振动辅助式自由成形制造的制作方法

文档序号:11118528
振动辅助式自由成形制造的制造方法与工艺

本公开涉及例如金属板的振动辅助式自由成形制造。



背景技术:

金属板成形通常使用冲压工艺(在该冲压工艺中,具有期望的几何形状的相对的工具将金属板冲压成期望的形状)执行。冲压对于大批量制造来说是非常高效的且具有成本效益的工艺。然而,对于小批量制造或原型制造(prototyping),生产用于每个部件设计迭代的冲压工具所需的成本和精力可能是过高的。能适时地产生有成本效益的原型的金属板成形工艺将会是非常有益的。



技术实现要素:

在至少一个实施例中,提供了一种用于成形工件的系统。所述系统可包括用于接纳具有相对的第一表面和第二表面的工件的固定组件、第一工具和第二工具、被构造成使第一工具振动的振动源。第一工具和第二工具可被构造成在第一工具通过振动源而振动时沿第一预定运动路径和第二预定运动路径运动并在第一表面和第二表面上施加力,以成形工件。

在一个实施例中,第一工具和第二工具被构造成沿第一预定运动路径和第二预定运动路径运动并在第一表面和第二表面上施加力以成形工件,而不穿过第一表面和第二表面。振动源可被构造成使第一工具以5至70kHz的频率振动。振动源可被构造成使第一工具以1至50μm的振幅振动。

在一个实施例中,振动源可被构造成使第一工具沿与第一表面大体上平行的方向振动。在另一实施例中,振动源可被构造成使第一工具沿与第一表面大体上垂直的方向振动。所述系统还可包括操纵器,所述操纵器包括工具保持件,所述工具保持件被构造成保持第一工具,其中,振动源包括附着到工具保持件或与工具保持件一体的换能器。

第一预定运动路径和第二预定运动路径可以是相配合的或互补的,使得在工件的局部区域中向第一表面和第二表面施加压力。在一个实施例中,振动源是第一振动源,且所述系统还包括被构造成使第二工具振动的第二振动源。第一振动源和第二振动源可被构造成使第一工具和第二工具以相同的频率振动。

在至少一个实施例中,提供了一种系统,所述系统包括用于保持工件的固定件、第一工具和被构造成使第一工具振动的振动源。第一工具可被构造成在第一工具振动时沿工件的第一表面运动并在工件上对着第二工具施加力,以成形工件。

所述系统还可包括第一操纵器和第二操纵器,所述第一操纵器被构造成使第一工具沿着工件的第一表面沿多个轴线运动,所述第二操纵器被构造成使第二工具沿着工件的第二表面沿多个轴线运动。第二工具可包括具有表面轮廓的模具。振动源可被构造成使第一工具以5至70kHz的频率和1至50μm的振幅振动。系统还可包括操纵器,所述操纵器包括工具保持件,所述工具保持件被构造成保持第一工具,其中,振动源包括附着到工具保持件或与工具保持件一体的换能器。

在至少一个实施例中,提供了一种成形包括相对的第一表面和第二表面的工件的方法。所述方法可包括定位第一工具和第二工具、利用振动源使第一工具振动以及使振动的第一工具和第二工具沿着第一成形路径和第二成形路径沿多个轴线运动使得第一工具和第二工具接触第一表面和第二表面,以成形工件。

第一工具可通过工具保持件保持并可通过附着到工具保持件或与工具保持件一体的换能器振动。第一工具可以以至少1kHz的频率振动。第一成形路径和第二成形路径可以是互补的且可在工件的局部区域中向第一表面和第二表面施加压力。所述方法可包括使第一工具以5至70kHz的频率振动,以将工件的局部区域加热至工件的熔化温度的20%至70%的温度。

附图说明

图1是根据实施例的用于渐进地成形工件的系统的侧视图;

图2是根据实施例的通过图1的系统成形的工件的示意性侧视图;

图3是根据另一实施例的通过图1的系统成形的工件的示意性侧视图;

图4是根据实施例的用于渐进地成形工件的包括振动源的系统的侧视图;

图5是根据另一实施例的用于渐进地成形工件的包括振动源的系统的侧视图;

图6是根据实施例的通过包括振动源的系统成形的工件的示意性侧视图;

图7是根据另一实施例的通过包括振动源的系统成形的工件的示意性侧视图;

图8是根据实施例的通过包括振动源和模具的系统成形的工件的示意性侧视图;

图9是根据实施例的用于渐进地成形工件的包括振动源的系统可用的模具的截面的示例。

具体实施方式

根据需要,在此公开本发明的具体实施例;然而,应理解公开的实施例仅为本发明的实施例,这些实施例可以采用各种和替代的形式实施。附图无需按比例绘制;可夸大或最小化一些特征以显示特定部件的细节。因此,在此所公开的具体结构和功能细节不应解释为限定,而仅为用于教导本领域技术人员以多种形式利用本发明的代表性基础。

申请人已经在第8,302,442号、第8,322,176号和第8,733,143号美国专利中公开了用于渐进地成形工件的多种系统和方法,在此这些专利的公开内容通过引用而整体包含于此。所公开的系统和方法可在具有成本效益和时间效益的情况下允许小批量地成形金属板。参照图1,示出了用于渐进地成形工件12的系统10的示例。系统10还可称为自由成形制造系统。工件12可由具有期望的成形特性的任何合适的材料制成,例如金属、合金、聚合材料或其组合。在至少一个实施例中,工件12可被设置为金属板。在公开的系统10的一个或更多个实施例中,工件12可以大体上是平面的或者可以至少部分地预成形或者是非平面的。

系统10可包括支撑结构20、固定组件22、第一操纵器(manipulator)24、第二操纵器26和控制器28。支撑结构20可被设置成支撑多个系统组件。支撑结构20可具有任何合适的构造。在图1示出的实施例中,支撑结构20的形状大体上呈箱状。当然,本公开预期支撑结构20可按照具有更多侧部或更少侧部的不同构造设置。在至少一个实施例中,支撑结构20可被构造为具有可彼此相对设置的第一平台30和第二平台32的框架。

一组支撑柱34可在第一平台30和第二平台32之间延伸。在一个或更多个实施例中,支撑柱34可被设置为实心构件或中空的管状构件。可设置一个或更多个拉伸构件36用于对支撑结构20施加力以提供期望大小的稳定性和刚度。在至少一个实施例中,拉伸构件36可设置在支撑柱34的内侧,并可施加使第一平台30和第二平台32朝向彼此偏置的拉力。拉伸构件36可以是任何合适的类型,例如压缩缸、弹簧、先张杆等。在至少一个实施例中,可以调节拉伸构件36施加的力以提供不同的性能特性。

可在平台30、32和支撑柱34之间设置多个开口,这可有助于接近系统组件以及工件12的安装和拆卸。一个或更多个开口可至少部分地覆盖有覆盖材料(例如金属或树脂玻璃),这有助于限定在其中进行工件成形的外壳层(envelope)。多个安全特征可与开口或覆盖材料关联,以便以本领域技术人员公知的方式启动或禁用系统操作。

固定组件22可被设置成支撑工件12。固定组件22可包括至少部分地限定开口40的框架。当固定组件22接纳工件12时,开口40可以被工件12至少部分地覆盖。可利用固定组件22设置多个夹具42,以约束工件12并对工件12施加力。夹具42可沿开口40的多个侧部设置,并可具有任何合适的构造。例如,夹具42可以是手动的、气动的、液压致动的或电动的。此外,夹具42可被构造为在工件12上提供大小恒定或可调节的力。例如,一个或更多个夹具42可被构造为提供大小恒定的力以将工件12保持在固定位置。或者,一个或更多个夹具42可被构造为提供大小可调节的力以允许相对于开口40的期望量的材料牵引(draw)。

固定组件22可被构造为相对于支撑结构20运动。例如,固定组件22可被构造成朝向第一平台30、第二平台32和/或支撑柱34运动或者远离第一平台30、第二平台32和/或支撑柱34运动。在图1中,固定组件22可沿竖直轴线或Z轴运动。在至少一个实施例中,固定组件22可安装在一个或更多个支撑构件44上,其中,支撑构件44可被构造为伸长、回缩和/或旋转,以使固定组件22和工件12相对于至少一个成形工具运动,从而有助于为工件12提供额外的运动范围并提高工件12的成形性。固定组件22可运动,使得它保持与第一平台30或第二平台32平行,或者使得固定组件22倾斜以实现非平行关系。固定组件22的运动可在成形工件12时发生。

第一定位装置或第一操纵器24和第二定位装置或第二操纵器26可被设置成定位成形工具。第一操纵器24和第二操纵器26可分别安装在第一平台30和第二平台32上。或者,在本公开的一个或更多个实施例中,第一操纵器24和第二操纵器26可直接安装在支撑结构22上。第一操纵器24和第二操纵器26可具有相同或不同的构造。例如,第一操纵器24和第二操纵器26可具有多个自由度,例如可具有至少六个自由度的六足操纵器,比如F-200i六足机器人型号的发那科机器人。这样的操纵器通常可具有将基底接合到平台的多个棱形链接或支杆。链接或支杆可以是线性致动器,例如能够致动以使平台相对于基底运动的液压缸。具有六自由度的操纵器可单独地沿三个直线方向和三个成角度的方向或任意的组合方向运动。例如,操纵器可被构造成使相关联的工具沿多个轴线(诸如沿如不同的正交方向延伸的轴线,比如X轴、Y轴和Z轴)运动。

第一操纵器24和第二操纵器26可接纳有助于成形工件12的多个部件。这些部件可包括负载单元50、加热元件52、主轴54、工具保持件56、56’以及成形工具58、58’。一个或更多个负载单元50可被设置成检测施加在工件12上的力。由负载单元50提供的数据可发送到控制器28并可用于监测和控制系统10的操作,这将在下面更详细地描述。负载单元50可设置在支持准确数据收集的任何合适的位置,例如靠近加热元件52、主轴54、工具保持件56、56’或成形工具58、58’。

加热元件52可以是任何合适的类型,并可以是电加热的或者非电加热的。加热元件52可提供能传递到工件12的能量,以帮助提供期望的成形和/或表面光洁度特性。加热元件52可直接或间接地加热工件12。例如,加热元件52可设置在成形工具58、58’中或成形工具58、58’附近,以直接或间接地加热成形工具58、58’进而加热工件12。在至少一个其他实施例中,激光器或加热元件可直接加热工件12的至少一部分。或者,一个或更多个加热元件52可设置在诸如固定组件22的另一系统部件上。与第一操纵器24和第二操纵器26关联的加热元件52可同时操作或单独操作。在至少一个实施例中,加热元件52的操作可主要加热工件12的一侧,并可有助于在工件12的不同侧或区域之间形成应力减小或表面光洁度特性方面的差异。

主轴54可被设置成使工具保持件56、56’和相关联的成形工具58、58’绕旋转轴线旋转。如果设置的话,与不旋转的成形工具相比而言,主轴54可安装在操纵器24、26上并可提供额外的材料成形性能。此外,可对主轴54主动地或被动地控制。主动控制可通过对主轴54的旋转进行编程或控制而进行,这可在使或不使主轴的运动与操纵器24、26的运动同步的情况下进行。被动控制可通过允许主轴54响应于对工件12施加的力(例如经成形工具传递到主轴54的力)自由旋转而进行。

工具保持件56、56’可接纳并保持成形工具58、58’。工具保持件56、56’可具有相同或不同的构造。工具保持件56、56’可包括能接纳成形工具58、58’的一部分的孔。此外,工具保持件56、56’可利用夹具、定位螺钉、过盈配合或本领域技术人员公知的其他结构将成形工具58、58’保持在固定位置。工具保持件56、56’和/或成形工具58、58’还可与自动化工具更换器(changer)60关联,该自动化工具更换器60可有助于快速互换或更换工具,这也是本领域技术人员所公知的。

成形工具58、58’可施加成形工件12的力。成形工具58、58’可具有任何合适的几何结构,包括但不限于平坦的、弯曲的、球形的或锥形的形状或其组合。此外,成形工具58、58’可构造有一个或更多个运动特征或表面,例如辊。具有相同或不同的几何结构的成形工具可利用第一操纵器24和第二操纵器26设置。成形工具的几何结构、硬度和表面光洁度特性(例如,覆盖层或纹理)的选择可基于与工件材料的兼容性以及成形后的工件12的期望的形状、光洁度、厚度或其他设计特性。

一个或更多个控制器28或控制模块可设置用于控制系统10的操作。例如,控制器28可监测并控制固定组件22、操纵器24和26、负载单元50、加热元件52、主轴54和工具更换器60的操作。控制器28可适于接收CAD数据并提供计算机数控(CNC)以根据设计规范成形工件12。此外,控制器28可监测并控制测量系统62的操作,该测量系统62可被设置成在成形过程期间监测工件12的尺寸特性。测量系统62可以是任何合适的类型。例如,测量可以基于与工件12的物理接触,或者可以在不进行物理接触的情况下例如利用激光或光学测量系统执行。

如前所述,系统10可用于渐进地成形工件。在渐进成形中,通过一系列小的渐进变形将工件成形为期望的构造。这些小的渐进变形可通过使一个或更多个工具沿着或抵着一个或更多个工件表面运动而提供。工具运动可沿预定的或编程好的路径进行。此外,工具运动路径还可基于例如来自负载单元的测量到的反馈而适应性地实时编程。因此,成形可在至少一个工具运动时渐进地发生而不用从工件去除材料。

在一个实施例中,将要渐进地成形的材料可被装载在系统中。可手动或自动地将可被至少部分地预成形的材料置于固定组件22中并使其在固定组件22中与开口40的至少一部分对齐。然后可夹持住工件以将材料保持在期望的位置,如前所述。此外,可在将要成形的材料的一个或更多个表面上设置比如蜡或润滑剂的摩擦降低材料,以帮助降低摩擦和/或提高光洁度。

然后可将材料“粗成形”或大体上成形为中间形状。粗成形会使材料的形状变化,使得工件的至少一部分不会成形为最终形状或目标形状。粗成形可通过第一操纵器24和第二操纵器26的操作而完成。例如,控制器28可执行使操纵器24、26运动的程序,使得它们各自的工具接触材料并对材料施加力以改变其形状。一个或更多个工具可用于粗成形材料。与使用一个以上的工具相比,使用一个工具会导致对工件的局部变形控制降低。使用多个工具结果可提高尺寸精度,这是因为在工件一侧施加的力会受位于工件相对侧的工具施加的力影响或者至少部分地偏置。这样,一个工具可提供局部支撑,这减少了材料的局部运动。

在粗成形期间,操纵器可定位工具或使工具运动,使得它们不会相对地接近(即,工具在位于工件的相对侧或不同侧时不会接近或对齐),如图2所示。在图2中,示出的第一工具58和第二工具58’对工件12施加力,从而产生弯曲表面。在粗成形期间,第一工具和第二工具可沿相同或不同的路径运动,这样的运动可彼此同步或者彼此不同步。

然后,材料可进行“成品成形(finish formed)”,从而获得最终期望形状的工件。成品成形可补偿设计意图的偏离,这些偏离可能是由于粗成形导致的金属松弛和工件的整体变形和/或与设计意图不同的工具接触位置或工具定位而导致的。成品成形可通过致动操纵器进行,使得多个工具相对地彼此接近(即,工具在位于工件的相对侧或不同侧时接近或对齐)地定位。在图3中示出了成品成形的示例性描述。在成品成形期间,可通过在工件的不同侧施加力使得由一个工具施加的力由于另一个工具施加的力而至少部分地偏移或抵消来调节或纠正从期望形状或目标形状的偏离。更具体地,工具可充分接近地定位,以帮助更精确地控制工件成形。操纵器可在成品成形期间使工具大体上沿相似的路径运动到相似的位置,从而获得和/或保持足够的接近度。

在成品成形步骤之后,可估计成形的工件的尺寸。可使用先前描述的测量系统完成尺寸估计。如果一个或更多个尺寸特征不在预定公差内,则可执行其他成形操作和/或可进行编程调节。然后可从系统上移除成品工件。更具体地,可释放夹具并使夹具与工件分离,从而可将材料从固定组件上移除。

金属板的自由成形制造依赖于两个触针式成形工具之间的与这两个工具接触的材料的局部塑性变形。通过彼此偏移的重复的成形道次,对夹具压力和两个接触触针式尖端的位移的控制可逐渐使材料牵引(draw)成一形状。已经发现材料的塑性变形会使成形材料的晶粒结构变化和/或使成形材料变薄。例如,成形材料的晶粒可拉长并硬化材料,这与轧制过程类似。材料的这些物理变化会限制工艺的成形性能。先前描述的牵引材料所需要的成形工艺工具的几何结构和力通常不能使它们自己成形薄的金属箔(例如,厚度小于1mm)。此外,对改善厚度至少为1mm的金属板的自由成形是有利的是,例如,增大在成形操作期间可对金属板进行牵引的距离或者减轻材料的晶粒结构或属性的变化。

已经认识到应用高频振动(例如超声波振动)可提高自由成形制造系统10的性能和/或增大自由成形制造系统10的金属板的厚度范围。在不受限于任何特定的理论的情况下,应相信通过向成形工具/尖端施加振动,在工具/尖端之间与其接触的材料随后被激发并被加热,进而被软化。结果,软化的材料可提高成形过程的塑性变形极限。触针尖端的振动结合对夹持压力的控制可直接激发/加热/软化位于尖端之间与其接触的材料。对材料的效应可以是极快的并可以是局部的,使得材料周围的区域不会受到明显的影响。可提高尖端之间的局部软化的材料的塑性变形成形极限,因而允许材料更自由地流动和/或成形。与先前的系统相比,材料的激发可使牵引、成形和/或塑形材料所需的变形压力更小,从而允许自由成形制造工艺用于更薄的材料(例如,薄箔材料)。通过允许更厚的材料被更大程度地牵引和/或成形,更厚材料的自由成形制造也可受益于振动辅助式触针尖端。材料的激发和随后的变形可使成形材料属性的改变最小。因此,自由成形制造尖端的激发可以使薄的金属箔能够使用自由成形制造工艺和/或提高金属箔的自由成形制造的厚度极限(例如,≥1mm)。

振动或激发可按照多种方式应用到自由成形制造系统。在至少一个实施例中,振动源64可附着、连接或结合到工具58和58’中的一个或两个。在一个实施例中,振动源64可包括将其他形式的能量转换成振动能的振动换能器(例如超声波换能器)。换能器可以是任何适合类型的换能器,诸如接触式换能器。诸如超声波换能器的换能器可包括压电换能器或电容换能器,其将电能转换成声振动。压电换能器可包括当施加电压时尺寸变化的压电晶体。因此,在晶体上施加交流电(AC)使其以非常高的频率振荡,产生高频声振动(例如,超声波振动)。除了转换是由于电容的变化而发生的,电容换能器基于类似的原理工作。然而,这些仅是示例,可使用产生振动的任何其他适当的方法。例如,可使用磁致伸缩材料,在暴露于磁场时其尺寸改变小的量。

振动源64可位于任何适当的位置,从而允许振动传递到工具58和/或58’。振动源64可附着到工具保持件56、加热元件52、负载单元50、主轴54或与工具保持件56、加热元件52、负载单元50、主轴54一体,或者可位于这些部件中的任意两者之间。可选择振动源64的位置,以允许振动源的调谐与系统的声学特性一致。调谐通常是以声学系统的共振频率的二分之一波长间隔完成的。可选地,振动源64可附着到工具58和/或58’或与工具58和/或58’一体。在这些实施例中,工具58和/或58’可具有允许振动波适当地传播的几何结构。在一个实施例中,振动源64附着到工具保持件56或与工具保持件56一体。在图4示出的实施例中,振动源64附着到工具保持件56或与工具保持件56一体且振动源64被构造成沿与工具保持件56的长轴线66平行且与正在成形的工件12的表面垂直的方向产生振动。振动源可包括与工具保持件56一体或附着到工具保持件56的换能器68。在图5示出的实施例中,振动源64(可以是换能器68)附着到工具保持件56或与工具保持件56一体,并被构造成沿与工具保持件56的长轴线66垂直且与正在成形的工件12的表面平行的方向产生振动。虽然图4和图5中示出的振动源64附着到工具保持件56或与工具保持件56一体以使工具58振动,但是振动源可替代性地附着到工具保持件56’或与工具保持件56’一体以使工具58’振动。振动源64(例如,换能器68)还可附着到工具保持件56和56’或与工具保持件56和56’一体以使工具58和58’两者振动。工具58’的振动可大体上与工具保持件56’的长轴线66’平行或垂直。

在至少一个实施例中,振动源64是超声波换能器。振动源64可使工具58和/或58’振动。振动可以以设定的频率范围(例如,20kHz±500Hz)内的固定频率发生。频率范围还可以在某一时间段内设定,然后在另一时间段内被调节为不同的频率范围。可基于工具在工件上的位置、工件的材料属性的变化、声学系统的加热或其他因素来调节频率。在一个实施例中,频率可以是至少1kHz,例如,至少5kHz、10kHz、18kHz、20kHz、25kHz、50kHz、60kHz、100kHz或150kHz。在表述为范围时,振动源64可使工具58和/或58’以1至150kHz的频率振动或其任何子范围内振动。例如,工具可以以1至100kHz、10至100kHz、10至90kHz、15至90kHz、20至90kHz、30至90kHz、40至80kHz、50至70kHz、55至70kHz、5至70kHz、5至40kHz、10至35kHz、10至30kHz、15至25kHz或其他子范围内的频率振动。换句话说,工具可以以大约20kHz、25kHz、30kHz、35kHz、40kHz、45kHz、50kHz、55kHz、60kHz、65kHz、70kHz、75kHz或80kHz的频率振动,大约指的是±5kHz。可基于应用选择频率,并且频率会受到诸如材料类型(例如,金属或聚合物)、材料属性(例如,硬度、晶粒结构等)、期望部件的几何结构或其他的因素影响。振动源64的频率可由控制器控制,该控制器可调节振动源的频率以使整个声学系统保持理想的或接近理想的共振频率。然而,还可使用以上范围/值之外的频率,较低的频率可能不是很有效,而较高的频率可能会减少收益或损坏正在成形的材料。

参照图6至图8,示出了成形工件12的系统10的示意性示例。在至少一个实施例中,如图6所示,工具58和58’中仅一个结合到振动源64。例如,工具58可振动同时工具58’不振动。在该示例中,工具58可用作焊头(horn)70而工具58’可用作底砧(anvil)72。在此使用的术语“焊头”和“底砧”与超声波焊接中使用的术语类似。焊头70是向部件(在本实施例中是工件12)施加振动的部件。底砧72是与焊头相对的表面,其可允许定位和/或支撑工件12。底砧72可与焊头70相对地设置,而工件12位于两者之间。底砧72可以是静止的(例如,不振动)。在超声波焊接中,基本上还存在压机(press)以向两个正在接合的部件施加压力,使得振动能集中在将要熔化的位置。然而,在本公开中,仅一个工件12成形(没有与其他部件附连),且可通过操纵器24和26施加在两个工具58和58’之间的力而提供压力。如上所述,振动源64可被构造为使工具58沿与工具保持件56的长轴线66平行或垂直的方向振动。在图6示出的实施例中,振动源64被构造为使工具58沿与长轴线66垂直的方向振动。

在图7示出的另一实施例中,工具58和工具58’两者都可结合到振动源64。在该实施例中,工具58和工具58’两者可彼此独立地用作焊头70或者如果不需要来自振动源64的振动时用作底砧。在工具58和58’都振动的实施例中,振动源64可被构造成具有相同或不同的频率。类似地,振幅可以相同或不同,且它们可以同相或异相。在一个实施例中,工具58和58’可以以相同的频率和振幅振动。在另一实施例中,它们还可以以异相的方式振动。向工具58和58’两者提供振动可增大工件12的激发量或局部加热。结果,可更早地成形工件12和/或可提高牵引极限(例如,更深的牵引或更薄的工件)。如上所述,振动源64可被构造为使工具58和58’沿与工具保持件56和56’的长轴线66和66’平行或垂直的方向振动。在图7示出的实施例中,振动源64被构造为使工具58和58’沿与长轴线66和66’平行的方向振动。

在图8示出的另一实施例中,可移除或不使用系统10中的一个操纵器,并且可利用模具76来代替该操纵器。例如,可从工件12上移除或移走操纵器26。在这种替换中,模具76可布置在工件12的一侧(例如,下侧)。在另一实施例(未示出)中,模具76可安装到操纵器26,代替元件50、52、54、56和58中的一些或所有。模具76可具有呈与期望部件的形状逆向的形状的表面轮廓78。操纵器24可利用工具58通过沿预定或编程好的路径行进而在模具76上渐进地成形工件12,类似于上面的描述。如果模具76安装到操纵器26,则操纵器24可与操纵器26相协调地行进。在这些实施例中,工具58可使用振动源64而振动。与参照图6描述的实施例类似,工具58可用作焊头70。然而,在模具76用作底砧的这些实施例中,为工具58提供相对的表面、支撑和/或定位允许向工具58和模具76之间的工件12上施加压力。在一个实施例中,图9示出了截面图的示例,模具76可具有与针对燃料电池的期望的双极板(bi-polar plate)的几何结构逆着的表面轮廓78。模具76可具有多个凸起80和凹入82,以在所产生的双极板中形成气体通道或其他板特征。

如上所述,将振动源64增加到系统10中可允许利用自由成形制造系统成形更薄的金属板。在至少一个实施例中,可成形或塑形初始厚度达1mm的金属板。例如,可使用包括振动源64的系统10来成形初始厚度小于或等于0.5、0.4、0.3、0.2、0.1或0.05mm金属板。在一个实施例中,金属板的初始厚度可以为0.05至0.9mm,或其任意子范围内,例如0.05至0.75mm、0.05至0.5mm、0.05至0.25mm、0.05至0.15mm、0.05至0.1mm或大约0.1mm。

除了允许自由成形制造系统10成形或塑形更薄的金属板,工具58和58’的振动还允许更厚的金属板(例如,≥1mm)的牵引增大。这是由于在牵引期间材料的软化引起的。牵引的度或极限可基于诸如材料类型、材料属性和几何结构的因素而变化。与在相同条件但不振动的情况下被牵引的相同的金属板相比,工具58和58’的振动可允许金属板的牵引增大。例如,某些金属板当前具有大约150%的牵引极限。然而,在工具振动的情况下,牵引极限可以是175%、200%或更高。

振动源64在工具58和/或58’中的产生的振动的振幅可根据被成形的金属、将要成形的形状或其他因素设定。通常,较高的振幅将为工件12提供增大的激发和/或加热。在至少一个实施例中,振动的振幅可以是0.5至100μm或其任意子范围内。例如,振幅可以是0.5至75μm、1至50μm、5至50μm、5至45μm、10至45μm、15至45μm、15至40μm或20至35μm。如上所述,振幅可描述竖直方向(例如,与工件垂直的方向)或水平方向(例如,与工件平行的方向)上的运动。如超声波焊接领域所公知的,各种大小的助力器(booster)可增设到振动源64并被包括在系统10中,例如工具或工具保持件中。助力器可使振动源64的振动的振幅变化(例如,增大)。

包括结合到振动源64的工具的系统10可用于成形或塑形任何金属板。可由系统10成形的金属的非限制性示例包括钢、铝、钛或其合金。将基于被成形的材料来大体上调节振动源的参数(例如频率和振幅)、换能器方位、施加到工件上的力、尖端材料或其他。例如,可基于工件的物理属性和/或特征(例如,厚度、硬度或晶粒尺寸)来调节参数。

如上所述,工具的振动可引起金属工件的局部加热,进而使其更容易地成形和塑形。工件(例如,工具58和58’之间或者工具58和模具76之间的区域)的局部温度可升高至低于金属工件的熔点的温度。在一个实施例中,合金的局部温度可通过振动而升高至90to 200°F或其任意子范围内。例如,局部温度可升高至90至150°F、90至130°F、100至130°F、105至125°F、110至125°F、105至120°F、110至120°F或其任意子范围内。合金的局部温度还可升高至合金熔化温度的百分比。例如,合金可被加热至其熔化温度的10%至80%或其任意子范围内,例如,其熔化温度的20%至70%、25%至65%、30%至60%、35%至55%或40%至50%。

振动源64可由一个或更多个控制器28(或单独的控制器)以与上述控制操纵器、负载单元和其他部件的方式相同的方式控制。例如,控制器28可监测并控制诸如换能器68的振动源64的操作。控制器28可控制工具的振动的频率、振动的振幅、振动的正时或其他参数。控制器28可响应于系统的共振特征而控制振动源的参数。此外,控制器28可监测并控制可被设置为在成形过程期间监测工件12的尺寸特征(其可包括工件12的局部温度和/或工件12的振动的频率和/或振幅)的测量系统62的操作。

可采用所公开的系统和方法来成形具有复杂的几何结构的工件,而不会增大与设计、制造和传统上成形诸如金属板的工件所采用的模具的运输关联的前置时间和成本。此外,可降低或避免相关设备(例如,压机)的资本投资。这样,可大体上减少每个工件的成本和制造时间。此外,与诸如单点渐进成形的其他技术相比,所公开的系统和方法可生产具有改善的表面质量和尺寸精确度的部件。此外,可降低能量消耗。可在样机、小批量生产和/或较大批量生产中实现这些优点。

虽然以上描述了示例性实施例,但这些实施例并未旨在描述本发明的所有可能的形式。相反,在说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语,应该理解,在不脱离本发明的精神和范围的情况下能够进行各种变化。此外,各个实施例的特征可组合,以形成本发明的进一步的实施例。

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