CN107000000A - 变形工具的表面毛化 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造变形工具(2)的方法，变形工具(2)具有结构化的压印面(4)，压印面(4)可与基材(1)的表面接触以用于使基材塑性变形，其中，方法具有：确定待在基材(1)上制造的目标结构；使目标结构几何扭曲，由此获得压印图像结构；使压印图像结构逆反，由此获得用于压印面(4)的压印结构；根据压印结构制造变形工具(2)的压印面(4)。

Description

变形工具的表面毛化

技术领域

本发明涉及一种用于制造变形工具的方法，变形工具具有结构化的压印面，该压印面可与基材的表面接触以用于使基材塑性变形。此外，本发明涉及这种变形工具。

背景技术

在塑性变形过程中，常常使用具有特别是结构化的表面纹理的压印面，例如在轧钢机中的工作轧辊的表面。在此，目标是，通过塑性变形将压印面的表面结构的压制图案压到基材的相关表面中。出于外观的、摩擦学的、材料技术的、接合技术的原因或者由这些原因的组合，激发了这种与可能已经存在的由材料和/或工艺所引起的表面附近的粗糙度结构相叠加的压印。

在所谓的矫平方法中，用于板材表面压印的示例性工艺流程简要概括如下：在冷轧时，使用具有限定的粗糙度的轧辊，以满足用于变形的夹紧条件和润滑条件。例如已知的是，使冷轧制机组的最后一个轧辊对变粗糙，以便在退火时卷材的各个圈的表面不会粘住。在轧制过程期间，将轧辊的粗糙度压印到板材上。在冷轧之后，使板材退火，以为紧接着的拉深建立所需的变形性。出于工艺技术的原因，在退火期间难以避免表面结构的变化。在退火之后，板材此外具有突出的屈服强度，这在变形时可导致流变图形。通过随后在矫平机架中的板材再轧制，可减少或消除这种大多不期望的效应。同时，再轧制用于制造最终的表面纹理。通过矫平轧辊带来的结构与通过冷轧和退火施加的结构叠加。

为了特别是在矫平轧辊上制造压印结构，多种方法可供使用；其中包括所谓的“喷丸毛化”(SBT)、“电火花毛化”(EDT)、“激光毛化”(LT)、“电子束毛化”(EBT)、普里泰克斯法。

在基材变形以用于为表面给出结构时，不仅在表面的附近发生塑性形变，而且该过程引起沿着至少另一主方向的材料流动。为了在轧制过程的示例中保持，在这种情况中进行首先导致伸长的基材的厚度减小。伸长大多是期望的且此外不可避免。其导致材料在轧制方向上的拉长。不会或者几乎不会发生横向于轧制方向的拉长。

伸长、或者更通常地说沿着一个或多个主方向的形变的结果是，在表面上存在的或被施加到表面上的结构相应于沿着主方向的形变尺度(在轧制时相应于厚度减小或伸长的尺度)进行几何扭曲。原来圆形的结构例如形变成其主轴平行于轧制方向的椭圆形。

通过这种由工艺所引起的扭曲可相当显著地损害压制图案的质量。通常，力求无扭曲的图像，然而仅仅当避免沿着不属于毛化方向的这种方向、即沿着上述主方向的变形时，才能出现这种情况。由此，在塑性变形和表面毛化之间显著的目标冲突在于，压制图案的高的质量与高的变形度冲突。在质量流恒定时，沿着一个或多个主方向的高的变形度，即，例如材料的剧烈减少又提升了生产率。就此而言，生产率提高也与力求的表面纹理的质量冲突。

虽然主要在作为用于塑性变形的示例性方法的轧制过程的情景中阐述了表面毛化的上述问题，在其他塑性机械变形方法和不连续的过程中也出现困难，其中包括锻造、压制、冲压、电镀等。

发明内容

本发明的目标在于，给出一种变形工具以及用于制造变形工具的方法，利用其可在改善压制图案质量同时实现高的变形度。

该目标通过具有权利要求1所述的特征的方法和具有权利要求10所述的特征的变形工具实现。从本发明的从属权利要求、随后的附图以及对优选的实施例的描述中得到有利的改进方案。

根据本发明的方法用于制造具有结构化的压印面的变形工具。该结构化的压印面可与基材的表面接触以用于使基材塑性变形。在优选的轧制过程的情况中，基材例如为待轧制的金属板，并且作为压印面优选地考虑工作轧辊、例如矫平轧辊的周面。然而，本发明也适合用于其他变形方法，例如锻造、压制、冲压或电镀。

首先，确定待在基材上制造的目标结构，其也被称为纹理。在此，其为期望的、待借助于塑性变形制造的表面轮廓。目标结构例如可明确地作为二维函数表示为，与表面上的位置相关的峰轮廓和谷轮廓。优选地，目标结构设计成各向同性的，也就是说至少在确定的方面与方向无关。目标结构的定义也可包含粗糙度的尺度(平均粗糙度、平方粗糙度、平均的粗糙度深度、尖端数等)。过去，在高粗糙度或高变形度的结构中，目标结构的不期望的扭曲特别明显。本发明解决了该问题，并且就此而言本发明特别适合用于这种类型的目标结构。

紧接着，使目标结构几何扭曲，由此获得在本文中应被称为压印图像结构的结构。几何扭曲特别是包括目标结构的镦粗和拉长。这种转变的意义在于，补偿沿着一个或多个主方向的绝对必要的且大多期望的基材形变。如下这样的方向被称为主方向，即，其不是通过轮廓化或毛化确定，然而在给出轮廓期间沿着该方向发生基材的塑性变形。如果变形方法例如为以上阐述的轧制方法，前述的主方向相应于轧制方向；因为沿着轧制方向发生材料的拉长或伸长，该拉长或伸长通过轧制作用实现，但是不通过实际的结构给出实现。相反地，不发生或者至少几乎不发生横向于轧制方向(在基材的平面中)的伸长，从而在轧制过程中可以沿着仅仅一个主方向的变形为出发点。换句话说这意味着：在长度方向上和厚度方向上进行平面的变形，但在宽度方向上不进行，从而在表面方面，仅仅在一个主方向上、即在长度方向上表现出形变。然而，通用地说，可沿着多个主方向发生变形。在轧制的情况中，由此几何的转变补偿了在轧制方向上的基材伸长。如果目标结构例如由多个圆形组成，则其在几何扭曲的范围中有意识地且有意地将其镦粗成椭圆形，其中，该椭圆形的主轴横向于轧制方向。

紧接着使压印图像结构逆反，由此获得被称为压印结构的结构。之后，根据由此获得的压印结构加工变形工具的压印面。换句话说，压印结构是变形工具的压印面应设有的结构。

本发明能够实现从工具到基材上的高的压制度，而不会在目标纹理处产生无意的扭曲。可实现高的粗糙度，而其不对目标结构的质量起到负面作用。特别是，利用在此提出的方法可以高的变形度产生均匀的和/或各向同性的结构。与之前的可直接看到扭曲的随机结构不同。为了提高质量，过去需要大的轧辊直径、小的变形度和/或其他有缺陷的技术解决方案。本发明解决了这些问题。特别是，本发明在外观的、摩擦学的、材料技术的、接合技术的特性和/或这些特性或其他特性的组合方面为表面质量改善做出了贡献。这全都可结合所述高的变形度或压制度实现，由此，在不改变变形设备结构的情况下实现了生产率的提高。由此，可在工具改变很少的情况下实现本发明。

优选地，通过传递函数描述目标结构，其参数或变量包含压印结构和一个或多个工艺参数。在此，工艺参数描述在沿着一个或多个主方向塑性变形期间基材的变形特性。在本文中，术语“工艺参数”理解成通用的，并且与描述变形工具特性的参数相同地包括待加工的基材的参数。例如，沿着主方向的形变可与基材厚度，例如在轧制时的板厚度或带厚度相关。此外，变形性可与材料的流动应力相关。几何参数、在轧制过程中例如为轧辊的直径同样可影响基材的变形特性。轧辊直径越大，则在轧制方向上的伸长越小。在这方面可起到作用的其他参数是：压印速度、例如在轧制过程中的轧制速度，在变形时沿着一个或多个主方向的拉力，在压印工具和基材之间的摩擦系数和/或其他用于材料伸长的尺度。

优选地，压印结构具有各向异性的几何特性，其在目标结构中的对应物是各向同性的。在此，压印结构在其整体中可为各向异性的，也就是说与方向相关(相似地，目标结构在其整体中是各向同性的，也就是说，与方向无关)，或者结构的仅仅一个或多个几何特性可设置成各向异性或各向同性的。例如，如果目标结构由多个圆形组成，那么这些圆形可各向异性地分布。虽然如此，该结构可具有相应的各向同性的特性(圆形)。在压印结构中，这些圆形可被镦粗成椭圆。

所谓的“喷丸毛化”(SBT)、“电火花毛化”(EDT)、“激光毛化”(LT)、“电子束毛化”(EBT)、普里泰克斯法适合用于制造压印面。在“喷丸毛化”中，由叶轮将宏观的颗粒加速到压印面上。在撞到压印面上时，颗粒使表面塑性变形并且必要时将材料击出。可通过叶轮的速度、喷丸、压印面的硬度、喷丸流量和/或加工持续时间调整粗糙度。在“电火花毛化”中，使电极驶向优选地运动的压印面(例如旋转的轧辊表面)，但不与其接触。通过发电机的高压脉冲，在电极和基材之间产生足够高的电场强度，从而在两个极之间的电介质中产生火花放电。燃烧电流在形成的电弧的等离子体中流动。

压印面的小的区域被熔化。在电介质中形成气泡。在切断腐蚀脉冲时，气泡内爆，并且熔化的材料被甩出。除了压印面的硬度，还可通过参数，例如电压、电流、控制时间和电极的距离调整粗糙度。与SBT相比，利用EDT可以更高的可再现性制造更高的尖端数和更小的粗糙度。在“激光毛化”中，使激光射线聚焦到压印面上，并且使表面的小的区域熔化。斩波器轮或合适的电子操控装置中断射线，并且熔化物通过等离子体的压力和惰性气体被吹出。在此，熔化物聚集成围绕熔口边缘的拱起部或者累积在熔口的一侧并且在此处凝固。为了调整粗糙度，考虑例如激光功率、激光射线的进给量、斩波器转速以及惰性气体。在“电子束毛化”中，使用电子射线用于熔化压印面的材料。使被熔化的材料的一部分蒸发，从而蒸汽压力使熔化物围绕熔口累积成环。在“普里泰克斯”方法中，压印面被电解地镀硬铬。控制在阳极和用作阴极的压印面之间的电压，使得在表面上析出球缺形的结构元素。

此外，本发明涉及一种变形工具，其具有结构化的压印面，该压印面可与基材的表面接触以用于使基材塑性变形，其中，该变形工具按照根据本发明的方法和/或其优选的改进方案制成。特别是，变形工具的压印面的结构优选地具有各向异性的几何特性。如果压印面是工作轧辊的一部分，则压印面的结构优选地具有多个椭圆形的形成物，其主轴线横向于轧制方向。优选地，压印面的所有椭圆形的形成物的主轴线都横向于轧制方向。

虽然本发明使用在用于进行塑性变形并给出结构的工具、特别是工作轧辊或矫平轧辊的技术领域中，本发明必要时也可使用在其他领域中。此外，从以下对优选的实施例的描述中可见本发明的其他优点和特征。在此描述的特征可独立地或者可以与以上所述的特征中的一个或多个组合的方式实现，只要这些特征不相互矛盾。在此参考附图对优选实施例做以下描述。

附图说明

图1示意性地示出了再轧制过程的流程，在其中，借助于工作轧辊的结构化的压印面将结构塑性地压入金属带中。

具体实施方式

下面详细参考附图描述本发明的示例实施例。应指出的是，在此描述的实施例不是有意地限制本发明，而是用于解释本发明，其中，所阐述的实施例的特征或特征组合对于本发明来说不总是必要的。

图1示意性地示出了金属带或金属板1的再轧制的过程，金属带或金属板1是更一般化的术语“基材”的示例。附图标记1不仅表示金属带，而且也意味着其表面结构，如在再轧制之前可存在于轧制设备2的带输入部处的表面结构。在该部位处，金属带1除了以下被称为OE的表面结构，也具有带厚度h和流动应力kf。

借助于轧制设备2，将合适的几何的结构或者说纹理在组合的压印和厚度减小过程中施加到金属带1的一个或两个表面上。换句话说，在轧制设备2中不仅将结构压入金属带的表面中，而且带还经历与厚度减小相关联的伸长。由此，除了实际的毛化，也进行沿着另一主方向、在当前情况中即沿着带1的纵向和输送方向的形变。通过共同地实施这两个工艺步骤(伸长和给出结构)，可提高处理过程的生产率。此外，可实现高变形度和高粗糙度的表面纹理，这不可能在不伴随沿着一个或多个主方向的形变的情况下实现，或者仅仅在高成本的情况下实现，例如通过显著地提高轧辊直径实现。在该示例中，工作轧辊3、即具有带有确定的表面结构的压印面并将表面结构压入基材1中的轧辊具有仅仅约400mm的直径。显然其他直径同样是可行的。例如，已经成功地利用约230mm的轧辊直径进行了试验。重要的是认识到，轧辊直径相对较小的压印可具有至今为止较大轧辊所预留的压印质量。用D表示工作轧辊的直径。此外，应指出的是，如果带的两侧应被压印或者待制造的图样需要多个压印步骤，可以借助于多个工作轧辊进行压印。

工作轧辊3具有压印面，其在图1中用附图标记4表示。压印面4具有应被压到基材1上的结构。压印面4的结构可利用以下被称为OW的函数描述。

所得到的表面纹理，即，在轧制设备2的输出部处最终位于基材1上的且利用附图标记5表示的结构不仅是函数OW，而且与其他工艺参数有关；例如由于通过轧制引起的厚度减小而带来的变长ε、轧制速度v、在输入部处的带拉力FE、在输出部处的带拉力FA和在轧制间隙中的摩擦μ。这些参数中的一个或多个确定沿着带的输送方向的带的伸长。在此，其为使由工作轧辊3的压印面4预定的结构扭曲的形变，由此，传统地在带输出部处出现结构的无意的各向异性。

在轧制步骤之后的，也就是说在轧制设备2的输出部处出现的表面结构5利用函数OA描述。OA通常具有以下形式：

OA＝f(OW；OE,D,h,kf,ε,v,FE,FA,μ)...(1)

在本文中，术语“各向同性”和“各向异性”针对可在压印面4中和在目标结构5中识别且可相互比较的至少一个或多个几何特性。如果工作轧辊3的压印面4例如具有圆形，其在轧制设备2的输出部处的带表面5上已经产生具有平行于输送方向的主轴线的椭圆形，那么结构OW已经各向异性地扭曲。

为了在轧制时避免各向异性度、通常地说扭曲度，如已经提及的那样，可增大工作轧辊的直径或者可力求提高轧辊间隙摩擦。这两种可能方案都带来技术和/或运行经济性的缺点，例如设备的结构增大以及更高的能量需求。

以下示出的技术解决方案从另一方面出发。在上述的轧制设备2的专业术语中，通过选择镦粗的、一般地说扭曲的表面纹理OW，与通过工作轧辊3的变形度无关地产生铝带1的期望的表面结构OA。工作轧辊3的扭曲的、大多各向异性的表面纹理4被选择作为传递函数OA的逆函数并且应用到期望的目标纹理OW上。定义传递函数OA的结构在本文中被称为压印图像结构。通过具有合适地几何扭曲的压印结构的工作轧辊3进行组合的压印和厚度减小过程，由此，由于带1的伸长获得期望的目标结构。如此选择在压印面4上的图样的几何扭曲的形式和程度，使得其相应于到基材1上的逆反的传递函数OA：

OW＝f^-1(OA；OE,D,h,kf,ε,v,FE,FA,μ)...(2)

可通过改变其他工艺参数，例如在输入部和输出部处的带拉力FE和FA、变长ε、轧制速度v和/或在轧制间隙中的摩擦(润滑)μ，可实现从工作轧辊3、或一般地说工具到基材1上的压制图案特性的可能的精调。

用于简单的延长的传递函数的实施例

通过高度轮廓zA(x,y)示出OA

通过高度轮廓zW(x,y)示出OW

x：轧制方向

y：宽度方向

zA(x,y)＝-zW(x/(1+C₂*ε),y)/C₁

其中，因数C₁、C₂＞0，其可与其他工艺条件，例如h和μ相关。

逆向的话：

zW(x,y)＝-C1*zA(x*(1+C2*ε),y)

例如，通过变长ε和在带输入部处的带拉力FE的精调如下：

在以这种方式获得了压印结构之后，可加工压印面。为此可使用不同的方法，例如，“喷丸毛化”(SBT)、“电火花毛化”(EDT)、“激光毛化”(LT)、“电子束毛化”(EBT)、普里泰克斯法。

只要可应用，所有在实施例中示出的单个特征可相互组合和/或互换，而不会脱离本发明的范围。

附图标记列表

1 在带输入部处的基材

2 轧制设备

3 工作轧辊

4 压印面

5 在带输出部处的具有目标结构的基材

Claims (13)

1.用于制造变形工具(2)的方法，所述变形工具具有结构化的压印面(4)，所述压印面能与基材(1)的表面接触以用于使所述基材塑性变形，其中，所述方法具有：

确定待在所述基材(1)上制造的目标结构；

使所述目标结构几何扭曲，由此获得压印图像结构；

使所述压印图像结构逆反，由此获得用于所述压印面(4)的压印结构；

根据所述压印结构制造所述变形工具(2)的压印面(4)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过传递函数(OA)描述所述目标结构，所述传递函数的参数包含压印结构和一个或多个工艺参数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述工艺参数中的一个或多个工艺参数描述所述基材(1)在沿着一个或多个主方向塑性变形期间的变形特性。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述工艺参数包含以下参数中的一个、多个或所有：基材厚度、所述基材(1)的流动应力、压印面(4)的几何尺寸、在变形时所述基材(1)沿着主方向的变长、压印速度、在变形时沿着一个或多个主方向的拉力、在压印面(4)和基材(1)之间的摩擦系数。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述变形工具(2)包括工作轧辊(3)、优选矫平轧辊。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过传递函数描述所述目标结构，所述传递函数的参数包含压印结构和以下工艺参数中的一个、多个或所有：基材厚度、流动应力、工作轧辊(3)的直径、所述基材(1)沿着轧制方向的变长、轧制速度、在所述工作轧辊(3)的输入部处的基材拉力、在所述工作轧辊(3)的输出部处的基材拉力、在轧制间隙中的摩擦。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述基材(1)是板、优选金属板。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述压印结构具有各向异性的特性，其在目标结构中的对应物是各向同性的。

9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述压印面(4)借助于以下方法中的一个、多个或所有制成：SBT、EDT、LT、EBT、普里泰克斯法。

10.变形工具(2)，所述变形工具具有结构化的压印面(4)，所述压印面能与基材(1)的表面接触以用于使所述基材塑性变形，其中，所述变形工具(2)根据上述权利要求中任一项制造。

11.根据权利要求10所述的变形工具，其特征在于，所述压印面(4)的结构具有各向异性的几何特性。

12.根据权利要求11所述的变形工具，其特征在于，所述变形工具(2)具有工作轧辊(3)，该工作轧辊的表面具有所述压印面(4)。

13.根据权利要求12所述的变形工具，其特征在于，所述压印面(4)的结构具有多个椭圆形的形成物，所述形成物的主轴线横向于轧制方向。