CN108213082A - 用于多规格部件的3d轧制的系统、方法和装置 - Google Patents

Abstract

公开一种用于制造多规格板金属部件的金属加工辊子、用于制造此种辊子的方法和使用此种辊子的方法以及采用可变半径金属加工辊子来用于制造多规格金属部件的轧机机器。公开一种用于轧机机器的金属加工辊子。该金属加工辊子包括圆柱形辊子主体，该圆柱形辊子主体可旋转地并且驱动地连接于轧机机器。围绕辊子主体周缘跨越的外直径表面包括最外峰区域和最内谷区域，该最内谷区域从最外峰区域径向地向内凹入并且围绕辊子主体周向地拉伸。在轧机机器的操作期间，辊子主体的外直径表面的最外和最内区域按序地压抵于金属工件并且由此修改该金属工件的规格。每个区域具有相应的横向宽度和周向长度，该横向宽度和周向长度分别横贯和围绕辊子主体的纵向长度和周缘延伸。

Description

用于多规格部件的3D轧制的系统、方法和装置

背景技术

本发明总地涉及用于制造金属部件的金属加工工艺。更确切地说，本发明的各方面涉及用于由金属板料或金属坯件形成多规格部件的系统、方法和装置。

铁、钢、铝和其它金属材料用于制造大量现代产品。许多工具、汽车、桥梁、列车、飞机、建筑物和船只均取决于金属部件，以使得它们坚固且经济。在制造的早期金属处理阶段期间，大金属片或棒料(称为“坯料”)例如使用连续铸造或其它适用金属加工工艺而由熔融金属形成。对于板料，金属的片/坯料通常经受“热轧制”，以获得相对中等厚度的连续金属板，该连续金属板然后轧制成线轴或线圈。热轧制是这样的工艺：原料提纯金属通过该工艺以连续且大体线性的方式通过、按压或拉动通过一组工作辊子，其中，金属的温度高于其再结晶温度。热轧制允许以相对较低次数的轧制循环来实现金属的大变形。

对于有色金属、铝合金以及铜，线轴然后可展开用以进行化学除垢(俗称为“酸洗”)，在此期间，表面由盐酸溶液(称为“酸洗液”)处理，以去除杂质、污染物、污垢、污渍以及锈迹。在化学预处理之后，板可然后经受“冷轧制”以获得具有期望最终厚度的板。在冷轧制期间，金属板料在金属处于低于其再结晶温度的温度下的情形下通过、按压或拉动通过辊子。可采用冷轧制工艺，以通过将缺陷引入到金属的晶体结构中来增大材料的屈服强度和刚度。在完成冷轧制操作的情形下，金属板通常通过退火、回火等进行热处理，以获得期望的金属特征、可加工性等等，并且再次轧制成线轴用以包装和运输。

用于制造汽车的底盘支承框架、白车身(BIW)框架以及外部车体面板的许多部件由金属板料形成。例如，一旦金属线轴已按序地展开、适当地脱脂并且经表面处理，就例如使用冲压机来将其切割并成形为部件坯件。坯件阵列或单个坯件可例如以通常类似于曲奇切割的方式、模切成具有待制造物体的总体周围尺寸的工件。部件坯件可在部件组装并组合到车辆框架和车体之前暴露于其它成形和处理工艺。每个坯件可经由机加工、激光处理、化学蚀刻、冲模或喷丸压花成具有期望的表面纹理。如果期望特定的横截面，例如底盘侧部轨道或BIW立柱的盒状或U形横截面，坯件可通过辊子成形机器。

发明内容

这里公开一种用于由板材金属制造多规格部件的3维(3D)金属加工辊子、用于制造此种3D辊子的方法和使用此种3D辊子的方法以及采用可变半径的3D金属加工辊子来用于制造多规格车辆部件的轧机机器。借助示例并且非限制地是，示出可变半径辊子，该可变半径辊子经模制、机加工或以其它方式成型为具有凹陷的周向细长区域，用以由金属板料和金属坯件形成可变规格部件。该区域的深度可沿着辊子的周缘改变，以由此改变每个部件沿着坯件的长度的规格。作为示例，凹入区域可包括一系列下降和升起的阶部区域，以按序地增大和减小部件的规格。互连不同半径区域的过渡部段可包括导圆的或低角度过渡表面(例如，相对于切向于辊子表面的平面小于45度)，以提供渐进的而非突然的规格改变。虽然作为可选的特征是可用的，但3D辊子并不仅仅在板材金属中产生表层纹理化或离散凹槽；而是，3D辊子通过产生一个或多个纵向的细长升起区域来修改工件的横截面厚度。3D辊子的周缘可定尺寸为符合坯件的长度。

至少一些公开概念所伴随的益处包括由金属板料和金属批件快速地且持续地产生可变规格部件的能力，以使得最终部件规格接近或实现由多学科设计优化(MDO)和/或规格优化技术所确定的优选规格。所公开的概念允许使用定制3D辊子将金属板料/金属坯件轧制成一组预定最终规格，以产生在X和Y方向两者(例如，从前缘向尾缘以及从左向右横向边缘)上均具有厚度变化的坯件。其它益处可包括实现与那些在拼焊坯件中发现的厚度改变相类似的厚度改变而不会在焊接部附近增加热影响区域，并且允许厚度之间更为缓和的过渡。附加地，对于单个部件可实现若干规格，该单个部件会与通过MDO技术发现的优化规格更精确地对准。针对部件规格优化的所公开应用能例如用于固结部件，而无需多种合金或者同一合金的多个结合件。

本发明的各方面涉及可变半径金属加工辊子，这些可变半径金属加工辊子用于将多个规格引入到单层金属板料或者各个单层金属坯件中。在一示例中，公开一种用于轧机机器的金属加工辊子，该金属加工辊子可操作以改变金属工件的规格。轧机机器包括驱动机构、辊架以及其它可选的周围硬件，例如进给辊子、支承辊子、枕块、传送器、传感器、线束等等。金属加工辊子包括圆柱形辊子主体，该圆柱形辊子主体(例如，经由轴承和键式轴)可旋转地附连于辊架，并且(例如，经由齿轮系或传动链)驱动地连接于驱动机构。辊子主体的外直径(OD)表面(围绕辊子主体周缘持续地跨越)包括最外“峰”区域和最内“谷”区域，该最内“谷”区域从最外峰区域径向地向内凹入并且围绕辊子主体周向地拉伸。辊子主体的OD表面还可包括其它凹入区域、例如中间“平坦”区域，该中间平坦区域从最外峰区域径向地向内凹入，但从最内谷区域径向地向外偏移。这些径向地偏移区域(最外、中间和/或最内区域)按序地压抵于金属工件并且由此修改该金属工件的规格。

本发明的其它方面涉及金属加工系统、设备以及装置(统称为“机器”)，其用于将非均匀纵向厚度引入到单层金属板料或各个板材金属坯件中。例如公开轧机机器，其用于改变板材金属工件的规格。该轧机机器包括辊架、驱动机构以及下面的支承辊子，该驱动机构操作地连接于辊架，而该下面的支承辊子可旋转地安装于辊架。金属加工辊子驱动地连接于机器的驱动机构，并且与下面辊子并置地可旋转地安装到辊架上。金属加工辊子具有带有OD表面的细长圆柱形辊子主体，该圆柱形辊子主体围绕辊子主体的周缘持续地跨越。该OD表面经模制、机加工或以其它方式制造有最内谷区域，该最内谷区域从最外峰区域径向地向内凹入。最外和最内区域各自具有相应的表面区域和在该表面区域的长度和宽度上基本上恒定的相应径向厚度。在轧机机器的操作期间，驱动金属加工辊子以使得最外和最内区域按序地压抵于板材金属工件且由此减小该板材金属工件的规格，以将两个或更多个不同规格引入到工件中。

本发明的附加方面涉及制造方法和使用可变半径金属加工辊子来用以将多个规格引入到金属板料或板材金属坯件中的方法。例如，公开一种方法，用以经由轧机机器利用金属加工辊子来改变金属工件的规格。该方法以任何顺序并且与任何所公开选项组合地包括：将金属工件馈送到与金属加工辊子接合，该金属加工辊子包括圆柱形辊子主体，该圆柱形辊子主体具有外直径表面，该外直径表面围绕辊子主体的周缘持续地跨越，且该外直径表面包括最外峰区域和最内谷区域，该最内谷区域从最外峰区域径向地向内凹入并且围绕辊子主体周向地拉伸；以及经由驱动机构来旋转金属加工辊子，以使得最外峰区域和最内谷区域按序地压抵于金属工件并且由此修改该金属工件的规格。

上文概述并不旨在表示本发明的每个实施例或每个方面。而是，前文概述仅仅提供对这里阐述的其中一些新颖方面和特征的例证。当结合附图和所附权利要求书时，从对用于执行本发明的代表性实施例和代表性模型的以下详细描述中，本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点会显而易见。此外，本发明显然包括上文和下文呈现的元件和特征的任何和所有组合以及子组合。

附图说明

图1是根据本发明各方面的代表性轧机机器的立视立体图说明，该轧机机器具有修改板材金属工件的规格的代表性可变半径3D金属加工辊子。

图2是图1所示代表性金属加工辊子的选择部分的放大立体图说明。

图3是图1所示代表性板材金属工件的选择部分的放大立体图说明。

本发明易于作出各种修改和替代形式，并且一些代表性实施例已借助示例在附图中示出并且会在这里进行详细地描述。然而，应理解的是，本发明的新颖方面并不局限于在所附附图中说明的特定形式。而是，本发明覆盖落在本发明范围和精神内的所有修改、等同物、组合、子组合、排列、成组以及替代。

具体实施方式

本发明容许具有许多不同形式的实施例。在附图中示出并且这里将详细地描述本发明的代表性实施例，但应理解的是，这些代表性实施例被认为是对本发明原理的例证并且并不旨在将本发明的宽泛方面限制为所说明的实施例。就这一点而言，例如在摘要、发明内容以及具体实施方式段落中公开、但并未在权利要求书中明确阐述的元件和限制不应单独地或共同通过暗示、推断或以其它方式结合到权利要求中。针对目前详细描述的目的，除非明确否认：单数包括复数，且反之亦然；词语“和”和“或”应即可合取又可析取；词语“所有”意指“任何和所有”；词语“任何”意指“任何和所有”；以及词语“含有”和“包括”以及“具有”意指“包括但无限制”。此外，诸如“约”、“几乎”、“基本上”、“近似”之类的近似词在这里能例如以“在...处、接近或近似在...处”或者“在3-5％内”或者“在可接受的制造公差内”或其任何逻辑组合的意义使用。

现参照附图，其中，类似的附图标记指代若干视图中的类似特征，在图1中示出代表性轧机机器，该轧机机器大体在附图中以10指示并且在这里出于描述的目的由各种选择部件表征。本发明的许多新颖方面和特征在这里会参照图1中说明的体系结构描述为示例性应用，这些方面和特征能实践该示例性应用。然而，应理解的是，所公开的概念绝不局限于视图中说明的特定构造。而是，可实施本发明的方面和特征来用于形成其它构造的金属工件，并且可结合到其它金属成形设备和操作中，而不会偏离本发明的预期范围和精神。最后，这里示出的视图并非必须按比例并且纯粹出于指令的目的而提供。因此，视图中示出的明确和相对尺寸并非构造成限制。

作为用于热轧制或冷轧制金属部件(例如，低碳钢或铝合金汽车车体面板或BIW框架部段)的成形设备操作，轧机机器10选择性地压缩且由此将多个规格引入到单层金属板料或单层金属坯件中，两者在视图中均由各个板材金属工件12表示。根据所说明的示例，轧机机器10由结构上弹性支承框架14(被本领域技术人员更一般地称为“辊架”)构成，用于为机器10的元件提供功能性支承。驱动机构16操作地连接于支承框架14，该驱动机构在本质上可以是单驱动或双驱动系统，各自由齿轮减速电动步进马达或低速高转矩液压马达构成。下面的支承辊子18在工件传递平台20的近侧端部处、以大体水平的方式可旋转地安装于辊架12。

轧机系统10的操作控制至少部分地由系统控制器提供，该系统控制器在图1中在示例性实施例中示作基于微处理器的电子控制单元(ECU)22，该电子控制单元具有一个或多个处理器以及合适数量的存储器，这些处理器包括但不限于主处理器、从属处理器以及次级或并行处理器，这些存储器例如是易失性存储器(例如，随机访问存储器(RAM))和非易失性存储器(例如，EEPROM)。这里仅仅示出并且详细地描述轧机机器10的选择部件。然而，这里讨论的机器10可包括若干附加的和替代的特征以及其它众所周知的周围部件，以例如执行这里公开的各种方法和功能，而不会偏离本发明的预期范围。还应意识到的是，机器10可指示独立装置、较大轧机设备的部段或者多机架串联磨机系统的一个部件。

为了产生多规格金属部件，轧机机器10采用可变半径(3D)金属加工辊子24和匹配键式轴(未示出)，该可变半径金属加工辊子例如经由对置轴承块可旋转地安装于辊架14，该匹配键式轴与相邻的辊子18并置并且大体平行于该辊子。金属加工辊子24包括细长的直圆圆柱形辊子主体26，该圆柱形辊子主体例如经由齿轮系、驱动轴、驱动带/链条(未示出)或其它操作连接件驱动地连接于磨机的驱动机构16。针对至少一些应用，期望使得辊子主体26由具有足够结构弹性的耐磨损和耐腐蚀材料支承，以例如在大约1500至4500psi的范围内的操作压力下、冷轧/热轧连续馈给的金属板料或金属坯件。借助非限制示例，辊子主体26可由具有光滑(“镜像”)或纹理化(“粗糙”)外部的超硬、合金、镀铬或陶瓷涂覆钢铸造和精密机加工。可选地是，所说明的辊子可采取除了附图中所示以外的其它几何形状、尺寸和/或定向。针对实践目的，实用地是采用一系列可变半径金属成形辊子(多级操作的渐进辊子)来用于单个部件，以实现所需的一组规格。

共同地参照图1和2，金属加工辊子24具有外直径(OD)表面28，其围绕圆柱形辊子主体26的周缘持续地跨越。制造成可变半径构造，金属加工辊子24经模制、机加工或以其它方式成型，以使得OD表面28是各个表面区域的聚结，每个表面区域具有相对于辊子主体26的不同径向厚度。根据所说明的示例，OD表面28的总体表面由三个不同形状和不同尺寸的区域限定，即最外“峰”区域30、中间“平坦”区域32以及最内“谷”区域34。可识别地是，每个区域的数量、形状、尺寸、定向以及位置可与附图中所绘制的不同。如图所示，最外峰区域30的一部分具有不同横向宽度W_OR，该横向宽度延伸圆柱形辊子主体26的整个纵向长度L_RB(即，与其共同延伸)。在这点上，最外区域30的一部分具有不同周向长度L_OR，该周向长度围绕辊子主体26的整个最外周缘C_RB持续地延伸。最后，最外区域30具有不同表面区域A_OR和不同径向厚度R_OR，该径向厚度沿着该表面区域A_OR的长度和宽度是恒定。如下文进一步讨论地，当金属加工辊子24与坯件12操作地接合并且对其进行压缩时，最外区域30会产生具有总体最小规格的对应形状的“薄”规格区域36。

最内谷区域34从最外峰区域30和中间平坦区域32径向地向内凹入，以围绕辊子主体26的一部分周向地延伸。借助示例并且并非限制地，最内区域34具有不同周向(弧)长L_IR，该周向弧长围绕辊子主体26的周缘C_RB延伸例如约10-50％或至少20％或大约25％。此外，最内区域34具有不同横向宽度W_IR，该横向宽度例如延伸圆柱形辊子主体26的纵向长度L_RB的约20-70％或至少30％或大约50％。最内区域34的小于最外区域30的表面区域A_OR的表面区域A_IR具有不同径向厚度R_IR，该径向厚度小于最外半径R_OR并且沿着表面区域A_IR的长度和宽度恒定。当金属加工辊子24与坯件12操作地接合并且对其进行压缩时，最内区域34会产生具有总体最大规格的对应形状的“厚”规格区域38。对于至少一些实施例而言，可能期望的是，最内区域34的长度L_IR和宽度W_IR在尺寸上足以确保厚规格区域38覆盖工件12的足够大小部分，以抑制各向同性性能，而非仅仅表现为各向异性性能的离散压痕或表面纹理化。

辊子主体的OD表面28可形成为或精密机加工成包括一个或多个附加的或替代的凹入区域、例如中间“平坦”区域32，该中间平坦区域从最外峰区域30径向地向内凹入，但从最内谷区域34径向地向外偏移。不同于谷区域34，平坦区域32围绕辊子主体26的一些但非全部周向地延伸。相同的道理是，平坦区域32不同于谷区域34横贯辊子主体的纵向长度的一些但非所有横向地延伸。根据所说明的示例，中间区域32具有不同周向(弧)长L_ITR，该周向弧长围绕辊子主体26的周缘C_RB延伸例如约30-80％或至少40％或大约50％。附加地，中间区域32具有不同横向宽度W_ITR，该横向宽度例如延伸圆柱形辊子主体26的纵向长度L_RB的约40-90％或至少50％或大约75％。该中间平坦区域32具有不同表面区域A_ITR，该表面区域大于最内区域30的表面区域A_IR，但小于最外区域28的表面区域A_OR。平坦区域32具有不同径向厚度R_ITR，该径向厚度大于最内半径R_IR并且沿着表面区域A_ITR的长度和宽度是恒定的。当金属加工辊子24与坯件12操作地接合并且对其进行压缩时，最内区域32会产生对应形状的“厚”规格区域40。对于至少一些实施例而言，可能期望的是，中间区域34的长度L_ITR和宽度W_ITR在尺寸上足以确保中间规格区域40覆盖工件12的足够大小部分，以抑制各向同性性能，而非仅仅表现为各向异性性能的离散压痕或表面纹理化。

图1所示OD表面28的各个区域设置成使得最外、中间以及最内区域30、32、34按序地压抵于金属工件12且由此修改其规格。通过这样做，可变半径(3D)金属加工辊子24可将规格差异引入到单体金属板中，而无需机加工或焊接。这进而有助于提供具有各向同性特性的工件，而非增加或去除材料的增材制造技术，这些增材制造技术无法提供各向同性特性并且可能是不期望的。例如在附图的图1中可观察到的是，辊子24的OD表面28分别在最内谷区域34的前缘和尾缘处分别包含下降和升起的阶部区域42和44。前阶部区域42将最内区域34与中间区域32互连起来，而尾阶部区域44将最内区域34与最外区域30和中间区域32两者互连起来。相对于最外区域30下降的第三阶部区域(在所提供的视图中不可见)将中间区域32与最外区域30互连起来。每个阶部区域可在与表面区域30、32、34的相交点处制造有圆倒角边缘，从而为工件12提供渐进的而非突然的规格改变。

虽然已参照所说明的实施例详细地描述了本发明的各方面，但本领域技术人员会认识到的是，可对其做出许多修改，而不会偏离本发明的范围。本发明并不局限于这里公开的精确构造和组成；与前文描述不同的任何和所有修改、改变以及变型均落在限定于所附权利要求中的本发明精神和范围内。此外，本文概念在表述上包括前述元件和特征的任何和所有组合以及子组合。

Claims (10)

1.一种金属加工辊子，所述金属加工辊子用于轧机机器，所述金属加工辊子可操作以修改金属工件的规格，且所述轧机机器包括驱动机构和辊架，所述金属加工辊子包括：

圆柱形辊子主体，所述圆柱形辊子主体配置成可旋转地附连于所述辊架并且驱动地连接于所述驱动机构，所述辊子主体包括外直径表面，所述外直径表面围绕所述辊子主体的周缘持续地跨越，且所述外直径表面包括最外峰区域和最内谷区域，所述最内谷区域从所述最外峰区域径向地向内凹入并且围绕所述辊子主体周向地拉伸，

其中，所述最外峰区域和所述最内谷区域配置成按序地压抵于所述金属工件并且由此修改所述金属工件的规格。

2.根据权利要求1所述的金属加工辊子，其中，所述最内谷区域具有第一横向宽度，所述第一横向宽度延伸所述圆柱形辊子主体的纵向长度的至少30％。

3.根据权利要求2所述的金属加工辊子，其中，所述最内谷区域具有第一周向长度，所述第一周向长度围绕所述圆柱形辊子主体的周缘延伸至少20％。

4.根据权利要求2所述的金属加工辊子，其中，所述最内谷区域具有第一表面区域和第一径向厚度，所述第一径向厚度沿着所述第一表面区域的长度和宽度是恒定的。

5.根据权利要求1所述的金属加工辊子，其中，所述最外峰区域具有第二横向宽度，所述第二横向宽度延伸所述圆柱形辊子主体的整个纵向长度。

6.根据权利要求5所述的金属加工辊子，其中，所述最外峰区域具有第二周向长度，所述第二周向长度围绕所述圆柱形辊子主体的整个周缘持续地延伸。

7.根据权利要求6所述的金属加工辊子，其中，所述最外峰区域具有第二表面区域和第二径向厚度，所述第二径向厚度沿着所述第二表面区域的长度和宽度是恒定的。

8.根据权利要求1所述的金属加工辊子，其中，所述外直径表面进一步包括中间平坦区域，所述中间平坦区域从所述最外峰区域径向地向内凹入，并且围绕所述辊子主体周向地拉伸，其中，所述最内谷区域从所述中间平坦区域径向地向内凹入。

9.根据权利要求8所述的金属加工辊子，其中，所述中间平坦区域具有第三横向宽度，所述第三横向宽度延伸所述圆柱形辊子主体的纵向长度的至少50％。

10.根据权利要求8所述的金属加工辊子，其中，所述中间平坦区域具有第三周向长度，所述第三周向长度围绕所述圆柱形辊子主体的周缘延伸至少40％。