振動輔助式自由成形制造的制作方法

本公開涉及例如金屬板的振動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的工具將金屬板沖壓成期望的形狀)執(zhí)行。沖壓對于大批量制造來說是非常高效的且具有成本效益的工藝。然而，對于小批量制造或原型制造(prototyping)，生產(chǎn)用于每個部件設(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是非常有益的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在至少一個實(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的振動源。第一工具和第二工具可被構(gòu)造成在第一工具通過振動源而振動時(shí)沿第一預(yù)定運(yùn)動路徑和第二預(yù)定運(yùn)動路徑運(yùn)動并在第一表面和第二表面上施加力，以成形工件。

在一個實(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)動路徑和第二預(yù)定運(yùn)動路徑運(yùn)動并在第一表面和第二表面上施加力以成形工件，而不穿過第一表面和第二表面。振動源可被構(gòu)造成使第一工具以5至70kHz的頻率振動。振動源可被構(gòu)造成使第一工具以1至50μm的振幅振動。

在一個實(shí)施例中，振動源可被構(gòu)造成使第一工具沿與第一表面大體上平行的方向振動。在另一實(shí)施例中，振動源可被構(gòu)造成使第一工具沿與第一表面大體上垂直的方向振動。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)動路徑和第二預(yù)定運(yùn)動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。在一個實(shí)施例中，振動源是第一振動源，且所述系統(tǒng)還包括被構(gòu)造成使第二工具振動的第二振動源。第一振動源和第二振動源可被構(gòu)造成使第一工具和第二工具以相同的頻率振動。

在至少一個實(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的振動源。第一工具可被構(gòu)造成在第一工具振動時(shí)沿工件的第一表面運(yùn)動并在工件上對著第二工具施加力，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軸線運(yùn)動，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軸線運(yùn)動。第二工具可包括具有表面輪廓的模具。振動源可被構(gòu)造成使第一工具以5至70kHz的頻率和1至50μm的振幅振動。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。

在至少一個實(shí)施例中，提供了一種成形包括相對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、利用振動源使第一工具振動以及使振動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軸線運(yùn)動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。

第一工具可通過工具保持件保持并可通過附著到工具保持件或與工具保持件一體的換能器振動。第一工具可以以至少1kHz的頻率振動。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，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源的系統(tǒng)的側(cè)視圖；

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

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

圖8是根據(jù)實(shí)施例的通過包括振動源和模具的系統(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，在此公開本發(fā)明的具體實(shí)施例；然而，應(yīng)理解公開的實(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)。

申請人已經(jīng)在第8,302,442號、第8,322,176號和第8,733,143號美國專利中公開了用于漸進(jìn)地成形工件的多種系統(tǒng)和方法，在此這些專利的公開內(nèi)容通過引用而整體包含于此。所公開的系統(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。參照圖1，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。在至少一個實(shí)施例中，工件12可被設(shè)置為金屬板。在公開的系統(tǒng)10的一個或更多個實(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設(shè)置的第一平臺30和第二平臺32的框架。

一組支撐柱34可在第一平臺30和第二平臺32之間延伸。在一個或更多個實(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)置一個或更多個拉伸構(gòu)件36用于對支撐結(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30和第二平臺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型，例如壓縮缸、彈簧、先張桿等。在至少一個實(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30、32和支撐柱34之間設(shè)置多個開口，這可有助于接近系統(tǒng)組件以及工件12的安裝和拆卸。一個或更多個開口可至少部分地覆蓋有覆蓋材料(例如金屬或樹脂玻璃)，這有助于限定在其中進(jìn)行工件成形的外殼層(envelope)。多個安全特征可與開口或覆蓋材料關(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口40的框架。當(dāng)固定組件22接納工件12時(shí)，開口40可以被工件12至少部分地覆蓋?？衫霉潭ńM件22設(shè)置多個夾具42，以約束工件12并對工件12施加力。夾具42可沿開口40的多個側(cè)部設(shè)置，并可具有任何合適的構(gòu)造。例如，夾具42可以是手動的、氣動的、液壓致動的或電動的。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，一個或更多個夾具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。或者，一個或更多個夾具42可被構(gòu)造為提供大小可調(diào)節(jié)的力以允許相對于開口40的期望量的材料牽引(draw)。

固定組件22可被構(gòu)造為相對于支撐結(jié)構(gòu)20運(yùn)動。例如，固定組件22可被構(gòu)造成朝向第一平臺30、第二平臺32和/或支撐柱34運(yùn)動或者遠(yuǎn)離第一平臺30、第二平臺32和/或支撐柱34運(yùn)動。在圖1中，固定組件22可沿豎直軸線或Z軸運(yùn)動。在至少一個實(shí)施例中，固定組件22可安裝在一個或更多個支撐構(gòu)件44上，其中，支撐構(gòu)件44可被構(gòu)造為伸長、回縮和/或旋轉(zhuǎn)，以使固定組件22和工件12相對于至少一個成形工具運(yùn)動，從而有助于為工件12提供額外的運(yùn)動范圍并提高工件12的成形性。固定組件22可運(yùn)動，使得它保持與第一平臺30或第二平臺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30和第二平臺32上?；蛘撸诒竟_的一個或更多個實(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可具有多個自由度，例如可具有至少六個自由度的六足操縱器，比如F-200i六足機(jī)器人型號的發(fā)那科機(jī)器人。這樣的操縱器通?？删哂袑⒒捉雍系狡脚_的多個棱形鏈接或支桿。鏈接或支桿可以是線性致動器，例如能夠致動以使平臺相對于基底運(yùn)動的液壓缸。具有六自由度的操縱器可單獨(dú)地沿三個直線方向和三個成角度的方向或任意的組合方向運(yùn)動。例如，操縱器可被構(gòu)造成使相關(guān)聯(lián)的工具沿多個軸線(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。

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’。一個或更多個負(fù)載單元50可被設(shè)置成檢測施加在工件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?，一個或更多個加熱元件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，可對主軸54主動地或被動地控制。主動控制可通過對主軸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)動與操縱器24、26的運(yùn)動同步的情況下進(jìn)行。被動控制可通過允許主軸54響應(yīng)于對工件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’還可與自動化工具更換器(changer)60關(guān)聯(lián)，該自動化工具更換器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)造有一個或更多個運(yùn)動特征或表面，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。

一個或更多個控制器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?？刂破?8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)測并控制測量系統(tǒng)62的操作，該測量系統(tǒng)62可被設(shè)置成在成形過程期間監(jiān)測工件12的尺寸特性。測量系統(tǒng)62可以是任何合適的類型。例如，測量可以基于與工件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)變形可通過使一個或更多個工具沿著或抵著一個或更多個工件表面運(yùn)動而提供。工具運(yùn)動可沿預(yù)定的或編程好的路徑進(jìn)行。此外，工具運(yùn)動路徑還可基于例如來自負(fù)載單元的測量到的反饋而適應(yīng)性地實(shí)時(shí)編程。因此，成形可在至少一個工具運(yùn)動時(shí)漸進(jìn)地發(fā)生而不用從工件去除材料。

在一個實(shí)施例中，將要漸進(jìn)地成形的材料可被裝載在系統(tǒng)中?？墒謩踊蜃詣拥貙⒖杀恢辽俨糠值仡A(yù)成形的材料置于固定組件22中并使其在固定組件22中與開口40的至少一部分對齊。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或更多個表面上設(shè)置比如蠟或潤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。粗成形會使材料的形狀變化，使得工件的至少一部分不會成形為最終形狀或目標(biāo)形狀。粗成形可通過第一操縱器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)動的程序，使得它們各自的工具接觸材料并對材料施加力以改變其形狀。一個或更多個工具可用于粗成形材料。與使用一個以上的工具相比，使用一個工具會導(dǎo)致對工件的局部變形控制降低。使用多個工具結(jié)果可提高尺寸精度，這是因?yàn)樵诠ぜ粋?cè)施加的力會受位于工件相對側(cè)的工具施加的力影響或者至少部分地偏置。這樣，一個工具可提供局部支撐，這減少了材料的局部運(yùn)動。

在粗成形期間，操縱器可定位工具或使工具運(yùn)動，使得它們不會相對地接近(即，工具在位于工件的相對側(cè)或不同側(cè)時(shí)不會接近或?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，這樣的運(yùn)動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。成品成形可通過致動操縱器進(jìn)行，使得多個工具相對地彼此接近(即，工具在位于工件的相對側(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，可通過在工件的不同側(cè)施加力使得由一個工具施加的力由于另一個工具施加的力而至少部分地偏移或抵消來調(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?？墒褂孟惹懊枋龅臏y量系統(tǒng)完成尺寸估計(jì)。如果一個或更多個尺寸特征不在預(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觸針式成形工具之間的與這兩個工具接觸的材料的局部塑性變形。通過彼此偏移的重復(fù)的成形道次，對夾具壓力和兩個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并硬化材料，這與軋制過程類似。材料的這些物理變化會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)識到應(yīng)用高頻振動(例如超聲波振動)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)相信通過向成形工具/尖端施加振動，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程的塑性變形極限。觸針尖端的振動結(jié)合對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。對材料的效應(yīng)可以是極快的并可以是局部的，使得材料周圍的區(qū)域不會受到明顯的影響?？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和/或成形。與先前的系統(tǒng)相比，材料的激發(fā)可使?fàn)恳⒊尚魏?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)。在至少一個實(shí)施例中，振動源64可附著、連接或結(jié)合到工具58和58’中的一個或兩個。在一個實(shí)施例中，振動源64可包括將其他形式的能量轉(zhuǎn)換成振動能的振動換能器(例如超聲波換能器)。換能器可以是任何適合類型的換能器，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。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(例如，超聲波振動)。除了轉(zhuǎn)換是由于電容的變化而發(fā)生的，電容換能器基于類似的原理工作。然而，這些僅是示例，可使用產(chǎn)生振動的任何其他適當(dāng)?shù)姆椒?。例如，可使用磁致伸縮材料，在暴露于磁場時(shí)其尺寸改變小的量。

振動源64可位于任何適當(dāng)?shù)奈恢茫瑥亩试S振動傳遞到工具58和/或58’。振動源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擇振動源64的位置，以允許振動源的調(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間隔完成的。可選地，振動源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’可具有允許振動波適當(dāng)?shù)貍鞑サ膸缀谓Y(jié)構(gòu)。在一個實(shí)施例中，振動源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，振動源64附著到工具保持件56或與工具保持件56一體且振動源64被構(gòu)造成沿與工具保持件56的長軸線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。振動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。雖然圖4和圖5中示出的振動源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，但是振動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。振動源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。工具58’的振動可大體上與工具保持件56’的長軸線66’平行或垂直。

在至少一個實(shí)施例中，振動源64是超聲波換能器。振動源64可使工具58和/或58’振動。振動可以以設(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?？苫诠ぞ咴诠ぜ系奈恢?、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調(diào)節(jié)頻率。在一個實(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)，振動源64可使工具58和/或58’以1至150kHz的頻率振動或其任何子范圍內(nèi)振動。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。換句話說，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，大約指的是±5kHz?？苫趹?yīng)用選擇頻率，并且頻率會受到諸如材料類型(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。振動源64的頻率可由控制器控制，該控制器可調(diào)節(jié)振動源的頻率以使整個聲學(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減少收益或損壞正在成形的材料。

參照圖6至圖8，示出了成形工件12的系統(tǒng)10的示意性示例。在至少一個實(shí)施例中，如圖6所示，工具58和58’中僅一個結(jié)合到振動源64。例如，工具58可振動同時(shí)工具58’不振動。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“焊頭”和“底砧”與超聲波焊接中使用的術(shù)語類似。焊頭70是向部件(在本實(shí)施例中是工件12)施加振動的部件。底砧72是與焊頭相對的表面，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)。在超聲波焊接中，基本上還存在壓機(jī)(press)以向兩個正在接合的部件施加壓力，使得振動能集中在將要熔化的位置。然而，在本公開中，僅一個工件12成形(沒有與其他部件附連)，且可通過操縱器24和26施加在兩個工具58和58’之間的力而提供壓力。如上所述，振動源64可被構(gòu)造為使工具58沿與工具保持件56的長軸線66平行或垂直的方向振動。在圖6示出的實(shí)施例中，振動源64被構(gòu)造為使工具58沿與長軸線66垂直的方向振動。

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或者如果不需要來自振動源64的振動時(shí)用作底砧。在工具58和58’都振動的實(shí)施例中，振動源64可被構(gòu)造成具有相同或不同的頻率。類似地，振幅可以相同或不同，且它們可以同相或異相。在一個實(shí)施例中，工具58和58’可以以相同的頻率和振幅振動。在另一實(shí)施例中，它們還可以以異相的方式振動。向工具58和58’兩者提供振動可增大工件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’的長軸線66和66’平行或垂直的方向振動。在圖7示出的實(shí)施例中，振動源64被構(gòu)造為使工具58和58’沿與長軸線66和66’平行的方向振動。

在圖8示出的另一實(shí)施例中，可移除或不使用系統(tǒng)10中的一個操縱器，并且可利用模具76來代替該操縱器。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可使用振動源64而振動。與參照圖6描述的實(shí)施例類似，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，可使用包括振動源64的系統(tǒng)10來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的情況下被牽引的相同的金屬板相比，工具58和58’的振動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，在工具振動的情況下，牽引極限可以是175％、200％或更高。

振動源64在工具58和/或58’中的產(chǎn)生的振動的振幅可根據(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。在至少一個實(shí)施例中，振動的振幅可以是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。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。助力器可使振動源64的振動的振幅變化(例如，增大)。

包括結(jié)合到振動源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大體上調(diào)節(jié)振動源的參數(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)來調(diào)節(jié)參數(shù)。

如上所述，工具的振動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。在一個實(shí)施例中，合金的局部溫度可通過振動而升高至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％。

振動源64可由一個或更多個控制器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)測并控制諸如換能器68的振動源64的操作?？刂破?8可控制工具的振動的頻率、振動的振幅、振動的正時(shí)或其他參數(shù)?？刂破?8可響應(yīng)于系統(tǒng)的共振特征而控制振動源的參數(shù)。此外，控制器28可監(jiān)測并控制可被設(shè)置為在成形過程期間監(jiān)測工件12的尺寸特征(其可包括工件12的局部溫度和/或工件12的振動的頻率和/或振幅)的測量系統(tǒng)62的操作。

可采用所公開的系統(tǒng)和方法來成形具有復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)的工件，而不會增大與設(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，在說明書中使用的詞語是描述性詞語而非限制性詞語，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。