旋压成形工艺及用于通过旋压成形来制造物品的装置的制造方法
【专利说明】旋压成形工艺及用于通过旋压成形来制造物品的装置
[0001]本申请是申请日为2011年09月29日，申请号为201180045133.5，发明名称为“旋压成形工艺及用于通过旋压成形来制造物品的装置”的申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及旋压成形工艺及用于通过旋压成形来制造物品的装置。本发明具有特定但未必排他的在金属旋压方面的应用。
【背景技术】
[0003]金属旋压是指允许生产中空的轴向对称的(轴对称的)金属片部件的一组成形工艺。对于该组工艺来说常见的旋压基本技术由以下工艺组成:抵着旋压车床上的心轴夹住金属片坯料，以及在单一步骤或系列步骤中通过辊使坯料逐渐地形成到心轴表面上。
[0004]对涉及旋压成形的学术文献的详细检阅已进行并通过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]公开，其全部内容据此通过引用方式并入。
[0005]在这里有趣的是，在术语常规旋压、剪力旋压和管形件旋压(tube spinning)之间加以区别，其全部被认为是旋压成形工艺。三种工艺的共同特征是其通常允许产生中空的旋转对称零件。在所形成的零件的壁厚方面，这三者之间的主要区别是明显的。在常规的旋压中，壁厚在整个工艺期间几乎保持恒定，因此所形成的零件的最终壁厚大体上等于坯料的厚度。比较起来，壁厚在剪力旋压和管形件旋压中减小；在剪力旋压中，零件厚度由部件的壁和旋转轴线之间的角度决定；在管形件旋压中，最终厚度由工件的长度的增加限定。此夕卜，虽然常规旋压和管形件旋压零件可在单一步骤或多个步骤中形成，但是在剪力旋压中，成形在单一步骤中完成。
[0006]图1中图示了常规旋压工艺，其中初始的金属片工件10被保持在夹持在尾座12和心轴14之间的金属旋压装置中。心轴14、金属片工件10和尾座是围绕主旋转轴线A可旋转的。旋压片被利用辊16压向心轴14，辊16由辊臂18支撑并围绕辊轴线X可旋转。图2显示了通过已知的常规金属旋压工艺可成形的可行几何结构的示例。全部都是轴对称的，并且如可以看到的，可行的轴对称形状的范围是相对地宽的。
[0007]图3中图示了剪力旋压工艺。初始金属片工件20具有厚度t。。初始的金属片工件20被保持在夹持在尾座22和心轴24之间的金属旋压装置中。心轴24、金属片工件20和尾座是围绕主旋转轴线A可旋转的。旋压片20a被利用由辊臂28支撑的辊26压向心轴
24。在剪力旋压工艺中，金属工件的厚度大体上减小至&，其中t^t。。在一些剪力旋压工艺中，旋压工艺之后(垂直于轴A测量的)工件的总直径与旋压工艺之前是相同的。剪力旋压的限度通过可在完成的几何结构中获得的最小角度α给定，其中:
[0008]t!= 10sin α
[0009]随着α减小，为了实现α的所要求值而在壁厚方面的需要减小变得非常明显，导致工件的失效，其中α的所要求值太低。图4显示了通过剪力旋压工艺可成形的可行几何结构的示例。
[0010]一些工人已认识到，金属旋压被限制于生产轴对称的几何结构。因此，已进行了一些工作来尝试修改金属旋压工艺以产生非轴对称的几何结构。
[0011]例如，US 2005/0183484公开了控制系统用于控制辊工具抵着工件的压紧力的用途，其中心轴具有非轴对称的几何结构。在该工艺期间，工件与心轴的外部形状一致。在us2008/0022741中阐述了类似的工艺。
【发明内容】
[0012]本发明人认识到，虽然US 2005/0183484和US 2008/0022741可提供用于制造具有非轴对称几何结构的物品的工艺，但是该工艺存在以下缺点:在进行金属旋压工艺之前，必须首先提供以成形心轴的形式的特殊要求的非轴对称几何结构。虽然在心轴将被多次使用来生产许多相同地成形的物品的情况下这可能是可接受的，但是该工艺是不可变更的，因为对所要求的几何结构的甚至较小的改变都需要制造新的心轴。
[0013]本发明人认识到，关于制造具有轴对称的几何结构的物品存在类似的问题。
[0014]因此，本发明旨在解决以上问题中的一个或多个，并且优选地改善或者甚至克服这些问题中的一个或多个。
[0015]在关于旋压成形的一般方面中，本发明用抵靠工件的表面的至少两个支撑件来代替常规的心轴，工件是关于这两个支撑件可旋转的。
[0016]在第一优选的方面中，本发明提供了用于由工件来制造要求形状的物品的旋压成形工艺，工件具有参照物品的所要求形状的外表面和内表面，其中工件关于成形工具旋转，成形工具抵靠工件的外表面和内表面之一以使工件向所要求的形状变形，并且第一支撑件抵靠工件的内表面和外表面之一，并且第二支撑件抵靠工件的内表面和外表面之一，工件关于支撑件旋转。
[0017]在第二优选的方面中，本发明提供了通过旋压成形来由工件制造要求形状的物品的装置，工件具有参照物品的所要求形状的外表面和内表面，该装置具有:
[0018]安装设备，其用于将工件可旋转地安装在装置中；
[0019]成形工具，其用于抵靠工件的外表面和内表面之一以使工件向所要求形状变形；
[0020]第一支撑件，其用于抵靠工件的内表面和外表面之一；及
[0021]第二支撑件，其用于抵靠工件的内表面和外表面之一，
[0022]其中该装置是可操作的，以允许工件关于第一支撑件和第二支撑件旋转。
[0023]现将阐述本发明的优选和/或可选的特征。除非上下文另外要求，否则这些特征是单独地或者以与本发明的任何方面的任何组合的方式可应用的。
[0024]优选的是，工件由金属形成。可以使用任何合适的可加工金属，例如，钢、黄铜、铝(和/或其合金)、钛(和/或其合金)等。然而，可以使用其它的可加工起始材料，例如诸如PVC的塑料材料，来进行旋压成形。
[0025]工件通常是以片的形式的。因此，初始工件的内表面和外表面由工件在装置中的定向并且由待形成的物品的所要求形状指定。
[0026]工件可具有均匀的初始厚度。然而，这不是必要的，因为旋压成形工艺可利用具有非均匀的初始厚度的工件来进行。
[0027]对于本发明的至少一些实施方案来说，优选的是，旋压成形工艺不大幅地改变工件的厚度。因此，参照以上介绍的命名法，优选的是，旋压成形工艺是常规旋压而不是剪力旋压的一种类型。
[0028]在旋压成形工艺期间可以考虑工件的内表面和工件的旋转轴线之间的角度。更通常地(其中该角度随着在工件中的位置而变化)，可以将角度α限定为工件的旋转轴线A和工件的内表面在特定位置处的切线之间的角度，切线在包含工件的旋转轴线A的平面中绘制。其中，在该特定位置处，工件的初始厚度是t。且工件的最终厚度是t i，优选的是，对于小于90度的α值满足以下不等式(1):
[0029]tj> 10sin α不等式(1)
[0030]当满足不等式(1)时，旋压成形之后工件的厚度大于如果旋压成形工艺是剪力旋压工艺的情况下将被预期的厚度。
[0031]至少在由旋压成形形成的物品上的一些位置处，角度α可以等于或小于45°，更优选地等于或小于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°。优选地，对于物品的对应于物品的总的内表面面积的至少5%的内表面面积来说，可以满足在α的值上的这些限制中的任一个。更优选地，对于物品的对应于物品的总的内表面面积的至少10 %、至少20 %、至少30 %或至少40 %的内表面区域来说，可以满足在α的值上的这些限制中的任一个。
[0032]物品的所要求形状可以是轴对称形状。然而，在一些优选的实施方案中，物品的所要求形状可以是非轴对称形状。
[0033]例如，考虑到物品的截面形状，在截面被垂直于旋转轴线截取的情况下，截面形状通常是非圆形的。形状可以是例如椭圆形、卵形、规则的弯曲形状、不规则的弯曲形状、三角形、矩形、规则多边形、不规则多边形，或这些形状的任何组合(例如，通常的弯曲形状包括至少一个直壁部分，或者通常的多边形形状包括至少一个弯曲壁部分)。在一些实施方案中，(垂直于旋转轴线截取的)截面形状包括凹入部分。角度α可围绕截面的周边变化例如5%或更多。
[0034]考虑到物品的截面形状，在截面被沿着(或平行于)旋转轴线截取的情况下，该形状可按照角度α随着沿旋转轴线的距离的变化来考虑。该变化可包括α随着沿旋转轴线的距离D的线性变化的至少一部分(例如，物品沿着旋转轴线的高度的至少5% )。另外或可选地，该变化可包括其中一阶导数d a /dD为正或负的至少一部分(例如，物品沿着旋转轴线的高度的至少5% )。另外或可选地，该变化可包括其中二阶导数d2 a /dD2为正或负的至少一部分(例如，物品沿着旋转轴线的高度的至少5% )。
[0035]优选地，第二支撑件抵靠工件的与成形工具相对照的相对(内或外)侧。因此，如果成形工具抵靠外表面，则优选地第二支撑件抵靠内表面，且反之亦然。
[0036]类似地，在一些实施方案