本發(fā)明涉及一種用于制造變形工具的方法，變形工具具有結構化的壓印面，該壓印面可與基材的表面接觸以用于使基材塑性變形。此外，本發(fā)明涉及這種變形工具。

背景技術：

在塑性變形過程中，常常使用具有特別是結構化的表面紋理的壓印面，例如在軋鋼機中的工作軋輥的表面。在此，目標是，通過塑性變形將壓印面的表面結構的壓制圖案壓到基材的相關表面中。出于外觀的、摩擦學的、材料技術的、接合技術的原因或者由這些原因的組合，激發(fā)了這種與可能已經(jīng)存在的由材料和/或工藝所引起的表面附近的粗糙度結構相疊加的壓印。

在所謂的矯平方法中，用于板材表面壓印的示例性工藝流程簡要概括如下：在冷軋時，使用具有限定的粗糙度的軋輥，以滿足用于變形的夾緊條件和潤滑條件。例如已知的是，使冷軋制機組的最后一個軋輥對變粗糙，以便在退火時卷材的各個圈的表面不會粘住。在軋制過程期間，將軋輥的粗糙度壓印到板材上。在冷軋之后，使板材退火，以為緊接著的拉深建立所需的變形性。出于工藝技術的原因，在退火期間難以避免表面結構的變化。在退火之后，板材此外具有突出的屈服強度，這在變形時可導致流變圖形。通過隨后在矯平機架中的板材再軋制，可減少或消除這種大多不期望的效應。同時，再軋制用于制造最終的表面紋理。通過矯平軋輥帶來的結構與通過冷軋和退火施加的結構疊加。

為了特別是在矯平軋輥上制造壓印結構，多種方法可供使用；其中包括所謂的“噴丸毛化”(sbt)、“電火花毛化”(edt)、“激光毛化”(lt)、“電子束毛化”(ebt)、普里泰克斯法。

在基材變形以用于為表面給出結構時，不僅在表面的附近發(fā)生塑性形變，而且該過程引起沿著至少另一主方向的材料流動。為了在軋制過程的示例中保持，在這種情況中進行首先導致伸長的基材的厚度減小。伸長大多是期望的且此外不可避免。其導致材料在軋制方向上的拉長。不會或者幾乎不會發(fā)生橫向于軋制方向的拉長。

伸長、或者更通常地說沿著一個或多個主方向的形變的結果是，在表面上存在的或被施加到表面上的結構相應于沿著主方向的形變尺度(在軋制時相應于厚度減小或伸長的尺度)進行幾何扭曲。原來圓形的結構例如形變成其主軸平行于軋制方向的橢圓形。

通過這種由工藝所引起的扭曲可相當顯著地損害壓制圖案的質(zhì)量。通常，力求無扭曲的圖像，然而僅僅當避免沿著不屬于毛化方向的這種方向、即沿著上述主方向的變形時，才能出現(xiàn)這種情況。由此，在塑性變形和表面毛化之間顯著的目標沖突在于，壓制圖案的高的質(zhì)量與高的變形度沖突。在質(zhì)量流恒定時，沿著一個或多個主方向的高的變形度，即，例如材料的劇烈減少又提升了生產(chǎn)率。就此而言，生產(chǎn)率提高也與力求的表面紋理的質(zhì)量沖突。

雖然主要在作為用于塑性變形的示例性方法的軋制過程的情景中闡述了表面毛化的上述問題，在其他塑性機械變形方法和不連續(xù)的過程中也出現(xiàn)困難，其中包括鍛造、壓制、沖壓、電鍍等。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目標在于，給出一種變形工具以及用于制造變形工具的方法，利用其可在改善壓制圖案質(zhì)量同時實現(xiàn)高的變形度。

該目標通過具有權利要求1所述的特征的方法和具有權利要求10所述的特征的變形工具實現(xiàn)。從本發(fā)明的從屬權利要求、隨后的附圖以及對優(yōu)選的實施例的描述中得到有利的改進方案。

根據(jù)本發(fā)明的方法用于制造具有結構化的壓印面的變形工具。該結構化的壓印面可與基材的表面接觸以用于使基材塑性變形。在優(yōu)選的軋制過程的情況中，基材例如為待軋制的金屬板，并且作為壓印面優(yōu)選地考慮工作軋輥、例如矯平軋輥的周面。然而，本發(fā)明也適合用于其他變形方法，例如鍛造、壓制、沖壓或電鍍。

首先，確定待在基材上制造的目標結構，其也被稱為紋理。在此，其為期望的、待借助于塑性變形制造的表面輪廓。目標結構例如可明確地作為二維函數(shù)表示為，與表面上的位置相關的峰輪廓和谷輪廓。優(yōu)選地，目標結構設計成各向同性的，也就是說至少在確定的方面與方向無關。目標結構的定義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、尖端數(shù)等)。過去，在高粗糙度或高變形度的結構中，目標結構的不期望的扭曲特別明顯。本發(fā)明解決了該問題，并且就此而言本發(fā)明特別適合用于這種類型的目標結構。

緊接著，使目標結構幾何扭曲，由此獲得在本文中應被稱為壓印圖像結構的結構。幾何扭曲特別是包括目標結構的鐓粗和拉長。這種轉(zhuǎn)變的意義在于，補償沿著一個或多個主方向的絕對必要的且大多期望的基材形變。如下這樣的方向被稱為主方向，即，其不是通過輪廓化或毛化確定，然而在給出輪廓期間沿著該方向發(fā)生基材的塑性變形。如果變形方法例如為以上闡述的軋制方法，前述的主方向相應于軋制方向；因為沿著軋制方向發(fā)生材料的拉長或伸長，該拉長或伸長通過軋制作用實現(xiàn)，但是不通過實際的結構給出實現(xiàn)。相反地，不發(fā)生或者至少幾乎不發(fā)生橫向于軋制方向(在基材的平面中)的伸長，從而在軋制過程中可以沿著僅僅一個主方向的變形為出發(fā)點。換句話說這意味著：在長度方向上和厚度方向上進行平面的變形，但在寬度方向上不進行，從而在表面方面，僅僅在一個主方向上、即在長度方向上表現(xiàn)出形變。然而，通用地說，可沿著多個主方向發(fā)生變形。在軋制的情況中，由此幾何的轉(zhuǎn)變補償了在軋制方向上的基材伸長。如果目標結構例如由多個圓形組成，則其在幾何扭曲的范圍中有意識地且有意地將其鐓粗成橢圓形，其中，該橢圓形的主軸橫向于軋制方向。

緊接著使壓印圖像結構逆反，由此獲得被稱為壓印結構的結構。之后，根據(jù)由此獲得的壓印結構加工變形工具的壓印面。換句話說，壓印結構是變形工具的壓印面應設有的結構。

本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)從工具到基材上的高的壓制度，而不會在目標紋理處產(chǎn)生無意的扭曲?？蓪崿F(xiàn)高的粗糙度，而其不對目標結構的質(zhì)量起到負面作用。特別是，利用在此提出的方法可以高的變形度產(chǎn)生均勻的和/或各向同性的結構。與之前的可直接看到扭曲的隨機結構不同。為了提高質(zhì)量，過去需要大的軋輥直徑、小的變形度和/或其他有缺陷的技術解決方案。本發(fā)明解決了這些問題。特別是，本發(fā)明在外觀的、摩擦學的、材料技術的、接合技術的特性和/或這些特性或其他特性的組合方面為表面質(zhì)量改善做出了貢獻。這全都可結合所述高的變形度或壓制度實現(xiàn)，由此，在不改變變形設備結構的情況下實現(xiàn)了生產(chǎn)率的提高。由此，可在工具改變很少的情況下實現(xiàn)本發(fā)明。

優(yōu)選地，通過傳遞函數(shù)描述目標結構，其參數(shù)或變量包含壓印結構和一個或多個工藝參數(shù)。在此，工藝參數(shù)描述在沿著一個或多個主方向塑性變形期間基材的變形特性。在本文中，術語“工藝參數(shù)”理解成通用的，并且與描述變形工具特性的參數(shù)相同地包括待加工的基材的參數(shù)。例如，沿著主方向的形變可與基材厚度，例如在軋制時的板厚度或帶厚度相關。此外，變形性可與材料的流動應力相關。幾何參數(shù)、在軋制過程中例如為軋輥的直徑同樣可影響基材的變形特性。軋輥直徑越大，則在軋制方向上的伸長越小。在這方面可起到作用的其他參數(shù)是：壓印速度、例如在軋制過程中的軋制速度，在變形時沿著一個或多個主方向的拉力，在壓印工具和基材之間的摩擦系數(shù)和/或其他用于材料伸長的尺度。

優(yōu)選地，壓印結構具有各向異性的幾何特性，其在目標結構中的對應物是各向同性的。在此，壓印結構在其整體中可為各向異性的，也就是說與方向相關(相似地，目標結構在其整體中是各向同性的，也就是說，與方向無關)，或者結構的僅僅一個或多個幾何特性可設置成各向異性或各向同性的。例如，如果目標結構由多個圓形組成，那么這些圓形可各向異性地分布。雖然如此，該結構可具有相應的各向同性的特性(圓形)。在壓印結構中，這些圓形可被鐓粗成橢圓。

所謂的“噴丸毛化”(sbt)、“電火花毛化”(edt)、“激光毛化”(lt)、“電子束毛化”(ebt)、普里泰克斯法適合用于制造壓印面。在“噴丸毛化”中，由葉輪將宏觀的顆粒加速到壓印面上。在撞到壓印面上時，顆粒使表面塑性變形并且必要時將材料擊出?？赏ㄟ^葉輪的速度、噴丸、壓印面的硬度、噴丸流量和/或加工持續(xù)時間調(diào)整粗糙度。在“電火花毛化”中，使電極駛向優(yōu)選地運動的壓印面(例如旋轉(zhuǎn)的軋輥表面)，但不與其接觸。通過發(fā)電機的高壓脈沖，在電極和基材之間產(chǎn)生足夠高的電場強度，從而在兩個極之間的電介質(zhì)中產(chǎn)生火花放電。燃燒電流在形成的電弧的等離子體中流動。

壓印面的小的區(qū)域被熔化。在電介質(zhì)中形成氣泡。在切斷腐蝕脈沖時，氣泡內(nèi)爆，并且熔化的材料被甩出。除了壓印面的硬度，還可通過參數(shù)，例如電壓、電流、控制時間和電極的距離調(diào)整粗糙度。與sbt相比，利用edt可以更高的可再現(xiàn)性制造更高的尖端數(shù)和更小的粗糙度。在“激光毛化”中，使激光射線聚焦到壓印面上，并且使表面的小的區(qū)域熔化。斬波器輪或合適的電子操控裝置中斷射線，并且熔化物通過等離子體的壓力和惰性氣體被吹出。在此，熔化物聚集成圍繞熔口邊緣的拱起部或者累積在熔口的一側(cè)并且在此處凝固。為了調(diào)整粗糙度，考慮例如激光功率、激光射線的進給量、斬波器轉(zhuǎn)速以及惰性氣體。在“電子束毛化”中，使用電子射線用于熔化壓印面的材料。使被熔化的材料的一部分蒸發(fā)，從而蒸汽壓力使熔化物圍繞熔口累積成環(huán)。在“普里泰克斯”方法中，壓印面被電解地鍍硬鉻?？刂圃陉枠O和用作陰極的壓印面之間的電壓，使得在表面上析出球缺形的結構元素。

此外，本發(fā)明涉及一種變形工具，其具有結構化的壓印面，該壓印面可與基材的表面接觸以用于使基材塑性變形，其中，該變形工具按照根據(jù)本發(fā)明的方法和/或其優(yōu)選的改進方案制成。特別是，變形工具的壓印面的結構優(yōu)選地具有各向異性的幾何特性。如果壓印面是工作軋輥的一部分，則壓印面的結構優(yōu)選地具有多個橢圓形的形成物，其主軸線橫向于軋制方向。優(yōu)選地，壓印面的所有橢圓形的形成物的主軸線都橫向于軋制方向。

雖然本發(fā)明使用在用于進行塑性變形并給出結構的工具、特別是工作軋輥或矯平軋輥的技術領域中，本發(fā)明必要時也可使用在其他領域中。此外，從以下對優(yōu)選的實施例的描述中可見本發(fā)明的其他優(yōu)點和特征。在此描述的特征可獨立地或者可以與以上所述的特征中的一個或多個組合的方式實現(xiàn)，只要這些特征不相互矛盾。在此參考附圖對優(yōu)選實施例做以下描述。

附圖說明

圖1示意性地示出了再軋制過程的流程，在其中，借助于工作軋輥的結構化的壓印面將結構塑性地壓入金屬帶中。

具體實施方式

下面詳細參考附圖描述本發(fā)明的示例實施例。應指出的是，在此描述的實施例不是有意地限制本發(fā)明，而是用于解釋本發(fā)明，其中，所闡述的實施例的特征或特征組合對于本發(fā)明來說不總是必要的。

圖1示意性地示出了金屬帶或金屬板1的再軋制的過程，金屬帶或金屬板1是更一般化的術語“基材”的示例。附圖標記1不僅表示金屬帶，而且也意味著其表面結構，如在再軋制之前可存在于軋制設備2的帶輸入部處的表面結構。在該部位處，金屬帶1除了以下被稱為oe的表面結構，也具有帶厚度h和流動應力kf。

借助于軋制設備2，將合適的幾何的結構或者說紋理在組合的壓印和厚度減小過程中施加到金屬帶1的一個或兩個表面上。換句話說，在軋制設備2中不僅將結構壓入金屬帶的表面中，而且?guī)н€經(jīng)歷與厚度減小相關聯(lián)的伸長。由此，除了實際的毛化，也進行沿著另一主方向、在當前情況中即沿著帶1的縱向和輸送方向的形變。通過共同地實施這兩個工藝步驟(伸長和給出結構)，可提高處理過程的生產(chǎn)率。此外，可實現(xiàn)高變形度和高粗糙度的表面紋理，這不可能在不伴隨沿著一個或多個主方向的形變的情況下實現(xiàn)，或者僅僅在高成本的情況下實現(xiàn)，例如通過顯著地提高軋輥直徑實現(xiàn)。在該示例中，工作軋輥3、即具有帶有確定的表面結構的壓印面并將表面結構壓入基材1中的軋輥具有僅僅約400mm的直徑。顯然其他直徑同樣是可行的。例如，已經(jīng)成功地利用約230mm的軋輥直徑進行了試驗。重要的是認識到，軋輥直徑相對較小的壓印可具有至今為止較大軋輥所預留的壓印質(zhì)量。用d表示工作軋輥的直徑。此外，應指出的是，如果帶的兩側(cè)應被壓印或者待制造的圖樣需要多個壓印步驟，可以借助于多個工作軋輥進行壓印。

工作軋輥3具有壓印面，其在圖1中用附圖標記4表示。壓印面4具有應被壓到基材1上的結構。壓印面4的結構可利用以下被稱為ow的函數(shù)描述。

所得到的表面紋理，即，在軋制設備2的輸出部處最終位于基材1上的且利用附圖標記5表示的結構不僅是函數(shù)ow，而且與其他工藝參數(shù)有關；例如由于通過軋制引起的厚度減小而帶來的變長ε、軋制速度v、在輸入部處的帶拉力fe、在輸出部處的帶拉力fa和在軋制間隙中的摩擦μ。這些參數(shù)中的一個或多個確定沿著帶的輸送方向的帶的伸長。在此，其為使由工作軋輥3的壓印面4預定的結構扭曲的形變，由此，傳統(tǒng)地在帶輸出部處出現(xiàn)結構的無意的各向異性。

在軋制步驟之后的，也就是說在軋制設備2的輸出部處出現(xiàn)的表面結構5利用函數(shù)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，術語“各向同性”和“各向異性”針對可在壓印面4中和在目標結構5中識別且可相互比較的至少一個或多個幾何特性。如果工作軋輥3的壓印面4例如具有圓形，其在軋制設備2的輸出部處的帶表面5上已經(jīng)產(chǎn)生具有平行于輸送方向的主軸線的橢圓形，那么結構ow已經(jīng)各向異性地扭曲。

為了在軋制時避免各向異性度、通常地說扭曲度，如已經(jīng)提及的那樣，可增大工作軋輥的直徑或者可力求提高軋輥間隙摩擦。這兩種可能方案都帶來技術和/或運行經(jīng)濟性的缺點，例如設備的結構增大以及更高的能量需求。

以下示出的技術解決方案從另一方面出發(fā)。在上述的軋制設備2的專業(yè)術語中，通過選擇鐓粗的、一般地說扭曲的表面紋理ow，與通過工作軋輥3的變形度無關地產(chǎn)生鋁帶1的期望的表面結構oa。工作軋輥3的扭曲的、大多各向異性的表面紋理4被選擇作為傳遞函數(shù)oa的逆函數(shù)并且應用到期望的目標紋理ow上。定義傳遞函數(shù)oa的結構在本文中被稱為壓印圖像結構。通過具有合適地幾何扭曲的壓印結構的工作軋輥3進行組合的壓印和厚度減小過程，由此，由于帶1的伸長獲得期望的目標結構。如此選擇在壓印面4上的圖樣的幾何扭曲的形式和程度，使得其相應于到基材1上的逆反的傳遞函數(shù)oa：

ow＝f^-1(oa；oe,d,h,kf,ε,v,fe,fa,μ)...(2)

可通過改變其他工藝參數(shù)，例如在輸入部和輸出部處的帶拉力fe和fa、變長ε、軋制速度v和/或在軋制間隙中的摩擦(潤滑)μ，可實現(xiàn)從工作軋輥3、或一般地說工具到基材1上的壓制圖案特性的可能的精調(diào)。

用于簡單的延長的傳遞函數(shù)的實施例

通過高度輪廓za(x,y)示出oa

通過高度輪廓zw(x,y)示出ow

x：軋制方向

y：寬度方向

za(x,y)＝-zw(x/(1+c2*ε),y)/c1

其中，因數(shù)c1、c2＞0，其可與其他工藝條件，例如h和μ相關。

逆向的話：

zw(x,y)＝-c1*za(x*(1+c2*ε),y)

例如，通過變長ε和在帶輸入部處的帶拉力fe的精調(diào)如下：

在以這種方式獲得了壓印結構之后，可加工壓印面。為此可使用不同的方法，例如，“噴丸毛化”(sbt)、“電火花毛化”(edt)、“激光毛化”(lt)、“電子束毛化”(ebt)、普里泰克斯法。

只要可應用，所有在實施例中示出的單個特征可相互組合和/或互換，而不會脫離本發(fā)明的范圍。

附圖標記列表

1在帶輸入部處的基材

2軋制設備

3工作軋輥

4壓印面

5在帶輸出部處的具有目標結構的基材