CN1524638A - 金属薄板的成形方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了在短时间内能够使立体产品精确成形的方法和设备，该立体产品例如为用于大规模生产的模压的试制产品，而没有模制形状的限制。当坯料的边缘部分被夹住时，具有模制形状的模具冲头沿着板厚度的方向被推动，以便进行大致形成的操作。当模具冲头保持被推动的状态时，通过使用杆状工具从与模具冲头相对的一侧夹住板厚度来执行成形操作。

Description

金属薄板的成形方法和设备

本发明涉及一种金属薄板的成形方法以及用于该方法的设备。

背景技术

例如，用于将金属薄板加工成立体形状的方法和装置在JP-A-7-132329中进行了描述。在这种现有技术中，金属薄板的边缘部分固定到能够上下移动的框架状工作台上，以及柱状的推动本体插入框架状工作台所包围的空间内。为了进行成形操作，柱状的推动本体与金属薄板的下表面接触，并且能够沿Z轴方向移动的杆状工具定位在金属薄板的上表面一侧上。当杆状工具围绕推动本体移动时，框架状工作台下降以便连续地使金属薄板发生塑性变形。

确信这种成形方法适用于生产试制产品。然而，因为使得杆状工具能够沿着轮廓线轨道运动以便连续地成形全部产品的形状，所以该方法从成形的开始直到结束是费时的，并且实际上很难达到500件/月的大规模生产。

虽然这种成形方法可以成形简单的扩展形状，例如圆锥和棱锥，但是该方法具有这样的限制，即，它不能容易地成形纵向壁的角状部分，并且也不能容易地成形这样的产品，该产品在其大面积的底表面上具有沟槽和突出部。

由于现有技术基于扩展模制，这种模制只利用材料的“伸展性”作为其加工原理，所以得到的产品在其板厚度和其尺寸精度方面比通过模压获得的那些产品差的多。因此，该方法不完全适用于大规模模压产品的试生产，并且不完全适用于生产试制产品。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的第一目的是提供一种成形方法，该方法可以精确地成形，而且，在短的时间内，该方法可以利用金属薄板成形立体产品例如大规模生产模压件的试制产品，而没有模制形状的限制。

本发明的第二目的是提供一种设备，该设备可以精确地成形，而且，在短的时间内，该设备可以成形立体产品例如大规模生产模压件的试制产品，而没有模制形状的限制，并且该设备具有简单的构造。

用于实现上述第一目的的金属薄板的成形方法包括以下步骤：夹住金属薄板的边缘部分；在这种状态下从板厚度方向的下方推动模具冲头，该模具冲头最后加工成产品的形状；执行形成操作，以便使具有顶部和侧部的大致形成的本体成形；以及当该模具冲头保持在被推动的状态时，通过利用夹住板厚度的能够三维地移动的工具和该模具冲头，将该大致形成的本体最后加工成产品形状，该能够三维地移动的工具作为与该模具冲头相对的一侧的模具表面。

将大致形成的本体最后加工成产品形状的步骤可以应用一种方法，该方法使用杆状工具并且使大致形成的本体经过局部塑性变形。而且，在第一阶段中可以使用弹性工具并且将该工具从与该模具冲头相对的一侧推向该模具冲头，同时夹住板厚度以导致局部压缩模制，以及在第二阶段中可以通过使用杆状工具进行最后的成形操作。根据后者的情况，即使在局部具有突出部和凹槽的复杂形状中，也可以进行高精度的模制操作。

为了实现第二目的，本发明提供了一种金属薄板的模制设备，其包括：装备有安装框架的底座；多个伸缩(wrinkle)支承装置，这些伸缩支承装置布置在该底座上，彼此间具有间距，以便沿着板厚度的方向夹住金属薄板的边缘部分；布置在凹入腔室内的模具冲头，该凹入腔室比该伸缩支承装置更向内地形成在该底座中；模具冲头提升装置，用于将该模具冲头推入由该伸缩支承装置支承的该金属薄板；沿着三个轴线方向可移动地配装在该安装框架上的第二模制装置；以及配装在该第二模制装置上的工具，用于与该模具冲头配合，进行由该模具冲头成形的大致形成的本体的成形操作。

根据这种结构，对应于产品形状的模具冲头被制备并配装在模具冲头提升装置上，以及可以进行高精度的成形操作。

伸缩支承装置布置在底座上，并不上下移动。换句话说，与现有技术的成形设备不同，不需要能够上下移动的框架状工作台，该工作台用于沿着板厚度的方向夹住金属薄板的边缘部分。本发明既不需要用于根据成形的进度降低框架状工作台的机构，也不需要平衡运动控制。因此，该设备的结构可以被简化。另外，可以降低该设备的高度，并且可以在接近地平面的位置进行金属薄板的运送和产品的取出操作。

本发明适用于成形大规模的产品例如外部板件，这些外部板件的代表为：汽车部件例如挡泥板、食品外部板件、飞机部件、建筑材料、厨房产品、浴室产品以及电器。

本发明的其他特征和优点将从以下的详细描述变得更加明显，而且本发明并不特别限于实施例的结构，只要满足了本发明的基本特征即可。因此明显的是，本领域普通技术人员可以作出各种变化和改型，而不会脱离本发明的范围。

附图说明

图1是纵向侧视截面图，表示根据本发明的实施例的金属薄板成形设备中的成形操作开始之前的状态；

图2是纵向侧视截面图，表示使用根据本发明的设备的状态；

图3是平面图；

图4是是纵向正视截面图；

图5是局部剖开的侧视图，表示用于将产品最后加工成形的工具和第二模制装置的结构；

图6是局部放大的侧视图，表示通过使用将产品最后加工成形的第一种工具进行成形操作的状态；

图7是局部放大的侧视图，表示通过使用将产品最后加工成形的第二种工具进行成形操作的状态；

图8是局部透视图，表示根据本发明的第二模制装置的另一个实例；

图9是图8的局部截面图；

图10A、10B和10C是说明图，各自表示了最后成形的工具的实例；

图11A和11B是说明图，各自表示了最后成形的工具的实例；

图12A到12D是截面图，各自逐步表示了根据本发明的成形实例；

图13A到13C是局部截面图，各自逐步表示了根据本发明的成形实例的另一个例子；

图14A到14B是局部截面图，各自逐步表示了根据本发明的再一个成形实例；

图15是透视图，表示了应用本发明的产品的实例；

图16是透视图，表示了应用本发明的产品的另一个实例；

图17A到17C是截面图，各自逐步表示了图16中所示的产品的成形步骤。

具体实施方式

下面将参考附图解释本发明的实施例。

图1-4表示根据本发明的第一实施例的金属薄板的成形设备。

参考标记1表示底座或者框架(下面称之为“底座”)。通向上表面10的凹入腔室11限定在中央区域中。提升致动器2例如液压缸固定地设置在凹入腔室11的下部。模具配装盘3与提升致动器2的输出部分相互连接。模具冲头4可拆卸地配装在模具配装盘3上，该冲头最后被加工成对应于产品形状的立体形状。

模具冲头4一般表示的那些被称为“成形式”或者“主模”，并且包括顶部和侧部。模具冲头4一般由金属材料例如钢材形成，但是在某些情况下也可以由FRP形成。模具冲头4除了平的表面形状之外局部具有凹凸部分40，并且凹凸部分40包括凸起、突出部、凹槽、沟槽等。

参考标记5表示多个伸缩支承装置，这些装置以相互间预定的间隔布置，以便在凹入腔室11外侧包围底座上的凹入腔室11的开口。每个伸缩支承装置5包括用于支承薄板W的边缘部分的夹钳50，与夹钳50相对的支承盘51，块状主体5a，其具有用于对支承盘51加压的支承致动器52，以及运动致动器5b，其在主体5a的背面固定于底座上并具有与主体5a相互连接的输出部分，如图6中所示。伸缩支承装置5可以单独地操作。伸缩支承装置5的数量和其操作形式(仅有支承致动器52或者支承致动器52和运动致动器5b)根据薄板的形状、其机械性能和将被模制的形状来选择。

参考标记6表示能够在底座1上移动的第二模制装置。第二模制装置6包括设置在底座1上的安装框架6a，以便避开伸缩支承装置5，以及安装在安装框架6a上的主轴体6b。主轴体6b包括工具保持器6c，用于局部压缩模制的工具7和用于成形的工具8可拆卸地配装在该工具保持器上，如下面将要解释的那样。

安装框架6a包括四个或更多个立柱69，这些立柱的下部固定在底座1上，通过这些立柱69的顶部横向支承的一对平行X轴轨道60，以及通过X轴轨道60和60支承的Y轴轨道61。用于沿着X轴轨道60、60移动Y轴轨道61的数字控制式驱动机构62安装在Y轴轨道61上。

主轴体6b安装在Y轴轨道61上，并且具有用于沿着Y轴轨道61移动的数字控制式驱动机构63。主轴体6b在其下部具有朝向底座延伸的工具保持器6c。用于移动工具保持器6c的数字控制式驱动机构64或者在其上沿Z轴方向具有工具保持器6c的滑动件安装在主轴体6b的顶部上。驱动机构62、63和64电连接到未示出的控制器上，并且可以根据来自控制器的控制信号，自由地调节可拆卸地配装在工具保持器6c上的工具的位置。

工具保持器6c具有卡盘机构。卡盘机构是任意的。这个实施例包括具有紧固螺母601和开口套管602的可伸展的卡盘600，该开口套管配装在卡盘600的锥形孔中，如图5中所示。

参考标记7表示用于局部压缩模制的工具。这个工具7包括配装在工具保持器6c的开口套管602上的配装部分70和弹性体71例如聚氨酯橡胶，以便对金属薄板W局部施加强的压力，并且将该金属薄板成形为与模具冲头4的凹凸部分40相配合，如图4和5中所示。

参考标记8表示用于成形的工具，其由硬的材料例如超硬合金形成。这个工具8包括配装在工具保持器6c的开口套管602上的配装部分80和推动部分81，以便成形金属薄板W的具体形状，并且总体上完成与模具冲头4配合的工作，如图5中所示。两个工具7和8的配装部分70和80具有相同的外直径。

附图中所示的结构仅仅代表本发明的实例，并且也可以应用其他的结构。

例如，虽然这个实施例使用AC伺服马达作为第二模制装置6的运动机构，但也可以使用线性马达来代替，如图8和9中所示。参考标记65表示导轨。参考标记66表示磁性板。参考标记67表示线圈滑动器。参考标记68表示线性标尺。

用于成形的工具8可以在其远端具有球形推动部分81，如图10A中所示。另一种方案是，如图10B中所示，该工具8可以在远端具有弯曲的凹入部分82，并且在凹入部分82中可转动地设置硬球体81’。再一种方案是，与凹入部分82连通的液体充填口83可以如图10C中所示地形成，以便向其中供应润滑剂。

用于成形的工具8可以相对于工具保持器6c转动。图11A表示了这个实例。转动轴6d设置在工具保持器6c的下部以便可以相对转动，并且工具8与转动轴6d的轴线偏心地配装在转动轴6d上。然而，在这个实例中可以使用任何转动装置，驱动马达6e安装在工具保持器6c上，并且马达输出通过传动元件6f例如带轮和齿轮传递到转动轴6d。

接下来，将解释根据本发明的金属薄板的成形方法。

为了开始成形，最后加工成模制形状的模具冲头4通过使用螺栓和螺母固定到模具配装盘3上。当准备工作以这种方式就绪的时候，金属薄板W通过传送装置例如电磁卡盘传送到底座1上。在这种情况下，优选的是，伸缩支承装置5的运动致动器5b已被操作，以便将主体5a移回，并且通过伸缩支承装置5的每个支承致动器52将支承盘51移向开口侧。然后，主体5a向前移动，传送金属薄板W，并且金属薄板W的边缘部分插入主体5a和夹钳50之间。所需的支承致动器52操作以便降低支承盘51，从而用夹钳50夹住金属薄板W的边缘部分。

图1和12A表示了这种状态。金属薄板W覆盖凹入腔室11，并且模具冲头4定位在金属薄板W的下面。第二模制装置6位于侧面等待位置。根据产品形状，用于局部压缩模制的工具7或者用于成形的工具8此时配装在工具保持器6c上。当产品具有相当简单的形状时，例如在其顶部没有凹凸部分的形状，用于成形的工具8可以被使用。否则就配装用于局部压缩模制的工具7以便进行第一阶段的成形。

接下来，提升致动器2操作以便使模具冲头4上升。模具冲头4被强制与金属薄板W的下表面接触。当模具冲头4连续上升时，就使金属薄板W沿着模具冲头4的形状在板厚度的方向上经受塑性变形，并且该金属薄板通过挤压操作大致形成具有顶部和侧壁部分的立体形状。符号W1表示大致形成的本体。

根据各种特性，例如形状、板厚度以及金属薄板W的伸长、材料，所需的伸缩支承装置5的支承致动器52的压力在大致成形期间减小，以便促进材料流。当这种装置仍不足够时，运动致动器5b操作以便向前移动主体5a。结果，可以防止材料断裂，并且除了模具冲头的局部部分(这个实施例中的突出部)40之外，成形了总体形状，如图12B中所示。

接下来，当模具冲头4保持在上升位置时，用于局部压缩模制的工具7立即在模具冲头的局部部分40的上方移动。通过驱动机构62使Y轴轨道61相对于X轴轨道60移动并且通过驱动机构63使主轴体6b相对于Y轴轨道61移动，可以实现这种定位。

接下来，沿着Z轴方向，通过驱动装置64使紧接在模具冲头的局部部分40上方的用于局部压缩模制的工具7移动。结果，当弹性体71被推靠在模具冲头的局部部分40上时，坯料部分WP经受压缩模制，该坯料部分曾经与模具冲头的局部部分40脱离接触，现在又与该局部部分40逐渐接触，从而形成模具冲头的局部部分40的轮廓，如图12C中所示。符号WP1表示压缩模制部分。

接下来，主轴体6b侧向移动，卡盘松开，以及用于局部压缩模制的工具7从工具保持器6c上拆下并被用于成形的工具8所代替。

主轴体6b通过各自的驱动机构62、63和64沿着X、Y和Z轴方向移动，并且用于最后成形的工具8的推动部分81(81’)与模具冲头局部部分40的区域中的压缩模制部分WP1高压接触，以便导致局部塑性变形。以这种方式，各细部的精确形状可以成形为如图12D中所示。符号WP2表示完工的局部部分。当主轴体6b通过各自的驱动机构62、63和64沿着X、Y和Z轴方向移动时，除了模具冲头局部部分40以外的部分，例如侧壁以及侧壁和顶部之间的边界部分，可以最后被加工成最终形状。

在本发明的第一步骤中，通过使用模具冲头4，包括挤压部件，使金属薄板W发生自由成形。因此，在第二步骤中不必沿着轮廓线的轨道移动用于成形的工具8。换句话说，当金属薄板W根据产品形状三维地移动时，并且当其被连续地推向模具冲头4时，可以很好地进行成形。

在如上所述地完成成形之后，主轴体6b通过驱动机构62、63和6 4移动到侧面等待位置，并且模具冲头4移动到下限。随后，模具冲头4从产品W2上移开，并且产品W2仍然维持被伸缩支承装置5保持的状态。通过伸缩支承装置5进行的夹持被释放，并且此后产品W2被取出。

图13A-13C表示了局部压缩模制和最后成形的另一个实例。模具冲头4具有凹入的局部部分(凹槽或沟槽)40，而且还在局部部分的底部具有突出部400。

在这种情况下，用于局部压缩模制的工具7至少沿着Z轴方向移动，或者连续地沿着X轴方向和/或Y轴方向，并且然后沿着Z轴方向移动，同时通过使用模具冲头4进行大致成形，如图13A中所示。当这种操作被执行至少一次时，因为弹性体71如图13B中所示地强烈推动，所以非模制的部分WP被推入凹入的局部部分40，并与该部分40高压接触。此时，通过弹性体71的强的压力，压缩模制部分WP1仍未与凹入的局部部分40充分地接触。因此，用于最后成形的工具8在数字控制下连续地移动，以便强制地使压缩模制部分WP1与底面突出部400接触，如图13C中所示。因此，可以进行高精度的成形。

图14A和14B表示了这样的情况，其中模具冲头4具有突起的局部部分(凸起或突出部)40，而且还在该局部部分的顶部具有凹入部分401。在这种情况下，也通过使用如图14A中所示的用于局部压缩模制的工具7，使大致形成的本体W1的非模制部分WP经过局部压缩模制，并且用于成形的工具8的接触运动被用于使各细部成形和最后加工。以这种方式，可以进行高精度的成形。

当能够自由转动的硬球体81’被作为用于最后成形的工具8时，如图10B中所示，与材料的接触从滑动接触变为滚动接触。因此，可以防止由于摩擦引起的放热，降低成形的工件的机械擦伤的发生并且防止反弹。

当用于最后成形的工具8可以如图11A中所示地转动时，因为如图11B中所示，还有压力偏心地施加在成形区域上，所以可改善成形精度。

本发明的方法可以采取各种形式的应用。

1)本发明的方法包括以下步骤：只操作多个伸缩支承装置5中的一部分以便进行局部固定和局部夹持。换句话说，该方法包括以下步骤：保持所需的伸缩支承装置5的支承致动器52的压力并不松开，或者将所需的伸缩支承装置5的支承致动器52的压力释放到自由状态。

2)当将要成形的形状是平滑的例如盖板时，可以省略掉局部压缩模制步骤，并且可以通过用于成形的工具8的接触运动连续地进行形状固定以消除回弹，从而进行大致成形，或者可以进行精细部分的成形和最后成形。

本发明适于进行各种大规模立体产品的试生产。例如，本发明可以容易地和精确地生产汽车的外部板件，这些板件的代表为挡泥板和如图15中所示的外部盖板，以及如图16中所示的内部盖板。

下面将更详细地给出解释。图16中所示的产品的尺寸为885×970mm，并且包括侧壁WS以及与侧壁WS成直角相连的顶壁WT。而且，顶壁WT的复杂形状具有多个沟槽状的凹入部分WP2。沟槽状的凹入部分WP2的底部宽度为20mm，开口宽度为32mm，并且深度为13mm。

为了成形这样的产品，本发明使用具有沟槽状局部部分40的模具冲头4，该局部部分40对应于沟槽状的凹入部分WP2，如图17A中所示，并且将冲头40推入金属薄板以便使大致形成的本体W1自由地成形。接下来，通过将用于局部压缩模制的工具7与局部部分40高压接触，使大致形成的本体W1的非模制部分WP经受局部压缩模制，如图17B中所示。接着，用于成形的工具8被用来代替用于局部压缩模制的工具7。工具8被移动，同时保持与局部部分40接触以便进行最后成形，如图17C中所示。在大致形成的阶段中，侧壁WS并不与模具冲头的侧表面41保持紧密接触，而是保持浮动。然而，当工具8三维地移动，并且侧壁WS被推向模具冲头的侧表面41时，陡峭的侧壁可以被成形。

实践中所用的成形条件如下所述。

金属薄板是覆盖有SPCD的钢板，其板厚度为0.7mm并且尺寸为1050×1130mm。

大致形成的条件包括70吨力的伸缩支承力，并且使用润滑油作为润滑剂。

作为弹性工具，使用横断面为50mm×70mm的聚氨酯橡胶，并且在20％的压缩的推动条件下进行局部压缩。

作为杆状工具，使用直径为10mm的超硬合金，并且在0.5mm的移动条件(沿着高度方向的成形间距)下进行最后成形。

结果，成形时间为2小时，并且所得到的产品的精度为±0.5mm，这满足了所需的质量要求。板厚度减小比率在20％之内。

工业实用性

本发明适用于进行各种大规模立体产品的试生产。

Claims (5)

1.一种金属薄板的成形方法，其包括以下步骤：

夹住金属薄板的边缘部分；

在这种状态下从板厚度方向的下方推动模具冲头，该模具冲头最后加工成产品的形状；

执行形成操作，以便使具有顶部和侧部的大致形成的本体成形；以及

当所述模具冲头保持在被推动的状态时，通过利用夹住板厚度的能够三维地移动的工具和所述模具冲头，将所述大致形成的本体最后加工成产品形状，该能够三维地移动的工具作为与所述模具冲头相对的一侧的模具表面。

2.根据权利要求1所述的金属薄板的成形方法，其特征在于，通过使用杆状工具并且使所述大致形成的本体经过局部塑性变形来进行最后加工成产品形状的所述步骤。

3.根据权利要求1所述的金属薄板的成形方法，其特征在于，在两个阶段中进行最后加工成产品形状的所述步骤，这两个阶段为：使用弹性工具并且将所述弹性工具从与所述模具冲头相对的一侧推向所述模具冲头，同时夹住板厚度以导致局部压缩模制，以及通过使用杆状工具使所述大致形成的本体成形为最后的形状。

4.一种金属薄板的模制设备，其包括：

装备有安装框架的底座；

多个伸缩支承装置，这些伸缩支承装置布置在所述底座上，其间具有间距，并且沿着板厚度的方向夹住金属薄板的边缘部分；

布置在凹入腔室内的模具冲头，该凹入腔室比所述伸缩支承装置更向内地形成在所述底座中；

模具冲头提升装置，用于将所述模具冲头推入由所述伸缩支承装置支承的所述金属薄板；

沿着三个轴线方向可移动地配装在所述安装框架上的第二模制装置；以及

配装在所述第二模制装置上的工具，用于与所述模具冲头配合，进行由所述模具冲头成形的大致形成的本体的成形操作。

5.根据权利要求4所述的金属薄板的模制设备，其特征在于，所述工具是两种工具，即，具有配装部分和弹性体的局部压缩模制工具，以及硬的杆状工具，这些工具可拆卸地配装在所述第二模制装置的工具保持器上。

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