專利名稱：可重新配置的工具和/或模具、用于工具和/或模具的可重新配置嵌入件及使用方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及一種可重新配置的工具和/或模具?？芍匦屡渲玫?工具和/或模具可以適用于使用相同工具和/或模具制造具有不同幾何形 狀的部件或零件。
背景技術：
對于形成金屬或塑料部件的工藝，通常會具有不同的工具和/或模 具。制造甚至僅僅幾何形狀或尺寸具有某些很小差別的部件都必須有不 同的工具和/或模具。而且，如果部件需要形成為僅具有很小幾何形狀或 尺寸變化的不同構造，則采用不同工具/模具。結果，制造者一般必須花 費顯著的資源以適應制造各種部件所必要的各種工具和/或模具。這些資 源不僅包括采購各種工具和/或模具的經濟成本，而且還包括與在不同形 成操作之間更換工具和/或模具相關聯的成本。所以，需要一種可用于制造不同部件的可重新配置的工具和/或模 具，其中該可重新配置的工具和/或才莫具可以選擇性地改變來適應多于一 種的部件構造。發(fā)明內容本文公開了可選擇性改變來使用相同工具和/或模具適應多于一種 零件或部件構造的可重新配置的工具和/或模具以及嵌入件。在一個實施例中，可重新配置的工具和/或模具包括包括形狀限定表面的陽模；包 括形狀限定表面的陰模；形成所述陽模和陰模的形狀限定表面中所選之 一或兩者的至少一部分的形狀記憶材料，其中所述形狀記憶材料響應于 激活信號選擇性地改變所述形狀限定表面中所選之一或兩者的幾何形狀。一種用于工具和/或模具的嵌入件，包括具有形狀限定第一表面的 形狀記憶材料，所述形狀限定第一表面適于響應于激活信號改變到形狀 限定第二表面，其中所述第 一和第二表面具有不同的幾何形狀。
一種方法用于使用可重新配置的工具和/或模具形成具有限定幾何 形狀的第 一零件和具有不同于第 一零件限定幾何形狀的限定幾何形狀 的第二零件，所述方法包括用所述可重新配置的工具和/或模具形成所 述第 一零件，其中所述可重新配置的工具和/或模具包括形狀限定表面， 所述形狀限定表面包括由形狀記憶材料形成的至少 一部分，其中用所述 可重新配置的工具和/或模具形成所述第一零件的步驟產生具有限定幾何形狀的所述第 一零件；激活所述形狀記憶材料以改變所述形狀限定表 面；以及用所述改變的形狀限定表面形成所述第二零件以產生具有限定 幾何形狀的所述第二零件，其中所述第二零件限定幾何形狀與所述第一 零件限定幾何形狀不同。
在另 一 實施例中， 一種方法用于使用工具和/或模具組形成具有限定 幾何形狀的第 一零件和具有不同于第 一零件限定幾何形狀的限定幾何 形狀的第二零件，所述方法包括將嵌入件嵌入工具和/或模具組中，其 中所述嵌入件包括具有至少一個形狀限定第一表面的形狀記憶材料，所 述形狀限定第一表面適于響應于激活信號改變到形狀限定第二表面，其 中所述第 一和第二形狀限定表面具有不同的幾何形狀；使坯料與所述嵌 入件和所述工具和/或模具組接觸以形成具有限定幾何形狀的所述第一 零件；激活所述形狀記憶材料以使所述形狀限定第一表面改變成形狀限 定第二表面；以及使另 一坯料或所述第 一零件與所述嵌入件的形狀限定 第二表面和所述工具和/或模具組接觸以形成具有限定幾何形狀的所述 第二零件，其中所述第二零件限定幾何形狀與所述第一零件限定幾何形 狀不同。
在另一實施例中， 一種用于保持工具的夾具包括可旋轉地聯接到 扭簧的殼體，所述扭簧包括形狀記憶材料，所述形狀記憶材料響應于激 活信號而改變所述形狀記憶材料的至少一個屬性，其中所述至少一個屬 性的改變使所述殼體繞中心軸線旋轉；以及從所述殼體伸出的臂。
通過以下附圖和詳細說明舉例說明上述和其它特征。


現在參照作為示例性實施例的附圖，其中相似的元件相似地編號 圖1和2示意性示出用于形成具有不同幾何形狀的零件或部件的可 重新配置的工具和/或模具；
圖3和4示意性示出用于沖壓具有不同幾何形狀的零件或部件的可重新配置的工具和/或才莫具；圖5示意性示出用于形成具有不同幾何形狀的零件或部件的標準化 工具和/或才莫具的可重新配置的嵌入件；圖6示意性示出與用于形成具有不同幾何形狀的零件或部件的標準 化工具和/或模具一起使用的多個可重新配置的嵌入件；圖7示意性示出根據另一實施例用于形成具有不同幾何形狀的零件 或部件的標準化工具和/或才莫具的可重新配置的嵌入件；以及圖8示意性示出可重新配置的夾具。
具體實施方式
本文公開了可重新配置的工具和/或模具，其可以選擇性地重新配置 來使用相同的工具和模具形成或模制不同的部件和/或零件或者相同零 件的不同幾何形狀?？芍匦屡渲玫墓ぞ吆?或模具包括可以選擇性激活來 向工具和/或模具提供不同幾何形狀的形狀記憶材料。這樣，相同的工具 和/或模具可以有利地用于生產具有不同幾何形狀的零件或部件，由此對 制造工藝提供重要的商業(yè)上的優(yōu)點。形狀記憶材料可以整體或部分與工 具和/或模具成為一體，或者可以具有與標準工具和/或模具一起使用的嵌入件的形式。本文還公開了可重新配置的夾具和/或卡具，其以相似方 式利用形狀記憶材料來向待加工的零件和/或部件提供例如主動和選擇 性的定位。有利地，可以在柔性制造系統(tǒng)中采用該可重新配置的夾具和 /或卡具，以消除現有技術的被動定位機構，例如螺紋釘、凸輪、螺線管等。因為從公開文獻公知形狀記憶材料的一般特性，所以對其將不進一 步詳細描述。現在參照圖1，示出了總體示為10的可重新配置的工具和/或模具 組件，其包括陰模12和陽模14。在工作期間，陰模12和陽模14匹配 到一起以使布置在其間的坯料16成形。所示可重新配置的工具和/或模 具組件10用作示例而非限制為任何具體形式或形狀。類似地，坯料16 并不用于限制為任何具體形狀。在此具體示例中，坯料16示為具有平 面表面的基體。但是，從本發(fā)明應該清楚合適的坯料可以包括各種不同 形狀和幾何形狀，其中術語"坯料"可以一般地定義為由可重新配置的 工具和/或模具加工的部件或零件。坯料16可以由任何可變形和/或可才莫
制材料制成。例如，坯料可以是熱塑性塑料、壓塑性塑料(baroplastic)、如圖1所示，可重新配置的工具和/或模具10最初配置成在陰模12 與陽模14匹配時提供具有半圓形形狀17的坯料16。陰模12包括半圓 形形狀的凹部18，而陽模14包括半圓形形狀的突起20,其中突起20 和凹部18的位置互補。 一旦這樣使期望數量的坯料16成形，則可重新 配置的工具和/或模具10可以重新配置成生產具有不同形狀的坯料16, 例如如圖2所示的餅形。各個模具中至少對加工坯料限定不同幾何形狀 的部分由形狀記憶材料形成或者與形狀記憶材料具有配合關系。為了實 現幾何形狀的變化，通過激活形狀記憶材料來重新配置工具和/或模具。 如本領域技術人員所熟知的，形狀記憶材料一般包括其中形狀和/或模量 特性可以借助所施加的激活信號而選擇性改變的材料。通過激活形狀記 憶材料，工具和/或模具的幾何形狀改變，然后使用該工具和/或模具來 形成坯料16。例如，如圖所示，陰模12和陽模14的形狀記憶材料部分 包括限定坯料的幾何形狀的區(qū)域，該區(qū)域的形狀從圖l所示的其開始的 半圓形構造18、 20分別變成圖2所示的餅形構造22、 24。這樣，用重 新配置之后的同 一工具和/或模具10加工的坯料16形成與之前獲得的例 如零件17不同幾何形狀的零件26。通過如上所述使用形狀記憶材料，部分或整個由形狀記憶材料制成 的單個工具和/或模具可以適用于制造兩種(使用下面所討論的單程形狀記憶效應)或三種(使用下面所討論的雙程形狀記憶效應)不同零件(即 部件)或者需要多個形成操作(僅具有其間的某些最小形狀和尺寸變 化)的部件。例如，形狀記憶合金是可以按照成分表現出單程形狀記憶 效應或雙程形狀記憶效應的形狀記憶材料。雙程形狀恢復提供恢復高溫 形式和低溫形式兩者的能力，而單程形狀恢復僅僅提供恢復一種這樣形 式的能力。如果單個工具或模具包含可以獨立激活的多個活性材料區(qū) 域，則可以用同一工具/模具制造許多不同的部件/零件幾何形狀，該數 量僅僅受到激活區(qū)域的可能組合的數量所限制。通過形狀記憶材料的激活在工具和/或模具的(多種)形狀記憶材料 中選擇性產生相變而獲得在不同形成操作中實現的幾何形狀或尺寸的 變化(重新配置)。相變的具體類型將取決于所使用的形狀記憶材料的 類型，例如形狀記憶合金可以經歷其晶體結構從馬氏體到奧氏體的相
變。類似地，激活可以通過各種措施實現，包括但不限于磁、電、熱、 應力激活和包括上述激活信號中至少之一的組合。所期望的工具和/或模 具的構造通過先驗進行的訓練過程記憶到形狀記憶材料中。當然，本領 域技術人員應該清楚，實際成形工藝中采用的壓力和溫度將需要考慮具 體形狀記憶材料的特性，使得可以發(fā)生所期望的尺寸變化。如前所述，整個工具和/或模具或者工具和/或模具的部分可以由形 狀記憶材料制成。后者的示例包括只有表面層(在模具的陰模部分、陽 模部分或者兩個部分上)由形狀記憶材料制成的模具以及其中只有段/ 部分/區(qū)域由形狀記憶材料制成的模具。有利地，可重新配置的工具和/ 或模具可以用于生產整體相似但具有局部差別的零件，這些局部差別通過激活模具的形狀記憶材料部分來實現。圖3和4示意性示出適于拉伸和/或沖壓操作的總體示為30的可重 新配置的工具和/或模具組件。所示可重新配置的工具和/或模具30總體 包括用于沖壓或拉伸坯料16的T形陽模32和陰模34。模具之一或兩者 32和/或34包括用于改變相應陽模和/或陰模部分32、 34的形狀的形狀 記憶材料。形狀記憶材料以前述方式布置在相應陽模和/或陰模部分 32、 34的整體或部分中。如圖4更清楚示出的，激活形狀記憶材料以實 現工具和/或模具從第一形狀到第二形狀如36到38和/或40到42的重 新配置。形狀記憶材料的激活的效應示為如虛線結構所示的陽模32和 陰模34的側向尺寸的變化，該變化有效減小了沖壓區(qū)域。同樣，模具 30可以產生具有不同沖壓幾何形狀44、 46的坯料。類似地，模具30可 以配置成產生由于拉伸操作而具有不同幾何形狀例如不同厚度的坯料 16。應該注意圖1-4所示可重新配置的工具和/或模具僅僅是示例性 的。本領域技術人員在了解本發(fā)明的情況下將清楚各種改變和尺寸變化。本文所/>開的可重新配置的工具和/或模具還可以適于對之前加工 的坯料提供精加工屬性。有利地， 一旦坯料的總體形狀已經限定，則可 以在同一工具和/或才莫具中施加精加工屬性。在這些示例中，工具和/或 模具的構造是靜態(tài)的，并使用由形狀記憶材料形成的可重新配置的嵌入件。作為示例，如圖5所示，由形狀記憶材料形成的嵌入件52可以用
于總體包括陽模58和陰模56的標準工具和/或模具50 (非可重新配置的)。但是，應該注意可以在可重新配置的工具和/或才莫具中利用可重新 配置的嵌入件，這對于一些應用可能是期望的。盡管示出了一個嵌入 件，但本申請并不限于一個。可以在工具和/或模具中可以采用附加的嵌 入件來在選擇性激活時提供局部化改變，以對所加工的零件產生各種不同幾何形狀和精加工屬性。如圖所示，嵌入件52位于陽模58和坯料16 之間。全局特征首先施加到坯料16,其非常接近陽模58的成形表面。 形狀記憶嵌入件52可以隨后激活以提供如重新配置的嵌入件54所示的 更多的細節(jié)。在此示例中， 一旦激活，則重新配置的形狀記憶嵌入件54 表現出接近陰模56的形狀的形狀變化，該形狀變化隨后可以在陽模58 和陰模56配合時傳遞到坯料16?？梢詫⒂尚螤钣洃洸牧闲纬傻那度爰?2用于多個模具，或者替代 地可以將多個嵌入件用于同一模具。這樣，采用嵌入件的工具和模具極 其通用。例如，特征具有很小變化的零件例如用于不同車輛的面板可以 在不必對機加工或成形工藝的每個步驟使用單獨的工具和模具的情況 下進4亍才幾力p工。在一個實施例中(例如圖5所示)，嵌入件52在激活時恢復到的 訓練形狀具有限定的表面特征。在工作中，可重新配置的嵌入件52可 以是完全被動的且不在坯料16上施加特殊特征，或者可以在閉合模具 56、 58來施加表面特征之后激活。在后一情況下，現在具有如標號54 所示嵌入件的形狀的嵌入件如果是由單程形狀記憶材料制成的，則在去 活之后，應該在重新使用之前重新沖壓以將嵌入件54恢復到嵌入件52 的原始幾何形狀。在另一實施例中，如圖6所示，多個可重新配置的嵌入件可以用于 總體包括陽模58和陰模56的標準工具和/或模具50 (非可重新配置 的)。陰模56構造具有一個或多個幾何形狀特征。陽模58包括一些共 用互補部分，以允許陰模與陽模匹配但缺少陰模中的 一些互補的幾何形 狀特征。在模具56、 58閉合時，第一可重新配置的嵌入件52 (例如由 處于其非活化低溫低模量狀態(tài)下的形狀記憶合金形成的嵌入件)被激活以對應于特定陰模的幾何形狀來生成零件60。在打開模具56、 58時且 移除坯料之后，嵌入件52可以恢復到其原始幾何形狀。然后可以使用 第二可重新配置的嵌入件62來選擇性地施加其它特征。于是與需要機
械重新成形的實施例不同，可以在形成具有不同幾何形狀的零件之間所需要的形狀記憶材料激活時重復使用可重新配置的嵌入件52、 62。圖7示意性示出另一實施例，其采用單個可重新配置的嵌入件52 來生成具有不同幾何形狀的各種零件。嵌入件52布置在坯料16和陰模 56之間。陰模56包括多個特征并重復使用，同時采用具有特定特征的 多個陽模66、 68。作為示例，陽模66如圖所示具有位于左側的升高的 突起。將具有多個特征的陰模56與此特定陽模66匹配且與可重新配置 的嵌入件52 —起包括待成形的坯料16可以產生零件70。在閉合模具 時，使嵌入件52 (示例是處于其非活化的低溫低模量狀態(tài)下的SMA) 變形以對應于特定陽模的幾何形狀。在打開模具時且移除零件之后，嵌 入件52可以簡單地通過重新加熱而恢復到其原始幾何形狀。于是與需 要機械重新成形的其它實施例不同，可以在形成具有不同幾何形狀的零 件之間僅僅需要激活活性材料的情況下重復使用單個嵌入件。用陽模68 代替陽模66導致產生零件72。使用形狀記憶合金作為形成嵌入件52的 示例性材料，本實施例涉及形狀記憶合金的嵌入件中應力產生的超彈 性。由于這一點，嵌入件52將在打開模具時恢復到其原始幾何形狀。領域技術人員考慮到本發(fā)明將認識到其它變化。例如，可以采用多個嵌 入件用于具有多個特征的陰模和陽模部分以生成具有不同幾何形狀和/ 或表面紋理的多個不同零件?？芍匦屡渲玫墓ぞ?、模具和/或嵌入件對于制造熱塑性或薄板金屬零 件特別有吸引力，此時形成零件所需的力相對較低。特定的形狀記憶材 料一般確定了對于力水平的約束。而且，可重新配置的工具、模具和/ 或嵌入件還適合用于注入模制工藝。此外，本領域普通技術人員將認識 到，可重新配置的工具、模具、嵌入件還可以用于快速原型機和表面紋 理。例如，與幾何形狀(形狀)的變化不同，嵌入件可以用于對坯料提 供紋理的變化。如前所述，形狀記憶材料還可以用于可重新配置的夾具和卡具。夾 具一般用于保持工具，其中使用機械、伺服液壓、氣動和/或電裝置來手 動或自動引導工具。這一般涉及復雜的驅動機構、被動機構(例如凸輪、 連桿驅動螺釘)以及協(xié)同工作以實現所需定位和運動的其它機構。這里 所公開的可重新配置的夾具可以采用由形狀記憶材料形成的纜線或彈 簧或補片等，以將所需工具主動定位成所需順序以及通過施加實現例如 切割和進給深度所期望的運動來引導工具，從而便于機加工零件。為了 在機加工期間將夾具固定定位在給定位置，可以采用附加的鎖定裝置。 例如，可重新配置的夾具可以包括電磁鎖定裝置或機械鎖定銷以防止機 加工期間夾具的不期望的運動。作為示例，圖8示出了適于可能是夾具所期望的旋轉定位以及軸 向、橫向和平移定位的可重新配置的夾具80的俯視圖。對于旋轉定位，夾具可以包括布置在殼體84內由形狀記憶材料形成的扭簧82。 一旦激 活了形狀記憶材料，則扭簧82將由于從其原始形狀到其記憶形狀的尺 寸變化而使夾具旋轉。這樣，夾具80可以構造用于不同的工具類型， 其旋轉量可以編程以允許依次編程工具來機加工零件和/或部件?？梢圆?用扭簧來實現旋轉以用于夾具自身和/或附裝到其的卡具。夾具80還可以包括在從殼體90延伸的臂內的直線運動裝置86，該 直線運動裝置包括形狀記憶材料。該直線運動裝置包括布置在殼體90 內由形狀記憶材料制成的一個或多個直線布置的彈簧88，用于受控的軸 向和橫向運動。夾具80可以根據期望的應用包括一個或多個臂。各個 彈簧82和/或88具有涉及預定行程或伸長的記憶的特定形狀。通過施加 所需的熱、電、磁或應力場來激勵這些彈簧，可以實現夾具的期望定位 和運動。如果需要，還可以使用偏壓彈簧或縮回^L構，以控制用于施加 例如切割和進給深度的運動。使用這種方法的優(yōu)點是主動的重新配置和先后順序，這是通過使用 相對簡單的基于形狀記憶材料的裝置實現的，這樣就消除和/或減少了被 動機構如螺紋釘、凸輪等的使用。這有助于減小摩擦、噪聲，并且還簡 化了夾具設計和操作。通過合適的電子控制來以磁、電、熱等方式激活 這些形狀記憶裝置，工藝可以自動化和重新編程來實現切割工具操作的 不同序列組。而且，可以由夾具實現精確的運動和位置，這提高了機加 工工藝的質量。以上圖示為簡單起見示出了其中行程和深度控制機構對于所有工 具都是相同的情況。如果期望獨立控制每個工具的行程和深度，則可以 提供類似的機構來解決這些應用。盡管具體參照了彈簧的使用，但是本 領域普通技術人員將認識到在本發(fā)明的情況下也可以使用纜線、管和/ 或桿。形狀記憶材料與控制機構(未示出)操作通信，以提供選擇性激
活的裝置并由此提供選擇性的旋轉和/或平移。除了可重新配置的夾具之外，形狀記憶材料可以適用于卡具。類似 于上述可重新配置的夾具，可以使用可重新配置的卡具，主要區(qū)別在于 使用這些來順序引導待機加工的多個零件。用于實現工具、模具、夾具和卡具的重新配置的合適形狀記憶材料 一般是其中可以通過激活信號選擇性改變形狀和/或模量特性的材料。在 大多數應用中，選擇形狀記憶材料來提供用于期望操作的足夠剛性。例 如，由形狀記憶材料形成用于標準工具和模具的嵌入件應該具有足夠剛 度，以對其中加工的零件和/或部件施加期望屬性。對于彈簧，期望可以 選擇性改變模量和/或形狀尺寸來提供期望的運動?？蛇x地，可能期望用 由傳統(tǒng)材料(即沒有形狀記憶)形成的偏壓和/或支承彈簧來補充形狀記 憶彈簧，以在需要時補償施加在形狀記憶彈簧上的力。合適的形狀記憶材料包括但不限于形狀記憶合金(SMA)、形狀記憶聚合物(SMP)、電活性聚合物(EAP)、鐵磁體SMA、磁體SMA、 電流變流體(ER)、磁流變流體(MR)、介電彈性體、離子聚合物金 屬復合物(IPMC)、壓電材料、壓電陶瓷、以上材料的各種組合等。 盡管上述形狀記憶材料中的某些可能不適合于本文公開的各個實施例 中所述的一些應用，但是可以進行各種形狀材料與這些材料的組合來獲 得期望的結果。例如，可以結合形狀記憶彈簧采用MR流體來提供變化 程度的平移，其中選擇性激活MR流體鎖定例如彈簧的尺寸。如前所述， 一些形狀記憶材料可以根據合金成分和處理歷史表現出 單程形狀記憶效應、固有的雙程效應、或者外來的雙程形狀記憶效應。 例如，退火形狀記憶合金通常僅僅表現出單程形狀記憶效應。在形狀記 憶材料的低溫變形之后的充分加熱將導致馬氏體到奧氏體式的轉變，并 且該材料將恢復原始的退火形狀。因此，單程形狀記憶效應僅僅在加熱 時觀察到。包括表現出單程記憶效應的形狀記憶合金成分的形狀記憶材 料不會自動恢復，并將可能需要外部的機械力來恢復前一形狀，如果特 定應用需要的話。使用形狀記憶合金作為示例，固有和外來的雙程形狀記憶材料的特 征在于在從馬氏體相加熱到奧氏體相時的形狀轉變、以及在從奧氏體相 冷卻回到馬氏體相時的附加形狀轉變。表現出固有形狀記憶效應的形狀 記憶材料可以用將使形狀記憶材料由于上述相變而自動恢復自身的形
狀記憶合金成分制造。固有的雙程形狀記憶行為必須通過處理在形狀記 憶材料中產生。這種過程包括在馬氏體相中使材料極度變形、在約束或 負載下的加熱-冷卻、或者諸如激光退火、拋光或噴九處理之類的表面 改性。 一旦已經將材料訓練成表現出雙程形狀記憶效應，則低溫和高溫 狀態(tài)之間的形狀變化一般是可逆的，并保持經過大量熱循環(huán)。相反，表 現出外在雙程形狀記憶效應的形狀記憶材料是將表現出單程效應的形 狀記憶合金成分與提供恢復原始形狀的恢復力的另一元件組合起來的 復合，多成分材料。曰八 ，| J ' 乂、 一，— 、，相中最常用的是所謂的馬氏體和奧氏體相。在以下討論中，馬氏體相一 般指更加可變形的低溫相，而奧氏體相一般指更加剛性的高溫相。當形 狀記憶合金處于馬氏體相并被加熱時，其開始變成奧氏體相。此現象開 始時的溫度常稱為奧氏體起始溫度(As)。此現象結束時的溫度稱為奧 氏體結束溫度(Af)。當形狀記憶合金處于奧氏體相并被冷卻時，其開 始變成馬氏體相，并且此現象開始時的溫度稱為馬氏體起始溫度(Ms )。注意上述轉變溫度是由SMA試樣所受應力的函數。具體地，這些溫度隨著應力的增大而升高?？紤]到以上特性，形狀記憶合金的變形優(yōu)選在奧氏體轉變溫度處或之下(等于或低于As)。隨后加熱到高于奧氏體轉變溫度使得變形的形狀記憶材料試樣回復到其永久形狀。于是，用于形 狀記憶合金的合適激活信號是大小足以產生馬氏體和奧氏體相之間轉 變的熱激活信號。在加熱時形狀記憶合金記住其高溫形式的溫度可以通過合金成分 的細微變化和通過熱機械處理來調節(jié)。例如在鎳-鈦形狀記憶合金中，其可以從高于約100。C變到低于約-100。C。形狀恢復過程可以在僅僅幾 度的范圍上發(fā)生或者表現出更漸變的恢復。可以根據期望的應用和合金 成分將轉變的起始或結束控制在1度或2度內。形狀記憶合金的機械特 性在跨越其轉變的溫度范圍上變化很大，這通常提供了形狀記憶效應、 超彈性效應和高阻尼能力。例如，在馬氏體相中觀察到比奧氏體相中更 低的彈性模量。馬氏體相中的形狀記憶合金可以通過將晶體結構重構與 所施加應力(例如來自匹配壓力足的壓力)重新對齊而承受大的變形。 如下面將更詳細描述的，在去除應力之后該材料將保持此形狀。
合適的形狀記憶合金材料包括但不限于基于鎳-鈦的合金、基于銦 -鈦的合金、基于鎳-鋁的合金、基于鎳-鎵的合金、基于銅的合金(例 如銅-鋅合金、銅-鋁合金、銅-金合金和銅-錫合金)、基于金-鎘 的合金、基于銀-鎘的合金、基于銦-鎘的合金、基于錳-銅的合金、 基于鐵-鉑的合金、基于鐵-鈀的合金等。合金可以是二元的、三元的 或者任意更多元的，只要該合金成分表現出形狀記憶效應，例如形狀、 定向、屈服強度、彎曲模量、阻尼能力、超彈性和/或類似特性的變化。 合適形狀記憶合金成分的選擇取決于該部件將工作的溫度范圍。如上所述，當形狀記憶合金SMA在韌性低溫相下經歷變形并隨后 受熱到高于轉變溫度(即奧氏體結束溫度)時，發(fā)生形狀恢復?；謴蛪毫梢猿^400兆帕(60000psi)?？苫謴蛻儗τ趩蝹€恢復循環(huán)高達 約8% (對于銅合金約4%到約5%),并一般隨著循環(huán)數的增加而降低。形狀記憶聚合物一般指在施加熱激活信號時表現出特性變化的聚 合物材料，該特性例如是彈性模量、形狀、尺寸、形狀定向、或者包括 以上特性中至少之一 的組合。一般而言，SMP是包括至少兩種不同單元的相偏析共聚物，這可以 描述為在SMP內限定不同的段，每個段都對SMP的整體特性作出不同 的貢獻。如這里所用的，術語"段"指共聚合以形成SMP的相同或相 似單體或低聚體單元的嵌段、接枝或序列。每個段可以是晶態(tài)或無定形態(tài)的，并將分別具有相應的熔點或玻璃態(tài)轉變溫度(Tg)。術語"熱轉 變溫度"在此方便地用于根據該段是無定形態(tài)段還是晶態(tài)段而一般地指 Tg或熔點。對于包括n段的SMP,認為該SMP具有1個硬段和(n-l ) 個軟段，其中該硬段的熱轉變溫度比任一軟段更高。于是，SMP具有n 個熱轉變溫度。硬段的熱轉變溫度稱為"最后轉變溫度"，并且所謂"最 軟"段的最低熱轉變溫度稱為"第一轉變溫度"。重要的是注意到如果 SMP具有特征在于相同熱轉變溫度(其也是最后轉變溫度)的多個段， 則認為該SMP具有多個硬段。當SMP加熱到高于最后轉變溫度時，SMP材料可以形成一定形狀。 可以通過隨后將SMP冷卻到低于該溫度來設定或記住SMP的永久形 狀。如這里所用的，術語"原始形狀"、"之前限定的形狀"和"永久 形狀"是同義的，并可互換地使用。通過將該材料加熱到高于任一軟段 的熱轉變溫度但低于最后轉變溫度的溫度，施加外部應力或負載來使
SMP變形，然后在保持變形的外部應力或負載的同時冷卻到低于該軟段 的特定熱轉變溫度，可以設定暫時形狀。通過在去除應力或負載的情況下將該材料加熱到高于該軟段的特 定熱轉變溫度但低于最后轉變溫度，可以恢復永久形狀。于是，應該清 楚通過組合多個軟段可以得到多個暫時形狀，而利用多個硬段可以得到多個永久形狀。類似地使用分層或復合方法，多個SMP的組合將顯示多個暫時和永久形狀之間的轉變。對于僅具有2段的SMP,形狀記憶聚合物的暫時形狀在第一轉變溫 度處設定，接著在負載下冷卻SMP而鎖定在該暫時形狀中。只要SMP 保持低于第一轉變溫度就保持該暫時形狀。當在去除負載的情況下使 SMP再次高于第一轉變溫度時，重新得到永久形狀。重復加熱、成形和 冷卻步驟可以反復地重新設定暫時形狀。大多數SMP表現出"單程"效應，其中SMP表現出一種永久形狀。 在沒有應力或負載的情況下將形狀記憶聚合物加熱到高于軟段熱轉變 溫度時，實現永久形狀并且不使用外力該形狀將不會回復到暫時形狀。作為替代， 一些形狀記憶聚合物成分可以制備為表現出"雙程，，效 應，其中SMP表現出兩種永久形狀。這些系統(tǒng)包括至少兩種聚合物成 分。例如， 一種成分可以是第一交聯聚合物，而另一成分是不同的交聯 聚合物。這些成分通過層技術組合或者是互穿網絡，其中兩種聚合物成 分是交聯的但并不彼此交聯。通過改變溫度，形狀記憶聚合物在第一永 久形狀或第二永久形狀的方向上改變其形狀。每個永久形狀都屬于SMP 的一種成分。整體形狀的溫度依賴性由以下事實產生，即一種成分("成 分A")的機械特性在感興趣的溫度間隔中幾乎與溫度無關。另一成分 ("成分B，，)的機械特性在感興趣的溫度間隔中依賴于溫度。在一個 實施例中，成分B與成分A相比在低溫下變得更強，而成分A在高溫 下變得更強并確定實際形狀。雙程記憶裝置可以通過以下這樣來制備， 即設定成分A的永久形狀("第一永久形狀")、使該裝置變形成成分 B的永久形狀("第二永久形狀")、并在施加應力的同時固定成分B 的永久形狀。本領域普通技術人員應該認識到可以將SMP配置成許多不同形式 定溫度。例如f根據特定應用，最后轉口變溫度可以是約0X::j約300。C 或更高。形狀恢復的溫度(即軟段熱轉變溫度)可以高于或等于約-30 匸。另一形狀恢復溫度可以高于或等于約4(TC。另一形狀恢復溫度可以高于或等于約IO(TC。另一形狀恢復溫度可以低于或等于約250°C。另 一形狀恢復溫度可以低于或等于約20(TC。最后，另一形狀恢復溫度可 以低于或等于約"0。C?？蛇x地，可以選擇SMP來提供應力導致的屈服，這可以直接用于 (即不用將SMP加熱到高于其熱轉變溫度來"軟化"它)使其與給定 表面共形。在一些實施例中，SMP在此情況下可以承受的最大應變可以 與當SMP在高于其熱轉變溫度下變形時的情況相當。合適的形狀記憶聚合物可以是熱塑性、熱固性、互穿網絡、半互穿 網絡或混和網絡。聚合物可以是單種聚合物或者聚合物的混和。聚合物 可以是直線熱塑彈性體或者具有側鏈或枝狀結構元件的分枝熱塑彈性 體。形成形狀記憶聚合物的合適聚合物成分包括但不限于聚磷腈、聚乙 烯醇、聚酰胺、聚酰胺酯、聚胺基酸、聚酐、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、 聚亞烷基物、聚丙烯酰胺、聚亞烷基二醇、聚亞烷基氧化物、聚對苯二 曱酸亞苯基酯、聚原酸酯、聚乙烯醚、聚乙烯酯、聚乙烯卣化物、聚酯、 聚交酯、聚乙交酯、聚硅氧烷、聚亞安酯、聚醚、聚醚聚醚酰胺、聚醚 酯及其共聚物。合適的聚丙烯酸酯的示例包括聚曱基丙烯酸甲酯、聚曱基丙烯酸乙酯、聚曱基丙烯酸丁酯、聚曱基丙烯酸異丁酯、聚曱基丙烯 酸己酯、聚曱基丙烯酸異癸酯、聚曱基丙烯酸十二酯、聚曱基丙烯酸苯 酯、聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸異丙酯、聚丙烯酸異丁酯和聚丙烯酸十 八酯。其它合適聚合物的示例包括聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯苯酚、聚 乙烯吡咯烷酮、聚氯丁烯、聚十八烷基乙烯基醚、乙烯-醋酸乙烯共聚物、 聚乙烯、聚環(huán)氧乙烷-聚對苯二曱酸乙二醇酯、聚乙烯/尼龍接枝共聚物、 聚已酸內酯-聚酰胺(嵌段共聚物)、聚(己內酯)二甲基丙烯酸酯 (diniethacrylate )-丙烯酸正丁酯、聚(降冰片基-多面低聚倍半硅氧 烷)、聚氯乙烯、聚氨酯/丁二烯共聚物、聚亞安酯嵌段共聚物、苯乙烯 -馬來酸酐嵌段共聚物等。用于形成上述SMP中各段的聚合物或者是商 業(yè)上可得到的，或者可以使用普通化學合成。本領域技術人員可以容易 地不必進行不適當實驗的情況下使用已知化學知識和處理技術制備這 些聚合物。形狀記憶材料還可以包括電活性聚合物，其中的兩類是電子和離子 EAP(電活性聚合物)，其示例包括離子聚合物金屬復合物、導電聚合 物、壓電材料等。電活性聚合物包括響應于電或機械場而表現出壓電、熱電或電致伸 縮特性的聚合物材料。這些材料通常采用使得聚合物膜能夠響應于所施加的電場或枳4成應力在面內方向上擴展或收縮的柔性電4及。電致伸縮4妄枝彈性體的一個示例是壓電聚(1, 1 -二氟乙烯-三氟乙烯)共聚物。 此組合具有產生變化量的鐵電-電致伸縮分子復合系統(tǒng)的能力。這些可 以用作壓電傳感器或者甚至電致伸縮致動器。適合用作電活性聚合物的材料可以包括響應于靜電力變形或者其 變形導致電場變化的任何基本絕緣的聚合物或橡膠(或者其組合)。適 合用作預應變聚合物的示例性材料包括硅樹脂彈性體、丙烯酸彈性體、聚亞安酯、熱塑彈性體、含PVDF的共聚物、壓力敏感粘性劑、含氟彈 性體、含硅樹脂和丙烯酸半族的聚合物等。含硅樹脂和丙烯酸半族的聚 合物可以包括例如含硅樹脂和丙烯酸半族的共聚物、含硅樹脂彈性體和 丙烯酸彈性體的聚合物混合物。用作電活性聚合物的材料可以基于 一 種或多種材料特性進行選 擇，例如高電擊穿強度、低彈性模量(對于大或小的變形)、高介電常 數等。在一個實施例中，選擇聚合物使得其具有至多約100MPa的彈性 模量。在另一實施例中，選擇聚合物使得其具有在約0.05MPa到約 10MPa之間的最低致動壓力，并優(yōu)選在約0.3MPa到約3MPa之間。在 另 一實施例中，選擇聚合物使得其具有在約2到約20之間的介電常數， 并優(yōu)選在約2.5到約12之間。本發(fā)明并不限于這些范圍。理想地，如果 材料具有高介電常數和高介電強度兩者，則具有比以上給出范圍更高的介電常數的材料會是期望的。在許多情況下，電活性聚合物可以制造和 實現為薄膜。適合于這些薄膜的厚度可以低于50微米。因為電活性聚合物可以在高應變下偏轉，所以附裝到聚合物的電極 也應該偏轉，而不會降低機械或電性能。 一般而言，適合使用的電極可 以是任何形狀和材料的，只要它們能夠向電活性聚合物提供合適的電壓 或者從其接收合適的電壓。該電壓可以是不變的或者隨時間變化的。在 一個實施例中，電極粘附到聚合物的表面。粘附到聚合物的電極優(yōu)選是 柔性的，并與聚合物的變化形狀共形。相應地，本發(fā)明可以包括與其所 附裝到的電活性聚合物的形狀共形的柔性電極。電極可以僅僅施加到電
活性聚合物的一部分并根據其幾何形狀限定活化區(qū)域。適合用于本發(fā)明 的各種電極包括含金屬跡線和電荷分布層的結構化電極、含變化的面外 尺寸的織物電極、諸如碳脂或銀脂之類的導電脂、膠狀懸浮物、諸如碳 纖維和碳納米管之類的高縱橫比導電材料、以及離子傳導材料的混合物。用于本發(fā)明的電極的材料可以變化。用于電極的合適材料可以包括 石墨、碳黑、膠狀懸浮物、含銀和金的薄金屬、填充銀和填充碳的凝膠 體和聚合物、以及離子或電傳導聚合物。應該理解某些電極材料可能與碳纖維^丙烯酸彈性體聚合物工作4$很好，但與硅樹脂聚合物工作得不 是很好。如這里所用的，術語"壓電"用于描述當施加電壓勢時機械變形或 者相反在機械變形時產生電荷的材料。優(yōu)選地，壓電材料布置在柔性金 屬或陶瓷片的條上。這些條可以是單層或雙層的。優(yōu)選地，這些條是雙 層的，因為雙層的一般比單層的表現出更大的位移。一種單層結構由在外部接合到柔性金屬薄片或條的單個壓電元件動相反的軸向翹曲或偏轉。單層的致動器運動可以是通it收縮或擴展。單層可以表現出高達約10%的應變，但一般相對于單層結構的整體尺寸 只能保持低負載。與單層壓電裝置相反，雙層裝置包括夾在兩個壓電元件之間的中間 柔性金屬薄片。雙層表現出比單層更大的位移，因為在所施加電壓下一個陶覺元件將收縮而另一個擴展。雙層可以表現出高達約20%的應變，但類似于單層一般相對于單層結構的整體尺寸無法保持高負載。合適的壓電材料包括無機化合物、有機化合物和金屬。關于有機材 料，在主鏈上或在側鏈上或者在分子內的兩種鏈上具有非中心對稱結構 和大偶極矩組的所有聚合物材料都可以用作壓電膜的候選物。合適聚合物的示例例如包括但不限于聚苯磺酸鈉("PSS")、聚S-(聚(乙 烯胺)骨架偶氮發(fā)色團)及其衍生物；聚碳氟化合物，包括聚偏氟乙 烯("PVDF，，)、其共聚物偏氟乙烯("VDF')、三氟乙烯(TrFE) 及其衍生物；多氯烴，包括聚氯乙烯("PVC")、聚偏二氯乙烯("PVC2") 及其衍生物；聚丙晞腈("PAN")及其衍生物；聚羧酸，包括聚曱基
丙烯酸("PMA")及其衍生物；聚脲及其衍生物；聚亞安酯("PUE") 及其衍生物；生物聚合物分子，例如聚-L-乳酸及其衍生物、和膜蛋白質 以及磷酸鹽生物分子；聚苯胺及其衍生物，以及四胺的所有衍生物；聚 酰亞胺，包括Kapton分子和聚醚酰亞胺("PEI")及其衍生物；所有 的膜聚合物；聚乙烯基吡咯烷酮("PVP，，)均聚物及其衍生物，以及 隨機PVP與乙酸乙烯("PVAc")共聚物；以及在主鏈或側鏈中或者 在主鏈和側鏈兩者中具有偶極矩組的所有芳族聚合物及其混合物。另外，壓電材料可以包括Pt、 Pd、 Ni、 Ti、 Cr、 Fe、 Ag、 Au、 Cu 及其金屬合金和混合物。這些壓電材料還可以包括例如金屬氧化物， 如Si02、 A1203、 Zr02、 Ti02、 SrTi03、 PbTi03、 BaTi03、 Fe03、 Fe3〇4、 ZnO及其混合物；以及VIA和IIB族化合物，如CdSe、 CdS、 GaAs、 AgCaSe2、 ZnSe、 GaP、 InP、 ZnS及其混合物。合適的MR彈性體材料包括但不限于含鐵磁或順磁顆粒的懸浮物的 彈性聚合物基體，其中顆粒如上所述。合適的聚合物基體包括但不限于 聚a-烯烴、天然橡膠、硅樹脂、聚丁二烯、聚乙烯、聚異戊二烯等。合適的形狀記憶材料還可以包括磁流變(MR)成分，例如MR彈 性體，其已知為在施加磁場時流變特性可以快速變化的"智能"材料。 MR彈性體是微米尺寸的磁極化顆粒在熱固彈性聚合物或橡膠中的懸浮 物。彈性體結構的剛性通過改變所施加磁場的強度來改變剪切和壓縮/ 張緊模量而實現。MR彈性體通常在暴露到磁場中少到幾毫秒就形成結 構。將MR彈性體中止暴露到磁場就使該過程逆向，彈性體恢復到其較 低模量狀態(tài)。雖然已經參照示例性實施例描述了本發(fā)明，但本領域技術人員將理 解可以進行各種變化且可以用等同物替代其元素而不偏離本發(fā)明的范 圍。此外，可以進行許多修改以使特定的情況或材料適合于本發(fā)明的教 導而不偏離其基本范圍。因此，本發(fā)明并不限于作為執(zhí)行本發(fā)明的最佳 模式公開的特定實施例，而是本發(fā)明將包括落入所附權利要求范圍內的 所有實施例。
權利要求
1.一種可重新配置的工具和/或模具組，包括包括形狀限定表面的陽模；包括形狀限定表面的陰模；和形成所述陽模和陰模的形狀限定表面中所選之一或兩者的至少一部分的形狀記憶材料，其中所述形狀記憶材料響應于激活信號選擇性地改變所述形狀限定表面中所選之一或兩者的幾何形狀。
2. 根據權利要求1所述的可重新配置的工具和/或模具組，其中所 述形狀記憶材料包括形狀記憶聚合物、形狀記憶合金、電活性聚合物、 纟失》茲形狀記憶合金、》茲形狀記憶合金、電流變流體、》茲流變流體、介電 彈性體、離子聚合物金屬復合物、壓電聚合物、壓電陶瓷、以及包括以 上形狀記憶材料中至少之一 的組合。
3. 根據權利要求1所述的可重新配置的工具和/或模具組，其中所 述陽模由形狀記憶材料形成。
4. 根據權利要求1所述的可重新配置的工具和/或模具組，其中所 述陰模由形狀記憶材料形成。
5. 根據權利要求1所述的可重新配置的工具和/或模具組，其中所 述激活信號包括磁信號、熱信號、電信號、應力信號、以及包括以上激 活信號中至少之一的組合。
6. 根據權利要求1所述的可重新配置的工具和/或模具組，其中選 擇所述形狀記憶材料以表現出單程形狀記憶效應。
7. 根據權利要求1所述的可重新配置的工具和/或模具組，其中選 才奪所述形狀記憶材料以表現出雙程形狀記憶效應。
8. —種用于工具和/或模具組的嵌入件，包括具有形狀限定第 一表面的形狀記憶材料，所述形狀限定第 一表面適 于響應于激活信號改變到形狀限定第二表面，其中所述第一和第二表面 具有不同的幾何形狀。
9. 根據權利要求8所述的嵌入件，其中選擇所述形狀記憶材料以 表現出單程形狀記憶效應。
10. 根據權利要求8所述的嵌入件，其中選擇所述形狀記憶材料以 表3見出雙程形狀i己憶效應。
11. 根據權利要求8所述的嵌入件，其中所述形狀記憶材料包括形 狀記憶聚合物、形狀記憶合金、電活性聚合物、鐵磁形狀記憶合金、磁 形狀記憶合金、電流變流體、磁流變流體、介電彈性體、離子聚合物金 屬復合物、壓電聚合物、壓電陶瓷、以及包括以上形狀記憶材料中至少 之一的組合。
12. —種方法，用于使用可重新配置的工具和/或模具組形成具有限 定幾何形狀的第 一零件和具有不同于第 一零件限定幾何形狀的限定幾何形狀的第二零件，所述方法包括用所述可重新配置的工具和/或模具組形成所述第一零件，其中所述 可重新配置的工具和/或模具組包括形狀限定表面，所述形狀限定表面包 括由形狀記憶材料形成的至少一部分，其中用所述可重新配置的工具和 /或模具組形成所述第 一零件的步驟產生具有限定幾何形狀的所述第一 零件；激活所述形狀記憶材料以改變所述形狀限定表面；以及 用所述改變的形狀限定表面形成所述第二零件以產生具有限定幾何形狀的所述第二零件，其中所述第二零件限定幾何形狀與所述第一零件限定幾何形狀不同。
13. 根據權利要求12所述的方法，其中激活所述形狀記憶材料的 步驟包括傳輸激活信號，所述激活信號包括磁信號、熱信號、電信號、 應力信號、以及包括以上激活信號中至少之一的組合。
14. 根據權利要求12所述的方法，其中包括由所述形狀記憶材料 形成的至少 一部分的所述形狀限定表面是嵌入件。
15. 根據權利要求12所述的方法，其中所述形狀記憶材料包括形 狀記憶聚合物、形狀記憶合金、電活性聚合物、鐵磁形狀記憶合金、磁 形狀記憶合金、電流變流體、磁流變流體、介電彈性體、離子聚合物金 屬復合物、壓電聚合物、壓電陶瓷、以及包括以上形狀記憶材料中至少 之一的組合。
16. 根據權利要求12所述的方法，其中選擇所述形狀記憶材料以表現出單程形狀記憶效應。
17. 根據權利要求12所述的方法，其中選擇所述形狀記憶材料以 表現出雙程形狀記憶效應。
18. —種方法，用于使用工具和/或模具組形成具有限定幾何形狀的 第 一零件和具有不同于第 一零件限定幾何形狀的限定幾何形狀的第二 零件，所述方法包括將嵌入件嵌入工具和/或模具組中，其中所述嵌入件包括具有至少一 個形狀限定第 一表面的形狀記憶材料，所述形狀限定第 一表面適于響應 于激活信號改變到形狀限定第二表面，其中所述第一和第二形狀限定表 面具有不同的幾何形狀；使坯料與所述嵌入件和所述工具和/或模具組接觸以形成具有限定 幾何形狀的所述第 一零件；激活所述形狀記憶材料以使所述形狀限定第 一表面改變成形狀限 定第二表面；以及使另一坯料或所述第一零件與所述嵌入件的形狀限定第二表面和 所述工具和/或模具組接觸以形成具有限定幾何形狀的所述第二零件，其 中所述第二零件限定幾何形狀與所述第 一零件限定幾何形狀不同。
19. 根據權利要求18所述的方法，其中選擇所述形狀記憶材料以 表現出單程形狀記憶效應。
20. 根據權利要求18所述的方法，其中選擇所述形狀記憶材料以 表現出雙程形狀記憶效應。
21. 根據權利要求18所述的方法，其中所述形狀記憶材料包括形 狀記憶聚合物、形狀記憶合金、電活性聚合物、鐵磁形狀記憶合金、磁 形狀記憶合金、電流變流體、磁流變流體、介電彈性體、離子聚合物金 屬復合物、壓電聚合物、壓電陶瓷、以及包括以上形狀記憶材料中至少 之一的組合。
22. 根據權利要求19所述的方法，還包括在去活之后重新沖壓所 述形狀記憶材料以將所述嵌入件恢復到所述至少一個形狀限定第一表面。
23. —種用于保持工具的夾具，所述夾具包括 可旋轉地聯接到扭簧的殼體，所述扭簧包括形狀記憶材料，所述形狀記憶材料響應于激活信號而改變所述形狀記憶材料的至少一個屬 性，其中所述至少一個屬性的改變使所述殼體繞中心軸線旋轉；以及 從所述殼體伸出的臂。
24. 根據權利要求23所述的夾具，其中所述臂包括用于平移的直 線運動裝置，所述直線運動裝置包括形狀記憶材料，其中所述至少一個 屬性的改變使所述臂平移。
全文摘要
一種可重新配置的工具和/或模具幾何形狀和使用方法一般包括用形狀記憶材料形成形狀限定表面的至少一部分。響應于激活信號，形狀記憶材料改變形狀限定表面的幾何形狀，以提供用同一工具和/或模具形成具有不同幾何形狀的零件的方式。在一個替代實施例中，可以使用用于工具和/或模具的嵌入件，其中該嵌入件的形狀限定表面的至少一部分由形狀記憶材料形成。還公開了使用可重新配置的工具和/或模具以及可重新配置的嵌入件與標準工具和/或模具，形成具有限定幾何形狀的第一零件和具有不同于第一零件限定幾何形狀的限定幾何形狀的第二零件的方法。
文檔編號B21D9/15GK101128281SQ200580048581
公開日2008年2月20日 申請日期2005年12月12日 優(yōu)先權日2004年12月23日
發(fā)明者A·L·布勞恩, N·L·約翰遜, V·R·布拉瓦拉 申請人:通用汽車公司