Способ и устройство для изменения формы листовой заготовки
METHOD AND DEVICE FOR CHANGING THE SHAPE OF A SHEET BLANK

Данное изобретение относится к способу изменения формы листовой заготовки, которая имеет формованное углубление, выполненное путем уменьшения толщины материала, причем указанный способ включает размещение заготовки на по меньшей мере двух отстоящих друг от друга опорных элементах станины станка, формование заготовки в окончательную форму путем постепенного свободного изгибания, причем изгибание части заготовки путем опускания верхней матрицы между опорными элементами из положения ожидания в положение формования, поднятие верхней матрицы в положение ожидания и смещение положения заготовки относительно станины станка в по меньшей мере одном направлении подачи выполняют с повторением.
Кроме того, данное изобретение относится к устройству для изменения формы листовой заготовки, которая имеет формованное углубление, выполненное путем уменьшения толщины материала, причем указанное устройство содержит по меньшей мере два отстоящих друг от друга опорных элемента, предназначенных для обеспечения размещения заготовки на станине станка, формовочное средство, предназначенное для формования заготовки в окончательную форму путем постепенного повторяющегося свободного изгибания с помощью верхней матрицы, которая выполнена с возможностью управляемого опускания из положения ожидания в положение формования для изгибания части заготовки, и средства размещения, которые выполнены с возможностью смещения положения заготовки относительно станины в по меньшей мере одном направлении подачи.
Такие способы и устройства применяют, в частности, при обработке больших листов, которые используют в качестве внешней обшивки самолета. Листы должны иметь форму, соответствующую внешнему контуру фюзеляжа, и зачастую требуется изготовить заготовку с разными радиусами. Обычно листы формуют в требуемую окончательную форму путем роликового формования, т.е. формуют путем пропускания между различными роликами.
Затем сформованные листы подвергают равномерной механической обработке для выполнения в уже сформированной заготовке отверстий для заклепок, выемок и вырезов.
В патентном документе DE 10 2011114927 А1 раскрыт способ кругового изгибания больших листов до требуемого радиуса. Круговое изгибание выполняют посредством гибочного станка путем многократного загибания кромки круглым пуансоном.
Недостаток известных способов и устройств заключается в том, что могут быть обработаны только заготовки со сплошной поверхностью. Механически обработанные заготовки, которые, например, уже имеют выемки, отверстия для заклепок или вырезы под окна, не могут быть обработаны надлежащим образом согласно известным способам и с помощью известных устройств, поскольку при осуществлении известных способов формования такие формованные углубления в заготовке приводят к неконтролируемым деформациям заготовки в зоне таких углублений.
В результате необходимо сначала придать заготовкам форму в ходе изгибания, а затем подвергнуть их механической обработке для получения требуемого формованного углубления. Поскольку геометрия заготовки, получаемая после процесса изгибания, увеличивается в пространстве, для последующей механической обработки необходимо использовать пятиосевые портальные фрезерные станки, что связано с необходимостью обеспечения большего пространства и с высокими затратами на приобретение и обслуживание.
Таким образом, цель данного изобретения заключается в создании способа, благодаря которому листовые заготовки, которые уже были подвергнуты механической обработке, могут быть сформованы с минимальными затратами, с обеспечением высокой воспроизводимости и очень высокой повторяемой точности путем постепенного свободного изгибания. Цель также заключается в создании соответствующего устройства.
Указанная цель достигается благодаря способу, включающему указанные выше признаки, в том числе то, что до формования заготовки в окончательную форму выполняют заполняющий элемент, который изготавливают в соответствии с формованным углублением и предназначен для восполнения указанной толщины материала, и размещают заполняющий элемент в зоне формованного углубления. Способ согласно данному изобретению обеспечивает множество преимуществ по сравнению с известным из уровня техники способом. Таким образом, благодаря данному изобретению предложен способ, в котором впервые обеспечена возможность изгибания заготовок, которые уже прошли механическую обработку. Таким образом, заготовки могут быть подвергнуты механической обработке до изгибания благодаря их листовой геометрии. Для этого достаточно использовать трехосевой металлорежущий станок, с помощью которого, в частности, может быть значительно снижено усилие, необходимое для зажатия заготовки по сравнению со сложной механической обработкой уже изогнутой заготовки с использованием пятиосевого портального фрезерного станка. В этом случае механическая обработка заготовок может быть значительно более экономически выгодной. Кроме того, использование заполняющего элемента обеспечивает высокую точность изгибания, особенно в зоне формованного углубления, т.е. в зоне фрезерованных выемок, отверстий для заклепок, оконных проемов или т.п., за счет чего во время всего процесса изгибания обеспечена очень высокая повторяющаяся точность.
Предпочтительный вариант данного изобретения отличается тем, что заполняющий элемент выполняют с формой, по меньшей мере по существу ответной для указанного формованного углубления. Другими словами, заполняющий элемент выполняют так, что обеспечена возможность его размещения в формованном углублении с принудительным или по существу принудительным запиранием. Таким образом, заполняющий элемент образует многоразовый промежуточный слой, расположенный между верхней матрицей и заготовкой. Заполняющий элемент обеспечивает равномерное распределение в заготовке усилий, действующих во время изгибания, и компенсирует условия формования во время изгибания, которые различаются в зависимости от толщины материала. Таким образом, обеспечено точное изгибание всей заготовки, с высокой воспроизводимостью и повторяющейся точностью, несмотря на имеющееся формованное углубление.
Согласно другому предпочтительному варианту выполнения данного изобретения в зонах формованных углублений с уменьшенной толщиной материала заполняющий элемент в каждом случае имеет минимальную толщину, которая соответствует по меньшей мере величине уменьшения толщины материала заготовки в этой зоне. Таким образом, заполняющий элемент выполняют в качестве восполняющего элемента, который точно восполняет материал, удаленный при механической обработке заготовки, проведенной ранее, так что между верхней матрицей и заготовкой или заполняющим элементом, расположенным на ней во время формования, всегда обеспечен по существу плоский контакт. Согласно другому надлежащему варианту выполнения данного изобретения заполняющий элемент выполняют так, что при размещении в формованном углублении он оканчивается вровень с верхней стороной заготовки, образуя по меньшей мере по существу ровную прижимную поверхность.
Согласно другому предпочтительному варианту выполнения заполняющий элемент выполняют так, что он выступает относительно прижимной поверхности в заданных выступающих зонах. В результате во время формования в соответствующих выступающих зонах на заготовку локально действуют большие изгибающие усилия. В этом случае отклонение материала, которое в каждом случае зависит от локальной толщины материала заготовки, скомпенсировано, и изгибание происходит с чрезвычайно высокой точностью даже в зонах с разной толщиной материала заготовки. Другими словами, выступающие зоны заполняющего элемента выполнены и предназначены для компенсации отклонения материала.
В качестве альтернативы или дополнения выступающие зоны выполняют из устойчивой к давлению фольги, которую располагают на прижимной поверхности заполняющего элемента. Таким образом, возможно обеспечить компенсацию нежелательного отклонения участков заготовки действительно простым и экономически выгодным образом. Для этого фольгу преимущественно приклеивают и, таким образом, предотвращают ее нежелательное проскальзывание.
Предпочтительный вариант данного изобретения отличается тем, что заполняющий элемент выполняют из акрилонитрилбутадиенстирола (АБС). АБС может быть подвергнут механической обработке, является сравнительно недорогим и обладает необходимыми физическими свойствами для выполнения формования. С одной стороны, АБС обладает необходимой гибкостью для возвращения в свою исходную форму после изгибания. С другой стороны, АБС обладает необходимой твердостью для передачи усилий, возникающих во время формования, от верхней матрицы к формуемой заготовке без значительной деформации. Заполняющий элемент предпочтительно изготавливают путем механической обработки. Таким образом, заполняющий элемент может быть изготовлен экономически выгодно и с высокой точностью.
Надлежащий вариант выполнения данного изобретения отличается тем, что между опорными элементами станины станка и заготовкой располагают упругий элемент, образующий опорную поверхность. Упругий элемент образует упругое основание на станке. Во время формования указанный элемент, образующий опорную поверхность, упруго деформируется, обеспечивая поддержку для заготовки по всей поверхности. Преимущественно, с одной стороны, обеспечена возможность формования заготовок с малой толщиной материала, а с другой стороны, также обеспечена возможность формования торцевых зон заготовок с высокой точностью, поскольку торцевые зоны также постоянно поддерживаются во время формования.
Указанная цель также достигается благодаря вышеуказанному устройству, которое отличается тем, что оно содержит заполняющий элемент, выполненный в соответствии с формованным углублением и предназначенный для восполнения толщины материала, при этом указанный элемент выполнен с возможностью размещения в зоне формованного углубления перед формованием заготовки в окончательную форму. Чтобы избежать повторения соответствующих преимуществ, вышеупомянутые пояснения, относящиеся к способу согласно данному изобретению, указаны посредством ссылки. Описанные выше преимущества по аналогии также применимы к устройству согласно данному изобретению, а также к другим преимущественным вариантам выполнения устройства согласно данному изобретению, раскрытым далее.
Другой надлежащий вариант выполнения данного изобретения отличается тем, что заполняющий элемент выполнен с формой, по меньшей мере по существу ответной для формованного углубления.
Согласно другому предпочтительному варианту выполнения в зонах формованного углубления с уменьшенной толщиной материала заполняющий элемент в каждом случае имеет минимальную толщину, которая соответствует по меньшей мере величине уменьшения толщины материала заготовки в этой зоне.
Другой надлежащий вариант выполнения изобретения отличается тем, что заполняющий элемент выполнен так, что при его размещении в формованном углублении он оканчивается вровень с верхней стороной заготовки, образуя по меньшей мере по существу ровную прижимную поверхность.
Предпочтительный вариант изобретения отличается тем, что заполняющий элемент выполнен так, что он выступает относительно прижимной поверхности в заданных выступающих зонах.
Другой надлежащий вариант выполнения изобретения отличается тем, что для обеспечения выступающих зон на прижимной поверхности размещена устойчивая к давлению фольга.
Согласно другому предпочтительному варианту выполнения фольга прикреплена к прижимной поверхности с помощью клейкого связующего вещества.
Другой надлежащий вариант выполнения изобретения отличается тем, что заполняющий элемент выполнен из акрилонитрилбутадиенстирола (АБС).
Другой надлежащий вариант выполнения изобретения отличается тем, что между опорными элементами станины станка и заготовкой расположен упругий элемент, образующий опорную поверхность.
Дополнительные предпочтительные и/или надлежащие признаки и варианты выполнения изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения и в описании. Особенно предпочтительные варианты выполнения описаны более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи.
На чертежах:
Фиг. 1 схематично изображает устройство в соответствии с данным изобретением согласно первому варианту выполнения;
Фиг. 2 схематично иллюстрирует формование с использованием устройства согласно данному изобретению; и
Фиг. 3 изображает другой преимущественный вариант выполнения устройства согласно данному изобретению, содержащего элемент, образующий опорную поверхность.
Способ согласно данному изобретению и устройство согласно данному изобретению подробно описаны далее на основании предпочтительных вариантов выполнения. Вследствие аналогии способа и устройства в каждом случае доводы, приведенные в отношении способа, в равной степени применимы к устройству согласно данному изобретению и наоборот.
2
На Фиг. 1 показана листовая заготовка 10 с формованным углублением, выполненным путем уменьшения толщины материала. Например, заготовка является листом или большим листом, предназначенным для использования в качестве внешней обшивки самолета, и в частности выполнена из алюминиевых сплавов, содержащих медь и/или магний, с высоким пределом прочности от 400 до 450 Н/мм. Такие листы, например, имеют размеры от 800×800 мм до 6000×6000 мм. Максимальная толщина материала заготовки 10 варьируется от 0,5 мм до 16 мм в зависимости от применения. Способ согласно данному изобретению и устройство согласно данному изобретению подходят для формования заготовок 10, выполненных из пластмассы или металла, например, листового алюминия и листовой стали.
Заготовка 10 имеет формованное углубление, которое выполнено путем уменьшения толщины материала. Как видно на схематичном изображении на Фиг. 1, заготовка 10 имеет зоны 11 с уменьшенной толщиной материала. Такие зоны 11 образуют формованное углубление. При использовании заготовок 10 в авиационной промышленности в качестве внешней обшивки самолета, также называемых «обшивками», данные зоны 11 выполняют в заготовке 10, например, в виде отверстий для заклепок, выемок для снижения веса, вырезов под окна или т.п. Обработку заготовки для получения формованного углубления выполняют путем механической обработки, например, на листовой, т.е. плоской заготовке 10 посредством трехосевых режущих станков.
Для изменения формы, например, для придания заготовке 10 требуемого контура самолета, заготовку предпочтительно размещают на по меньшей мере двух отстоящих друг от друга опорных элементах 12 станины 13 станка. Формование в окончательную форму выполняют путем постепенного свободного изгибания. Для этого часть заготовки 10 перемещают из положения ожидания, которое не показано на чертежах, в положение 15 формования путем опускания верхней матрицы 14 между опорными элементами 12.
Затем верхнюю матрицу 14 поднимают, т.е. снова перемещают в направлении 16 по оси z в положение ожидания. Теперь положение заготовки 10 относительно станины станка смещают в по меньшей мере одном направлении 17 подачи. На Фиг. 2 схематично показана заготовка 10 после одного или более процессов формования. Описанные выше этапы повторяют до тех пор, пока путем многократного формования не будет получена требуемая окончательная форма.
Более предпочтительно, средства размещения, не показанные на чертежах, предназначены и выполнены с возможностью перемещения заготовки 10 не только в показанном направлении 17 подачи, но также и в другом направлении, перпендикулярном направлению 17 подачи. Таким образом, обеспечена возможность достаточно свободного расположения и перемещения заготовки в плоскости XY. Кроме того, обеспечена возможность наклона верхней матрицы 14 относительно направления 17 по оси Z. В этом случае во время формования заготовки могут быть скручены до определенной степени.
Локальный радиус изгиба, требуемый для каждого этапа формования, определяют путем определения глубины опускания верхней матрицы 14, которая задается траекторией опускания. Заготовку 10 формуют с приданием требуемой окончательной формы путем повторяющегося выполнения такого формования. Путем задания разных значений глубины опускания для каждого этапа изгибания для заготовки 10 могут быть обеспечены разные радиусы.
До придания заготовке 10 окончательной формы используют заполняющий элемент 18, который выполнен в соответствии с формованным углублением и предназначен для восполнения толщины материала, при этом указанный элемент располагают в зоне формованного углубления. Как показано на Фиг. 1 и 2, заполняющий элемент 18 расположен на формуемой заготовке 10, так что он заполняет, в частности, зоны 11 с уменьшенной толщиной материала указанного формованного углубления.
Благодаря этому впервые обеспечена возможность последующего формования уже обработанных заготовок 10, имеющих формованные углубления, путем свободного изгибания и без получения в этих зонах результатов, которые не соответствуют заданным допускам из-за наличия зон с уменьшенной толщиной, которые уже имеются в заготовке 10.
Преимущественно верхняя матрица 14 имеет клинообразный конец 22, который предназначен для вхождения в контакт с заготовкой 10 или с заполняющим элементом 18. Он предпочтительно выполнен из пластмассы и имеет большой радиус, предпочтительно более 50 мм, чтобы, с одной стороны, обеспечить плавное сгибание заготовки 10, а, с другой стороны, обеспечить максимально ровные переходы радиусов изгиба.
Заполняющий элемент 18 предпочтительно выполняют такой формы, которая является ответной или по меньшей мере по существу ответной для формованного углубления. Другими словами, заполняющий элемент 18 имеет форму, которая соответствует форме зон 11 с уменьшенной толщиной материала, так что при расположении на заготовке 10 заполняющий элемент 18 предпочтительно заполняет всю поверхность формованного углубления и полностью восполняет удаленный материал заготовки 10 в зоне формованного углубления. Таким образом, заполняющий элемент 18 вместе с заготовкой 10 образует плоскую или ровную прижимную поверхность 19 со стороны верхней матрицы. Также возможно выполнение заполняющего элемента 18 так, что он лишь частично закрывает выбранные зоны заготовки 10.
Более предпочтительно, в зонах 11 формованного углубления с уменьшенной толщиной материала заполняющий элемент 18 в каждом случае имеет минимальную толщину, которая соответствует по меньшей мере величине уменьшения толщины материала заготовки 10 в этой зоне. Таким образом, заготовка 10 вместе с заполняющим элементом 18 образует описанную выше плоскую прижимную поверхность 19, так что во время формования между верхней матрицей 14 и заготовкой 10 или заполняющим элементом 18 в целом обеспечен плоский контакт.
Таким образом, заполняющий элемент 18 выполняют так, что при его размещении в формованном углублении он оканчивается вровень с верхней стороной 20 заготовки 10, образуя по меньшей мере по существу ровную прижимную поверхность 19.
Согласно предпочтительному варианту данного изобретения, не показанному на чертежах, заполняющий элемент выполняют так, что он выступает относительно прижимной поверхности 19 в заданных выступающих зонах. В каждом случае заготовка 10 имеет разное отклонение в зависимости от локальной толщины материала. В каждом случае в зависимости от локальной толщины материала и от выбранного радиуса изгиба после формования материал заготовки отклоняется в различной степени.
Согласно данному изобретению такое отклонение определяют путем моделирования перед формованием и прогнозируют отклонение всей формуемой заготовки 10 на основании этого моделирования. На основании такого прогноза определяют выступающие зоны, в которых заполняющий элемент должен быть соответственно шире заданной величины так, что заполняющий элемент имеет указанные выступающие зоны. Таким образом, в указанных выступающих зонах обеспечена увеличенная глубина опускания по сравнению с остальными зонами заполняющего элемента, и в результате во время изгибания усилие, оказываемое на заготовку, в выступающих зонах будет больше по сравнению с остальными зонами. Таким образом, заготовка 10 будет сильнее изогнута на участках выступающих зон настолько, что отклонение материала будет скомпенсировано, и в результате обеспечено точное формование заготовки 10 в требуемую окончательную форму во всех зонах.
Например, для определения выступающих зон осуществляют моделирование процесса с использованием программы анализа по методу конечных элементов (a finite element method - FEM). Процесс изгибания может быть смоделирован путем моделирования геометрии верхней матрицы 14 и станины 13 станка, а также свойств материала заготовки 10 и заполняющего элемента 18, так что может быть определена общая геометрия заполняющего элемента 18, благодаря чему обеспечены точные результаты формования.
Как объяснено выше, на основании определенной геометрии заполняющего элемента 18 его предпочтительно вытачивают из твердого материала. В качестве альтернативы или дополнения на прижимной поверхности 19 заполняющего элемента можно расположить устойчивую к давлению фольгу для выполнения выступающих зон и, таким образом, обеспечить соответствующую толщину материала заполняющего элемента 18 в соответствующих выступающих зонах. Более предпочтительно фольгу приклеивают на прижимную поверхность 19 заполняющего элемента 18 и, таким образом, предотвращают ее нежелательное проскальзывание.
Заполняющий элемент 18 предпочтительно выполнен из акрилонитрилбутадиенстирола (АБС). Данный материал имеет модуль упругости 2400 МПа и, таким образом, обладает требуемой гибкостью, с одной стороны, для совместной упругой деформации во время формования и, с другой стороны, для восстановления своей исходной формы после окончания формования. В этом случае элемент 18 может быть использован для нескольких процессов формования. Акрилонитрилбутадиенстироловая пластмасса (АБС) предпочтительно имеет твердость 90 по Шору и пригодна для механической обработки.
В качестве альтернативы заполняющий элемент 18 может быть выполнен из других видов пластмассы, волокнистых композитов, литой смолы или пружинной стали. В зависимости от используемого материала в дополнение к механической обработке для изготовления заполняющего элемента 18 также выполняют литье или ламинирование.
На Фиг. 3 показан другой предпочтительный вариант выполнения устройства согласно данному изобретению, в отношении которого далее также рассмотрен способ согласно данному изобретению. Между опорными элементами 12 станины 13 станка и заготовкой 10 расположен упругий элемент 21, образующий опорную поверхность. Таким образом, заготовка 10 опирается на указанные по меньшей мере два опорных элемента 12 с помощью упругого элемента 21. Соответственно, элемент 21, образующий опорную поверхность, выполнен в виде упругого основания с возможностью упругой деформации во время формования заготовки 10 и при этом обязательно возвращается к своей исходной форме после завершения процесса изгибания. Элемент 21, образующий опорную поверхность, обеспечивает опору для заготовки 10 по всей поверхности.