用于高速冲压成型的装置和方法
【专利说明】用于高速冲压成型的装置和方法
[0001] 本发明涉及材料成型的领域。
[0002] 更具体地，本发明的目标在于冲压成型金属部件的装置和方法。
[0003] 前序和现有技术
[0004] 在主导产业（航空、空间和汽车行业或其它制造业）中，在部件成型期间所要求的 和必要的精度可能较高，为满足这些要求而实施的技术变得越来越复杂。
[0005] 当金属部件待成型时，冲压之所以通常为所选方法，是因为该方法是可靠的并且 可以非常容易地控制。冲压包括材料板在压力作用下的塑性变形，以便赋予该板预定的模 具的形状。尽管该技术一般地在金属材料（钢、铝等）上使用，但其也可以应用于很多塑料 材料，如PVC、聚乙烯、聚碳酸酯等。
[0006] 用于实施冲压成型的变体之一是被称为弹性成型（Guerin工艺）的工艺，该工艺 的原理是向弹性体施加应力（例如借助柱塞），该弹性体随后起着冲头或模具的作用。弹性 体将其承受的压力传送到待变形的板上，所述待变形的板在冲压操作期间显示出其形状。
[0007] 特别地，在本领域中已知的是专利申请EP 0376808 (Isoform，1988)，其涉及使用 冲头来冲压板材的方法和装置，该板材在活塞的作用下可以变形。
[0008] 然而，该方法的一个缺点在于其仅能够对厚度小的轻量级金属（例如铝）进行较 浅的冲压操作这一事实。实践中，该方法限于厚度I. 5mm的金属板。
[0009] 该成型方法的另一缺陷是在待成型的部件松弛之后发生的弹性回复。该效果或多 或少地取决于所考虑的材料，并且当考虑所预期的精度时不再可以忽视该效果的情况下， 该效果会证明是成问题的。
[0010] 还已知的是专利US 7954357,其公开了使用具有基本平的形状的可变形冲头来冲 压平的板材的方法和装置。
[0011] 发明概沐
[0012] 具体地，本发明的目的在于提供用于显著减少弹性回复并用于将弹性成型原理应 用到诸如钢或铬镍铁合金（Inconel)的金属和/或厚度大的那些金属上的有效方案。
[0013] 首先，本发明的目的在于一种用于冲压成型弯曲的金属板的装置，所述装置包 括：
[0014] -由可变形且基本上不可压缩的材料制成的冲头，
[0015] -适配成沿着纵轴（Z)撞击该冲头的锤子。
[0016] 该装置包括用于产生磁场的机构，该磁场被适配成在所述方向（Z)上赋予锤子大 于预定值的速度（V z)。
[0017] 该装置包括基本上沿着纵轴（Z)旋转对称的预定形状的模具，并且该冲头基本上 沿着纵轴（Z)旋转对称并且被适配成朝向该模具设置，以便其在金属板和模具之间具有非 零的预定距离G。
[0018] 所述非零的预定距离G使得确保金属板14被设置在运动中成为可能。特别地，有 利地设置所述金属板14以便与模具10不具有任何接触点，从而使得获得金属板14高的冲 击速度成为可能。该高的冲击速度允许金属板14的动态变形，也就是说高速变形。该高速 变形允许更有效的成型并且还允许弹性回复的减少。在一个【具体实施方式】中，冲头的纵向 尺寸（H)大于或等于垂直于纵轴的其径向尺寸（R)，或与该径向尺寸（R)具有相同数量级。
[0019] 以该方式，所述冲头随后至少径向变形以便被锤子径向撞击，并且因此能够使特 别地设置在所述冲头外围上的金属板成型。
[0020] 这与用于冲压成型的现有装置发生的情形相反，在现有装置中，在锤子的轴向冲 击之后冲头轴向变形，并且仅使沿着所述冲头的纵向端部设置的金属板成型。
[0021] 用于产生磁场的机构将预先选择的强度的加速传达至冲头持续有限的时长，以便 产生高的撞击速度。
[0022] 将理解的是，该装置的作用是允许将压力以高速（通过所形成的力的电磁性质而 允许的）施加至冲头，以便该冲头按照所述板被施加到的模具的形状而使金属板非常快速 地变形。
[0023] 该装置有利地包括用于赋予锤子这样的轴向速度（Vz)的机构，该轴向速度（V z)大 于或等于用于获得金属板的塑性变形的最小轴向速度（Vzjllin)。在一个【具体实施方式】中，轴 向速度（V z)大于20m/s。
[0024] 在一个【具体实施方式】中，冲头由泊松比接近0. 5的不可压缩的弹性体制成。
[0025] 特别地，已经令人惊讶地观察到，当弹性体被高速运动的锤子（撞击机构）施压时 弹性体具有粘弹性行为，这一方面导致该部件更有效的成型（也就是说，更加符合模具）并 且另一方面导致成型部件的弹性回复的减少。
[0026] 认为的是，可变形且基本上不可压缩的材料是指弹性体类型的材料，该材料适合 用作弹性成型垫。在另一个实施方式中，可变形且不可压缩的材料可以由柔性包封围绕的 液体构成。这样的材料对于本领域技术人员是熟知的。
[0027] 在一个【具体实施方式】中，模具的端壁构成了冲头正面的挡块。
[0028] 在第二方面，本发明目的在于一种成型组件，包括所述的成型装置和基本上沿着 纵轴（Z)旋转对称的预定形状的模具，其特征在于，板与模具之间的距离G非零。
[0029] 特别地，冲头/金属板组件对模具的径向撞击速度Vir^该距离G的立方成正比。 当径向速度足够时，金属板具有塑性行为并完全显示出模具内面的形状。
[0030] 在另一方面，本发明的目的在于一种使用上述组件通过冲压使弯曲的金属板变形 的方法，该方法包括以下步骤：
[0031 ]-将金属板放在模具内，
[0032] -将冲头放在金属板内部，
[0033] -产生磁场，该磁场在该方向（Z)上赋予锤子大于预定值的速度（Vz)，
[0034] -使锤子沿着纵轴（Z)撞击到冲头上，
[0035] -以足以获得金属板的塑性变形的径向冲击速度Vr，使冲头径向变形。
[0036] 有利地，模具被这样实施，以便在金属板与模具之间具有非零距离G。
【附图说明】
[0037] 借助下文的描述将更好地领会本发明的特征和优点，该描述借助非限制性应用实 例来说明本发明的特征。
[0038] 该描述基于附图，其中：
[0039] 图Ia示出了根据第一实施方式，在成型之前，与中空模具一起使用的弹性成型装 置中涉及的元件的示意性视图；
[0040] 图Ib示出了图Ia的细节的放大图；
[0041] 图2示出了在成型过程中这些相同元件的视图；
[0042] 图3示出了在成型后这些相同元件的视图；
[0043] 图4示出了根据另一实施方式，在成型前，与中空模具一起使用的弹性成型装置 中涉及的元件的示意性视图；和
[0044] 图5示出了这些相同元件的截面的平面图。
[0045] 本发明的实施方式的详沐
[0046] 首先，要注意的是，附图是不按比例的。在本说明书的剩余部分中，术语"金属板" 用来表示待成型的部件，但是本发明更一般性地涉及由塑料、金属或其它材料制成的薄板。 当板的尺寸之一显著小于其它两个尺寸，通常至少一个数量级时，该板被称作薄板。
[0047] 在该装置的一个示例性实施方式中，后者与模具10相关联。其进一步包括弹性 体冲头11、锤子12和用于产生磁场的装置13(在附图中仅绘制了该装置13的线圈）。该 装置适合形成大功率磁场，该大功率磁场可产生锤子12的强加速，结果是其以高速撞击冲 头。有利地，锤子12独立于用于产生磁场的装置13。
[0048] 本文中认为模具10、冲头11和锤子12是沿着纵轴Z旋转对称的。模具10基本上 具有在其上端处由端壁15封闭的中空圆柱体形状，并且侧向上包括槽16,在此该槽16具有 三角形截面。冲头11图示性地由半径略小于模具10的圆柱形体积表示。锤子12在此具 有认为是全局地等同于冲头11的半径并且支承在其下面17上。
[0049] 金属板14,在此其具有在其上端处封闭的圆柱体形状，被插入模具10,并在其内 部体积中接收冲头11。换言之，金属板14的形状不相当于管状。具有封闭的圆柱体形状的 金属板的变形受其在其上端处的封闭的影响。将理解的是，更一般性地，放在模具内的金属 板14被弯曲为简单的曲线，该模具具有沿着轴Z旋转对称的凹形，冲头具有基本上互补的 形状。
[0050] 金属板14在图Ia中表示为显示出冲头11端部的形状。在一个变体实施方式中， 金属板具有封闭的圆柱体形状，并且仅显示出冲头11的横向部分。在图4中所示的另一个 变体中，金属板14具有在其上端处开放的圆柱体形状。在图5中所示的另一个变体中，金 属板14具有开放的圆柱体形状并且仅显不出冲头11的横向表面的一部分。
[0051] 应当注意的是，在本发明的示例性实施方式中，在成型装置被投入运行前，冲头11 在金属板14的面的主要部分上与金属板14接触。金属板