具有弹性工具加工的增量式板材成形系统的制作方法

1.本发明涉及一种用于使板材诸如板材金属增量式成形的装置和方法。
2.相关申请的交叉引用
3.本技术要求2019年5月7日提交的临时申请第62/844,177号的优先权，并且要求2020年4月8日提交的临时申请第63/006,802号的优先权，这些申请中的每个的全部内容特此通过引用并入本文。


背景技术：

4.多年来，已开发了用于使板材(通常为金属)成形为复杂形状的许多方法。板材成形技术存在于广泛的行业中，并且应用于各种金属和塑料。典型的板材金属零件大批量生产利用压印技术。压印需要使用两个高准确性水平机加工的刚性模具。将材料板材(即工件)压在两个模具之间，以使材料成形为由模具建立的所需构型。
5.压印的可替代方法已被用于使板材成形，而不需要全套的两个模具。代替地，将单个刚性模具定位在材料板材的一侧上。然后，通过使用背衬材料或通过流体压力将力施加到材料的另一侧，因此将材料成形为由单个模具确定的所需构型。尽管多年来在板材金属成形技术中使用一个或两个模具已取得了进步，但任何模具的工程化、制造和维护的费用均阻碍了金属零件的小批量生产。除了(多个)模具的制造成本外，生产(多个)模具的时间进一步阻碍了小批量和原型的使用。
6.用于使板材成形的另一种技术称为增量式板材成形(isf)，在这种技术中，任何时候实际上均只有板材的一小部分通过成形进行增量式构型。emmens等人，“增量式板材成形技术——历史简要回顾”，《材料加工技术杂志(journal of materials processing technology)》(2010年)和jeswiet等人，“板材的非对称单点增量式成形”，《cirp年鉴——制造技术(cirp annals
–
manufacturing technology)》54(2)：88-114(2005年12月)。
7.本发明的增量式板材金属成形系统不仅通过消除用于生产和使用昂贵模具来形成复杂板材金属零件的长交付周期和需求而提供了优于现有系统的灵活性，而且还使工件上的成形力局部化，以便精确地和局部地控制板材成形期间出现的应力。
8.相关申请的描述
9.单点增量式成形(spif)，即isf的变体，是一种无需任何模具的用于板材(通常为金属)单面成形的方法。先前的spif示例体现了许多不同的实施方式。spif的最简单的实施方式中的一种包括刚性夹紧机构，用于沿板材金属工件的所有外部四个边缘限制板材金属工件，同时单个成形工具或辊式冲压位于板材金属的一侧上。遵循指定的轨迹，工具压在夹紧的板材金属上，以使所需的形状成形。emmens等人，上文的第2.2节和图4，参考iseki等人的“使用球面辊的柔性和增量式板材金属成形”；第40届jjcyp会议记录(1989年，第41-44页)。
10.两点增量式成形(tpif)，也称为双面增量式成形，是isf的另一种变体，其中板材通常在其外缘被夹紧，并且从板材的每一侧施加力。双面成形方法的一个示例使用两个相
对的刚性成形工具沿工件的任一侧移动来施加力和对抗力。在美国专利第8,302,442号中，板材固定装置组件20(夹具组件支撑工件12，同时成形工具32和32”在工件12上施加双面力。工具可彼此直接相对定位或相对彼此偏移。此外，每个成形工具可安装在6轴平台上，允许在3个平移方向和3条旋转轴线上移动。(另参见美国专利第8,783,078号；第8,773,143号和第8,322,176号)。虽然在某种程度上比spif技术对工件施加更好的控制，但需要降低成形速度以及附加的复杂性和准确性水平，以通过控制器26协调每个相对的成形工具的路径，并且使工件12成形为所需构型。然而，在成形过程期间仍然难以精确控制相对的工具定位，从而导致所产生的工件构型中的缺陷，诸如褶皱和撕裂。
11.在双面成形的另一个示例中，刚性工具位于工件的一侧上，并且代替另一侧上的第二刚性工具侧，单个模具位于另一侧上。如参见日本专利10-314855(ueno等人)中，模具3固定到位，并且工具5将工件4压向模具3。虽然工具5在该示例中相对通用，但模具3必须针对每个不同的所需构型而专门制造，因此保留与制造交付周期和使用任何模具的成本相关联的挑战。
12.双面成形方法的进一步的示例参见美国专利第7,536,892号。夹具固定装置1被布置用于夹紧工件w的圆周。模具2和工具4依次朝向彼此前进，以将工件w压成对应于模具2的形状。然而，模具2的存在保留了使用任何模具固有的不利的长交付周期和成本。
13.双面成形方法的另一个示例参见美国专利第6,151,938号。包括多个冲压元件的压力机2位于坯料3的一侧上，而弹性体4定位在另一侧上并与坯料3面接触。控制单元5仅沿一条轴线朝向其预期位置移动冲压元件，因此对坯料3施加力。弹性体4生成支撑坯料3的斥力。在成形产品长的情况下，可纵向移动坯料3，从而沿坯料的长度逐步执行成形过程。由于使用许多冲压件形成坯料，该工艺在机械上也很复杂。这种冲压过程也限于生产相对简单的形状。
14.在另一个示例中，美国专利第3,342,051号描述了旋转式双面isf设备和方法，其中坯料6完全紧固在两个夹紧环3和4之间，该夹紧环3和4在垂直于坯料6平面的一条轴线的方向上在导向销5上自由滑动。继而，导向销5附接到与转台v(未示出)一起旋转的背衬板1。变形工具7或旋转球8定位在坯料6的一侧上，并且弹性材料2定位在另一侧上并附接到背衬材料1。当坯料6与弹性材料2和转台v一起旋转时，变形工具7沿一条轴线横向进给，以螺旋旋转的方式从坯料6的外边缘向其中心横越。使变形工具7沿垂直于坯料6平面的轴线抵靠坯料6，以便将坯料6变形为始终具有圆形横截面的所需构型。由于变形工具7和转台v分别仅在两条线性轴线和一条旋转轴线上移动，因此这种成形方法不利地局限于产生仅包含圆形横截面形状的“旋转图形”。因此，'o51设备既不能在3条轴线(即，x、y和z轴线)上独立线性移动，也不能形成不对称形状，这些是本发明可以实现的。
15.相比之下，本发明优选地涉及双面增量式板材成形装置和方法，其不使用特制的模具，而是具有独特的工具加工和移动，该工具加工和移动可通用地应用，从而以最小量的力形成各种形状。
16.本发明优选地包括具有可压缩和弹性材料层的主刚性工具和次工具。由板材组成的工件定位在相对的工具之间。主刚性工具向板材的一个表面施加力，而次弹性工具向板材的相对表面施加受控对抗力。这种双面工艺将板材上的力在相对工具之间工件上的接触区域中局部化(而不是在板材的一侧上仅使用刚性工具时广泛施加的力和施加在整个板材
上的所产生总应力)。通过将板材上的力局部化到接触区域，应力和最终成形也被局部化，并且当与单点增量式板材成形相比时，根据本发明被更准确和精确地控制。
17.此外，通过将定位在工件的一侧上的主刚性工具与相对的次弹性工具一起进行利用，两者均具有线性独立运动(而不是使用在许多以前的双面技术中发现的两个相对的刚性工具)，本发明避免了所产生工件的潜在起皱和撕裂。因此，本发明的独特的双面成形过程和装置通过更简单和更好的受控过程生产出许多不对称和更准确成形的产品，并且最终使用比单面或其他双面增量式板材成形方法更低的功率。


技术实现要素：

18.根据本发明的一个方面，描述了一种用于使工件增量式成形的装置(参见例如图1a至图1c、图2a至图2c、图3a至图3c、图4a至图4b和图5)。工件具有第一和第二相对且平行的表面、用于使工件成形的工作区域，并且限定平行于这些表面的参考平面。该装置包括主成形工具组件，其被定位成邻近并面向工件的第一表面，并且能够在垂直于参考平面的方向上以及在平行于参考平面的所有方向上移入和移出与工件的啮合。主成形工具组件可具有用于使工件成形的成形尖端。尖端被定位成面向工件的第一表面。该装置还包括次成形工具组件，其具有面向工件的第二表面的弹性表面部分或材料层，并且能够在垂直于参考平面的方向上移入和移出与工件的啮合。
19.工件和主成形工具组件中的一个或两个相对于彼此移动能够被移动，以将主成形工具组件定位在工作区域内；以及在垂直于参考平面的方向上在工件的第一表面上施加力，同时弹性次成形工具组件与工件啮合，并且施加对抗力以支撑工件的第二表面，使得在成形时在工件上施加局部力。
20.根据本发明的一个方面，上述装置还可包括板材进给组件(参见例如图1a至图1c)。板材进给组件包括板材进给辊组件，其具有接触工件的相应第一表面和第二表面的至少一辊组。该辊组能够在平行于参考平面的方向上移动工件。
21.可替代地，上述板材进给组件包括板材进给带组件，其具有包围并接触一组可旋转辊的至少一个连续带(参见例如图2a至图2c)。带被定位成与工件的第一表面或第二表面成接触关系，并且能够在平行于参考平面的方向上移动工件。
22.代替地，上述板材进给组件可包括具有刚性框架和能够将工件牢固地保持在其间的保持器的板材固定装置组件(参见例如图3a至图3c、图4a至图4c和图5)。板材固定装置组件限定开口，以用于通过工件的第一表面上的主成形工具组件并通过工件的第二表面上的次成形工具组件接近工件。
23.根据本发明的另一方面，描述了一种用于使板材的工件成形的装置。该工件具有第一和第二相对且平行的表面，并且限定平行于工件的第一表面和第二表面的参考平面。该装置包括能够在平行于参考平面的方向上移动工件的板材进给组件。该装置还包括主成形工具组件，其被定位成面向工件的第一表面，并且能够在垂直于参考平面的第一方向上以及在既平行于参考平面又垂直于板材进给组件的工件移动方向的第二方向上移动。
24.该装置另外包括背衬辊工具组件，其能够在垂直于参考平面的方向上移动，并且具有用于围绕其纵向轴线旋转的细长圆柱形构型，该纵向轴线被定位成平行于主成形工具组件的第二移动方向。背衬辊工具由内芯和固定到其上的外弹性层构成，该外弹性层被定
位成面向工件的第二表面。可替代地，背衬辊工具组件可具有外表面，当力施加到其上时，该外表面的一部分是可压缩的，而当力被移除时，该外表面的一部分弹性地恢复到其非压缩构型(参见例如图1a至图1c、图2a至图2c和图3a至图3c)。
25.主成形工具组件和背衬辊工具组件能够同时与大致彼此相对的工件的相应第一和第二相对表面接触，同时主成形工具组件在工件的第一表面上施加力，以使工件成形，并且背衬辊工具组件在工件成形时在工件的第二表面上施加对抗力，通过该对抗力，该过程在工件上产生局部力。
26.根据本发明的另外方面，描述了一种用于使板材工件成形为预定构型的装置。工件具有第一和第二相对且平行的表面，并且限定平行于工件表面的参考平面。该装置包括能够围绕其纵向轴线旋转的背衬辊工具组件，并且该背衬辊工具组件具有内芯和固定到其上的外弹性层或外表面部分。背衬辊组件沿其纵向轴线面向工件的第二表面，并且平行于参考平面(参见例如图1a至图1c、图2a至图2c和图3a至图3c)。
27.该装置还包括被定位成邻近并面向工件的第一表面的主成形工具组件。主成形工具组件能够在工件的第一表面上施加力以使工件局部成形，同时在平行于背衬辊组件的纵向轴线的第一方向上移动。该装置还包括具有刚性框架和能够将工件牢固地保持在其中的保持器的板材固定装置组件。板材固定装置组件被定位成平行于参考平面，并且限定开口，以用于通过工件的第一表面上的主成形工具组件并通过工件的第二表面上的次成形工具组件接近工件。
28.主成形工具组件和背衬辊工具组件能够在垂直于参考平面的方向上移动，以便接触工件的相应第一表面和第二表面。结果，由主成形工具组件施加在工件的第一表面上的力被背衬辊工具组件施加在工件的第二表面上的对抗力抵消，从而在工件进行成形时将工件支撑在主成形工具的局部区域中。
29.根据本发明的另外方面，描述了用于使工件增量式成形的另一装置(参见例如图1a至图1c、图2a至图2c、图3a至图3c、图4a至图4b和图5)。工件具有定位在“x”、“y”、“z”三维坐标系的x-y平面上的第一和第二相对表面。该装置包括被定位成邻近并面向工件的第一表面的主成形工具组件。该装置还包括次成形工具组件，其具有刚性体和固定到其上的可压缩和弹性材料层，并且该材料层被定位成邻近并面向工件的第二表面。
30.工件、主成形工具组件和次工具组件能够沿坐标系的x、y或z轴线中的至少一条以预定次序和模式相对于彼此独立移动。主成形工具组件和工件也能够沿x、y和z轴线相对于彼此移动。次成形工具组件能够相对于工件沿z轴线移动。结果，主成形工具组件能够在工件的第一表面上施加力。次成形工具组件还能够沿z轴线抵靠工件的第二表面施加对抗力，从而局部支撑工件。在成形过程期间，成形力基本上局部化于与主成形工具和工件接触的区域处(参见例如图10)。
31.根据本发明的另外方面，上述装置包括控制系统，其能够同时协调工件、主成形工具组件和次成形工具组件相对于彼此的各自移动。这些部件的协调移动使得主成形工具组件沿工件的第一表面遵循预定路径，而次成形工具组件同时沿工件的第二表面遵循同一路径。
32.在本发明的另一方面中，描述了一种用于使工件增量式成形的方法，该工件具有至少一个工作区域，并且具有定位在“x”、“y”、“z”三维正交坐标系的x-y平面上的第一和第
二相对且平行的表面。(参见例如图7)该方法包括提供一种装置，该装置具有主成形工具组件，其被定位成邻近并面向工件的第一表面；以及背衬成形工具组件，其具有可压缩和弹性表面部分，该表面部分被定位成邻近并面向工件的第二表面。工件、主成形工具组件和背衬成形工具组件能够以预定次序和模式相对于彼此独立移动。
33.主成形工具组件相对于工件定位，以同时移动到预定的x、y、z坐标，以便在工作区域内邻近工件的第一表面。背衬成形工具组件相对于工件定位，以便在工作区域内同时移动到预定的z坐标，以便与工件的第二表面接触并与主成形工具组件的位置相对。使主成形工具组件在z方向上朝向工件前进到预定的z坐标，以便在工作区域内的接触点处接触工件的第一表面并在其上施加力。结果，工件成形为预定构型，并且弹性背衬成形工具组件在成形时压缩以支撑工件的第二表面。
34.主成形工具组件沿一组预定坐标在x-y平面上相对于工件移动(参见例如图7)，从而遵循预定路径，工件沿该预定路径在工作区域内在z方向上一致成形。主成形工具组件在z方向上从工件缩回，并且在x-y平面上重新定位到邻近工件的第一表面的一组预定坐标。上述步骤可通过依次利用z坐标的递增值来重复，直到工件在工作区域中完全成形。
35.在本发明的另一方面中，上述方法的装置另外包括具有控制器组件和非接触式或接触式传感器的控制系统。利用(多个)传感器，控制器组件同时测量工件沿其成形路径在特定位置处的成形量。将所产生的测量结果与工件在沿成形路径的相同指定位置处的预定成形量进行比较。所产生的比较测量结果被中继到控制器组件。然后，控制器组件相对于沿路径的所需成形的预编程量来调整主成形工具组件和背衬成形工具组件中的至少一个的位置，以便使工件成形为预定形状。
36.本发明的另一方面涉及一种用于使工件增量式成形的方法，该工件具有彼此分离的至少第一工作区域和第二工作区域，并且具有定位在“x”、“y”、“z”三维正交坐标系的x-y平面上的第一和第二相对且平行的表面(参见例如图8a至图8b)。该方法包括提供一种装置，该装置具有主成形工具组件，其被定位成邻近并面向工件的第一表面，以及背衬成形工具组件，其具有可压缩和弹性的表面部分，并且被定位成邻近并面向工件的第二表面。工件、主成形工具组件和背衬成形工具组件能够以预定的次序和模式相对于彼此独立移动。
37.主成形工具组件相对于工件定位，以同时移动到预定的x、y、z坐标，以便在第一工作区域内邻近工件的第一表面。弹性背衬成形工具组件相对于工件定位在第一工作区域内的预定z坐标处，以便与工件的第二表面接触并与主成形工具组件的位置相对。主成形工具组件在z方向上朝向工件前进到预定的z坐标，以便在接触点处接触第一工作区域内的工件的第一表面并在其上施加力。
38.结果，工件成形为预定构型，并且背衬成形工具组件的弹性表面部分压缩以支撑工件的第二表面，致使在成形时在工件上局部化。主成形工具组件沿具有基本相同的z坐标的一组预定坐标在x-y平面上相对于工件移动，从而遵循预定路径，工件沿该预定路径在第一工作区域中在z方向上一致成形。主成形工具组件在z方向上从工件缩回，并且在邻近工件的第一表面的第二工作区域内的一组预定坐标处重新定位在x-y平面上。
39.主成形工具组件在第二工作区域内在z方向上朝向工件前进到与为第一工作区域选择的z坐标相同的z坐标，以便在接触点处接触工件的第一表面并在其上施加局部力。结果，工件成形为预定构型，并且次成形工具组件的弹性表面部分在工件成形时压缩以支撑
工件的第二表面。主成形工具组件沿在z方向上基本相同的一组预定坐标在x-y平面上相对于工件移动，从而遵循预定路径，工件沿该预定路径在第二工作区域中在z方向上一致成形。主成形工具组件在z方向上从工件缩回。上述步骤可通过依次利用z坐标的递增值来重复，直到工件在每个工作区域中完全成形。
40.根据本发明的另外方面，描述了一种用于使工件的至少一个工作区域增量式成形的方法，该工件最初具有大致平整的构型以及定位在“x”、“y”、“z”三维正交坐标系的x-y平面上的第一和第二相对表面(参见例如图7和图8)。根据该方法，主成形工具组件被定位成邻近工件的第一表面。主成形工具组件具有能够在与工件强制啮合时使工件成形的尖端，该尖端的硬度值大于工件的硬度值。
41.背衬辊工具组件被定位成邻近工件的第二表面。背衬辊工具组件能够在z方向上移动。背衬辊工具组件另外具有可压缩和弹性外表面部分，背衬辊工具组件和外弹性表面部分中的至少一个可围绕延伸穿过背衬辊工具组件中心的纵向轴线旋转。背衬辊工具组件沿z轴线朝向工件前进，以接触并支撑工件的第二表面。
42.主成形工具组件沿z轴线相对于工件前进，以用于使尖端啮合工件的第一表面，并且在其上提供预定量的成形力以使工件成形。维持背衬辊工具组件的位置，以在工件的第二表面上提供足够的反作用力。反作用力的充分性由背衬辊工具组件的外表面部分的可压缩性和弹性确定。
43.主成形工具组件沿具有基本相同的z坐标的一组预定坐标在x-y平面上相对于工件移动，以便遵循预定路径，工件沿该预定路径在z方向上一致成形。背衬辊工具组件与主成形工具组件的移动串联地连续移动，以保持与主成形工具组件的尖端基本相对，工件在其间，从而维持工件上的局部力。主成形工具组件和所述背衬辊工具组件从工件缩回。上述步骤可在工件的一个或多个附加工作区域内持续重复，直到工件成形为预先编程和预定的最终构型。
附图说明
44.图1a至图1c描绘了本isf系统的第一实施例(实施例1)，该系统具有用于使工件前进的板材进给辊组件、主成形工具组件和次成形工具组件。特别地：
45.图1a描绘了实施例1的示例性轴测图；
46.图1b描绘了实施例1的示例性前截面图；以及
47.图1c描绘了实施例1的示例性侧截面图。
48.图2a至图2c描绘了本isf系统的第二实施例(实施例2)，该系统具有用于使工件前进的板材进给带组件、主成形工具组件和次成形工具组件。特别地：
49.图2a描绘了实施例2的示例性轴测图；
50.图2b描绘了实施例2的示例性前截面图；以及
51.图2c描绘了实施例2的示例性侧截面图。
52.图3a至图3c描绘了本isf系统的第三实施例(实施例3)，该系统具有用于使工件前进的可移动框架组件、主成形工具组件和次成形工具组件。特别地：
53.图3a描绘了实施例3的示例性轴测图；
54.图3b描绘了实施例3的示例性前截面图；以及
55.图3c描绘了实施例3的示例性侧截面图。
56.图4a和图4b描绘了本isf系统的第四实施例(实施例4)，该系统具有用于固持工件的固定框架组件、主成形工具组件和次成形工具组件。特别地：
57.图4a描绘了实施例4的示例性轴测图；以及
58.图4b描绘了实施例4的示例性前横截面图。
59.图5描绘了并入机器中心中的实施例4的另一示例性轴测图。
60.图6a至图6d描绘了根据本发明的实施例的经历一系列增量式成形步骤的工件的示例性前横截面图。
61.图7是根据本发明的实施例成形的工件的示例性俯视图。
62.图8a和图8b描绘了根据本发明的实施例的用于在经历一系列增量式成形步骤的单个工件中使多个成形区域成形的方法。特别地：
63.图8a是根据本发明的实施例在多个位置中成形的工件的示例性俯视图；以及
64.图8b描绘了根据本发明的实施例，并且特别是如图8a所描绘，经历一系列增量式多个成形步骤的工件的示例性前横截面图。
65.图9a至图9c描绘了设想用于实践本发明的各种主成形工具的横截面图。特别地：
66.图9a描绘了由单个部件制成的主成形工具；
67.图9b描绘了由单独的轴和尖端制成的主成形工具；以及
68.图9c描绘了由单独的轴、尖端和轴承制成的主成形工具。
69.图10描绘了本发明的上述实施例的局部横截面图以及同步控制系统的图示。
具体实施方式
70.本发明涉及一种独特的双面增量式板材成形装置和方法，其不使用特制的模具，而是具有可通用应用的工具加工，从而以最小量的力形成各种形状。
71.仅通过说明的方式，本发明适用于所有主要工业，诸如汽车、航空航天、工业、建筑、工程、建造和消费品的来自板材的零件和部件的成形。
72.图1a、图1b和图1c描绘了本发明的增量式板材成形(isf)系统的第一实施例(实施例1)。该系统包括用于精确地使工件80前进的板材进给辊组件40、主成形工具组件10和次成形工具组件(例如，背衬辊工具组件20)。
73.在图1a中，工件80被示出成形为其最终形状81。工件80包括可由钢、铝、塑料或另一种可成形材料制成的材料板材(例如，板材金属)。该材料板材通常在实施例1示出为平行于参考平面的平整状态中开始。参考平面被描绘为x-y平面82，并且在使工件增量式成形之前由工件80的初始构型来限定。在根据本发明进行附加操作之前，该板材也可预先成形有某些初步特征。
74.板材进给辊组件40包括一或多同步辊组42(42a-42h)，它们被定位成接触工件80。同步辊42通常沿第一边缘和第二边缘(或边界边缘部分)88或89接触工件80的每个相对表面。然而，设想了其他啮合表面部分。
75.板材进给辊组件40优选地沿一条轴线使工件80来回前进，该轴线在图1a中示出为y轴线。在实施例1中，板材进给辊组件40包括四同步辊组42。两辊组(42a-42b和42c-42d)沿工件80的第一边缘88定位，并且两辊组(42e-42f和42g-42h)沿工件的第二边缘89定位。这
些辊中的第一组被定位成接触工件80的表面，并且这些辊中的第二组被定位成接触工件80的相对表面。
76.如图1a所示，相对的辊对(例如，42a和42b与42c和42d；42e和42f与42g(未示出)和42h)优选彼此直接相对定位，与工件80的相对表面接触。这些辊优选沿边缘88或89接触并夹持工件80的相对表面，以沿y轴线驱动工件。
77.第一边缘88上的辊(42a-42d)中的至少一个和第二边缘88上的辊(42e-42h)中的至少一个与(多个)电机、控制系统和软件(未示出)接合，以协调并同步辊的旋转。结果，辊将工件80精确移动到所需位置，优选沿一条平移轴线(y轴线)移动。另参见关于图6a至图6d的电机致动说明，其中在图1a至图1c中可利用同一电机控制系统。
78.同步辊42优选包括由钢、铝或另一种合适材料制成的基芯，并且可在其圆周处另外具有聚氨酯、氯丁橡胶、橡胶或另一种足够柔性和弹性的合适材料的涂层或层，以增强工件80的正夹持力。
79.在图1a至图1c中，主成形工具组件10被定位成邻近工件80的一个表面，以啮合工件的第一(即，上)表面，并且在横向于工件移动的方向上移动，如实施例1中所示的沿x轴线。因此，主成形工具组件10的这种移动垂直于工件80在由板材进给辊组件40驱动时移动(沿y轴线)的方向。主成形工具组件10还在垂直于工件80的x-y参考平面82的方向上移动，该参考平面在实施例1中示出为z轴线，以便能够移入和移出与工件的第一(即，上)表面的接触。
80.次成形工具组件包括背衬辊工具组件20，该背衬辊工具组件优选具有实心芯21，并且具有外部柔性、可压缩或弹性材料(或背衬辊工具的表面部分)层22，该层固定到芯21的圆周，以在主成形工具组件10啮合工件的相对(即，第一或上)表面时在工件80的第二或下表面上提供柔性、可压缩、弹性和受控的对抗力。
81.在实施例1(参见例如图1a、图1b和图1c)中，背衬辊工具组件20被定位成邻近并面向工件80的表面，该表面与主成形工具组件10的表面相对。因此，工件80将背衬辊工具组件20与主成形工具组件10分离。背衬辊工具组件20为细长圆柱形，并且具有沿x轴线平行于主成形工具组件10的移动方向定位的纵向延伸穿过其中的纵向旋转轴线，并且与工件80的相对(即，下)表面接触。
82.主成形工具组件10的尖端和背衬辊工具组件20的纵向轴线优选直接相对定位，以便沿x轴线在工件80的任一侧上彼此面向。优选地，背衬辊工具组件20的长度大约至少基本上等于或长于主成形组件工具10被允许沿x轴线行进的距离。结果，当主成形工具组件10啮合工件的第一(即，上)表面并沿x轴线移动时，背衬辊工具组件20保持与工件80的第二(即，下)表面可成形且直接接触。
83.在图1a、图2a和图3a中，仅出于说明的目的，背衬辊工具组件20被示出为远离工件80定位且不与工件80直接接触。在本发明的装置的操作期间，背衬辊工具组件20的弹性层22实际上被定位成面向工件80的第二(即，下)表面并与其直接啮合。当主成形工具组件10啮合工件80的第一或相对表面并在其上施加力时，结果是主成形工具组件10接触工件80的区域中产生局部力。
84.主成形工具组件10和背衬辊工具组件20的弹性层22实际上被定位成在它们沿x轴线的接触点处提供彼此相对的力，工件80定位在其间。更具体地说，主成形工具组件10和弹
性层22通过成形工件80间接接触，这是由于由主成形工具组件10施加到工件的第一(即，上)表面的力与通过背衬工具辊组件20的柔性和弹性层22的受控压缩施加到工件的相对或第二(即，下)表面的对抗力。对抗力的量由背衬辊工具组件20的弹性层22(或外表面部分)的硬度、厚度以及由此产生的可压缩性和弹性控制。
85.除了沿其纵向轴线旋转外，背衬辊工具组件20还在与工件80的x-y参考平面82垂直的方向上移动，该方向在实施例1中示出为z轴线。当主成形工具组件10在工件上施加精确控制的反向力时，沿z轴线的移动允许背衬辊工具组件20与工件80保持接触。
86.更具体地说，如图1b和图1c所示，包括弹性层22的背衬辊工具组件20沿其在x轴线上的纵向轴线定位，以与工件80的下表面(即，第二表面)接触，因此引起沿x轴线形成连续的接触点狭窄区。更具体地说，该接触区出现在弹性层22的圆周与工件80的下表面相交的地方。换句话说，当弹性层22和工件80的下表面彼此接触时，在它们之间产生狭窄的接触区域或接触区。该区出现在弹性层22的圆周与工件的下表面的切线处。同时，主成形工具组件10沿x轴线定位，面向工件的上表面，并与弹性层22与工件80的下表面的接触区相对。
87.当主成形工具组件10压在工件80的第一表面上时，它在沿x轴线的给定接触区域处在工件上施加力。工件80继而在沿狭窄接触区(其沿x轴线)的强制施加区域处在弹性层22上施加力。结果，弹性层22被压缩，并且在沿x轴线上与工件80接触的狭窄接触区的相对局部区域处施加对抗力。随着主成形工具10和弹性层22两者在工件80的相对侧上施加力，力基本上集中在主成形工具10和工件80之间的接触区域处。在该接触区域或“相切区”处，由于弹性层22的圆柱形形状，工件80施加在弹性层22上的力有利地保持集中和局部化，因此避免所产生的工件翘曲和撕裂。结果，实施例1的装置能够在操作期间的任何给定时间，按照所选控制系统的预期，在工件80上产生许多尺寸复杂和不对称的构型(参见例如图10)。
88.此外，背衬辊工具组件20具有用于在其纵向轴线上旋转的圆柱形构型。当其垂直于(即，x轴线)工件的移动方向(即，y轴线)定位时，背衬辊工具组件20有利地允许工件80的精确和快速的定位。与许多先前的isf设备相比，背衬辊工具组件20的圆柱形构型还有利地允许装置本身的更简单和更紧凑的设计。
89.在实施例1中，芯21是实心杆。背衬辊工具组件20的外弹性层22固定到其上，并且围绕它们的纵向轴线一起自由旋转。弹性层22可通过刚性地附着或固定地附接到芯21来固定，或者可替代地通过周向地围绕芯来固定，但是能够围绕芯自由旋转。例如，弹性层22可由多个材料或层制成，使得其可通过如本领域中已知的围绕芯21定位的轴承组件(例如滑动轴承)自由旋转。在另一个实施例中，芯21可为与弹性层22一起围绕轴承组件自由旋转的空心管或圆柱体。在另一个可替代实施例中，芯21可为固定的(即，不可旋转的)，而弹性层22能够围绕其自由旋转。在可替代实施例中，背衬辊工具组件20的旋转可由本领域中已知的机械或机电装备控制。在另外的方面，背衬辊工具组件20包括可压缩和弹性层22，并且背衬辊工具组件和外弹性表面部分中的至少一个可围绕延伸穿过背衬辊工具组件中心的轴线旋转。
90.优选地，背衬辊工具组件20的纵向轴线可移动地定位，使得弹性层22可沿x轴线与工件80的表面保持连续接触。当工件在板材进给辊组件40的作用下沿y轴线移动时，与工件80接触也会使背衬辊工具组件20通过与工件80啮合而旋转。
91.刚性芯21可优选由钢、铝或另一种合适的材料构造。芯21可为实心的，也可为空心的，取决于大小和构型。
92.弹性层22优选由具有压缩强度的弹性可成形材料制成，以使材料能够在主成形工具组件10施加在工件80上的力下成形。当从主成形工具组件10施加到工件80上的力被移除时，为弹性层22选择的材料也能够基本上恢复到其原始或非压缩形状。例如，弹性层22可由弹性体(优选聚氨酯)制成。可替代地，它也可由橡胶、氯丁橡胶、腈或另一种合适的材料制成，当与工件80进行接触时，该材料能够精确、可预测、受控地变形和有弹性。
93.弹性层22的硬度计范围通常为约肖氏10a至约80d，优选约30a至约95a。取决于所选材料的硬度，弹性层22的厚度可在约0.01mm和约25mm之间变化，优选约1.0mm至约5.0mm。通过为弹性层22选择优选的硬度计，当主成形工具组件10在工件的第一表面上施加力时，可向工件80的第二表面施加精确且受控的对抗力。
94.在成形过程期间，板材进给辊组件40可操作以沿y轴线来回移动工件80至其所需位置。主成形工具组件10能够同时沿x轴线移动到所需位置。背衬辊工具组件20能够同时沿z轴线移动到与工件80的表面接触的所需位置。当与工件80接触时，随着板材进给辊组件40将工件沿y轴线移动到其所需位置，背衬辊工具组件20优选通过与工件的摩擦啮合而沿其纵向轴线自由旋转。
95.板材进给辊组件40、主成形工具组件10和背衬辊工具组件20可由不同的系统(例如，机械、液压)控制，这些系统可彼此并与计算实体直接或间接接合，以发送和接收关于它们在其所需位置处的精确定位的信息。另参见关于图6a至图6d和图9的电机致动说明以及关于图10的控制系统，其中类似的电机、控制系统和软件可用于图1a至图1c的布置中。
96.当工件80、主成形工具组件10和背衬辊工具组件20独立移动到它们的指定和协调位置时，主成形工具组件10可通过沿垂直于工件的原始x-y参考平面82的z轴线的移动而抵靠工件80。同时，背衬辊工具组件20可沿z轴线移动，以便沿其纵向轴线(即，沿x轴线)与工件80可变形和弹性接触。
97.通过主成形工具组件10向工件80施加力，工件开始在施加力的精确接触点处局部成形为其所需构型。更具体地说，当主成形工具组件10沿其相对于工件80的预定路径横越时，在x、y和z方向上在接触区域处产生局部力。当主成形工具组件10相对于工件80移动时，工件沿在x、y和z方向上具有预定量值和分量的力矢量连续成形。该局部力在与工件接触的其中施加力的区域处塑性地和永久地将工件80成形为所需形状。
98.当主成形工具组件10在工件80的一个表面上施加力时，背衬辊工具组件20维持与工件的相对表面的连续接触。由于主成形工具组件10在工件80上施加的力，弹性层22变形以产生能够在工件成形为其所需形状时支撑工件的反作用力。
99.当主成形工具组件10沿z轴线前进并将工件80局部成形为所需构型时，背衬辊工具组件20沿z轴线后退到调整前进的主成形工具组件10的移动所需的程度。优选地，弹性层22在与工件80精确受控接触移动时保持变形，并且在背衬辊工具组件沿z轴线移动时生成支撑工件的对抗力。由于其弹性性质，弹性层22被选择成一旦主成形工具组件10沿z轴线后退且板材进给辊组件40将工件80沿y轴线移动到新位置时，能够基本上恢复到其原始构型。
100.一旦工件80在选定位置处局部成形为其所需构型，则为工件选择另一位置以用于在新位置使工件成形。然后，板材进给辊组件40与主成形工具组件10沿x轴线和z轴线的所
需的预定和预编程独立移动相协调，将工件80沿y轴线移动到其选定位置。此外，工件80的独立移动也通过控制系统(未示出)与背衬辊工具组件20沿z轴线的指定独立移动相协调。因此，工件80在选定位置处出现所需成形。
101.选择另外的坐标，并且继续上述次序，直到工件80完全成形为所需构型。另参见图6至图10及其关于执行本发明的过程的附带说明。
102.图2a至图2c描绘了本发明的板材成形isf系统的第二实施例(实施例2)。该实施例包括用于精确地使工件80前进的板材进给带组件43、主成形工具组件10和次成形工具组件(例如，背衬辊工具组件20)。
103.在实施例2中，将实施例1的板材进给辊组件40替换为板材进给带组件43，并且以与板材进给辊组件类似的方式起作用。该组件包括多组滑轮44a-44h以及围绕辊的连续和环形带46。多辊组与连续带46接触旋转，以用于使带在滑轮44旋转时以预定速度沿y轴线产生高牵引力。因此，带46优选地沿一条轴线(在实施例2中示出为y轴线)精确地向前和向后夹持并移动工件80。带46的构型和尺寸被确定，并且由一种材料制成，该材料被选择成扩大与工件80的表面的接触面积超过实施例1的44a-44h的滑轮的接触面积。实施例2的板材进给带组件43在工件80上接触的附加表面积增加了夹持力，并且将工件可能的滑动最小化，以用于实现工件的甚至更精确的定位。
104.设想了可替代实施例，例如，其中多条带被布置成至少沿边缘88或89接触工件80的相对表面。此外，设想了可能只有一条带46与工件80的一个表面接触，其中滑轮定位在工件的相对表面上。
105.实施例2(参见例如图2a)示出了具有四组滑轮(44a和44b、44c和44d、44e和44f、44g(未示出)和44h)和四条带46的板材进给带组件43。一个辊组(44a和44b)沿工件80的第一边缘88并且在工件的第一(即，上)表面上设置并定位。第二辊组(44c和44d)设置并定位在工件80的第一边缘88处，但在工件的相对(即，第二或下)表面上。第三辊组(44e和44f)沿平行于工件的第一边缘88的工件80的第二边缘89设置并定位。第四辊组(44(未示出)和44h)也设置并定位在平行于工件80的第一边缘88的第二边缘89处，但在工件的相对表面上。
106.如图所示，连续带46围绕其滑轮组44a-44h，并且沿边缘88和89接触工件80的表面，以沿y方向夹持工件80并将其移动到所需位置。带46的构型和尺寸优选被确定为能够在工件80的表面上提供一致的牵引力，以用于精确地实现工件沿y轴线的来回的可预测和协调移动。
107.滑轮44a或44b中的至少一个以及滑轮44e或44f中的一个可优选由同步电机(未示出)和控制系统致动，这些同步电机和控制系统协调并驱动各种滑轮和环绕带46的旋转，以便优选沿一条平移轴线(在实施例2中示出为y轴线)来回移动并定位工件80。附加地或可替代地，滑轮44c或44d中的至少一个以及滑轮44g或44h中的一个也可优选由同步电机(未示出)致动，以协调并驱动各种滑轮和环绕带的旋转，以便优选沿一条平移轴线(在实施例2中示出为y轴线)来回夹持并移动工件80。
108.板材进给带组件43的滑轮44包括由钢、铝或本领域中已知的另一种合适材料制成的芯。板材进给带组件43的带46由聚氨酯、氯丁橡胶或另一种合适材料组成，并且优选用玻璃纤维、芳纶、聚酰胺纤维(诸如kevlar材料)、碳、钢或本领域中已知的另一种合适材料的
股进行加固。此外，带46可涂有一层材料，诸如聚氨酯、腈、橡胶或本领域中已知的另一种合适材料，以增加带和工件80之间的摩擦系数。带46的宽度、厚度和硬度计被选择成能够在工件80的表面上施加精确和一致的牵引力，以用于工件80与主成形工具组件10和次成形工具组件协调对准。
109.实施例2的操作，包括主成形工具组件10和背衬辊工具组件20，与关于实施例1所述的操作相同，除了实施例1的板材进给辊组件40的操作替换为如所述的板材进给带组件43的操作之外。
110.板材进给带组件43、主成形工具组件10和背衬辊工具组件20可由不同的系统(例如，机械、液压)控制，这些系统可彼此并与计算实体直接或间接接合，以发送和接收关于它们在其所需位置处的精确定位的信息。另参见关于图6a至图6d和图9的电机致动说明以及关于图10的控制系统。
111.图3a至图3c描绘了本isf系统的第三实施例(实施例3)。该实施例包括用于使工件前进80的板材固定装置组件50、主成形工具组件10和背衬辊工具组件20。
112.在实施例3中，板材固定装置组件50替换实施例1和2的板材进给辊和板材进给带组件。板材固定装置组件50包括刚性框架51和保持器52。工件80定位并固定在刚性框架51和保持器52之间，该保持器能够安全地限制工件相对于刚性框架51的移动。板材固定装置组件50限定开口，该开口的构型和尺寸被确定成在刚性框架51和保持器52之间容纳工件80，仍允许工件沿工件外围的至少一部分被板材固定装置组件50固定。换句话说，板材固定装置组件50中的开口被限定为提供进入工件80的表面的通道，以用于通过利用主成形工具组件10和背衬辊工具组件20进行成形过程，仍允许将工件固定在板材固定装置组件内。
113.保持器52可包括围绕工件80的周边定位的多个夹具(未示出)。夹具在工件80和刚性框架51上啮合和/或施加足够的力，以防止工件滑动，并且保持其在板材固定装置组件50内的固定定位。夹具优选沿刚性框架51的多个边缘或所有边缘设置，以围绕开口并将工件80牢固地固定在其中。根据现有技术，用于将工件80牢固地保持在板材固定装置组件50内的夹具或另一机构可被选择和定位成通过手动、液压、电动或磁力致动在工件80上施加恒定的、固定的或可调整的力。
114.在实施例3中，板材固定装置组件50可通过已知的方式前进，以沿y轴线来回移动工件80至其在x-y平面中的所需位置。板材固定装置组件50以与实施例1的板材进给辊组件40类似的方式操作。主成形工具组件10和背衬辊工具组件20的操作如关于实施例1和2所述。例如，主成形工具组件10被定位成邻近工件80的一个表面，该工件固定在板材固定装置组件50内的其所需位置。背衬辊工具组件20定位在相对表面上，并且与工件80保持接触。
115.通过说明的方式，板材固定装置组件50可通过一个或多个电机(未示出)移动，以沿y轴线使板材固定装置组件和固定工件80来回前进。因此，板材固定装置组件50将工件80精确地来回移动到所需位置，优选沿一条平移轴线(y轴线)移动。
116.实施例3的操作，包括主成形工具组件10和背衬辊工具组件20，与关于实施例1所述的操作相同，除了实施例1的板材进给辊组件40的操作替换为如所述的板材固定装置组件50的操作之外。
117.板材固定装置组件50、主成形工具组件10和背衬辊工具组件20可由不同的系统(例如，机械、液压)控制，这些系统可彼此并与计算实体直接或间接接合，以发送和接收关
于它们在其所需位置处的精确定位的信息，以产生工件80的预定形状和所产生的所需形状。另参见关于图6a至图6d和图9的电机致动说明以及关于图10的控制系统。
118.图4a和图4b描绘了本发明的isf板材成形机的第四实施例(实施例4)。该实施例是一种三层组件，该组件包括板材固定装置组件60、次成形工具组件(包括背衬平整工具组件30)和下平台63，它们由多个立柱64连接和支撑。实施例4还包括主成形工具组件10和工件80，这在前面已关于实施例1、2和3进行了描述。
119.板材固定装置组件60包括刚性框架61和保持器62，以用于限制工件80的移动，并且能够将工件80牢固地固定到所需位置。板材固定装置组件60及其部件，刚性框架61和保持器62，在材料、设计和构型上类似于实施例3的板材固定装置组件50，但与板材固定装置组件50不同的是，板材固定装置组件60不直接被致动。
120.实施例4中的背衬平整工具组件30包括平整刚性板31和固定到邻近工件80的板31表面的柔性弹性表面材料层32的平整层。材料外层32也可为背衬平整工具组件30的平整外表面部分。板31可由钢、铝或本领域中已知的一些其他合适刚性材料制成。
121.类似于实施例1、2和3的弹性层22，实施例4的弹性层32由弹性的、可变形的和可压缩的材料制成，该材料具有硬度计，该硬度计被选择成使得当工件成形时，该层能够在由主成形工具组件10施加在工件80上的力的作用下变形。当来自工件80的力(源自主成形工具组件10)被移除且当工件移动到新选择的位置时，背衬辊组件沿z轴线远离工件的第二表面移动时，选择用于弹性层32的材料也能够基本上恢复到其原始构型。
122.例如，弹性层32可由弹性体制成，优选如关于实施例1所述的聚氨酯。可替代地，弹性层32也可由橡胶、氯丁橡胶或硬度计的另一合适材料制成，当与工件80接触时，该材料能够具有柔性、压缩性和可变形性，而当不再与工件接触时，该材料能够具有弹性和伸缩性。换句话说，弹性层32的硬度计将取决于所选材料的硬度、可压缩性和弹性的值，这些值可能取决于工件80的材料和最终所需形状而变化。
123.在实施例4中，弹性层32的硬度计范围通常为约肖氏10a至约80d、优选约30a至约95a。取决于所选材料的硬度，弹性层32的厚度在约0.01mm和约25mm之间变化，优选约1.0mm至约5.0mm。
124.弹性层32优选地包括弹性材料(如上所述)的预制板材，该预制板材通过用粘合剂、保持器诸如夹具或本领域中已知的另一种合适的附接方法附着到刚性板31。可替代地，弹性层32可通过本领域中已知的摩擦方式固定。用于构造背衬平整工具组件30的另一种方法是将上述弹性材料的粘附液体版本的平整层施加到板32的上表面，并且使材料固化到位以便固定到板。可通过整平、机加工、研磨或另一种制造方式合适地使弹性材料平整。
125.在实施例4(参见例如图4a和图4b)中，四个支撑立柱64在板材固定装置组件60和背衬平整工具组件30之间延伸，并且继续在背衬平整工具组件30和下平台63之间延伸。支撑立柱64可设置为实心或空心管状构件。立柱64的构型和尺寸优选被确定成使得背衬平整工具组件30能够沿立柱在z方向上自由滑动，以便在成形过程期间保持与工件80的表面的连续接触，同时主成形工具组件10在工件上施加力。
126.在图4a中，支撑立柱64被示出为定位在背衬平整工具组件30的限定开口内。然而，立柱64可通过本领域中已知的另一种合适方式进行修改或替换，该方式将允许背衬平整工具组件30相对于工件80(例如，包括轨道系统)进行竖直移动(即，沿z轴线)。这种滑动移动
允许背衬平整工具组件30能够保持与工件80的连续接触，同时主成形工具组件10在工件上施加力。
127.与实施例1-3的背衬辊工具组件20的操作类似，背衬平整工具组件30可沿单条轴线(如图4a和图4b所示的z轴线)移动，并且相对于板材固定装置组件60保持名义上的平整，平行于由工件80限定的x-y平面。
128.通过说明的方式，板材固定装置组件60可由一个或多个电机(未示出)沿z轴线移动。板材固定装置组件60、主成形工具组件10和背衬平整工具组件30可由不同的系统(例如，机械、液压)控制，这些系统可彼此并与计算实体直接或间接接合，以发送和接收关于它们在其所需位置的精确和独立定位的信息。另参见关于图6a至图6d的电机致动说明和关于图9的说明以及关于图10的控制系统。
129.在图4a和图4b中，成形工具10可通过未示出的不同系统(例如机械或液压系统)相对于板材固定装置组件60和工件80在x、y和z方向上移动。板材固定装置组件60的刚性框架61和保持器62可经由一系列支撑立柱64固定到下平台63。包括板31和弹性层32的背衬平整工具组件30定位在板材固定装置组件60和下平台63之间。
130.图5示出了实施例4的操作的可替代方式。在图5中，实施例4已并入竖直机加工中心70(下文中称为vmc)中。在该示例中，主成形工具组件10插入vmc 70的主轴组件72中。下平台63附着到vmc 70的工作台组件71。
131.如关于图4a和图4b所论述的，在图5中，板材固定装置组件60的刚性框架61和保持器62可经由一系列支撑立柱64固定到下平台63。包括刚性板31和弹性层32的背衬平整工具组件30定位在板材固定装置组件60和下平台63之间。由此产生的三层装置可经由vmc 70在三个方向(沿x、y和z轴线)上相对于主成形工具组件10可控地移动。
132.通过使工作台组件71与主轴组件72一起移动，vmc 70提供沿工件80的三条轴线(x、y和z轴线)相对于主成形工具10的平移移动。例如，可经由vmc 70的运动控制器、辅助控件或二者的组合(未示出)，使背衬平整工具组件30沿z轴线的竖直移动同步，如本领域中已知的。此外，在vmc 70的配合下，一个或多个电机可沿z轴线朝向或远离工件80使背衬平整工具组件30另外移动更远。另参见关于图6a至图6d的电机致动说明、关于图9的说明以及关于图10的控制系统的说明。
133.使用本领域中已知的其他类型的机加工中心(诸如，例如，水平机加工中心和在5条轴线上运行的机加工中心)的可替代实施例是可能的，并且在本文中设想。附加实施例还可包括在不偏离本文中所公开的原理的情况下，将主成形工具组件10和背衬平整工具组件30并入根据本领域的其他现有机械中。
134.图6a至图6d、图7与图8a和图8b分别示出了根据本发明的实施例的沿说明性工作路径经历一系列增量式成形步骤的工件80的示例性横截面图。
135.图6a至图6d描绘了根据本发明的实施例的经历一系列增量式成形步骤的工件的示例性前横截面图，这些步骤从作为平板(参见例如图6a)开始，到其成形为最终构型81(参见例如图6d)。
136.更具体地说，图6a至图6d示出了主成形工具组件10、工件80和背衬成形工具组件90。背衬成形工具组件90包括固定到刚性背衬91的弹性表面材料层92(或背衬工具组件90的外表面部分)。背衬成形工具组件90表示先前实施例中的任一个的那些次成形工具组件
中的任一个，其包括具有弹性层22和芯21的弹性背衬辊工具组件20(参见例如图1a至图1c、图2a至图2c和图3a至图3c)，或者包括具有弹性层32和刚性板31的背衬平整工具组件30(参见例如图4a至图4b和图5)。
137.在成形过程期间，工件80被压在主成形工具组件10和背衬成形工具组件90之间。主成形工具组件10向工件80的一个表面施加受控力。结果，工件80变形并在弹性层92上施加力。继而，弹性层92压缩并施加来自工件80的相对表面的对抗力，以便在围绕主成形工具组件10的局部区域或触点处支撑工件。结果，工件80塑性地和永久地成形。
138.弹性层92在与工件80接触时保持压缩状态。然而，一旦背衬成形工具组件90沿z轴线从工件80移动到另一个预编程和预定位置，弹性层92就会恢复到其预压缩构型。
139.在成形过程期间，主成形工具组件10由于其硬度和刚度而保持牢固。由于其可塑性和柔韧性，工件80容易并且永久地通过主成形工具组件10施加在其上的力成形。继而，弹性层92也由于通过工件80施加在其上的力而暂时变形。
140.在操作中，弹性层92可相对于z轴线在约0.001至约0.2英寸或更大，优选约0.005至约0.1英寸的范围内压缩，这取决于所选材料、其厚度和工件80的尺寸
141.在图6a至图6d中，主成形工具组件10和背衬成形工具组件90优选地由具有预定或预编程运动的机电定位系统控制，该运动引起工件80上的局部受控力。换句话说，利用与建立各种工具的受控定位相关的cnc编程技术，以便实现工件80的这种结果和所需成形。下面关于图7、图8a、图8b和图10另外描述如图6a至图6d所描绘的用于控制工件80的成形进程的装备。
142.所有实施例优选地由此类机电装备致动。伺服电机是优选的机电驱动装备。步进电机也可用作机电驱动装备。此外，作为替代，精密液压系统可用于机械系统的致动轴中的一个或多个。另参见图10及其附带说明。
143.可替代地，主成形工具组件10或背衬成形工具组件90或这两种组件可依据压力进行控制。在该可替代方法中，主成形工具组件10和背衬成形工具组件90中的任一个或两个由在工件80上施加目标力的机电定位系统在z方向上控制。这将允许压力控制工具(或多个工具)改变其在z轴线上的位置，以便在工件80的其对应表面上保持预定压力。换句话说，利用与指定压力值相关的其他已知cnc编程技术。参见美国专利第7,536,892号，其全部内容通过引用并入本文。
144.如图7所示，主成形工具组件10说明性地在与原始工件80限定的平面偏移的平面上沿外工具路径83移动。主成形工具组件10沿z轴线前进，向工件80施加受控力，如图6a至图6d所示。当主成形工具组件10然后沿外工具路径83移动时，主成形工具继续向工件80施加力，而工件80正在成形，次成形工具组件(例如，背衬成形工具组件90)的弹性层92也会变形，并且从相对的表面在工件上施加受控对抗力。结果，工件80在成形工具组件10接触的区域内受到局部力，并且沿选定工具路径塑性成形。
145.通过另外说明的方式，图7描绘了工件80，其具有一个具有多个工具路径的工作区域，其中工件的成形朝向工件的中心增加。结果，一旦第一工具路径83运行完成，背衬成形工具组件90从工件80的下表面移开(沿z轴线)预定距离，并且主成形工具组件10沿z轴线沿第二工具路径84朝向工件80移动，以向工件提供足够的反作用力，从而抵消来自主成形工具组件10的工件上的成形力。背衬成形工具组件90随着主成形工具组件10的移动而连续移
动，以保持与主成形工具组件的尖端基本相对，其中工件位于其间。结果，工件上保持局部成形力。
146.主成形工具组件10通过将工件压入弹性层92(参见图6a和图7)中来使工件80的表面成形。当完成时，在下一个工具路径84上再次开始成形过程(参见图7)。基于每个连续工具路径重复该过程(参见图6b和图7)，直到成形过程完成且工件80以其最终构型81成形(参见图6c、图6d和图7)。
147.如图8a和图8b所示，其他工具路径方法可用于创建每个材料板材具有一个以上成形或工作区域100的构型。具体来说，图8a和图8b示出了工件80与两个彼此分离的工作区域100。这些图描绘了用于在工件80上的两个单独工作区域中使多次成形进行成形的方法，该工件正在经历根据本发明的实施例的一系列增量式成形步骤。该方法适用于具有一个或多个工作区域的工件。
148.图8a描绘了工具路径101到108。工具路径101、103、105和107适用于第一成形区域100，并且工具路径102、104、106和108适用于第二成形区域100。
149.图8b描绘了工件的示例性最终前横截面图，该工件已经历了根据本发明的实施例的一系列增量式多个成形步骤，进入其新成形的最终构型81。更具体地说，图8b示出了主成形工具组件10和次成形工具组件(例如，背衬成形工具组件90)。次成形工具组件包括弹性层92(相当于实施例1-3的弹性层22和实施例4的弹性层32)和刚性背衬91(相当于实施例1-3的芯21和实施例4的刚性板31)。
150.在该示例中，主成形工具组件10按照数字次序(即，按照101、102、103、104、105、106、107和最后108的顺序)遵循工具路径101-108。在该示例中，工具路径101和102、103和104、105和106，107和108分别沿x-y平面定位在z轴线上基本相同的位置。
151.根据该说明性增量式成形方法，主成形工具组件10在沿工具路径101的长度的某处移动到工具路径101的选定z轴线位置。弹性背衬成形工具组件90在z轴线方向上移动到与工具路径101基本相同的z轴线位置(或在z轴线方向上的正或负位置中的预选尺寸偏移)，其与工具路径101基本相同。然后，当工件80成形且弹性背衬成形工具组件90支撑工件时，主成形工具组件10沿工具路径101继续施加力。当沿工具路径101的移动完成时，主成形工具组件10然后在z轴线方向上缩回，远离工件80，经过工件80的原始x-y参考平面82到达x-y间隙平面109(参见图8b)。
152.间隙平面109位于距离参考平面82足够的距离，以允许主成形工具组件10不与工件80的表面接触。然后，主成形工具组件10继续前进到工具路径102上方新选择的x-y位置，同时仍沿间隙平面109定位。然后，主成形工具组件10朝向工件80移动到与先前为工具路径101选择的工具路径102上基本相同的z轴线位置。
153.当工件80成形且弹性背衬成形工具组件90支撑工件时，主成形工具组件10沿工具路径102继续施加力。结果，工件80沿工具路径102的成形量与沿工具路径101的成形量基本相同。在主工具组件10沿工具路径101和工具路径102移动期间，在该示例中，背衬成形工具组件90未改变其在z轴线上的位置。
154.主成形工具组件10在z轴线方向上再次缩回，远离工件80，经过原始参考平面82并返回间隙平面109。然后，主成形工具组件10进入工具路径103上方的x-y位置。弹性背衬成形工具组件90也从工件80移到预选的z轴线位置(或z轴线方向上正向或反向尺寸上的尺寸
偏移)。然后，主成形工具组件10移动到工具路径103的选定z轴线水平，并且沿工具路径103前进。当沿工具路径103完成成形时，主成形工具组件10继续前进到工具路径104上方新选择的x-y位置，同时仍然沿间隙平面109定位。然后，主成形工具组件10朝向工件80移动到与先前为工具路径101选择的工具路径104上基本相同的z轴线位置。
155.当工件80成形且弹性背衬成形工具组件90支撑工件时，主成形工具组件10沿工具路径104继续施加力。结果，工件80沿工具路径104的成形量与沿工具路径103的成形量基本相同。在主工具组件10沿工具路径103和工具路径104移动期间，在该示例中，弹性背衬成形工具组件90在z轴线上的其位置没有发生实质性变化。
156.然后，该方法对工具路径105和106、107和108重复并继续，直到工件80成形为具有多次成形的其最终形状。换句话说，将在基本相同的z轴线水平上形成的那些工具路径全部按次序处理，以便形成具有最终构型的基本相同的z轴线水平的所有工具路径。
157.根据本发明方法，在单个材料板材上的多个成形件不需要具有相同的最终形状或相同的最终成形量。在单个材料板材上需要多次成形的不同构型的情况下，上述增量式过程将沿工具路径开始，其中对于多次成形而言设想最少量的成形。然后，该过程移动到工具路径上，在该路径中设想下一个成形量，并且然后继续，直到完成所有工具路径构型并实现最终形状。
158.图9a至图9c描绘了根据本发明的各种主成形工具组件的横截面图。
159.图9a描绘了主成形工具组件10，其包括由任何合适的刚性材料(通常为硬化钢或工程陶瓷)制成的实心工具。将接触工件80的主成形工具组件的尖端可具有任何形状。取决于应用，尖端优选为球形。主成形工具组件10还可具有如金属加工工具领域中已知的表面处理，诸如另外硬化或涂覆。
160.图9b描绘了主成形工具组件10，其包括工具轴12和连接的工具尖端11。工具轴12可由任何合适的材料制成，通常为硬化钢。工具轴12还可具有如金属加工工具领域中已知的附加表面处理，诸如硬化或涂覆。
161.工具尖端11优选为球形，尽管其他形状也是可能的并且被设想。工具尖端11可由任何合适坚硬和刚性的材料制成，优选陶瓷或钢合金。工具尖端11可机械地或通过粘合牢固地紧固到工具轴12。工具尖端11可以可替代地被设计成由工具轴12保持并相对于工具轴12自由旋转，如下所述。
162.图9c描绘了主成形工具组件10，其包括工具轴12、工具尖端11以及定位在工具尖端11和工具轴12之间的滑动轴承13。该实施例类似于具有其滚动尖端的圆珠笔起作用。
163.主成形工具组件10的全部或部分(例如，尖端11)优选包括工程级陶瓷材料。换句话说，图9a至图9c中的每个中的一个或多个部件11、12和13优选可由硬度大于工件80的硬度的工程陶瓷制成。取决于工件80的实际材料，可使用许多技术或工程级陶瓷，包括氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷，诸如但不限于氮化硅、氮化铝、氧化锆、碳化硅和氧化铝。通常优选氮化硅(si3n4)陶瓷。主成形工具组件10及其工具尖端11的硬度大于工件80的硬度。
164.取决于待成形工件的大小和所需的最终成形细节，工具尖端11优选为球形，并且其直径优选范围为约0.125英寸至约2.0英寸，对于较大的工件，更优选约0.50英寸至约1.50英寸，并且对于较小的工件，优选约0.125英寸至约0.50英寸。
165.还发现，将工程级陶瓷作为主成形工具组件10的一部分结合在一起，使工件的持
续润滑需求最小化，否则现有技术设备需要这种润滑。有利的是，工程陶瓷(例如，特别是氮化硅)的球形球在根据本发明的方法用作工具尖端11时不会破碎，尽管在工件80上施加了力和由此产生的摩擦。这些工程陶瓷尖端还为成形的材料板材(诸如板材金属)创建抛光或磨光表面。
166.根据已知轴承材料，用于滑动轴承13的合适材料包括但不限于陶瓷、金属或塑料。
167.图10描绘了与同步控制系统组合的本发明的实施例的部分横截面图。图10示出了同步控制器组件85、非接触测量传感器86和接触测量传感器87。图10还示出了主成形工具组件10和次成形工具组件(例如，背衬成形工具组件90)。次成形工具组件包括弹性层92(与实施例1-3的弹性层22和实施例4的弹性层32相当)和刚性背衬91(与实施例1-3的芯21相当(参见例如图1a至图1b、图2a至图2b和图3a至图3b)以及实施例4的刚性板31(参见例如图4a至图4b和图5)。
168.在图10中，可提供一个或多个控制器或控制模块，以用于与上述实施例中描述的部件一起适用的同步控制操作。通过说明的方式，同步控制器组件85监控并控制先前实施例的板材进给辊组件40(参见例如图1a至图1c)或板材进给带组件43(参见例如图2a至图2c)或板材固定装置组件50(参见例如图3a至图3c)或工作台组件71(参见例如图5)的精确定位(图10中未示出所有部件)、主成形工具组件10和次成形工具组件90(类似于背衬辊工具组件20(参见例如图1a至图1b、图2a至图2b和图3a至图3b)或背衬平整工具组件30(参见例如图4a至图4b和图5))。同步控制器组件85可直接与各种子系统交互。可替代地，同步控制器组件85可通过获取每个子系统的位置信息来间接交互，以确定并提供协调控制。
169.在图10中，根据现有技术，同步控制器组件85可基于nc(数控)进行操作。同步控制器组件85可适于接收cad数据，从cad数据中导出数控数据，以按照设计规格使工件80成形。控制器组件85可经由物理接触工件80的接触式传感器87，或者经由非接触式传感器86(即激光或光学测量系统)在没有物理接触的情况下，监控工件80的定位和成形过程。包括同步控制器组件85、接触式传感器87和非接触式传感器86的控制系统可在本发明成形过程开始时监控工件80的位置，并且优选在整个成形过程中重复监控。
170.根据图10，如上所述，提供非接触式传感器86或接触式传感器87，以测量工件80在沿工件成形路径的指定位置处的成形量。将来自传感器86或87的所产生的测量结果与沿成形路径的相同指定位置处的预定的成形量进行比较。所产生的比较测量结果被中继到控制器组件85。然后，控制器组件85相对于沿路径的所需成形的预编程量调整主成形工具组件10和背衬成形工具组件90中的至少一个的位置，以便使工件成形为预定形状。还参见美国专利第7,536,892号。
171.尽管结合优选实施例示出了图10中所描绘的控制系统，但该控制系统可与本文中所描述的本发明的实施例中的任一个一起利用。
172.本文中公开了本发明的详细实施例。然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是可按各种和可替代形式体现的本发明的示例性实施例。附图不一定按比例绘制。一些特征可能会被夸大或最小化，以示出特别部件的详细信息。因此，本文中所公开的特定结构和功能细节不应解释为限制性的，而仅仅是作为权利要求的代表性基础和/或作为用于教导本领域技术人员以各种方式采用本发明的代表性基础。
173.此外，在附图中，关于各种部件(例如，板材进给辊组件40或板材进给带组件43或
板材固定装置组件50或板材固定装置组件60；主成形工具组件10；以及背衬辊工具组件20或背衬平整工具组件30或背衬成形工具组件90)全部相对于彼此的移动，参考了三维正交坐标系的x、y和z轴线。应当理解，各种部件的移动旨在关于其他部件中的每个和参考平面(如适用)的移动进行描绘(即，通过增量式成形之前工件的初始构型进行限定)。
174.此外，对某些表面的参考是第一表面或第二表面，上表面或下表面，或竖直表面或水平表面等。此类方向的说明旨在考虑到适当的x、y和z轴线，如适用的附图中所示。
175.此外，参考平面在图1a、图6a至图6d和图8b中描绘为x-y平面82。为简单起见，参考平面未在其他图中示出，但旨在成为增量式成形之前工件80沿x-y平面的初始大致平整构型。