專利名稱：工件成型的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種工件成型的方法，更具體地說，涉及一種合適材料的超塑性成型的方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，某些合金在特定的高溫下具有超塑性，在這些溫度下，超塑性可以有效地使合金形成所需的形狀。
工件成型的一種方法是將合金材料板放在沖模上或模具上，然后將工件加熱到可以使該合金具有超塑性的溫度，然后再給工件施加壓力，例如可以通過在工件的上表面施加較高的液壓，同時在工件和沖模之間的區(qū)域保持較低的壓力。然后，工件將獲得沖模內(nèi)表面的形狀。
然而，這種方法的缺點在于系統(tǒng)具有較大的熱質(zhì)量。也就是說，不僅工件需要加熱到可以使其具有超塑性的溫度，而且通常情況下整個的加工內(nèi)腔也必須加熱到同樣的溫度。這樣很明顯需要輸入大量的能量用于形成所需的工件。
美國專利號5,592,842公開了一種尋求避免需要模具的方法。具體地說，該文件提議采用激光束局部加熱部分工件，然后與傳統(tǒng)方法一樣再施加液壓。
然而，這種方法的缺點在于其不能精確地控制最終產(chǎn)品的形狀。
此外，這種已公開的方法不能用于使工件退火，而不經(jīng)過退火，后續(xù)成型將不會令人滿意，或者說該方法不能用于成型后對工件進(jìn)行加熱，從而消除可能由于成型過程而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，其提供一種工件成型的方法，包括步驟
將工件固定成與模具相鄰接；采用激光束將至少工件的一部分加熱到足夠產(chǎn)生超塑性的溫度；以及給工件施加液壓，從而使其獲得模具的形狀。
這種方法的優(yōu)點在于材料的超塑性特性能夠用于使工件精確地形成所需的形狀，而不需要將整個加工內(nèi)腔加熱到超塑性溫度。
優(yōu)選地，在采用激光將工件加熱到其超塑性溫度之前，將工件夾緊，并采用激光將整個工件加熱到完全均勻的溫度以使其退火。
同樣優(yōu)選地，在采用激光使工件超塑性成型之后，可采用激光將整個工件加熱到完全均勻的溫度以消除任何殘余應(yīng)力。
這種方法的優(yōu)點在于整個成型過程的實現(xiàn)能夠作為單一加工設(shè)備的單一加工過程。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，其提供一種成型設(shè)備，其包括激光光源并且具有用于將工件固定成與模具相鄰接的裝置。


為了更好的理解本發(fā)明，并且顯示其如何實施，現(xiàn)將參照實例和附圖進(jìn)行說明，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的一方面顯示成型設(shè)備的截面示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一方面顯示加工過程的流程圖；圖3至5顯示根據(jù)本發(fā)明用于典型工件上的加熱方式；圖6是根據(jù)本發(fā)明的可選設(shè)備的截面示意圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的另一可選設(shè)備的截面示意圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的另一可選設(shè)備的示意圖；圖9至11顯示根據(jù)本發(fā)明的一方面加工過程中狀態(tài)的示意圖。
具體實施例方式
圖1是根據(jù)本發(fā)明的一方面中成型設(shè)備的截面示意圖。該設(shè)備包括具有觀察口12的壓力容器10。壓力容器10包括能夠施加如箭頭A-A和B-B所示的夾緊力以使工件18固定于位置上的夾緊裝置14和16。
工件18為所需的超塑性合金板。正如本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員所知，例如，超塑性合金可以是鈦合金。
優(yōu)選地，所提供的工件18最初是平的。圖1顯示工件具有部分變形。
設(shè)備包括模具20，其位于由陶瓷材料制成的絕緣環(huán)22的內(nèi)部。模具20的上表面24與成型后的零件所需的形狀相同，并且模具20還進(jìn)一步包括排放通道26和28。
模具20可以由金屬或陶瓷材料制成。
設(shè)備同樣還包括激光源30，其中包括用于控制激光束32的聚焦和方向的裝置。
壓力容器10同樣還包括用于氣體的入口34，也包括用于氣體的出口36。
圖2是顯示根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選方面，采用如圖1所示設(shè)備的加工過程的流程圖。
首先，優(yōu)選地，工件通常是平板形式的超塑性材料，在加工過程的步驟50中，將工件在夾緊裝置14和16中夾緊。然后，在步驟52，容器可以通過例如出口26、28、34和36用真空泵抽真空。接下來，在步驟54中，在容器中充入諸如氬氣的低壓惰性氣體。這種惰性環(huán)境可以使得要加熱的零件不會受到大氣中氣體的污染。
接下來，在步驟56中，用激光源30將整個工件18加熱到足夠高的溫度以使其完全退火和應(yīng)力釋放。如圖3所示，可以通過適當(dāng)?shù)乜刂萍す庠?0，實現(xiàn)將整個工件18充分均勻地加熱。例如，可以使激光束散焦，從而使其可以到達(dá)工件18的所有部分或者聚焦的光束能夠在整個的表面區(qū)域進(jìn)行掃描。
退火以后，在步驟58中，工件可以冷卻到低于超塑性溫度以下，或者如果可能的話，工件可以冷卻到晶粒生長的溫度以下。
接著，在加工過程的步驟60中，利用激光源30將工件18加熱到其超塑性成型(SPF)溫度，例如，在935℃的溫度。在此例中，如圖4所示，激光源30可以給工件18的不同區(qū)域提供不同的能量。因此，僅僅為了圖示的目的，在圖4中示出了環(huán)帶80、82和84，并且它們可以接收不同的能量級別。用這種方法控制所提供能量的數(shù)量可以使得在工件的一些部分而不是在其它部分優(yōu)先地產(chǎn)生超塑性。
接下來，在加工過程的步驟62中，給容器增壓。也就是說，為了增加工件18上表面的壓力，通過氣體入口34將諸如氬氣的惰性氣體引入容器中。同時，使氣體通過氣體排除通道26和28從工件18的下面排出。在此優(yōu)選具體實施方式
中，壓力容器10中的工件18上面的氣體壓力可以增加到30或40個大氣壓(3兆帕或4兆帕)。
這種壓力迫使熱工件進(jìn)入模具20中，從而形成與模具的內(nèi)表面24具有相同形狀的零件。
一旦形成零件，用激光源30將已成型的零件再加熱(在圖2中的步驟64中)。如圖5所示，例如由于工件18的形狀現(xiàn)已是非平面的，所以激光源產(chǎn)生的熱能分布圖可能需要改變，例如在環(huán)帶92和94之間。用這種方法加熱零件可以消除零件中的任何殘余應(yīng)力，而這正是為了生產(chǎn)高精度和高重復(fù)性而不出現(xiàn)的零件，成型加工需要取得的結(jié)果。接下來，還要使零件冷卻(參見圖2中的步驟66)，最后，在圖2所示的加工過程的步驟68中，使容器減壓。
圖6顯示根據(jù)本發(fā)明一方面的一種可選成型設(shè)備。圖6的成型設(shè)備可適用于使由兩種材料制成的零件成型。
圖6的設(shè)備與圖1所示的設(shè)備稍微有些相似，相同的附圖標(biāo)號表示相同的零件，并將不會作進(jìn)一步的說明。
在圖6中所示的設(shè)備中，設(shè)備包括第二激光源(未示出)，其位于設(shè)備的一個相對的端部。壓力容器包括用于固定兩個對半模具100和102，用于夾緊兩片其邊緣可能融于一體的工件104和106，以及通過入口108，用于在兩塊工件104和106之間引入高壓氣體的裝置。
在這種情況下，激光源可以用于加熱對半模具100和102，并因此將兩塊工件104和106的溫度提高到其SPF(超塑性成型)溫度?？蛇x擇地，并方便地是，對半模具100和102可以由對激光透光的材料制成，從而使激光源可以穿透對半模具，并直接加熱工件塊。用于此目的的合適模具材料可以是非結(jié)晶的或結(jié)晶的陶瓷材料，例如要確保陶瓷材料的晶粒尺寸小于激光的波長。
對半模具100和102可以設(shè)計成能夠重復(fù)使用或制成可以可處理的襯墊。
在如圖6所示的設(shè)備中，雖然在這種情況下，為了將工件塊強(qiáng)行壓入各自的對半模具100和102中，需將高壓氣體引入兩塊工件104和106之間，但成型過程總體上與參照圖2所描述的過程相似。在此情況下，在工件中要保持所需的高壓，并與圖1所示的情形相比，具有相對較小的體積。
圖7是根據(jù)本發(fā)明一方面的另一成型設(shè)備的示意圖。圖7的設(shè)備總體上與圖1的設(shè)備相似，并且兩圖中相同的附圖標(biāo)號表示相同的部分，并且這些部分將不會進(jìn)行再進(jìn)一步的說明。
在圖7的設(shè)備中，在伺服系統(tǒng)124的控制下，模具120由包含大量可單獨移動支柱122的陣列所形成。雖然在圖7中只有一些支柱122，實際設(shè)備中可能包括幾百或幾千根這樣的支柱。
各支柱具有由陶瓷材料制成或涂有一層陶瓷材料的頂部126。
伺服系統(tǒng)124可以控制各支柱122的高度，并且同樣可優(yōu)選地在很小程度上控制支柱的橫向位置。用這種方法，支柱122的陣列可以用于形成任何所需形狀的模具。使用后，支柱的位置可以調(diào)整以形成所需不同形狀的模具。這樣不需要相應(yīng)數(shù)量的不同模具就可以使許多不同的零件成型。
成型過程與前面所述相同，其中工件需要在模具中夾緊，然后加熱到其超塑性溫度，接著再施加壓力，從而使工件獲得模具的形狀。
可以理解的是，這種模具同樣可以用于如圖6所示的可以使由兩塊材料制成的零件成型的設(shè)備中。
還需進(jìn)一步注意的是，這種模具可以用于許多不同的成型過程，并不僅僅是這些涉及到工件的激光加熱或超塑性的方面。
因此，根據(jù)本發(fā)明的一方面，所提供的可調(diào)節(jié)模具包括多個可單獨調(diào)節(jié)的支柱，以及用于控制支柱高度，從而支柱的末梢端連在一起形成模具表面的裝置。
圖8顯示出這種模具的另一應(yīng)用。在此情況下，設(shè)備用于使由兩種材料制成的零件成型。圖8的模具總體上與圖7的模具相似，并且兩圖中相同的附圖標(biāo)號表示對應(yīng)的特征部分，并且這些部分將不會再進(jìn)一步說明。
在此情況下，設(shè)備包括兩個模具140和141，其總體上與圖7的模具120相似，還包括用于夾緊兩塊工件142、144的設(shè)置以及用于在它們之間引入高壓液體的入口146。
在圖8的設(shè)備中，第一組支柱148各容納有光纖150，其可以將從激光源(未示出)發(fā)出的輻射導(dǎo)向到各自工件的鄰近區(qū)域。此外，第二組支柱152各具有各自的通道154，其可以引導(dǎo)冷卻氣體以進(jìn)入各自工件的鄰近區(qū)域。第一和第二組的支柱148和152總體上可以在各自的模具表面上相互交替。
因此，圖8的設(shè)備可以精確控制工件的表面溫度，如果需要，可以只在工件的部分表面產(chǎn)生超塑性。
如現(xiàn)有技術(shù)所知，采用兩塊工件超塑性成型，可以采用內(nèi)部擴(kuò)散粘合、網(wǎng)狀支撐的結(jié)構(gòu)使零件成型。
圖9至11示出了根據(jù)本發(fā)明的這種加工過程。因此，如圖9所示，激光源可用于分別預(yù)處理兩塊工件164和166的各自外表面160和162。在此，激光源能夠形成可控光束，例如圖9的軌跡168所示，其可以用于在表面160和162上進(jìn)行掃描。這樣可以消除出現(xiàn)在表面160和162上的任何氧化物，并且可將已蒸發(fā)的氧化物排出壓力容器。
眾所周知，兩塊工件164和166可以沿線170擴(kuò)散粘合在一起。接下來，當(dāng)兩塊工件164和166加熱到其超塑性成型(SPF)溫度，并將高壓液體通過入口172引入到它們之間時，如圖10所示，兩塊工件受力分開。
最終，如圖11所示，外表面160和162的區(qū)域相接觸，并且表面預(yù)處理可以形成高質(zhì)量的第二擴(kuò)散粘合處174。
在預(yù)處理中采用激光意味著采用相同的成型設(shè)備，這可以作為成型過程的一部分。
因此，本發(fā)明公開了可以有效利用超塑性成型的制造方法。
權(quán)利要求
1.一種工件成型的方法，包括步驟將工件固定成與模具相鄰接；采用激光束將至少工件的一部分加熱到足夠使其產(chǎn)生超塑性的溫度；給工件施加液壓，從而使其獲得模具的形狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述固定工件的步驟包括夾緊與模具相鄰接的工件；采用激光將整個工件加熱到完全均勻的溫度以使其退火；以及將工件的溫度減少到其超塑性溫度以下。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，在工件成型后，還進(jìn)一步包括步驟采用激光將整個工件加熱到完全均勻的溫度以消除其中的任何殘余應(yīng)力。
4.根據(jù)前述任何權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所述模具包括第一和第二對半，并且所述工件包括第一和第二塊，所述方法包括步驟將工件的第一和第二塊分別固定成與模具的第一和第二對半相鄰接；采用激光將至少工件的第一和第二塊的部分加熱；以及給工件的第一和第二塊施加液壓，從而使其獲得各自模具的第一和第二對半的形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述施加液壓的步驟包括在所述工件的第一和第二塊之間施加增加的液壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的方法，其特征在于所述模具至少第一和第二對半之一對激光是透光的，并且采用激光加熱至少工件的第一和第二塊的部分的步驟包括通過所述的模具的透明對半以加熱至少工件的第一和第二塊之一的步驟。
7.根據(jù)前述任何權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所述模具包括多根可單獨移動的支柱，這樣支柱的末端形成模具的表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述多根支柱中至少數(shù)個包括用于將激光束引導(dǎo)到固定成與其相鄰接的工件上的裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征在于所述多根支柱至少數(shù)個包括用于將冷卻劑引入到固定成與其相鄰接的工件上的裝置。
10.一種成型設(shè)備，其包括用于固定模具的裝置；用于夾緊與模具相鄰接的工件的裝置；適于加熱固定于夾緊裝置中的工件的至少部分的激光源；以及用于給工件施加液壓，從而使其獲得模具的形狀的裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的成型設(shè)備，其特征在于用于給工件施加液壓的裝置包括用于將液體引入離開模具的工件一邊的裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的成型設(shè)備，其特征在于用于給工件施加液壓的裝置包括用于在工件和模具之間的區(qū)域排放的裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的成型設(shè)備，其特征在于用于固定模具的裝置包括用于固定第一和第二對半模具的裝置，以及用于夾緊工件的裝置包括用于分別夾緊與第一和第二對半模具相鄰接的第一和第二工件塊的裝置。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的成型設(shè)備，其特征在于用于施加液壓的裝置包括在第一和第二工件塊之間施加增加的液壓的裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的成型設(shè)備，包括在其中至少第一和第二對半模具之一對激光是透光的模具。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的成型設(shè)備，其特征在于所述模具包括多根可單獨移動的支柱，這樣支柱的末端形成模具的表面。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的成型設(shè)備，其特征在于所述多根支柱中至少數(shù)個包括用于引導(dǎo)激光束到固定成與其相鄰接的工件上的裝置。
18.根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的成型設(shè)備，其特征在于所述多根支柱中至少數(shù)個包括用于將冷卻劑引入到固定成與其相鄰接的工件上的裝置。
全文摘要
一種工件(18)成型的方法，包括步驟將工件固定成與模具(20)相鄰接；采用激光(30)將至少工件的一部分加熱到足夠產(chǎn)生超塑性的溫度；以及給工件施加液壓，從而使其獲得模具的形狀。這種方法的優(yōu)點在于材料的超塑性特性能夠用于使工件精確地形成所需的形狀，而不需要將整個加工內(nèi)腔加熱到超塑性溫度。在采用激光將工件加熱到其超塑性溫度之前，可以用激光將整個工件加熱到完全均勻的溫度以使其退火。同樣地，在采用激光使工件超塑性成型之后，可采用激光將整個工件加熱到完全均勻的溫度以消除任何殘余應(yīng)力。這種方法的優(yōu)點在于整個成型過程能夠在作為單一加工設(shè)備的單一加工過程中實現(xiàn)。
文檔編號B21D26/055GK1538886SQ02815534
公開日2004年10月20日 申請日期2002年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月8日
發(fā)明者邁克爾·科林·阿克曼, 特里·弗勞爾, 艾倫·基維爾, 杰羅姆·韋, 艾倫·喬斯林, 道格拉斯·納什, 阿拉溫達(dá)·卡爾, 韋, 喬斯林, 基維爾, 弗勞爾, 斯 納什, 達(dá) 卡爾, 邁克爾 科林 阿克曼 申請人:西英格蘭布里斯脫大學(xué)