渐进成形工件的方法

专利名称：渐进成形工件的方法
技术领域：
本发明涉及一种渐进成形工件的方法。
背景技术：
美国专利申请公布2009/0158805公开了板材成形技术以及利用该技术成形结构件。具体地讲，该公开涉及利用局部加热对板材进行渐进成形，尤其涉及一种在通过动态地移动加热源来加热板坯时渐进成形所述板坯的系统和方法。这种动态局部加热局部地改变了板材的机械性能，因此有利于成形工艺。

发明内容
在至少一个实施例中，提供了一种渐进成形工件的方法。所述方法包括在第一方向上渐进成形第一单调的包络表面以及在被设置为与所述第一方向相反的第二方向上渐进成形第二包络表面。在至少一个实施例中，提供了一种渐进成形工件的方法。所述方法包括相对于工件的初始位置在第一方向上渐进成形第一单调的包络表面；以及在被设置为与所述第一方向相反的第二方向上渐进成形完全位于第一单调的包络表面内的第二单调的包络表面。在至少一个实施例中，提供了一种渐进成形工件的方法。所述方法包括在工件上渐进成形凸起的表面；以及在所述凸起的表面内渐进成形凹入的表面。在工件的未形成凹入的表面的任何区域中不形成另外的凸起的表面。


图1是成形工件的工件渐进成形系统的示例性侧视图。图2是示例性工件在渐进成形之后的俯视地形图(top topographic view)。图3是工件在渐进成形之前的示例性侧剖视图。图4a、图4b、图5和图6是经历了一系列渐进成形步骤的工件的示例性侧剖视图。
具体实施例方式在此公开本发明的详细实施例；然而，应理解，所公开的实施例仅为本发明的示例，本发明可以以各种替代的形式实施。附图不一定按比例绘制，可夸大或最小化一些特征以显示特定组件的细节。此外，来自于一个实施例的任何或全部特征均可与任何其它实施例相结合。因此，在此公开的具体的结构性和功能性细节不应被解释为限制，而仅作为权利要求的代表性基准和/或作为用于教导本领域技术人员以各种方式实施本发明的代表性基准。参照图1和图2，示出了用于渐进成形工件12的示例性系统10。工件12可以由任何合适的材料或具有期望的成形特性的材料(例如，金属、金属合金、聚合物材料或这些材料的组合)制成。在至少一个实施例中，可将工件12提供为片状金属。在一个或多个实施例中，可以以总体上为平面或者被至少部分地预成形为非平面构造的初始构造来提供工件12。所述系统10可被用于渐进成形工件。在渐进成形中，通过一系列小的渐进变形 (incremental deformation)来使工件成形为期望的构造。可通过沿着或抵着工件的一个或多个表面移动一个或多个工具来提供所述小的渐进变形。工具运动可沿着预定的或程序规划的路径进行。此外，可基于测量的反馈(例如，从测压元件测量的反馈)实时地对工具运动路径进行自适应编程。因此，渐进成形可随着至少一个工具的运动以渐进方式进行，而且不从工件上去除材料。在第12/369，336号美国专利申请(该专利申请被转让给了本申请的受让人，并且该申请的全部内容通过引用被包含于此)中描述了这种系统10的更多细节。下面提供对这种系统10的一些组件的简要总结。系统10可包括有助于工件12成形的多个组件，例如，夹具组件20、第一操作器 22、第二操作器M和控制器26。可设置夹具组件20来支撑工件12。夹具组件20可被构造为至少部分地限定开口观(图3中所示)的框架。当夹具组件20接纳工件12时，工件12可被设置在开口观中或者至少部分地覆盖开口 28。夹具组件20可包括多个夹具30，所述多个夹具30可被构造为与工件12接合并将力施加于工件12上。可沿着开口观的多个侧边设置夹具30，并且夹具30可具有任何合适的构造和致动机构。例如，夹具30可被手动致动、气动致动、液压致动或电动致动。此外， 夹具30可以被构造为在工件12上提供固定量的力或可调量的力。可设置第一定位装置和第二定位装置或操作器22J4来定位第一成形工具32和第二成形工具32'。第一操作器22和第二操作器M可具有多个自由度，例如，可具有至少六个自由度的六足操作器。操作器22、对可被构造为沿着多个轴(例如，沿着不同的正交方向延伸的轴，如X轴、Y轴和Z轴)移动相关的工具。第一成形工具32和第二成形工具32 ‘可分别被接纳于第一工具座34和第二工具座34'中。在一个或多个实施例中，第一工具座34和第二工具座34'可被设置在心轴上并且可被构造为绕着相关的旋转轴旋转。成形工具32、32'可施加力以在不去除材料的情况下成形工件12。成形工具32、 32'可具有任何合适的几何形状，所述几何形状包括但不限于平面形状、曲面形状、球面形状或圆锥形状或者这些形状的组合。可提供一个或多个控制器沈或控制模块来控制系统10的操作。控制器沈可适于接收CAD或坐标数据，并可针对设计规格来提供用于成形工件12的计算机数字控制(CNC)。 此外，控制器沈可监视和控制测量系统的操作，可提供所述测量系统以在成形工艺期间监测工件12的尺寸特性。参照图2，示出了在完成渐进成形之后处于最终构造的示例性工件12的俯视地形图。字母A至G指的是表示与参考位置或参考平面距离相同的邻近点的等高线(该等高线与地形图上显示海拔相同的点的等高线类似)。所述参考位置可以是如下面将更加详细地描述的工件12的初始位置或另一参考基准(datum reference)。等高线A至G与在图6中的剖视图中沿着竖直轴示出的距离A至G吻合。参照图3至图6，示出了渐进成形工件的示例性方法。更具体地讲，图3至图6是在渐进成形的不同阶段期间工件12沿着图2中的剖面线6-6的剖视图。图3至图5中的虚线示出了工件12在尚未完成渐进成形的区域中期望的构造或最终构造。参照图3，以实线示出了工件12的初始构造。工件12的初始构造可以是工件12 在渐进成形之前的构造或形状。初始构造可以基本上是如图中所示的平面。或者，可预成形工件12或可提供工件12，使得工件12的至少一部分在渐进成形之前为非平面。工件12的初始构造可限定参考构造或参考平面，可从参考构造或参考平面开始描述或提及后续的渐进成形步骤。例如，对于初始构造基本上为平面的工件12而言，参考平面40可以是设置工件12的平面。对于非平面工件而言，参考构造或参考平面可以是工件12的在渐进成形之前未被预成形的表面。此外，参考构造可以是不与工件12相交的数学上限定的表面或基准。例如，这种参考表面可以是(当工件12处于初始构造时)与工件 12的至少一部分平行地设置但却与之隔开的平面或者表面，例如参考平面40'。或者，在各种实施例中，可使用点、线或其它表面作为参考点或基准。参照图如、图4b、图5和图6，示出了根据本方法的示例性的一系列渐进成形步骤。 更具体地讲，所述方法包括在工件12上渐进成形一个或多个包络表面或包络表面级(wrap surface level)。可按照预定顺序渐进成形多个包络表面。可在交替的或不同的方向上成形顺序的或连续的包络表面。例如，第一包络表面可在第一方向上成形，第二包络表面可在第二方向上成形，第三包络表面可在第一方向上成形等。此外，可(例如)通过成形至少部分地凸起的第一包络表面、至少部分地凹入的第二包络表面和至少部分地凸起的第三包络表面等而以交替的图案渐进成形顺序的包络表面。可按照不同的方式来限定包络表面。例如，包络表面可被限定为按照单调的方式在工件12上渐进成形的表面或轮廓或者可被限定为单调的表面。可按照不同的方式来限定单调的包络表面。从剖视图的角度看，单调的包络表面的第一种定义为(1)工件的渐进成形的表面；( 相对于参考平面或基准在共同的方向(common direction)上成形；(3)其中，将渐进成形的表面上的位于与参考平面或基准距离相同的位置的任意两点连接的线位于已经渐进成形的表面或表面体积(surface volume)内。从剖视图的角度看，单调的包络表面的第二种定义可以为(1)工件的渐进成形的表面；( 相对于参考平面或基准在共同的方向上成形；C3)其中，渐进成形的表面相对于参考平面至少部分地凹入但不凸起，或者至少部分地凸起但不凹入。从剖视图的角度看，单调的包络表面的第三种定义可以为(1) 工件的渐进成形的表面；( 相对于参考平面或基准的在共同的方向上成形；C3)其中，渐进成形的表面相对于参考平面完全凹入或者完全凸起。包络表面可满足上述定义中的一个或更多。连续的包络表面可以渐进成形于工件12上。连续的包络表面的成形可按照不同的级别进行描述或者可被描述为母-子层次结构(parent-child hierarchy)(其中，子包络表面可在母包络表面的内部渐进成形或者完全在母包络表面内渐进成形)。例如，可渐进成形母包络表面，然后可在母包络表面内渐进成形子包络表面。如果需要，则可以再在子包络表面内成形孙包络表面(grandchild wrap surface)等。可在交替的方向上成形连续的包络表面。例如，如果母包络表面至少部分地凸起，那么子包络表面可以至少部分地凸起， 反之亦然。类似地，如果子包络表面至少部分地凸起，那么孙包络表面可以至少部分地凹入，反之亦然。
在母-子层次结构中，工件12在同一级别或同一代可具有多个包络表面。例如， 可在母包络表面中形成有多个子级包络表面。这种子级包络表面及其后代可按照各种顺序渐进成形。例如，可在成形孙级包络表面之前成形所有的子级包络表面(例如，可在第一孙级包络表面和第二孙级包络表面(如果有的话)之前成形第一子级包络表面和第二子级包络表面)。另一顺序将包括在形成母-子层次结构中的另一分支之前形成顺序或分支完整的包络表面。例如，可渐进成形第一子级包络表面及其后代(如果有的话)，然后可渐进成形第二子级包络表面及其后代(如果有的话)等。本发明还预期可以使用上述方法的组合来形成包络表面。参照图4a，示出了单调的包络表面的示例。在图如中，示出了在渐进成形示例性的母级或第一包络表面50之后的工件12。第一包络表面50由工件12的相对于图3已经成形的部分来表示。从剖视图的角度看，将位于同一高度或者位于与参考表面40或40'距离相同的位置的任意两点连接的线(例如，从点P到点P'的水平线)完全位于已经被渐进成形的表面体积内(例如，水平线与工件的已经渐进成形的部分相交于两点)。应当理解， 从三维角度来看，这种水平线可表示单调的平面。这样，单调的平面可沿着连续环与已经渐进成形的表面相交。图4b是单调的第一包络表面的另一示例。在图4b中，第一包络表面50相对于参考表面40、40'完全凸起。这与图如的不同之处在于已经渐进成形的表面的一部分52在图4b中是凸起的，但在图如中并非如此。在图如和图4b中，第一包络表面50相对于参考构造或参考平面在第一方向上渐进成形。第一方向可远离工件12的初始位置并向上延伸。在一个或多个实施例中，第一方向可以沿着基本上垂直于工件12的初始位置和/或参考平面40、40'延伸的轴线。参照图5，示出了在渐进成形第二包络表面60之后的工件12。注意到，第二包络表面60的位于图5的左侧的部分将相对于图4b形成，而不是相对于图如形成。第二包络表面60可在可与第一方向相反的第二方向上渐进成形。例如，第二方向可向下延伸或朝着工件的初始位置延伸或朝着参考平面40、40'延伸。从剖视图的角度看，第二包络表面60 可被完全设置在第一包络表面50内。第二包络表面60可被设置为比第一包络表面50的紧邻的部分更靠近参考平面40、40'。此外，第二包络表面60可相对于参考平面40、40' 凹入。这样，凹入的包络表面可完全形成在工件12的之前形成凸起的包络表面的区域内。 在第一包络表面50至少部分地凸起但不凹入或者完全凸起的实施例中，除非首先形成至少部分地凹入的另一包络表面，否则随后在第一包络表面50中不会形成另外的凸起的包络表面。此外，第二包络表面60可被设置为子级包络表面，这样，第二包络表面60可如上所述地按照各种顺序成形。在图6中，示出了在渐进成形第三包络表面70之后的工件12。第三包络表面70 可在第一方向上渐进成形，或者可在与第一包络表面50渐进成形的方向相同的方向上渐进成形。此外，第三包络表面70可相对于参考平面40、40'凸起。从剖视图的角度看，第三包络表面70可被完全设置在第二包络表面60内。此外，第三包络表面70可被设置为与第二包络表面60的紧邻的部分相比进一步远离参考平面40、40'。通过持续交替工件12渐进成形的方向，可在成形第三包络表面70之后成形其它包络表面。此外，随后的每个包络表面可被成形于前面紧接着的包络表面内。例如，第四包络表面可被成形于第三包络表面内，第五包络表面可被成形于第四包络表面内，等等，直到得到工件12最终的构造为止。此外，在一个或多个实施例中，在工件12的尚未在第一方向上成形包络表面的任何区域中，不会在第二方向上成形包络表面。根据本方法的渐进成形以及上面所描述的包络表面可有助于在渐进成形期间精确地控制工具路径的执行，并且可有助于改善工件最终的几何形状。这样，工件最终的几何形状可更加精确地反映或匹配工件的期望的几何形状或意图设计的几何形状。此外，可更加容易地或快速地计算工具路径或对其编程，从而提高生产能力并改善制造物流管理。虽然已经示出并描述了本发明的实施例，但并非意味着这些实施例示出并描述了本发明的所有可能的形式。相反，说明书中所使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可进行各种改变。
权利要求
1.一种渐进成形工件的方法，包括在第一方向上渐进成形第一单调的包络表面；在被设置为与所述第一方向相反的第二方向上渐进成形第二单调的包络表面。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二单调的包络表面完全设置在所述第一单调的包络表面内。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一单调的包络表面至少部分地凸起，但不凹入。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二单调的包络表面至少部分地凹入，但不凸起。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二单调的包络表面相对于所述第一单调的包络表面是凹入的。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一单调的包络表面相对于参考平面是凸起的，所述第二单调的包络表面相对于参考平面是凹入的。
7.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括渐进成形完全被设置于所述第二单调的包络表面内的第三包络表面，其中，所述第三包络表面在第一方向上成形。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述第三包络表面是单调的。
9.如权利要求7所述的方法，其中，所述第三包络表面至少部分地凸起，但不凹入。
全文摘要
本发明公开了一种渐进成形工件的方法。所述方法包括在第一方向上渐进成形第一单调的包络表面；在被设置为与所述第一方向相反的第二方向上渐进成形第二包络表面。
文档编号B21D22/14GK102335687SQ201110199118
公开日2012年2月1日 申请日期2011年7月12日 优先权日2010年7月15日
发明者任锋, 夏志永, 维及达·塞纳卡·克利德纳 申请人:福特全球技术公司