CN108290200B - 模具和用于制造拉深罐的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供用于冲切金属板且成形拉深加工用坯体的模具，其中有效地抑制表面处理膜的剥离的进行。根据本发明提供的模具用于冲切金属板且成形拉深加工用坯体，其中模具具有以下特征：设置有待与金属板接触的顶面以及不与该顶面连续的周状端面，至少顶面被表面处理膜覆盖。

Description

模具和用于制造拉深罐的方法

技术领域

本发明涉及用于成形拉深加工用坯体的模具。更具体地，本发明涉及用于成形拉深加工用坯体以及具有不与顶面直接连续的周状端面的模具。

背景技术

通常，通过将金属板冲切成用于制成坯体的合适形状并且通过对该坯体进行诸如拉深加工等来制造金属罐。在冲切金属板时，预先制备了具有期望形状的坯体成形冲头(阳模)和坯体成形冲模(阴模)。然后，将金属板设置于冲头与冲模之间，移动冲头或冲模以使冲头穿过冲模。

近来，降低模具维护频率的需求、改善冲压品质的需求、降低对环境负荷的需求、对化学物质的限制等变得更强。为了应对这样的需求，有必要以减少模具在冲压期间破损的方式或者以减少润滑剂的量或避免使用润滑剂的方式为模具赋予较高的硬度或润滑性。

为了提高模具的硬度或润滑性，已积极地开发了利用金刚石等的表面处理膜覆盖模具表面的技术。然而，在待用于冲切金属板的诸如坯体成形冲头或坯体成形冲模等模具中，可能会对切割刃部施加强冲击负荷。此外，位于切割刃部的表面处理膜因切割刃部的尖锐形状而倾向于较厚。这些因素可能会引起表面处理膜在切割刃部的粘合性降低，并且经常导致在抛光或冲压期间表面处理膜的破裂和剥落。当表面处理膜已破裂并剥落时，破裂或剥落引起了甚至可能发展到其它部分的表面处理膜的剥离。

为了解决破裂和剥落问题，非专利文献1提出了对均用于冲切金属板的坯体成形冲头和坯体成形冲模的金刚石涂层，其中冲头和冲模具有倒角角部。然而，如同在非专利文献1中明确记载的，具有倒角角部的坯体成形冲头或坯体成形冲模不能有效地避免金刚石膜的剥离。

现有技术文献

非专利文献

非专利文献1：2011年度战略核心技术推进支持项目“干压加工用硼掺杂金刚石涂覆的高韧性硬质合金工具的开发”研究开发成果等报告书

发明内容

发明要解决的问题

因此，本发明的目的是提供一种模具，其用于以成形拉深加工用坯体的方式冲切金属板等的板状材料，其中有效地抑制了模具上的表面处理膜的剥离的进行。

用于解决问题的方案

本发明提供能够用于冲切如金属板等的板状材料以成形拉深加工用坯体的模具。所述模具包括待与所述板状材料接触的顶面以及不与所述顶面直接连续的周状端面，并且至少所述顶面涂覆有表面处理膜。

在本发明的模具中，优选的是：

(1)所述周状端面位于比所述顶面低的位置，从而使所述顶面和所述周状端面彼此不直接连续；

(2)在所述顶面的外缘与所述周状端面的内缘之间的区域形成有槽，从而使所述顶面和所述周状端面彼此不直接连续；

(3)在所述顶面与所述周状端面之间存在周壁面；

(4)所述顶面和所述周状端面分别由独立构件构成；

(5)所述模具还适用于所述坯体的拉深加工；

(6)所述表面处理膜是碳基刚性膜；

(7)所述顶面具有0.1μm以下的表面粗糙度Ra；

(8)所述顶面和所述周状端面涂覆有所述表面处理膜；

(9)所述顶面、所述周壁面和所述周状端面涂覆有所述表面处理膜；

(10)所述周状端面和所述周壁面中的至少一者沿周向形成有槽；并且

(11)所述周状端面具有未涂覆有所述表面处理膜的外周部。

此外，本发明提供用于制造拉深罐的方法。该方法包括：制备具有通孔的环状模具，该环状模具具有待与板状材料接触的顶面以及不与所述顶面直接连续的周状端面，并且至少所述顶面涂覆有表面处理膜；使用所述模具作为冲头冲切所述板状材料以形成坯体；以及随后使用所述模具作为冲模对所述坯体进行拉深。

发明的效果

本发明的模具具有不与顶面直接连续的周状端面。因此，即使在在表面处理膜上发生了因冲切金属板时施加到模具外缘角部的强剪切力引起的破裂或剥落，表面处理膜的剥离也可以在周状端面处停止，而不扩散到顶面上的表面处理膜的区域。

附图说明

图1包括说明通过使用本发明的模具冲切金属板的过程的示意图。图1的(a)示出冲切之前的状态。图1的(b)示出冲切期间的状态。

图2的(a)是示出本发明的模具的示例的示意性截面图。图2的(b)是图2的(a)中的A部分的放大图。

图3的(a)是示出本发明的模具的另一示例的示意性截面图。图3的(b)是图3的(a)中的B部分的放大图。

图4是示出通过使用本发明的模具进行冲切-拉深加工的过程的概念图。图4的(a)示出冲切之前的状态。图4的(b)示出冲切期间的状态。图4的(c)示出冲切之后且拉深加工之前的状态。图4的(d)示出拉深加工期间的状态。

图5是示出形成于本发明的模具的槽的示例的示意图。

图6是用于说明本发明的模具中的切割刃的倾斜角度θ2的图。

图7是示出本发明的模具的另一示例的示意性截面图。

图8是示出在本发明的模具形成有槽的情况下，槽的另一示例的示意图。

图9是示出在本发明的模具形成有槽的情况下，槽的又一示例的示意图。

图10是用于说明本发明的模具的示例的示意图，其中顶面和周状端面位于相同的高度。

图11是示出在实验例2中冲切拉深加工金属板之后传统模具的周状端面附近位置的照片。

图12是示出在实验例2中冲切拉深加工金属板之后本发明的模具的周状端面附近位置的照片。

具体实施方式

以下，将参照附图详细地说明本发明的模具。在本说明书中，“冲头”指的是用作阳模的模具。“冲模”指的是用作阴模的模具。本发明的模具的待放置金属板的一侧被确定为上侧，并且相反侧被确定为下侧。

图1包括说明通过使用本发明的模具冲切诸如金属板等的板状材料的过程的示意图。图1的(a)示出冲切板状材料之前的状态，图1的(b)示出冲切板状材料期间的状态。如同从图1中可理解的，整体上用附图标记“1”表示的本发明的模具与用于成形拉深加工用坯体的冲模3组合使用，并且模具1具有作为用于成形拉深加工用坯体的冲头的功能(以下，可以将该模具1简称为坯体成形冲头)。这里，保持板状材料的冲模3具有与拉深加工用坯体的形状对应的开口(以下，可以将该冲模简称为坯体成形冲模3)。具体地，板状材料5放置在本发明的模具1上(参照图1的(a))，然后，坯体成形冲模3向下移动，或者本发明的模具1向上移动，从而冲切板状材料5(参照图1的(b))。作为该冲切的结果，可以获得拉深加工用坯体7。

图2是示出本发明的模具的示例的示意性截面图。本发明的模具1具有待与诸如用于成形为金属罐等的金属板(例如，铝板)等的板状材料接触的顶面11，以及不与顶面11直接连续且沿着模具的外缘形成的周状端面13。在图2中示出的实施方式中，周状端面13位于比顶面11低的位置，因而，周状端面13不与顶面11直接连续，并且周壁面15位于顶面11与周状端面13之间。在本发明中，至少顶面11涂覆有表面处理膜17。

对于本发明的模具1的整体形状没有特别限制，只要模具1的外周与拉深加工用目标坯体的形状对应即可。例如，在将坯体拉深加工为圆形的情况下，模具1的外周也可以被形成为圆形。此外，如同以下详细说明的，在使模具1在拉深加工期间不仅具有坯体成形冲头的功能、而且还可以具有冲模的功能的情况下，模具1可以是具有用于供拉深加工冲头(drawing punch)穿过的通孔的环状。

用于涂覆至少顶面11的表面处理膜17的示例包括诸如类金刚石碳(DLC)膜和金刚石膜等的碳基刚性膜，此外，还包括诸如陶瓷涂覆膜和氟树脂涂覆膜等的任何已知的表面处理膜。在这些膜中，特别显著的是，碳基刚性膜易于从模具表面剥离。因此，本发明可以有效地应用于碳基刚性膜、特别是金刚石膜。这里，类金刚石碳(DLC)是用于如金刚石和碳的混合物的不完整金刚石结构体的统称，并且混合物的混合比例不受特别限制。

表面处理膜17通常具有在0.1μm至30μm范围内的平均厚度，并且在大多数情况下，具有5μm至15μm范围内的平均厚度。当表面处理膜过薄时，可能难以用膜均匀地涂覆模具。当表面处理膜过厚时，耐剥离性可能会降低。

从耐久性的观点出发，表面处理膜17优选地具有2000以上的维氏硬度。

优选的是，本发明的模具的顶面11具有平滑的表面处理膜17，具体地，表面粗糙度Ra为0.1μm以下。能够按照JIS B0601-2001测量表面粗糙度Ra。

图2的(b)示出从顶面11的外缘向下地设置周壁面15，并且周壁面15的下端与周状端面13接合。优选地，由周壁面15和顶面11形成的角部X稍微倒圆角以防止待成形的坯体上的压痕，或者防止因在角部X处的表面处理膜的厚度增加而引起的密着性劣化。具体地，优选的是，角部X具有0.1mm以上的曲率半径。

对于由周壁面15和周状端面13形成的角部Y，优选的是，角部Y的曲率半径尽可能地小，以确实地防止表面处理膜进一步剥落。具体地，角部Y的曲率半径优选地为1mm以下。从加工容易性的观点且从保持顶面的表面积最大的观点出发，角部Y优选地还具有90°至150°范围内的角度θ1。此外，如图5所示，角部Y可以被成形为间隙槽。图5是用于概念性地示出模具在从顶面到周状端面的区域内的形状的图，其中未示出表面处理膜。围绕图5的虚线表示该图与图2的A部分的放大图或者图3的B部分的放大图对应。这同样适用于图6和图8至图10。

图6中的角部Z由周状端面13和模具1的外缘形成。考虑到锐度，切割刃相对于模具的顶面的倾斜角度θ2优选地为30°以下。

再参照图2的(a)和图2的(b)，周状端面13的周向上的宽度可以根据模具尺寸等适当地确定，尽管优选地，该宽度平均为0.1mm至5mm，特别优选地，该宽度平均为0.3mm至2mm。当宽度过小时，模具的制造可能会困难。当宽度过大时，在拉深加工时可能会引起褶皱。

周状端面13的表面与顶面11之间的高度差优选地在0.1mm至5mm的范围内，特别优选地在0.1mm至2mm的范围内，以避免以下问题：金属板可能会在冲切期间弯曲且可能会卡在冲头与冲模之间，或者压痕可能会残留在金属板上从而引起产品不良。

尽管从模具的加工容易性的观点出发，如图1所示周状端面13的作为切割刃的外周优选地覆盖有表面处理膜17，但是从确实地防止剥离的观点出发，如图2所示周状端面13的作为切割刃的外周优选地不覆盖有表面处理膜17。周壁面15可以不必覆盖有表面处理膜，但是优选地可以覆盖有表面处理膜。优选的是，周状端面13和周壁面15上的表面处理膜的厚度、硬度和表面粗糙度分别在顶面11上的表面处理膜的厚度、硬度和表面粗糙度的优选数值范围内。

在图2中，周壁面15的下端接合周状端面13，并且周状端面13位于比顶面11低的位置。周状端面13的外缘与本发明的模具1的外缘一致。

如图1和图2所示，顶面11和周状端面13可以由相同的构件构成，或者它们可以由如图7所示的独立构件构成。尽管在图7中具有顶面11的构件的外缘部(对应于周壁面15的部分)覆盖有表面处理膜，但是该外缘部可以不覆盖有表面处理膜。

周状端面13优选地具有与模具1的外缘的形状对应的形状。例如，当模具外缘为圆形时，优选地，周状端面13被成形为圆环状。当模具的外缘是矩形时，优选地，周状端面13也被成形为矩形环。如上所述，周状端面设置于模具的外缘，这是本发明的重要特征。

在传统技术中，模具涂覆有诸如碳基刚性膜等的表面处理膜。当模具被抛光或用作坯体成形冲头时，剪切力会集中地施加到模具外缘的角部，从而引起用于涂覆模具外缘角部的部分处的表面处理膜的破裂和剥落。从破裂和剥落开始，剥离进行到位于模具其它部分的表面处理膜的残留部分，从而缩短模具的寿命。相比之下，在本发明的模具中，即使当覆盖模具外缘角部的部分处的表面处理膜发生破裂和剥落时，膜的剥离也被限制于周状端面而不会进一步扩散。此外，周状端面实质上不对冲切用坯体的最终状态施加影响。因此，利用本发明的具有周状端面的模具，能够在不考虑表面处理膜的破裂或剥落的情况下成形出高品质的拉深加工用坯体。

图3包括示出本发明的模具的另一示例的示意性截面图。在将表面处理膜17设置于周状端面13的情况下，优选的是在周状端面13形成槽19。可选地，槽19可以优选地形成于顶面11的外缘与周状端面13的内缘之间的区域，例如，形成于周壁面15。在图3中，槽19在周状端面13上沿周向形成。通过形成槽19，能够使已经发生于周状端面的外缘处的表面处理膜的剥离进程在槽19处停止。从模具的加工容易性和强度的观点出发，槽19优选地在距周状端面13的外缘0.2mm以上的位置形成，并且槽19优选地具有0.05mm以上的深度。如图3、图8和图9所示，槽可以沿水平、竖直或倾斜方向中的任何方向形成。可选地，槽可以是图5所示的间隙槽。槽可以具有诸如矩形、圆形和V字形等任何已知的截面形状。槽的数量不受限制。该数量可以是1、2或更多，只要留有用于加工模具的空间即可。根据节省空间的观点，尽管对槽没有特别限制，但槽优选地沿着外周形成。槽可以形成为完整的环，或者可以形成为部分的环。

参照图1至图3和图5至图9的上述说明与周状端面位于比顶面低的位置的实施方式相关。本发明的模具能够采用任何其它实施方式，只要周状端面不与顶面直接连续即可。具体地，如同在图10中概念性地示出的，周状端面13可以位于与顶面11相同的高度，并且槽19可以形成于顶面11与周状端面13之间的区域，从而使周状端面不与顶面直接连续。以上详细地说明了槽19。在该实施方式中，由于周状端面13和顶面11位于相同的高度，所以在冲压期间可以使周状端面13和金属板彼此接触。此时，如果在周状端面处发生表面处理膜的任何剥离，则金属板会与模具材料接触，从而使润滑性恶化。结果，在拉深加工期间，金属板可能卡在模具的表面。为了防止该问题，在使周状端面13和顶面11位于相同高度的情况下，优选地，为周状端面13与直接放置于其上的拉深加工垫(drawpad)之间赋予例如间隙，以避免对周状端面上的金属板施加压力。

通过使用本发明的具有前述特征的模具，将板状材料被切成预定的形状，从而获得了拉深加工用坯体。待冲切的板状材料的具体示例包括诸如铝、铜、铁或含有这些金属中的任一种的合金等的金属的板，此外，还包括诸如锡-电镀钢板(例如，镀锡钢板)等的表面处理钢板。与金属板相同，能够优选地使用诸如树脂板、纸和纤维片等的复合板。然后，对由此获得的拉深加工用坯体进行拉深加工，并且如果需要制作最终成形品，则进一步进行弯曲、减薄等。

如上所述，本发明的模具预先形成有供拉深加工冲头穿过的通孔，使得本发明的模具能够用作用于成形拉深加工用坯体的冲头并且还能够用作拉深加工冲模(drawingdie)。模具能够用于连续地引导冲切和拉深加工(以下，该连续工作可以被称为冲切-拉深加工)，因而，模具具有工业上的优势。

图4包括示出通过使用本发明的模具进行冲切-拉深加工的示例的概念图。图4的(a)示出冲切之前的状态。图4的(b)示出冲切期间的状态。图4的(c)示出冲切之后、拉深加工之前的状态。图4的(d)示出拉深加工期间的状态。当本发明的模具被用作坯体成形冲头并且还被用作拉深加工冲模时，例如，根据以下过程引导冲切拉深加工。首先，如图4的(a)所示，将金属板5放置在本发明的模具1上。此外，制备了包括坯体成形冲模3、拉深加工垫21和拉深加工冲头23的上模具20。以使坯体成形冲模的前端3’位于最低处的方式组装上模具，拉深加工垫21具有与坯体接触且位于坯体成形冲模的前端3’上方的底面，并且拉深加工冲头23具有与坯体接触且进一步位于拉深加工垫21的底面上方的底面。如图4的(b)所示，当该上模具向下移动时，上模具20的坯体成形冲模的前端3’到达金属板5且将金属板冲切成形为拉深加工用坯体7。此时，本发明的模具1具有用于成形拉深加工用坯体的冲头的功能。上模具连续地向下移动，从而如图4的(c)所示，使坯体7牢固地夹在本发明的模具1与拉深加工垫21之间。之后，如图4的(d)所示，拉深加工冲头23进一步向下移动以对拉深加工用坯体7进行拉深加工，从而获得型面高度低的拉深罐(有底筒状体)30。

如上所述，当本发明的模具还用作拉深加工冲模时，模具的周状端面可以不引起如同以下示例中明显示出的诸如所获得的拉深罐的压痕和褶皱等任何产品不良。即，能够通过使用本发明的模具作为坯体-成形冲头以及作为拉深加工冲模来获得高品质拉深罐。

能够通过任何传统的制造方法来制造本发明的模具，只要至少顶面涂覆有表面处理膜且模具具有周状端面即可。

通过例如制备任何已知材料的基材来制造模具，并且该基材被加工以具有期望的形状。在加工中，考虑了表面处理膜的厚度。

用于基材的材料的具体示例包括：通过烧结碳化钨(WC)与诸如钴等的金属粘合剂的混合物所获得的硬质合金；以及通过烧结诸如碳化钛(TiC)等的金属碳化物或诸如碳氮化钛(TiNC)等的钛化合物与诸如镍或钴等的金属粘合剂的混合物所获得的金属陶瓷。

接下来，通过使用适合于表面处理膜的组成的任何已知的膜形成方法来形成表面处理膜，并且膜的表面可以通过任何已知方法按照需要抛光。

例如，当表面处理膜是金刚石膜时，可以通过诸如等离子CVD方法(例如，微波等离子CVD方法或高频等离子CVD方法)或者热丝CVD方法等的任何已知方法来形成膜。以如下方式进行等离子CVD方法。为了制备原料气体，用氢气稀释诸如甲烷、乙烷、丙烷或乙炔的烃气体。该原料气体可以适当地与少量诸如氧气、一氧化碳或二氧化碳等的气体混合以调节膜品质和成膜速度。使用原料气体加热基材，使得通过微波、高频等产生等离子体。原料气体在等离子体中分解以产生活性种并且在基材上生长金刚石晶体，由此能够形成金刚石膜。

在表面处理膜是DLC膜的情况下，能够通过任何已知膜形成方法形成膜，所述任何已知膜形成方法例如是：高频等离子CVD方法、ECRCVD方法、ICP方法、直流溅射方法、ECR溅射方法、电离气相沉积方法、电弧气相沉积方法(arc vapor deposition method)、激光气相沉积方法、电子束气相沉积方法和电阻加热气相沉积方法。在高频等离子CVD方法中，例如，通过电极之间的高频率产生的辉光放电使原料气体(诸如甲烷等的烃气体)分解以在基材上形成DLC膜。

在本发明中周壁面未涂覆有表面处理膜的情况下，可以在掩蔽与周壁面对应的区域之后进行前述膜形成。可选地，可以在形成表面处理膜之后移除周壁面上的表面处理膜。这同样适用于周状端面未涂覆有表面处理膜的情况。

在表面处理膜形成之后，如果需要的话可以通过任何已知的方法抛光模具的表面，由此制造了本发明的模具。

实施例

以下，将参照实验例说明本发明。

在这些实验例中，通过以下说明的方法测量表面粗糙度和波纹度。即，通过使用表面纹理和轮廓测量仪(SURFCOM 2000SD3，东京精密有限公司制造)并且按照JIS-B-0601来测量算术平均粗糙度Ra和最大高度波纹度Wz。

通过热丝CVD方法将金刚石涂覆于硬质合金的基材来制备进行该实验的模具。

<实验例1>

将金刚石膜设置于不具有周状端面的传统模具(以下，这可以被简称为传统模具)和本发明的具有周状端面的模具(以下，这可以被简称为本发明的模具)。这些模具除了底部之外完全涂覆有膜。利用含有金刚石研磨颗粒的磨石抛光待与金属板接触的一些区域(即，顶面和内径部)，直到算术平均粗糙度Ra成为0.03μm。

由此获得的模具具有以下说明的形状。

传统模具和本发明的模具；

外径：140mm

内径：90mm

表面处理膜17的平均厚度：10μm

本发明的模具；

角部X的曲率半径：0.2mm

角部Y的曲率半径：0.1mm

角部Y的角度：90°

周状端面13的周向上的宽度：0.5mm

周状端面13的表面与顶面11之间的高度差：0.2mm

槽19与周状端面13的外缘之间的距离：0.25mm

槽19的深度：0.1mm

在不具有周状端面的传统模具中，在抛光期间在模具的外缘角部处发生破裂。当进一步继续抛光时，会从破裂部分进行金刚石膜的剥离。相比之下，在具有周状端面的模具、即本发明的模具中既不发生破裂也不发生剥离。

<实验例2>

通过使用在实验例1中已抛光的模具对金属板进行冲切和拉深加工。作为金属板，使用板厚度为0.27mm的A3104材料。如图11所示，在冲切时在传统模具的外缘角部处发生破裂和剥离，并且在继续加工时会从破裂和剥离处进行金刚石膜的剥离。另外，观察到刮痕和附着于拉深罐的碎片。如图12所示，本发明的模具中发生了破裂。然而，即使在继续加工时，在周状端面处剥离停止并且也不进一步进行。此外，没有碎片附着于拉深罐。

<实验例3>

测量在实验例2中获得的各拉深罐的开口端附近的最大高度波纹度Wz以评价拉深罐的褶皱。在传统模具和本发明的模具中，测量值均为大约1.6μm。周状端面不会引起任何褶皱。

附图标记说明

1 模具

3 坯体成形冲模

3’ 冲模的前端

5 金属板

7 坯体

11 顶面

13 周状端面

15 周壁面

17 表面处理膜

19 槽

20 上模具

21 拉深加工垫

23 拉深加工冲头

30 拉深罐

Claims (10)

1.一种模具，其为具有通孔的环状模具，适用于板状材料的冲切以成形拉深加工用坯体，其特征在于，

所述模具包括待与所述板状材料接触的顶面以及不与所述顶面直接连续的周状端面，

从所述顶面的外缘向下地设有周壁面，

所述周壁面的下端与所述周状端面接合，

由所述周壁面和所述顶面形成的角部倒圆角，

至少所述顶面涂覆有平均厚度为0.1μm至30μm的金刚石膜。

2.根据权利要求1所述的模具，其特征在于，在所述顶面的外缘与所述周状端面的内缘之间的区域形成有槽。

3.根据权利要求1所述的模具，其特征在于，所述顶面和所述周状端面分别由独立构件构成。

4.根据权利要求1所述的模具，其特征在于，所述模具还适用于所述坯体的拉深加工。

5.根据权利要求1所述的模具，其特征在于，所述顶面具有0.1μm以下的表面粗糙度Ra。

6.根据权利要求1所述的模具，其特征在于，所述顶面和所述周状端面涂覆有所述金刚石膜。

7.根据权利要求1所述的模具，其特征在于，所述顶面、所述周壁面和所述周状端面涂覆有所述金刚石膜。

8.根据权利要求7所述的模具，其特征在于，所述周状端面和所述周壁面中的至少一者沿周向形成有槽。

9.根据权利要求1所述的模具，其特征在于，所述周状端面具有未涂覆有所述金刚石膜的外周部。

10.一种用于制造拉深罐的方法，其特征在于，所述方法包括：

准备权利要求1所述的模具，

使用所述模具作为冲头冲切板状材料以形成坯体，以及

随后使用所述模具作为冲模对所述坯体进行拉深。

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