用于高速冲压成型的装置和方法本发明涉及材料成型的领域。
更具体地，本发明的目标在于冲压成型金属部件的装置和方法。
前序和现有技术
在主导产业(航空、空间和汽车行业或其它制造业)中，在部件成型
期间所要求的和必要的精度可能较高，为满足这些要求而实施的技术变得
越来越复杂。
当金属部件待成型时，冲压之所以通常为所选方法，是因为该方法是
可靠的并且可以非常容易地控制。冲压包括材料板在压力作用下的塑性变
形，以便赋予该板预定的模具的形状。尽管该技术一般地在金属材料(钢、
铝等)上使用，但其也可以应用于很多塑料材料，如PVC、聚乙烯、聚碳
酸酯等。
用于实施冲压成型的变体之一是被称为弹性成型(Guerin工艺)的工
艺，该工艺的原理是向弹性体施加应力(例如借助柱塞)，该弹性体随后
起着冲头或模具的作用。弹性体将其承受的压力传送到待变形的板上，所
述待变形的板在冲压操作期间显示出其形状。
特别地，在本领域中已知的是专利申请EP0376808(Isoform,1988)，
其涉及使用冲头来冲压板材的方法和装置，该板材在活塞的作用下可以变
形。
然而，该方法的一个缺点在于其仅能够对厚度小的轻量级金属(例如
铝)进行较浅的冲压操作这一事实。实践中，该方法限于厚度1.5mm的
金属板。
该成型方法的另一缺陷是在待成型的部件松弛之后发生的弹性回复。
该效果或多或少地取决于所考虑的材料，并且当考虑所预期的精度时不再
可以忽视该效果的情况下，该效果会证明是成问题的。
还已知的是专利US7954357，其公开了使用具有基本平的形状的可变
形冲头来冲压平的板材的方法和装置。
发明概述
具体地，本发明的目的在于提供用于显著减少弹性回复并用于将弹性
成型原理应用到诸如钢或铬镍铁合金(Inconel)的金属和/或厚度大的那些
金属上的有效方案。
首先，本发明的目的在于一种用于冲压成型弯曲的金属板的装置，所
述装置包括：
-由可变形且基本上不可压缩的材料制成的冲头，
-适配成沿着纵轴(Z)撞击该冲头的锤子。
该装置包括用于产生磁场的机构，该磁场被适配成在所述方向(Z)
上赋予锤子大于预定值的速度(VZ)。
该装置包括基本上沿着纵轴(Z)旋转对称的预定形状的模具，并且
该冲头基本上沿着纵轴(Z)旋转对称并且被适配成朝向该模具设置，以
便其在金属板和模具之间具有非零的预定距离G。
所述非零的预定距离G使得确保金属板14被设置在运动中成为可能。
特别地，有利地设置所述金属板14以便与模具10不具有任何接触点，从
而使得获得金属板14高的冲击速度成为可能。该高的冲击速度允许金属
板14的动态变形，也就是说高速变形。该高速变形允许更有效的成型并
且还允许弹性回复的减少。在一个具体实施方式中，冲头的纵向尺寸(H)
大于或等于垂直于纵轴的其径向尺寸(R)，或与该径向尺寸(R)具有相
同数量级。
以该方式，所述冲头随后至少径向变形以便被锤子径向撞击，并且因
此能够使特别地设置在所述冲头外围上的金属板成型。
这与用于冲压成型的现有装置发生的情形相反，在现有装置中，在锤
子的轴向冲击之后冲头轴向变形，并且仅使沿着所述冲头的纵向端部设置
的金属板成型。
用于产生磁场的机构将预先选择的强度的加速传达至冲头持续有限
的时长，以便产生高的撞击速度。
将理解的是，该装置的作用是允许将压力以高速(通过所形成的力的
电磁性质而允许的)施加至冲头，以便该冲头按照所述板被施加到的模具
的形状而使金属板非常快速地变形。
该装置有利地包括用于赋予锤子这样的轴向速度(VZ)的机构，该轴
向速度(VZ)大于或等于用于获得金属板的塑性变形的最小轴向速度
(VZ_min)。在一个具体实施方式中，轴向速度(VZ)大于20m/s。
在一个具体实施方式中，冲头由泊松比接近0.5的不可压缩的弹性体
制成。
特别地，已经令人惊讶地观察到，当弹性体被高速运动的锤子(撞击
机构)施压时弹性体具有粘弹性行为，这一方面导致该部件更有效的成型
(也就是说，更加符合模具)并且另一方面导致成型部件的弹性回复的减
少。
认为的是，可变形且基本上不可压缩的材料是指弹性体类型的材料，
该材料适合用作弹性成型垫。在另一个实施方式中，可变形且不可压缩的
材料可以由柔性包封围绕的液体构成。这样的材料对于本领域技术人员是
熟知的。
在一个具体实施方式中，模具的端壁构成了冲头正面的挡块。
在第二方面，本发明目的在于一种成型组件，包括所述的成型装置和
基本上沿着纵轴(Z)旋转对称的预定形状的模具，其特征在于，板与模
具之间的距离G非零。
特别地，冲头/金属板组件对模具的径向撞击速度VR与该距离G的立
方成正比。当径向速度足够时，金属板具有塑性行为并完全显示出模具内
面的形状。
在另一方面，本发明的目的在于一种使用上述组件通过冲压使弯曲的
金属板变形的方法，该方法包括以下步骤：
-将金属板放在模具内，
-将冲头放在金属板内部，
-产生磁场，该磁场在该方向(Z)上赋予锤子大于预定值的速度(VZ)，
-使锤子沿着纵轴(Z)撞击到冲头上，
-以足以获得金属板的塑性变形的径向冲击速度VR，使冲头径向变
形。
有利地，模具被这样实施，以便在金属板与模具之间具有非零距离G。
附图说明
借助下文的描述将更好地领会本发明的特征和优点，该描述借助非限
制性应用实例来说明本发明的特征。
该描述基于附图，其中：
图1a示出了根据第一实施方式，在成型之前，与中空模具一起使用的
弹性成型装置中涉及的元件的示意性视图；
图1b示出了图1a的细节的放大图；
图2示出了在成型过程中这些相同元件的视图；
图3示出了在成型后这些相同元件的视图；
图4示出了根据另一实施方式，在成型前，与中空模具一起使用的弹
性成型装置中涉及的元件的示意性视图；和
图5示出了这些相同元件的截面的平面图。
本发明的实施方式的详述
首先，要注意的是，附图是不按比例的。在本说明书的剩余部分中，
术语“金属板”用来表示待成型的部件，但是本发明更一般性地涉及由塑
料、金属或其它材料制成的薄板。当板的尺寸之一显著小于其它两个尺寸，
通常至少一个数量级时，该板被称作薄板。
在该装置的一个示例性实施方式中，后者与模具10相关联。其进一
步包括弹性体冲头11、锤子12和用于产生磁场的装置13(在附图中仅绘
制了该装置13的线圈)。该装置适合形成大功率磁场，该大功率磁场可产
生锤子12的强加速，结果是其以高速撞击冲头。有利地，锤子12独立于
用于产生磁场的装置13。
本文中认为模具10、冲头11和锤子12是沿着纵轴Z旋转对称的。模
具10基本上具有在其上端处由端壁15封闭的中空圆柱体形状，并且侧向
上包括槽16，在此该槽16具有三角形截面。冲头11图示性地由半径略小
于模具10的圆柱形体积表示。锤子12在此具有认为是全局地等同于冲头
11的半径并且支承在其下面17上。
金属板14，在此其具有在其上端处封闭的圆柱体形状，被插入模具
10，并在其内部体积中接收冲头11。换言之，金属板14的形状不相当于
管状。具有封闭的圆柱体形状的金属板的变形受其在其上端处的封闭的影
响。将理解的是，更一般性地，放在模具内的金属板14被弯曲为简单的
曲线，该模具具有沿着轴Z旋转对称的凹形，冲头具有基本上互补的形状。
金属板14在图1a中表示为显示出冲头11端部的形状。在一个变体
实施方式中，金属板具有封闭的圆柱体形状，并且仅显示出冲头11的横
向部分。在图4中所示的另一个变体中，金属板14具有在其上端处开放
的圆柱体形状。在图5中所示的另一个变体中，金属板14具有开放的圆
柱体形状并且仅显示出冲头11的横向表面的一部分。
应当注意的是，在本发明的示例性实施方式中，在成型装置被投入运
行前，冲头11在金属板14的面的主要部分上与金属板14接触。金属板
14与模具10间隔非零距离G(在图1b中示出)。
在不太有利的实施方式的变体(未示出)中，金属板14在成型装置
投入运行前与模具10接触并与冲头11间隔非零距离。
认为冲头11在此由不可压缩的弹性体制成(泊松比接近0.5)，也就
是说，其变形以恒定的量发生。另外，所认为的是，金属板14足够薄，
从而不影响冲头11的变形。
在本发明的示例性实施方式中，并且正如图1a中可见，模具10的端
壁15构成冲头11正面的挡块。这是指该端壁15没有贯通开口
(through-opening)。
锤子12是其中材料和特性是本领域技术人员已知的那种锤子，并且
因此在本文中不作更详细地描述。
操作方式
装置13用于产生磁场的线圈产生了使锤子12朝向弹性体冲头11运
动的磁场。因此冲头11将被轴向压缩并且鉴于其不可压缩性和模具的端
壁15，随后被强迫径向且均匀地变形，从而允许放在冲头11与模具10之
间的金属板14的成型。
在一个非限制性的示例性实施方式中，待成型的金属板14采取直径
为38mm的15-5PH钢筒的形式。冲头11是由半径R＝19mm和高度H＝
15mm的弹性体(90邵氏A聚氨酯)组成的圆柱体。模具，即模具10的
内面，具有21mm的半径。模具10与金属板14之间的距离G为G＝2mm
(参见图1b)。
锤子12对弹性体的轴向冲击速度VZ已测得为34m/s。根据构成金属
板14的材料的几何条件和性能调节该轴向冲击速度VZ。计算轴向冲击速
度VZ以便允许所述金属板14的塑化。
可以使用以下确定公式来估计冲头11/金属板14组件对模具10的径
向冲击速度VR(径向撞击速度)：
V R = V Z 2 · R H · ( 1 + G R ) 3 - - - ( 1 ) ]]>
其中VR表示径向速度，VZ表示轴向运动速度(由锤子12赋予的),R/H
表示冲头11的长径比，并且G/R表示距离G(金属板14与模具10之间
的距离)与冲头11半径R之比。待传达到锤子12的最小轴向速度VZ_min
是使得获得金属板14的塑性变形(金属板的“塑化”)成为可能的轴向速
度。
因此，成型装置包括用于根据待成型的金属板14的厚度以这样的方
式控制该轴向速度VZ的机构，以使该锤子的轴向速度VZ大于如此确定的
最小轴向速度VZ_min。
应当注意的是，径向冲击速度VR与轴向速度VZ直接成正比，因此前
述评论同样适用于径向速度。
使用本实施例的数值数据，获得估计的30m/s的径向冲击速度VR。
VR与VZ之比则为88％。
在锤子12对弹性体的冲击期间，震动形成了动态压力波，该动态压
力波在弹性体中的传播速度显著大于冲击速度VR。随后，冲头的径向变
形将金属板推向模具10的内面。
另外，当金属板14在冲头11变形的作用下初始地与模具10形成接
触时，还剩余某些不与模具(特别是槽16)接触的区域。对于其中模具
10具有较大深度的几何形状(例如，装饰性刻蚀或功能性几何形状)的区
域，尤其是如此。弹性体冲头11和金属板14持续局部变形并且它们的变
形速度可能显著大于在冲击期间的径向变形速度VR。
当冲击形成的压力大于Hugoniot弹性限度时，观察到金属板14的塑
性变形。随后金属板14完全显示出模具10的形状，特别地槽16的形状。
金属部件14的该塑性变形在径向撞击速度VR验证了以下方程的情况下出
现：
s . σ E L · 1 - v f 1 - 2 v f · [ 1 Z e + 1 Z f ] < V R - - - ( 2 ) ]]>
其中，σEL为金属板14的弹性限度，Ze为模具10的声阻抗，Zf为金
属板14的声阻抗，vf为金属板14的泊松比，s为大于或等于1的安全因
子(在本发明的非限制性的示例性实施方式中等于1.1)。
该塑性变形的标准被翻译成在冲击在冲头11上的时刻关于锤子12的
轴向速度VZ的条件(通过利用方程1)
因此，用于产生磁场的机构被做成这样的尺寸，该尺寸为锤子12提
供大于该阈值的轴向撞击速度VZ。该速度VZ因此优选地将在20与200m/s
之间。
在本发明的非限制性的示例性实施方式中，通过冲压使弯曲的金属板
14变形的方法包括以下步骤：
-将金属板14放在模具10内，
-将冲头11放在金属板14内部，
-产生磁场，该磁场在该方向(Z)上赋予锤子12大于预定值的速度
(VZ)，
-使锤子12沿着纵轴(Z)撞击到冲头11上，
-以足以获得金属板14的塑性变形的径向冲击速度VR，使冲头11径
向变形。
优点
换言之，有利地将距离G，即金属板14与模具10之间的距离，选择
成非零的，以使金属板14被设在高度运动中。该高速变形允许更有效的
成型和弹性回复的减少。
这样的装置因此具有显著减少弹性回复现象的优点，并使得能够通过
弹性成型来使厚度大于1.5mm的金属板部件成型，只要传达到锤子上的速
度使得能够获得这样的径向冲击速度，该径向冲击速度使得金属板被带到
其塑性变形范围内。
变体
前述实施例已通过说明的方式给出并且不是穷举性的。特别地，可以
通过使具有基本上等同于模具10的尺寸的金属板14成型来实施本发明。
在该情况下，弹性体冲头11将具有显著较小的尺寸，以便维持冲头与板
之间的非零距离。