采用可变凸珠的薄板成形方法和设备 本发明涉及一种薄板成形(含拉延)的方法和设备，其特征是，控制能够对坯料施加可变的凸珠力的凸珠(下称可变凸珠)，使之在位置和时间方面有选择性地起作用，并以点的方式对坯料加压，从而改善坯料的成形性能(并且，有效地防止坯料在薄板成形过程中产生裂纹)。
在普通的拉延方法中，为了防止坯料在拉延过程中产生裂纹，采取了一些方法，例如：选用延展性高的毛坯材料，增大坯料的厚度，在坯料上涂敷高效润滑油等。
另外，日本专利昭59-206120公开了一种可对坯料施加可变凸珠力的长形凸珠。它可使长形凸珠的力在成形过程的预定阶段作用小些，以改善坯料的成形性。
然而，上述的普通拉延方法有下列的问题：
提高毛坯材料地档次和增加坯料厚度会提高制造成本，使用高效润滑油会引起坯料相对于压模而滑动，从而使坯料在拉延过程中产生皱折，并且会降低坯料的尺寸精度。
采用长形可变凸珠时，由于凸珠必须相对于安装凸珠的坯料夹持器或对置的压模而移动，故难以在安装凸珠的压模中实施一种可移动的长形凸珠的结构。
本发明的目的是提供一种薄板成形(含拉延)的方法和设备，它能改善坯料的成形性能(也就是防止坯料在薄板成形过程中产生裂纹)而不会使坯料在薄板成形过程中起皱，也不会降低坯料成形时的尺寸精度。
按照本发明的一种采用一个或多个可变凸珠的薄板成形(含拉延)方法包括如下步骤：将坯料夹持在一个坯料夹持器(或一个坯料夹持器和一个固定压模)与一个对置的压模之间，从根本上防止坯料起皱；并用一个凸模将坯料压成一个预定的形状。在上述的薄板成形方法中，以点的方式并且仅在整个成形过程中的部分时间内对上述坯料的选定位置有选择地施加上述的可变凸珠力。
按照本发明的采用一个或多个可变凸珠的薄板成形(含拉延)设备含有：用来将坯料夹持在它们之间以便根本上防止坯料中起皱的一个坯料夹持器(或一个坯料夹持器和一个固定压模)和一个对置的压模；一个将坯料压成预定形状的凸模；和一个或多个用来仅在整个成形过程中的部分时间内以点的方式有选择地对坯料的选定位置施加力的可变凸珠。
在上述的方法和设备中，坯料夹持器(或一个坯料夹持器和一个固定的压模)和对置的压模可在薄板成形过程中防止坯料起皱，并保证成形后坯料的尺寸精度。
另外，通过使可变凸珠以点的方式并仅在整个成形过程的部分时间内工作，可有效地防止坯料产生裂纹。在本发明的方法和设备中，通过选择凸珠在坯料上的接触位置和凸珠力的作用时间有效地防止了坯料中的裂纹。凸珠力的作用位置和作用时间可以按照坯料要加工成的预定形状加以调整。在常规的方法和设备中，认为凸珠力与防止坯料裂纹是对立的。
从下面结合附图对本发明的最佳实施例的详细说明中，将可对本发明的上述的和其他的目的、特征和优点更加明白并且更容易理解，附图中：
图1是按照本发明第一实施例实施单动薄板成形(含拉延)方法的设备的局部剖视的前视图；
图2是按照本发明第一实施例实施双动薄板成形(含拉延)方法的设备的局部剖视的前视图；
图3是说明关于各类凸珠与产生裂纹前的成形性之间的关系的试验结果的图解；
图4是坯料在本发明第一实施例的薄板成形(含拉延)方法和设备中按所示施加的凸珠力点加工成的预定形状的透视图；
图5是表示在拉延图4所示预定形状时所加的凸珠力与拉延动程之间的关系的图解；
图6是坯料在本发明第二实施例的薄板成形(含拉延)的方法和设备中按所示施加的凸珠力点加工成的预定形状的透视图；
图7是表示在拉延成图6所示预定形状时所施加的凸珠力与拉延动程之间的关系的图解；
图8是坯料在本发明的第三实施例的薄板成形(含拉延)方法和设备中按所示施加的凸珠力点加工成的预定形状的透视图；
图9是坯料在本发明的第四实施例的薄板成形(含拉延)方法和设备中按所示施加的凸珠力点加工成的预定形状的透视图；
图10是表示在拉延成图9所示预定形状时应变ex、ey与应变极限曲线间的关系的图解；
图11是坯料在本发明的第五实施例的薄板成形(含拉延)方法和设备中按所示施加的凸珠力点加工成的预定形状的透视图；
图12是进行图11所示预定形状的拉延所用的设备的剖视图；
图13是坯料在本发明的第六实施例的薄板成形(含拉延)方法和设备中按所示施加的凸珠力点加工成的预定形状斜视图；
图14是进行图13所示预定形状的薄板成形(含拉延)所用的设备的剖视图；和
图15是坯料在普通的拉延方法和设备中按所示施加的凸珠力线加工成的预定形状的透视图。
图1-5示出本发明的第一实施例的方法和设备；图6和7示出本发明的第二实施例的方法和设备，图8示出本发明的第三实施例的方法和设备，图9和10示出本发明的第四实施例的方法和设备，图11和12示出本发明的第五实施例的方法和设备，图13和14示出本发明的第六实施例的方法和设备，图15示出坯料在普通设备上加工成的预定形状。
在本发明的几个实施例的通篇说明和所有附图中，凡是共同的部分都用相同的标号标注。
本发明适用于任何单动崖板成形(包括拉延)的方法和设备以及双动薄板成形(包括拉延)的方法和设备。
如图1所示，单动薄板成形(包括拉延)是采用一种含有拉延垫的单动压机进行的薄板成形(包括拉延)。在图1所示的单动薄板成形(包括拉延)中，将坯料11夹持在坯料夹持器2(可称之为拉延垫环)与对置的压模1之间。然后，使压模1和坯料夹持器2向固定的凸模4下移，以便由凸模4对坯料11进行拉延(成形)。在图1的单动薄板成形(包括拉延)中，上模是压模1，下模包含坯料夹持器2和凸模4。最好压模1(凸珠未示出)和夹持器2中至少有一个设置有一个或多个可变凸珠5。该凸珠5可以(a)或者设置在压模1或者设在坯料夹持器2中，也可以(b)既设置在压模1中又设置在坯料夹持器2中。可变凸珠5能够不依赖于压模1和坯料夹持器2单独运动。图1示出每个可变凸珠5都设置在坯料夹持器2中，并可向着和背离压模1移动而不受坯料夹持器2的限制。如果可变凸珠5设置在压模1上(未示出)，它就向着或背离坯料夹持器2移动，而不受压模1的限制。
如图2所示，含有两步工序的双动薄板成形(包括拉延)是在双动压机上进行的。在图2所示的双动薄板成形(含拉延)中，首先将与压机的外压头6相连的坯料夹持器2降低，以便将坯料11夹持在坯料夹持器2与对置的压模1之间，然后使与内压头6A相连的凸模4下降，以便对坯料11进行拉延(成形)。在图2所示的双动薄板成形(含压延)中，上模包含坯料夹持器2和凸模4；下模是对置的压模1。最好压模1(未示出)和坯料夹持器中至少有一个设置有一个或多个可变凸珠5。可变凸珠5可以(a)设置在压模1中或坯料夹持器2中，或者(b)既设置在压模1中又设置在坯料夹持器2中。可变凸珠5可以移动而不受压模1和坯料夹持器2的限制。图2示出每个凸珠5都设置在坯料夹持器2中，并可向着和背离压模1移动而不受坯料夹持器2的限制。如果可变凸珠5设置在压模1中，(未示出)，它就可向着和背离坯料夹持器2移动而不受压模1的限制。
下面首先参考图1-5所示实施例说明本发明各实施例的共同部分。按照本发明使用1个或多个可变凸珠的薄板成形(含拉延)设备含有一个压模1，一个坯料夹持器2，一个或多个固定凸珠3(任意的)，一个凸模4和一个可变点状凸珠5。压模1是一个与坯料夹持器2对置的压模。
在图1的单动压机中，压模1与压机的外压头6相连接，所以，当油缸7使上压头6移动时，压模1就与上压头6一起移动。凸模4(它是一个固定件)直接地或间接地与压机的台面8相连接。坯料夹持器(或称拉延垫环)2沿凸模4的四周连续延伸而且包围凸模4，并通过由油缸10带动的杆9来支承。当压模1下降时，坯料11就被夹持在压模1与拉延垫环2之间。当压模1进一步下降时，便克服气缸10的向上偏压力而推动拉延垫环2使之下降，当压模1向上返回到原来位置时，拉延垫环2也向上移动到由气缸10偏压的原来位置。在压模1(凸珠未示出)或者在拉延垫环2中设置固定凸珠3。在图1中，坯产11被夹持在压模1与设置在拉延垫环2中的固定凸珠3之间。当拉延垫环2处于其最上部(原始的)位置时，坯料11便供给到拉延垫环上。在压模1和拉延垫环2向下移动的过程中，坯料11由固定凸模4成形。
在图2的双动压机中，上坯料夹持器2与压机的上压头6相连接，所以，当上压头6移动时，上坯料夹持器2也与它一起移动。凸模4与内压头6A相连接，所以这二者一起移动。压模1(它是固定件)直接或间接地与压机的台面8相连接。上坯料夹持器2沿凸模4四周连续延伸而包围凸模4。上坯料夹持器2与压模1将坯料11夹持在它们之间。在压模1上或在上坯料夹持器2上形成有任意的固定凸珠3(未示出)。该固定凸珠3(如果设置在上坯料夹持器2上)和压模1将坯料11的外部分夹持在它们之间，固定凸珠3(如果设置在压模1上)和上坯料夹持器2将坯料11的外部分夹持在它们之间。坯料11置于压模1上。当上坯料夹持器2下降时，坯料11便夹持在上坯料夹持器2与压模1之间，然后，凸模4下降，并使坯料11成形。
参看图1-2，可变点状凸珠5设置在坯料夹持器2或压模1(未示出)中，所以可变凸珠5可以向着坯料11和背离坯料11作相对于坯料夹持器2或压模1的移动。由于可变凸珠5具有可相对于坯料11移动的结构，所以在成形期间，凸珠对坯料的压力(凸珠力)可以改变。可变凸珠5以点的方式与坯料11接触并对其施加压力，这里所述的“点”意思是“不是一条线”，并且可包含一个基本上为圆形的区域(不是极尖的顶端)。
通过一个可变凸珠驱动机构突现可变凸珠5的移动。该机构包括例如一个推杆12和一个凸轮面13，所述推杆12在可变凸珠5的下端侧向伸出并通过一个斜面与可变凸珠5相接触，上述的凸轮面13位于凸模4的侧面，该侧面可与推杆12接合和脱开。在图1和2的实施例中，在拉延的初始阶段，凸轮面13与推杆12接合，并且，可变凸珠5从坯料夹持器2的坯料夹持面上凸起，所以凸珠力是有效的。在拉延的后期，凸轮面13与推杆12脱开，可变凸珠5退回到坯料夹持器2的坯料夹持面上的一个位置。所以，凸珠力是无效的。在这种结构中，通过选择凸轮面13的轮廓，可控制可变凸珠5的相对移动和凸珠力(也就是凸珠作用在坯料上的压力)。
按照本发明采用一个或多个可变凸珠的薄板成形(含拉延)方法包括下列步骤：(1)利用坯料夹持器2或其上任意地设置一个或多个固定凸珠3的压模1将坯料11夹持在(a)坯料夹持器2与(b)对置的压模1之间，从而防止坯料11起皱；(2)由凸模4将坯料11加工成预定形状。每个可变凸珠5的力在整个成形过程的部分时间内以点的方式选择地施加在坯料11的选定位置上。
当可变凸珠5和凸模4两者中之一或者两者都相对于另一个移动时，可变凸珠5便借助凸模4的凸轮面13和推杆12的作用而作相对于坯料11的移动，所以，可变凸珠5的力仅仅在成形过程中的部分时间内才是有效的。由于可变凸珠5是一个杆状或类似的部件，故它产生点状的凸珠力。因此，与普通的线状凸珠相比，比较容易将可变点状凸珠5的凸珠力作用区限定在所需的形状。这样，就容易有选择地将点状凸珠力施加在坯料中不易产生破裂的部位(例如，当工件的中央部位是方形壳罩而在方形壳罩周围是平坦凸缘时，凸像上邻近方形壳罩横截面上直边中点的部位)，以便综合地增大这些部分所能承受的负荷，从而降低易发生破裂的部位(例如在上述的中央部位带有方形壳罩的情况下，位于方形壳罩角部)的负荷，这样便可防止这些部位发生破裂。即使压模1和坯料夹持器2具有复杂的结构(例如弯曲的结构)，其可变点状凸珠5也可不同于普通的线状凸珠而容易安装到压模1和/坯料夹持器2中，其方法是例如将许多个平行设置的可变点状凸珠弯曲地沿复杂结构的轮廓排列成排。
图3的试验结果表明，采用可变点状凸珠5的拉延法在不产生开裂的情况下在坯料中形成方形壳罩的高度比采用普通的凸珠的拉延法在坯料中形成方形壳罩的高度要高得多。图3示出在坯料上形成方形壳罩的试验结果。即使在坯料上形成非方形的其他截面形状的壳罩的情况下，也可获得类似的试验结果(这表明由于采用可变点状凸珠而改善了成形性能)。
在图3中，情况(a)示出不采用凸珠进行的普通拉延的试验结果，情况(b)示出采用线状可变凸珠进行的普通拉延的试验结果，情况(c)示出采用固定点状凸珠(虽然这种固定点状凸珠在普通拉延中也还未使用过)进行的拉延试验结果，情况(d)示出本发明的试验结果，其中薄板成形(含拉延)是采用可变凸珠5进行的。更具体地说，在(d)情况下，凸珠力仅仅是在拉延的早期才作用在凸缘上邻近于在坯料上形成的方形壳罩的方形横截面直边中上的。
在图3中，坯料上带黑色的区域表示凸珠力起作用(施加凸珠力)的区域。图3的情况(d)表示当A线由于拉延而到达B线(见图4)时，可变点状凸珠5的凸珠力仅在拉延的早期才有效，而图3的情况(c)表示固定凸珠的凸珠力在拉延过程的所有阶段都有效。从图3可以看出，从情况(a)至情况(d)来看，不产生破裂的成形性是逐渐提高的，而从情况(c)至情况(d)来看，不产生破裂的成形性则成倍地提高。
例如，在情况(b)，当方形壳罩的高度达到40mm左右时，在方形壳罩的每个角部位(相应于凸模的凸肩部位)上便开始出现裂纹20(见图15)而在(d)情况下，坯料可在不产生裂纹的情况下加工成高度达到80mm左右的方形壳罩。在图4中，双点线示出采用普通的拉延法在方形壳罩的与凸模肩部相对应的角部位出现的裂纹20，但是按照本发明进行薄板成形(含拉延)时就不出现这些裂纹。同样地，在图6、8、11和13中，双点线均示出在普通拉延法中产生的裂纹(分别是20、21、22和23)，但是，在按照本发明的薄板成形(含拉延)中则防止了这些裂纹的产生。
下面说明本发明各实施例的独特之处。
在本发明的第一实施例中，如图1-5特别是图4和5所示，将坯料11由一块大致为正方形的平板加工成一个元件，该件的中央部分有一个带端的方形罩壳11a，在围绕着该罩壳11a的部分上有平坦凸缘11b。
在这种薄板成形(含拉延)的设备中，每个可变点状凸珠5的位置选择成可使凸珠力作用在凸缘上邻近于方形壳罩11a的方形横截面上每条直线边的中点的部位上。将通过每个推杆12使每个可变点状凸珠5与凸轮面13之间的工作连接，选择成可使每个点状凸珠5的力仅在成形过程的初始才作用在坯料11上。
在这种薄板成形(含拉延)的方法中，每个可变点状凸珠5的力仅在拉延过程的初始阶段才作用在凸缘11b上邻近方形壳罩11a的横截面的每条直线边的中点的部位上。在拉延过程的后期，不施加凸珠力(图5)。
在拉延的早期每个点状可变凸珠5施加的凸珠力抵消了一部分拉延载荷，从而减小了方形壳罩角处承受的载荷，这就有效地防止了方形壳罩上对应于凸模肩部的部位上的裂纹20。结果，方形壳罩上对应于凸模肩部的部位的厚度减小得最少，并且，方形壳罩的直线部分能够符合凸模肩部的形状。再者，方形壳罩的直线部分能够承受的载荷大，这就进一步抑制了方形壳罩的角处裂纹的产生。
在本发明的第二实施例中，如图6和7所示，用一块大致为正方形的平板坯料11加工成一个带有一个位于其中央部位，且具有一个端面板的方形壳罩11a和包围该方形壳罩11a的平坦的凸缘11b的工件。
在这种薄板成形(含拉延)的设备中，将每个固定凸珠3的位置选择成可使每个固定凸珠3的凸珠力施加在凸缘11b上沿方形壳罩11a方形横截面上的每条直线边的部位上，而将每个可变点状凸珠5的位置选择成可使每个可变点状凸珠的凸珠力施加在凸缘11b上邻近方形壳罩11a的方形横截面上每条直线边的中点的部位上。并且，将通过每个推杆12使每个可变点状凸珠5与凸轮面13之间的工作连接选择成可使每个可变点状凸珠5的力仅仅在成形过程的早期才施加到坯料11上。
在上述的薄板成形(含拉延)方法中，每个可变点状凸珠5的力仅仅在拉延的早期才施加在凸缘11b上邻近方形壳罩11a的方形横截面的每条直线边的中点的部位上。在拉延的后期只施加每个固定凸珠3的力(见图7)，每个固定凸珠3的凸珠力在拉延过程的所有阶段都起作用。
在拉延过程的早期，每个可变点状凸珠5施加的凸珠力抵消了一部分拉延载荷，以减轻方形壳罩角处所承受的载荷，从而有效地防止了方形壳罩对应于凸模肩部的部位上出现裂纹20。
在本发明的第三实施例中，如图8所示，坯料11由一块带有四个切角的大致为正方形的平板加工成一个带有一个位于其中央部位且具有一个端面板的方形壳罩11a，和一个包围该壳罩11a的平坦凸缘11b的工件，上述的凸缘11b带有坯料的四个与方形壳罩11a的方形横截面上的四个角相对应的切角。由于坯料的角被切掉，故减小了坯料上对应于切角部分处材料流的阻力，所以在方形壳罩11a的下角处容易发生壁上裂纹21。
为了防止上述的壁上裂纹21，在成形设备上将每个可变点状凸珠5的位置选择成可使每个可变点状凸珠5的凸珠力作用在凸缘11b上邻近方形壳罩11a的方形横截面的四个角的部位上，并且将通过每个推杆12使每个可变点状凸珠5与凸轮面13之间的工作连接选择成可使每个可变点状凸珠5在成形的早期施加在坯料11上的凸珠力比在成形后期施加的力大。
这样，在上述的薄板成形(含拉延)方法中，每个可变点状凸珠5在成形的早期施加在凸缘11b上邻近方形壳罩11a的方形横截面的四个角的部位上的力比在成形后期施加的力大。
采用上述的薄板成形(含拉延)方法，无论是方形壳罩11a下角处的壁上裂纹21还是方形壳罩上对应于凸模肩部的部位上的裂纹20(例如，见图6)都得以防止。
在本发明的第四实施例中，如图9和10所示，坯料11由一个大致为圆形的平板加工成一个带有一个位于其中央部位且具有一个端面板的圆筒形壳罩11a和包围该壳罩11a的大致为圆形的凸缘11b的工件。
在上述的薄板成形(含拉延)设备中，将每个可变点状凸珠5的位置选择成可使每个可变点状凸珠的力施加在凸缘11b上位于圆筒形壳罩11a的圆形横截面的直径线上的部位上；并且将通过各推杆12使每个可变点状凸珠5与凸轮面13之间形成的工作连接选择成可使每个可变点状凸珠5仅在成形的早期才对坯料11施加力。
这样，在上述的薄板成形(含拉延)的方法中，每个可变点状凸珠5的凸珠力仅在成形的早期才施加在坯料11上。
由于平面应变往往会引起坯料11的某个部侠产生裂纹20。但因是沿着直径线施加凸珠力，就会使无可变凸珠的情况下的单独应变(ex)变为双轴应变(ex，ey)，从而增大了从零点至应变界限线(E)的距离(图10)。结果，就减少了坯料11产生裂纹20的可能性，并改善了具有圆筒形壳罩的坯料的可成形性。
在本发明的第五实施例中，如图11和12所示，坯料11由一块大致为正方形的平板加工成一个带有一个位于其中央部位的方形壳罩11a和围绕该壳罩的平坦凸缘11b的工件，该壳罩具有一个带有一个中央方孔14和包围该中央方孔14的平壁17的端面板。
在这种成形设备中，将每个点状可变凸珠5的位置选择成可使每个可变凸珠的凸珠力施加在上述端面板的平壁17上邻近中央方孔14的各直线边之中点的部位上，并将通过各推杆12使每个可变点状凸珠5与凸轮面13之间形成的工作连接选择成可每个可变点状凸珠5的凸珠力仅仅在成形的后期才作用在坯料上。
这样，在上述的薄板成形(含拉延)的方法中，可变点状凸珠5的凸珠力仅仅在拉延过程的后期才作用到平壁17的一个部位上。
如果平壁17延展过大，就可能在平壁17上产生裂纹22。但是，在本发明中，由于每个可变点状凸珠5的凸珠力仅仅在薄板成形(含拉延)的后期才起作用，故可抑制平壁17的过度延展，从而有效地防止了方孔14角处平壁17上裂纹22的产生。
在本发明的第六实施例中，如图13和14所示，坯料11由一块大致为圆形的平板加工成一个带有一个位于其中央部位且具有一个中央半球状部分16的端面板的圆筒形壳罩11a和围绕该圆筒形壳罩11a的平坦凸缘11b的工件。
在这种成形设备中，将每个可变点状凸珠5的位置选择成可使每个可变点状凸珠5的凸珠力施加在端面的平壁17上。并将通过各推杆12使每个可变点状凸珠5与凸轮面13之间形成的工作连接选择成可使择每个可变点状凸珠的凸珠力仅在成形过程的早期才作用在坯料上。
在上述的薄板成形(含拉延)方法中，每个可变凸珠5仅在成形过程的早期才对平壁17施加凸珠力。
通常，在含有拉延圆筒形部分11a的第一工步和拉延半球形部分16的第二工步的普通综合拉延方法中，在第一拉延工步中部分16的一部分材料流向部分11a，然后在第二拉延工步中，部分16在材料的流动受到限制的情况下成形。结果，在第二拉延工步中部分16将发生大的变形而导致产生裂纹23。在本发明中，由于控制每个可变点状凸珠5仅在拉延的早期才施加凸珠力而限制了在第一拉延工步中材料从部分16向部分11a的流动，故有效地防止了在拉延半球形部分16的工步中产生裂纹23。
按照本发明的上述各实施例，由于使每个可变点状凸珠5的凸珠力仅在拉延过程的一部分阶段才以点的方式起作用，所以可有效地防止坯料在拉延过程中产生裂纹。
再者，由于可变凸珠5是一种点状凸珠，所以比普通的凸珠更容易安装到坯料夹持器或对置的压模中。
虽然在上面参考具体实施例说明了本发明，但是，熟悉本专业的人们都很清楚，在不明显背离本发明的新技术和优越性的情况下，可以对所示的具体实施例进行各种改进和变更。因此，必须明白，所有的改进和变更都将包含在下述权利要求书中规定的本发明的精神和范围之内。