专利名称：工件成型的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种工件成型的方法，更具体地说，涉及一种合适材料的超塑性成型的方法。
背景技术：
众所周知，某些合金在特定的高温下具有超塑性，在这些温度下，超塑性可以有效地使合金形成所需的形状。
工件成型的一种方法是将合金材料板放在冲模上或模具上，然后将工件加热到可以使该合金具有超塑性的温度，然后再给工件施加压力，例如可以通过在工件的上表面施加较高的液压，同时在工件和冲模之间的区域保持较低的压力。然后，工件将获得冲模内表面的形状。
然而，这种方法的缺点在于系统具有较大的热质量。也就是说，不仅工件需要加热到可以使其具有超塑性的温度，而且通常情况下整个的加工内腔也必须加热到同样的温度。这样很明显需要输入大量的能量用于形成所需的工件。
美国专利号5,592,842公开了一种寻求避免需要模具的方法。具体地说，该文件提议采用激光束局部加热部分工件，然后与传统方法一样再施加液压。
然而，这种方法的缺点在于其不能精确地控制最终产品的形状。
此外，这种已公开的方法不能用于使工件退火，而不经过退火，后续成型将不会令人满意，或者说该方法不能用于成型后对工件进行加热，从而消除可能由于成型过程而产生的残余应力。
发明内容
根据本发明的第一方面，其提供一种工件成型的方法，包括步骤
将工件固定成与模具相邻接；采用激光束将至少工件的一部分加热到足够产生超塑性的温度；以及给工件施加液压，从而使其获得模具的形状。
这种方法的优点在于材料的超塑性特性能够用于使工件精确地形成所需的形状，而不需要将整个加工内腔加热到超塑性温度。
优选地，在采用激光将工件加热到其超塑性温度之前，将工件夹紧，并采用激光将整个工件加热到完全均匀的温度以使其退火。
同样优选地，在采用激光使工件超塑性成型之后，可采用激光将整个工件加热到完全均匀的温度以消除任何残余应力。
这种方法的优点在于整个成型过程的实现能够作为单一加工设备的单一加工过程。
根据本发明的第二方面，其提供一种成型设备，其包括激光光源并且具有用于将工件固定成与模具相邻接的装置。
为了更好的理解本发明，并且显示其如何实施，现将参照实例和附图进行说明，其中图1是根据本发明的一方面显示成型设备的截面示意图；图2是根据本发明的一方面显示加工过程的流程图；图3至5显示根据本发明用于典型工件上的加热方式；图6是根据本发明的可选设备的截面示意图；图7是根据本发明的另一可选设备的截面示意图；图8是根据本发明的另一可选设备的示意图；图9至11显示根据本发明的一方面加工过程中状态的示意图。
具体实施例方式
图1是根据本发明的一方面中成型设备的截面示意图。该设备包括具有观察口12的压力容器10。压力容器10包括能够施加如箭头A-A和B-B所示的夹紧力以使工件18固定于位置上的夹紧装置14和16。
工件18为所需的超塑性合金板。正如本领域的熟练技术人员所知，例如，超塑性合金可以是钛合金。
优选地，所提供的工件18最初是平的。图1显示工件具有部分变形。
设备包括模具20，其位于由陶瓷材料制成的绝缘环22的内部。模具20的上表面24与成型后的零件所需的形状相同，并且模具20还进一步包括排放通道26和28。
模具20可以由金属或陶瓷材料制成。
设备同样还包括激光源30，其中包括用于控制激光束32的聚焦和方向的装置。
压力容器10同样还包括用于气体的入口34，也包括用于气体的出口36。
图2是显示根据本发明的一个优选方面，采用如图1所示设备的加工过程的流程图。
首先，优选地，工件通常是平板形式的超塑性材料，在加工过程的步骤50中，将工件在夹紧装置14和16中夹紧。然后，在步骤52，容器可以通过例如出口26、28、34和36用真空泵抽真空。接下来，在步骤54中，在容器中充入诸如氩气的低压惰性气体。这种惰性环境可以使得要加热的零件不会受到大气中气体的污染。
接下来，在步骤56中，用激光源30将整个工件18加热到足够高的温度以使其完全退火和应力释放。如图3所示，可以通过适当地控制激光源30，实现将整个工件18充分均匀地加热。例如，可以使激光束散焦，从而使其可以到达工件18的所有部分或者聚焦的光束能够在整个的表面区域进行扫描。
退火以后，在步骤58中，工件可以冷却到低于超塑性温度以下，或者如果可能的话，工件可以冷却到晶粒生长的温度以下。
接着，在加工过程的步骤60中，利用激光源30将工件18加热到其超塑性成型(SPF)温度，例如，在935℃的温度。在此例中，如图4所示，激光源30可以给工件18的不同区域提供不同的能量。因此，仅仅为了图示的目的，在图4中示出了环带80、82和84，并且它们可以接收不同的能量级别。用这种方法控制所提供能量的数量可以使得在工件的一些部分而不是在其它部分优先地产生超塑性。
接下来，在加工过程的步骤62中，给容器增压。也就是说，为了增加工件18上表面的压力，通过气体入口34将诸如氩气的惰性气体引入容器中。同时，使气体通过气体排除通道26和28从工件18的下面排出。在此优选具体实施方式
中，压力容器10中的工件18上面的气体压力可以增加到30或40个大气压(3兆帕或4兆帕)。
这种压力迫使热工件进入模具20中，从而形成与模具的内表面24具有相同形状的零件。
一旦形成零件，用激光源30将已成型的零件再加热(在图2中的步骤64中)。如图5所示，例如由于工件18的形状现已是非平面的，所以激光源产生的热能分布图可能需要改变，例如在环带92和94之间。用这种方法加热零件可以消除零件中的任何残余应力，而这正是为了生产高精度和高重复性而不出现的零件，成型加工需要取得的结果。接下来，还要使零件冷却(参见图2中的步骤66)，最后，在图2所示的加工过程的步骤68中，使容器减压。
图6显示根据本发明一方面的一种可选成型设备。图6的成型设备可适用于使由两种材料制成的零件成型。
图6的设备与图1所示的设备稍微有些相似，相同的附图标号表示相同的零件，并将不会作进一步的说明。
在图6中所示的设备中，设备包括第二激光源(未示出)，其位于设备的一个相对的端部。压力容器包括用于固定两个对半模具100和102，用于夹紧两片其边缘可能融于一体的工件104和106，以及通过入口108，用于在两块工件104和106之间引入高压气体的装置。
在这种情况下，激光源可以用于加热对半模具100和102，并因此将两块工件104和106的温度提高到其SPF(超塑性成型)温度。可选择地，并方便地是，对半模具100和102可以由对激光透光的材料制成，从而使激光源可以穿透对半模具，并直接加热工件块。用于此目的的合适模具材料可以是非结晶的或结晶的陶瓷材料，例如要确保陶瓷材料的晶粒尺寸小于激光的波长。
对半模具100和102可以设计成能够重复使用或制成可以可处理的衬垫。
在如图6所示的设备中，虽然在这种情况下，为了将工件块强行压入各自的对半模具100和102中，需将高压气体引入两块工件104和106之间，但成型过程总体上与参照图2所描述的过程相似。在此情况下，在工件中要保持所需的高压，并与图1所示的情形相比，具有相对较小的体积。
图7是根据本发明一方面的另一成型设备的示意图。图7的设备总体上与图1的设备相似，并且两图中相同的附图标号表示相同的部分，并且这些部分将不会进行再进一步的说明。
在图7的设备中，在伺服系统124的控制下，模具120由包含大量可单独移动支柱122的阵列所形成。虽然在图7中只有一些支柱122，实际设备中可能包括几百或几千根这样的支柱。
各支柱具有由陶瓷材料制成或涂有一层陶瓷材料的顶部126。
伺服系统124可以控制各支柱122的高度，并且同样可优选地在很小程度上控制支柱的横向位置。用这种方法，支柱122的阵列可以用于形成任何所需形状的模具。使用后，支柱的位置可以调整以形成所需不同形状的模具。这样不需要相应数量的不同模具就可以使许多不同的零件成型。
成型过程与前面所述相同，其中工件需要在模具中夹紧，然后加热到其超塑性温度，接着再施加压力，从而使工件获得模具的形状。
可以理解的是，这种模具同样可以用于如图6所示的可以使由两块材料制成的零件成型的设备中。
还需进一步注意的是，这种模具可以用于许多不同的成型过程，并不仅仅是这些涉及到工件的激光加热或超塑性的方面。
因此，根据本发明的一方面，所提供的可调节模具包括多个可单独调节的支柱，以及用于控制支柱高度，从而支柱的末梢端连在一起形成模具表面的装置。
图8显示出这种模具的另一应用。在此情况下，设备用于使由两种材料制成的零件成型。图8的模具总体上与图7的模具相似，并且两图中相同的附图标号表示对应的特征部分，并且这些部分将不会再进一步说明。
在此情况下，设备包括两个模具140和141，其总体上与图7的模具120相似，还包括用于夹紧两块工件142、144的设置以及用于在它们之间引入高压液体的入口146。
在图8的设备中，第一组支柱148各容纳有光纤150，其可以将从激光源(未示出)发出的辐射导向到各自工件的邻近区域。此外，第二组支柱152各具有各自的通道154，其可以引导冷却气体以进入各自工件的邻近区域。第一和第二组的支柱148和152总体上可以在各自的模具表面上相互交替。
因此，图8的设备可以精确控制工件的表面温度，如果需要，可以只在工件的部分表面产生超塑性。
如现有技术所知，采用两块工件超塑性成型，可以采用内部扩散粘合、网状支撑的结构使零件成型。
图9至11示出了根据本发明的这种加工过程。因此，如图9所示，激光源可用于分别预处理两块工件164和166的各自外表面160和162。在此，激光源能够形成可控光束，例如图9的轨迹168所示，其可以用于在表面160和162上进行扫描。这样可以消除出现在表面160和162上的任何氧化物，并且可将已蒸发的氧化物排出压力容器。
众所周知，两块工件164和166可以沿线170扩散粘合在一起。接下来，当两块工件164和166加热到其超塑性成型(SPF)温度，并将高压液体通过入口172引入到它们之间时，如图10所示，两块工件受力分开。
最终，如图11所示，外表面160和162的区域相接触，并且表面预处理可以形成高质量的第二扩散粘合处174。
在预处理中采用激光意味着采用相同的成型设备，这可以作为成型过程的一部分。
因此，本发明公开了可以有效利用超塑性成型的制造方法。
权利要求
1.一种工件成型的方法，包括步骤将工件固定成与模具相邻接；采用激光束将至少工件的一部分加热到足够使其产生超塑性的温度；给工件施加液压，从而使其获得模具的形状。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述固定工件的步骤包括夹紧与模具相邻接的工件；采用激光将整个工件加热到完全均匀的温度以使其退火；以及将工件的温度减少到其超塑性温度以下。
3.根据权利要求1或2所述的方法，在工件成型后，还进一步包括步骤采用激光将整个工件加热到完全均匀的温度以消除其中的任何残余应力。
4.根据前述任何权利要求所述的方法，其特征在于所述模具包括第一和第二对半，并且所述工件包括第一和第二块，所述方法包括步骤将工件的第一和第二块分别固定成与模具的第一和第二对半相邻接；采用激光将至少工件的第一和第二块的部分加热；以及给工件的第一和第二块施加液压，从而使其获得各自模具的第一和第二对半的形状。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述施加液压的步骤包括在所述工件的第一和第二块之间施加增加的液压。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于所述模具至少第一和第二对半之一对激光是透光的，并且采用激光加热至少工件的第一和第二块的部分的步骤包括通过所述的模具的透明对半以加热至少工件的第一和第二块之一的步骤。
7.根据前述任何权利要求所述的方法，其特征在于所述模具包括多根可单独移动的支柱，这样支柱的末端形成模具的表面。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述多根支柱中至少数个包括用于将激光束引导到固定成与其相邻接的工件上的装置。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于所述多根支柱至少数个包括用于将冷却剂引入到固定成与其相邻接的工件上的装置。
10.一种成型设备，其包括用于固定模具的装置；用于夹紧与模具相邻接的工件的装置；适于加热固定于夹紧装置中的工件的至少部分的激光源；以及用于给工件施加液压，从而使其获得模具的形状的装置。
11.根据权利要求10所述的成型设备，其特征在于用于给工件施加液压的装置包括用于将液体引入离开模具的工件一边的装置。
12.根据权利要求10所述的成型设备，其特征在于用于给工件施加液压的装置包括用于在工件和模具之间的区域排放的装置。
13.根据权利要求10所述的成型设备，其特征在于用于固定模具的装置包括用于固定第一和第二对半模具的装置，以及用于夹紧工件的装置包括用于分别夹紧与第一和第二对半模具相邻接的第一和第二工件块的装置。
14.根据权利要求13所述的成型设备，其特征在于用于施加液压的装置包括在第一和第二工件块之间施加增加的液压的装置。
15.根据权利要求13或14所述的成型设备，包括在其中至少第一和第二对半模具之一对激光是透光的模具。
16.根据权利要求10所述的成型设备，其特征在于所述模具包括多根可单独移动的支柱，这样支柱的末端形成模具的表面。
17.根据权利要求16所述的成型设备，其特征在于所述多根支柱中至少数个包括用于引导激光束到固定成与其相邻接的工件上的装置。
18.根据权利要求16或17所述的成型设备，其特征在于所述多根支柱中至少数个包括用于将冷却剂引入到固定成与其相邻接的工件上的装置。
全文摘要
一种工件(18)成型的方法，包括步骤将工件固定成与模具(20)相邻接；采用激光(30)将至少工件的一部分加热到足够产生超塑性的温度；以及给工件施加液压，从而使其获得模具的形状。这种方法的优点在于材料的超塑性特性能够用于使工件精确地形成所需的形状，而不需要将整个加工内腔加热到超塑性温度。在采用激光将工件加热到其超塑性温度之前，可以用激光将整个工件加热到完全均匀的温度以使其退火。同样地，在采用激光使工件超塑性成型之后，可采用激光将整个工件加热到完全均匀的温度以消除任何残余应力。这种方法的优点在于整个成型过程能够在作为单一加工设备的单一加工过程中实现。
文档编号B21D26/055GK1538886SQ02815534
公开日2004年10月20日 申请日期2002年8月7日 优先权日2001年8月8日
发明者迈克尔·科林·阿克曼, 特里·弗劳尔, 艾伦·基维尔, 杰罗姆·韦, 艾伦·乔斯林, 道格拉斯·纳什, 阿拉温达·卡尔, 韦, 乔斯林, 基维尔, 弗劳尔, 斯 纳什, 达 卡尔, 迈克尔 科林 阿克曼 申请人:西英格兰布里斯脱大学