专利名称：成形工具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于构件表面的成形工具，其包括一成形装置和一固定装置，利用其中的固定装置可将要被成形的构件表面相对于成形装置固定。另外，本发明涉及一种方法，在该方法中，一构件表面相对于一成形装置布置。
具体而言，构件表面被广泛地用作承载表面，例如在航空器结构和造船业中。在这些领域中，构件表面如被用于壁板、舱壁、阶梯台板，或者还被用作通常带不同横截面的甲板。在此情况下，所要处理的构件表面的延展宽度相当大—在几十米的范围内，而结构件厚度不仅主要取决于强度或承载能力，而且受某些涉及隔火性能和防火性能的行政法规的影响。
当然，为了提高平面构件的刚性、并确保其承载能力，在与承载面相对的一侧上焊接了加强件。当这些加强件被焊接上之后，发生了“焊接变形”，焊接变形也就是指由焊接作业造成的收缩过程，其会导致平面波度，这一因素反过来必然要求一些精加工这些表面的耗时且不经济的返工工作。这些波度的尺寸可由肉眼看出来。另外，如果由构件表面制成的部件在被组装到整个结构上时，其精度是至关重要的，则所述的不平整度会带来另外一些问题。
举例来讲，通常采用填料来补偿该不平整性，但采用填料除了会增加成本之外，还会使其中组装了该构件表面的结构的整体重心出现不利的移位。有时还采用另一种方法来降低不平整度，在这种方法中，在焊接过程中，对所要加工的构件表面进行约束—尽管要进行处理的表面尺寸很大。但已证明是不利的，或者还可采用激光焊工艺，这种工艺的确能减小焊接变形，但却会使工厂的生产成本提高。另外，当对构件表面进行重新加工时，还可采用其它的拉直整平工艺，举例来说，可采用火焰加热整平方法或滚压整平方法，最后，为了消除形变，可在随后利用一压力机向构件表面施加总体的弯曲力矩，这一因素也会带来缺点如给定所需力矩的幅值，则这些弯曲力矩需要工具产生很大的位移、或需要很大的载荷。
因而，本发明的目的是提供一种装置和一种方法，利用该方法和装置，可按照简单而高效价比的方式制出构件表面(construction member area)，同时还避免了上文提到的缺陷，由此保证了对构件表面的平面度要求。
根据本发明，通过一种在本文开始时提到的类型的成形工具而实现了上述目的，在该成形工具中，成形装置具有一独立驱动的引导元件的可移动机构，引导元件带有成形体，当向引导元件施加作用力时，成形体可按照一定方式压到构件表面中，从而可利用加压操作而使构件表面的全部或部分厚度范围内发生增塑化，同时利用固定装置摩擦地固定构件表面。
因而，在根据本发明的成形工具中，一固定装置将要进行处理的构件表面、或构件表面的区段相对于一成形装置进行定位，然后再摩擦地固定所述构件表面。被布置在构件表面上方的成形装置具有带成形体的独立驱动引导元件的可移动机构，可向这些成形体施加作用力。这些引导元件在施加了各自的作用力之后，能独立或成组地将连接在它们上的成形体从其分离位置引导向构件表面，在此处，成形体被压到构件表面中。该加压操作构成了一个用于对构件表面执行部分造形的作业，其使得构件表面的形状能通过将成形体引入到构件表面中而得以复原，这样就可以补偿初始时存在的不平整现象。这一效果源于这样的事实通过引入成形体而在材料中产生增塑化，所述增塑化延伸到构件全部或部分厚度。
在成形工具的有利改进结构中，成形装置被连接到一可移动的滑动体上。结果，成形装置可相对于被固定装置固定的构件表面横向移动，而无须将所述紧固作用释放，也无须再次对构件表面进行固定，由此，按照这种方式，能在较大的表面上经济地完成所规定的加工处理。
在又一种有利的设计中，成形装置和/或可移动的滑动体在一连接到托架的导轨上引导着，托架可相对于构件表面横过。该托架例如在滚轮上在构件表面上方移动，连接这种托架使得成形装置能移朝向构件表面上的任何所需的位置处，而当托架处于静止状态时，导轨上成形装置和/或滑动体的引导则可确保成形工具自身相对于构件表面在直线方向上精确地执行单维运动—例如平行于构件表面上的焊缝。在此情况下，还可考虑一种可选方案将一刚性梁与托架上由引导元件构成的机构连接起来，在此情况下，由于托架的运动，有关构件表面的相对运动将会单独地发生。
为此目的，可利用一作动装置而使滑动体有利地移动，其中的作动装置可由一压力缸进行驱动。所述作动装置是为了驱动所述滑动体、并使其横向移入到所需位置中而设置的，除了通过液压缸或气动缸来驱动外，还可设置其它形式的作动元件，例如可设置电动机等。
优选地是，根据本发明的成形装置的引导元件被设置成在一第一方向上横向离开一定距离，从而它们构成了一套可单维移动的机构。当探测一成形断面时，这样的设计能实现对构件表面快速而有效的加工，其中的成形断面基本上顺沿着一条直线，例如沿着一道焊缝延伸。在一种有利的形式中，成形装置的引导元件被设置成在另一方向上横向分开一定的距离，该方向基本上垂直于第一方向。按照这种方式，首先，多个指向同一方向的机构例如能相互并行地工作。但是，处于另一方向的机构也并非必须要顺向某个特定的方向，而是使所述机构可适于成形工作任务，因而可针对具体的情形对其进行设计。但是，利用由引导元件的多个并行机构中之一限定的驱动，还可实现对非直线段的探测，例如可借助于程控计算机完成。
为了使成形工作的次序不出现任何的问题，最好是使多个引导元件以一定的方式能接合地驱动，该方式是在加压操作中，可使构件的对称加载相对于一个镜像对称平面实现对称，其中的对称平面位于引导元件之间。例如在一具有八个引导元件的机构中，如果第一引导元件与第八引导元件或者第一、第二、第七和第八引导元件作用，则不论对于加工工具、还是对于被处理的工件，轴向载荷都是均匀一致的。这样进行设计的优点是既避免了使构件发生倾斜，又避免了对成形工具的干扰，从而也消除了构件倾斜和对工具干扰所伴随的工时和/或材料的损耗。
为了对引导元件进行操作，有利地是，利用一压力缸对各个引导元件进行驱动。假定压力缸执行了合适的驱动动作，则所述压力缸中储积的能量就被释放，并被输送给引导元件，引导元件反过来再与成形体一起在移向构件表面的方向上被加速。在此情况下，优选地是引导元件被设计成带有复位弹簧的冲头的形式，该冲头引导着成形体，而复位弹簧则保证冲头能在加压操作之后恢复到其初始位置。在此情况下，对引导元件的驱动不仅限于借助于压力缸的作用，还可考虑采用一双向作用的、带有阀控制系统的液压作用缸，用于取代压力缸和复位弹簧。
为了产生压痕并形成与之相随的塑化作用，有利地是成形体上被压入到构件表面中的端部的横截面被设计成圆扇面或椭圆的形式。但是，所要形成的压痕的类型和深度、以及成形体的形状与要被施加的作用力的方法一样，取决于要进行处理的表面及其材质—例如该材料的弹性模量。在预先测试的过程中，可确定出用于实现所需成形结果的这些参数，这样，自然也可采用具有其它设计形式的成形体。
在一优选实施方式中，为了对要被进行处理的构件表面进行紧固，固定装置具有一个用于产生磁力的装置。如果采用磁性金属材料来形成构件表面，则可利用所述装置来布置和固定构件表面。此外，如果同时或作为替代方案，固定装置具有一用于产生真空力的装置则也是有利的。如果必要的话，该装置采用抽吸装置的形式，其例如用于布置和紧固一铝质的构件表面。
由于所要进行处理的构件表面的板厚考虑到厚度误差而在局部出现相当大的变化，所以，如果紧固装置被可移动地安装到一导轨上，以便于补偿构件表面的不平整度，则这样的设计将是有利的。尽管构件表面是不规则的，但可移动的安装使得构件表面能相对于引导元件为平面布置关系，并保证了均匀的加工处理。
最后，在一种有利的形式中，在成形工具上设置了至少一个传感器系统，用于探测相关的参数。该传感器系统例如可包括用于探测表面或焊缝平整度的光学传感器。在成形工作过程中，由传感器产生的信号反过来可被作为控制参数而反馈向控制机构，从而对下一工作步骤具有直接的作用。
另外，根据本发明，还可利用一种方法而实现所述的发明目的，在该方法中，借助于成形装置而在构件表面上依次地制出多处局部变形，在各种情况下，这些整体或局部变形都是通过一个利用成形体的加压操作来形成的，这些局部变形为增塑化变化的形式，增塑化的延伸范围涉及构件的全部或部分厚度。通过借助于一成形装置将成形体压入到表面中，并通过使一线性化区域内的材料发生塑化，可使构件表面受到局部的造形，其中的线性化区域被指定为成形体的压痕。该增塑化可贯穿构件的整个厚度范围，结果就是在成形体的压痕区域内，材料被“完全地塑化”。这就使得制造过程中在构件表面上出现的不平度能被去除掉。即使可通过将对应的成形装置结合到通常的压弯机上来执行该方法，但在该加工过程中，在所要处理表面上的总弯曲力矩只起到次要的作用，原因在于这样只能对材料产生少量的局部载荷。但是，如果在该方法中采用了弯压机，则可显著减小该弯压机的横截面积，这是由于相比于对整个表面执行总体弯曲的过程，此时所使用的作用力很小。
为了能逐段地对构件表面执行加工，所使用的成形装置最好是其上连接有成形体的横向分开的引导元件的单维或二维的机构，利用静止的引导元件，该机构能实现对表面上多个限定位置点依次地执行局部加工，优选地是，由引导元件构成的机构被紧固到一横向装置上，并在后者上进行引导，而可相对于构件表面逐步地位移。可利用横向装置使引导元件相对于构件进行移动，这样，无需对以任何方式变化着的表面进行固定，就可以对构件表面上的较大区域进行加工。最后，如果成形装置和固定装置均为一个总体装置的部件，则将是有利的，其中的总体装置被设置在构件表面的上方，并处于几个限定的位置。由于解除了固定装置对构件表面的紧固作用，所以总体装置能相对于构件表面横向移动，从而最终在经过重新固定之后，表面上的任意的所需位置都能到达，且能由成形装置进行加工。
在根据本发明的方法中，为了快速且可靠地对大的表面执行处理，按照一定的方式对多个引导元件同时进行驱动，使得它们相对于一位于引导元件之间的镜像对称平面向构件均匀地加载。因此，成形工具的整套机构也被均匀地加载，这就使得整个机构在总体上不易于发生问题。
由于对构件表面材料的增塑化处理是基于快速施加作用力的操作，而该作用力相比于其它成形作业的作用力是很小的，所以，如果引导元件的加压和增塑操作是在0.01秒到5秒的时间内进行的，则将是有利的。优选地是，该加压和增塑操作是在0.05到0.5秒的周期内发生的，且特别优选地是在0.1秒内进行的。在该时间段内，通过向连接到引导元件上的成形体施加一个作用力，由成形体在构件表面上形成压痕，成形体的穿入深度取决于对应的材料，该数值例如在零点零几毫米的范围内变动，因而，压痕自身并不会对表面的不平度造成任何显著的影响，而利用增塑化处理则可去掉表面上较大尺寸的不平度。
为了确保对作业区域快速改变的表面可靠地执行限定的处理，在根据本发明的方法中，进行一定的设置以便于在构件表面的设置时能利用磁性力或真空力。借助于这些作用力，无需设置复杂的紧固装置，就可按照简单的方式对要进行处理的表面进行固定，并能再次进行释放。
最后，出于环境保护和职业安全性的考虑，在该方法中，最好使成形操作相比于其它成形过程较为安静。在根据本发明的方法中，由于始终只是构件表面上的一个区段受到短暂的影响，同时只有该区段上的限定位置受到简短的影响，所以，相比于总体成形方法，在对构件表面执行处理的过程中所产生的噪音显著地降低了。
下面将参照附图中表示的示例性实施方式对本发明进行描述，在附图中
图1是一成形工具的端面剖视图，该工具被设置在一构件表面的上方，并具有一成形装置和一固定装置；图2是沿图1中的II-II线的成形工具的纵向剖视图；以及图3是从成形工具上方观察的平面图。
图1首先表示了一构件表面2的全部区域，在该区域的下侧，按照垂直突伸的形式连接了一根加强杆4。由于加强杆4是利用焊接工艺进行连接的，所以焊接区内的材料就出现了焊接变形。因而，在构件表面2背向加强杆的一侧表面上，一条焊道(图中未示出)在垂直于图面的方向上平行于加强杆4延伸着。
在构件表面2的上方设置了一个成形工具6，其具有一固定装置8和一成形装置10。在此情况下，固定装置8是由一些平行排列、且在横向上分开的抽吸装置构成的，这些抽吸装置带有横截面基本为矩形的真空腔12。真空腔12被放到构件表面上，且在对真空腔12抽气之后，其能抓持并固定住所要进行处理的表面，并能相对于成形装置10对其进行布置。在此情况下，构件表面上被各个真空腔12吸持着的区域构成了敞开腔室所缺失的壁板件。在真空腔12的面对着构件表面2的壁板件14的端部处设置了密封件16，在另外一些对于保持真空的重要的位置处也设置了密封件。
为了补偿构件表面上的不平整度，该抽吸装置是柔性的，为此目的，其被安装在一带有关节连接件20的冲头安装件18上。在本实施方式的情况下，该冲头安装件18自身被连接到一导轨24的一侧上，导轨的这一侧面对着构件表面2，在该导轨24上，一滑动体22以这种方式可横过，从而垂直于附图平面地被引导着。在冲头安装件18之间，滑动体20上设置了带有压力缸28和成形体30的引导元件26，其中的设置方式使得其面对着构件表面2。当压力缸30被驱动时，引导元件26被加速，并与连接到其上的成形体30一起移向构件表面2，在此过程中，它们直接穿过真空腔12之间的间隙。在此情况下，真空腔之间的间隙对应于要被处理的线性区域，成形操作将在该区域内进行。在成形体被压入构件表面的线性区域中后，利用一弹簧(图中未示出)将引导元件26与成形体30一道返回到其起始位置处，然后，可为了下一次的成形操作而再次作用。
图2表示在横向上分开的引导元件26的可活动的机构，这些引导元件26被排列成行，并可在构件表面2上方的滑动体22上移动。滑动体22在导轨24上的运行，导轨24在两垂直的支撑辐板32之间延伸，辐板32属于一托架34的机架，并被固定到支撑杆32上。在支撑杆32背向导轨24的侧面上，位于导轨22的高度上设置了滑动体的作动装置36，而在支撑杆32的底端上则设置了横向杆，它们平行于构件表面，并具有用于连接滚轮38的安装件。
在滑动体的运动过程中，由引导元件26的机构线性地横向移动，也就是说，在水平方向上移动，从而使得引导元件26以及成形体30能沿着构件表面2上由真空腔12留出的间隙、从一个压入位置移动到下一位置。如图所示，可在十二个引导元件26的第六引导元件与第七引导元件之间插入一镜向对称面，相对于该对称面对称排列的多个引导元件能同时作用，因此不论是对于构件表面2、还是对于整个机构，都产生对称的载荷。在此情况下，也可以考虑同步地或依次地、不同的组合形式启动相对于对称面对称布置的各个引导元件26。借助于设置在托架34上的滚轮38，可使带有成形装置和固定装置的整套机构相对于构件表面进行移动，为此目的，必须要首先解除通过真空腔12固定的构件表面2，其可通过向真空腔中通入空气来解除，以便于在移位之后能通过重新抽气而再次进行固定。之后，在成形工具的另一个位置上继续对构件表面执行加工。
另外，在托架34的一区域内设置了一传感器42，其中一个滚轮40也被安装在该区域内，也就是说，例如被安装在其中一横向杆38上。该传感器42例如是一光学传感器，其探测在构件表面2上的焊接路程。如果焊接路程的端部或其它特性并非如规定的那样，则可利用由传感器产生的信号来影响引导元件26的启动，或者举例来讲可影响滑动体22或托架34的横向路径。
在图3中，从上方对成形工具进行观察，且图中未表示出构件表面。从该附图可看出滑动体22上引导元件26在一个方向上的线性单维排列，这种排列结构可在构件表面2的所需线性区域上是横向的。从图中还可看出滑动体22在导轨24上的引导、以及导轨24对支撑杆32上的固定。用于移动滑动体22的作动装置36可被连接到支撑杆32背向导轨24和滑动体22的一侧上。带有关节连接件20的冲头安装件18保持着抽吸装置的真空腔12，该安装件被设置在导轨24背向观察者的一侧。多个这样的真空腔12在水平方向上相互紧邻地排列着，并具有带倒圆拐角区域的矩形横截面。在图3中，这些真空腔的顶侧面对着观察者。从图3还可清楚地看出根据本发明的成形工具基本上可定位在延展的构件表面2上的任何理想位置处，以便于对不平处进行处理。
图中的标号依次为2……构件表面4……加强杆6……成形工具8……固定装置10……成形装置12……真空腔14……壁板件16……密封件18……冲头安装件20……关节连接件22……滑动体24……导轨26……引导元件28……压力缸30……成形体32……支撑杆34……托架36……作动装置38……带有安装件的横向杆40……滚轮42……传感器
权利要求
1.一种用于构件表面的成形工具，其包括一成形装置和一固定装置，利用该固定装置可将要被成形的构件表面相对于成形装置固定，其特征在于成形装置(10)具有带成形体(30)的独立驱动的引导元件(26)的可移动机构，当向引导元件(26)施加作用力时，成形体能够以正向驱动方式压到构件表面(2)中，通过这样的方式，即利用加压操作而能产生延伸构件厚度的全部或部分的增塑化，同时通过固定装置(8)摩擦地固定构件表面(2)。
2.根据权利要求1所述的成形工具，其特征在于成形装置(10)被连接到一可移动滑动体(22)上。
3.根据权利要求1或2所述的成形工具，其特征在于成形装置(10)和/或可移动的滑动体(22)在一导轨(24)上引导，导轨与一托架(34)相连接，托架(34)可相对于构件表面(2)横过。
4.根据权利要求2或3所述的成形工具，其特征在于可利用一作动装置(36)而使滑动体(22)移动，其中的作动装置可由一压力缸操作。
5.根据权利要求1到4之一所述的成形工具，其特征在于成形装置(10)的引导元件(26)被设置在第一方向上横向离开一距离。
6.根据权利要求5所述的成形工具，其特征在于成形装置(10)的引导元件(26)被设置在另一方向上横向分开一距离，该方向基本上垂直于第一方向。
7.根据权利要求1到5之一所述的成形工具，其特征在于多个引导元件(26)以这样的方式接合驱动，即在加压操作中相对于引导元件(26)之间对称定位的镜像对称平面实现构件的对称加载。
8.根据权利要求1到7之一所述的成形工具，其特征在于通过一压力缸(28)对每个引导元件(26)进行驱动。
9.根据权利要求1到8之一所述的成形工具，其特征在于引导元件(26)被设计成带有复位弹簧的冲头的形式。
10.根据权利要求1所述的成形工具，其特征在于压入到构件表面中成形体(30)的端部的横截面被设计成圆扇面或椭圆的形式。
11.根据权利要求1到10之一所述的成形工具，其特征在于固定装置(8)具有一产生磁力的装置。
12.根据权利要求1到11之一所述的成形工具，其特征在于固定装置(8)具有一产生真空力的装置。
13.根据权利要求3到12之一所述的成形工具，其特征在于固定装置(8)可移动地安装到一导轨(24)上，以便于补偿构件表面的不平整度。
14.根据权利要求1到13之一所述的成形工具，其特征在于在成形工具(2)上设置了至少一个传感器系统，用于探测相关的参数。
15.一种成形构件表面的方法，在该方法中，相对于一成形装置设置一构件表面，其特征在于借助于成形装置(10)在构件表面(2)上依次地制出多个局部变形，在每种情况下，这些局部变形都是利用成形体(30)的加压操作造成的，这些局部变形是以增塑化的形式，增塑化在构件厚度上延伸全部或部分。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于所使用的成形装置(10)是带其上连接有成形体(30)的横向分开引导元件(26)的单维或二维机构。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于将引导元件(26)的机构紧固到一横向装置上，并在后者上进行引导，可相对于构件表面(2)逐步地位移。
18.根据权利要求15到17之一所述的方法，其特征在于成形装置(10)和固定装置(8)是一个总体装置的部件，该总体装置沿限定的工位设置在构件表面(2)的上方。
19.根据权利要求15到18之一所述的方法，其特征在于以这样的方式对成形装置(10)的多个引导元件(26)同时进行驱动，即使得它们相对于一镜像对称平面在引导元件(26)之间产生构件的均匀加载。
20.根据权利要求15到19之一所述的方法，其特征在于引导元件(26)的加压和增塑操作是在0.01秒到5秒的时间内进行的。
21.根据权利要求15到20之一所述的方法，其特征在于引导元件(26)的加压和增塑操作是在0.05秒到0.5秒的时间内进行的。
22.根据权利要求15到21之一所述的方法，其特征在于引导元件(26)的加压和增塑操作是在1/10秒的时间内进行的。
23.根据权利要求15到22之一所述的方法，其特征在于在构件表面(2)进行布置的过程中，采用了磁性力或真空力。
24.根据权利要求15到23之一所述的方法，其特征在于成形操作相比于其它成形过程较为安静。
全文摘要
本发明涉及一种用于构件表面(2)的再成形工具(6)，其包括一再成形装置(10)和一固定装置(8)，利用固定装置可将要被再成形的构件表面(2)相对于再成形装置(10)固定。本发明还涉及一种方法，利用该方法，一构件表面(2)相对于一再成形装置(10)定位。本发明的再成形装置(10)包括可移动地布置的引导元件(26)，引导元件被相互独立地控制，并设置有成形体(30)。利用固定装置(8)，按照非主动的形式对构件表面(2)进行固定。根据本发明的方法，借助于本发明的再成形装置(10)、以增塑化的形式在多个部位处依次对构件表面(2)进行再成形，增塑化延伸构件的整个厚度或部分厚度，在一个成形循环中，利用一成形体(30)来执行再成形。
文档编号B21D17/00GK1625448SQ03802900
公开日2005年6月8日 申请日期2003年1月27日 优先权日2002年1月30日
发明者赫尔穆特·雷西厄斯 申请人:埃克奥尔德两合公司