CN103108709A - 旋压成形工艺及用于通过旋压成形来制造物品的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了旋压成形工艺和装置。工件(例如，金属片)关于成形辊旋转，成形辊抵靠工件的外表面和内表面之一以使工件向所要求的形状变形。第一支撑辊和第二支撑辊抵靠工件的相对表面。对成形辊以及第一支撑辊和第二支撑辊的位置的计算机控制允许非轴对称形状通过旋压成形来制造。

Description

旋压成形工艺及用于通过旋压成形来制造物品的装置
发明背景
发明领域
本发明涉及旋压成形工艺及用于通过旋压成形来制造物品的装置。本发明具有特定但未必排他的在金属旋压方面的应用。
相关技术
金属旋压是指允许生产中空的轴向对称的(轴对称的)金属片部件的一组成形工艺。对于该组工艺来说常见的旋压基本技术由以下工艺组成：抵着旋压车床上的心轴夹住金属片坯料，以及在单一步骤或系列步骤中通过辊使坯料逐渐地形成到心轴表面上。
对涉及旋压成形的学术文献的详细检阅已进行并通过Music等人的(2010)[O.Music，J.M.Allwood，K.Kawai“A review of the mechanics ofmetal spinning”Journal of Materials Processing Technology 210(2010)3-23]公开，其全部内容据此通过引用方式并入。
在这里有趣的是，在术语常规旋压、剪力旋压和管形件旋压(tubespinning)之间加以区别，其全部被认为是旋压成形工艺。三种工艺的共同特征是其通常允许产生中空的旋转对称零件。在所形成的零件的壁厚方面，这三者之间的主要区别是明显的。在常规的旋压中，壁厚在整个工艺期间几乎保持恒定，因此所形成的零件的最终壁厚大体上等于坯料的厚度。比较起来，壁厚在剪力旋压和管形件旋压中减小；在剪力旋压中，零件厚度由部件的壁和旋转轴线之间的角度决定；在管形件旋压中，最终厚度由工件的长度的增加限定。此外，虽然常规旋压和管形件旋压零件可在单一步骤或多个步骤中形成，但是在剪力旋压中，成形在单一步骤中完成。
图1中图示了常规旋压工艺，其中初始的金属片工件10被保持在夹持在尾座12和心轴14之间的金属旋压装置中。心轴14、金属片工件10和尾座是围绕主旋转轴线A可旋转的。旋压片被利用辊16压向心轴14，辊16由辊臂18支撑并围绕辊轴线X可旋转。图2显示了通过已知的常规金属旋压工艺可成形的可行几何结构的示例。全部都是轴对称的，并且如可以看到的，可行的轴对称形状的范围是相对地宽的。
图3中图示了剪力旋压工艺。初始金属片工件20具有厚度t0。初始的金属片工件20被保持在夹持在尾座22和心轴24之间的金属旋压装置中。心轴24、金属片工件20和尾座是围绕主旋转轴线A可旋转的。旋压片20a被利用由辊臂28支撑的辊26压向心轴24。在剪力旋压工艺中，金属工件的厚度大体上减小至t1，其中t1＜t0。在一些剪力旋压工艺中，旋压工艺之后(垂直于轴A测量的)工件的总直径与旋压工艺之前是相同的。剪力旋压的限度通过可在完成的几何结构中获得的最小角度α给定，其中：
t1＝t0sinα
随着α减小，为了实现α的所要求值而在壁厚方面的需要减小变得非常明显，导致工件的失效，其中α的所要求值太低。图4显示了通过剪力旋压工艺可成形的可行几何结构的示例。
一些工人已认识到，金属旋压被限制于生产轴对称的几何结构。因此，已进行了一些工作来尝试修改金属旋压工艺以产生非轴对称的几何结构。
例如，US 2005/0183484公开了控制系统用于控制辊工具抵着工件的压紧力的用途，其中心轴具有非轴对称的几何结构。在该工艺期间，工件与心轴的外部形状一致。在US 2008/0022741中阐述了类似的工艺。
发明概述
本发明人认识到，虽然US 2005/0183484和US 2008/0022741可提供用于制造具有非轴对称几何结构的物品的工艺，但是该工艺存在以下缺点：在进行金属旋压工艺之前，必须首先提供以成形心轴的形式的特殊要求的非轴对称几何结构。虽然在心轴将被多次使用来生产许多相同地成形的物品的情况下这可能是可接受的，但是该工艺是不可变更的，因为对所要求的几何结构的甚至较小的改变都需要制造新的心轴。
本发明人认识到，关于制造具有轴对称的几何结构的物品存在类似的问题。
因此，本发明旨在解决以上问题中的一个或多个，并且优选地改善或者甚至克服这些问题中的一个或多个。
在关于旋压成形的一般方面中，本发明用抵靠工件的表面的至少两个支撑件来代替常规的心轴，工件是关于这两个支撑件可旋转的。
在第一优选的方面中，本发明提供了用于由工件来制造要求形状的物品的旋压成形工艺，工件具有参照物品的所要求形状的外表面和内表面，其中工件关于成形工具旋转，成形工具抵靠工件的外表面和内表面之一以使工件向所要求的形状变形，并且第一支撑件抵靠工件的内表面和外表面之一，并且第二支撑件抵靠工件的内表面和外表面之一，工件关于支撑件旋转。
在第二优选的方面中，本发明提供了通过旋压成形来由工件制造要求形状的物品的装置，工件具有参照物品的所要求形状的外表面和内表面，该装置具有：
安装设备，其用于将工件可旋转地安装在装置中；
成形工具，其用于抵靠工件的外表面和内表面之一以使工件向所要求形状变形；
第一支撑件，其用于抵靠工件的内表面和外表面之一；及
第二支撑件，其用于抵靠工件的内表面和外表面之一，
其中该装置是可操作的，以允许工件关于第一支撑件和第二支撑件旋转。
现将阐述本发明的优选和/或可选的特征。除非上下文另外要求，否则这些特征是单独地或者以与本发明的任何方面的任何组合的方式可应用的。
优选的是，工件由金属形成。可以使用任何合适的可加工金属，例如，钢、黄铜、铝(和/或其合金)、钛(和/或其合金)等。然而，可以使用其它的可加工起始材料，例如诸如PVC的塑料材料，来进行旋压成形。
工件通常是以片的形式的。因此，初始工件的内表面和外表面由工件在装置中的定向并且由待形成的物品的所要求形状指定。
工件可具有均匀的初始厚度。然而，这不是必要的，因为旋压成形工艺可利用具有非均匀的初始厚度的工件来进行。
对于本发明的至少一些实施方案来说，优选的是，旋压成形工艺不大幅地改变工件的厚度。因此，参照以上介绍的命名法，优选的是，旋压成形工艺是常规旋压而不是剪力旋压的一种类型。
在旋压成形工艺期间可以考虑工件的内表面和工件的旋转轴线之间的角度。更通常地(其中该角度随着在工件中的位置而变化)，可以将角度α限定为工件的旋转轴线A和工件的内表面在特定位置处的切线之间的角度，切线在包含工件的旋转轴线A的平面中绘制。其中，在该特定位置处，工件的初始厚度是t0且工件的最终厚度是t1，优选的是，对于小于90度的α值满足以下不等式(1)：
t1＞t0sinα 不等式(1)
当满足不等式(1)时，旋压成形之后工件的厚度大于如果旋压成形工艺是剪力旋压工艺的情况下将被预期的厚度。
至少在由旋压成形形成的物品上的一些位置处，角度α可以等于或小于45°，更优选地等于或小于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°。优选地，对于物品的对应于物品的总的内表面面积的至少5％的内表面面积来说，可以满足在α的值上的这些限制中的任一个。更优选地，对于物品的对应于物品的总的内表面面积的至少10％、至少20％、至少30％或至少40％的内表面区域来说，可以满足在α的值上的这些限制中的任一个。
物品的所要求形状可以是轴对称形状。然而，在一些优选的实施方案中，物品的所要求形状可以是非轴对称形状。
例如，考虑到物品的截面形状，在截面被垂直于旋转轴线截取的情况下，截面形状通常是非圆形的。形状可以是例如椭圆形、卵形、规则的弯曲形状、不规则的弯曲形状、三角形、矩形、规则多边形、不规则多边形，或这些形状的任何组合(例如，通常的弯曲形状包括至少一个直壁部分，或者通常的多边形形状包括至少一个弯曲壁部分)。在一些实施方案中，(垂直于旋转轴线截取的)截面形状包括凹入部分。角度α可围绕截面的周边变化例如5％或更多。
考虑到物品的截面形状，在截面被沿着(或平行于)旋转轴线截取的情况下，该形状可按照角度α随着沿旋转轴线的距离的变化来考虑。该变化可包括α随着沿旋转轴线的距离D的线性变化的至少一部分(例如，物品沿着旋转轴线的高度的至少5％)。另外或可选地，该变化可包括其中一阶导数dα/dD为正或负的至少一部分(例如，物品沿着旋转轴线的高度的至少5％)。另外或可选地，该变化可包括其中二阶导数d2α/dD2为正或负的至少一部分(例如，物品沿着旋转轴线的高度的至少5％)。
优选地，第二支撑件抵靠工件的与成形工具相对照的相对(内或外)侧。因此，如果成形工具抵靠外表面，则优选地第二支撑件抵靠内表面，且反之亦然。
类似地，在一些实施方案中，优选的是，第一支撑件抵靠工件的与成形工具相对照的相对(内或外)表面。然而，在所有实施方案中均认为不必要的是，第一支撑件和第二支撑件抵靠工件的相同表面。
在旋压成形期间，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远端。当沿着工件的旋转轴线考虑时，近端比远端更靠近于工件的安装区域，在该区域处，工件(例如，通过夹紧)可旋转地安装在装置中。优选地，第一支撑件布置在第二支撑件的近侧。
优选地，提供了用于抵靠工件的内表面或外表面的第三支撑件。就第一支撑件和第二支撑件来说，工件优选地关于第一支撑件和第二支撑件旋转。优选地，第三支撑件定位在第一支撑件远侧。第三支撑件优选地定位成横向于第二支撑件。
优选地，第二支撑件和第三支撑件横向地偏离第一支撑件。更优选地，第二支撑件和第三支撑件在相反的方向上横向地偏离第一支撑件。对于第二支撑件和第三支撑件来说，从第一支撑件的该横向偏移可以是大体上相等的。优选地，第二支撑件和第三支撑件之间的距离小于第一支撑件和第二支撑件之间的距离。优选地，第二支撑件和第三支撑件之间的距离小于第一支撑件和第三支撑件之间的距离。优选地，第一支撑件和第二支撑件之间的距离大体上等于第一支撑件和第三支撑件之间的距离。
因此，在一些优选的实施方案中，第一支撑件、第二支撑件和第三支撑件布置在三角形构型中。
根据物品的所要求形状，第二支撑件和/或第三支撑件可径向地偏离第一支撑件。
在对已知的旋压成形工艺的仔细分析的基础上，本发明人已发现，在已知的旋压成形工艺中使用的心轴仅在三个主要位置处与工件接触。这些位置根据成形工具在工件上的相对位置并根据工件的旋转而改变。因此，心轴的作用可由在本发明中使用的支撑件来承担。此外，如以下所解释的，可以通过适当地控制内部支撑件的位置来模拟不同形状的心轴的使用。因此，通常优选的是，第一支撑件、第二支撑件和第三支撑件至少设置在工件和假想心轴之间的最近接触点处，假想心轴将是利用成形工具使物品由工件形成为所要求的形状所需要的。
成形工具被优选地定位以提供物品所要求形状。成形工具可定位在第二支撑件和/或第三支撑件的远侧(例如，在角度α小于90°的情况下)。然而，在一些实施方案中，角度α可以(至少局部地)大于90°，在这种情况下成形工具可对于第二支撑件和/或第三支撑件在近侧定位。成形工具通常径向地偏离第二支撑件和/或第三支撑件。成形工具可定位成与第一支撑件大体上对齐。第二支撑件和/或第三支撑件可横向地偏离成形工具。
优选地，成形工具包括至少一个成形辊。通常，成形辊是关于成形辊臂可旋转的。成形辊的使用降低了成形工具和旋转工件之间的摩擦损失。优选地，成形工具是在机器控制下关于旋转工件可定位的。通常，这种机器控制是计算机数字控制(CNC)。利用这样的方法允许以高速度非常精确地控制成形工具的位置，使得成形工具可以以对应于工件的旋转速度的速度遵循所要求的围绕工件的路径。优选地，成形工具的位置在近侧-远侧方向上(平行于工件的旋转轴线)和/或在径向方向上和/或在横向方向上(垂直于径向方向和近侧-远侧方向)是可控的。
优选地，第一支撑件包括至少一个第一支撑辊。通常，第一支撑辊是关于第一支撑辊臂可旋转的。第一支撑辊的使用降低了第一支撑件和旋转工件之间的摩擦损失。优选地，第一支撑件是在机器控制下关于旋转工件可定位的。通常，这种机器控制是计算机数字控制(CNC)。利用这样的方法允许以高速度非常精确地控制第一支撑件的位置，使得第一支撑件可以以对应于工件的旋转速度的速度遵循所要求的围绕工件的路径。优选地，第一支撑件的位置在近侧-远侧方向上(平行于工件的旋转轴线)和/或在径向方向上和/或在横向方向上(垂直于径向方向和近侧-远侧方向)是可控的。
优选地，第二支撑件包括至少一个第二支撑辊。通常，第二支撑辊是关于第二支撑辊臂可旋转的。第二支撑辊的使用降低了第二支撑件和旋转工件之间的摩擦损失。优选地，第二支撑件是在机器控制下关于旋转工件可定位的。通常，这种机器控制是计算机数字控制(CNC)。利用这样的方法允许以高速度非常精确地控制第二支撑件的位置，使得第二支撑可以以对应于工件的旋转速度的速度遵循所要求的围绕工件的路径。优选地，第二支撑件的位置在近侧-远侧方向上(平行于工件的旋转轴线)和/或在径向方向上和/或在横向方向上(垂直于径向方向和近侧-远侧方向)是可控的。
优选地，第三支撑件包括至少一个第三支撑辊。通常，第三支撑辊是关于第三支撑辊臂可旋转的。第三支撑辊的使用降低了第三支撑件和旋转工件之间的摩擦损失。优选地，第三支撑件是在机器控制下关于旋转工件可定位的。通常，这种机器控制是计算机数字控制(CNC)。利用这样的方法允许以高速度非常精确地控制第三支撑件的位置，使得第三支撑可以以对应于工件的旋转速度的速度遵循所要求的围绕工件的路径。优选地，第三支撑件的位置在近侧-远侧方向上(平行于工件的旋转轴线)和/或在径向方向上和/或在横向方向上(垂直于径向方向和近侧-远侧方向)是可控的。
优选地，第一支撑辊臂从近侧结构向远侧地延伸到工件中。类似地，优选第二支撑辊臂从近侧结构向远侧地延伸到工件中。类似地，优选第三支撑辊臂从近侧结构向远侧地延伸到工件中。第二支撑辊臂和第三支撑辊臂的近侧结构可以彼此连接，但优选的是，第二支撑件和第三支撑件的位置是独立地可控的。
在一些实施方案中，该工艺可相应于剪力旋压工艺，其中从现有技术的剪力旋压工艺已知的心轴由以上讨论的支撑件代替。在这样的工艺中，工件的厚度通常根据角度α减小，如等式(2)中所示：
t1＝t0sinα  等式(2)
对于剪力旋压工艺来说可能利用以上识别的第一支撑件、第二支撑件和(可选的)第三支撑件来进行。然而，优选地，剪力旋压工艺还具有第四支撑件，工件关于第四支撑件旋转。优选地，第四支撑件定位成与主成形工具大体上对准。因此，第四支撑件优选地定位在远侧但是与第一支撑件轴向对齐。此外，第四支撑件优选地定位在第二支撑件和第三支撑件之间。
对第四支撑件的合适控制允许工件的厚度在成形工艺期间变化。
第四支撑件通常以与关于第二支撑件和第三支撑件所阐述的类似方式包括第四支撑辊，并且类似地优选是独立地可控的。
该装置还可被用来通过将角度α设定为0°来进行管形件成形工艺。
在一些优选的实施方案中，第一支撑件和第二支撑件抵靠工件的内表面。在这方面中，第一支撑件和第二支撑件可被认为是第一内部支撑件和第二内部支撑件。因此，成形工具优选地抵靠工件的外表面。如果装置包括第三支撑件和/或第四支撑件，则优选地，这些支撑件也抵靠工件的内表面。如以上所讨论的，以这种方式，这些优选的实施方案可提供用于制造所要求的物品形状的更灵活的成形程序。
本发明人已经认识到，本发明不必限制于内部支撑件的使用。而是，可能将成形工具应用于工件的内表面。在该情况下，优选的是，第二支撑件抵靠工件的外表面。在该方面中，第二支撑件可被认为是第二外部支撑件。第一支撑件可抵靠工件的内表面，取决于所要求的构型。在装置包括第三支撑件和/或第四支撑件的情况下，优选地，这些支撑件也抵靠工件的外表面。这在制造更复杂的形状方面或者在由相对更凹的工件制造相对更平的物品，例如由杯样工件制造片样物品方面是有兴趣的。
为了在该工艺期间提供对工件形状的精确控制，本发明的一些优选的实施方案利用适合于在该工艺期间感测工件的形状的至少一个传感器。可设置控制系统以提供反馈控制，以将所测量的工件的几何结构与所要求的(或计算的)工件的几何结构进行比较。因此，提供了用于比较目标工件形状和实际工件形状之间的差异的设备。在检测到明显差异的情况下，控制该装置以减少该差异。合适的控制可以对成形工具和/或支撑件的位置、工件的旋转速度等的控制。
本发明人认为，该类型的控制不必限制于旋压成形工艺。
因此，在本发明的另外的方面中，提供了金属片成形工艺，其中金属片工件利用金属片成形装置从初始构型向最终构型变形，其中金属片成形装置包括至少一个传感器，该工艺包括在从初始构型向最终构型变形期间利用传感器感测工件的形状，将感测到的工件形状与所要求的(或计算的)工件形状进行比较，并控制装置以减少感测到的工件形状与所要求的(或计算的)工件形状之间的差异。
在本发明的另外的方面中，提供了用于使金属片工件从初始构型向最终构型变形的金属片成形装置，该装置具有：
至少一个传感器，其适合于在从初始构型向最终构型变形期间利用传感器感测工件的形状；以及
控制系统，其适合于将感测到的工件形状与所要求的(或计算的)工件形状进行比较，并控制装置以减少感测到的工件形状与所要求的(或计算的)工件形状之间的差异。
以下阐述了本发明的进一步优选的特征。
附图简述
以下参照下列附图描述了本发明的优选实施方案：
图1图示了已知的常规旋压成形工艺。
图2显示了可利用图1的工艺形成的典型轴对称形状。
图3图示了已知的剪力旋压工艺。
图4显示了可利用图3的工艺形成的典型轴对称形状。
图5显示了根据本发明的实施方案的旋压成形工艺和装置的(平行于旋转轴线的)示意性截面视图。
图6显示了图5的旋压成形工艺和装置的(垂直于旋转轴线的)示意性端视图。
图7图示了旋压成形工艺的有限元模拟的结果。
图8显示了可利用本发明的实施方案形成的一些三维形状和壁轮廓。
图9和10显示了对应于图5和6的并入了混合辊(第一内部支撑辊)臂和支撑辊(第二内部支撑辊和第三内部支撑辊)臂的视图。
图11显示了根据本发明的实施方案的组装装置的示意性等轴视图。
图12显示了图11的装置的平面图。
图13显示了用于在图11的装置中使用的成形辊模块的视图。
图14显示了用于在图11的装置中使用的混合辊(第一内部支撑辊)模块的视图。
图15显示了用于在图11的装置中使用的支撑辊(第二内部支撑辊和第三内部支撑辊)模块的视图。
图16显示了根据本发明的另一实施方案的旋压成形工艺和装置的(平行于旋转轴线的)示意性截面视图。
图17显示了图16的旋压成形工艺和装置的(垂直于旋转轴线的)示意性端视图。
图18和19分别显示了基于图16和17的改进的实施方案。
图20和21分别显示了基于图5和6的改进的实施方案。
图22和23分别显示了基于图18和19的改进的实施方案。
本发明的优选实施方案和另外可选的特征的详细描述
本发明的优选实施方案提供了改进的旋压成形工艺。在该公开内容中，术语“旋压成形”与“金属旋压”可交换地使用，虽然应承认，优选的实施方案可以用除金属以外的起始材料，例如易延展的塑料材料发挥作用。然而，在本发明的大多数优选实施方案中，起始材料是金属材料，通常是金属片。
在本发明的优选实施方案中，提供了灵活的旋压成形工艺，其中心轴的作用由内部支撑辊的合适布置来提供。在期望的情况下，这还允许制造非轴对称部件。
参照图7，利用成形辊52进行的工件50的旋压成形工艺的有限元模拟揭示，对于辊52相对于工件15的每个位置来说，工件50仅在3个定位处接触心轴。这些定位是：第一定位54，其接近于工件的可旋转安装位置定位并与辊52轴向对齐；以及第二定位56和第三定位58，其每个与第一定位远侧地隔开并横向偏离第一定位和辊52的位置。
根据本发明的优选实施方案，心轴可因此利用内部支撑件的相应布置来代替，允许工件关于内部支撑件旋转。
图5显示了根据本发明的优选实施方案的旋压成形工艺和装置的(平行于旋转轴线的)示意性截面视图。图6显示了该实施方案的示意性端视图。在这些图中，初始工件30由金属片形成。在该工艺期间，该初始工件逐渐地向物品33的期望最终形状变形。工件30由尾件32可旋转地保持以围绕旋转轴线A旋转。成形辊36由成形辊臂38可旋转地保持并抵靠工件的外表面40。
内部支撑辊的布置抵靠工件的内表面42。第一内部支撑辊44(在此处也称为混合辊)接近于物品33的尾架末端设置。第二内部支撑辊46(和第三内部支撑辊48-参见图6)从第一内部支撑辊44向远侧地设置并且横向地偏离第一内部支撑辊44。成形辊36与第一内部支撑辊、第二内部支撑辊和第三内部支撑辊远侧地隔开，但是并不横向地偏离第一内部支撑辊44。
与常规的旋压工艺相比，图5和6中示出的构型具有两个主要优势。首先，构型是灵活的，因为不需要用于完成物品的每个期望形状的特定心轴。其次，在可能径向地(和可选地侧向地)控制辊的移动的情况下，除了允许平行于旋转轴线的移动以外，意味着可能产生非轴对称物品。
图8显示了可能利用本发明的优选实施方案的不同复杂度的三维形状的一些示例。圆形杯可利用本发明但也可利用常规的旋压成形来形成。然而，椭圆形杯和矩形杯不能通过常规的旋压成形来形成。此外，肾形豆状的杯是具有包括凹入部的截面的高度复杂的形状。这种形状也可能利用本发明的优选实施方案。
图8还显示了可利用本发明的实施方案形成的壁轮廓。线性轮廓可利用常规的旋压成形来形成。线性阶梯式轮廓也可通过常规的旋压成形来形成，如二阶轮廓(second order profile)可以的。然而，当然，特定的心轴形状必须用这样的工艺产生。利用常规的旋压成形形成图8中示出的凹入轮廓是更加困难的，因为适当地定形的心轴将难以从完成产品中移除。这样的形状可利用本发明的优选实施方案以简单的方式形成，因为内部支撑件提供所要求的心轴样支撑件，但是对其位置的控制允许形成这些复杂的形状。
图9和10显示了对应于图5和6的视图，但是显示了混合辊臂60和支撑辊臂62、64。图10中的直线箭头表明，混合辊臂60和支撑辊臂62、64可被控制成平行于旋转轴线A移动。除此之外，在优选的实施方案中，混合辊臂60和支撑辊臂62、64可以径向地移动，以提供对内部支撑辊的位置的相应控制。此外，在仍然另外的优选实施方案中，混合辊臂60和支撑辊臂62、64可另外横向地移动(即，在垂直于旋转轴线A并且垂直于径向方向的方向上)，以在用于工件的内表面的合适支撑件的所要求定位处提供内部支撑辊的精确定位。在此提及‘横向’方向包含对支撑辊臂62、64的控制以调节支撑辊臂62、64之间的旋转角，从而‘横向偏移’在此处与‘圆周偏移’具有相同的含义。
对工件的旋转速度、成形辊36的位置以及内部支撑辊44、46和48的位置的控制通常以将被技术人员理解的方式由计算机数字控制(CNC)提供。
图11-15显示了根据本发明的实施方案的完整的装置的视图。
图11显示了根据本发明的实施方案的组装装置80的示意性等轴视图。该装置被支撑在基板82上，基板82进而被支撑在支撑框架84上。图12显示了装置80的平面图。工件94由轴92可旋转地支撑。三个可辨别的模块与工件94相互作用。这些模块是混合辊模块86，支撑辊模块88和成形辊模块90。这些模块被参照图13-15更详细地描述。
图13显示了成形辊模块90。成形辊92由成形辊臂94可旋转地支撑。成形辊臂94刚性地附接到成形辊臂板96。成形辊臂板96显示为从径向定位设备98移除，然而，在使用中，成形辊臂板96被附接到径向定位设备98。成形辊92的径向位置可通过结合径向滚珠丝杠和径向线性引导件104适当地控制径向电动机100来调节，径向定位设备98进而被支撑在轴向定位设备106上，因此成形辊92的轴向位置通过适当地控制轴向电动机108、轴向滚珠丝杠110和轴向线性引导件112来控制。图14显示了混合辊模块86。在这个实施方案中，混合辊114的径向运动是机动的，但是混合辊114的轴向运动是手动地控制的。在另外的优选实施方案中，混合辊的轴向运动可以在机动控制下以将被技术人员理解的方式实施。
在图14中，混合辊114保持在混合辊臂116上，混合辊114的径向移动通过结合径向线性引导件120和径向滚珠丝杠122适当地控制径向电动机118来控制。轴向线性引导件124提供对混合辊114的轴向位置的控制。图15显示了支撑辊模块88，第二内部支撑辊126和第三内部支撑辊128关于相应的内部支撑辊臂130、132可旋转地安装。第二内部支撑辊126和第三内部支撑辊128的径向定位由径向电动机134、136独立地设置，径向滚珠丝杠138和径向线性引导件140仅关于径向电动机136显示。在这个实施方案中，第二内部支撑辊126和第三内部支撑辊128的轴向位置由单个轴向电动机142以及相应的轴向滚珠丝杠144和线性引导件146设置。在可选择的实施方案中，第二内部支撑辊126和第三内部支撑辊128的线性位置可通过设置独立的相应轴向电动机、滚珠丝杠和线性引导件来单独地设置，如对于技术人员来说将是明显的。
利用对各种辊在图11-15的装置中的位置的适当控制，工件94可经受旋压成形，成形辊92抵靠工件的外表面，并且混合辊114以及第二内部支撑辊126和第三内部支撑辊128抵靠工件的内表面，代替心轴。因此，形成的物品的形状可根据装置的运行改变，而不需要不同的心轴，仅需要对辊的位置的适当的数字控制。此外，非轴对称物品可如上所讨论地制造。
本发明人还已经意识到，本发明的实施方案可用来进行剪力旋压和/或管形件成形工艺。图3图示出常规的剪力旋压工艺。与常规旋压工艺存在三个主要差别：存在由壁角度(α)决定的厚度改变；剪力旋压在单道次中进行，辊遵循心轴的轮廓；以及剪力旋压辊(成形工具)在其尖端处具有尖锐的半径。
因此，在本发明的另外的实施方案中，提供了剪力旋压工艺，其中心轴由辊代替。对此存在不同的选择。在图16和17中示出的一个实施方案中，工件230由靠近于心轴232定位的第一内部支撑辊244支撑在内表面处，并且第二内部支撑辊246和第三内部支撑辊248定位在第一内部支撑辊244的远侧。第二内部支撑辊246和第三内部支撑辊248彼此横向偏离。主成形辊236由成形臂238保持。主成形辊是在端部处具有尖锐的‘鼻子’半径的剪力旋压辊。在该工艺期间，第二支撑辊和第三支撑辊与主成形辊一起径向和轴向地移动，其中从主成形辊的径向偏移等于工件的最终厚度。工具路径为单通道是可能的，但是这不不一定是必不可少的。在其它的实施方案中，工件的厚度可以阶段性地减小，以减小辊臂力。
本发明人认为，在本发明的剪力旋压实施方案中，工具路径的仔细控制是重要的。剪力旋压工具路径比常规的旋压实施方案是更加‘有力的(aggressive)’并且主要由直线组成。
图18和19图示了本发明的另一实施方案，该实施方案为图16和17中示出的实施方案的改进。因此，类似的特征在此不再描述，并且类似的参考数字被用于类似的特征。在这个实施方案中，添加了第四内部支撑辊250。其直接定位在主形成辊之下，以提供在工件的最终厚度上的更好控制。因此，第四内部支撑辊250从第一内部支撑辊244向远侧地定位，但是与第一内部支撑辊244轴向地对齐，并且使第二内部支撑辊246和第三内部支撑辊248横向地偏移在第一内部支撑辊244的任一侧上。应注意，这种构型在辊臂上施加大力，因此通常需要相对硬的机器。
在此应注意，具有以图18和19中指示的方式的四个内部支撑辊的装置可在常规旋压或剪力旋压‘模式’下通常通过控制第四内部支撑辊的操作来操作，以控制工件的厚度。在一些实施方案中，在用于制造部件的单一工艺期间，第四内部支撑辊可被接入或断开使用。这允许控制以实现最终工件的厚度的变化。
在另外的实施方案中，可能使用具有四个内部支撑辊的装置以进行管形件旋压，其中壁角度设置为α＝0°。应再次注意，这种构型将大力施加在辊臂上，因此通常需要相对硬的机器。
本发明人还已经意识到，本发明可在成形工具抵靠工件的内表面的情况下利用。在基于常规旋压的实施方案中，这在图20和21中阐示，其显示了利用内部成形工具、内部支撑件和外部支撑件将杯形工件旋压成形为平板。
关于剪力旋压可提出类似的方法。这在图22和23中阐示，其中内部剪力旋压成形工具与内部第一支撑辊和外部第二、第三和第四支撑辊一起使用。
显示在图22和23中的方法显示了基于常规旋压成形的工艺如何与基于剪力旋压的工艺结合。在图22中，首先利用基于常规旋压成形的工艺将工件成形为杯形。然后，利用内部成形工具使工件经受剪力旋压成形。这使得工件的厚度减小。
因此，在两个方向上的成形可被用于制造轻质部件。进行组合的旋压成形(即基于常规旋压成形和剪力旋压成形两者)，可能生产在单一部件中具有变化的壁厚度的部件。厚度可以在结构上进行优化，允许生产结构上优化的轻质部件。
作为一个示例，可能制造具有(沿着轴线)变化的厚度的45度椎体。这通过使具有变化的壁角度的部件首先进行剪力旋压来完成以获得沿着壁的变化的厚度。然后，(利用内部成形工具和外部第二和第三支撑辊)进行‘相反的’常规旋压以使工件‘变直’回到45度。由于常规旋压保留了现有的厚度，因此该工艺的组合结果将给出具有变化厚度的45度椎体。
为了在该工艺期间提供对工件的形状的精确控制，本发明的优选实施方案利用适合于在该工艺期间感测工件的形状的至少一个传感器(未显示)。可设置控制系统以提供反馈控制，以将测量到的工件的几何结构与所要求的(或计算的)工件的几何结构进行比较。因此，提供了用于比较目标工件形状和实际工件形状之间的差异的设备。在检测到明显差异的情况下，控制该装置以减少这种差异。合适的控制可以是对成形工具和/或支撑件的位置、工件的旋转速度等的控制。
已经通过实施例的方式描述了本发明的优选实施方案。对于技术人员来说，在阅读本公开内容时，对这些实施方案的改进、另外的实施方案及对该另外的实施方案的改进将是明显的，且因此落在本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种旋压成形工艺，其用于由工件来制造所要求形状的物品，所述工件具有参照所述物品的所要求形状的外表面和内表面，其中所述工件关于成形工具旋转，所述成形工具抵靠所述工件的所述外表面和所述内表面之一以使所述工件向所要求形状变形，并且第一支撑件抵靠所述工件的所述内表面和所述外表面之一，并且第二支撑件抵靠所述工件的与所述成形工具相对照的相对表面，所述工件关于所述支撑件旋转。
2.根据权利要求1所述的旋压成形工艺，其中所述工件的厚度在形成所述物品的所要求形状时大体上不变。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的旋压成形工艺，其中所述工件的初始厚度是t0且所述工件的最终厚度是t1，并且对于小于90°的α值满足以下不等式(1)：
t1＞t0sinα    不等式(1)
其中角度α为所述工件的旋转轴线A和所述工件的所述内部表面的切线之间的角度，所述切线在包含所述工件的所述旋转轴线A的平面中绘制。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的旋压成形工艺，其中所述物品的所要求形状是轴对称形状。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的旋压成形工艺，其中所述物品的所要求形状是非轴对称形状。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的旋压成形工艺，其中所述第一支撑件布置在所述第二支撑件的近侧。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的旋压成形工艺，其中设置了第三支撑件，所述第三支撑件用于抵靠所述工件的与所述第二支撑件相同的表面，并且所述工件关于所述第三支撑件旋转。
8.根据权利要求7所述的旋压成形工艺，其中所述第三支撑件定位在所述第一支撑件远侧并且横向于所述第二支撑件定位。
9.根据权利要求7或权利要求8所述的旋压成形工艺，其中所述第二支撑件和所述第三支撑件横向地偏离所述第一支撑件。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的旋压成形工艺，其中所述第一支撑件、所述第二支撑件和所述第三支撑件至少设置在所述工件和假想心轴之间的最近接触点处，所述假想心轴将是利用所述成形工具使所述物品由所述工件形成为所要求形状所需要的。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的旋压成形工艺，其中所述成形工具是在机器控制下关于旋转的工件可定位的。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的旋压成形工艺，其中所述第一支撑件、所述第二支撑件以及如果存在的话则所述第三支撑件中的一个或多个是在机器控制下关于旋转的工件独立地可定位的。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的旋压成形工艺，其中设置了第四支撑件，所述工件关于所述第四支撑件旋转，所述第四支撑件被定位成与所述成形工具大体上对准。
14.根据权利要求13所述的旋压成形工艺，其中所述第四支撑件被控制成在所述成形工艺期间改变所述工件的厚度。
15.根据从属于除权利要求3以外的任一权利要求的权利要求13或权利要求14所述的旋压成形工艺，其中所述工艺是剪力旋压工艺或管形件旋压工艺。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的旋压成形工艺，其中所述成形工具抵靠所述工件的所述外表面，并且所述第一支撑件和所述第二支撑件抵靠所述工件的所述内表面。
17.根据权利要求1至15中任一项所述的旋压成形工艺，其中所述成形工具抵靠所述工件的所述内表面，并且所述第一支撑件和所述第二支撑件抵靠所述工件的所述外表面。
18.一种用于通过旋压成形来由工件制造所要求形状的物品的装置，所述工件具有参照所述物品的所要求形状的外表面和内表面，所述装置具有：
安装设备，其用于将所述工件可旋转地安装在所述装置中；
成形工具，其用于抵靠所述工件的所述外表面和所述内表面之一以使所述工件向所要求形状变形；及
第一支撑件，其用于抵靠所述工件的所述内表面和所述外表面之一；及
第二支撑件，其用于抵靠所述工件的与所述成形工具相对照的相对表面，
其中所述装置是可操作的，以允许所述工件关于所述第一支撑件和所述第二支撑件旋转。
19.根据权利要求18所述的装置，其中设置了第三支撑件，所述第三支撑件用于抵靠所述工件的所述内表面和所述外表面之一，所述装置是可操作的，以允许所述工件关于所述第三支撑件旋转。
20.根据权利要求19所述的装置，其中设置了第四支撑件，所述工件关于所述第四支撑件旋转，所述第四支撑件被定位成与所述成形工具大体上对准。
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