專利名稱：旋壓成形工藝及用于通過旋壓成形來制造物品的裝置的制作方法
旋壓成形工藝及用于通過旋壓成形來制造物品的裝置發(fā)明背景發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及旋壓成形工藝及用于通過旋壓成形來制造物品的裝置。本發(fā)明具有特定但未必排他的在金屬旋壓方面的應(yīng)用。相關(guān)技術(shù)金屬旋壓是指允許生產(chǎn)中空的軸向?qū)ΨQ的(軸對稱的)金屬片部件的一組成形工藝。對于該組工藝來說常見的旋壓基本技術(shù)由以下工藝組成:抵著旋壓車床上的心軸夾住金屬片坯料，以及在單一步驟或系列步驟中通過輥使坯料逐漸地形成到心軸表面上。對涉及旋壓成形的學(xué)術(shù)文獻的詳細檢閱已進行并通過Music等人的(2010)
公開，其全部內(nèi)容據(jù)此通過引用方式并入。在這里有趣的是,在術(shù)語常規(guī)旋壓、剪力旋壓和管形件旋壓(tube spinning)之間加以區(qū)別，其全部被認(rèn)為是旋壓成形工藝。三種工藝的共同特征是其通常允許產(chǎn)生中空的旋轉(zhuǎn)對稱零件。在所形成的零件的壁厚方面，這三者之間的主要區(qū)別是明顯的。在常規(guī)的旋壓中，壁厚在整個工藝期間幾乎保持恒定，因此所形成的零件的最終壁厚大體上等于坯料的厚度。比較起來，壁厚在剪力旋壓和管形件旋壓中減??；在剪力旋壓中，零件厚度由部件的壁和旋轉(zhuǎn)軸線之間的角度決定；在管形件旋壓中，最終厚度由工件的長度的增加限定。此夕卜，雖然常規(guī)旋壓和管形件旋壓零件可在單一步驟或多個步驟中形成，但是在剪力旋壓中，成形在單一步驟中完成。

圖1中圖示了常規(guī)旋壓工藝，其中初始的金屬片工件10被保持在夾持在尾座12和心軸14之間的金屬旋壓裝置中。心軸14、金屬片工件10和尾座是圍繞主旋轉(zhuǎn)軸線A可旋轉(zhuǎn)的。旋壓片被利用輥16壓向心軸14，輥16由輥臂18支撐并圍繞輥軸線X可旋轉(zhuǎn)。圖2顯示了通過已知的常規(guī)金屬旋壓工藝可成形的可行幾何結(jié)構(gòu)的示例。全部都是軸對稱的，并且如可以看到的，可行的軸對稱形狀的范圍是相對地寬的。圖3中圖示了剪力旋壓工藝。初始金屬片工件20具有厚度tQ。初始的金屬片工件20被保持在夾持在尾座22和心軸24之間的金屬旋壓裝置中。心軸24、金屬片工件20和尾座是圍繞主旋轉(zhuǎn)軸線A可旋轉(zhuǎn)的。旋壓片20a被利用由輥臂28支撐的輥26壓向心軸
24。在剪力旋壓工藝中，金屬工件的厚度大體上減小至A，其中h < tQ。在一些剪力旋壓工藝中，旋壓工藝之后(垂直于軸A測量的)工件的總直徑與旋壓工藝之前是相同的。剪力旋壓的限度通過可在完成的幾何結(jié)構(gòu)中獲得的最小角度α給定，其中:= t0sin α隨著α減小，為了實現(xiàn)α的所要求值而在壁厚方面的需要減小變得非常明顯，導(dǎo)致工件的失效，其中α的所要求值太低。圖4顯示了通過剪力旋壓工藝可成形的可行幾何結(jié)構(gòu)的示例。
一些工人已認(rèn)識到，金屬旋壓被限制于生產(chǎn)軸對稱的幾何結(jié)構(gòu)。因此，已進行了一些工作來嘗試修改金屬旋壓工藝以產(chǎn)生非軸對稱的幾何結(jié)構(gòu)。例如，US 2005/0183484公開了控制系統(tǒng)用于控制輥工具抵著工件的壓緊力的用途，其中心軸具有非軸對稱的幾何結(jié)構(gòu)。在該工藝期間，工件與心軸的外部形狀一致。在US2008/0022741中闡述了類似的工藝。發(fā)明概沭本發(fā)明人認(rèn)識到，雖然US 2005/0183484和US 2008/0022741可提供用于制造具有非軸對稱幾何結(jié)構(gòu)的物品的工藝，但是該工藝存在以下缺點:在進行金屬旋壓工藝之前，必須首先提供以成形心軸的形式的特殊要求的非軸對稱幾何結(jié)構(gòu)。雖然在心軸將被多次使用來生產(chǎn)許多相同地成形的物品的情況下這可能是可接受的，但是該工藝是不可變更的，因為對所要求的幾何結(jié)構(gòu)的甚至較小的改變都需要制造新的心軸。本發(fā)明人認(rèn)識到，關(guān)于制造具有軸對稱的幾何結(jié)構(gòu)的物品存在類似的問題。因此，本發(fā)明旨在解決以上問題中的一個或多個，并且優(yōu)選地改善或者甚至克服這些問題中的一個或多個。在關(guān)于旋壓成形的一般方面中，本發(fā)明用抵靠工件的表面的至少兩個支撐件來代替常規(guī)的心軸，工件是關(guān)于這兩個支撐件可旋轉(zhuǎn)的。在第一優(yōu)選的方面中，本發(fā)明提供了用于由工件來制造要求形狀的物品的旋壓成形工藝，工件具有參照物品的所要求形狀的外表面和內(nèi)表面，其中工件關(guān)于成形工具旋轉(zhuǎn)，成形工具抵靠工件的外表面和內(nèi)表面之一以使工件向所要求的形狀變形，并且第一支撐件抵靠工件的內(nèi)表面和外表面之一，并且第二支撐件抵靠工件的內(nèi)表面和外表面之一，工件關(guān)于支撐件旋轉(zhuǎn)。在第二優(yōu)選的方面中，本發(fā)明提供了通過旋壓成形來由工件制造要求形狀的物品的裝置，工件具有參照物品的所要求形狀的外表面和內(nèi)表面，該裝置具有:安裝設(shè)備，其用于將工件可旋轉(zhuǎn)地安裝在裝置中；成形工具，其用于抵靠工件的外表面和內(nèi)表面之一以使工件向所要求形狀變形；第一支撐件，其用于抵靠工件的內(nèi)表面和外表面之一；及第二支撐件，其用于抵靠工件的內(nèi)表面和外表面之一，其中該裝置是可操作的，以允許工件關(guān)于第一支撐件和第二支撐件旋轉(zhuǎn)?，F(xiàn)將闡述本發(fā)明的優(yōu)選和/或可選的特征。除非上下文另外要求，否則這些特征是單獨地或者以與本發(fā)明的任何方面的任何組合的方式可應(yīng)用的。優(yōu)選的是，工件由金屬形成?？梢允褂萌魏魏线m的可加工金屬，例如，鋼、黃銅、鋁(和/或其合金)、鈦(和/或其合金)等。然而，可以使用其它的可加工起始材料，例如諸如PVC的塑料材料，來進行旋壓成形。工件通常是以片的形式的。因此，初始工件的內(nèi)表面和外表面由工件在裝置中的定向并且由待形成的物品的所要求形狀指定。工件可具有均勻的初始厚度。然而，這不是必要的，因為旋壓成形工藝可利用具有非均勻的初始厚度的工件來進行。對于本發(fā)明的至少一些實施方案來說，優(yōu)選的是，旋壓成形工藝不大幅地改變工件的厚度。因此，參照以上介紹的命名法，優(yōu)選的是，旋壓成形工藝是常規(guī)旋壓而不是剪力旋壓的一種類型。在旋壓成形工藝期間可以考慮工件的內(nèi)表面和工件的旋轉(zhuǎn)軸線之間的角度。更通常地(其中該角度隨著在工件中的位置而變化)，可以將角度α限定為工件的旋轉(zhuǎn)軸線A和工件的內(nèi)表面在特定位置處的切線之間的角度，切線在包含工件的旋轉(zhuǎn)軸線A的平面中繪制。其中，在該特定位置處，工件的初始厚度是h且工件的最終厚度是^，優(yōu)選的是，對于小于90度的α值滿足以下不等式(I):t!> t0sin α 不等式(I)當(dāng)滿足不等式(I)時，旋壓成形之后工件的厚度大于如果旋壓成形工藝是剪力旋壓工藝的情況下將被預(yù)期的厚度。至少在由旋壓成形形成的物品上的一些位置處，角度α可以等于或小于45°，更優(yōu)選地等于或小于40°、等于或小于35°、等于或小于30°、等于或小于25°、等于或小于20°、等于或小于15°、等于或小于10°、等于或小于5°、等于或小于0°、等于或小于-10°或者等于或小于-20°。優(yōu)選地，對于物品的對應(yīng)于物品的總的內(nèi)表面面積的至少5%的內(nèi)表面面積來說，可以滿足在α的值上的這些限制中的任一個。更優(yōu)選地，對于物品的對應(yīng)于物品的總的內(nèi)表面面積的至少10 %、至少20 %、至少30 %或至少40 %的內(nèi)表面區(qū)域來說，可以滿足在α的值上的這些限制中的任一個。物品的所要求形狀可以是軸對稱形狀。然而，在一些優(yōu)選的實施方案中，物品的所要求形狀可以是非軸對稱形狀。例如，考慮到物品的截面形狀，在截面被垂直于旋轉(zhuǎn)軸線截取的情況下，截面形狀通常是非圓形的。形狀可以是例如橢圓形、卵形、規(guī)則的彎曲形狀、不規(guī)則的彎曲形狀、三角形、矩形、規(guī)則多邊形、不規(guī)則多邊形，或這些形狀的任何組合(例如，通常的彎曲形狀包括至少一個直壁部分，或者通常的多邊形形狀包括至少一個彎曲壁部分)。在一些實施方案中，(垂直于旋轉(zhuǎn)軸線截取的)截面形狀包括凹入部分。角度α可圍繞截面的周邊變化例如5%或更多?？紤]到物品的截面形狀，在截面被沿著(或平行于)旋轉(zhuǎn)軸線截取的情況下，該形狀可按照角度α隨著沿旋轉(zhuǎn)軸線的距離的變化來考慮。該變化可包括α隨著沿旋轉(zhuǎn)軸線的距離D的線性變化的至少一部分(例如，物品沿著旋轉(zhuǎn)軸線的高度的至少5%)。另外或可選地，該變化可包括其中一階導(dǎo)數(shù)da /dD為正或負的至少一部分(例如，物品沿著旋轉(zhuǎn)軸線的高度的至少5% )。另外或可選地，該變化可包括其中二階導(dǎo)數(shù)d2 a /dD2為正或負的至少一部分(例如，物品沿著旋轉(zhuǎn)軸線的高度的至少5% )。優(yōu)選地，第二 支撐件抵靠工件的與成形工具相對照的相對(內(nèi)或外)側(cè)。因此，如果成形工具抵靠外表面，則優(yōu)選地第二支撐件抵靠內(nèi)表面，且反之亦然。類似地，在一些實施方案中，優(yōu)選的是，第一支撐件抵靠工件的與成形工具相對照的相對(內(nèi)或外)表面。然而，在所有實施方案中均認(rèn)為不必要的是，第一支撐件和第二支撐件抵靠工件的相同表面。在旋壓成形期間，和/或在完成物品方面，可以限定工件和/或完成物品的近端和遠端。當(dāng)沿著工件的旋轉(zhuǎn)軸線考慮時，近端比遠端更靠近于工件的安裝區(qū)域，在該區(qū)域處，工件(例如，通過夾緊)可旋轉(zhuǎn)地安裝在裝置中。優(yōu)選地，第一支撐件布置在第二支撐件的近側(cè)。
優(yōu)選地，提供了用于抵靠工件的內(nèi)表面或外表面的第三支撐件。就第一支撐件和第二支撐件來說，工件優(yōu)選地關(guān)于第一支撐件和第二支撐件旋轉(zhuǎn)。優(yōu)選地，第三支撐件定位在第一支撐件遠側(cè)。第三支撐件優(yōu)選地定位成橫向于第二支撐件。優(yōu)選地，第二支撐件和第三支撐件橫向地偏離第一支撐件。更優(yōu)選地，第二支撐件和第三支撐件在相反的方向上橫向地偏離第一支撐件。對于第二支撐件和第三支撐件來說，從第一支撐件的該橫向偏移可以是大體上相等的。優(yōu)選地，第二支撐件和第三支撐件之間的距離小于第一支撐件和第二支撐件之間的距離。優(yōu)選地，第二支撐件和第三支撐件之間的距離小于第一支撐件和第三支撐件之間的距離。優(yōu)選地，第一支撐件和第二支撐件之間的距離大體上等于第一支撐件和第三支撐件之間的距離。因此，在一些優(yōu)選的實施方案中，第一支撐件、第二支撐件和第三支撐件布置在三角形構(gòu)型中。根據(jù)物品的所要求形狀，第二支撐件和/或第三支撐件可徑向地偏離第一支撐件。在對已知的旋壓成形工藝的仔細分析的基礎(chǔ)上，本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，在已知的旋壓成形工藝中使用的心軸僅在三個主要位置處與工件接觸。這些位置根據(jù)成形工具在工件上的相對位置并根據(jù)工件的旋轉(zhuǎn)而改變。因此，心軸的作用可由在本發(fā)明中使用的支撐件來承擔(dān)。此外，如以下所解釋的，可以通過適當(dāng)?shù)乜刂苾?nèi)部支撐件的位置來模擬不同形狀的心軸的使用。因此，通常優(yōu)選的是，第一支撐件、第二支撐件和第三支撐件至少設(shè)置在工件和假想心軸之間的最近接觸點處，假想心軸將是利用成形工具使物品由工件形成為所要求的形狀所需要的。成形工具被優(yōu)選地定位以提供物品所要求形狀。成形工具可定位在第二支撐件和/或第三支撐件的遠側(cè)(例如，在角度α小于90°的情況下)。然而，在一些實施方案中，角度α可以(至少局部地)大于90°，在這種情況下成形工具可對于第二支撐件和/或第三支撐件在近側(cè)定位。成形工具通常徑向地偏離第二支撐件和/或第三支撐件。成形工具可定位成與第一支撐件大體上對齊。第二支撐件和/或第三支撐件可橫向地偏離成形工具。優(yōu)選地，成形工具包括至少一個成形輥。通常，成形輥是關(guān)于成形輥臂可旋轉(zhuǎn)的。成形輥的使用降低了成形工具和旋轉(zhuǎn)工件之間的摩擦損失。優(yōu)選地，成形工具是在機器控制下關(guān)于旋轉(zhuǎn)工件可定位的。通常，這種機器控制是計算機數(shù)字控制(CNC)。利用這樣的方法允許以高速度非常精確地控制成形工具的位置，使得成形工具可以以對應(yīng)于工件的旋轉(zhuǎn)速度的速度遵循所要求的圍繞工件的路徑。優(yōu)選地，成形工具的位置在近側(cè)-遠側(cè)方向上(平行于工件的旋轉(zhuǎn)軸線)和/或在徑向方向上和/或在橫向方向上(垂直于徑向方向和近側(cè)-遠側(cè)方向)是可控的。優(yōu)選地，第一支撐件包括至少一個第一支撐輥。通常，第一支撐輥是關(guān)于第一支撐輥臂可旋轉(zhuǎn)的。第一支撐輥的使用降低了第一支撐件和旋轉(zhuǎn)工件之間的摩擦損失。優(yōu)選地，第一支撐件是在機器控制下關(guān)于旋轉(zhuǎn)工件可定位的。通常，這種機器控制是計算機數(shù)字控制(CNC)。利用這樣的方法允許以高速度非常精確地控制第一支撐件的位置，使得第一支撐件可以以對應(yīng)于工件的旋轉(zhuǎn)速度的速度遵循所要求的圍繞工件的路徑。優(yōu)選地，第一支撐件的位置在近側(cè)-遠側(cè)方向上(平行于工件的旋轉(zhuǎn)軸線)和/或在徑向方向上和/或在橫向方向上(垂直于徑向方向和近側(cè)-遠側(cè)方向)是可控的。優(yōu)選地，第二支撐件包括至少一個第二支撐輥。通常，第二支撐輥是關(guān)于第二支撐輥臂可旋轉(zhuǎn)的。第二支撐輥的使用降低了第二支撐件和旋轉(zhuǎn)工件之間的摩擦損失。優(yōu)選地，第二支撐件是在機器控制下關(guān)于旋轉(zhuǎn)工件可定位的。通常，這種機器控制是計算機數(shù)字控制(CNC)。利用這樣的方法允許以高速度非常精確地控制第二支撐件的位置，使得第二支撐可以以對應(yīng)于工件的旋轉(zhuǎn)速度的速度遵循所要求的圍繞工件的路徑。優(yōu)選地，第二支撐件的位置在近側(cè)-遠側(cè)方向上(平行于工件的旋轉(zhuǎn)軸線)和/或在徑向方向上和/或在橫向方向上(垂直于徑向方向和近側(cè)-遠側(cè)方向)是可控的。優(yōu)選地，第三支撐件包括至少一個第三支撐輥。通常，第三支撐輥是關(guān)于第三支撐輥臂可旋轉(zhuǎn)的。第三支 撐輥的使用降低了第三支撐件和旋轉(zhuǎn)工件之間的摩擦損失。優(yōu)選地，第三支撐件是在機器控制下關(guān)于旋轉(zhuǎn)工件可定位的。通常，這種機器控制是計算機數(shù)字控制(CNC)。利用這樣的方法允許以高速度非常精確地控制第三支撐件的位置，使得第三支撐可以以對應(yīng)于工件的旋轉(zhuǎn)速度的速度遵循所要求的圍繞工件的路徑。優(yōu)選地，第三支撐件的位置在近側(cè)-遠側(cè)方向上(平行于工件的旋轉(zhuǎn)軸線)和/或在徑向方向上和/或在橫向方向上(垂直于徑向方向和近側(cè)-遠側(cè)方向)是可控的。優(yōu)選地，第一支撐輥臂從近側(cè)結(jié)構(gòu)向遠側(cè)地延伸到工件中。類似地，優(yōu)選第二支撐輥臂從近側(cè)結(jié)構(gòu)向遠側(cè)地延伸到工件中。類似地，優(yōu)選第三支撐輥臂從近側(cè)結(jié)構(gòu)向遠側(cè)地延伸到工件中。第二支撐輥臂和第三支撐輥臂的近側(cè)結(jié)構(gòu)可以彼此連接，但優(yōu)選的是，第二支撐件和第三支撐件的位置是獨立地可控的。在一些實施方案中，該工藝可相應(yīng)于剪力旋壓工藝，其中從現(xiàn)有技術(shù)的剪力旋壓工藝已知的心軸由以上討論的支撐件代替。在這樣的工藝中，工件的厚度通常根據(jù)角度α減小，如等式(2)中所示:t = t0sin α 等式(2)對于剪力旋壓工藝來說可能利用以上識別的第一支撐件、第二支撐件和(可選的)第三支撐件來進行。然而，優(yōu)選地，剪力旋壓工藝還具有第四支撐件，工件關(guān)于第四支撐件旋轉(zhuǎn)。優(yōu)選地，第四支撐件定位成與主成形工具大體上對準(zhǔn)。因此，第四支撐件優(yōu)選地定位在遠側(cè)但是與第一支撐件軸向?qū)R。此外，第四支撐件優(yōu)選地定位在第二支撐件和第三支撐件之間。對第四支撐件的合適控制允許工件的厚度在成形工藝期間變化。第四支撐件通常以與關(guān)于第二支撐件和第三支撐件所闡述的類似方式包括第四支撐輥，并且類似地優(yōu)選是獨立地可控的。該裝置還可被用來通過將角度α設(shè)定為0°來進行管形件成形工藝。在一些優(yōu)選的實施方案中，第一支撐件和第二支撐件抵靠工件的內(nèi)表面。在這方面中，第一支撐件和第二支撐件可被認(rèn)為是第一內(nèi)部支撐件和第二內(nèi)部支撐件。因此，成形工具優(yōu)選地抵靠工件的外表面。如果裝置包括第三支撐件和/或第四支撐件，則優(yōu)選地，這些支撐件也抵靠工件的內(nèi)表面。如以上所討論的，以這種方式，這些優(yōu)選的實施方案可提供用于制造所要求的物品形狀的更靈活的成形程序。本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到，本發(fā)明不必限制于內(nèi)部支撐件的使用。而是，可能將成形工具應(yīng)用于工件的內(nèi)表面。在該情況下，優(yōu)選的是，第二支撐件抵靠工件的外表面。在該方面中，第二支撐件可被認(rèn)為是第二外部支撐件。第一支撐件可抵靠工件的內(nèi)表面，取決于所要求的構(gòu)型。在裝置包括第三支撐件和/或第四支撐件的情況下，優(yōu)選地，這些支撐件也抵靠工件的外表面。這在制造更復(fù)雜的形狀方面或者在由相對更凹的工件制造相對更平的物品，例如由杯樣工件制造片樣物品方面是有興趣的。為了在該工藝期間提供對工件形狀的精確控制，本發(fā)明的一些優(yōu)選的實施方案利用適合于在該工藝期間感測工件的形狀的至少一個傳感器?？稍O(shè)置控制系統(tǒng)以提供反饋控制，以將所測量的工件的幾何結(jié)構(gòu)與所要求的(或計算的)工件的幾何結(jié)構(gòu)進行比較。因此，提供了用于比較目標(biāo)工件形狀和實際工件形狀之間的差異的設(shè)備。在檢測到明顯差異的情況下，控制該裝置以減少該差異。合適的控制可以對成形工具和/或支撐件的位置、工件的旋轉(zhuǎn)速度等的控制。本發(fā)明人認(rèn)為，該類型的控制不必限制于旋壓成形工藝。因此，在本發(fā)明的另外的方面中，提供了金屬片成形工藝，其中金屬片工件利用金屬片成形裝置從初始構(gòu)型向最終構(gòu)型變形，其中金屬片成形裝置包括至少一個傳感器，該工藝包括在從初始構(gòu)型向最終構(gòu)型變形期間利用傳感器感測工件的形狀，將感測到的工件形狀與所要求的(或計算的)工件形狀進行比較，并控制裝置以減少感測到的工件形狀與所要求的(或計算的)工件形狀之間的差異。在本發(fā)明的另外的方面中，提供了用于使金屬片工件從初始構(gòu)型向最終構(gòu)型變形的金屬片成形裝置，該裝置具有:至少一個傳感器，其適合于在從初始構(gòu)型向最終構(gòu)型變形期間利用傳感器感測工件的形狀；以及控制系統(tǒng)，其適合于將感測到的工件形狀與所要求的(或計算的)工件形狀進行比較，并控制裝置以減少感測到的工件形狀與所要求的(或計算的)工件形狀之間的差異。以下闡述了本發(fā)明的進一步優(yōu)選的特征。附圖簡沭以下參照下列附圖描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方案:圖1圖示了已知的常規(guī)旋壓成形工藝。圖2顯示了可利用圖1的工藝形成的典型軸對稱形狀。圖3圖示了已知的剪力旋壓工藝。圖4顯示了可利用圖3的工藝形成的典型軸對稱形狀。圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明的實施方案的旋壓成形工藝和裝置的(平行于旋轉(zhuǎn)軸線的)示意性截面視圖。圖6顯示了圖5的旋壓成形工藝和裝置的(垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的)示意性端視圖。圖7圖示了旋壓成形工藝的有限元模擬的結(jié)果。圖8顯示了可利用本發(fā)明的實施方案形成的一些三維形狀和壁輪廓。圖9和10顯示了對應(yīng)于圖5和6的并入了混合輥(第一內(nèi)部支撐輥)臂和支撐輥(第二內(nèi)部支撐輥和第三內(nèi)部支撐輥)臂的視圖。圖11顯示了根據(jù)本發(fā)明的實施方案的組裝裝置的示意性等軸視圖。圖12顯示了圖11的裝置的平面圖。圖13顯示了用于在圖11的裝置中使用的成形輥模塊的視圖。
圖14顯示了用于在圖11的裝置中使用的混合輥(第一內(nèi)部支撐輥)模塊的視圖。圖15顯示了用于在圖11的裝置中使用的支撐輥(第二內(nèi)部支撐輥和第三內(nèi)部支撐輥)模塊的視圖。圖16顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案的旋壓成形工藝和裝置的(平行于旋轉(zhuǎn)軸線的)示意性截面視圖。圖17顯示了圖16的旋壓成形工藝和裝置的(垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的)示意性端視圖。圖18和19分別顯示了基于圖16和17的改進的實施方案。圖20和21分別顯示了基于圖5和6的改進的實施方案。圖22和23分別顯示了基于圖18和19的改進的實施方案。本發(fā)明的優(yōu)選實施方案和另外可選的特征的詳細描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方案提供了改進的旋壓成形工藝。在該公開內(nèi)容中，術(shù)語“旋壓成形”與“金屬旋壓”可交換地使用，雖然應(yīng)承認(rèn)，優(yōu)選的實施方案可以用除金屬以外的起始材料，例如易延展的塑料材料發(fā)揮作用。然而，在本發(fā)明的大多數(shù)優(yōu)選實施方案中，起始材料是金屬材料，通常是金屬片。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，提供了靈活的旋壓成形工藝，其中心軸的作用由內(nèi)部支撐輥的合適布置來提供。在期望的情況下，這還允許制造非軸對稱部件。參照圖7，利用成形輥52進行的工件50的旋壓成形工藝的有限元模擬揭示，對于輥52相對于工件15的每個位置來說，工件50僅在3個定位處接觸心軸。這些定位是:第一定位54，其接近于工件的可旋轉(zhuǎn)安裝位置定位并與輥52軸向?qū)R；以及第二定位56和第三定位58,其每個與第一定位遠側(cè)地隔開并橫向偏離第一定位和棍52的位置。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，心軸可因此利用內(nèi)部支撐件的相應(yīng)布置來代替，允許工件關(guān)于內(nèi)部支撐件旋轉(zhuǎn)。圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方案的旋壓成形工藝和裝置的(平行于旋轉(zhuǎn)軸線的)示意性截面視圖。圖6顯示了該實施方案的示意性端視圖。在這些圖中，初始工件30由金屬片形成。在該工藝期間，該初始工件逐漸地向物品33的期望最終形狀變形。工件30由尾件32可旋轉(zhuǎn)地保持以圍繞旋轉(zhuǎn)軸線A旋轉(zhuǎn)。成形輥36由成形輥臂38可旋轉(zhuǎn)地保持并抵靠工件的外表面40。內(nèi)部支撐輥的布置抵靠工件的內(nèi)表面42。第一內(nèi)部支撐輥44(在此處也稱為混合輥)接近于物品33的尾架末端設(shè)置。第二內(nèi)部支撐輥46 (和第三內(nèi)部支撐輥48-參見圖6)從第一內(nèi)部支撐輥44向遠側(cè)地設(shè)置并且橫向地偏離第一內(nèi)部支撐輥44。成形輥36與第一內(nèi)部支撐輥、第二內(nèi)部支撐輥和第三內(nèi)部支撐輥遠側(cè)地隔開，但是并不橫向地偏離第一內(nèi)部支撐輥44。與常規(guī)的旋壓工藝相比，圖5和6中示出的構(gòu)型具有兩個主要優(yōu)勢。首先，構(gòu)型是靈活的，因為不需要用于完成物品的每個期望形狀的特定心軸。其次，在可能徑向地(和可選地側(cè)向地)控制輥的移動的情況下，除了允許平行于旋轉(zhuǎn)軸線的移動以外，意味著可能產(chǎn)生非軸對稱物品。圖8顯示了可能利用本發(fā)明的優(yōu)選實施方案的不同復(fù)雜度的三維形狀的一些示例。圓形杯可利用本發(fā)明但也可利用常規(guī)的旋壓成形來形成。然而，橢圓形杯和矩形杯不能通過常規(guī)的旋壓成形來形成。此外，腎形豆?fàn)畹谋蔷哂邪ò既氩康慕孛娴母叨葟?fù)雜的形狀。這種形狀也可能利用本發(fā)明的優(yōu)選實施方案。圖8還顯示了可利用本發(fā)明的實施方案形成的壁輪廓。線性輪廓可利用常規(guī)的旋壓成形來形成。線性階梯式輪廓也可通過常規(guī)的旋壓成形來形成，如二階輪廓(secondorder profile)可以的。然而，當(dāng)然,特定的心軸形狀必須用這樣的工藝產(chǎn)生。利用常規(guī)的旋壓成形形成圖8中示出的凹入輪廓是更加困難的，因為適當(dāng)?shù)囟ㄐ蔚男妮S將難以從完成產(chǎn)品中移除。這樣的形狀可利用本發(fā)明的優(yōu)選實施方案以簡單的方式形成，因為內(nèi)部支撐件提供所要求的心軸樣支撐件，但是對其位置的控制允許形成這些復(fù)雜的形狀。圖9和10顯示了對應(yīng)于圖5和6的視圖，但是顯示了混合輥臂60和支撐輥臂62、64。圖10中的直線箭頭表明，混合輥臂60和支撐輥臂62、64可被控制成平行于旋轉(zhuǎn)軸線A移動。除此之外，在優(yōu)選的實施方案中，混合輥臂60和支撐輥臂62、64可以徑向地移動，以提供對內(nèi)部支撐輥的位置的相應(yīng)控制。此外，在仍然另外的優(yōu)選實施方案中，混合輥臂60和支撐棍臂62、64可另外橫向地移動(即，在垂直于旋轉(zhuǎn)軸線A并且垂直于徑向方向的方向上)，以在用于工件的內(nèi)表面的合適支撐件的所要求定位處提供內(nèi)部支撐輥的精確定位。在此提及‘橫向’方向包含對支撐輥臂62、64的控制以調(diào)節(jié)支撐輥臂62、64之間的旋轉(zhuǎn)角，從而‘橫向偏移’在此處與‘圓周偏移’具有相同的含義。對工件的旋轉(zhuǎn)速度、成形輥36的位置以及內(nèi)部支撐輥44、46和48的位置的控制通常以將被技術(shù)人員理解的方式由計算機數(shù)字控制(CNC)提供。圖11-15顯示了根據(jù)本發(fā)明的實施方案的完整的裝置的視圖。圖11顯示了根據(jù)本發(fā)明的實施方案的組裝裝置80的示意性等軸視圖。該裝置被支撐在基板82上，基板82進而被支撐在支撐框架84上。圖12顯示了裝置80的平面圖。工件94由軸92可旋轉(zhuǎn)地支撐。三個可辨別的模塊與工件94相互作用。這些模塊是混合輥模塊86，支撐輥模塊88和成形輥模塊90。這些模塊被參照圖13-15更詳細地描述。圖13顯示了成形輥模塊90。成形輥92由成形輥臂94可旋轉(zhuǎn)地支撐。成形輥臂94剛性地附接到成形輥臂板96。成形輥臂板96顯示為從徑向定位設(shè)備98移除，然而，在使用中，成形輥臂板96被附接到徑向定位設(shè)備98。成形輥92的徑向位置可通過結(jié)合徑向滾珠絲杠和徑向線性引導(dǎo)件104適當(dāng)?shù)乜刂茝较螂妱訖C100來調(diào)節(jié)，徑向定位設(shè)備98進而被支撐在軸向定位設(shè)備106上，因此成形輥92的軸向位置通過適當(dāng)?shù)乜刂戚S向電動機108、軸向滾珠絲杠110和軸向線性引導(dǎo)件112來控制。圖14顯示了混合輥模塊86。在這個實施方案中，混合輥114的徑向運動是機動的，但是混合輥114的軸向運動是手動地控制的。在另外的優(yōu)選實施方案中，混合輥的軸向運動可以在機動控制下以將被技術(shù)人員理解的方式實施。在圖14中，混合輥114保持在混合輥臂116上，混合輥114的徑向移動通過結(jié)合徑向線性引導(dǎo)件120和徑向滾珠絲杠122適當(dāng)?shù)乜刂茝较螂妱訖C118來控制。軸向線性引導(dǎo)件124提供對混合輥114的軸向位置的控制。圖15顯示了支撐輥模塊88，第二內(nèi)部支撐輥126和第三內(nèi)部支撐輥128關(guān)于相應(yīng)的內(nèi)部支撐輥臂130、132可旋轉(zhuǎn)地安裝。第二內(nèi)部支撐輥126和第三內(nèi)部支撐輥128的徑向定位由徑向電動機134、136獨立地設(shè)置，徑向滾珠絲杠138和徑向線性引導(dǎo)件140僅關(guān)于徑向電動機136顯示。在這個實施方案中，第二內(nèi)部支撐輥126和第三內(nèi)部支撐輥128的軸向位置由單個軸向電動機142以及相應(yīng)的軸向滾珠絲杠144和線性引導(dǎo)件146設(shè)置。在可選擇的實施方案中，第二內(nèi)部支撐輥126和第三內(nèi)部支撐輥128的線性位置可通過設(shè)置獨立的相應(yīng)軸向電動機、滾珠絲杠和線性引導(dǎo)件來單獨地設(shè)置，如對于技術(shù)人員來說將是明顯的。利用對各種輥在圖11-15的裝置中的位置的適當(dāng)控制，工件94可經(jīng)受旋壓成形，成形輥92抵靠工件的外表面，并且混合輥114以及第二內(nèi)部支撐輥126和第三內(nèi)部支撐輥128抵靠工件的內(nèi)表面，代替心軸。因此，形成的物品的形狀可根據(jù)裝置的運行改變，而不需要不同的心軸，僅需要對輥的位置的適當(dāng)?shù)臄?shù)字控制。此外，非軸對稱物品可如上所討論地制造。本發(fā)明人還已經(jīng)意識到，本發(fā)明的實施方案可用來進行剪力旋壓和/或管形件成形工藝。圖3圖示出常規(guī)的剪力旋壓工藝。與常規(guī)旋壓工藝存在三個主要差別:存在由壁角度(α)決定的厚度改變；剪力旋壓在單道次中進行，輥遵循心軸的輪廓；以及剪力旋壓輥(成形工具)在其尖端處具有尖銳的半徑。因此，在本發(fā)明的另外的實施方案中，提供了剪力旋壓工藝，其中心軸由輥代替。對此存在不同的選擇。在圖16和17中示出的一個實施方案中，工件230由靠近于心軸232定位的第一內(nèi)部支撐輥244支撐在內(nèi)表面處，并且第二內(nèi)部支撐輥246和第三內(nèi)部支撐輥248定位在第一內(nèi)部支撐輥244的遠側(cè)。第二內(nèi)部支撐輥246和第三內(nèi)部支撐輥248彼此橫向偏離。主成形輥236由成形臂238保持。主成形輥是在端部處具有尖銳的‘鼻子’半徑的剪力旋壓輥。在該工藝期間，第二支撐輥和第三支撐輥與主成形輥一起徑向和軸向地移動，其中從主成形輥的徑向偏移等于工件的最終厚度。工具路徑為單通道是可能的，但是這不不一定是必不可少的。在其它的實施方案中，工件的厚度可以階段性地減小，以減小輥臂力。本發(fā)明人認(rèn)為，在本發(fā)明的剪力旋壓實施方案中，工具路徑的仔細控制是重要的。剪力旋壓工具路徑比常規(guī)的旋壓實施方案是更加‘有力的(aggressive)’并且主要由直線組成。圖18和19圖示了本發(fā)明的另一實施方案，該實施方案為圖16和17中示出的實施方案的改進。因此，類似的特征在此不再描述，并且類似的參考數(shù)字被用于類似的特征。在這個實施方案中，添加了第四內(nèi)部支撐輥250。其直接定位在主形成輥之下，以提供在工件的最終厚度上的更好控制。因此，第四內(nèi)部支撐輥250從第一內(nèi)部支撐輥244向遠側(cè)地定位，但是與第一內(nèi)部支撐輥244軸向地對齊，并且使第二內(nèi)部支撐輥246和第三內(nèi)部支撐棍248橫向地偏移在第一內(nèi)部支撐棍244的任一側(cè)上。應(yīng)注意,這種構(gòu)型在棍臂上施加大力，因此通常需要相對硬的機器。在此應(yīng)注意，具有以圖18和19中指示的方式的四個內(nèi)部支撐輥的裝置可在常規(guī)旋壓或剪力旋壓‘模式’下通常通過控制第四內(nèi)部支撐輥的操作來操作，以控制工件的厚度。在一些實施方案中，在用于制造部件的單一工藝期間，第四內(nèi)部支撐輥可被接入或斷開使用。這允許控制以實現(xiàn)最終工件的厚度的變化。在另外的實施方案中，可能使用具有四個內(nèi)部支撐輥的裝置以進行管形件旋壓，其中壁角度設(shè)置為α =0°。應(yīng)再次注意，這種構(gòu)型將大力施加在輥臂上，因此通常需要相對硬的機器。本發(fā)明人還已經(jīng)意識到，本發(fā)明可在成形工具抵靠工件的內(nèi)表面的情況下利用。在基于常規(guī)旋壓的實施方案中，這在圖20和21中闡示，其顯示了利用內(nèi)部成形工具、內(nèi)部支撐件和外部支撐件將杯形工件旋壓成形為平板。關(guān)于剪力旋壓可提出類似的方法。這在圖22和23中闡示，其中內(nèi)部剪力旋壓成形工具與內(nèi)部第一支撐輥和外部第二、第三和第四支撐輥一起使用。顯示在圖22和23中的方法顯示了基于常規(guī)旋壓成形的工藝如何與基于剪力旋壓的工藝結(jié)合。在圖22中，首先利用基于常規(guī)旋壓成形的工藝將工件成形為杯形。然后，利用內(nèi)部成形工具使工件經(jīng)受剪力旋壓成形。這使得工件的厚度減小。因此，在兩個方向上的成形可被用于制造輕質(zhì)部件。進行組合的旋壓成形(即基于常規(guī)旋壓成形和剪力旋壓成形兩者)，可能生產(chǎn)在單一部件中具有變化的壁厚度的部件。厚度可以在結(jié)構(gòu)上進行優(yōu)化，允許生產(chǎn)結(jié)構(gòu)上優(yōu)化的輕質(zhì)部件。作為一個示例，可能制造具有(沿著軸線)變化的厚度的45度椎體。這通過使具有變化的壁角度的部件首先進行剪力旋壓來完成以獲得沿著壁的變化的厚度。然后，(利用內(nèi)部成形工具和外部第二和第三支撐輥)進行‘相反的’常規(guī)旋壓以使工件‘變直’回到45度。由于常規(guī)旋壓保留了現(xiàn)有的厚度，因此該工藝的組合結(jié)果將給出具有變化厚度的45度椎體。為了在該工藝期間提供對工件的形狀的精確控制，本發(fā)明的優(yōu)選實施方案利用適合于在該工藝期間感測工件的形狀的至少一個傳感器(未顯示)。可設(shè)置控制系統(tǒng)以提供反饋控制，以將測量到的工件的幾何結(jié)構(gòu)與所要求的(或計算的)工件的幾何結(jié)構(gòu)進行比較。因此，提供了用于比較目標(biāo)工件形狀和實際工件形狀之間的差異的設(shè)備。在檢測到明顯差異的情況下，控制該裝置以減少這種差異。合適的控制可以是對成形工具和/或支撐件的位置、工件的旋轉(zhuǎn)速度等的控制。已經(jīng)通過實施例的方式描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方案。對于技術(shù)人員來說，在閱讀本公開內(nèi)容時，對這些實施方案的改進、另外的實施方案及對該另外的實施方案的改進將是明顯的，且因此落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種旋壓成形工藝，其用于由工件來制造所要求形狀的物品，所述工件具有參照所述物品的所要求形狀的外表面和內(nèi)表面，其中所述工件關(guān)于成形工具旋轉(zhuǎn)，所述成形工具抵靠所述工件的所述外表面和所述內(nèi)表面之一以使所述工件向所要求形狀變形，并且第一支撐件抵靠所述工件的所述內(nèi)表面和所述外表面之一，并且第二支撐件抵靠所述工件的與所述成形工具相對照的相對表面，所述工件關(guān)于所述支撐件旋轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋壓成形工藝，其中所述工件的厚度在形成所述物品的所要求形狀時大體上不變。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的旋壓成形工藝，其中所述工件的初始厚度是h且所述工件的最終厚度是h，并且對于小于90°的α值滿足以下不等式(I): ti > t0sin α 不等式(I) 其中角度α為所述工件的旋轉(zhuǎn)軸線A和所述工件的所述內(nèi)部表面的切線之間的角度，所述切線在包含所述工件的所述旋轉(zhuǎn)軸線A的平面中繪制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的旋壓成形工藝，其中所述物品的所要求形狀是軸對稱形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的旋壓成形工藝，其中所述物品的所要求形狀是非軸對稱形狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的旋壓成形工藝，其中所述第一支撐件布置在所述第二支撐件的近側(cè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的旋壓成形工藝，其中設(shè)置了第三支撐件，所述第三支撐件用于抵靠所述工件的與所述第二支撐件相同的表面，并且所述工件關(guān)于所述第三支撐件旋轉(zhuǎn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的旋壓成形工藝，其中所述第三支撐件定位在所述第一支撐件遠側(cè)并且橫向于所述第二支撐件定位。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或權(quán)利要求8所述的旋壓成形工藝，其中所述第二支撐件和所述第三支撐件橫向地偏離所述第一支撐件。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9中任一項所述的旋壓成形工藝，其中所述第一支撐件、所述第二支撐件和所述第三支撐件至少設(shè)置在所述工件和假想心軸之間的最近接觸點處，所述假想心軸將是利用所述成形工具使所述物品由所述工件形成為所要求形狀所需要的。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項所述的旋壓成形工藝，其中所述成形工具是在機器控制下關(guān)于旋轉(zhuǎn)的工件可定位的。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項所述的旋壓成形工藝，其中所述第一支撐件、所述第二支撐件以及如果存在的話則所述第三支撐件中的一個或多個是在機器控制下關(guān)于旋轉(zhuǎn)的工件獨立地可定位的。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項所述的旋壓成形工藝，其中設(shè)置了第四支撐件，所述工件關(guān)于所述第四支撐件旋轉(zhuǎn)，所述第四支撐件被定位成與所述成形工具大體上對準(zhǔn)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的旋壓成形工藝，其中所述第四支撐件被控制成在所述成形工藝期間改變所述工件的厚度。
15.根據(jù)從屬于除權(quán)利要求3以外的任一權(quán)利要求的權(quán)利要求13或權(quán)利要求14所述的旋壓成形工藝，其中所述工藝是剪力旋壓工藝或管形件旋壓工藝。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一項所述的旋壓成形工藝，其中所述成形工具抵靠所述工件的所述外表面，并且所述第一支撐件和所述第二支撐件抵靠所述工件的所述內(nèi)表面。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一項所述的旋壓成形工藝，其中所述成形工具抵靠所述工件的所述內(nèi)表面，并且所述第一支撐件和所述第二支撐件抵靠所述工件的所述外表面。
18.一種用于通過旋壓成形來由工件制造所要求形狀的物品的裝置，所述工件具有參照所述物品的所要求形狀的外表面和內(nèi)表面，所述裝置具有: 安裝設(shè)備，其用于將所述工件可旋轉(zhuǎn)地安裝在所述裝置中； 成形工具，其用于抵靠所述工件的所 述外表面和所述內(nèi)表面之一以使所述工件向所要求形狀變形；及 第一支撐件，其用于抵靠所述工件的所述內(nèi)表面和所述外表面之一；及 第二支撐件，其用于抵靠所述工件的與所述成形工具相對照的相對表面， 其中所述裝置是可操作的，以允許所述工件關(guān)于所述第一支撐件和所述第二支撐件旋轉(zhuǎn)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其中設(shè)置了第三支撐件，所述第三支撐件用于抵靠所述工件的所述內(nèi)表面和所述外表面之一，所述裝置是可操作的，以允許所述工件關(guān)于所述第三支撐件旋轉(zhuǎn)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，其中設(shè)置了第四支撐件，所述工件關(guān)于所述第四支撐件旋轉(zhuǎn)，所述第四支撐件被定位成與所述成形工具大體上對準(zhǔn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了旋壓成形工藝和裝置。工件(例如，金屬片)關(guān)于成形輥旋轉(zhuǎn)，成形輥抵靠工件的外表面和內(nèi)表面之一以使工件向所要求的形狀變形。第一支撐輥和第二支撐輥抵靠工件的相對表面。對成形輥以及第一支撐輥和第二支撐輥的位置的計算機控制允許非軸對稱形狀通過旋壓成形來制造。
文檔編號B21D22/16GK103108709SQ201180045133
公開日2013年5月15日 申請日期2011年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月1日
發(fā)明者朱立安·M·奧伍德, 歐麥·姆茲客 申請人:劍橋企業(yè)有限公司