CN111036980A

CN111036980A - 剪切装置以及使用剪切装置的铝材剪切方法

Info

Publication number: CN111036980A
Application number: CN201910261129.0A
Authority: CN
Inventors: 郑然日
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2018-10-11
Filing date: 2019-04-02
Publication date: 2020-04-21
Also published as: KR20200041103A; DE102019106268A1; US20200114438A1

Abstract

本发明提供一种铝材的剪切装置和剪切方法。该剪切装置包括：上板模具；下板模具；第一电极，其设置在上板模具和下板模具中的每一个上；加热装置，其设置在分别作为表面部分的上板模具和下板模具的第一部分上；以及剪切模具，其设置在上板模具上以相对于铝材被排出到的表面上下移动，并且包括第二电极。此外，提供铝材的剪切方法以减少剪切工艺中产生的切屑。

Description

剪切装置以及使用剪切装置的铝材剪切方法

技术领域

本发明涉及一种剪切装置以及使用该剪切装置的铝材剪切方法。

背景技术

本节中的陈述仅提供与本发明相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。

通过应用铝板加工零件的一般压力加工包括将模具安装在压力机上并垂直压制以形成预定形状的拉伸操作、切割成品中不需要的部分的修整操作、形成附加形状的翻边(flanging)操作以及加工孔等的穿孔操作。

上述操作统称为冲压工艺，并且面板通过平均四个操作而完成，例如成形、切割、弯曲和孔加工。修整是用于切掉塑料加工面板中不需要部分的操作，该塑料加工面板通过拉伸操作形成为与铝板的产品设计数据相对应的形状，即，确定成品的剪切面的质量的最重要操作。

用于修整操作的冲压装置使得，具有产品底面的外形的下模具安装在设置于冲压装置下侧的垫板上，并且具有产品顶面的外形的上模具安装在滑块上，即，设置在冲压装置上侧的压力体，以及在经受拉伸的产品插入上模具和下模具之间的状态下，对拉伸面板的周边施加压力以进入紧密接触状态，并通过剪切操作从拉伸面板上除去不需要的部分。

用于修整操作的传统模具主要由剪切刀片、上板和下板组成。此外，修整操作的整个过程按以下操作顺序执行，即操作(A)，其中以特定形状形成的拉伸面板安装在下板的上端面上，操作(B)，其中上板降低，使得拉伸面板的周边由上板和下板固定，以及操作(C)，其中剪切刀片降低，从而剪切掉不需要的部分。然后，对拉伸面板进行翻边和穿孔操作，从而制造成品。

在修整铝材的过程中，我们发现与修整钢板时相比，剪切面中产生大量的切屑。由于铝材的伸长率小于钢板的伸长率，并且铝材在整个塑性变形区域中具有较小局部变形(缩颈后的伸长率)，因而由于剪切过程中缺乏延展性而发生脆性断裂，并且在该过程中，在剪切面中断裂带增加，从而导致大量切屑。一般而言，在剪切金属板期间，当断裂带大于剪切带时，产生大量的切屑。

我们已经发现在修整操作期间产生的大量切屑保留在模具内部，并且当下一个拉伸面板安装在修整模具上时，切屑通过气流移动到面板的上表面并且附着在面板表面，并且在随后的操作中，例如翻边和穿孔操作中，其导致面板表面出现质量缺陷，例如毛刺。

在该背景技术部分中公开的上述信息仅用于增强对本发明的背景的理解，因此其可能包含本领域普通技术人员已知的不构成现有技术的信息。

发明内容

本发明提供一种铝材的剪切装置和剪切方法。

根据本发明的方面，剪切装置包括：上板模具；下板模具；第一电极，其设置在上板模具和下板模具中的至少一个上；加热装置，其设置在上板模具和下板模具的第一部分上；以及剪切模具，其设置在上板模具上以相对于铝材被排出到的表面上下移动。此外，剪切模具进一步包括第二电极。

剪切装置可以进一步包括：电力控制装置，其配置为在剪切模具与铝材接触时向第一电极和第二电极供应直流电；以及电力供应装置，其配置为向加热装置或电力控制装置供应交流电。

第一电极和第二电极可以设置为具有彼此相反的极性。第一电极和第二电极可以涂覆有绝缘体。

剪切装置可以进一步包括分别设置在上板模具和下板模具内部的冷却通道。剪切装置可以进一步包括冷却压缩机，其配置为向冷却通道供应制冷剂。

上板模具和下板模具中的每一个的第一部分可以由包括WC+TiC+TaC+Co合金的M系列硬质合金形成。

根据本发明的另一方面，一种铝板的剪切方法包括以下步骤：降低上板模具达第一时间段；加热铝板达第二时间段；降低剪切模具的同时供应电流达第三时间段以去除铝板的不需要的部分；以及提升剪切模具达第四时间段。

铝板的温度范围可以为200℃至300℃。第二时间段可以等于或大于8秒。所供应的电流的电流密度可以处于70A/mm²至90A/mm²的范围内。第三时间段可以处于0.5秒至0.8秒的范围内。

根据本文提供的描述，其他适用领域将变得显而易见。应该理解的是，描述和具体示例仅用于说明的目的，并不旨在限制本发明的范围。

附图说明

为了可以很好地理解本发明，现在将参考附图描述以示例的方式给出的各种形式，其中：

图1是示出在抗拉试验中铝材根据温度的伸长率和强度的相关性的曲线图；

图2是示出在电塑性抗拉试验中铝材根据施加的电流密度的伸长率和强度之间的相关性的曲线图；

图3是示出在电塑性抗拉试验中铝材根据施加的电流密度的取向分布函数(ODF)图的示图；

图4是示出根据本发明的示例性形式的剪切装置的立体图；

图5是示出根据本发明的示例性形式的剪切装置的框图；

图6是示出根据本发明的示例性形式的电极的结构的截面图；

图7是用于描述根据本发明的示例性形式的剪切装置的操作机制的示图；

图8是示出执行传统修整工艺时的铝材的剪切面的照片；以及

图9是示出执行根据本发明的示例性形式的修整工艺时的铝材的剪切面的照片。

本文描述的附图仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本发明的范围。

具体实施方式

以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本发明、应用或用途。应该理解的是，在全部附图中，对应的附图标记表示相同或对应的部件和特征。

将进一步理解的是，当在本说明书中使用“包括”和/或“包含”时，是指陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或添加，除非上下文另外明确指示。

如在本文使用的，单数形式“一个”、“一种”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文明确指示。

方法步骤的附图标记仅为了便于解释，而非限制步骤的顺序。因此，除非上下文另外明确指示，否则可以以其他方式实施规定顺序。

基于需要确保铝材的延展性并降低剪切负载以抑制在铝材冲压工艺(具体地，修整工艺)中产生切屑，本发明的发明人进行了实验并获得了铝材剪切条件，在该条件下能够通过向铝材施加热量以及供应电流来抑制铝材产生切屑。

在下文中，将参照附图详细描述根据本发明的示例性形式的剪切装置和铝材剪切方法。

图1是示出在抗拉试验中铝材根据温度的伸长率和强度的相关性的曲线图。

表1示出铝材根据温度的抗拉强度(MPa)和伸长率(％)，以得出最佳加热条件。

表1

参照图1，在不同温度下对铝材(A6014-t4,1.1mm)进行抗拉试验，可以看出随着温度从室温升至300℃，强度降低，并且伸长率增加。然而，当温度升高至350℃时，强度和伸长率都下降。考虑到这种结果，铝材的加热温度可以设定在50至300℃的范围内。

在实施方式中，铝材的加热温度可以设定在200至300℃的范围内。参照表1，可以看出，与150至200℃的范围相比，伸长率值(％)在200至250℃的范围内显著增大。因此，可以看出，需要在200至300℃的范围内加热铝材，以提高铝材的延展性。

通常，当在剪切金属板期间断裂带(breaking zone)大于剪切带(shear zone)时，产生大量的切屑。众所周知，为了增大剪切带，需要减小变形负载。

图2是示出在电塑性抗拉试验中铝材根据施加的电流密度的伸长率和强度之间的相关性的曲线图。

参照图2，可以看出，当在铝材(A6014-t4,1.1mm)的单轴拉伸变形期间施加电流时，负载瞬间减小，即，重量减轻效果。

为了得到最佳导电条件，考虑到剪切刀片在修整工艺中剪切铝材的一般时间，将施加电流的时间固定为0.5到0.8秒，并且在改变施加的电流密度的同时进行抗拉试验。

表2示出根据施加的电流密度的铝材的负载(MPa)。由于施加的电流量根据铝板的厚度而变化，因此本发明引入了与厚度无关的电流密度的概念(单位：A/mm²)。

表2

参照表2和图2，在30至90A/mm²的电流密度范围内，电流密度增加，负载减小。然而，如图2所示，在90至110A/mm²的范围内，铝材由于电阻热而熔化。因此，可以看出，为了减小作用在铝材上的负载，需要在30至90A/mm²的范围内对铝材施加电流。

通常，作为多晶材料的铝由具有不同取向的各晶粒组成。当通过扫描电子显微镜(SEM)观察时，各晶粒具有不同的衍射图案。电子背向散射衍射(EBSD)是由特定软件计算并以坐标表示的衍射图案的表示。

为了确定铝材变形过程中负载减小的原因，使用EBSD测量铝材的微观结构。

图3是示出在电塑性抗拉试验中铝材根据施加的电流密度的取向分布函数(ODF)图，其中计算了旋转黄铜(rotated brass)、黄铜和铜织构的比例。

参照图3，在EBSD上示出的坐标中，特定区域具有唯一的织构名称，例如铜、黄铜和RT-黄铜。

同时，在EBSD测量区域中具有RT-黄铜取向的晶粒的数量可以量化为相对值(无单位)。例如，在图3(a)中测量晶粒的数量为值3067，在图3(b)中测量晶粒的数量为值1775，在图3(c)中测量晶粒的数量为值2194，在图3(d)中测量晶粒的数量为值2302，在图3(e)中测量晶粒的数量为值2608。

根据EBSD测量的结果，可以看出，在不施加电流的情况下进行抗拉试验时，旋转黄铜的比例约为10％，但是在施加电流的情况下进行抗拉试验时，旋转黄铜的比例为20％至40％。因此，确定铝材的电塑性抗拉试验中负载的减小是由于旋转黄铜织构的生长引起的。

同时，泰勒因子(M)是表示为了产生预定变形量，滑移系移动的程度的值。旋转黄铜的M值为3.03，黄铜的M值为3.57，并且铜的M值为3.43。M值越低，表示滑移系的移动(位错)越小。

当旋转黄铜织构在铝材的内部生长时，针对预定变形的滑移系移动发生程度较小。换言之，相对位错密度的增加较小，并且因此减小变形的负载。

在下文中，将描述根据本发明的示例性形式的剪切装置，其通过同时向铝材施加热和电流来防止铝材产生切屑。

图4是示出根据本发明的示例性形式的剪切装置的立体图。

图5是示出根据本发明的示例性形式的剪切装置的框图。

参照图4至图5，根据本发明的示例性形式的剪切装置1包括：上板模具10，其配置为添加(pad)铝材40并包括第一电极70；下板模具20，其配置为添加铝材40；加热装置50，其设置在上板模具10和下板模具20的第一部分上；剪切模具30，其设置在上板模具10上并配置为相对于铝材40被排出到的表面上下移动，并且包括第二电极80；以及电力控制装置90，其配置为在剪切模具30与铝材40接触时向第一电极70和第二电极80供应直流电。

在对铝材40进行剪切操作之前，上板模具10用于固定已经经受拉伸的铝材40。上板模具10位于铝材40上方并上下移动以对铝材40的上侧施加压力。

此外，上板模具10可以包括第一电极70。详细地，第一电极70可以设置在上板模具10的前部。此外，第一电极70可以设置在如下所述的下板模具20的前部。下面将描述第一电极70的细节。

在对铝材40进行剪切操作之前，下板模具20用于固定已经经受拉伸的铝材40。下板模具20面向上板模具10并位于铝材40下方。当上板模具10下降时，下板模具20支承铝材40的下侧。

剪切装置1可以包括用于向铝材40供热的加热装置50。参照图4，加热装置50可以设置在上板模具10的下侧或者下板模具20的上侧。加热装置50优选地同时设置在上板模具10的下侧以及下板模具20的上侧。在这种情况下，高效地达到铝材40的目标加热温度。在下文中，上板模具10的下侧或下板模具20的上侧可以分别作为表面部分称为第一部分11和21。

设置在第一部分11和21上的加热装置50可以具有各种形状、尺寸和数量，只要它可以提高传递到铝材40的热量的热效率即可。

当在通过上板模具10和下板模具20固定铝材40的过程中从下面将描述的电力供应装置91向加热装置50供应电流时，分别从第一部分11和21中的每一个产生热量。此时，上板模具10和下板模具20的温度可以保持在470至490℃的范围内。因此，铝材40可以被加热至200至300℃的范围内。在实施方式中，铝材40的温度可以保持在200至250℃的范围内。

第一部分11和21不仅被加热，而且在修整工艺中被提供有一致的负载，因此需要耐热性和强度。因此，第一部分11和21可以由M系列硬质合金(WC+TiC+TaC+Co)形成。这里，+表示可以选择性地包括每种元素。M系列硬质合金不限于特定类型，并且只要其可以确保耐热性，则可以以各种形式实施。

同时，除了第一部分11和21之外的上板模具10和下板模具20的剩余部分，即，分别称为第二部分12和22的上板模具10的上侧和下板模具20的下侧可以由一般合金工具钢(SKD11)形成，以便于加工。

SKD11是碳(C)含量约为1.4至1.6wt％、硅(Si)含量小于约0.40wt％、锰(Mn)含量小于约0.60wt％、磷含量小于约0.030w％、硫(S)含量约为0.030wt％、铬(Cr)含量约为11.0至13.0w％、钼(Mo)含量约为11.0至13.0w％、镍(Ni)含量约为0.80至1.20w％、钒(V)含量约为0.20至0.50wt％等的高碳(C)和高铬(Cr)钢，并且也是通常使用的钢。第二部分12和22可以实施为不限于特定类型，只要其可以确保强度即可。

根据本发明的示例性形式的剪切装置1可以包括冷却通道60，制冷剂通过该冷却通道。制冷剂可以由将在后面描述的冷却压缩机92供应。

由加热装置50供应的热量可以引起上板模具10和下板模具20的热变形，并且冷却通道60用于防止热量积聚或扩散。

冷却通道60可以设置在上板模具10和下板模具20中的每一个的第一部分11和21与第二部分12和22之间的边界处。因此，防止第二部分12和22受热变形。

设置在第一部分11和21与第二部分12和22之间的边界处的冷却通道60可以具有与加热装置50类似的各种形状、尺寸和数量。

剪切模具30用于通过剪切去除已经经受拉伸的铝材40的不需要的外部部分。剪切模具30可以设置在上板模具10上并配置为相对于铝材40被排出到的表面垂直移动。

剪切模具30在修整过程中承受一致的负载。因此，剪切模具30可以由合金工具钢(SKD11)形成以确保强度。剪切模具30可以不受限制地以各种方式实施，只要其能够确保强度即可。

参照图4和图5，第二电极80可以设置在剪切模具30前部的一侧，以在剪切时瞬间施加电流。第二电极80可以在剪切模具30与铝材40接触(即，剪切)时与包括在上板模具10中的第一电极70和铝材40形成回路。替代地，第二电极80可以与包括在下板模具20中的第一电极70和铝材40形成回路。

详细地，第二电极80可以设置在剪切模具30前部的外侧(右下侧)。当第二电极80设置在前部的内侧(左下侧)时，由于形成第二电极80的铜的强度低，所以第二电极80可能在剪切时发生变形。根据本发明，第二电极80设置在剪切模具30前部的外侧，使得当铝材40被剪切时第二电极80的变形减小。

此时，第一电极70和第二电极80的极性彼此相反。例如，当第一电极70是正(+)极时，第二电极80是负(-)极，并且当第一电极70是负(-)极时，第二电极80是正(+)极。如此，向铝材40供应电流，从而执行上述织构控制，并且因此减小作用在铝材40上的负载。

图6是示出根据本发明的示例性形式的电极的结构的截面图。

由于第一电极70和第二电极80分别设置在由金属形成的上板模具10和剪切模具30的内部，因此在剪切时电流可以流到模具和压制设备。

因此，第一电极70和第二电极80可以形成在绝缘结构中。详细地，铜可以用作电极材料71和81，并且绝缘体材料72和82可以覆盖铜电极。胶木可以用作绝缘体材料72和82。

通过使用绝缘结构，当施加电流时，可以抑制电流流到模具和压制设备，从而确保剪切装置的安全性。

参照图5，剪切装置1可以包括电力控制装置90。电力控制装置90配置为向设置在上板模具10和剪切模具30中的第一电极70和第二电极80供应直流电(DC)，并且将从电力供应装置91供应的交流电转换为直流电。

详细地，在剪切模具30与铝材40接触(即，剪切)时，电力控制装置90可以向第一电极70和第二电极80供应直流电，使得电流流到铝材40的剪切部分。

参照图5，剪切装置1可以包括电力供应装置91。电力供应装置91通过有线电缆连接到外部商业AC电源(未示出)。电力供应装置91将从商业AC电源供应的电传送到电力控制装置90。

此外，电力供应装置91可以向加热装置50供电，从而加热铝材40。

参照图5，剪切装置1可以包括冷却压缩机92。冷却压缩机92将低温制冷剂供应到冷却通道60。

在下文中，将描述根据本发明的示例性形式的铝材剪切方法。

铝材剪切方法包括以下步骤：降低上板模具达第一时间段；加热铝板达第二时间段，该第二时间段长于第一时间段；供应用于降低剪切模具的电流达第三时间段，该第三时间段短于第一时间段；以及提升剪切模具达第四时间段，该第四时间段长于第一时间段且短于第二时间段。

图7是用于描述根据本发明的示例性形式的剪切装置的操作机制的示图。参照图7，纵轴上的行程表示模具距压制设备完全降低的位置(该位置设定为0mm的参考位置)的位移。

首先，经受拉伸工艺的铝材安装在下板模具的上侧。

在上板模具下降时，上板模具降低，并且通过压制缓冲销(未示出)沿朝向下板模具的模具表面的方向施加具有与上板模具的压力相同大小的力，从而使铝材的周边牢固固定。上板模具的下降需要约一秒钟，将其称为第一时间段。

在加热铝板时，通过上板模具和下板模具使铝材的温度升高，上板模具和下板模具通过从加热装置接收热量而保持在470至490℃的温度范围内。

如上所述，为了提高铝材的延展性，期望在200至300℃的温度范围内进行加热。

再次参照图1，可以看出，当铝材的温度从200至250℃的范围增加至250至300℃的范围时，延展性的增加不是很大。因此，考虑到温度上升时间，铝材的最终目标温度可以设定为200至250℃的范围，从而确保工艺的生产率。

同时，490℃的温度对应于铝材的固溶退火温度。考虑到在470至490℃的范围以上材料性能的巨大变化和剪切工艺的效率，上板模具和下板模具的温度设定为470至490℃的范围。在这种情况下，低温制冷剂通过的冷却通道60阻止热量积聚，使得上板模具和下板模具的温度可以保持在470至490℃的范围内。

在这种情况下，通过470至490℃的上板模具和下板模具的热传导将铝材的温度升高到200至250℃的范围内的时间约为8秒，具体而言，8秒至8.3秒。将其称为第二时间段。

在降低剪切模具的同时供应电流时，剪切模具下降以从加热的铝材中除去不需要的部分。通常，剪切工艺需要约0.5至0.8秒。

在剪切时，剪切模具与铝材接触，第二电极进一步与铝材接触以与第一电极和铝材形成回路，使得电流流经铝材的剪切部分。

如上所述，为了减少铝材变形(剪切)所需的负载，需要施加70至90A/mm²的电流0.5至0.8秒，电力控制装置可以向第一电极和第二电极施加70至90A/mm²的电流。施加电流需要0.5至0.8秒。将其称为第三时间段。

在剪切工艺完成后提升模具时，将上板模具和剪切模具提升到进行剪切工艺之前的初始位置。模具的提升需要约1.2秒。将其称为第四时间段。

图8是示出采用常规修整工艺时的铝材的剪切面的照片。

参照图8和图9，可以看出，与采用传统的修整工艺相比，采用根据本发明的剪切方法的铝板的剪切面的剪切带增加。因此，可以在不添加单独工艺的情况下抑制剪切工艺中铝材的切屑的产生。

如上所述，本发明提供一种剪切装置，其用于加热设置在现有修整模具中的材料，并在剪切时向材料施加电流，而无需增加单独工艺，并且还提供一种使用该剪切装置的铝材剪切方法。

虽然已经结合目前被认为是实际示例性形式的内容描述了本发明，但是应该理解的是，本发明不限于所公开的形式，而是相反地，旨在覆盖包括在本发明的精神和范围内的各种替代和等同布置。

Claims

1.一种用于铝材的剪切装置，所述剪切装置包括：

上板模具；

下板模具；

第一电极，设置在所述上板模具和所述下板模具中的至少一者上；

加热装置，设置在所述上板模具和所述下板模具的第一部分中的至少一者上；以及

剪切模具，设置在所述上板模具上以相对于所述铝材被排出到的表面上下移动，并且包括第二电极。

2.如权利要求1所述的剪切装置，还包括：

电力控制装置，配置为在所述剪切模具与所述铝材接触时，向所述第一电极和所述第二电极供应直流电；以及

电力供应装置，配置为向所述加热装置或所述电力控制装置供应交流电。

3.如权利要求1所述的剪切装置，其中，所述第一电极和所述第二电极设置为具有彼此相反的极性。

4.如权利要求1所述的剪切装置，其中，所述第一电极和所述第二电极涂覆有绝缘体。

5.如权利要求1所述的剪切装置，还包括分别设置在所述上板模具和所述下板模具内部的冷却通道。

6.如权利要求5所述的剪切装置，还包括配置为向所述冷却通道供应制冷剂的冷却压缩机。

7.如权利要求1所述的剪切装置，其中，所述上板模具和所述下板模具中的每一者的第一部分由M系列硬质合金形成，所述M系列硬质合金为WC+TiC+TaC+Co合金。

8.一种铝板的剪切方法，包括以下步骤：

降低上板模具达第一时间段；

加热所述铝板达第二时间段；

降低剪切模具的同时供应电流达第三时间段以去除所述铝板的不需要的部分；以及

提升所述剪切模具达第四时间段。

9.如权利要求8所述的剪切方法，其中，所述铝板的温度范围为200℃至300℃。

10.如权利要求8所述的剪切方法，其中，所述第二时间段等于或大于8秒。

11.如权利要求8所述的剪切方法，其中，供应的电流的电流密度在70A/mm²至90A/mm²的范围内。

12.如权利要求8所述的剪切方法，其中，所述第三时间段在0.5秒至0.8秒的范围内。