大型金属成形的制作方法
【专利说明】大型金属成形
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求提交于2013年11月7日的题为"大型金属成形"的申请号61/901,294的 美国临时申请的优先权和利益，该临时申请W各种方式通过引用全部并入本申请中。
【背景技术】
[0003] 本发明大体上设及金属成形并且更特别地设及自动化热成形工艺和系统。
[0004] 钢材，W及从较小范围讲侣合金是大多数制造的选择的结构材料。因此，金属弯曲 操作和金属成形操作对于制造者将仍然是非常重要的。随着质量和产量需求增加，将需要 自动化系统W满足那些需求。如今，制造产业依赖于手动加工，比如线加热、点加热、机械弯 曲、折弯W及用于大多数金属成形操作的手动操作设备。一个主要制造产业是造船业，因 此，造船业示例包括在本说明书中。但是，其他制造产业将受益于在此描述的自动化热成形 工艺和系统。
[0005] 简要说明
[0006] -般而言，在形成大的金属板件中使用两种方法:热成形和冷成形。机械冷成形通 常使用直线型加压机或漉子完成，并且主要用作形成简单的弯曲板或不复杂的Ξ维形状板 或制造具有恒定弯曲度的板，用作形成在原先平坦的板表面的平面内沿Χ、γ垂直轴均有弯 曲度的板的前道加工方法。运些双重弯曲板通常使用热成形。热成形可W使用加压机在不 均匀加热的板上施加力来完成。可W被称作热成形或线加热的另一种热成形方法使用由差 异加热和冷却或局部加热和冷却造成的残热弹性-塑性变形，但是其中不使用外部作用力。 运种线加热或热成形可W被用来形成双重弯曲板或作为消除船舶构件上的残余焊接变形 的方法。
[0007] 因为板是通过在板表面上沿一直线或沿虚拟线在恒定方向上移动单个热源被加 热的，因此热成形方法可W被称作线加热工艺。可W通过局部地加热某一点至升高的溫度、 随后沿预定直线移动并且随后迅速冷却它来形成大型平坦金属板W使其具有复合的弯曲 度的Ξ维形状。该加热可W完全地透过板的厚度延伸或者可W不那样。使用透过厚度的加 热并且随后冷却可能引起板的大量收缩，该收缩的主要部分是在垂直于正被热源或加热点 横越过的加热线的方向上。加热可几何图样和预选的顺序沿多条线实施W使得板逐渐 转变为新的形状。板能够被支撑在下层支架上或一系列钉形夹具上，所述板可W是加工完 成的板的形状或在成形工艺期间被调整。
[000引本文描述的某些实施例中，加热线成形系统包括配置成在金属部件的表面上形成 加热线的加热线圈系统。加热线成形系统还包括气刀冷却系统，其配置成保持加热线的干 燥区并且通过喷射机构围绕加热线地引导冷却剂(例如冷却水、如液氣的液态气体、如干冰 的固态气体，等等使得冷却剂不流入或不瓣入金属部件上的加热线中。在某些实施例 中，加热线成形系统包括沿直线布置并且W短距离间隔但是当一起同时操作时在金属部件 的表面上形成加热线的多个感应线圈。
【附图说明】
[0009] 当下面的具体说明参照附图阅读时，本发明的运些W及其他的特征、方面W及优 势将变得更好理解。附图中贯穿整个图，同样的标记符号代表同样的部件，其中：
[0010] 图1示出了可W用于常规的金属成形工艺的常见直线型弯板机；
[0011] 图2A至2C示出了根据本公开的实施例的示例性的热成形工艺中的多个步骤；
[0012] 图3是根据本公开的实施例的对接焊接中的角扭曲图；
[0013] 图4A至4B分别示出了氧乙烘加热对比感应加热的时间差和溫度差；
[0014] 图5是根据本公开的实施例的示例性的自动化热成形系统的侧视图；
[0015] 图6是根据本公开的实施例的显示正在形成的相对复杂的弯曲的另一侧视图；
[0016] 图7A和7B是根据本公开的实施例用于金属弯曲或成形的线加热方法对比加热线 方法的俯视图；
[0017] 图8是根据本公开的实施例的示例性的热成形系统的横截面侧视图；
[0018] 图9是根据本公开的实施例包括在热成形工艺期间可在上面支撑板的可变形的液 体填充囊的示例性加热床的侧视图；W及
[0019] 图10是根据本公开的实施例的具有空气导向件的示例性的热成形组件的剖面俯 视图，该空气导向件具有配置在加热头的相对两侧上的相对的平行壁。
【具体实施方式】
[0020] 本发明的一个或多个具体的实施例将在下面说明。为了提供运些实施例的简要描 述，说明书中可W不描述实际实施方式的所有特征。应该领会的是，在任何运种实际实施例 的开发中，如在任意的工程或设计项目中，必须做出许多针对实施方式的决策比如符合系 统相关的和商业相关的约束条件W实现开发者的具体目标，运些约束条件可W从一个实施 方式到另一个实施方式地变化。此外，应该领会的是，运样的开发工作可能是复杂的并且耗 费时间的，但是对于受益于本公开的那些普通的技术人员来说仍将会是设计、制造和生产 的曰常工作。
[0021 ]当介绍本发明的各种实施例的要素时，冠词"一"、"一个"、"该"和"所述"旨在表示 有一个或多个所述要素。术语"包括"、"包含"和"具有"旨在包含并且表示除了列出的要素 外可W有附加的要素。
[0022] 使用上面讨论的手动的和手动操作的金属成形工艺的成本可能是昂贵的。图1示 出了可W用于常规的金属成形过程的常见直线型弯板机1〇(例如40英尺宽、2500吨的弯板 机）。弯板机10能够较快速地作出弯曲，但是对于任意的大型尺寸部件，在产生弯曲之前，系 统需要起重机12将板材14吊起并且需要多达五个起重机和机械人员16工作几分钟的时间。 有的时候，起重机12可W用半自动化板移动系统(其可能比较昂贵）替代。为了保持造船厂 员工合理的工资水平并且仍在国际层面上有竞争力，造船厂中的金属成形可W从更多的自 动化方法中获益。
[0023] 制造业中现存的手动劳动力已经大部分被监视并保持计算机监测系统和控制系 统的工作者替代，并且一度使用的许多工艺也不再被实施。例如，二十年前，大多数的孔是 使用旋转钻钻凿的。现在，在自动化工厂，孔是由激光来钻凿的。
[0024] 为什么制造不能在美国和欧洲实施自动化的一个原因是制造的一般的本质。在其 他地区比如在亚洲生产的大量生产的船是高度自动化的，但是那些造船工程师对于他们很 多的工艺控制和质量监测依靠精细的机器人编程。运也适用于汽车工业，特别是在美国和 其他地区。共同点在于相同部件的大量生产。造船业在美国W及甚至在欧洲有一次性和种 类单一制造的大型部件。在运些环境中，针对许多不同种类的部件的机器人编程和重新编 程会可能是禁止性地昂贵，比如对于一些汽车工厂达到或超过数十亿美元。
[0025] 为了使全自动化金属成形在经济上可行，在造船业的一次性和种类单一的制造环 境中使用灵活自动化将会是有利的。灵活自动化通常基于自动完成Ξ个任务的能力：1)从 计算机辅助设计(CAD)模型中包含的信息直接地编程机器人运动和工艺控制；2)具有能够 灵活自动化的新的金属成形工艺，W及3)为质量保证监测并且控制工艺，全部实时进行。
[0026] 金属热成形通常是通过差异加热和冷却在金属零件上产生残余应变的工艺。像如 今在造船业中使用的运个工艺被称为"线加热"，其主要由相对较高技艺的人员手动完成。 此处描述的实施例针对相对较快速的自动化热成形工艺和系统，并且能够W比线加热和例 如图1示出的线型折弯机10的常见金属成形操作更高的精度来生产热成形部件。
[0027] 图2A到2C示出了根据本公开的实施例的示例性的热成形工艺18中的多个步骤。示 出的热成形工艺18包括不需要外部地作用力而形成金属的两个主要步骤:加热和冷却。如 图2A所示，过程18可W开始于未变形的板材14。然后，如图2B所示，可W对板材14施加加热， 例如通过移动热源20(如火焰、激光束、感应加热线圈等等)经过板材14的第一表面22。加热 区域24处的板材14的金属的溫度充分升高W使得足够的热膨胀导致塑性变形发生。值得注 意的是第一表面22上的加热区域24没有向两侧扩张。相反，它被相对冷的周围材料限制，因