CN1947932A - 深冷流体辅助成型方法 - Google Patents

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Abstract

工件成型方法，包括(a)提供工具和工件，其中工件具有初始形状；(b)使工件与工具接触，给工具和/或工件施加力并移动工具和/或工件，通过成型对工件的初始形状实施改变；以及(c)提供深冷流体射流并将基本上所有的深冷流体射流冲射到工具表面上。

Description

深冷流体辅助成型方法
背景技术
固体材料工件的构形可以通过各种方法改变：从工件移除材料；移除或不移除材料而将工件分成多片；或者改变工件的形状而无任何明显的材料移除。示例性的成形方法例如包括车/削、磨、钻、刻、锯、铣和刨。在这些成形方法中，加工期间从工件移除材料。在成型方法中，改变工件的形状、厚度、直径或任何其它物理构形而无任何明显的材料移除，或者将工件分成多片而无任何明显的材料移除。典型的成型方法例如包括挤出、冲压、压型、弯曲、切口加工、剪切、拉拔、锻造和冲孔。这些方法中的任一种都可用于固体金属或非金属材料。
成型方法的特征在于工具与工件的强制接触，在接触中工具使工件变形。在这个过程中，由工具与工件之间的表面摩擦生成外热，由工件材料的变形生成内热。为防止工具和工件过热，可将冷却剂或润滑剂/冷却剂组合流体如水-油乳状液涂到工具和/或工件上。冷却剂/润滑剂流体的冷却和润滑性质对于降低工具磨损和延长工具寿命很关键。冷却和润滑对于获得工件的期望尺寸、表面光洁度和形状也是重要的。冷却剂/润滑剂的第二功能是防止抛光表面的擦伤。可将各种添加剂和表面活性剂添加到冷却剂和润滑剂流体中来增强性能。在某些应用中，特别是金属加工应用中，用深冷流体来提供有效冷却。
这些方法已经被充分开发并广泛用于各种制造业的金属、塑料和其它材料上。尽管材料的成型技术已经充分开发，但是仍然需要进一步革新和改进成型方法。如下所述并由随后的权利要求限定的本发明的实施方式专门从事对这种需要的研究。
发明内容
本发明的一种实施方式涉及一种工件的成型方法，包括(a)提供工具和工件，其中工件具有初始形状；(b)使工件与工具接触，给工具和/工件施加力并移动工具和/或工件，通过成型对工件的初始形状实施改变；以及(c)提供深冷流体射流并将基本上所有的深冷流体(cryogenic fluid)射流冲射到工具表面上。
可用工具使工件塑性变形。可用工具将工件分成两片或多片。可将润滑剂施加到工具表面上的任何区域和/或工件表面上的任何区域。润滑剂可以包含深冷流体射流中夹带的粉末；可替代地，润滑剂可以是一种液体，在将基本上所有的深冷流体冲射到工具表面上的同时喷射到工具和/或工件上。当使用润滑剂时，工具和/或工件的表面能可能低于约38毫牛顿每米(38mN/m)。涂到工具和/或工件上的润滑剂量可能低于约100毫克每平方英寸。润滑剂可以是固体或半固体，并且可以通过挤压或涂抹将润滑剂施加到工具和/或工件上。工件可以包括金属。
通常，基本上没有工件的冷却由将深冷流体射流冲射到工具表面引起。深冷流体可以选自氮、氩、二氧化碳及其混合物。
成型方法可以选自轮廓和侧面滚轧成型(contour and profileroll forming)、强力旋压(power spinning)、滚锻(roll forging)、轨道锻造(orbital forging)、靴型夹带辊轧(shoe-type pinchrolling)、螺牙剪切(alligator shearing)、剪板剪切(guillotineshearing)、冲孔分离(punch parting)、回转剪切(rotary shearing)、横剪(line shearing)、纵切(slitting)、拔丝(wire and roddrawing)、拔管(tube drawing)、活动心轴拉拔(moving mandreldrawing)、冲孔拉拔(punch drawing)、活动插入矫直(moving insertstraightening)、压模(die)和冲压弯曲(punch press bending)、锤锻成型(hammer forming)和模锻(die forging)。
本发明的另一种实施方式包括一种工件成型方法，包括(a)提供工具和工件，其中工件具有初始形状；(b)使工件与工具接触，给工具和/或工件施加力并移动工具和/或工件，通过成型对工件的初始形状实施改变；以及(c)提供深冷流体射流并将至少部分的深冷流体射流冲射到工具表面上，而基本上没有深冷流体射流冲射到工件表面上。
本发明的一种可替代的实施方式涉及一种工件成型方法，包括(a)提供工具和工件，其中工件具有初始形状；(b)使工件与工具接触，给工具和/或工件施加力并移动工具和/或工件，通过成型对工件的初始形状实施改变；(c)提供深冷流体射流并将至少部分的深冷流体射流冲射到工具表面上；以及(d)终止工具与工件的接触；其中工具的几何平均温度会低于工件的几何平均温度。成型方法可以选自轮廓和侧面滚轧成型、强力旋压、滚锻、轨道锻造、靴型夹带辊轧、螺牙剪切、剪板剪切、冲孔分离、回转剪切、横剪、纵切、拔丝、拔管、活动心轴拉拔、冲孔拉拔、活动插入矫直、压模和冲压弯曲、锤锻成型和模锻。
本发明的另一种可替代的实施方式包括一种由以下方法制造的成型件，该方法包括(a)提供工具和工件，其中工件具有初始形状；(b)使工件与工具接触，给工具和/或工件施加力并移动工具和/或工件，通过成型对工件的初始形状实施改变；(c)提供深冷流体射流并将基本上所有的深冷流体射流冲射到工具表面上；以及(d)将工件成型为最终形状来提供成型件。
本发明的相关实施方式包括一种由以下方法制造的成型件，该方法包括(a)提供工具和工件，其中工件具有初始形状；(b)使工件与工具接触，给工具和/或工件施加力并移动工具和/或工件，通过成型对工件的初始形状实施改变；(c)提供深冷流体射流并将至少部分的深冷流体射流冲射到工具表面上，而基本上没有深冷流体射流冲射到工件表面上；以及(d)将工件成型为最终形状来提供成型件。
本发明的另一种相关实施方式涉及一种由以下方法制造的成型件，该方法包括(a)提供工具和工件，其中工件具有初始形状；(b)使工件与工具接触，给工具和/或工件施加力并移动工具和/或工件，通过成型对工件的初始形状实施改变；(c)提供深冷流体射流并将至少部分的深冷流体射流冲射到工具表面上；以及(d)将工件成型为最终形状来提供成型件；终止工具与工件的接触；其中工具的几何平均温度会低于工件的几何平均温度。
本发明的最终实施方式涉及用于处理工件的装置，该装置包括(a)工具和工件，其中工件具有初始形状；(b)使工件与工具接触形成界面的构件，给工具和/或工件施加力的构件、移动工具和/或工件对工件的初始形状实施改变的构件；以及(c)用于提供深冷流体射流并将至少部分的深冷流体射流冲射到工具表面上的深冷流体施加系统。成型装置可以选自轮廓和侧面滚轧成型系统、强力旋压系统、滚锻系统、轨道锻造系统、靴型夹带辊轧系统、螺牙剪切系统、剪板剪切系统、冲孔分离系统、回转剪切系统、横剪系统、纵切系统、拔丝系统、拔管系统、活动心轴拉拔系统、冲孔拉拔系统、活动插入矫直系统、压模和冲压弯曲系统、锤锻成型系统和模锻系统。
附图说明
图1A是冲射到靶面上的水或油基冷却剂流的飞溅形式的示意图。
图1B是冲射到靶面上的深冷流体冷却剂流的飞溅形式的示意图。
图2A是轮廓和侧面滚轧成型系统的示意图，图解根据本发明一种实施方式的深冷流体施加的位置。
图2B是工件变形前强力旋压系统的示意图，图解根据本发明一种实施方式的深冷流体施加的位置。
图2C是工件变形后强力旋压系统的示意图，图解根据本发明一种实施方式的深冷流体施加的位置。
图3是滚锻系统的示意图，图解根据本发明一种实施方式的深冷流体施加的位置。
图4是轨道锻造系统的示意图，图解根据本发明一种实施方式的深冷流体施加的位置。
图5是靴型夹带辊轧系统的示意图，图解根据本发明一种实施方式的深冷流体施加的位置。
图6是螺牙剪切系统的示意图，图解根据本发明一种实施方式的深冷流体施加的位置。
图7是剪板剪切系统的示意图，图解根据本发明一种实施方式的深冷流体施加的位置。
图8是冲孔分离系统的示意图，图解根据本发明一种实施方式的深冷流体施加的位置。
图9是回转剪切系统的示意图，图解根据本发明一种实施方式的深冷流体施加的位置。
图10是横剪系统的示意图，图解根据本发明一种实施方式的深冷流体施加的位置。
图11是纵切系统的示意图，图解根据本发明一种实施方式的深冷流体施加的位置。
图12是拔丝系统的示意图，图解根据本发明一种实施方式的深冷流体施加的位置。
图13是拔管(沉没)系统的示意图，图解根据本发明一种实施方式的深冷流体施加的位置。
图14是活动心轴拉拔系统的示意图，图解根据本发明一种实施方式的深冷流体施加的位置。
图15是冲孔拉拔系统的示意图，图解根据本发明一种实施方式的深冷流体施加的位置。
图16是活动插入矫直系统的示意图，图解根据本发明一种实施方式的深冷流体施加的位置。
图17A、17B、17C和17D是压模和冲压弯曲系统的示意图，图解根据本发明一种实施方式的深冷流体施加的位置。
图18是锤锻成型系统的示意图，图解根据本发明一种实施方式的深冷流体施加的位置。
图19是模锻系统的示意图，图解根据本发明一种实施方式的深冷流体施加的位置。
发明详述
成型操作通过在工具的接触应力下的塑性变形和/或剪切来改变被加工材料或工件的几何形状，所述工具在被加工材料或工件表面上以某些方式滑动。被加工材料与工具表面的这种相对移动或滑动会引起局部变热、工件表面软化、磨损和咬死或破裂。已经认识到有效冷却表面以及减小工具与被加工材料之间的粘着对于获得高生产率是关键，常规手段包括给被加工材料和工具的表面施加润滑冷却剂、油、金属皂和油脂。最常用的润滑介质包括带有硫和氯的直馏和化合油、石墨、蜡、氯化聚合物添加剂、溶剂、表面活性剂、磷、二硫化钼和杀生物剂。包含这些润滑介质的金属成型操作的典型实例包括冲裁(blanking)、穿孔(piercing)、纵切(slitting)、拉拔(drawing)、旋压(spinning)、滚轧(roll forming)以及锻造(forging)。由于近来认识到的这些润滑剂对健康、环境以及加工经济的负面效应，这种效应增加清洁操作的费用，因而期望使这些润滑剂最少化或免除。
本发明的实施方式通过用完全无害的、环境友好的清洁深冷气体替代或填充润滑介质，来免除润滑介质的使用或使之至少最少化，而不影响正常的金属成型速度。尽管不起润滑作用，但是气相、液相和多相形式的深冷气体能够将工具的表面冷却至使工具硬度损失及摩擦系数增加被抑制的点，并且与完全干态操作的情形相比，成型可以更有效地进行。由于传导和对流传热被深冷介质与靶材之间的大的温差增强，冷却对于材料的硬度、强度和耐冲击性的作用提高。由此，本发明的实施方式采用将一股快动深冷射流(或多股射流)冲射到成型工具的表面上，而避免或最小化致冷剂与被加工材料之间的接触。这使得工具保持期望的硬度和强度，而被加工材料在成型期间自由软化和塑性流动或剪切。
在本发明实施方式的试验工作支持开发期间，发现膨胀深冷射流在冲击工具表面后不飞溅，因而不接触和冷却被加工材料。由此，通过采用文中所述方法适当施加深冷流体，这种选择性冷却工具而非被加工材料是可能的。所述方法可用于金属成型操作，其中深冷冷却剂仅针对工具表面，从而工具附近的被加工材料不被显著冷却。通常，被加工材料的温度高于水的凝点，在一些实施方式中，工具的几何平均温度低于被加工材料或工件的几何平均温度。在另一些实施方式中，工具的几何平均温度高于工件的几何平均温度但是低于不利地影响工具性质(如硬度)的温度。
常规流体以及深冷流体流在工件上的冲射分别图示于图1A和1B中。图1A中，喷嘴1排出冲射到表面3上的冷却液体的喷沫或射流2(通常是环境温度或接近环境温度)。该液体可以是水、油、水/油乳液或其它类似液体。当液体冲射到表面上并将其冷却时，形成飞溅区3并且液滴5从该飞溅区选出。飞溅区3内可能发生些许蒸发，但是大部分冷却剂保持液相。当表面3是与工件(未示出)接触的工具表面时，这些液滴会落在工件上并将工件冷却。
在图1B中，喷嘴6排出冲射到表面8上并将其冷却的深冷液体的喷沫或射流7。强蒸发区9形成，在该区域内基本上所有的液相深冷流体都蒸发，没有显著量的未蒸发液体从该区域逸出。当表面8是与工件(未示出)接触的工具表面时，基本上不存在由逸出蒸发区的残余深冷液体引起的工件冷却。
当与工具的深冷冷却协作使用润滑剂时，可用多种方法来使润滑剂的量最小化。在一种实施方式中，可将微量油雾共喷射到工具的表面或者工具与被加工材料二者的表面上，同时将深冷流体喷射到工具上。可替代地或附加地，可将润滑剂材料微粒悬浮在喷射到工具表面的深冷流体中。在另一种实施方式中，可将微量固体润滑剂涂抹在工具或者工具与被加工材料二者的表面上。
由于近来认识到的常规润滑剂对健康、环境和加工经济的消极影响，清洁成型件的操作费用显著增加。因而，期望减少或免除这些润滑剂。本发明的实施方式通过在成型过程中采用完全无害的、环境友好的清洁深冷气体，免除或至少最少化润滑介质的使用而不影响正常的金属成型速度。
本公开内容中，将术语“成型”定义为一种过程，在该过程中，工件或被加工材料的形状通过与工具接触被改变，没有材料从工件移除或者没有任何实质量的材料从工件移除。非常小并且可忽略量的材料会因工具与工件之间的摩擦力而从工件磨耗掉。与成形过程相比，成型过程中没有材料通过磨、铣、刨、锯、钻、车以及类似工序而故意从工件移除。
本公开内容中，术语“深冷流体”是指温度低于约-100℃的气体、液体、固体或其任意混合物。用在本发明实施方式中的深冷流体例如包含氮、氩、二氧化碳或其混合物。润滑剂定义为任何不同油质液体和/或油脂固体，当施加于活动接触的部件上时，它减小摩擦、生热以及磨损。润滑剂可以是基本上无水的、或者可供选择地可以含有水。用在本发明中的示例性的润滑剂包括但不限于Quakerol-800，一种可从Quaker Chemical Corp.获得的润滑流体；Gulf Stainless MetalOils，由Gulf Lubricants生产；用于使非铁金属成型的Rolube 6001流体，可从General Chemical Corp.获得；以及用于成型、轧制、切削和打磨操作的许多其它矿物油、合成油或可溶油流体以及复配的蜡悬浮物。当用在本发明实施方式中时，可以考虑将油-水乳液作为润滑剂。
术语“施加”、“正在施加”或“被施加”在用于深冷流体时是指在工件与工具接触的同时，喷雾、喷射或者引导流体接触并冷却工具的任意外表面。在工具与工件断续接触的循环成型过程中，也可以将流体在工具/工件无接触的至少部分时间期间内施加到工具上。术语“施加”、“正在施加”或“被施加”在用于液体润滑剂时是指喷雾、喷射、注入、雾湿或者引导润滑剂接触工具或工件的表面并且渗透和/或注满工具和/或工件上的表面粗糙所形成的微观区域。术语“施加”、“正在施加”或“被施加”在用于固体或半固体润滑剂时是指压、擦、涂或者引导固体润滑剂接触工具或工件的表面并且渗透和/或注满工具和/或工件上的表面粗糙所形成的微观区域。
术语“表面”用于工具或工件时是指工具或工件的任意外表面。术语“区域”用于工具或工件时是指工具或工件任意外表面上的区域。
当将深冷流体的射流施加于工具表面时，基本上所有的射流冲射到工具的表面上。术语“基本上所有的”是指射流中至少90％的流体冲射到工具表面上。基本上没有深冷流体的射流冲射到工件上。术语“基本上没有”是指射流中少于10％的流体冲射到工件表面上。基本上没有工件冷却由深冷流体的射流冲射到工具上而引起。术语“基本上没有冷却”是指可能受到少量从工具表面偏离的深冷流体影响的工件的几何平均温度固与这种偏离深冷流体的接触而发生的变化小于10℃。
文中所用不定冠词“a”和“an”当用于说明书和权利要求书中所述本发明的实施方式中的任何特征时，是指一个或多个。“a”和“an”的使用不限于仅指单个特征，除非这种限定被特别说明。单数或复数名词或名词短语前的定冠词“the”是指特别指明的一个特征或特别指明的多个特征，依赖于用到它的上下文而具有单数或复数含义。形容词“任何”是指一个、一些或所有，无论数量如何。位于第一事物与第二事物之间的术语“和/或”是指(1)第一事物、(2)第二事物和(3)第一事物与第二事物三者中任一种。
工件的几何平均温度是指成型循环期间位于工件表面上的离散点(即工件表面上实现与工具表面接触的部分)对成型循环的时间长度所平均的算术平均温度。
工具的几何平均温度是指成型循环期间位于工具的工作表面上的离散点(即工具表面上实现与工件表面接触的部分)对成型循环的时间长度所平均的算术平均温度。对于旋转工具，位于工具的工作表面上的离散点是位于和/或极接近工具边界的点，成型循环的时间长度是该工具完全旋转一次所需的时间。对于间歇操作的工具(例如冲压机、成型锤、剪切刀或类似物)，位于工具的工作表面上的离散点是位于和/或极接近与工件接触的工具面的点，成型循环的时间长度是将工具移动、与工件接触以及从工件卸下所需的时间。
本发明的实施方式基于深冷冷却对于提高硬度和耐塑性流动性同时降低工具材料的耐冲击性的有益效果。冷却所需的热传导可以兼为传导和对流，而且可以被深冷流体与最初环境温度的工具材料之间大的温差所增强。因此，本发明采用将快速膨胀的深冷射流(或多股射流)冲射到成型工具的表面上，同时避免或最小化深冷流体与工件或被加工材料的接触。在该过程中，成型工具保持期望的硬度和强度而被加工材料不受热限制，即在成型过程期间在工具压力下自由软化和塑性流动或者剪切。
工具表面温度可以为室温或低于室温，可允许的温度低限取决于工具材质。对于碳工具钢和铁-马氏体工具钢，温度低限应当在约-30℃～约-50℃之间的范围内，因为低于此范围的温度将落在这些钢的脆韧性转变点(ductile-brittle transition point)之下而引起不期望的工具脆变。在碳化钨和/或碳化锰以及其它硬工具材料的情形中，设计在其脆态内操作，温度的低限可以与深冷射流的温度相同。
用于冷却工具表面的深冷流体可以包含气相、液相、固相或多相流。深冷流体可以为氮、氩、二氧化碳或其混合物。流体可以是液体、蒸汽或多相并且可以含有固体颗粒。一种有利的深冷流体是饱和沸腾液氮的射流，该射流在工具表面上产生大的热梯度，促进表面的快速冷却。用在本发明方法实施方式中的方法由这类射流的意想不到的性质成为可能。当射流(由许多深冷蒸汽包封中的微细液滴组成)冲射到表面上时，射流在冲击点上因沸逸去或蒸发，而不溅出去冷却邻近的表面和构件。这种射流可以方便地用于选择性冷却工具表面而无被加工材料的不期望冷却。这种观察到的射流行为与水或油基常规冷却剂射流的行为形成对比，常规射流倾向于溅出并冲射到周围表面上。
某些被加工材料(例如铝)和某些操作(如拉拔)以及苛刻的成型条件可能要求在工具与被加工材料之间的界面上使用少量润滑材料来防止摩擦熔结。在这些情形中，可以同时使用深冷流体射流和润滑材料。润滑材料可以是与致冷剂共喷的微量植物油雾。试验测试期间，与致冷剂共喷的油不引起油的雾气，可能是由于致冷剂将油滴冷却并使之变粘。这使得油滴比没有深冷冷却时更好地粘到靶面上，并且没有常规室温润滑剂喷雾技术中所观察到的油状雾气生成。
润滑材料可以是悬浮在深冷流体射流中的微米级或亚微米级粉末的悬浮液，无论该射流是液态或气态。这种细粉充当边界润滑、干燥介质，并且可以与深冷射流冷却相结合。最后，微润滑介质可以是通过擦抹涂在工具和/或被加工材料表面上的微量固体材料。该固体材料可以是硼砂、硼酸、六方氮化硼，或者公知降低摩擦系数和抑制界面反应的类似固体。
通常，硼基润滑剂可以在使非铁金属表面成型期间使用，例如铝表面；并且可以用在应当使碳污染最小化的成型操作中，例如在真空或气体气氛中操作的钨或钼发射电极表面的成型中。LuBorron LCC和BGL是液相原硼酸基润滑剂的例子，可从Advanced LubricationTechnology，Inc.获得。
润滑剂应当以非常小或微量施加，以使润滑剂层不能通过采用肉眼或放大镜的被施加表面表观检查轻易检测。这种微润滑层的存在可以通过采用任何常规测试方法测定润滑剂施加表面的表面能来检测，例如通过已知表面能的油墨扩散液滴。对于本发明的实施方式，微润滑被加工材料或工件的表面可以具有低于约38毫牛顿每米(38mN/m)的表面能，并且如果表面能高于约46mN/m，可以视为无润滑剂。在油基润滑剂的情形中，用于将表面能从46降至38mN/m所需的微润滑剂用量能够低于约100毫克每平方英尺工件和/或工具表面。
本发明的实施方式可以用于示例性的成形过程，例如，使用旋转工具用于轮廓和侧面滚轧成型、强力旋压、滚锻、轨道锻造和靴型夹带辊轧中工件的塑性变形。这些实施方式还可以用在如下示例性的使用：(a)用于螺牙剪切、剪板剪切、冲孔分离、回转剪切、横剪和纵切中的剪切和分离工具；(b)用于冲孔拉拔、拔丝、拔管和活动心轴拉拔中的拉拔工具；(c)用于压模和冲压弯曲、活动插入矫直、锤锻成型和模锻中的敲击成型工具。其它未列于此的成形方法也可依此处理用于本发明的实施方式中。
用于轮廓和侧面滚轧成型的本发明一种实施方式图示于图2A中。在这种成型方法中，平板进给工件(未示出)从上轮廓辊101与反向转动的下轮廓辊102之间供入，生产带凹槽成型品103。将深冷流体104供给喷雾进料管线和喷嘴105，形成冲射到上轮廓辊101的射流106，从而冷却该辊。另外地或可替代地，将深冷流体107供给喷雾进料管线和喷嘴108，形成冲射到下轮廓辊102的射流109，从而冷却该辊。基本上所有的深冷流体，即至少90％的深冷流体104和107以及射流106和109会冲射到辊上。使用深冷流体可以将每个辊冷却至低于带凹槽成型品103几何平均温度的几何平均温度，随后终止辊101和102与成型品103的接触。
用于强力旋压的本发明另一种实施方式图示于图2B和2C中。在这种成型方法中，将原坯和工件201(图2B)放在由转盘203旋转的心轴202的顶上。辊205与旋转工件接触并通过垂直定位器206向下施加力到工件上，由此改变工件的形状，成为图2C和2B中所示的最终成形品207。成形期间，将深冷流体208供给喷雾进料管线和喷嘴209，形成冲射到辊205的射流210，从而冷却该辊。基本上所有的深冷流体，即至少90％的深冷流体208以及射流210会冲射到辊上。使用深冷流体可以将辊冷却至低于最终成形品207几何平均温度的几何平均温度。
用于滚锻的本发明另一种实施方式图示于图3中。在这种成型方法中，将平板进给工件(未示出)供给上辊模302与反向转动的下辊模303之间的台架301上，生产带滚锻品(未示出)。将深冷流体304供给喷雾进料管线和喷嘴305，形成冲射到上辊模302的射流306，从而冷却该辊模。另外地或可替代地，将深冷流体307供给喷雾进料管线和喷嘴308，形成冲射到下辊模303的射流309，从而冷却该辊模。基本上所有的深冷流体，即至少90％的深冷流体304和307以及射流306和309会冲射到辊上。使用深冷流体可以将每个辊冷却至低于滚锻品几何平均温度的几何平均温度。
用于轨道锻造的本发明另一种实施方式图示于图4中。在这种成型方法中，最先将平板进给工件(未示出)放在下型模401上。当两个型模同向旋转时放低上型模402并挤压该进给工件。当上型模402(其为凸面)抵着下型模401(其为凹面)旋转时，工件成型，生成轨道锻造成品件403。将深冷流体404供给喷雾进料管线和喷嘴405，形成冲射到上型模402的射流406，从而冷却该型模。另外地或可替代地，将深冷流体407供给喷雾进料管线和喷嘴408，形成冲射到下型模401的射流409，从而冷却该辊模。基本上所有的深冷流体，即至少90％的深冷流体404和407以及射流406和409会冲射到型模上。使用深冷流体可以将每个型模冷却至低于轨道锻造品403几何平均温度的几何平均温度。
用于靴型夹带辊轧的本发明另一种实施方式图示于图5中。在这种成型方法中，将工件501放在靴502的顶上并与辊503、504和505接触。将辊与靴如图所示定位以轧辊弯曲工件。轧辊期间，将深冷流体506供给喷雾进料管线和喷嘴507，形成冲射到靴502上的射流508，从而冷却该靴。基本上所有的深冷流体，即至少90％的深冷流体506以及射流507会冲射到靴上。使用深冷流体可以将靴冷却至低于最终辊弯(roll-bent)工件509几何平均温度的几何平均温度。
用于螺牙剪切的本发明另一种实施方式图示于图6中。在这种成型方法中，将进给工件(未示出)放在上刀片601与下刀片602之间。上刀片向下移动抵住工件，给它施加力抵住下刀片602，由此形成剪切力，从进给工件切割和分离成品片(未示出)。切割期间，将深冷流体603供给喷雾进料管线和喷嘴604，形成冲射到下刀片602的射流605，从而冷却该刀片。另外地或可替代地，将深冷流体606供给喷雾进料管线和喷嘴607，形成冲射到上刀片601的射流608，从而冷却该刀片。基本上所有的深冷流体，即至少90％的深冷流体603和606以及射流605和608会冲射到刀片上。使用深冷流体可以将每个刀片冷却至低于成品片几何平均温度的几何平均温度。
用于剪板剪切的本发明另一种实施方式图示于图7中。在这种成型方法中，将进给工件(未示出)放在上刀片701与下刀片702之间。上刀片向下移动抵住工件，给它施加力抵住下刀片702，由此形成剪切力，从进给工件切割和分离成品片(未示出)。切割期间，将深冷流体703供给喷雾进料管线和喷嘴704，形成冲射到下刀片702的射流705，从而冷却该刀片。另外地或可替代地，将深冷流体706供给另一喷雾进料管线和喷嘴(在上刀片701和刀柄706的后面，看不见)形成冲射到上刀片701后侧的射流，从而冷却该刀片。基本上所有的深冷流体，即至少90％的深冷流体703和射流705以及冷却上刀片701的流体和射流会冲射到刀片上。使用深冷流体可以将每个刀片冷却至低于成品片几何平均温度的几何平均温度。
用于冲孔分离的本发明另一种实施方式图示于图8中。在这种成型方法中，将进给工件801放在下固定支撑物(未示出)上，该支撑物具有足够的空隙允许冲压机802充分垂直运动。冲压机向下移动抵住工件，给它施加力抵住下固定支撑物，由此形成剪切力，从进给工件801切割和分离废片803，由此形成成品片804a和804b。冲压期间，将深冷流体805供给喷雾进料管线和喷嘴806，形成冲射到冲压机802的射流807，从而冷却冲压机。另外地或可替代地，可将深冷流体供给另一喷雾进料管线和喷嘴(在冲压机802的后面，看不见)形成冲射到冲压机后侧的射流，从而冷却冲压机。基本上所有的深冷流体，即至少90％的深冷流体805和射流806以及冷却冲压机802背面的流体和射流会冲射到冲压机上。使用深冷流体可以将冲压机冷却至低于成品片几何平均温度的几何平均温度。
用于回转剪切的本发明另一种实施方式图示于图9中。在这种成型方法中，将进给工件901放在上回转刀具902与下回转刀具903之间。上回转刀具902向下移动抵住工件，给它施加力抵住下回转刀具903，由此形成剪切力，从进给工件901切割和分离成品片(未示出)。切割期间，将深冷流体904供给喷雾进料管线和喷嘴905，形成冲射到上回转刀具902的射流906，从而冷却该刀具。另外地或可替代地，将深冷流体907供给喷雾进料管线和喷嘴908，形成冲射到下回转刀片903的射流909，从而冷却该刀具。基本上所有的深冷流体，即至少90％的深冷流体904和907以及射流906和909会冲射到回转刀具上。使用深冷流体可以将每个刀具冷却至低于成品片几何平均温度的几何平均温度。
用于横剪的本发明另一种实施方式图示于图10中。在这种成型方法中，将卷材(coilstock)1001放在辊式矫直机1003与上弓形台(over hump table)1004之间。固定剪床(stationary shear)1005将矫直的坯料切割成产品片，产品片经过上量规台(over gagetable)1006和存储站，上量规台具有可伸缩的挡板，当切割片1007从量规台送出时，存储站将其存储。将深冷流体1008供给喷雾进料管线和喷嘴1009，形成冲射到固定剪床1005的刀片上的射流1010，从而冷却该刀片。基本上所有的深冷流体，即至少90％的深冷流体1008以及射流1010会冲射到刀片上。使用深冷流体可以将刀片冷却至低于经过上量规台1006的每个成品片几何平均温度的几何平均温度。
用于纵切的本发明另一种实施方式图示于图11中。在这种成型方法中，纵切如下实现：供给来自拆卷机1101的坯料，使伸直带1102穿过纵切机1103，在此伸直带从安装在旋转柄轴(arbor)上的略微重叠的环形刀片之间穿过。经切分的带材产品1105由重卷机1106处理，同时卷起所有经切分的带材。将深冷流体1107供给喷雾进料管线和喷嘴1108，形成冲射到环形刀片1104上的射流1109，从而冷却刀片。基本上所有的深冷流体，即至少90％的深冷流体1107以及射流1109会冲射到刀片上。使用深冷流体可以将刀片冷却至低于每个成品带1105几何平均温度的几何平均温度。
用于拉丝的本发明另一种实施方式图示于图12中。在这种成型方法中，提供具有给定直径的进给工件1201穿过型模1202，使进给工件变形并减小直径至生成具有减小直径的拉制品1203。将深冷流体1204供给喷雾进料管线和喷嘴1205，形成冲射到型模1202上的射流1206，从而冷却型模。可在型模上其它的径向位置施加额外的深冷流体(未示出)。基本上所有的深冷流体，即至少90％的深冷流体1204以及射流1206(和/或在型模上其它径向位置施加的深冷流体)会冲射到型模上。使用深冷流体可以将型模1202冷却至低于拉制品1203几何平均温度的几何平均温度。
用于伸缩管材的本发明另一种实施方式图示于图13中。在这种成型方法中，提供具有给定外径的进给管状工件1301穿过制约在框架1303内的型模1302，使进给工件变形并减小直径至生成具有减小直径的拉制管状产品1304。将深冷流体1305供给喷雾进料管线和喷嘴1306，形成冲射到型模1302上的射流1307，从而冷却型模。深冷流体可以施加于型模上的任何位置，包括一个以上位置。除了将深冷流体施加于型模上之外或者作为它的替代方案，可将深冷流体通过深冷流体1308、进料管线和喷嘴1309以及射流1310施加于框架1303上的任何位置。基本上所有的深冷流体，即至少90％的深冷流体1305以及射流1307(和/或在型模上其它径向位置和框架上的位置施加的深冷流体)会冲射到型模和框架上。使用深冷流体可以将每个型模1302和框架1303冷却至低于拉制品1304几何平均温度的几何平均温度。
用于用移动心轴拔管的本发明另一种实施方式图示于图14中。在这种成型方法中，将具有给定外径的工件1401用活动心轴推送穿过型模1402，使进给工件变形并减小直径至生成具有减小直径的拉制成品片(未示出)。将深冷流体1404供给示例性喷雾进料管线和喷嘴1405，形成冲射到型模1402上的射流1406，从而冷却型模。深冷流体可以施加于型模上的任何位置(包括一个以上位置)。除了将深冷流体施加于型模上之外或者作为它的替代方案，可将深冷流体通过深冷流体1407、进料管线和喷嘴1408以及射流1409施加于心轴1403上的任何位置。可在心轴处于轴向运动的任何位置时进行这种施加。基本上所有的深冷流体，即至少90％的深冷流体1404以及射流1406(和/或在型模上其它径向位置和心轴上的位置施加的深冷流体)会冲射到型模和心轴上。使用深冷流体可以将每个型模1402和心轴1403冷却至低于拉制成品几何平均温度的几何平均温度。
用于用活动冲压机冲孔拉拔的本发明另一种实施方式图示于图15中。在这种成型方法中，提供具有接收槽或定位器1502的型模1501以支撑给进工件坯(未示出)。通过冲压机1503向下轴向移动穿过所示型模使工件坯变形，形成成品片1504。将深冷流体1505供给示例性喷雾进料管线和喷嘴1506，形成冲射到型模1501上的射流1507，从而冷却型模。深冷流体可以施加于型模上的任何位置，包括一个以上位置。除了将深冷流体施加于型模上之外或者作为它的替代方案，可将深冷流体通过深冷流体1508、进料管线和喷嘴1509以及射流1510施加于冲压机1503上的任何位置。基本上所有的深冷流体，即至少90％的深冷流体1505以及射流1507(和/或在型模上其它径向位置和冲压机上的位置施加的深冷流体)会冲射到型模和冲压机上。使用深冷流体可以将每个型模1501和冲压机1503冷却至低于成品片1504几何平均温度的几何平均温度。
用于活动插入矫直的本发明另一种实施方式图示于图16中。将工件1601安置在位于工具基底1604上的两排活动插件1602与1603之间。使工件经历活动插件的一系列互发敲击，使工件以设定的量过度弯曲。循环过程中逐步减小活动幅度，直到它接近直线，在该点生成矫直工件成品。弯曲活动的程度以及弯曲循环的次数可调，并且可以改变插入间隙以适应各种软化的或热处理的构件。可用深冷流体冷却一些或全部活动插件1602和1603。为对此进行说明，示出将深冷流体1605供给喷雾进料管线和喷嘴1606，形成冲射到插件1602上的射流1607，从而冷却插件。为进一步说明，示出将深冷流体1608供给喷雾进料管线和喷嘴1609，形成冲射到插件1603上的射流1610，从而冷却插件。深冷流体可以施加于插件上的任何位置。基本上所有的深冷流体，即至少90％的深冷流体1605和1608以及射流1607和1610(以及在插件上的其它位置施加的深冷流体)会冲射到插件上。使用深冷流体可以将每个插件冷却至低于矫直工件成品几何平均温度的各自的几何平均温度。
用于压弯成型的本发明其它的实施方式图示于图17A、17B、17C和17D中。在此过程中，冲压机1701、1702、1703和1704各自分别给型模1705、1706、1707和1708施加力，分别生成成型工件1709、1710、1711和1712。将深冷流体施加给图17A、17B、17C和17D每个中的冲压机和型模之一或二者。图17A图示通过喷雾进料管线和喷嘴1714施加深冷流体1713，形成冲射到冲压机1701上的射流1715，由此将冲压机冷却。还图示了通过喷雾进料管线和喷嘴1717施加深冷流体1716，形成冲射到型模1705上的射流1718，由此将型模冷却。
图17B图示通过喷雾进料管线和喷嘴1720施加深冷流体1719，形成冲射到冲压机1702上的射流1721，由此将冲压机冷却。还图示了通过喷雾进料管线和喷嘴1723施加深冷流体1722，形成冲射到型模1706上的射流1724，由此将型模冷却。
图17C图示通过喷雾进料管线和喷嘴1726施加深冷流体1725，形成冲射到冲压机1703上的射流1727，由此将冲压机冷却。还图示了通过喷雾进料管线和喷嘴1729施加深冷流体1728，形成冲射到型模1707上的射流1730，由此将型模冷却。
图17D图示通过喷雾进料管线和喷嘴1732施加深冷流体1731，形成冲射到冲压机1704上的射流1733，由此将冲压机冷却。还图示了通过喷雾进料管线和喷嘴1735施加深冷流体1734，形成冲射到型模1708上的射流1736，由此将型模冷却。
深冷流体可以施加于图17A、17B、17C和17D中任何冲压机和型模的任何位置。基本上所有的深冷流体，即图17A、17B、17C和17D中至少90％的每种深冷流体以及相应的射流都会冲射到各自的冲压机或型模上。使用深冷流体可以将每个冲压机和型模冷却至低于成型工件成品几何平均温度的各自的几何平均温度。
用于落锤成型的本发明另一种实施方式图示于图18中。将工件(未示出)放在冲压机1801与型模1802之间，降低冲压机挤压工件和型模一次或多次，由此将工件成型生成最终成型制品。这种动力落锤可以以罐1803中的压缩空气为动力，驱动活塞1804、连接杆1805和撞槌1806来使冲压机1801降低。深冷流体可以施加给冲压机和型模之一或二者。图18图示通过喷雾进料管线和喷嘴1808施加深冷流体1807，形成冲射到冲压机1801上的射流1809，由此将冲压机冷却。还图示了通过喷雾进料管线和喷嘴1811施加深冷流体1810，形成冲射到型模1802上的射流1812，由此将型模冷却。基本上所有的深冷流体，即图18中至少90％的每种深冷流体以及相应的射流会冲射到各自的冲压机和型模上。使用深冷流体可以将冲压机和型模冷却至低于最终成型制品几何平均温度的各自的几何平均温度。
用于开模锻造的本发明另一种实施方式图示于图19中。在这种成型方法中，将工件(未示出)放在顶模1901与底模1902之间，降低顶模挤压工件和底模一次或多次，由此将工件成型生成最终成型制品。这种开模锻造可以以罐1903中的蒸汽为动力，驱动活塞杆1904和撞槌1905来使顶模1901移动抵住底模1902。深冷流体可以施加给冲压机和型模之一或二者。图19图示通过喷雾进料管线和喷嘴1907施加深冷流体1906，形成冲射到顶模1901上的射流1908，由此将顶模冷却。还图示了通过喷雾进料管线和喷嘴1910施加深冷流体1909，形成冲射到底模1902上的射流1911，由此将底模冷却。基本上所有的深冷流体，即图19中至少90％的每种深冷流体以及相应的射流会冲射到各自的型模上。使用深冷流体可以将每个型模冷却至低于最终成型制品几何平均温度的各自的几何平均温度。
在上述参照图1-19的举例说明中，工件通常可由金属或合金制成。可替代地，这些方法中的任一种都可用于非金属材料制造的工件，该工件能够被塑性变形、剪切、切割或者如上所限定不移除材料而成型。
可以通过喷雾、喷射或者引导流体接触并冷却工具表面来将深冷流体施加到期望的表面上。可以采用本领域中已知的任何方法，示例性的方法描述在美国专利6,513,336B2、6,564,682B1和6,675,622B2以及美国专利公开20040237542A1、20050211029A1、20050016337A1、20050011201A1和20040154443A1中，所有这些由此全文引入作为参考。
可以使用释放带压深冷流体或多相深冷流体的任何类型的喷嘴或末端开口的管材。排出流体(在喷嘴出口解压的流体)的动力学条件通常是这样的：排出导致液相部分蒸发，并且至少部分这种液体分裂成微细的、迅速移动的深冷液滴。在20-220psig范围的通常供料压力下，排出的深冷流体的通常流速会在0.25-1.0lb每分钟每喷嘴的范围内。排出的液体和蒸气在排出温度和压力下通常是平衡饱和的；可替代地，液体可以是略微过冷，通常低于给定压力下的饱和温度几℃至约20℃。
可以使用任何适宜的液体润滑剂，液体润滑剂可以基本上无水，或者可替代地也可以含有水。液体润滑剂是温度在约-40℃～约+40℃范围内的液体。油-水乳液可在本发明的实施方式中用在润滑剂。任何商业可以获得的切削油或切削流体都可用于提供该润滑剂。以上给出了用于本发明实施方式中的示例性液体润滑剂。
固体润滑剂(例如固体石蜡)或半固体润滑剂(例如可泵油脂或其它可流动材料)可以用于替代(或辅助添加)液体润滑剂。固体润滑剂是指温度为室温或更低的固体，例如低于约40℃。一些固体润滑剂可以在高于40℃的温度下保持固态。可以使用任何适宜的固体或半固体润滑剂，该润滑剂可以基本上无水，或者可替代地也可以含有水。固体或半固体润滑剂的施加通常通过压、擦、涂或者引导固体润滑剂接触工具或工件的表面并且渗透和/或注满工具和/或工件上的表面粗糙所形成的微观区域。固体或半固体润滑剂施加的表面区域能够以与上面对液体润滑剂所述相同的方式冷却。在大多数实施方式中，在将区域冷却之前施加固体或半固体润滑剂。

Claims (21)

1.一种工件的成型方法，包括：
(a)提供工具和工件，其中工件具有初始形状；
(b)使工件与工具接触，给工具和/或工件施加力并移动工具和/或工件，通过成型对工件的初始形状实施改变；以及
(c)提供深冷流体射流并将基本上所有的深冷流体射流冲射到工具表面上。
2.权利要求1的方法，其中用工具使工件塑性变形。
3.权利要求1的方法，其中用工具将工件分成两片或多片。
4.权利要求1的方法，进一步包括将润滑剂施加到工具表面上的任何区域和/或工件表面上的任何区域。
5.权利要求4的方法，其中润滑剂包含夹带在深冷流体射流中的粉末。
6.权利要求4的方法，其中润滑剂是一种喷射到工具和/或工件上的液体，并结合将基本上所有的深冷流体冲射到工具表面上。
7.权利要求6的方法，其中工具和/或工件的表面能低于约38毫牛顿每米(38mN/m)。
8.权利要求6的方法，其中涂到工具和/或工件上的润滑剂量低于约100毫克每平方英寸。
9.权利要求4的方法，其中润滑剂是固体或半固体，并且通过挤压或涂抹将润滑剂施加到工具和/或工件上。
10.权利要求1的方法，其中基本上没有工件的冷却受到将深冷流体射流冲射到工具表面的影响。
11.权利要求1的方法，其中工件包含金属。
12.权利要求1的方法，其中深冷流体选自氮、氩、二氧化碳及其混合物。
13.权利要求1的方法，其中成型方法选自轮廓和侧面滚轧成型、强力旋压、滚锻、轨道锻造、靴型夹带辊轧、螺牙剪切、剪板剪切、冲孔分离、回转剪切、横剪、纵切、拔丝、拔管、活动心轴拉拔、冲孔拉拔、活动插入矫直、压模和冲压弯曲、锤锻成型和模锻。
14.一种工件成型方法，包括：
(a)提供工具和工件，其中工件具有初始形状；
(b)使工件与工具接触，给工具和/或工件施加力并移动工具和/或工件，通过成型对工件的初始形状实施改变；以及
(c)提供深冷流体射流并将至少部分的深冷流体射流冲射到工具表面上，而基本上没有深冷流体射流冲射到工件表面上。
15.一种工件成型方法，包括：
(a)提供工具和工件，其中工件具有初始形状；
(b)使工件与工具接触，给工具和/或工件施加力并移动工具和/或工件，通过成型对工件的初始形状实施改变；
(c)提供深冷流体射流并将至少部分的深冷流体射流冲射到工具表面上；以及
(d)终止工具与工件的接触；
其中工具的几何平均温度低于工件的几何平均温度。
16.权利要求15的方法，其中成型方法选自轮廓和侧面滚轧成型、强力旋压、滚锻、轨道锻造、靴型夹带辊轧、螺牙剪切、剪板剪切、冲孔分离、回转剪切、横剪、纵切、拔丝、拔管、活动心轴拉拔、冲孔拉拔、活动插入矫直、压模和冲压弯曲、锤锻成型和模锻。
17.一种由以下方法制造的成型件，该方法包括：
(a)提供工具和工件，其中工件具有初始形状；
(b)使工件与工具接触，给工具和/或工件施加力并移动工具和/或工件，通过成型对工件的初始形状实施改变；
(c)提供深冷流体射流并将基本上所有的深冷流体射流冲射到工具表面上；以及
(d)将工件成型为最终形状来提供成型件。
18.一种由以下方法制造的成型件，该方法包括：
(a)提供工具和工件，其中工件具有初始形状；
(b)使工件与工具接触，给工具和/或工件施加力并移动工具和/或工件，通过成型对工件的初始形状实施改变；
(c)提供深冷流体射流并将至少部分的深冷流体射流冲射到工具表面上，而基本上没有深冷流体射流冲射到工件表面上；以及
(d)将工件成型为最终形状来提供成型件。
19.一种由以下方法制造的成型件，该方法包括：
(a)提供工具和工件，其中工件具有初始形状；
(b)使工件与工具接触，给工具和/或工件施加力并移动工具和/或工件，通过成型对工件的初始形状实施改变；
(c)提供深冷流体射流并将至少部分的深冷流体射流冲射到工具表面上；以及
(d)将工件成型为最终形状来提供成型件，终止工具与工件的接触；
其中工具的几何平均温度低于工件的几何平均温度。
20.一种用于处理工件的装置，该装置包括：
(a)工具和工件，其中工件具有初始形状；
(b)使工件与工具接触形成界面的构件，给工具和/或工件施加力的构件、移动工具和/或工件对工件的初始形状实施改变的构件；以及
(c)用于提供深冷流体射流并将至少部分的深冷流体射流冲射到工具表面上的深冷流体施加系统。
21.权利要求20的装置，其中成型装置选自轮廓和侧面滚轧成型系统、强力旋压系统、滚锻系统、轨道锻造系统、靴型夹带辊轧系统、螺牙剪切系统、剪板剪切系统、冲孔分离系统、回转剪切系统、横剪系统、纵切系统、拔丝系统、拔管系统、活动心轴拉拔系统、冲孔拉拔系统、活动插入矫直系统、压模和冲压弯曲系统、锤锻成型系统和模锻系统。
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