模具表面的主平面上方成形为凸起件的卵形或椭圆形波痕，其中，每个波痕的长度范围约为5至10微米，高度(如果形成为凹坑时则为深度)约为3微米。使用微观纹理获得的流阻系数的相对减小量可例如通过改变波痕尺寸和/或改变任意特定区域的堆积密度来控制。因此，由于波痕尺寸和密度的不同，模式PI相较于模式P2可提供较少的阻力减小。椭圆形波痕的长轴可沿模式Pl所示的弧线排列，可以如模式P2所示呈直线排列，或者可按其他模式组织或随机组织。在期望增加特定区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润滑膜降级并增加表面相互作用的微观纹理。
[0035]不同区域之间的阻力变化还可以如模式P4和P5所示通过具有不同密度或间隔的相同尺寸的波痕来获得。除了椭圆形，波痕也可以为模式P6所示的圆形或诸如矩形的其它形状。
[0036]基于固有材料流动模式与期望流动模式的对比，本发明确定了流量不足区域以及获得期望流量所必须的流阻相对减小量。确定表面微观纹理的适宜模式，并在将其应用于模具轮廓表面之后产生图7所示增加流动至区域21的修正金属材料流动模式30。
[0037]椭圆形微元由于其形成流动偏向的能力而成为优选的微观纹理形状，因为流阻系数的减小取决于材料相对于椭圆轴的流动方向。如图8所示，模具表面31具有椭圆波痕32，其具有半短轴a和半长轴b。实线所示的波痕32表示半长轴与垂直轴之间的角度Θ等于O的方向。图9以图表示出了在Θ值增加到90°的过程中流阻的相对减小量(图8中金属流向为水平)。流阻的相对减小量在Θ值等于O时最大(S卩，流动垂直于长轴，或平行于短轴)。在流动方向逐渐平行于长轴(即，沿着波痕32最窄的轮廓)时，相对减小量降低到最小值。
[0038]通过为流阻系数的减小引入方向性，增强了对修正流向的影响。如图10所示，模具10具有围绕复曲面部件13的微观纹理，其中椭圆波痕以使流入区域13的金属增加的方式外围环绕区域13排列。更具体地，波痕35沿着区域13的顶部边缘排列，以增加沿流向36的金属流，并且微观纹理波痕37和40分别沿着区域13的侧面排列，以从侧面提供增强的流动38和41。相似地，如图11所示，沿着部件14位于陡弯上方的流动43通过微观纹理波痕42得到加强。应当注意，为简明起见，图10和图11中的波痕均大大放大了尺寸(即，每个椭圆代表多个小椭圆)。
[0039]图12示出了本发明的一种优选方法，其中在步骤50中限定成形工具的轮廓表面。本发明包括各种成形工具，如冲压模具、挤压模具或成形过程中金属流过模具表面的任何其他工具。在步骤51中，基于沿着成形工具表面的所有点的流阻相等这一假设确定固有材料流动。固有流动模式可由适当的计算机模型确定或通过实际制造一个使用该限定工具表面的部件来确定。在步骤52中，确定固有材料流动与期望材料流动之间的差异。在步骤53中，确定减小材料流之间的差异的分级阻力模式(其可具有减小摩擦的区域和/或具有增大摩擦的区域)。在步骤54中，根据步骤53所确定的阻力模式将合适的微观纹理模式应用到成形工具轮廓表面上。
[0040]在一种优选方法中，图12所示的步骤52和步骤53可如图13所示使用计算机仿真来执行。在步骤60中，采用相同的流阻系数进行冲压仿真以便确定固有材料流动模式。在步骤61中，基于对固有材料流动模式的观察设计出初步微观纹理模式，从而微观纹理模式对应于接收过量流动的区域与接收不足流动的区域之间的流阻减小的区域(和/或阻止朝接收过量流量的区域的流动的阻力增加区域)。
[0041]在步骤62中，根据初步模式采用修正流阻系数在确定区域执行第二次计算机冲压仿真，以便对金属流的重新分配进行仿真来更精确地实现期望流动。在步骤63中，将修正流动与期望流动进行比较，然后在步骤64中核查确定修正流动是否足够接近期望流动。如果是，则在步骤65中完成计算机仿真，然后将微观纹理模式应用到成形工具。如果修正流动还不足以接近期望流动，则在步骤66中利用修正流动与期望流动的差异确定对微观纹理模式进行的修正。在回到步骤64之前，在步骤67中利用再修正的微观纹理模式对材料流动再次仿真并再次与期望流动对比，以确定再修正的流动此时是否足够接近期望流动。[0042] 本发明只在需要再分配金属流动的区域采用微观纹理，以在零件的所有区域中获得期望的最终零件厚度。然而，仅需要流阻系数的相对改变，以获得对材料流动的期望控制。因此，如图14所示，还可以在成形工具的所有区域减小表面摩擦以提高整个工具的寿命。因此，轮廓表面70可包括由微观纹理73形成的整体背景模式，其增强润滑性能并减小整个表面70上的摩擦力。使用背景微观纹理模式73的流阻特性提供了可用于确定轮廓表面70上流动不足区域的固有材料流动模式。利用提供更大流阻系数减小量的特定表面微观纹理模式71和72解决确定区域的相对流阻。阻力的进一步减小还包括针对流阻的定向部件。具体地，表面微观纹理模式因此进行分级，以最大程度地减小确定区域内的摩擦。
【权利要求】
1.一种加工具有期望形状的金属成形件的方法，包括步骤: 限定将金属坯料加工成所述期望形状的成形工具的轮廓表面，所述金属坯料的各个部分在成形期间流过所述轮廓表面； 将所述轮廓表面产生的固有材料流动模式与期望流动对比，以确定所述轮廓表面的流动不足区域，所述流动不足区域在成形的金属坯料上形成接收少于期望金属量的区域；以及 将选定模式的表面微观纹理应用到所述轮廓表面上，通过为确定区域提供相对于所述轮廓表面的邻近区域改变的摩擦来改变沿所述确定区域的金属流动。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过为所述确定区域提供相对于所述轮廓表面的邻近区域减小了的摩擦，所述表面微观纹理增加沿所述确定区域的所述金属流动。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述表面微观纹理的模式包括相同的微元，至少一些所述微元的长宽比不为I并具有长轴和短轴，所述流动沿着所述短轴时遇到的流阻最小，并且所述至少一些所述微元各自的短轴与所述确定区域中各自的期望流向一致。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤: 根据具有相同流阻系数的所述轮廓表面的模型进行所述成形的第一次计算机仿真，基于所述成形的第一次计算机仿真确定所述固有材料流动模式。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括步骤: 在对应于初步微观纹理的所述确定区域内，基于具有改变的流阻系数的所述轮廓表面的模型进行所述成形的第二次计算机仿真； 将所述第二次计算机仿真产生的材料流动模式与所述期望流动进行比较；以及 将所述表面微观纹理限定为所述初步微观纹理的修正以与所述期望流动更好地匹配。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，至少一个单独区域中的所述改变的流阻系数取决于所述金属坯料在所述单独区域内的流动方向。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述表面包括由微观纹理形成的整体背景以基本覆盖所述轮廓表面的全部，对所述表面微观纹理的模式进行分级以便最大程度地减小所述确定区域内的摩擦并在整个所述表面上减小摩擦以减少磨损。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述成形工具包括拉伸模具，并且所述金属坯料包括金属板。
9.一种将金属坯料加工成期望形状的成形工具，包括: 用于冲压所述金属坯料的模具轮廓表面，使得所述金属坯料的各个部分在所述金属坯料成形为所述期望形状期间流过所述轮廓表面； 其中，所述模具轮廓表面对应于在所述金属坯料的区域内引起不均等延伸的固有材料流动模式，使得所述区域中的不足流动会在成形金属坯料上形成接收少于期望金属量的区；以及 其中，所述轮廓表面具有沿着所述区域增加金属流动的模式的表面微观纹理，从而确定区域中的摩擦会相对于所述轮廓表面的邻近区域改变。
10.根据权利要求9所述的成形工具，其中，所述表面微观纹理的模式包括相同的微元，至少一些所述微元的长宽比不为I并具有长轴和短轴，流动沿着所述短轴时遇到的流阻最小，并且所述至少一些所述微元各自的短轴与所述区域中各自的期望流向一致。
11.根据权利要求9所述的成形工具，其中，所述表面包括由微观纹理形成的整体背景以基本覆盖所述轮廓表面的全部，对所述表面微观纹理的模式进行分级以便最大程度地减小所述确定区域内的摩擦并在整个表面上减小摩擦以减少磨损。
12.根据权利要求9所述的成 形工具，其中，包括用以接收金属板形式的金属坯料的拉伸模具。
【文档编号】B21D22/20GK103464560SQ201310162962
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年5月6日 优先权日:2012年5月7日
【发明者】夏志永, 曹简, 王茜, 拉杰什·塔尔瓦, 唐纳德·J.·格齐纳, 蒂芙尼·戴维斯·林, 刘品智 申请人:福特环球技术公司, 曹简, 王茜, 拉杰什.塔尔瓦, 唐纳德.J..格齐纳, 蒂芙尼.戴维斯.林, 刘品智