金属部件的冲裁方法和适用于这种冲裁方法的冲裁装置与流程

本公开涉及一种用于冲裁金属部件的方法和装置。冲裁方法和装置本身是众所周知的，并且广泛应用于金属部件的制造中，特别是用于从条带形、片形或板形基础材料中切割出金属部件。在已知的冲裁方法和装置中，至少金属部件的2d轮廓通过将相应形状的冲裁冲头压靠并穿过基础材料来成形，该基础材料被夹在冲裁装置的冲裁模和坯料保持器之间。冲裁模和其上的坯料保持器限定了相应的腔，所述腔被成形为能够容纳冲裁冲头。当这种基础材料通过冲裁冲头相对于冲裁模的运动而逐渐压入腔中时，冲裁模的限定其腔的轮廓的边缘切入并最终完全切穿基础材料。

背景技术：

在已知的冲裁方法和装置中，许多因素，例如对冲裁模的切割边缘进行倒角、冲裁冲头的外轮廓与冲裁模的限定腔的内轮廓之间的间隙、冲裁冲头所施加的压力、基础材料的厚度和机械性能等，分别对冲裁加工结果有相应的影响，例如，会对冲裁部件的形状精度和/或表面质量产生影响。

为了利用这种已知的冲裁方法来提高生产率，可以设想为冲裁装置提供多个冲裁冲头和对应的冲裁模，即提供并联布置的多个冲裁站，所述冲裁站由冲裁装置的单个斜坡件激活。在这种情况下，使用冲裁装置的斜坡件的每个冲程形成对应于冲裁冲头的数量的多个冲裁部件。然而，冲裁装置的尺寸以及进而的其中冲裁站的数量是受限的。

上述冲裁方法和冲裁装置例如用于制造用于层合件的单独的层，例如用于美国专利no.4,738,020中描述的电机的转子和/或定子层堆叠或变压器芯层合件的单个层。关于冲裁部件的这种和其它已知应用，通过使用这种小厚度的基础材料来生产具有小厚度的各个冲裁部件可能是技术上的需要。例如，在所述电机定子或转子堆叠的情况下，电机的电效率至少在一定程度上与基础材料的厚度成反比，即与单独的转子/定子层的厚度成反比。然而，在实践中，在冲裁加工中，针对基础材料应用最小所需厚度。否则，基础材料可能太薄而无法正确处理，例如，当供应到冲裁装置时可能会变形。而且，(太)薄的基础材料可能由于冲裁冲头所施加的力而导致冲裁部件的不希望的变形，例如拉伸或局部变薄。最后，制造经济学也起着限制作用。毕竟，单独的层越薄，就必须制造越多的层以构建一定高度的层堆叠。

技术实现要素：

本公开的目的在于在冲裁部件的可获得的最小厚度方面改进已知的冲裁方法和冲裁装置。

根据本公开，这种目的通过下文根据权利要求1的用于金属部件的冲裁方法来实现。根据本公开，冲裁装置被供应有层状基础材料、即包括相互堆叠的两个或更多于两个单独的但优选地相同的层的基础材料。此外，在冲裁装置中，除了冲裁模和坯料保持器之间的由冲裁模和坯料保持器施加的夹紧力之外，层状基础材料还在冲裁装置的冲裁冲头和相反的冲头之间从基础材料的两侧被牢固地夹紧，以使基础材料的各层在相对于冲裁模移动时被按压和保持在一起。

令人惊讶的是，由此同时生产的冲裁部件的切割侧面的表面质量和/或形状精度很高，特别是高到除了用于去除冲裁毛刺的去毛刺加工之外不需要另外的机械加工。

应注意，根据本公开的新型冲裁方法也可用于有利地提高应用所述方法的工艺链的生产率，即无论其中施加的基础材料的厚度如何。实际上，在制造用于电机转子和/或定子层堆叠的层的情况下，同时冲裁层状基础材料除了使得能够相对于现有技术水平(进一步)减小其厚度之外，也提高了冲裁装置的生产率。

还应注意，相反的冲头的使用本身在冲裁技术中是已知的，并且通常被称为精密冲裁。然而，由于精密冲裁方法的产量或冲程频率固有地慢于标准冲裁方法的频率，因此不认为是制造定子/转子层经济可行的选择。然而，通过根据本公开冲裁层状基础材料，有利地提高了精密冲裁方法的生产率。此外，根据本公开内容的另一见解，对于较大尺寸的冲裁部件，标准冲裁方法的生产率实际上降低了。特别是，随着冲裁部件的尺寸的增大，上述标准冲裁方法在基础材料的最小厚度方面的限制(为确保基础材料的正确处理和避免冲裁部件的变形)变的更严重。实际上，根据冲裁部件的尺寸，利用根据本公开的新型冲裁方法可达到的生产率因此甚至可以超过标准冲裁方法的最大生产率。特别地，当冲裁部件的尺寸通过适合围绕、即外接冲裁部件的(最小的)虚拟圆的直径近似估算时，针对这样的圆找到与层状基础材料的/层状基础材料中的单独的层的数量n/及其厚度t有关的临界直径dc。在这种临界尺寸或高于这种临界尺寸时，根据本公开的新型冲裁方法通常比标准冲裁方法更经济。所述临界尺寸dc可以近似为：dc/t≥1250/n。

在根据本公开的冲裁金属部件的方法的进一步详细说明中，应注意适用几个边界条件。特别地，根据本公开的冲裁金属部件的方法可以有利地使用包括2至12个或多于12个单独的层、更优选4至6个层的层状基础材料。此外，根据本公开的冲裁金属部件的方法可以有利地利用包括单独的层的层状基础材料，其中，每个层的厚度在0.5mm与0.05mm之间或小于0.05mm，更有利地在0.3mm至0.1mm之间。特别地，所使用的层状基础材料优选包括4至6层厚度为0.1至0.2mm的层成。基础材料的总厚度应优选不超过2mm，以避免其各个层的过度变形。出于同样的原因，各层的厚度应优选不小于0.1mm。此外，如果该层厚度超过0.5mm，则标准冲裁方法通常是更经济的选择。此外，根据本公开的冲裁冲头和相反的冲头之间施加的所述夹紧力优选大于0.5n/mm²，特别是对于钢制成的基础材料，所述夹紧力具有0.7至7n/mm²的值。

在根据本公开的冲裁金属部件的方法的进一步详细说明中，在冲裁期间层状基础材料的/层状基础材料中的各个层的相互移位和/或滑动被抑制，由此可以改善冲裁方法在冲裁部件的精度和/或质量方面的结果。通过在各层之间实现高摩擦或通过在它们之间提供互连，可以抑制这种相对运动。在本公开的情况下，所述高摩擦对应于(库仑)摩擦系数大于0.75，优选地大约为1。这些摩擦值可以通过在堆叠之前清洁各层、即通过洗去润滑剂、油脂等和/或通过使各层具有高表面粗糙度来实现。特别地，通过在各个基础材料层的轧制加工中使用具有同样粗糙度或异形外表面的轧辊来施加这种高表面粗糙度。一般来说，利用任何已知的合适方法、例如通过激光束蒸发和(粗)研磨，可以通过在其表面上产生小凹坑和/或破口来使所述单独的层粗糙化。在本公开的上下文中，所述高表面粗糙度对应于(iso标准)ra表面粗糙度值(算术平均中心线偏差)大于7.5微米，优选大于10微米至25微米。

各层之间的所述相对运动可以替代地或附加地通过在冲裁被冲裁的部件之前使它们互连、即将它们连接在一起来抑制。这种互连可以例如通过在堆叠之后将各层(点焊)焊接在一起和/或通过在堆叠之前为每个单独的层提供凹槽和对应的突起使得在层状基础材料中第一层的突起被压入相邻层的凹槽中并与相邻层的凹槽锁定来实现。替代地或附加地，可以在层状基础材料堆叠之前在层状基础材料的各层之间提供粘合剂。在这方面，应注意，在用于电机转子或定子和/或变压器芯的层的情况下，已知基础材料具有薄的电绝缘层、即涂层，其具有粘合性，然而，只有在冲裁和堆叠层之后通过加热堆叠、即通过所谓的固化之后，所述粘合性才被激活。这种特定涂层称为粘合清漆(德语：“backlack”)。根据本公开，粘合清漆的固化优选在冲裁所述冲裁部件之前进行。此外，不管所提供的粘合剂的类型如何，优选地提供最小的层厚度，因为它由剪切应力加载。在本公开的情况下，粘合剂的所述最小的层厚度对应于10微米或小于10微米或小于层状基础材料的单独的层的厚度的10％。还优选地，粘合剂的剪切强度和/或剪切模量相应地约等于基础材料的剪切强度和/或剪切模量。

优选地，根据本公开，层状基础材料从基础材料的备料供应到冲裁装置，所述基础材料的备料由对应于基础材料所需的层数的多个单独的基础材料层预组装而成。这具有以下优点：层状基础材料可以以平滑和/或连续的方式由基础材料的单独的层组装而成。在这种情况下，所述单独的层仅受到最小的操作力，至少与将基础材料的各层同时但分别直接供应到冲裁装置相比较是如此。在后一种情况下，基础材料条带随着冲裁冲程间歇地前进，使得它因此受到相对高的(加速/减速)力。在这方面，特别是在层互相连接的情况下，层状基础材料与基础材料的单个层相比能够承受更高的力。

附图说明

在下文中，通过示例实施例并参考附图进一步解释根据本公开的冲裁方法和冲裁装置，附图中：

图1以剖面的形式示意性地描绘了一种冲裁装置的已知冲裁站，其中基础材料插入其中；

图2示意性地示出了基于图1的已知冲裁站的描述的已知冲裁方法；

图3是典型的冲裁部件的透视图，该部件是一种用于电机转子的层堆叠的层；

图4a至4f示意性地示出了根据本公开的新型冲裁方法；

图5是曲线图，其中，对于冲裁部件的尺寸描绘标准冲裁方法和新型冲裁方法的制造速度或冲程频率；

图6示意性地示出了能够进行新型冲裁方法的新型冲裁装置的第一实施例；

图7示意性地示出了用于组装在根据本公开的新型冲裁方法中使用的层状基础材料的组装装置；

图8示意性地示出了能够进行新型冲裁方法的新型冲裁装置的第二实施例；以及

图9提供了用根据本公开的新型冲裁装置和新型冲裁方法获得的金属部件的示例。

具体实施方式

图1表示已知的冲裁装置的标准冲裁站60的简化剖面，该冲裁站60用于从坯料、例如一条基础材料50切出部件。标准冲裁站60包括冲裁冲头30、坯料保持器70和冲裁模80。坯料保持器70和冲裁模80各自限定相应的腔71、81，冲裁冲头30容纳在所述腔中。在图1中，标准冲裁站60被示为处于打开状态，其中冲裁冲头30完全缩回到坯料保持器70中，并且其中坯料保持器70和冲裁模80彼此分开，至少分开成足以允许基础材料50在其间插入和/或前进。

在图2中示意性示出的冲裁装置的实际冲裁冲程中，首先使坯料保持器70和冲裁模80朝向彼此移动，直到基础材料50在其间保持就位。然后，通过冲裁冲头30相对于冲裁模80的强制移动(由虚线箭头rm表示)实现从基础材料50实际切割出冲裁部件10，使得冲头30穿透基础材料50。这种相对运动rm通过冲裁装置的致动器、例如作用在标准冲裁站60的冲裁冲头30上的液压或机械操作的斜坡件(未示出)来实现，而其冲裁模80牢固地保持就位，反之亦然。在所示的标准冲裁站60的布置中，冲裁部件10向下落出冲裁模80的腔81。

图3提供了借助于已知的冲裁装置和方法制造的呈具有中心孔12和沿其圆周布置的一系列凹槽13的圆形金属盘11形式的冲裁部件10的示例。盘11的外轮廓和内轮廓都在冲裁加工中形成，即在冲裁加工中从基础材料50切出，盘11的外轮廓和内轮廓在一次切割中同时形成，或者在沿基础材料50的供应方向串联布置并且由所述斜坡件(未示出)同时操作的单独的冲裁站60中在多次相继的部分切割中形成。已知的冲裁装置还可以设置有多个并联布置的冲裁站60，使得在每个冲裁冲程中形成对应于冲裁站60(未示出)的数量的多个冲裁部件10。

图3中所示的特定类型的盘11用于电机转子的由许多这样的盘11组成的层合件或堆叠中。在这种转子中，转子盘11的中心孔12容纳转子的轴，并且转子盘11的所述凹槽13容纳导电材料，例如铜线绕组。电绝缘层通常设置在堆叠中的各个转子盘11之间，例如通过用非导电层涂覆基础材料50的至少一侧、优选两侧，以减少所谓的涡流损耗。通常，这种涂层是热活性的，使得在冲裁转子或定子盘11然后将其组装成转子/定子堆叠之后，堆叠中的相邻转子或定子盘11的涂层可以通过加热来激活、即固化，以相互粘合并由此连接转子或定子盘11以形成一体式堆叠。这种类型的涂层被称为粘合清漆或烤漆。

众所周知，通过减小各个转子盘11的厚度、即其转子层合件的层的厚度，可以提高电机的电效率，由此减小涡流损耗。然而，在实践中，针对这种盘11依据盘的可制造性应用最小厚度。例如，在这方面，基础材料50越薄，冲裁部件10、即转子盘11在冲头30施加的力的影响下在冲裁加工中塑性变形越多，直到变形量和/或其缺乏可控性程度超过了对于冲裁部件10的给定用途而言可接受的程度。

根据本公开，通过图4a-4f中所示的新型冲裁方法，可以实现进一步减小转子盘11的厚度、即通常的冲裁部件10的厚度。在新型冲裁方法中，包括多个、即两个或更多个相互堆叠的单独的层50的多层式基础材料51被供应到冲裁装置的冲裁站90，该冲裁站90设置有冲裁冲头30、坯料保持器70和冲裁模80以及相反的冲头40，相反的冲头40在冲裁冲头30的相对侧上位于冲裁模80的空腔81中。这种使用相反的冲头40的特殊类型的冲裁加工/冲裁站90本身是已知的，即精密冲裁加工/精密冲裁站90。

在图4a中，精密冲裁站90显示为处于第一打开状态，其中冲裁冲头30完全缩回到坯料保持器70中，其中相反的冲头40完全缩回到冲裁模80中，并且其中坯料保持器70和冲裁模30被分开以使得(在所示示例中)四层基础材料51能够相对于精密冲裁站90前进。

在图4b中，示出了在坯料保持器70和冲裁模80朝向彼此移动以将所述四层基础材料51夹在它们之间之后的精密冲裁站90。

在图4c中，示出了在冲裁冲头30和相反的冲头40朝向彼此移动以同样的将所述四层基础材料51夹紧在它们之间之后的精密冲裁站90。

在图4d和4e中，示出了从四层基础材料51切出四个冲裁部件10的步骤。特别地在图4d中，示出了通过冲裁冲头30和相反的冲头40的组合相对于冲裁模80的强制移动从四层基础材料51切出四个冲裁部件10期间的精密冲裁站90。在图4e中，示出了在所述四个冲裁部件10已经完全切出、即从四层基础材料51切断但仍然保持在冲裁冲头30与相反的冲头40之间之后的精密冲裁站90。

在图4f中，精密冲裁站90显示为处于第二打开状态，其中冲裁冲头30完全缩回到坯料保持器70中，并且其中相反的冲头40在从冲裁模80的腔81向上推出两个冲裁部件10以使得能够从精密冲裁站90取出之后，从冲裁模80突出。在这种取出之后，精密冲裁站90返回到图4a等所示的其第一打开状态。

相对于标准冲裁加工/标准冲裁站60，精密冲裁方法/精密冲裁站90使得冲裁部件10能够具有更好的表面质量和/或形状精度，但是以显著降低冲程频率为代价。即，就每单位时间可生产的冲裁部件10的数量而言，产量降低。精密冲裁站90相对于标准冲裁站60的这种显著较低的冲程频率是精密冲裁方法先前被认为不适合于经济上可行地制造相对薄的层、例如用于电机的转子和/或定子盘11的原因。然而，根据本公开的见解，对于较大尺寸的冲裁部件10，标准冲裁站60的冲程频率越来越受到(最大)前进速度、即基础材料50向冲裁站60的进料速度的限制。由于基础材料50以任何冲裁站60、90的冲程频率间歇地前进，因此它受到与基础材料50的重量并进而与冲裁部件10的尺寸成比例的加速力和减速力。因此，在冲裁部件10的某个临界尺寸下，最大可能的冲程频率变得很大程度上与冲裁方法的类型无关。通常，冲裁部件10的这种“得失平衡尺寸”超出了在实践中通常应用的尺寸。然而，当根据本公开使用能够承受更大力的多层式基础材料51时，冲裁部件10的这种得失平衡尺寸呈现与实际相关的值。事实上，根据本公开的新型冲裁方法的每单位时间产生的冲裁部件10的数量甚至可以超过标准冲裁方法的每单位时间产生的冲裁部件10的数量，至少对于相对大尺寸的相对薄的部件10而言是这样。

关于冲裁模80，应注意，在传统的精密冲裁方法中，冲裁模设有具有倒角的外周边缘，以实现最佳的冲裁结果，例如在ep1677924a1中所讨论的那样。然而，在根据本公开的新型冲裁方法的情况下，冲裁模80设置有尖锐的近似成直角的外周边缘，以用于实现最佳冲裁结果，特别是用于使(在冲裁站90的一个冲程中同时形成的)冲裁部件10尽可能具有相互对应的尺寸和形状。

在图5的曲线图中示出了本公开的上述方面。在图5中，左纵轴表示冲裁站60、90的冲程频率sr，以每分钟冲裁冲程的数量表示，右纵轴表示该冲裁站60、90的产量y，以每分钟冲裁的部件10的数量表示，横轴表示冲裁部件10的尺寸，以围绕冲裁部件的(最小)虚拟圆的直径d表示，例如对应于转子盘11的直径。在图5中，点虚线表示精密冲裁方法的典型冲程频率srf，短划虚线表示标准冲裁方法的典型冲程频率srs。即使标准冲裁冲程频率srs随着冲裁部件10的尺寸d的增大而减小，但是对于曲线图的较大部分，它仍然远高于精密冲裁冲程频率srf。然而，根据本公开，对于给定的冲程频率sr，新型冲裁方法的冲裁部件10的实际产量y应乘以多层式基础材料51的层数n，如图5中针对四层基础材料51(n＝4)由实线所示。在所示的示例中，精密冲裁方法在冲裁部件10的约为60mm的临界尺寸dc处已成为更好的选择。

应注意，图5的曲线图中绘制的值实际上适用于基础材料50、51的特定厚度/厚度范围。特别地，冲裁部件10的使利用双层基础材料51的精密冲裁方法具有比标准冲裁方法具有更高的产量y的所述临界尺寸dc随着冲裁部件10的厚度t的减小而减小。在图5中，箭头a表示这种减小的临界尺寸dc，其也指向减小的冲程频率sr的方向，因为冲程频率sr也随着冲裁部件10的厚度t的减小而减小。根据本公开，所述临界尺寸dc可以通过以下式近似得出：dc≥(t/n)*1250。

从图5中显而易见，新型冲裁方法的另一个有利特征是实线的水平部分向右延伸超出短划虚线和点虚线。这是由于四层基础材料与单层基础材料相比能够承受更大的力，特别是在基础材料的四个单独的层连接在一起的情况下。

在图6中，示意性地示出了新型冲裁装置，其被布置用于和/或能够执行根据本公开的新型冲裁方法。更特别地，新型冲裁装置与传统的冲裁装置的不同之处在于，提供了一种带有(在图示的例子中)四层基础材料51的备料卷绕轴100，该四层基础材料51被展开并供应到冲裁装置的冲裁站90。优选地，这种展开和供应通过于基础材料离开冲裁站90处在层状基础材料51上施加拉力来实现，如图6中虚线箭头所示。一个或两个以上支撑辊101可以可选地设置在备料卷绕轴100和冲裁站90之间，以在它们之间支撑和引导层状基础材料51。

此外，在图6的示例中，层状基础材料51的四个单独的层50也可以互连、例如胶合在一起，以便更容易处理冲裁部件10，因为它们有效地形成一个更大的组装的工件14，该组装的工件14由一叠四个相互连接的冲裁部件10组成。在这种情况下，如果备料卷绕轴100的内卷绕半径rwi大到足以使得允许连接装置例如胶水的弹性变形并从而避免脱层，则对于所有所述四个单独的层50，备料卷绕轴100的缠绕和展开将是同步的。

图7示意性地示出了组装装置102，其用于组装(所示示例中的)四层基础材料51，特别是用于从基础材料50的单独的条带形层制备具有图6的具有四层基础材料的备料卷绕轴100。组装装置102包括四个条带形基础材料50的卷103，它们逐渐地展开以提供相应基础材料50的条带相互堆叠形成四层基础材料51。支撑辊101设置在卷103和备料卷绕轴100之间以支撑、引导和/或相互对准各个基础材料50的条带。

如图7中所示，组装装置102可以可选地设置有多个涂覆器105，用于将涂层涂覆到相应的基础材料50的条带的一个或两个主面上。这种涂层例如可以是不导电的，以用于将基础材料50的条带彼此电绝缘，如电机或变压器的层合件所优选的那样，和/或这种涂层可以是粘合剂，以用于使基础材料50的条带以及进而的冲裁部件10相互连接，从而形成上述更大的组装的工件14。在这种情况下，可以可选地将具有加热元件107的加热站106提供给组装装置102，以用于加强干燥和/或用于固化粘合剂。同样在这种情况下，加热站106可以可选地设置有两个配合的压缩辊108，以压缩层状基础材料51，从而增强基础材料的利用粘合剂的相互粘合。

优选地，四层基础材料51例如通过至少如图所示沿基础材料的运动方向串联地布置四个支撑辊101、即每个卷103一个支撑辊101，而逐步地组装、即逐层组装。在堆叠之后，四层基础材料51要么如图7中示意性地示出的那样卷绕、即卷在备料卷绕轴100上，要么直接供应到冲裁站90。在后一实施方式中，从条带形基础材料50的多个卷103形成的层状基础材料51的组装因此是冲裁装置本身的一部分，如图8中示意性所示。

图9提供了用根据本公开的新型冲裁装置和新型冲裁方法获得的冲裁的金属部件10的三个示例。在图9中，示例i显示了由四层基础材料51获得的四个冲裁部件10的堆叠的切割边缘，其中各层未联接、粘合或(相互)连接且层厚度t为0.35mm，示例ii显示了由四层基础材料51获得的四个冲裁部件10的堆叠的切割边缘，其中各层通过粘合剂粘合在一起，示例iii显示了由具有粘合在一起的层厚度t为0.10mm的十四个单独的层的基础材料51获得的十四个冲裁部件10的堆叠的切割边缘。从这些示例i、ii和iii可以看出，在每种情况下，冲裁部件10的宽度尺寸都是精确形成的。此外，比较示例i和ii，可以看出，与层状基础材料11的各层没有连接在一起时相比，当层状基础材料11的各层粘合在一起时，冲裁部件10的特别是侧边缘的变形较小。此外，比较示例ii和iii，可以看出，冲裁部件10的特别是侧边缘的变形或多或少地与层状基础材料11的各层的厚度无关，从而当各层的厚度减小时相对变形增大。

除了前面的全部描述和附图的所有细节之外，本公开还涉及并包括所附权利要求的所有特征。权利要求中的括号内的附图标记不限制其范围，而是仅作为相应特征的非约束性示例提供。视情况而定，要求保护的特征可以在给定产品或给定方法中单独应用，但是也可以在其中应用两个或更多于两个这样的特征的任何组合。

由本公开表示的本发明不限于本文明确提及的实施例和/或示例，而是还包括其修改、变型和实际应用，特别是相关领域的技术人员可想到的修改、变型和实际应用。