CN105598245B - 用于板材渐进成形的高刚度及高可及成型工具 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于板材的渐进成形的工具。该工具包含成型尖、杆及定位于成型尖及杆之间的分界面承接部。成型尖具有直径并且杆具有直径。成型尖的直径大于杆的直径。成型尖可以是各种配置。成型尖可以是圆环形的。圆环形尖可以具有形成于其中的凹陷区域。凹陷区域可以是截头圆锥形的。作为对圆环形的成型尖的替代，成型尖可以由至少两个成型球制成。设置承接部，球体可以直接或通过臂附接至承接部。球体的直径可以相同或直径可以不同。

Description

用于板材渐进成形的高刚度及高可及成型工具

技术领域

本公开的发明构思总体上涉及用于板材的渐进成形的工具。更具体地，本公开的发明构思涉及用于确保渐进成形的工件的尺寸精度及可及性的工具。

背景技术

用于成形金属板材的许多方法是已知的。用于成形金属板材的通用方法是通过使用模具的冲压。然而，铸造模具是昂贵的过程。然而在金属成型的常用方法中，模具的使用具有某些缺点。

金属工件成形中模具使用的变体是通过深拉深过程。在该过程中，金属板材坯料通过凸模的使用被径向拉深到成型模具中。

另一公知的成形工件的方法是通过板材渐进成形。这是一种通过一系列相对小的渐进变形将金属板材分步成形为成品工件的技术。使用通常固定在机械臂上的圆尖工具完成板材成形。该工具通过重复移动渐进地成形工件直到工件完全成形。

决定渐进成形的工件质量的三个关键性能特征中的一个是“尺寸精度”。影响尺寸精度的两个主要因素是工件(金属板材)的回弹及成形机器系统的各个元件的刚度。然而，已知的成型工具通常无法获得所需的尺寸精度水平，因为这样的工具具有大的杆，在成形过程中该杆可能通过与工件的竖直壁的不期望的接触来干扰金属工件的成形。

获得所需的尺寸精度水平的另一障碍是已知的工具具有满足圆尖的锥形的杆，因此，尖-到-杆的分界面是整个成形机器的负载路径上的最薄弱的点。已知的系统因此倾向于在该点断裂，这归因于成型工具的刚度及尖-到-杆分界面的固有弱点，该弱点在成形过程中经历挠曲时变得尤其显著。

相应地，寻求在最小化消耗的同时避免流痕或黑斑的、在树脂中使用金属颜料来成形车辆内部部件的有效且经济的解决方案对于汽车制造商来说是值得期待的目标。

发明内容

本公开的发明构思克服了与已知的成形板材的方法相关的问题。本公开的发明构思是用于板材的渐进成形的工具，其中该工具包含成型尖、杆及设置在成型尖及杆之间的分界面承接部。

成型尖的直径大于杆的直径。成型尖可以是最好地适应于特定工件形状的各种配置。成型尖可以是圆环形的。圆环形尖具有形成在其中的凹陷区域。该凹陷区域可以是截头圆锥形的。可以使用具有单个圆环形成型尖的成型工具或者，可替换地，可以使用具有多个圆环形成型尖的成型工具。多个圆环形成型尖的直径不相同，因此具有较小直径的尖可以被选择用于第一遍为工件确定轮廓，接下来选择具有更大的直径的尖等等，直到制成工件。通过提供具有越来越大的直径的尖的单个成型尖，相同的成型工具可以用于多个过程以在不需要改变成型工具的情况下为工件确定轮廓。

作为成型尖是圆环形的替换，成型尖可以由多个球体制成。在成型工具的多个球体变体的第一实施例中，可以提供具有不同直径的球体，因此允许较小直径的成型尖被用于最初一遍为工件确定轮廓，接下来使用具有较大直径的球体。与具有不同尺寸的多个圆环形成型尖的成型工具类似，具有不同尺寸的球体的成型工具允许在不需要改变每一遍之间的成型工具的情况下使用单个成型工具。

在成型工具的多个球体变体的第二实施例中，球体均具有相同的直径。该成型工具在工件成形过程中旋转。

根据本发明，提供一种用于板材的渐进成形的工具，该工具包含：

成型尖，该成型尖具有直径；

分界面承接部，成型尖附接至该分界面承接部；

杆，分界面承接部附接至杆，杆具有直径，该成型尖的该直径大于该杆的该直径。

根据本发明的一个实施例，其中成型尖是圆环形的。

根据本发明的一个实施例，其中成型尖包括凹陷区域。

根据本发明的一个实施例，凹陷区域具有形状，并且其中该形状是截头圆锥形。

根据本发明的一个实施例，其中尖包含至少两个球体。

根据本发明的一个实施例，用于板材的渐进成形的工具进一步包括承接部，至少两个球体直接附接至承接部。

根据本发明的一个实施例，用于板材的渐进成形的工具进一步包括承接部，以及附接至承接部的臂。

根据本发明的一个实施例，其中至少两个球体中的每个具有直径，并且其中每个直径是相同的。

根据本发明的一个实施例，其中至少两个球体中的每个具有直径，并且每个直径是不同的，由此操作中更换工具的需要得到避免。

根据本发明，提供一种渐进地成形板材的方法，该方法包含以下步骤：

制备渐进成型工具，该工具包含具有直径的成型尖、附接至尖的分界面承接部及杆，分界面承接部附接至杆，杆具有直径，尖的直径大于杆的直径；以及

通过渐进步骤成形板材。

且不论实施例，本公开的发明构思的成型工具提供没有已知方法的缺点的板材渐进成形的有效且实际的方法。在避免通过已知的成型工具的操作经历的工具杆-至-工件干扰的同时，本公开的发明构思不会遭受断裂的可能性。

当结合所附附图时，根据下面的具体实施方式，上述优点及其他优点和特征将是显而易见的。

附图说明

为了更加完整地理解本发明，现在应该参照在所附附图中更加详细地说明的并且通过本发明的示例方式描述的实施例，其中：

图1是用于渐进成形工件的已知系统的侧视图；

图2是根据已知的布置由相对的成型工具成形的工件的侧视图；

图3是根据已知的布置由间隔开的成型工具成形的工件的侧视图；

图4是根据现有技术的渐进成型工具的侧视图；

图5A是根据现有技术的渐进成型工具的侧视图，说明了强加于工具杆的锥形区域和圆尖之间的接头上的旋转力及相应的应力；

图5B是根据现有技术的渐进成型工具的侧视图，说明了工具的杆挠曲及尖挠曲；

图5C是根据现有技术的渐进成型工具的侧视图，说明了工具杆-到-工件干扰；

图6是根据本公开的发明构思的渐进成型工具的侧视图，说明了杆、成型尖及分界面承接部；

图7是根据本公开的发明构思的渐进成型工具的另一实施例的侧视图，说明了杆、成型尖及分界面承接部；

图8A是根据本公开的发明构思的渐进成型工具的第一尖配置的截面图；

图8B是根据本公开的发明构思的渐进成型工具的第二尖配置的截面图；

图8C是根据本公开的发明构思的渐进成型工具的第三尖配置的截面图；

图8D是根据本公开的发明构思的渐进成型工具的第四尖配置的截面图；

图9A是根据本公开的发明构思的多尖旋转工具的仰视图，其中尖是圆环形的并且具有不同的直径；

图9B是根据本公开的发明构思的图9A的多尖旋转工具的侧视图；

图10A是根据本公开的发明构思的多球尖旋转工具的截面图，其中球形尖具有不同的直径；

图10B是根据本公开的发明构思的图10A的多球尖旋转工具的仰视图；

图11A是根据本公开的发明构思的另一多球尖旋转工具的截面图，其中尖具有相同直径；以及

图11B是根据本公开的发明构思的图11A的多球尖旋转工具的仰视图。

具体实施方式

在下面的附图中，相同的附图标记将用于指代相同的部件。在下面的说明书中，各种操作参数和部件描述为不同构造的实施例。这些特定参数和部件作为示例包括在内并且不意味着限制。

参照图1，示出了总体上示为10的用于渐进成形工件12的已知的系统。这样的系统用于成形各种可成形的材料，例如金属板材。在本发明的一个或多个实施例中工件12总体上可以是平面的或者可以至少部分是预成形或非平面的。系统10通常包括可释放地固定并保持工件12的工件支撑结构14和14’、第一操纵器16及第二操纵器18。第一操纵器16和第二操纵器18由可编程的控制器(未示出)操作。控制器监测并控制操纵器、测压元件、加热元件、臂及工具更换器的操作。

提供第一操纵器16及第二操纵器18以定位成型工具。第一操纵器16和第二操纵器18被安装在分离的平台上(未示出)。第一操纵器16和第二操纵器18可以具有相同或不同的配置，例如具有多个自由度。例如，六角操纵器可以具有至少六个自由度，例如发那科机器人(Fanuc Robotics)模型F-200i六足机器人。

操纵器16包括一系列连接至平台的连杆或支柱20。操纵器18包括一系列连接至平台的连杆或支柱22。连杆或支柱20及22通常是线性驱动器，例如液压缸。具有六个自由度的操纵器可以在三个线性方向及三个角度方向上单独地或任意组合的移动。因此操纵器16和18可以沿像X、Y和Z轴这样的多个轴移动相关的工具。

第一操纵器16可以包括测压元件24、加热元件26、臂28、工具保持器30及成型工具32。第二操纵器18可以包括测压元件34、加热元件36、臂38、工具保持器40及成型工具42。

测压元件24和34检测施加到工件12上的力。由测压元件24和34生成的数据被传送至控制器用于监测并控制系统10的操作。

加热元件26和36提供传送至工件12的能量以增强工件12的所需的成形。加热元件26和36可以是电学的或非电学的并且可以用于直接(例如由激光)或间接(例如通过传导)地向工件12提供热。

设置臂28和38以分别使工具保持器30和40旋转。臂28和38可以被编程或受控的旋转主动控制。可替换地，臂28和38可以响应于相对工件12施加的像通过成型工具32和42传递的力这样的力而通过允许臂28和38的自由旋转来被动地被控制。

工具保持器30和40分别接收和保持成型工具32和42。每个工具保持器30和40包括孔以接收成型工具32和42的一部分并且利用夹具、固定螺钉或本领域公知的其他机构将成型工具32和42固定在固定位置。可替换地，工具保持器30和40和/或成型工具32和42还可以与自动工具更换器(未示出)关联，自动工具更换器可以允许工具的快速互换或替换。

系统10用于渐进成形工件。根据渐进成形的方法，工件12通过一系列小的、渐进变形来成形为所需的配置。通过抵靠工件12的表面移动成型工具32和42来形成小的渐进变形。沿编程到控制器内的路径可以发生成型工具32和42的移动。可替换地，还可以根据例如来自测压元件24和34的测得的反馈来适应性地实时编程成型工具32和42的移动路径。根据该方法，随着成型工具32和42沿工件12移动，成形渐进地进行。

成型工具32和42为工件12的成形赋予成形力。根据已知的技术，工件12可以通过如图2所示的两个相对的成型工具32和42的操作成形或者通过如图3所示的两个间隔开的成型工具32和42的操作成形。当成型工具32和42如图2所示的相对的方式操作时，工件12通过工具的同时移动成形。可替换地，当工具不是相对的方式定位而是定位在图3所示的间隔开的位置时，工件12可以由成型工具32和42的同时操作成形。

尽管实现了某些目标，但是当用于生产时，像成型工具32和42这样的已知的成型工具不能克服已知的及一贯的挑战。这些弱点在已知的成型工具自身的设计及构造中是固有的。

参照图4，说明了图1到3中所示的渐进成型工具32的侧视图。成型工具32包括杆44、过渡区46、颈部48及固体球头或成型尖50。颈部48限定尖-到-杆分界面。尽管示为圆锥形过渡区46，但已知过渡区46具有圆锥或非圆锥两种形状。

如图5A，已知的渐进成型工具在成形机器(系统)的负载路径内是结构上最弱的，因为它们是系统中物理上最小的元件。这在成型尖50和过渡区46之间的分界面处尤其真实。当工件正在成形时像图5A所示的旋转力RF及图5B所示的杆的挠曲SD及尖的挠曲TD这样的成形力完全通过这些较小的部分传递使它们承受最大的应力。

如现有技术已知的，更小的尖直径比它们的更大的对应物更加普遍，因为它们可以形成圆角、小的部件及锐化边角。然而，使用更小的尖的需要造成生产中的某些问题。首先，如图4到5C所示，成型尖50和杆44之间的颈部48的分界面的直径小于球头的直径。例如，6mm直径工具尖的颈部可以不大于4mm。如图5A和5B所示，当施加更大的负载时，分界面处的应力可以变得非常大导致弹性及可能的塑性变形。其次，成型尖50处的任何弹性变形将导致工件的尺寸上的不精确。第三，任何塑性变形将导致成型工具32的永久性损坏。

与已知的成型工具相关的其他问题是已知的。例如，绕工具轴线(如图5A所示)旋转的力可能导致成型尖50由于疲劳在颈部48处从过渡区46断裂。另外，具有更小的成型尖50的成型工具32具有更小的杆44以避免成形过程中干扰工件。杆44是力施加在端部的悬臂。如图5A和5B所示的，随着杆的长度变得更长并且直径变得更小，工具挠曲变得更加显著，这可能影响尺寸精度。

另外，相对于成型尖50的直径，杆44的直径表明最大的成形角。相应地，并且如图5C所示，具有大于最大成形角的斜率的工件的任意区域将干扰杆44。如所示的，当杆44的下端接触工件W时，存在在工件W的成形过程中引起的物理干扰区域PI。在物理干扰区域PI，杆冲击抵靠工件W导致工件W的不满意的成形。如图4到5A所示，提供渐进成型工具的现有技术方法具有某些缺点。

本公开的发明构思克服了已知的渐进成型工具面临的挑战。附图中示出了并与之相关地讨论了四个常用的实施例。图6到8D说明了第一实施例。图9A和9B说明了第二实施例。图10A和10B说明了第三实施例。图11A和11B说明了第四实施例。

参照图6到8D，说明了本公开的发明构思的第一实施例的变体。所说明的渐进成型工具的变体的共有部件包括用于附接至像CNC(电脑数值控制)机器或机械臂这样的单元的杆、圆环形的成型工具及起杆和圆环形成型工具之间的分界面的作用的承接部。尽管说明了三个独特的部件，但应该理解的是，图6-8D的渐进成型工具可以由实心件制成。本公开的发明构思的成型工具可以用于成形任何适合的材料或具有所需的成形特征的一种或多种材料，例如金属、金属合金、聚合物材料或它们的组合。

图6到8D的渐进成型工具的最重要的特征是使用圆环形部件代替现有技术的球头尖作为成型元件。该设计提供现有技术的多个优点。图6-8D的渐进成型工具是在尖部(由所示的圆环形限定)具有非常少的弹性变形并且没有塑性变形的极其刚性的构造。该配置提供成形硬的工件材料所需的工具刚度及足够坚实以防止断裂的结构完整性的最佳平衡。相应地，本公开的发明构思克服了已知的成型工具的限制，即如果过于坚硬，则遭受断裂并且因此不能有效或经济地用于成形由硬质材料组成的工件。圆环自身可以为特定应用制成需要的大小。杆的直径可以制成根据圆环的外径的大小，因此使得杆极其刚性。圆环形尖的平底面在成形过程中提供改善的尺寸精度。

图6-8D的渐进成型工具的其他优点包括降低疲劳断裂的机会，原因在于较低的应力及只要杆等于或小于圆环的外径，杆就不干扰正在成形的工件的事实。当以截面图的方式观察时，圆环可以是圆形、椭圆或对正在成形的工件来说可能是最佳的这样的任意其他形状。圆环自身可以由高硬度材料制成，例如与用于制造承接部和杆的材料不同的工具钢、钨或碳化钨。在没有必要涂覆承接部或杆的情况下还可以涂覆圆环。最后，图6-8D的渐进成型工具引起工件改善的可成形性，原因在于将更多的能量置于因为成形点处增加的线性速度的接触的点。

参照图6，示出了根据本公开的发明构思的渐进成型工具的侧视图并且将其总体上示为60。渐进成型工具60包括杆62、分界面承接部64及圆环形成型尖66。

参照图7，示出了根据本公开的发明构思的渐进成型工具的侧视图并且将其总体上示为70。渐进成型工具70包括杆72、分界面承接部74及圆环形成型尖76。

圆环形成型尖66和76可以是各种形状及大小。图8A到8D示出了这些各种配置中的一些。参照图8A，说明了根据本公开的发明构思的渐进成型工具的截面图并且将其总体上示为80。渐进成型工具80包括杆82及圆环形成型尖84。如所示的，圆环形成型尖84是实心的。

参照图8B，说明了根据本公开的发明构思的渐进成型工具的截面图并且将其总体上示为90。渐进成型工具90包括杆92及圆环形成型尖94。圆环形成型尖94具有截头圆锥形的底面凹陷区域96。

参照图8C，说明了根据本公开的发明构思的渐进成型工具并且将其总体上示为100。渐进成型工具100包括杆102及圆环形成型尖104，该圆环形成型尖104类似于但是不同于图8B中所示的圆环形成型尖94的实施例，因为圆环形成型尖104比圆环形成型尖94更宽。圆环形成型尖104具有截头圆锥形的底面凹陷区域106。

参照图8D，说明了根据本公开的发明构思的渐进成型工具的截面图并且将其总体上示为110。渐进成型工具110包括杆112及圆环形成型尖114。圆环形成型尖114具有未出现在圆环形成型尖94和104上的成角度的上表面。圆环形成型尖114具有比凹陷区域96和106的形状更加复杂的截头圆锥形的底部凹陷区域116。

图9A和9B说明了本公开的发明构思的第二实施例。如这些视图所示的，示出了总体上示为120的多尖成型工具。多尖成型工具120包括承接部122，包括圆环形尖124、圆环形尖126及圆环形尖128的多个圆环形金属成型尖附接至该承接部122上。圆环形尖124通过臂130附接至承接部122。圆环形尖126通过臂132附接至承接部122。圆环形尖128通过臂134附接至承接部122。承接部122附接至杆136。臂130、132和134用作定位轴。

根据该实施例的圆环形尖124、126和128的直径不同。例如，圆环形尖124、126和128的直径范围可以从6mm到25mm。通过提供具有不同尺寸的尖的单独的成型工具120，避免了成形操作过程中更换成型工具的需要，原因在于较小的尖128可以用于工件的第一遍确定轮廓，可以为第二遍选择中间大小的尖124，并且可以为最后一遍选择最大的尖126。

图10A和10B说明了本公开的发明构思的第三实施例。如这些附图所示，示出了总体上示为140的多球尖成型工具。多球尖成型工具140包括杆142，圆环形主体144附接至杆142。从圆环形主体144向外延伸的是多个金属成型球头尖，包括球头尖146、球头尖148及球头尖150。球头尖146、148及150的直径不同。例如，球头尖146、148及150的直径范围可以从6mm到25mm。通过提供具有不同尺寸的尖的单独的成型工具140，避免了成形操作过程中更换成型工具的需要，原因在于较小的球头尖146可以用于工件的第一遍确定轮廓过程，可以为第二遍选择中间大小的球头尖150，并且可以为最后一遍选择最大的球头尖148。

图9A和9B的成型工具120及图10A和10B的成型工具140提供优于现有技术的多个优点，包括图6到8D的那些成型工具的许多优点。尖可以由不同于承接部和杆(在没有必要涂覆承接部和杆的情况下它们可以被涂覆)的高硬度材料制成，以及由于将更多的能量置于由于成形点处的增加的线性速度的接触的点而引起的工件的改善的可成形性。

图11A和11B说明了根据本公开的发明构思的第四实施例。如这些附图所示的，示出了总体上示为160的多球尖旋转及脉动成型工具。多球尖旋转成型工具160包括杆162，圆环形主体164附接至杆162。从圆环形主体164向外延伸的是优选地具有相同直径的多个金属成型球头尖166。当在旋转方向R上的旋转时，多球尖旋转成型工具160通过可以引起改善的可成形性的仿真脉动有效地渐进地成形金属工件。

除了该实施例，本公开的发明构思的旋转成型工具提供没有已知的方法的缺点的渐进板材成形的有效且实用的方法。由于相比于杆的成型工具尖的直径，本公开的发明构思不会遭受现有技术中已知的成型尖和过渡区之间的断裂的可能性。由于改进的设计，可以施加8kN大小的力。另外，本公开的发明构思避免了现有技术的成型工具的操作经受的工具杆-到-工件的干扰。

本领域的技术人员将容易地从这样的讨论并从所附的附图及权利要求意识到，在不脱离由下面的权利要求限定的本发明的真实精神及公平范围的情况下，可以在其中做出各种变化、修改及变形。

Claims (9)

1.一种用于板材的渐进成形的工具，所述工具包含：

成型尖，所述成型尖具有直径，其中所述成型尖是圆环形的，所述圆环形尖具有平底面；

杆，所述成型尖附接至所述杆，所述杆具有直径，所述成型尖的所述直径大于所述杆的所述直径。

2.根据权利要求1所述的用于板材的渐进成形的工具，进一步包括所述成型尖及所述杆之间的分界面承接部。

3.根据权利要求1所述的用于板材的渐进成形的工具，其中所述成型尖包括凹陷区域。

4.根据权利要求3所述的用于板材的渐进成形的工具，其中所述凹陷区域具有形状，并且其中所述形状是截头圆锥形。

5.根据权利要求1所述的用于板材的渐进成形的工具，其中，所述成型尖包含至少两个球体。

6.根据权利要求5所述的用于板材的渐进成形的工具，进一步包括承接部，所述至少两个球体直接附接至所述承接部。

7.根据权利要求5所述的用于板材的渐进成形的工具，进一步包括承接部和臂，所述臂的数量对应于所述至少两个球体的数量，由此，每个所述球体由所述臂中的一个附接至所述承接部。

8.根据权利要求5所述的用于板材的渐进成形的工具，其中所述至少两个球体中的每个具有直径，并且其中每个所述直径是相同的。

9.根据权利要求5所述的用于板材的渐进成形的工具，其中所述至少两个球体中的每个具有直径，并且其中每个所述直径是不同的，由此在操作中更换工具的需要得到避免。