深滚压成形的制作方法

本教导一般涉及形成曲面结构(contoured structure)，和更具体地涉及使用深滚压形成曲面结构。

背景技术：

现代飞机在包括蒙皮、观察板、机翼襟翼和机身区段的各种应用中利用曲面结构，如弯曲的金属板。形成曲面金属板的常规方法包括喷丸硬化和激光冲击硬化(laser shock peening)。在喷丸硬化成形中，金属、玻璃或陶瓷喷丸的流冲击金属工件的表面以弹性地和塑性地拉伸该表面并引入局部低塑性形变，其表现自身为残余压应力。弹性和塑性拉伸和压应力产生的组合引起金属板在喷丸硬化侧上形成凹曲度。由于过程变化性(process variability)，随喷丸硬化出现问题。而且，喷丸硬化使用通常由铸铁、切割钢丝、玻璃或陶瓷制成的小喷丸，其经常破裂和需要定期更换。处理和处置更换的喷丸可以引起环境问题。

激光冲击硬化操作类似于喷丸硬化，但是使用脉冲的激光而不是钢或陶瓷件来冲击工件。然而，激光冲击硬化需要昂贵的设备并且在成形之前和之后需要耗时的掩膜/去掩膜步骤。

这些方法还增加工件的表面粗糙度，由此在将曲面引入金属板之后，需要额外的耗时和高成本的表面处理。形成曲面金属板的改进的方法将是期望的。

技术实现要素：

下面提出简化的概括从而提供对本教导的一个或多个实施方式的一些方面的基础理解。该概括不是广泛的概述，也不是旨在标识本教导的重要或关键的要素，也不是划定本公开内容的范围。而是，其主要目的仅仅是作为序言为后面提出的具体实施方式提出简化形式的一个或多个概念。

在一方面，提供由工件形成曲面结构的方法。该方法包括提供包括第一侧和第二侧的工件，该工件具有大约2英寸或更小的厚度。工件可以被定位在定位器(fixture)上，使得工件的第一侧可接近深滚压工具。深滚压工具向工件的第一侧施加压缩力。深滚压工具可以相对于工件移动，同时在连续施加压缩力以向工件的第一部分引入塑性形变。可以调节深滚压工具以接触工件的第二部分并相对于工件移动以向工件的第二部分引入塑性形变。然后可以调节深滚压工具以向金属件的一个或多个额外部分引入塑性形变以向工件的第一侧引入凸的曲面。

在另一个方面，提供在交通工具上使用的板。该板可以具有2英寸或更小的厚度，1英尺或更大的长度，和0.5英尺或更大的宽度。板的第一侧可以包括具有从大约1英寸至大约300英尺的半径的凸的曲面，其中在第一侧上的凸的曲面通过深滚压过程引入。具有凸的曲面的板的第一侧可以进一步包括小于或等于表面粗糙度值Ra₁的表面粗糙度值Ra₂，其中Ra₁是在深滚压过程之前板的表面粗糙度和Ra₂是在深滚压之后且在任意表面处理之前的表面粗糙度值。

在另一方面，提供由工件形成曲面结构的系统。该系统可以包括定位工件和第一深滚压工具的定位器，所述第一深滚压工具包括能够向工件的第一侧施加0.1ksi至30ksi的力的工具元件。该系统可以进一步包括第一计算机数控(CNC)机床，其附接至第一深滚压工具，其中第一CNC机床控制第一深滚压工具相对于工件以0.01英寸/秒至10英寸/秒的速率移动。第一CNC机床还可以控制由第一深滚压工具向工件的第一侧引入曲面，该曲面具有大约1英寸至大约300英尺的半径。

附图说明

附图——其并入该说明书并构成该说明书的一部分——图解了本教导的实施方式并与说明书一起用于解释本公开内容的原理。在附图中：

图1A和1B描绘了包括各种曲面金属板的飞机；

图2描绘了根据本教导由工件形成曲面结构的示例性系统；

图3A-B描绘了根据本教导的示例性深滚压工具元件；

图4描绘了根据本教导使用深滚压产生曲面结构的示例性方法；

图5A-C描绘了根据本教导在工件中形成曲面期间金属工件的示例性深滚压的部分和深滚压工具的路径；

图6示意性地描绘了根据本教导通过深滚压形成的曲面金属结构；

图7描绘了根据本教导由工件形成曲面结构的另一个示例性系统；

图8显示了在深滚压之前和之后在7075铝样品上测量的表面粗糙度；和

图9显示了机器加工的、深滚压的和喷丸硬化的7075铝样品的测量的残余应力轮廓。

应当注意，附图的一些细节已经被简化并绘制以促进对本教导的理解，而不是保持严格的结构精确性、细节和比例。

具体实施方式

现在详细参考本教导的示例性实施方式，其实例图解在附图中。尽可能的，贯穿附图将使用相同的参考数字指示相同或同样的部件。

深滚压是机械表面处理，其已经被用于提高先前已经通过例如浇铸、锻造等形成的金属部件的疲劳强度。先前形成的金属部件通常包括螺栓、轮轴、轮缘和其它需要提高的疲劳强度的部件。在深滚压中，工具元件——诸如球面球或圆柱体——在例如轮轴的表面之上移动，同时向轮轴的表面施加压缩力。这引起定位在轮轴表面附近的低塑性形变并导致部件的提高的疲劳性能。然而，深滚压的用途已经被限于提高先前形成的金属部件的疲劳性能。

本教导的系统和方法利用深滚压由平的和弯曲的工件形成曲面结构。该系统和方法的用途不限于由金属工件形成曲面结构并且例如可用于复合材料。本文公开的示例性深滚压系统和方法避免了与喷丸硬化和激光冲击硬化相关的过程变化性、昂贵的装置、和随后的表面粗糙度处理。此外，本文公开的示例性系统和方法在形成过程期间而不是当后生产表面处理时提供疲劳强度提高和低水平的加工硬化。

图1A描绘了飞机100，其包括众多曲面金属结构，诸如飞机蒙皮、观察板、机翼襟翼、机翼蒙皮和机身区段。在图1B中显示的铝蒙皮板110是出于空气动力学原因形成曲面的金属结构的实例。下面的描述可引用飞机的金属蒙皮板作为实例来阐明示例性方法，然而，本领域普通技术人员将理解在其它交通工具上使用的金属结构被考虑以及除了铝以外的其它类型的材料也被考虑，其包括但不限于钛、钢、碳纤维增强聚合物复合材料、其它聚合物/塑性基质复合材料、金属基质复合材料和陶瓷基质复合材料。

图2描绘了示例性深滚压系统200，其可以被用于由工件形成曲面结构。如本文所使用的，术语“工件”指原始结构，如金属板或平板，深滚压在其上将引入一个或多个曲面以形成曲面结构，如飞机的金属蒙皮板。工件可以是平的，或可以已经包括曲面。如本文所使用的，术语“曲面结构”指深滚压已经在其上引入一个或多个弯曲/曲率的工件。深滚压系统可以包括定位器240、深滚压工具210和计算机数控(CNC)机床230。深滚压系统200可以进一步包括控制系统270，其包括例如液压压力泵、仪器、和传感器，其原位监视、控制和记录过程参数。控制系统270可以被连接以控制定位器240、深滚压工具210和/或CNC机床230。定位器240可以定位工件290，使得一侧可接近深滚压工具210。可以配置定位器240和深滚压工具210，使得一个移动同时另一个静止。在另一个实例中，可以配置定位器240和深滚压工具210，使得两者移动。

深滚压工具210可以包括深滚压头220。深滚压头220包括通常在形状上球形或圆柱形的元件，来接触工件290的表面，以向工件290的表面引入局部低塑性形变。图3A描绘了示例性头320，所述示例性头320包括球面球元件322，其可以通过球夹持器324被液压静力地悬浮。腔326可以容纳加压的液体，诸如冷却剂或油。球面球322可以在球夹持器324内以任意方向旋转。球面球322可以具有例如大约0.05英寸至大约1英寸的直径。

深滚压工具可以可选地包括圆柱形的元件。图3B描绘了可以围绕如轴325所示的固定轴旋转的圆柱形元件321。圆柱形元件321可以具有例如0.1英寸直径乘0.25英寸长度至3.0英寸直径乘12英寸长度的尺寸。

深滚压系统200可以包括计算机数控(CNC)机床230。虽然本文中称为CNC机床，但本领域普通技术人员将理解CNC机床230可以包括多轴CNC机床，以及常规机床。例如，CNC机床230可以是立式机床、钻床、铣床、组合加工中心机床、或常规机床。CNC机床230可以控制深滚压工具210施加在工件290的表面上的位置和力。

图4描绘了根据本教导形成曲面结构的示例性方法400。虽然示例性方法400描述了由金属工件形成曲面金属结构，但是也考虑其它工件和曲面结构，包括复合工件和曲面复合结构。在410，提供金属工件，其将形成为曲面金属结构。如图5A中所示，金属工件290可以是由铝、钛、钢或其它可以形成在交通工具诸如飞机上使用的曲面金属结构的金属制成的金属结构。金属工件可以是平的或包括曲面/弯曲。它还可以包括其它结构元件，诸如，例如，开口、窗等。如图2中侧视图中所示，金属工件290可以包括第一侧291和第二侧292。第一侧291对应于图2中上表面，和第二侧292对应于面向定位器240的下表面。金属工件290可以具有大约2英寸或更小的厚度，大约1英尺或更大的长度，和大约0.5英尺或更大的宽度。待形成飞机机翼结构的示例性工件可以具有上至大约150英尺的长度和上至大约40英尺的宽度。

在图4的420，金属工件可以定位在定位器上，使得一侧可接近深滚压工具。例如，返回参考图2，定位器240可以定位工件290，使得深滚压工具210可以物理接触工件290的上表面291。

在430，深滚压工具可以通过向工件的表面施加压缩力向工件引入塑性形变。返回参考图2，CNC机床230可以被编程，使得深滚压工具210向工件290的第一表面291施加范围从0.05ksi至150ksi的压缩力。例如，0.1ksi至15ksi的压缩力可以被施加至铝合金，或0.1ksi至30ksi的压缩力可以被施加至钛合金。

通过相对于工件移动深滚压工具同时连续施加压缩力，可以将塑性形变引入至工件的第一部分。通过控制由深滚压工具施加至表面的力和当深滚压工具沿表面移动时深滚压工具的路径等参数，曲面可被引入至工件以形成曲面结构。例如，CNC机床230可以被编程以相对于工件290移动深滚压工具210同时连续施加压缩力至表面291。例如，深滚压工具210可以相对于工件290以0.01英寸/秒至20英寸/秒的速率移动。

CNC机床230可以被编程以当深滚压工具210沿第一表面291行进时控制深滚压工具210的路径。例如，CNC机床可以控制深滚压工具的移动，使得塑性形变可以被引入至工件的一个或多个部分。如本文所使用的，术语部分指经历深滚压的工件的一部分。例如，部分可以是工件上的圆形或多边形区域。部分还可以是深滚压工具在其之上行进的一个或多个线段。图5A-C显示了工件290的第一表面291的俯视图。显示了第一表面291上若干示例性路径510、520和530。实例中的每个表示当深滚压工具向工件的表面的部分引入塑性形变时深滚压工具可以行进的路径。图5A显示了多个路径510a、510b、510c...510n，其中每个路径对应于工件的部分。例如，第一部分515a、第二部分515b和第三部分515c代表工件290中已经引入塑性形变的部分。部分515a、515b和515c中每个分别对应于路径510a、510b和510c。例如，塑性形变可以通过施加压缩力同时沿路径510a移动深滚压工具被引入工件290的第一部分515a。

图5B描绘了另一个实例路径520。虽然描绘为单个路径，但是深滚压工具210被调节以改变其方向和/或位置以处理工件290的多个部分。图5C描绘了仍另一个实例路径。路径530a、530b和530c是矩形的并且每个处理工件290的单独的部分。本领域普通技术人员将理解，其它形状路径——例如圆形或螺旋路径——被考虑，并取决于众多因素，包括期望的曲面、材料的类型、工件的大小、工件在定位器上的取向和曲面结构的具体应用。例如，不同路径可以被用于向工件引入相同的曲面。

深滚压工具210可以沿相同路径移动一次或多次，例如1至10次，同时施加压应力。而且，当深滚压工具210沿路径移动时，由深滚压工具210施加的压缩力的量可以变化。

在图4的440，深滚压工具可以被调节，因此压缩力被施加至工件的第二部分。参考图5A，在深滚压工具210沿路径510a移动一次或多次之后，深滚压工具210可以被调节，使得其施加压缩力同时在沿路径510b移动一次或多次。这向金属工件290的第二部分515b引入塑性形变。如先前所讨论的，当深滚压工具210沿路径510b移动时，由深滚压工具210施加的压应力可以是恒定的或变化的。当深滚压工具210沿路径510b移动时由深滚压工具210施加的压应力可以与沿路径510a施加的压应力相同或不同。虽然描绘为平行路径，但是本领域普通技术人员将理解取决于期望的曲面(一个或多个)路径的方向可以变化。

在450，深滚压工具可以被调节，因此压缩力被施加至工件的一个或多个额外的部分。参考图5C，深滚压工具210可以被调节，使得其施加压应力同时沿路径510c移动一次或多次。这向金属工件290的第三部分515c引入塑性形变。本领域普通技术人员将理解，部分的数目、路径的位置、沿每个路径经过的数目和压应力可以变化以形成期望的一个或多个曲面。

在向工件的第一、第二和一个或多个额外的部分施加压缩力之后，曲面被引入。如图6中所示，曲面金属结构600可以由金属工件290形成。工件的第一表面291对应于金属结构600的凸的曲面表面691。换句话说，在工件290的第一表面291上施加某一范围内的压缩力导致金属结构600中凸的曲面。凸的曲面可以具有从大约1英寸至大约300英尺、或大约5英寸至200英尺、或大约12英寸至大约50英尺的半径。深滚压可以被用于形成具有大约2英寸或更小的厚度、大约1英尺或更大的长度和大约0.5英尺或更大的宽度的曲面金属结构600。

图7描绘了另一个深滚压系统，其包括同时引入压缩残余应力至工件的两侧的两个工具。示例性深滚压系统700可以包括具有第一元件720的第一深滚压工具710、第一计算机数控(CNC)机床730和第一控制系统770，所述第一控制系统770可以包括，例如，液压压力泵、仪器和传感器，其原位监视、控制和记录过程参数。深滚压系统700可以进一步包括具有第二元件722的第二深滚压工具712、第二计算机数控(CNC)机床732和第二控制系统772，所述第二控制系统772可以包括，例如，液压压力泵、仪器和传感器，其原位监视、控制和记录过程参数。

深滚压系统700可以包括定位器740，其可以定位工件790，使得第一侧791可接近第一深滚压工具710和第二侧792可接近第二深滚压工具712。虽然描绘为垂直配置，但本领域普通技术人员将理解考虑其它配置。深滚压系统700可以被用于通过同时或连续地在侧791和792上引入压缩残余应力以在工件790上形成一个或多个曲面。在另一个实例中，可以通过首先向侧791和然后向侧792交替地引入压缩残余应力，然后根据需要重复，在工件790中形成曲面。

公开的深滚压系统可以被并入现有的制造诸如例如用作飞机蒙皮的金属板的曲面结构的工作流程。返回参考图4和6，使用深滚压过程400形成曲面结构可以提供额外的优势。例如，与在深滚压之前的表面粗糙度相比，曲面结构600的表面粗糙度保持相同或可以被改善。图8显示了在深滚压7050铝之前和之后的表面粗糙度测量的结果。在深滚压之前，对四个样品——编号1至4，测量表面粗糙度。在四个不同的位置进行测量。在深滚压之前的表面粗糙度在大约70-130微英寸变化，如图8的左侧所显示的。在深滚压之后和任意将改变表面粗糙度的表面处理之前，在相同的四个位置进行测量。如图8的右侧所显示的，表面粗糙度降低至大约30-55微英寸。相反，通过喷丸或激光冲击硬化形成弯曲结构显著地增加表面粗糙度并需要随后的表面处理来降低表面粗糙度，然后移动至制造工作流程中下一步骤。

使用深滚压形成曲面结构还可以提供更高和更深的残余应力。这可以提高曲面形成的生产率和效率并允许形成较宽范围的曲面曲率。疲劳性质也可以被更深和更高的残余应力增强。图9显示了机器加工的、喷丸硬化的和深滚压的7050铝样品的残余应力轮廓。与机器加工和喷丸硬化相比，对深滚压样品测量的残余应力更高和更进一步延伸入样品。对于在0.7ksi下深滚压的样品，残余应力在距样品表面0.02英寸的深度处为大约-10ksi或更大。对于在1.5ksi下深滚压的样品，残余应力在距样品表面0.02英寸的深度处为大约-20ksi或更大。相反，机器加工的和喷丸硬化的样品显示了在0.02英寸的深度处小于大约-5ksi的残余应力。

尽管提出本教导的宽范围的数值范围和参数是近似值，但是在具体实例中提出的数值被尽可能精确报道。然而，任何数值固有地包含必然源自它们各自的测试测量中存在的标准偏差的某些误差。而且，应当理解本文公开的所有范围包括其中包容的任何和所有子范围。例如，“小于10”的范围可以包括最小值0和最大值10之间(和包括0和10)的任何和所有子范围，即，具有等于或大于0的最小值和等于或小于10的最大值的任何和所有子范围，如，1至5。在某些情况中，对于参数所陈述的数值可以取负值。在该情况中，如陈述为“小于10”的范围的实例值可以假设为负值，如，-1、-2、-3、-10、-20、-30等。虽然已经关于一个或多个实施阐明本教导，但是可以对阐明的实例进行变化和/或修改，而不背离所附权利要求的精神和范围。例如，应当理解，虽然过程被描述为一系列动作或事件，但是本教导不受这样的动作或事件的顺序限制。一些动作可以以不同的顺序发生和/或与本文中描述与那些动作隔开的其它动作或事件同时地发生。再者，根据本教导的一个或多个方面或实施方式执行方法可以不需要所有过程阶段。应当理解，结构零件和/或加工阶段可以被添加，或现有结构零件和/或加工阶段可以被移除或修改。进一步，本文描绘的一个或多个动作可以在一个或多个单独的动作和/或阶段中进行。此外，就术语“包括(including、includes)”、“具有(having、has)”、“带有(with)”或其变体在具体实施方式中和权利要求中使用来说，这样的术语旨在以与术语“包含(comprising)”类似的方式包括。术语“至少一个”被用于表示可以选择一个或多个列举的项目。进一步，在本文中的讨论和权利要求中，关于两个材料使用的术语“上”，一个在另一个“上”表示在材料之间至少一些接触，而“之上”表示材料是接近的，但可能具有一个或多个额外的中间材料，使得接触是可能的但不是必需的。“上”或“之上”都没有暗示本文所使用的任何方向性。术语“共形的”描述下面的材料的角由共形的材料保持的涂层材料。术语“大约”指示列举的值可以有一些改变，只要改变不导致过程或结构与阐明的实施方式不一致。最后，“示例性”指示描述被用作实例，而不是暗示其是理想的。从本文公开内容的说明和实践考虑，本教导的其他实施方式对本领域普通技术人员将是明显的。旨在说明书和实例被仅认为示例性的，本教导的真正范围和精神由所附权利要求规定。

进一步，公开内容包括根据下面条款的实施方式：

条款1.由工件形成曲面结构的方法，该方法包括：

提供包括第一侧和第二侧的工件，该工件具有大约2英寸或更小的厚度；

将工件定位在定位器上，使得工件的第一侧可接近深滚压工具；

利用深滚压工具向工件的第一侧施加压缩力；

相对于工件移动深滚压工具同时连续施加压缩力，以向工件的第一部分引入塑性形变；

调节深滚压工具以接触工件的第二部分并相对于工件移动深滚压工具，以向工件的第二部分引入塑性形变；和

调节深滚压工具以向工件的一个或多个额外的部分引入塑性形变，以向工件的第一侧引入凸的曲面。

条款2.根据条款1的方法，其中凸的曲面具有大约1英寸至大约300英尺的半径。

条款3.根据条款1的方法，其中工件的第一部分、第二部分和额外的部分各自包括邻近的线段。

条款4.根据条款1的方法，其中工件的第一部分、第二部分和额外的部分在工件的第一侧上各自包括正方形或矩形区域。

条款5.根据条款1的方法，其中深滚压工具包括具有0.05英寸至1英寸的直径的球面球或一个或多个圆柱体，每个圆柱体具有0.1英寸直径乘0.25英寸长度至3.0英寸直径乘12英寸长度的尺寸。

条款6.根据条款1的方法，其中由深滚压工具施加至工件的部分的压缩力的量的范围为从0.1ksi至30ksi。

条款7.根据条款1的方法，其中相对于工件移动深滚压工具包括以0.01英寸/秒至10英寸/秒的速率移动深滚压工具。

条款8.根据条款1的方法，其中相对于工件移动深滚压工具以向工件的第一部分、第二部分或一个或多个额外的部分引入塑性形变包括在工件的相同部分之上移动深滚压工具1次至10次。

条款9.根据条款1的方法，其中在由深滚压工具引入塑性形变之后曲面结构的第一侧的表面粗糙度等于或小于在由深滚压工具引入塑性形变之前工件的第一侧的表面粗糙度。

条款10.根据条款1的方法，其中由深滚压工具引入的塑性形变包括位于工件的表面处或靠近工件的表面处的残余压应力。

条款11.根据条款1的方法，其中工件包括金属或复合材料。

条款12.根据条款1的方法，其中由深滚压工具施加以向工件的第一部分引入塑性形变的力的量变化。

条款13.根据条款1的方法，进一步包括：

利用第二深滚压工具向工件的第二侧施加另一压缩力，以向工件的第二侧的部分引入塑性形变。

条款14.根据条款13的方法，其中当压缩力被施加至第一侧时，向第二侧施加另一压缩力同时发生。

条款15.在交通工具上使用的结构，其包括：

具有2英寸或更小的厚度、1英尺或更大的长度、和0.5英尺或更大的宽度的板；和

包括凸的曲面的板的第一侧，该凸的曲面具有大约1英寸至大约300英尺的半径，其中在第一侧上的凸的曲面通过深滚压过程引入；

和其中包括凸的曲面的板的第一侧进一步包括小于或等于表面粗糙度值Ra1的表面粗糙度值Ra2，其中Ra1是在深滚压过程之前板的表面粗糙度和Ra2是在深滚压之后的表面粗糙度值。

条款16.根据条款15的板，其中残余应力在距板的表面0.02英寸的深度处为大于大约-10ksi。

条款17.根据条款15的板，其中残余应力在距板的表面0.02英寸的深度处为大于大约-20ksi。

条款18.由工件形成曲面结构的系统，其包括：

定位工件的定位器；

包括工具元件的第一深滚压工具，其能够向工件的第一侧施加0.1ksi至30ksi的压缩力；和

连接至第一深滚压工具的第一计算机数控(CNC)机床，

其中第一CNC机床控制第一深滚压工具相对于工件以0.01英寸/秒至10英寸/秒的速率移动，和

其中第一CNC机床控制由第一深滚压工具向工件的第一侧引入曲面，该曲面具有大约1英寸至大约300英尺的半径。

条款19.根据条款18的系统，进一步包括第二深滚压工具和第二CNC机床，其中第二深滚压工具被定位以向工件的第二侧施加第二压缩力。

条款20.根据条款18的系统，其中当第二深滚压工具向工件的第二侧施加第二压缩力时，第一深滚压工具可以同时向工件的第一侧施加第一压缩力。

基于与工件的常规平面或加工表面平行的平面，限定该申请中所使用的相对位置的术语，而无论工件的取向如何。该申请中所使用的术语“水平”或“横向”被限定为与工件的常规平面或加工表面平行的平面，而无论工件的取向如何。术语“纵向”指与水平垂直的方向。关于常规平面或加工表面在工件的上表面上限定术语诸如“上”、“侧”(如在“侧壁”中)、“高于”、“低于”、“之上”、“上部”和“之下”，而无论工件的取向如何。