旋壓成形工藝及用于通過旋壓成形來制造物品的裝置的制造方法
【專利說明】旋壓成形工藝及用于通過旋壓成形來制造物品的裝置
[0001]本申請是申請日為2011年09月29日，申請?zhí)枮?01180045133.5，發(fā)明名稱為“旋壓成形工藝及用于通過旋壓成形來制造物品的裝置”的申請的分案申請。
技術領域
[0002]本發(fā)明涉及旋壓成形工藝及用于通過旋壓成形來制造物品的裝置。本發(fā)明具有特定但未必排他的在金屬旋壓方面的應用。
【背景技術】
[0003]金屬旋壓是指允許生產中空的軸向對稱的(軸對稱的)金屬片部件的一組成形工藝。對于該組工藝來說常見的旋壓基本技術由以下工藝組成:抵著旋壓車床上的心軸夾住金屬片坯料，以及在單一步驟或系列步驟中通過輥使坯料逐漸地形成到心軸表面上。
[0004]對涉及旋壓成形的學術文獻的詳細檢閱已進行并通過Music等人的(2010) [0.Music, J.M.Allwood, K.Kawai “A review of the mechanics of metalspinning” Journal of Materials Processing Technology 210 (2010) 3 - 23]公開，其全部內容據(jù)此通過引用方式并入。
[0005]在這里有趣的是，在術語常規(guī)旋壓、剪力旋壓和管形件旋壓(tube spinning)之間加以區(qū)別，其全部被認為是旋壓成形工藝。三種工藝的共同特征是其通常允許產生中空的旋轉對稱零件。在所形成的零件的壁厚方面，這三者之間的主要區(qū)別是明顯的。在常規(guī)的旋壓中，壁厚在整個工藝期間幾乎保持恒定，因此所形成的零件的最終壁厚大體上等于坯料的厚度。比較起來，壁厚在剪力旋壓和管形件旋壓中減小；在剪力旋壓中，零件厚度由部件的壁和旋轉軸線之間的角度決定；在管形件旋壓中，最終厚度由工件的長度的增加限定。此夕卜，雖然常規(guī)旋壓和管形件旋壓零件可在單一步驟或多個步驟中形成，但是在剪力旋壓中，成形在單一步驟中完成。
[0006]圖1中圖示了常規(guī)旋壓工藝，其中初始的金屬片工件10被保持在夾持在尾座12和心軸14之間的金屬旋壓裝置中。心軸14、金屬片工件10和尾座是圍繞主旋轉軸線A可旋轉的。旋壓片被利用輥16壓向心軸14，輥16由輥臂18支撐并圍繞輥軸線X可旋轉。圖2顯示了通過已知的常規(guī)金屬旋壓工藝可成形的可行幾何結構的示例。全部都是軸對稱的，并且如可以看到的，可行的軸對稱形狀的范圍是相對地寬的。
[0007]圖3中圖示了剪力旋壓工藝。初始金屬片工件20具有厚度t。。初始的金屬片工件20被保持在夾持在尾座22和心軸24之間的金屬旋壓裝置中。心軸24、金屬片工件20和尾座是圍繞主旋轉軸線A可旋轉的。旋壓片20a被利用由輥臂28支撐的輥26壓向心軸
24。在剪力旋壓工藝中，金屬工件的厚度大體上減小至&，其中t^t。。在一些剪力旋壓工藝中，旋壓工藝之后(垂直于軸A測量的)工件的總直徑與旋壓工藝之前是相同的。剪力旋壓的限度通過可在完成的幾何結構中獲得的最小角度α給定，其中:
[0008]t!= 10sin α
[0009]隨著α減小，為了實現(xiàn)α的所要求值而在壁厚方面的需要減小變得非常明顯，導致工件的失效，其中α的所要求值太低。圖4顯示了通過剪力旋壓工藝可成形的可行幾何結構的示例。
[0010]一些工人已認識到，金屬旋壓被限制于生產軸對稱的幾何結構。因此，已進行了一些工作來嘗試修改金屬旋壓工藝以產生非軸對稱的幾何結構。
[0011]例如，US 2005/0183484公開了控制系統(tǒng)用于控制輥工具抵著工件的壓緊力的用途，其中心軸具有非軸對稱的幾何結構。在該工藝期間，工件與心軸的外部形狀一致。在us2008/0022741中闡述了類似的工藝。

【發(fā)明內容】

[0012]本發(fā)明人認識到，雖然US 2005/0183484和US 2008/0022741可提供用于制造具有非軸對稱幾何結構的物品的工藝，但是該工藝存在以下缺點:在進行金屬旋壓工藝之前，必須首先提供以成形心軸的形式的特殊要求的非軸對稱幾何結構。雖然在心軸將被多次使用來生產許多相同地成形的物品的情況下這可能是可接受的，但是該工藝是不可變更的，因為對所要求的幾何結構的甚至較小的改變都需要制造新的心軸。
[0013]本發(fā)明人認識到，關于制造具有軸對稱的幾何結構的物品存在類似的問題。
[0014]因此，本發(fā)明旨在解決以上問題中的一個或多個，并且優(yōu)選地改善或者甚至克服這些問題中的一個或多個。
[0015]在關于旋壓成形的一般方面中，本發(fā)明用抵靠工件的表面的至少兩個支撐件來代替常規(guī)的心軸，工件是關于這兩個支撐件可旋轉的。
[0016]在第一優(yōu)選的方面中，本發(fā)明提供了用于由工件來制造要求形狀的物品的旋壓成形工藝，工件具有參照物品的所要求形狀的外表面和內表面，其中工件關于成形工具旋轉，成形工具抵靠工件的外表面和內表面之一以使工件向所要求的形狀變形，并且第一支撐件抵靠工件的內表面和外表面之一，并且第二支撐件抵靠工件的內表面和外表面之一，工件關于支撐件旋轉。
[0017]在第二優(yōu)選的方面中，本發(fā)明提供了通過旋壓成形來由工件制造要求形狀的物品的裝置，工件具有參照物品的所要求形狀的外表面和內表面，該裝置具有:
[0018]安裝設備，其用于將工件可旋轉地安裝在裝置中；
[0019]成形工具，其用于抵靠工件的外表面和內表面之一以使工件向所要求形狀變形；
[0020]第一支撐件，其用于抵靠工件的內表面和外表面之一；及
[0021]第二支撐件，其用于抵靠工件的內表面和外表面之一，
[0022]其中該裝置是可操作的，以允許工件關于第一支撐件和第二支撐件旋轉。
[0023]現(xiàn)將闡述本發(fā)明的優(yōu)選和/或可選的特征。除非上下文另外要求，否則這些特征是單獨地或者以與本發(fā)明的任何方面的任何組合的方式可應用的。
[0024]優(yōu)選的是，工件由金屬形成?？梢允褂萌魏魏线m的可加工金屬，例如，鋼、黃銅、鋁(和/或其合金)、鈦(和/或其合金)等。然而，可以使用其它的可加工起始材料，例如諸如PVC的塑料材料，來進行旋壓成形。
[0025]工件通常是以片的形式的。因此，初始工件的內表面和外表面由工件在裝置中的定向并且由待形成的物品的所要求形狀指定。
[0026]工件可具有均勻的初始厚度。然而，這不是必要的，因為旋壓成形工藝可利用具有非均勻的初始厚度的工件來進行。
[0027]對于本發(fā)明的至少一些實施方案來說，優(yōu)選的是，旋壓成形工藝不大幅地改變工件的厚度。因此，參照以上介紹的命名法，優(yōu)選的是，旋壓成形工藝是常規(guī)旋壓而不是剪力旋壓的一種類型。
[0028]在旋壓成形工藝期間可以考慮工件的內表面和工件的旋轉軸線之間的角度。更通常地(其中該角度隨著在工件中的位置而變化)，可以將角度α限定為工件的旋轉軸線A和工件的內表面在特定位置處的切線之間的角度，切線在包含工件的旋轉軸線A的平面中繪制。其中，在該特定位置處，工件的初始厚度是t。且工件的最終厚度是t i，優(yōu)選的是，對于小于90度的α值滿足以下不等式(1):
[0029]tj> 10sin α不等式(1)
[0030]當滿足不等式(1)時，旋壓成形之后工件的厚度大于如果旋壓成形工藝是剪力旋壓工藝的情況下將被預期的厚度。
[0031]至少在由旋壓成形形成的物品上的一些位置處，角度α可以等于或小于45°，更優(yōu)選地等于或小于40°、等于或小于35°、等于或小于30°、等于或小于25°、等于或小于20°、等于或小于15°、等于或小于10°、等于或小于5°、等于或小于0°、等于或小于-10°或者等于或小于-20°。優(yōu)選地，對于物品的對應于物品的總的內表面面積的至少5%的內表面面積來說，可以滿足在α的值上的這些限制中的任一個。更優(yōu)選地，對于物品的對應于物品的總的內表面面積的至少10 %、至少20 %、至少30 %或至少40 %的內表面區(qū)域來說，可以滿足在α的值上的這些限制中的任一個。
[0032]物品的所要求形狀可以是軸對稱形狀。然而，在一些優(yōu)選的實施方案中，物品的所要求形狀可以是非軸對稱形狀。
[0033]例如，考慮到物品的截面形狀，在截面被垂直于旋轉軸線截取的情況下，截面形狀通常是非圓形的。形狀可以是例如橢圓形、卵形、規(guī)則的彎曲形狀、不規(guī)則的彎曲形狀、三角形、矩形、規(guī)則多邊形、不規(guī)則多邊形，或這些形狀的任何組合(例如，通常的彎曲形狀包括至少一個直壁部分，或者通常的多邊形形狀包括至少一個彎曲壁部分)。在一些實施方案中，(垂直于旋轉軸線截取的)截面形狀包括凹入部分。角度α可圍繞截面的周邊變化例如5%或更多。
[0034]考慮到物品的截面形狀，在截面被沿著(或平行于)旋轉軸線截取的情況下，該形狀可按照角度α隨著沿旋轉軸線的距離的變化來考慮。該變化可包括α隨著沿旋轉軸線的距離D的線性變化的至少一部分(例如，物品沿著旋轉軸線的高度的至少5% )。另外或可選地，該變化可包括其中一階導數(shù)d a /dD為正或負的至少一部分(例如，物品沿著旋轉軸線的高度的至少5% )。另外或可選地，該變化可包括其中二階導數(shù)d2 a /dD2為正或負的至少一部分(例如，物品沿著旋轉軸線的高度的至少5% )。
[0035]優(yōu)選地，第二支撐件抵靠工件的與成形工具相對照的相對(內或外)側。因此，如果成形工具抵靠外表面，則優(yōu)選地第二支撐件抵靠內表面，且反之亦然。
[0036]類似地，在一些實施方案