减少增量成形中的工具痕迹的方法与流程

本公开涉及一种在增量成形工件时减少工具痕迹的方法。

背景技术：

本节中的描述仅提供与本公开有关的背景信息并且可不构成现有技术。

增量成形是用于在没有相关成形模具的情况下形成工件的制造技术。通常，工件由相对的两个成形工具增量成形，如在例如第8302442号、第8322176号、第8733143号和第8783078号美国专利中所描述的，这些专利与本申请共同受让并且其内容通过引用以其整体被包括于此。

相对的成形工具经常沿着被成形的工件表面产生硬痕迹，这可能导致表面质量不足。通过本公开解决增量成形的表面质量问题。

技术实现要素：

提供了一种增量成形工件的方法，包括：将牺牲材料层固定到所述工件的至少一个表面，通过至少一个成形工具将力直接施加到所述牺牲材料层，并基于所述成形工具的工具路径将所述工件增量成形为其期望的几何形状。在另一个形式中，此方法还包括：将另一牺牲材料层固定到所述工件的相对的表面，通过相对的成形工具将力直接施加到所述牺牲材料层和所述另一牺牲材料层。在另一个变型中，所述方法还包括：将弹性材料固定到所述工件的所述至少一个表面，并且将所述牺牲材料层固定到所述弹性材料。在一个形式中，所述方法包括：围绕所述工件的周边固定所述牺牲材料层，并且在附加牺牲材料层和弹性材料的情况下，所有材料围绕所述工件的周边被固定。本公开还包括将润滑剂添加到所述牺牲材料层的外表面。

在一个形式中，所述牺牲材料层是金属板。所述金属板可以是厚度在大约0.1mm至大约1.0mm之间的低碳钢，并且在另一个形式中，所述牺牲材料层是保护膜。在又一个形式中，在所述保护膜和所述工件之间施加粘合剂层。本公开还包括根据在此公开的各个方法成形的工件。

根据本公开的教导还提供了另一种增量成形工件的方法。此方法包括：将第一弹性材料固定到所述工件的表面，将第一牺牲材料层固定到所述第一弹性材料，将第二弹性材料固定到所述工件的相对的表面，将第二牺牲材料层固定到所述第二弹性材料，并通过将力直接施加在所述牺牲材料层而增量成形所述工件。在此方法的变型中，所述牺牲材料层围绕所述工件的周边被固定，而在另一个形式中，所述弹性材料也围绕所述工件的周边被固定。润滑剂可施加到所述牺牲材料层的至少一个外表面。在一个形式中，所述牺牲材料层均是金属板，并且在一个变型中是厚度在大约0.1mm至大约1.0mm之间的低碳钢。通过本公开的教导还提供了根据这些方法成形的工件。

在另一形式中，提供了一种用于增量成形工件的装置。所述装置包括框架和至少一个牺牲材料层，所述框架被配置为接纳工件，所述至少一个牺牲材料层被固定到所述框架并被配置为与所述工件的工作表面相符合。在此装置的一个变型中，另一牺牲材料层固定到框架，并被配置为与所述工件的相对的工作表面相符合，其中，所述牺牲材料层之间形成用于接纳所述工件的空间。至少一个弹性材料可设置在所述工件和所述牺牲材料层之间。在另一个变型中，所述牺牲材料层是金属板并且所述金属板可以是厚度在大约0.1mm至大约1.0mm之间的低碳钢。

通过本文提供的描述，其它适用领域将变得明显。应当理解的是，描述和具体示例意在仅用于说明的目的且并不意在限制本公开的范围。

附图说明

为了可以更好地理解本公开，现将通过举例的方式以其多种形式描述，参照附图，其中：

图1是在增量成形前所定位的工件及多种牺牲材料和弹性材料的侧截面图；

图2是图1中的工件和材料正在被增量成形的侧截面图；

图3是从图1的细节3-3截取的详细视图，示出了在增量成形工件时利用的示例性材料层；

图4是根据现有技术的具有硬工具痕迹的工件照片；

图5示出了根据本公开的教导增量成形工件的方法的流程图；

图6示出了根据本公开的教导增量成形工件的另一个方法的流程图。

在此描述的附图仅用于说明目的且并不意在以任何方式限制本公开的范围。

具体实施方式

以下描述在本质上仅为示例性且并不意在限制本公开、应用或使用。应理解的是，在整个附图中，相应的参考标号表示相似或相应的部件和特征。

参照图1和图2，示出了用于增量成形工件的系统并且总体上表示为参考标号10。工件12可由具有期望的成形特性的任意合适的材料或多种材料(如金属、金属合金、聚合物材料或其组合)制成。在至少一个形式中，工件12是金属板。工件12具有至少一个表面14并可被设置为初始构造，所述初始构造总体上为平面或者在本公开的一个或更多个形式中被至少部分地预形成为非平面的几何形状。

一般地，在增量成形中，工件12通过一系列小的增量变形被成形为期望的构造。可通过沿着并抵靠工件12的一个或更多个表面14移动一个或更多个工具32和工具32'来提供小的增量变形。工具的移动可沿着预定的或编程的路径发生。此外，工具移动路径可基于测量的反馈(诸如来自例如测力传感器的传感器)实时地被适应性地编程。因此，随着至少一个工具(例如，32、32')移动且不从工件12上移除材料时，增量成形可以以增量形式发生。此系统10的更多细节在第8302442号、第8322176号、第8733143号和第8783078号美国专利中进行描述，上述专利通过引用以其整体被包含于此。

系统10可包括便于工件12成形的多个部件，诸如框架20、设置为围绕工件12周边的多个夹具30、成形工具32和32'、至少一个牺牲材料层70和可选的至少一个弹性材料72及其他层，如下文更详细描述的。在整个本说明书中，成形工具32和32'应被解释为与第一成形工具和第二成形工具总体上同义。

框架20和夹具30被设置为支撑工件12。这种形式的框架20被构造为至少部分地限定其中放置工件12的开口(部分地示出于图1中)的“图形框架”。当工件12被安装在框架20中并被夹具30固定时，工件12被设置在所述开口中或至少部分地覆盖所述开口。

夹具30被构造为接合工件12并在工件12上施加夹紧力或保持力，使得工件12的周边在增量成形期间保持静止。夹具30可被沿着框架20的多个侧边设置并可具有用于保持工件12静止的任意合适的构造和相关联的几何形状。例如，夹具30可被手动地、气动地、液压地和/或电动地致动。而且，夹具30可被构造为在工件12上提供固定量的或可调整量的力。在另一个形式中，可使用机械紧固件(未示出)替代在增量成形期间固定工件12的夹具30和其他装置。

第一成形工具32和第二成形工具32'具有多个自由度并根据工件12的设计规格进行定位。成形工具32、32'被配置为沿着多个轴线(诸如像x、y和z轴的在不同正交方向上延伸的轴线)移动。注意，所述成形工具32、32'可根据包括笛卡尔坐标系(x、y、z)、柱坐标系(ρ、z)和球坐标系(ρ、θ、)的任意坐标系定位。在本公开的一个或更多个形式中，成形工具32、32'可设置在主轴上并且被配置为围绕相关联的旋转轴线旋转。

成形工具32、32'施加力以在不移除材料的情况下增量成形工件12。成形工具32、32'可具有任意合适的几何形状，包括但不限于平面的、弯曲的、球形的、圆锥形的或其组合。为简洁，附图和相关上下文中描绘了球形工具。如图4所示，当成形工具32、32'增量成形工件12时，有时会在工件12的表面上留下工具痕迹。当部件具有特定的表面光洁度要求和/或针对其轮廓的紧密公差时，这些工具痕迹可能是不能接受的。因此，如下文中更详细的描述，本公开解决这个问题。

如图1至图3所示，牺牲层70被设置为减少来自增量成形过程中的工具痕迹。在一个形式中，牺牲层70固定到工件12的至少一个表面，并且成形工具32、32'中的至少一个直接向牺牲层70施加力而不是直接向工件12施加力。在增量成形过程中，施加的力通过牺牲层70传递到工件12。因此，来自成形工具32、32'的任意工具痕迹被大部分产生在牺牲层70上而不是产生在工件12上。其结果是，成形的工件12具有更适合于特定应用的改善的表面质量。

牺牲层70应具有较低的摩擦系数以减少在成形工具32、32'和牺牲层70之间的摩擦。牺牲层70应具有足够的刚性和刚度以抵抗因摩擦而产生的屈曲。由于仅从一个牺牲层70获得需要的特性组合是困难的，所以牺牲层70可包括多于一层，如下文更详细所述的。牺牲层70称为“牺牲”是由于牺牲层70不被包含到所成形的工件12中并且在工件12成形后被丢弃或再循环。如果被再循环，根据形成给定工件12的增量成形过程的严格度，牺牲层70可被多次重复使用以增量成形多于一个工件12。牺牲层70具有足够的厚度以向工件12重新分配力或压力。然而，随着牺牲层70的厚度增加，针对工件12的保护水平增加，同时，成形变得更困难和更不精确。

在多种形式中，牺牲层70固定工件12的至少一个表面14，多个牺牲层70固定到工件12的至少一个表面14，以及多个牺牲层70固定到工件12的相对两侧，其中，多个牺牲层70中的牺牲层70可具有不同的厚度并且可以是不同的材料。例如，在一个形式中，针对厚度在0.5mm至4mm之间的工件12，牺牲层70是厚度在0.1mm至1.0mm之间的低碳钢。

在如图3最佳所示的一个变型中，第一弹性材料72固定到工件12的表面14，第一牺牲材料层(例如，70)固定到第一弹性材料70，第二弹性材料72'固定到工件12的相对的表面14'，并且第二牺牲材料层70'固定到第二弹性材料72'。

弹性材料72和72'相似地可操作以将力从成形工具32、32'通过第一牺牲材料层70和第二牺牲材料层70'传递到工件12。弹性材料72固定到工件12的至少一个表面，因此第二弹性材料72'的说明仅为示例性。相似的，当保留在本公开的范围内时，牺牲层70和弹性材料72可仅用在工件12的一侧上。此外，应理解的是，当保留在本公开的范围内时，可根据被增量成形的具体工件12的材料和几何形状采用任意数量的材料和层。

因为成形工具32、32'施加力到牺牲层70/70'和弹性材料72/72'，所以成形的工件12具有更适合于特定应用的改善的表面质量。由于从一个弹性材料72获得所需的特性组合可能是困难的，所以弹性材料72可包括多于一个层。弹性材料72应是可压缩的，并且具有足以将压缩力和相关的接触压力重新分配到更大的区域的杨氏模量。弹性材料72具有足够的厚度以将力或压力从成形工具32和32'重新分配到工件12。然而，随着弹性材料72的厚度增加，针对工件12的保护水平增加，同时，成形变得更困难并且更不精确。在多种形式中，弹性材料72固定到工件的至少一个表面，多个弹性材料72固定到工件的至少一个表面，并且多个弹性材料72/72'固定到工件的相对的两个表，其中，弹性材料72可具有不同的厚度，并且多个弹性材料可以是不同的材料。例如，在一个形式中，弹性材料72是厚度在大约0.2mm至大约5mm之间的橡胶。

润滑剂可应用于工件12、成形工具32和32'、牺牲层70和弹性材料72及其组合以改善滑动、减少摩擦和降低剪切应力等益处。因此，应用润滑剂以改善工件12的增量成形和工件12的表面质量。

在另一个形式中，聚合物材料可用作牺牲层70，在另一个形式中，保护膜是牺牲层70。此外，粘合剂(未示出)可应用于工件12、牺牲层70或弹性材料72以防止在工件12、牺牲层70和/或弹性材料72之间的滑动/移动。在一个形式中，粘合剂是低粘性压敏粘合剂。

参照图5，示出了增量成形工件的方法，并且总体上以参考标号100表示。在步骤102处，所述方法包括将牺牲材料层固定到工件的至少一个表面。在步骤104处，通过至少一个成形工具将力直接施加到牺牲材料层。所施加的力通过牺牲材料层传递并被施加到工件。来自成形工具的工具痕迹被施加到牺牲层而不是工件。在步骤106处，基于成形工具的工具路径，工件被增量成形为期望的几何形状。

参照图6，示出了另一个增量成形工件的方法，并总体上以参考标号110表示。在步骤112处，所述方法包括将第一弹性材料固定到工件的表面，然后在步骤114中，将第一牺牲材料层固定到第一弹性材料。接着在步骤116中，将第二弹性材料固定到工件的相对的表面，然后在步骤118中，将第二牺牲材料层固定到第二弹性材料。在步骤120中，通过将力直接施加到牺牲材料层而使工件被增量成形。

这些方法可以以任意的步骤顺序实施，且不限于在此示出的方法。此外，利用参照图1至图3的如在此描述的多种材料和部件(例如，牺牲材料层、弹性材料、润滑剂、粘合剂)实施所述方法。这些材料和部件的不同组合及其构造的材料、它们在工件12上的布置顺序和实施增量成形工件12的方法步骤以及其他特征应解释为在本公开的范围内。

本公开的描述在本质上仅为示例性的，并且因此，不脱离本公开的实质的变型意在处于本公开的范围内。这些变型并不认为是脱离本公开的精神和范围。