本公開(kāi)涉及例如金屬板的振動(dòng)輔助式自由成形制造。

背景技術(shù)：

金屬板成形通常使用沖壓工藝(在該沖壓工藝中，具有期望的幾何形狀的相對(duì)的工具將金屬板沖壓成期望的形狀)執(zhí)行。沖壓對(duì)于大批量制造來(lái)說(shuō)是非常高效的且具有成本效益的工藝。然而，對(duì)于小批量制造或原型制造(prototyping)，生產(chǎn)用于每個(gè)部件設(shè)計(jì)迭代的沖壓工具所需的成本和精力可能是過(guò)高的。能適時(shí)地產(chǎn)生有成本效益的原型的金屬板成形工藝將會(huì)是非常有益的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在至少一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種用于成形工件的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)可包括用于接納具有相對(duì)的第一表面和第二表面的工件的固定組件、第一工具和第二工具、被構(gòu)造成使第一工具振動(dòng)的振動(dòng)源。第一工具和第二工具可被構(gòu)造成在第一工具通過(guò)振動(dòng)源而振動(dòng)時(shí)沿第一預(yù)定運(yùn)動(dòng)路徑和第二預(yù)定運(yùn)動(dòng)路徑運(yùn)動(dòng)并在第一表面和第二表面上施加力，以成形工件。

在一個(gè)實(shí)施例中，第一工具和第二工具被構(gòu)造成沿第一預(yù)定運(yùn)動(dòng)路徑和第二預(yù)定運(yùn)動(dòng)路徑運(yùn)動(dòng)并在第一表面和第二表面上施加力以成形工件，而不穿過(guò)第一表面和第二表面。振動(dòng)源可被構(gòu)造成使第一工具以5至70kHz的頻率振動(dòng)。振動(dòng)源可被構(gòu)造成使第一工具以1至50μm的振幅振動(dòng)。

在一個(gè)實(shí)施例中，振動(dòng)源可被構(gòu)造成使第一工具沿與第一表面大體上平行的方向振動(dòng)。在另一實(shí)施例中，振動(dòng)源可被構(gòu)造成使第一工具沿與第一表面大體上垂直的方向振動(dòng)。所述系統(tǒng)還可包括操縱器，所述操縱器包括工具保持件，所述工具保持件被構(gòu)造成保持第一工具，其中，振動(dòng)源包括附著到工具保持件或與工具保持件一體的換能器。

第一預(yù)定運(yùn)動(dòng)路徑和第二預(yù)定運(yùn)動(dòng)路徑可以是相配合的或互補(bǔ)的，使得在工件的局部區(qū)域中向第一表面和第二表面施加壓力。在一個(gè)實(shí)施例中，振動(dòng)源是第一振動(dòng)源，且所述系統(tǒng)還包括被構(gòu)造成使第二工具振動(dòng)的第二振動(dòng)源。第一振動(dòng)源和第二振動(dòng)源可被構(gòu)造成使第一工具和第二工具以相同的頻率振動(dòng)。

在至少一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括用于保持工件的固定件、第一工具和被構(gòu)造成使第一工具振動(dòng)的振動(dòng)源。第一工具可被構(gòu)造成在第一工具振動(dòng)時(shí)沿工件的第一表面運(yùn)動(dòng)并在工件上對(duì)著第二工具施加力，以成形工件。

所述系統(tǒng)還可包括第一操縱器和第二操縱器，所述第一操縱器被構(gòu)造成使第一工具沿著工件的第一表面沿多個(gè)軸線運(yùn)動(dòng)，所述第二操縱器被構(gòu)造成使第二工具沿著工件的第二表面沿多個(gè)軸線運(yùn)動(dòng)。第二工具可包括具有表面輪廓的模具。振動(dòng)源可被構(gòu)造成使第一工具以5至70kHz的頻率和1至50μm的振幅振動(dòng)。系統(tǒng)還可包括操縱器，所述操縱器包括工具保持件，所述工具保持件被構(gòu)造成保持第一工具，其中，振動(dòng)源包括附著到工具保持件或與工具保持件一體的換能器。

在至少一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種成形包括相對(duì)的第一表面和第二表面的工件的方法。所述方法可包括定位第一工具和第二工具、利用振動(dòng)源使第一工具振動(dòng)以及使振動(dòng)的第一工具和第二工具沿著第一成形路徑和第二成形路徑沿多個(gè)軸線運(yùn)動(dòng)使得第一工具和第二工具接觸第一表面和第二表面，以成形工件。

第一工具可通過(guò)工具保持件保持并可通過(guò)附著到工具保持件或與工具保持件一體的換能器振動(dòng)。第一工具可以以至少1kHz的頻率振動(dòng)。第一成形路徑和第二成形路徑可以是互補(bǔ)的且可在工件的局部區(qū)域中向第一表面和第二表面施加壓力。所述方法可包括使第一工具以5至70kHz的頻率振動(dòng)，以將工件的局部區(qū)域加熱至工件的熔化溫度的20％至70％的溫度。

附圖說(shuō)明

圖1是根據(jù)實(shí)施例的用于漸進(jìn)地成形工件的系統(tǒng)的側(cè)視圖；

圖2是根據(jù)實(shí)施例的通過(guò)圖1的系統(tǒng)成形的工件的示意性側(cè)視圖；

圖3是根據(jù)另一實(shí)施例的通過(guò)圖1的系統(tǒng)成形的工件的示意性側(cè)視圖；

圖4是根據(jù)實(shí)施例的用于漸進(jìn)地成形工件的包括振動(dòng)源的系統(tǒng)的側(cè)視圖；

圖5是根據(jù)另一實(shí)施例的用于漸進(jìn)地成形工件的包括振動(dòng)源的系統(tǒng)的側(cè)視圖；

圖6是根據(jù)實(shí)施例的通過(guò)包括振動(dòng)源的系統(tǒng)成形的工件的示意性側(cè)視圖；

圖7是根據(jù)另一實(shí)施例的通過(guò)包括振動(dòng)源的系統(tǒng)成形的工件的示意性側(cè)視圖；

圖8是根據(jù)實(shí)施例的通過(guò)包括振動(dòng)源和模具的系統(tǒng)成形的工件的示意性側(cè)視圖；

圖9是根據(jù)實(shí)施例的用于漸進(jìn)地成形工件的包括振動(dòng)源的系統(tǒng)可用的模具的截面的示例。

具體實(shí)施方式

根據(jù)需要，在此公開(kāi)本發(fā)明的具體實(shí)施例；然而，應(yīng)理解公開(kāi)的實(shí)施例僅為本發(fā)明的實(shí)施例，這些實(shí)施例可以采用各種和替代的形式實(shí)施。附圖無(wú)需按比例繪制；可夸大或最小化一些特征以顯示特定部件的細(xì)節(jié)。因此，在此所公開(kāi)的具體結(jié)構(gòu)和功能細(xì)節(jié)不應(yīng)解釋為限定，而僅為用于教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員以多種形式利用本發(fā)明的代表性基礎(chǔ)。

申請(qǐng)人已經(jīng)在第8,302,442號(hào)、第8,322,176號(hào)和第8,733,143號(hào)美國(guó)專(zhuān)利中公開(kāi)了用于漸進(jìn)地成形工件的多種系統(tǒng)和方法，在此這些專(zhuān)利的公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用而整體包含于此。所公開(kāi)的系統(tǒng)和方法可在具有成本效益和時(shí)間效益的情況下允許小批量地成形金屬板。參照?qǐng)D1，示出了用于漸進(jìn)地成形工件12的系統(tǒng)10的示例。系統(tǒng)10還可稱(chēng)為自由成形制造系統(tǒng)。工件12可由具有期望的成形特性的任何合適的材料制成，例如金屬、合金、聚合材料或其組合。在至少一個(gè)實(shí)施例中，工件12可被設(shè)置為金屬板。在公開(kāi)的系統(tǒng)10的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例中，工件12可以大體上是平面的或者可以至少部分地預(yù)成形或者是非平面的。

系統(tǒng)10可包括支撐結(jié)構(gòu)20、固定組件22、第一操縱器(manipulator)24、第二操縱器26和控制器28。支撐結(jié)構(gòu)20可被設(shè)置成支撐多個(gè)系統(tǒng)組件。支撐結(jié)構(gòu)20可具有任何合適的構(gòu)造。在圖1示出的實(shí)施例中，支撐結(jié)構(gòu)20的形狀大體上呈箱狀。當(dāng)然，本公開(kāi)預(yù)期支撐結(jié)構(gòu)20可按照具有更多側(cè)部或更少側(cè)部的不同構(gòu)造設(shè)置。在至少一個(gè)實(shí)施例中，支撐結(jié)構(gòu)20可被構(gòu)造為具有可彼此相對(duì)設(shè)置的第一平臺(tái)30和第二平臺(tái)32的框架。

一組支撐柱34可在第一平臺(tái)30和第二平臺(tái)32之間延伸。在一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例中，支撐柱34可被設(shè)置為實(shí)心構(gòu)件或中空的管狀構(gòu)件?？稍O(shè)置一個(gè)或更多個(gè)拉伸構(gòu)件36用于對(duì)支撐結(jié)構(gòu)20施加力以提供期望大小的穩(wěn)定性和剛度。在至少一個(gè)實(shí)施例中，拉伸構(gòu)件36可設(shè)置在支撐柱34的內(nèi)側(cè)，并可施加使第一平臺(tái)30和第二平臺(tái)32朝向彼此偏置的拉力。拉伸構(gòu)件36可以是任何合適的類(lèi)型，例如壓縮缸、彈簧、先張桿等。在至少一個(gè)實(shí)施例中，可以調(diào)節(jié)拉伸構(gòu)件36施加的力以提供不同的性能特性。

可在平臺(tái)30、32和支撐柱34之間設(shè)置多個(gè)開(kāi)口，這可有助于接近系統(tǒng)組件以及工件12的安裝和拆卸。一個(gè)或更多個(gè)開(kāi)口可至少部分地覆蓋有覆蓋材料(例如金屬或樹(shù)脂玻璃)，這有助于限定在其中進(jìn)行工件成形的外殼層(envelope)。多個(gè)安全特征可與開(kāi)口或覆蓋材料關(guān)聯(lián)，以便以本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的方式啟動(dòng)或禁用系統(tǒng)操作。

固定組件22可被設(shè)置成支撐工件12。固定組件22可包括至少部分地限定開(kāi)口40的框架。當(dāng)固定組件22接納工件12時(shí)，開(kāi)口40可以被工件12至少部分地覆蓋?？衫霉潭ńM件22設(shè)置多個(gè)夾具42，以約束工件12并對(duì)工件12施加力。夾具42可沿開(kāi)口40的多個(gè)側(cè)部設(shè)置，并可具有任何合適的構(gòu)造。例如，夾具42可以是手動(dòng)的、氣動(dòng)的、液壓致動(dòng)的或電動(dòng)的。此外，夾具42可被構(gòu)造為在工件12上提供大小恒定或可調(diào)節(jié)的力。例如，一個(gè)或更多個(gè)夾具42可被構(gòu)造為提供大小恒定的力以將工件12保持在固定位置?；蛘?，一個(gè)或更多個(gè)夾具42可被構(gòu)造為提供大小可調(diào)節(jié)的力以允許相對(duì)于開(kāi)口40的期望量的材料牽引(draw)。

固定組件22可被構(gòu)造為相對(duì)于支撐結(jié)構(gòu)20運(yùn)動(dòng)。例如，固定組件22可被構(gòu)造成朝向第一平臺(tái)30、第二平臺(tái)32和/或支撐柱34運(yùn)動(dòng)或者遠(yuǎn)離第一平臺(tái)30、第二平臺(tái)32和/或支撐柱34運(yùn)動(dòng)。在圖1中，固定組件22可沿豎直軸線或Z軸運(yùn)動(dòng)。在至少一個(gè)實(shí)施例中，固定組件22可安裝在一個(gè)或更多個(gè)支撐構(gòu)件44上，其中，支撐構(gòu)件44可被構(gòu)造為伸長(zhǎng)、回縮和/或旋轉(zhuǎn)，以使固定組件22和工件12相對(duì)于至少一個(gè)成形工具運(yùn)動(dòng)，從而有助于為工件12提供額外的運(yùn)動(dòng)范圍并提高工件12的成形性。固定組件22可運(yùn)動(dòng)，使得它保持與第一平臺(tái)30或第二平臺(tái)32平行，或者使得固定組件22傾斜以實(shí)現(xiàn)非平行關(guān)系。固定組件22的運(yùn)動(dòng)可在成形工件12時(shí)發(fā)生。

第一定位裝置或第一操縱器24和第二定位裝置或第二操縱器26可被設(shè)置成定位成形工具。第一操縱器24和第二操縱器26可分別安裝在第一平臺(tái)30和第二平臺(tái)32上?；蛘撸诒竟_(kāi)的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例中，第一操縱器24和第二操縱器26可直接安裝在支撐結(jié)構(gòu)22上。第一操縱器24和第二操縱器26可具有相同或不同的構(gòu)造。例如，第一操縱器24和第二操縱器26可具有多個(gè)自由度，例如可具有至少六個(gè)自由度的六足操縱器，比如F-200i六足機(jī)器人型號(hào)的發(fā)那科機(jī)器人。這樣的操縱器通常可具有將基底接合到平臺(tái)的多個(gè)棱形鏈接或支桿。鏈接或支桿可以是線性致動(dòng)器，例如能夠致動(dòng)以使平臺(tái)相對(duì)于基底運(yùn)動(dòng)的液壓缸。具有六自由度的操縱器可單獨(dú)地沿三個(gè)直線方向和三個(gè)成角度的方向或任意的組合方向運(yùn)動(dòng)。例如，操縱器可被構(gòu)造成使相關(guān)聯(lián)的工具沿多個(gè)軸線(諸如沿如不同的正交方向延伸的軸線，比如X軸、Y軸和Z軸)運(yùn)動(dòng)。

第一操縱器24和第二操縱器26可接納有助于成形工件12的多個(gè)部件。這些部件可包括負(fù)載單元50、加熱元件52、主軸54、工具保持件56、56’以及成形工具58、58’。一個(gè)或更多個(gè)負(fù)載單元50可被設(shè)置成檢測(cè)施加在工件12上的力。由負(fù)載單元50提供的數(shù)據(jù)可發(fā)送到控制器28并可用于監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)10的操作，這將在下面更詳細(xì)地描述。負(fù)載單元50可設(shè)置在支持準(zhǔn)確數(shù)據(jù)收集的任何合適的位置，例如靠近加熱元件52、主軸54、工具保持件56、56’或成形工具58、58’。

加熱元件52可以是任何合適的類(lèi)型，并可以是電加熱的或者非電加熱的。加熱元件52可提供能傳遞到工件12的能量，以幫助提供期望的成形和/或表面光潔度特性。加熱元件52可直接或間接地加熱工件12。例如，加熱元件52可設(shè)置在成形工具58、58’中或成形工具58、58’附近，以直接或間接地加熱成形工具58、58’進(jìn)而加熱工件12。在至少一個(gè)其他實(shí)施例中，激光器或加熱元件可直接加熱工件12的至少一部分?；蛘?，一個(gè)或更多個(gè)加熱元件52可設(shè)置在諸如固定組件22的另一系統(tǒng)部件上。與第一操縱器24和第二操縱器26關(guān)聯(lián)的加熱元件52可同時(shí)操作或單獨(dú)操作。在至少一個(gè)實(shí)施例中，加熱元件52的操作可主要加熱工件12的一側(cè)，并可有助于在工件12的不同側(cè)或區(qū)域之間形成應(yīng)力減小或表面光潔度特性方面的差異。

主軸54可被設(shè)置成使工具保持件56、56’和相關(guān)聯(lián)的成形工具58、58’繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)。如果設(shè)置的話，與不旋轉(zhuǎn)的成形工具相比而言，主軸54可安裝在操縱器24、26上并可提供額外的材料成形性能。此外，可對(duì)主軸54主動(dòng)地或被動(dòng)地控制。主動(dòng)控制可通過(guò)對(duì)主軸54的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行編程或控制而進(jìn)行，這可在使或不使主軸的運(yùn)動(dòng)與操縱器24、26的運(yùn)動(dòng)同步的情況下進(jìn)行。被動(dòng)控制可通過(guò)允許主軸54響應(yīng)于對(duì)工件12施加的力(例如經(jīng)成形工具傳遞到主軸54的力)自由旋轉(zhuǎn)而進(jìn)行。

工具保持件56、56’可接納并保持成形工具58、58’。工具保持件56、56’可具有相同或不同的構(gòu)造。工具保持件56、56’可包括能接納成形工具58、58’的一部分的孔。此外，工具保持件56、56’可利用夾具、定位螺釘、過(guò)盈配合或本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的其他結(jié)構(gòu)將成形工具58、58’保持在固定位置。工具保持件56、56’和/或成形工具58、58’還可與自動(dòng)化工具更換器(changer)60關(guān)聯(lián)，該自動(dòng)化工具更換器60可有助于快速互換或更換工具，這也是本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的。

成形工具58、58’可施加成形工件12的力。成形工具58、58’可具有任何合適的幾何結(jié)構(gòu)，包括但不限于平坦的、彎曲的、球形的或錐形的形狀或其組合。此外，成形工具58、58’可構(gòu)造有一個(gè)或更多個(gè)運(yùn)動(dòng)特征或表面，例如輥。具有相同或不同的幾何結(jié)構(gòu)的成形工具可利用第一操縱器24和第二操縱器26設(shè)置。成形工具的幾何結(jié)構(gòu)、硬度和表面光潔度特性(例如，覆蓋層或紋理)的選擇可基于與工件材料的兼容性以及成形后的工件12的期望的形狀、光潔度、厚度或其他設(shè)計(jì)特性。

一個(gè)或更多個(gè)控制器28或控制模塊可設(shè)置用于控制系統(tǒng)10的操作。例如，控制器28可監(jiān)測(cè)并控制固定組件22、操縱器24和26、負(fù)載單元50、加熱元件52、主軸54和工具更換器60的操作。控制器28可適于接收CAD數(shù)據(jù)并提供計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)以根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范成形工件12。此外，控制器28可監(jiān)測(cè)并控制測(cè)量系統(tǒng)62的操作，該測(cè)量系統(tǒng)62可被設(shè)置成在成形過(guò)程期間監(jiān)測(cè)工件12的尺寸特性。測(cè)量系統(tǒng)62可以是任何合適的類(lèi)型。例如，測(cè)量可以基于與工件12的物理接觸，或者可以在不進(jìn)行物理接觸的情況下例如利用激光或光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)執(zhí)行。

如前所述，系統(tǒng)10可用于漸進(jìn)地成形工件。在漸進(jìn)成形中，通過(guò)一系列小的漸進(jìn)變形將工件成形為期望的構(gòu)造。這些小的漸進(jìn)變形可通過(guò)使一個(gè)或更多個(gè)工具沿著或抵著一個(gè)或更多個(gè)工件表面運(yùn)動(dòng)而提供。工具運(yùn)動(dòng)可沿預(yù)定的或編程好的路徑進(jìn)行。此外，工具運(yùn)動(dòng)路徑還可基于例如來(lái)自負(fù)載單元的測(cè)量到的反饋而適應(yīng)性地實(shí)時(shí)編程。因此，成形可在至少一個(gè)工具運(yùn)動(dòng)時(shí)漸進(jìn)地發(fā)生而不用從工件去除材料。

在一個(gè)實(shí)施例中，將要漸進(jìn)地成形的材料可被裝載在系統(tǒng)中?？墒謩?dòng)或自動(dòng)地將可被至少部分地預(yù)成形的材料置于固定組件22中并使其在固定組件22中與開(kāi)口40的至少一部分對(duì)齊。然后可夾持住工件以將材料保持在期望的位置，如前所述。此外，可在將要成形的材料的一個(gè)或更多個(gè)表面上設(shè)置比如蠟或潤(rùn)滑劑的摩擦降低材料，以幫助降低摩擦和/或提高光潔度。

然后可將材料“粗成形”或大體上成形為中間形狀。粗成形會(huì)使材料的形狀變化，使得工件的至少一部分不會(huì)成形為最終形狀或目標(biāo)形狀。粗成形可通過(guò)第一操縱器24和第二操縱器26的操作而完成。例如，控制器28可執(zhí)行使操縱器24、26運(yùn)動(dòng)的程序，使得它們各自的工具接觸材料并對(duì)材料施加力以改變其形狀。一個(gè)或更多個(gè)工具可用于粗成形材料。與使用一個(gè)以上的工具相比，使用一個(gè)工具會(huì)導(dǎo)致對(duì)工件的局部變形控制降低。使用多個(gè)工具結(jié)果可提高尺寸精度，這是因?yàn)樵诠ぜ粋?cè)施加的力會(huì)受位于工件相對(duì)側(cè)的工具施加的力影響或者至少部分地偏置。這樣，一個(gè)工具可提供局部支撐，這減少了材料的局部運(yùn)動(dòng)。

在粗成形期間，操縱器可定位工具或使工具運(yùn)動(dòng)，使得它們不會(huì)相對(duì)地接近(即，工具在位于工件的相對(duì)側(cè)或不同側(cè)時(shí)不會(huì)接近或?qū)R)，如圖2所示。在圖2中，示出的第一工具58和第二工具58’對(duì)工件12施加力，從而產(chǎn)生彎曲表面。在粗成形期間，第一工具和第二工具可沿相同或不同的路徑運(yùn)動(dòng)，這樣的運(yùn)動(dòng)可彼此同步或者彼此不同步。

然后，材料可進(jìn)行“成品成形(finish formed)”，從而獲得最終期望形狀的工件。成品成形可補(bǔ)償設(shè)計(jì)意圖的偏離，這些偏離可能是由于粗成形導(dǎo)致的金屬松弛和工件的整體變形和/或與設(shè)計(jì)意圖不同的工具接觸位置或工具定位而導(dǎo)致的。成品成形可通過(guò)致動(dòng)操縱器進(jìn)行，使得多個(gè)工具相對(duì)地彼此接近(即，工具在位于工件的相對(duì)側(cè)或不同側(cè)時(shí)接近或?qū)R)地定位。在圖3中示出了成品成形的示例性描述。在成品成形期間，可通過(guò)在工件的不同側(cè)施加力使得由一個(gè)工具施加的力由于另一個(gè)工具施加的力而至少部分地偏移或抵消來(lái)調(diào)節(jié)或糾正從期望形狀或目標(biāo)形狀的偏離。更具體地，工具可充分接近地定位，以幫助更精確地控制工件成形。操縱器可在成品成形期間使工具大體上沿相似的路徑運(yùn)動(dòng)到相似的位置，從而獲得和/或保持足夠的接近度。

在成品成形步驟之后，可估計(jì)成形的工件的尺寸。可使用先前描述的測(cè)量系統(tǒng)完成尺寸估計(jì)。如果一個(gè)或更多個(gè)尺寸特征不在預(yù)定公差內(nèi)，則可執(zhí)行其他成形操作和/或可進(jìn)行編程調(diào)節(jié)。然后可從系統(tǒng)上移除成品工件。更具體地，可釋放夾具并使夾具與工件分離，從而可將材料從固定組件上移除。

金屬板的自由成形制造依賴于兩個(gè)觸針式成形工具之間的與這兩個(gè)工具接觸的材料的局部塑性變形。通過(guò)彼此偏移的重復(fù)的成形道次，對(duì)夾具壓力和兩個(gè)接觸觸針式尖端的位移的控制可逐漸使材料牽引(draw)成一形狀。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)材料的塑性變形會(huì)使成形材料的晶粒結(jié)構(gòu)變化和/或使成形材料變薄。例如，成形材料的晶?？衫L(zhǎng)并硬化材料，這與軋制過(guò)程類(lèi)似。材料的這些物理變化會(huì)限制工藝的成形性能。先前描述的牽引材料所需要的成形工藝工具的幾何結(jié)構(gòu)和力通常不能使它們自己成形薄的金屬箔(例如，厚度小于1mm)。此外，對(duì)改善厚度至少為1mm的金屬板的自由成形是有利的是，例如，增大在成形操作期間可對(duì)金屬板進(jìn)行牽引的距離或者減輕材料的晶粒結(jié)構(gòu)或?qū)傩缘淖兓?/p>

已經(jīng)認(rèn)識(shí)到應(yīng)用高頻振動(dòng)(例如超聲波振動(dòng))可提高自由成形制造系統(tǒng)10的性能和/或增大自由成形制造系統(tǒng)10的金屬板的厚度范圍。在不受限于任何特定的理論的情況下，應(yīng)相信通過(guò)向成形工具/尖端施加振動(dòng)，在工具/尖端之間與其接觸的材料隨后被激發(fā)并被加熱，進(jìn)而被軟化。結(jié)果，軟化的材料可提高成形過(guò)程的塑性變形極限。觸針尖端的振動(dòng)結(jié)合對(duì)夾持壓力的控制可直接激發(fā)/加熱/軟化位于尖端之間與其接觸的材料。對(duì)材料的效應(yīng)可以是極快的并可以是局部的，使得材料周?chē)膮^(qū)域不會(huì)受到明顯的影響?？商岣呒舛酥g的局部軟化的材料的塑性變形成形極限，因而允許材料更自由地流動(dòng)和/或成形。與先前的系統(tǒng)相比，材料的激發(fā)可使?fàn)恳?、成形?或塑形材料所需的變形壓力更小，從而允許自由成形制造工藝用于更薄的材料(例如，薄箔材料)。通過(guò)允許更厚的材料被更大程度地牽引和/或成形，更厚材料的自由成形制造也可受益于振動(dòng)輔助式觸針尖端。材料的激發(fā)和隨后的變形可使成形材料屬性的改變最小。因此，自由成形制造尖端的激發(fā)可以使薄的金屬箔能夠使用自由成形制造工藝和/或提高金屬箔的自由成形制造的厚度極限(例如，≥1mm)。

振動(dòng)或激發(fā)可按照多種方式應(yīng)用到自由成形制造系統(tǒng)。在至少一個(gè)實(shí)施例中，振動(dòng)源64可附著、連接或結(jié)合到工具58和58’中的一個(gè)或兩個(gè)。在一個(gè)實(shí)施例中，振動(dòng)源64可包括將其他形式的能量轉(zhuǎn)換成振動(dòng)能的振動(dòng)換能器(例如超聲波換能器)。換能器可以是任何適合類(lèi)型的換能器，諸如接觸式換能器。諸如超聲波換能器的換能器可包括壓電換能器或電容換能器，其將電能轉(zhuǎn)換成聲振動(dòng)。壓電換能器可包括當(dāng)施加電壓時(shí)尺寸變化的壓電晶體。因此，在晶體上施加交流電(AC)使其以非常高的頻率振蕩，產(chǎn)生高頻聲振動(dòng)(例如，超聲波振動(dòng))。除了轉(zhuǎn)換是由于電容的變化而發(fā)生的，電容換能器基于類(lèi)似的原理工作。然而，這些僅是示例，可使用產(chǎn)生振動(dòng)的任何其他適當(dāng)?shù)姆椒?。例如，可使用磁致伸縮材料，在暴露于磁場(chǎng)時(shí)其尺寸改變小的量。

振動(dòng)源64可位于任何適當(dāng)?shù)奈恢?，從而允許振動(dòng)傳遞到工具58和/或58’。振動(dòng)源64可附著到工具保持件56、加熱元件52、負(fù)載單元50、主軸54或與工具保持件56、加熱元件52、負(fù)載單元50、主軸54一體，或者可位于這些部件中的任意兩者之間?？蛇x擇振動(dòng)源64的位置，以允許振動(dòng)源的調(diào)諧與系統(tǒng)的聲學(xué)特性一致。調(diào)諧通常是以聲學(xué)系統(tǒng)的共振頻率的二分之一波長(zhǎng)間隔完成的?？蛇x地，振動(dòng)源64可附著到工具58和/或58’或與工具58和/或58’一體。在這些實(shí)施例中，工具58和/或58’可具有允許振動(dòng)波適當(dāng)?shù)貍鞑サ膸缀谓Y(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施例中，振動(dòng)源64附著到工具保持件56或與工具保持件56一體。在圖4示出的實(shí)施例中，振動(dòng)源64附著到工具保持件56或與工具保持件56一體且振動(dòng)源64被構(gòu)造成沿與工具保持件56的長(zhǎng)軸線66平行且與正在成形的工件12的表面垂直的方向產(chǎn)生振動(dòng)。振動(dòng)源可包括與工具保持件56一體或附著到工具保持件56的換能器68。在圖5示出的實(shí)施例中，振動(dòng)源64(可以是換能器68)附著到工具保持件56或與工具保持件56一體，并被構(gòu)造成沿與工具保持件56的長(zhǎng)軸線66垂直且與正在成形的工件12的表面平行的方向產(chǎn)生振動(dòng)。雖然圖4和圖5中示出的振動(dòng)源64附著到工具保持件56或與工具保持件56一體以使工具58振動(dòng)，但是振動(dòng)源可替代性地附著到工具保持件56’或與工具保持件56’一體以使工具58’振動(dòng)。振動(dòng)源64(例如，換能器68)還可附著到工具保持件56和56’或與工具保持件56和56’一體以使工具58和58’兩者振動(dòng)。工具58’的振動(dòng)可大體上與工具保持件56’的長(zhǎng)軸線66’平行或垂直。

在至少一個(gè)實(shí)施例中，振動(dòng)源64是超聲波換能器。振動(dòng)源64可使工具58和/或58’振動(dòng)。振動(dòng)可以以設(shè)定的頻率范圍(例如，20kHz±500Hz)內(nèi)的固定頻率發(fā)生。頻率范圍還可以在某一時(shí)間段內(nèi)設(shè)定，然后在另一時(shí)間段內(nèi)被調(diào)節(jié)為不同的頻率范圍。可基于工具在工件上的位置、工件的材料屬性的變化、聲學(xué)系統(tǒng)的加熱或其他因素來(lái)調(diào)節(jié)頻率。在一個(gè)實(shí)施例中，頻率可以是至少1kHz，例如，至少5kHz、10kHz、18kHz、20kHz、25kHz、50kHz、60kHz、100kHz或150kHz。在表述為范圍時(shí)，振動(dòng)源64可使工具58和/或58’以1至150kHz的頻率振動(dòng)或其任何子范圍內(nèi)振動(dòng)。例如，工具可以以1至100kHz、10至100kHz、10至90kHz、15至90kHz、20至90kHz、30至90kHz、40至80kHz、50至70kHz、55至70kHz、5至70kHz、5至40kHz、10至35kHz、10至30kHz、15至25kHz或其他子范圍內(nèi)的頻率振動(dòng)。換句話說(shuō)，工具可以以大約20kHz、25kHz、30kHz、35kHz、40kHz、45kHz、50kHz、55kHz、60kHz、65kHz、70kHz、75kHz或80kHz的頻率振動(dòng)，大約指的是±5kHz?？苫趹?yīng)用選擇頻率，并且頻率會(huì)受到諸如材料類(lèi)型(例如，金屬或聚合物)、材料屬性(例如，硬度、晶粒結(jié)構(gòu)等)、期望部件的幾何結(jié)構(gòu)或其他的因素影響。振動(dòng)源64的頻率可由控制器控制，該控制器可調(diào)節(jié)振動(dòng)源的頻率以使整個(gè)聲學(xué)系統(tǒng)保持理想的或接近理想的共振頻率。然而，還可使用以上范圍/值之外的頻率，較低的頻率可能不是很有效，而較高的頻率可能會(huì)減少收益或損壞正在成形的材料。

參照?qǐng)D6至圖8，示出了成形工件12的系統(tǒng)10的示意性示例。在至少一個(gè)實(shí)施例中，如圖6所示，工具58和58’中僅一個(gè)結(jié)合到振動(dòng)源64。例如，工具58可振動(dòng)同時(shí)工具58’不振動(dòng)。在該示例中，工具58可用作焊頭(horn)70而工具58’可用作底砧(anvil)72。在此使用的術(shù)語(yǔ)“焊頭”和“底砧”與超聲波焊接中使用的術(shù)語(yǔ)類(lèi)似。焊頭70是向部件(在本實(shí)施例中是工件12)施加振動(dòng)的部件。底砧72是與焊頭相對(duì)的表面，其可允許定位和/或支撐工件12。底砧72可與焊頭70相對(duì)地設(shè)置，而工件12位于兩者之間。底砧72可以是靜止的(例如，不振動(dòng))。在超聲波焊接中，基本上還存在壓機(jī)(press)以向兩個(gè)正在接合的部件施加壓力，使得振動(dòng)能集中在將要熔化的位置。然而，在本公開(kāi)中，僅一個(gè)工件12成形(沒(méi)有與其他部件附連)，且可通過(guò)操縱器24和26施加在兩個(gè)工具58和58’之間的力而提供壓力。如上所述，振動(dòng)源64可被構(gòu)造為使工具58沿與工具保持件56的長(zhǎng)軸線66平行或垂直的方向振動(dòng)。在圖6示出的實(shí)施例中，振動(dòng)源64被構(gòu)造為使工具58沿與長(zhǎng)軸線66垂直的方向振動(dòng)。

在圖7示出的另一實(shí)施例中，工具58和工具58’兩者都可結(jié)合到振動(dòng)源64。在該實(shí)施例中，工具58和工具58’兩者可彼此獨(dú)立地用作焊頭70或者如果不需要來(lái)自振動(dòng)源64的振動(dòng)時(shí)用作底砧。在工具58和58’都振動(dòng)的實(shí)施例中，振動(dòng)源64可被構(gòu)造成具有相同或不同的頻率。類(lèi)似地，振幅可以相同或不同，且它們可以同相或異相。在一個(gè)實(shí)施例中，工具58和58’可以以相同的頻率和振幅振動(dòng)。在另一實(shí)施例中，它們還可以以異相的方式振動(dòng)。向工具58和58’兩者提供振動(dòng)可增大工件12的激發(fā)量或局部加熱。結(jié)果，可更早地成形工件12和/或可提高牽引極限(例如，更深的牽引或更薄的工件)。如上所述，振動(dòng)源64可被構(gòu)造為使工具58和58’沿與工具保持件56和56’的長(zhǎng)軸線66和66’平行或垂直的方向振動(dòng)。在圖7示出的實(shí)施例中，振動(dòng)源64被構(gòu)造為使工具58和58’沿與長(zhǎng)軸線66和66’平行的方向振動(dòng)。

在圖8示出的另一實(shí)施例中，可移除或不使用系統(tǒng)10中的一個(gè)操縱器，并且可利用模具76來(lái)代替該操縱器。例如，可從工件12上移除或移走操縱器26。在這種替換中，模具76可布置在工件12的一側(cè)(例如，下側(cè))。在另一實(shí)施例(未示出)中，模具76可安裝到操縱器26，代替元件50、52、54、56和58中的一些或所有。模具76可具有呈與期望部件的形狀逆向的形狀的表面輪廓78。操縱器24可利用工具58通過(guò)沿預(yù)定或編程好的路徑行進(jìn)而在模具76上漸進(jìn)地成形工件12，類(lèi)似于上面的描述。如果模具76安裝到操縱器26，則操縱器24可與操縱器26相協(xié)調(diào)地行進(jìn)。在這些實(shí)施例中，工具58可使用振動(dòng)源64而振動(dòng)。與參照?qǐng)D6描述的實(shí)施例類(lèi)似，工具58可用作焊頭70。然而，在模具76用作底砧的這些實(shí)施例中，為工具58提供相對(duì)的表面、支撐和/或定位允許向工具58和模具76之間的工件12上施加壓力。在一個(gè)實(shí)施例中，圖9示出了截面圖的示例，模具76可具有與針對(duì)燃料電池的期望的雙極板(bi-polar plate)的幾何結(jié)構(gòu)逆著的表面輪廓78。模具76可具有多個(gè)凸起80和凹入82，以在所產(chǎn)生的雙極板中形成氣體通道或其他板特征。

如上所述，將振動(dòng)源64增加到系統(tǒng)10中可允許利用自由成形制造系統(tǒng)成形更薄的金屬板。在至少一個(gè)實(shí)施例中，可成形或塑形初始厚度達(dá)1mm的金屬板。例如，可使用包括振動(dòng)源64的系統(tǒng)10來(lái)成形初始厚度小于或等于0.5、0.4、0.3、0.2、0.1或0.05mm金屬板。在一個(gè)實(shí)施例中，金屬板的初始厚度可以為0.05至0.9mm，或其任意子范圍內(nèi)，例如0.05至0.75mm、0.05至0.5mm、0.05至0.25mm、0.05至0.15mm、0.05至0.1mm或大約0.1mm。

除了允許自由成形制造系統(tǒng)10成形或塑形更薄的金屬板，工具58和58’的振動(dòng)還允許更厚的金屬板(例如，≥1mm)的牽引增大。這是由于在牽引期間材料的軟化引起的。牽引的度或極限可基于諸如材料類(lèi)型、材料屬性和幾何結(jié)構(gòu)的因素而變化。與在相同條件但不振動(dòng)的情況下被牽引的相同的金屬板相比，工具58和58’的振動(dòng)可允許金屬板的牽引增大。例如，某些金屬板當(dāng)前具有大約150％的牽引極限。然而，在工具振動(dòng)的情況下，牽引極限可以是175％、200％或更高。

振動(dòng)源64在工具58和/或58’中的產(chǎn)生的振動(dòng)的振幅可根據(jù)被成形的金屬、將要成形的形狀或其他因素設(shè)定。通常，較高的振幅將為工件12提供增大的激發(fā)和/或加熱。在至少一個(gè)實(shí)施例中，振動(dòng)的振幅可以是0.5至100μm或其任意子范圍內(nèi)。例如，振幅可以是0.5至75μm、1至50μm、5至50μm、5至45μm、10至45μm、15至45μm、15至40μm或20至35μm。如上所述，振幅可描述豎直方向(例如，與工件垂直的方向)或水平方向(例如，與工件平行的方向)上的運(yùn)動(dòng)。如超聲波焊接領(lǐng)域所公知的，各種大小的助力器(booster)可增設(shè)到振動(dòng)源64并被包括在系統(tǒng)10中，例如工具或工具保持件中。助力器可使振動(dòng)源64的振動(dòng)的振幅變化(例如，增大)。

包括結(jié)合到振動(dòng)源64的工具的系統(tǒng)10可用于成形或塑形任何金屬板?？捎上到y(tǒng)10成形的金屬的非限制性示例包括鋼、鋁、鈦或其合金。將基于被成形的材料來(lái)大體上調(diào)節(jié)振動(dòng)源的參數(shù)(例如頻率和振幅)、換能器方位、施加到工件上的力、尖端材料或其他。例如，可基于工件的物理屬性和/或特征(例如，厚度、硬度或晶粒尺寸)來(lái)調(diào)節(jié)參數(shù)。

如上所述，工具的振動(dòng)可引起金屬工件的局部加熱，進(jìn)而使其更容易地成形和塑形。工件(例如，工具58和58’之間或者工具58和模具76之間的區(qū)域)的局部溫度可升高至低于金屬工件的熔點(diǎn)的溫度。在一個(gè)實(shí)施例中，合金的局部溫度可通過(guò)振動(dòng)而升高至90to 200°F或其任意子范圍內(nèi)。例如，局部溫度可升高至90至150°F、90至130°F、100至130°F、105至125°F、110至125°F、105至120°F、110至120°F或其任意子范圍內(nèi)。合金的局部溫度還可升高至合金熔化溫度的百分比。例如，合金可被加熱至其熔化溫度的10％至80％或其任意子范圍內(nèi)，例如，其熔化溫度的20％至70％、25％至65％、30％至60％、35％至55％或40％至50％。

振動(dòng)源64可由一個(gè)或更多個(gè)控制器28(或單獨(dú)的控制器)以與上述控制操縱器、負(fù)載單元和其他部件的方式相同的方式控制。例如，控制器28可監(jiān)測(cè)并控制諸如換能器68的振動(dòng)源64的操作?？刂破?8可控制工具的振動(dòng)的頻率、振動(dòng)的振幅、振動(dòng)的正時(shí)或其他參數(shù)。控制器28可響應(yīng)于系統(tǒng)的共振特征而控制振動(dòng)源的參數(shù)。此外，控制器28可監(jiān)測(cè)并控制可被設(shè)置為在成形過(guò)程期間監(jiān)測(cè)工件12的尺寸特征(其可包括工件12的局部溫度和/或工件12的振動(dòng)的頻率和/或振幅)的測(cè)量系統(tǒng)62的操作。

可采用所公開(kāi)的系統(tǒng)和方法來(lái)成形具有復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)的工件，而不會(huì)增大與設(shè)計(jì)、制造和傳統(tǒng)上成形諸如金屬板的工件所采用的模具的運(yùn)輸關(guān)聯(lián)的前置時(shí)間和成本。此外，可降低或避免相關(guān)設(shè)備(例如，壓機(jī))的資本投資。這樣，可大體上減少每個(gè)工件的成本和制造時(shí)間。此外，與諸如單點(diǎn)漸進(jìn)成形的其他技術(shù)相比，所公開(kāi)的系統(tǒng)和方法可生產(chǎn)具有改善的表面質(zhì)量和尺寸精確度的部件。此外，可降低能量消耗?？稍跇訖C(jī)、小批量生產(chǎn)和/或較大批量生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)點(diǎn)。

雖然以上描述了示例性實(shí)施例，但這些實(shí)施例并未旨在描述本發(fā)明的所有可能的形式。相反，在說(shuō)明書(shū)中使用的詞語(yǔ)是描述性詞語(yǔ)而非限制性詞語(yǔ)，應(yīng)該理解，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下能夠進(jìn)行各種變化。此外，各個(gè)實(shí)施例的特征可組合，以形成本發(fā)明的進(jìn)一步的實(shí)施例。