大型金属成形

摘要

在本文描述的某些实施例中，加热线成形系统包括配置成在金属部件的表面上形成加热线的加热线圈系统。加热线成形系统还包括气刀冷却系统，其配置成保持用于加热线的干燥区域并且通过喷射机构围绕加热线引导冷却剂(如冷却水、如液氩的液化气体、如干冰的固化气体，等等)以使冷却剂不流入或溅入金属部件上加热线。在某些实施例中，加热线成形系统包括沿直线布置并且短距离隔开的但是当一起同时地操作时在金属部件的表面上形成加热线的多个感应线圈。

权利要求

1.一种加热线成形系统，包括：

加热线圈系统，其配置成在热成形工艺期间在金属板的表面上产生加热线；以及气刀冷却系统，其配置成在所述热成形工艺期间为所述加热线保持干燥区并且在所述热成形工艺期间通过喷射机构在所述加热线周围引导冷却剂从而阻止所述冷却剂流至所述金属板的表面上的所述加热线上。

2.根据权利要求1所述的加热线成形系统，其中所述加热线由所述加热线圈系统的多个感应加热线圈产生。

3.根据权利要求2所述的加热线成形系统，其中所述气刀冷却系统包含用于所述多个感应加热线圈中的每一个感应加热线圈的相应的气刀。

4.根据权利要求2所述的加热线成形系统，其中所述多个感应加热线圈能够通过自动化控制系统相对于支撑结构被独立地定位。

5.根据权利要求1所述的加热线成形系统，其包括至少一个平坦表面，在所述热成形工艺期间所述金属板被支撑在所述至少一个平坦表面上，其中在所述热成形工艺期间所述至少一个平坦表面与最终金属板形状或中间金属板形状不相合。

6.根据权利要求1所述的加热线成形系统，其包括液体填充囊，其中在所述热成形工艺期间所述金属板由所述液体填充囊支撑，其中在所述热成形工艺期间所述液体填充囊与最终金属板形状或中间金属板形状相合。

7.根据权利要求6所述的加热线成形系统，其包括在所述热成形工艺期间布置在所述液体填充囊与所述金属板之间的分段构件的层，其中所述分段构件的层配置成在所述热成形工艺期间减少从所述金属板传递至所述液体填充囊的热量。

8.根据权利要求7所述的加热线成形系统，其中所述分段构件包括瓷砖。

9.根据权利要求1所述的加热线成形系统，其中沿所述加热线的多个加热点同时被加热。

10.一种加热线成形系统，包括：

一个或多个感应加热线圈，其配置成在热成形工艺期间在金属板表面上产生加热线；

控制系统，其配置成在所述热成形工艺期间独立地控制所述一个或多个感应加热线圈中的每一个；以及气刀冷却系统，所述气刀冷却系统配置成在所述热成形工艺期间为所述加热线保持干燥区并且通过喷射机构在所述加热线周围引导冷却剂从而阻止所述冷却剂流至所述金属板的表面上的所述加热线上。

11.根据权利要求10所述的加热线成形系统，其中所述控制系统配置成至少部分基于由所述加热线成形系统的一个或多个传感器检测到的操作数据独立地控制所述一个或多个感应加热线圈的每一个的至少一个操作参数。

12.根据权利要求11所述的加热线成形系统，其中所述至少一个操作参数包括所述金属板的弯曲量、由相应的感应加热线圈产生的温度、从所述金属板的表面至相应的感应加热线圈的距离、相应的感应加热线圈相对于所述金属板的行进速度、相应的感应加热线圈相对于所述金属板的位置或它们的任意组合。

13.根据权利要求10所述的加热线成形系统，其中所述气刀冷却系统包括用于所述一个或多个感应加热线圈中的每一个感应加热线圈的相应的气刀。

14.根据权利要求10所述的加热线成形系统，其中所述一个或多个感应加热线圈能够通过所述控制系统相对于所述加热线成形系统的支撑结构被独立地定位。

15.根据权利要求10所述的加热线成形系统，其中所述金属板包括大体平坦的金属板。

16.根据权利要求10所述的加热线成形系统，其中所述金属板是弯曲的金属板。

17.根据权利要求10所述的加热线成形系统，其包括至少一个平坦表面，在所述热成形工艺期间所述金属板被支撑在所述至少一个平坦表面上，其中在所述热成形工艺期间所述平坦表面与最终金属板形状或中间金属板形状不相合。

18.根据权利要求10所述的加热线成形系统，其包括液体填充囊，其中在所述热成形工艺期间所述金属板由所述液体填充囊支撑，其中在热成形工艺期间所述液体填充囊与最终金属板形状或中间金属板形状相合。

19.根据权利要求18所述的加热线成形系统，其包括在所述热成形工艺期间布置在所述液体填充囊与所述金属板之间的分段构件的层，其中所述分段构件的层配置成在所述热成形工艺期间减少从所述金属板传递至所述液体填充囊的热量。

20.根据权利要求19所述的加热线成形系统，其中所述分段构件包括瓷砖。

21.根据权利要求10所述的加热线成形系统，其中沿所述加热线的多个加热点同时被加热。

22.一种加热线成形系统，包括：

加热线圈系统，所述加热线圈系统包括多个感应加热线圈，所述多个感应加热线圈配置成在热成形工艺期间在金属板的表面上产生加热线并且配置成相对于所述金属板的所述表面移动所述加热线，其中，所述加热线的整个长度由所述多个感应加热线圈同时被加热；以及气刀冷却系统，其配置成在所述热成形工艺期间保持所述加热线的干燥区并且在所述热成形工艺期间通过喷射机构在所述加热线周围引导冷却剂从而阻止所述冷却剂流至所述金属板的表面上的所述加热线上。

23.一种加热线成形系统，包括：

多个感应加热线圈，其配置成在热成形工艺期间在金属板表面上产生加热线并且配置成相对于所述金属板的所述表面移动所述加热线，其中，所述加热线的整个长度由所述多个感应加热线圈同时被加热；

控制系统，其配置成在所述热成形工艺期间独立地控制多个感应加热线圈中的每一个；以及气刀冷却系统，所述气刀冷却系统配置成形成气刀以使得在所述热成形工艺期间保持所述加热线的干燥区并且通过喷射机构在所述加热线周围引导冷却剂从而阻止所述冷却剂流至所述金属板的表面上的所述加热线上。

说明书

大型金属成形

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请要求提交于2013年11月7日的题为“大型金属成形”的申请号61/901,294的美国临时申请的优先权和利益，该临时申请以各种方式通过引用全部并入本申请中。

背景技术

[0003] 本发明大体上涉及金属成形并且更特别地涉及自动化热成形工艺和系统。

[0004] 钢材，以及从较小范围讲铝合金是大多数制造的选择的结构材料。因此，金属弯曲操作和金属成形操作对于制造者将仍然是非常重要的。随着质量和产量需求增加，将需要自动化系统以满足那些需求。如今，制造产业依赖于手动加工，比如线加热、点加热、机械弯曲、折弯以及用于大多数金属成形操作的手动操作设备。一个主要制造产业是造船业，因此，造船业示例包括在本说明书中。但是，其他制造产业将受益于在此描述的自动化热成形工艺和系统。

[0005] 简要说明

[0006] 一般而言，在形成大的金属板件中使用两种方法：热成形和冷成形。机械冷成形通常使用直线型加压机或辊子完成，并且主要用作形成简单的弯曲板或不复杂的三维形状板或制造具有恒定弯曲度的板，用作形成在原先平坦的板表面的平面内沿X、Y垂直轴均有弯曲度的板的前道加工方法。这些双重弯曲板通常使用热成形。热成形可以使用加压机在不均匀加热的板上施加力来完成。可以被称作热成形或线加热的另一种热成形方法使用由差异加热和冷却或局部加热和冷却造成的残热弹性-塑性变形，但是其中不使用外部作用力。这种线加热或热成形可以被用来形成双重弯曲板或作为消除船舶构件上的残余焊接变形的方法。

[0007] 因为板是通过在板表面上沿一直线或沿虚拟线在恒定方向上移动单个热源被加热的，因此热成形方法可以被称作线加热工艺。可以通过局部地加热某一点至升高的温度、随后沿预定直线移动并且随后迅速冷却它来形成大型平坦金属板以使其具有复合的弯曲度的三维形状。该加热可以完全地透过板的厚度延伸或者可以不那样。使用透过厚度的加热并且随后冷却可能引起板的大量收缩，该收缩的主要部分是在垂直于正被热源或加热点横越过的加热线的方向上。加热可以以几何图样和预选的顺序沿多条线实施以使得板逐渐转变为新的形状。板能够被支撑在下层支架上或一系列钉形夹具上，所述板可以是加工完成的板的形状或在成形工艺期间被调整。

[0008] 本文描述的某些实施例中，加热线成形系统包括配置成在金属部件的表面上形成加热线的加热线圈系统。加热线成形系统还包括气刀冷却系统，其配置成保持加热线的干燥区并且通过喷射机构围绕加热线地引导冷却剂(例如冷却水、如液氩的液态气体、如干冰的固态气体，等等)以使得冷却剂不流入或不溅入金属部件上的加热线中。在某些实施例中，加热线成形系统包括沿直线布置并且以短距离间隔但是当一起同时操作时在金属部件的表面上形成加热线的多个感应线圈。

附图说明

[0009] 当下面的具体说明参照附图阅读时，本发明的这些以及其他的特征、方面以及优势将变得更好理解。附图中贯穿整个图，同样的标记符号代表同样的部件，其中：

[0010] 图1示出了可以用于常规的金属成形工艺的常见直线型弯板机；

[0011] 图2A至2C示出了根据本公开的实施例的示例性的热成形工艺中的多个步骤；

[0012] 图3是根据本公开的实施例的对接焊接中的角扭曲图；

[0013] 图4A至4B分别示出了氧乙炔加热对比感应加热的时间差和温度差；

[0014] 图5是根据本公开的实施例的示例性的自动化热成形系统的侧视图；

[0015] 图6是根据本公开的实施例的显示正在形成的相对复杂的弯曲的另一侧视图；

[0016] 图7A和7B是根据本公开的实施例用于金属弯曲或成形的线加热方法对比加热线方法的俯视图；

[0017] 图8是根据本公开的实施例的示例性的热成形系统的横截面侧视图；

[0018] 图9是根据本公开的实施例包括在热成形工艺期间可在上面支撑板的可变形的液体填充囊的示例性加热床的侧视图；以及

[0019] 图10是根据本公开的实施例的具有空气导向件的示例性的热成形组件的剖面俯视图，该空气导向件具有配置在加热头的相对两侧上的相对的平行壁。

具体实施方式

[0020] 本发明的一个或多个具体的实施例将在下面说明。为了提供这些实施例的简要描述，说明书中可以不描述实际实施方式的所有特征。应该领会的是，在任何这种实际实施例的开发中，如在任意的工程或设计项目中，必须做出许多针对实施方式的决策比如符合系统相关的和商业相关的约束条件以实现开发者的具体目标，这些约束条件可以从一个实施方式到另一个实施方式地变化。此外，应该领会的是，这样的开发工作可能是复杂的并且耗费时间的，但是对于受益于本公开的那些普通的技术人员来说仍将会是设计、制造和生产的日常工作。

[0021] 当介绍本发明的各种实施例的要素时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在表示有一个或多个所述要素。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在包含并且表示除了列出的要素外可以有附加的要素。

[0022] 使用上面讨论的手动的和手动操作的金属成形工艺的成本可能是昂贵的。图1示出了可以用于常规的金属成形过程的常见直线型弯板机10(例如40英尺宽、2500吨的弯板机)。弯板机10能够较快速地作出弯曲，但是对于任意的大型尺寸部件，在产生弯曲之前，系统需要起重机12将板材14吊起并且需要多达五个起重机和机械人员16工作几分钟的时间。有的时候，起重机12可以用半自动化板移动系统(其可能比较昂贵)替代。为了保持造船厂员工合理的工资水平并且仍在国际层面上有竞争力，造船厂中的金属成形可以从更多的自动化方法中获益。

[0023] 制造业中现存的手动劳动力已经大部分被监视并保持计算机监测系统和控制系统的工作者替代，并且一度使用的许多工艺也不再被实施。例如，二十年前，大多数的孔是使用旋转钻钻凿的。现在，在自动化工厂，孔是由激光来钻凿的。

[0024] 为什么制造不能在美国和欧洲实施自动化的一个原因是制造的一般的本质。在其他地区比如在亚洲生产的大量生产的船是高度自动化的，但是那些造船工程师对于他们很多的工艺控制和质量监测依靠精细的机器人编程。这也适用于汽车工业，特别是在美国和其他地区。共同点在于相同部件的大量生产。造船业在美国以及甚至在欧洲有一次性和种类单一制造的大型部件。在这些环境中，针对许多不同种类的部件的机器人编程和重新编程会可能是禁止性地昂贵，比如对于一些汽车工厂达到或超过数十亿美元。

[0025] 为了使全自动化金属成形在经济上可行，在造船业的一次性和种类单一的制造环境中使用灵活自动化将会是有利的。灵活自动化通常基于自动完成三个任务的能力：1)从计算机辅助设计(CAD)模型中包含的信息直接地编程机器人运动和工艺控制；2)具有能够灵活自动化的新的金属成形工艺，以及3)为质量保证监测并且控制工艺，全部实时进行。

[0026] 金属热成形通常是通过差异加热和冷却在金属零件上产生残余应变的工艺。像如今在造船业中使用的这个工艺被称为“线加热”，其主要由相对较高技艺的人员手动完成。此处描述的实施例针对相对较快速的自动化热成形工艺和系统，并且能够以比线加热和例如图1示出的线型折弯机10的常见金属成形操作更高的精度来生产热成形部件。

[0027] 图2A到2C示出了根据本公开的实施例的示例性的热成形工艺18中的多个步骤。示出的热成形工艺18包括不需要外部地作用力而形成金属的两个主要步骤：加热和冷却。如图2A所示，过程18可以开始于未变形的板材14。然后，如图2B所示，可以对板材14施加加热，例如通过移动热源20(如火焰、激光束、感应加热线圈等等)经过板材14的第一表面22。加热区域24处的板材14的金属的温度充分升高以使得足够的热膨胀导致塑性变形发生。值得注意的是第一表面22上的加热区域24没有向两侧扩张。相反，它被相对冷的周围材料限制，因此它背离第一表面22扩张，永久地成形——变得更厚。如图2C所示，一旦板材14冷却，加热/变形的区域24收缩，如箭头26所示，在板材14的第一表面22上牵拉。板材14的加热区域24回冷至环境温度，这造成热收缩，该热收缩导致收缩应力，该收缩应力足以在板材14中产生应变和导致弯曲(例如变形)。在某些实施例中，这个工艺可以如下方式重复：将热源20以预定义的模式扫描经过板材14、管材、工字梁材料、L型材料、棒料、圆锥形、圆形、梯形、正方形、多边形或其他初始形状的第一表面22来生成需要的形状。

[0028] 热成形工艺的理论为加热操作必须在沿厚度的方向28(例如大致垂直于板材14的第一表面22的方向)上产生热膨胀和永久应变。冷却操作需要在垂直于沿厚度的方向28的二维平面30(例如大致平行于板材14的第一表面22的二维平面)上产生热收缩和永久应变。就是由于热膨胀和热收缩的这种塑性变形的不对称导致金属弯曲。

[0029] 一般来说，只要加热金属的热膨胀受益于仅在沿厚度的方向28上受到约束，板材14的相对快速加热是有利的。因此，如图2B所示，加热应该足够快速地完成以获得大量被加热但仅在板材14厚度上大约一半地被加热的金属。这促使热膨胀首先发生在沿厚度的方向
28上，因为如果被迅速加热，热量还未扩散到周围材料。热金属的屈服强度相对较低，因此它容易变形，所述变形受较高屈服强度冷金属约束。但是，所述热收缩在某种程度上将出现在平行于金属表面22的平面30上并且主要集中在一个表面附近(例如，图2C示出的实施例中的第一表面22)。先前加热的金属冷却并且屈服强度增加，因此该金属将在周围的金属上施加大量的负载并且导致金属部件弯曲。

[0030] 因此，对于冷却操作来说，主要的热收缩通常在垂直于沿厚度的方向28的平面30上，并且集中在板材14的第一表面22或第二表面32的其中之一(例如，还是图2C示出的实施例中的第一表面22)附近。图3是根据本公开的实施例对接焊接中的角扭曲的图。热成形工艺在焊接(例如图3中示出的对接焊接34)中引起金属弯曲，与图2A至2C的固体板材14非常相像。如果主要的热收缩在垂直于沿厚度的方向28的平面30上并且板材14在一个表面22、32上比另一表面22、32上更热，则将发生弯曲。一般来说，弯曲将朝向最热的表面22、32。

[0031] 对于本文描述的热成形工艺的加热的精确控制有助于合适的金属成形。通常来说，如果加热没有被适当地控制，那么该工艺将不会导致需要的金属成形。关于这样的加热控制有几个考虑因素。第一，加热材料14应该受冷金属的周围“容器”约束。一般来说，热量应该仅限于最靠近正在被加热的表面的材料(例如，图2B示出的实施例中的第一表面22)，因此最大的收缩将集中在那个表面处或那个表面附近产生。另外，一般而言，垂直于沿厚度的方向28的平面30的另一侧上的材料的表面(例如图2B示出的实施例中的第二表面32)以及沿金属厚度的中途没有接受到任何显著的加热。因为到达金属的非加热侧的热流(如热传导)是时间依存的，这意味着加热应该以最快的可能的速度实施以当加热停止和冷却开始时使得在沿厚度的方向28上的热梯度最大化。通常，垂直于沿厚度的方向28的平面30上的热膨胀将与获得金属成形工艺的最大效率相左。因此，周围的材料可以相对保持尽可能冷以约束被加热材料。这大体上确保了主要的热膨胀将在沿厚度的方向28上。否则，引起弯曲的热收缩的净量将以不在沿厚度的方向28上的热膨胀的量减小。

[0032] 火焰加热是在大多数造船厂中实施的主要方法。激光加热是用于热成形的另一种可能的热源20，然而不管是火焰加热还是激光加热都无法理想地用在较厚金属上。火焰加热具有由燃烧过程产生的大部分热量损失到周围环境(例如，多达30％～50％的火焰热量会损失)的缺点。此外，外部产生的热量必须穿过金属表面处的界面，这是火焰加热和激光加热均有的额外的无效率性。而且，激光的加热效率比火焰的加热效率甚至可能更低效率。第一，激光通常以3％至30％的效率工作。因此，即使对于高效的激光，70％的能量可能作为废热损失。此外，消除废热的关联制冷系统同样使用能量。那么，在热量能够穿过金属表面的界面之前，激光必须与表面耦合以传递激光光束的能量。因此，尽管火焰加热和激光加热可以明确地与在此描述的热成形实施例一起使用，然而对于火焰和激光两者而言，其能量效率可能均低于30％。

[0033] 因此，满足热成形系统的第一目标，为了尽可能快速地加热，尽管火焰加热和激光加热都可以使用，它们离最佳效果还差很远。为尽可能快速地加热，系统应该能够在最短量的时间内将最大量的热量引入被加热材料14的内部。在某些实施例中，可使用感应加热在部件上在最接近感应线圈的表面附近直接产生感应电流。加热可以由正在材料14的内部体积中传导的高频“涡流”电流完成，所述高频“涡流”电流由感应线圈生成的高频电磁场驱动。通常，感应加热对是在此描述的实施例中使用的最快速和最高效的加热方法。可以在此处描述的实施例中利用的感应加热系统的示例公开在例如提交于2011年5月19日的题为“辅助焊接加热系统(Auxiliary welding heating system)”的公开号为2011/0284527的美国专利申请中，其通过引用在此并入本申请中。

[0034] 达到成形温度的时间的计算依赖于所选择的工艺的热通量。在某些情况中，例如对于EH-36船体钢用于加热成形的最高可允许的温度接近1150华氏度。下面的方程式可用于计算达到成形温度所需的相对时间。

[0035]

[0036] tig＝达到成形温度时间

[0037] Tig＝成形温度(°K)＝1150

[0038] To＝环境温度(°K)＝370

[0039] q″＝热通量(W/m2)

[0040] ＝48,880,000(乙炔)

[0041] ＝1,400,000,000(35KW感应)

[0042] 由于热产生效率的可变性以及金属表面的热阻，仅可以达到相对时间的近似值。但是，仅作为一个示例，将4号氧乙炔炬头端和35KW感应加热头部相比的实验数据表明加热时间之比大约是20：1。

[0043] tig＝20sec.(乙炔)

[0044] tig＜1sec.(35KW感应)

[0045] 图4A和4B分别示出氧乙炔加热对比感应加热(例如用35KW感应加热系统)的时间差和温度差。大约6秒之后，火焰36的加热区域24已经很好地延伸超过材料14的半厚度点并且很好地扩散超过需要的加热点尺寸的宽度，然而第一表面22处的最高温度仍然仅有800华氏度。相反，使用感应加热大约仅1秒之后，被加热的表面22的温度已经超过1150华氏度的热成形温度。因此，感应控制器需要以满功率加热大约仅850毫秒以取得需要的成形温度。通过调整功率电平和线圈尺寸，感应加热系统38可以被“调整”以产生理想的加热区尺寸来使热成形工艺最优化。

[0046] 本文描述的热成形过程的另一目标是材料14应该尽可能快速地冷却。因为激光加热和火焰加热在它们能够传递给金属的热量的量上都是相对有限的，这些加热工艺中没有任何一个像感应加热那样好。就是说，因为热传导是基于时间的，因此达到最高温度所需的加热时间越长，可用于将热量传导入周围金属的时间将越长。主要的加热区周围的所有热金属将趋向于使冷却速度减慢。在某些实施例中，可以通过增加激光的功率电平来修正激光加热的加热速度同时仍保持加热区域24的尺寸。缺点在于高功率激光与感应加热相比在购买和维护方面会过于昂贵。

[0047] 在某些实施例中，在此描述的热成形工艺对于相对较厚的金属构件可以排他地使用感应加热。某些实施例可以利于便携使用，比如在造船厂中的甲板板或防水板的校直。在这样的例子中，例如，25KW的便携感应电源可以用作热源20。尤其用于形成相对较大板的其他实施例可以使用一个(或多个)35KW感应电源作为热源20。在又一些其他实施例中，甚至可以使用更高的容量电源和更大的感应线圈。

[0048] 人们相信，在给定量的时间内火焰炬可以取得像一个感应加热头所取得的弯曲的13％。可以假定乙炔的成本是每立方英尺0.17美元，并且电力成本是每千瓦小时0.07美元，由此计算热成形的成本比较。考虑到这些假定，对于感应加热头每1美元的操作成本，为完成相同的成形量使用火焰炬花费157.37美元。因此，在此描述的感应加热实施例相比相当的火焰加热实施例便宜地多。

[0049] 图5是根据本公开的实施例的示例性的自动化热成形系统40的侧视图。此外，图6是表示根据本公开的实施例由自动化热成形系统40形成的相对复杂的弯曲的另一侧视图。在某些实施例中，自动化热成形系统40包括能胜任对一个或多个热成形组件88的15个自由度运动控制的控制系统86，其中可通过定位装置90(例如可围绕热成形站46移动的装置，在某些实施例中该装置如图所示那样可包括门架系统)独立地控制每个热成形组件88的位置，该定位装置90附连至相应的热成形组件88并且可由控制系统86独立地控制。

[0050] 将被领会的是，在某些实施例中，控制系统86包括至少一个存储介质，所述至少一个存储介质存储计算机指令，所述计算机指令可以由控制系统86的至少一个处理器执行以生成可以被传输至热成形系统40的组件的控制信号从而实行对热成形系统40的工作参数的控制。这种控制信号可以包括：被传输至定位装置90的定位控制信号，用于相对于热成形站46控制定位装置90(以及连带地，它们各自的热成形组件88)的定位和/或行进速度(在相对于正被热成形的材料14的表面22的X和Y两者的方向上以及从材料14的表面22到加热头42的距离(高度))；被传输至热成形组件88的加热控制信号，用于调整由热成形组件88施加的加热量(以及产生的关联的温度)；空气流量和/或压力控制信号，用于调整通过热成形组件88的空气的流动速率和/或压力；冷却剂流和/或压力控制信号，用于调整通过热成形组件88的冷却剂的流动速率和/或压力，等等。

[0051] 此外，在某些实施例中，系统40可以包括多个传感器92(例如多达或超过32个传感器)，这些传感器监测几个位置处的空气流量和压力、几个位置处的冷却剂流量和温度，每个加热头42与板表面22的基准距、加热区域的温度、用于诊断的传感器误差等，以提供对控制系统86的反馈。在某些实施例中，灵活自动化系统40具有在成形站46的每个45英尺长的侧部44上的2个X轴直线型运动组件以及跨过12英尺宽的加热床48的2个Y轴直线型运动组件，以及6个Z轴直线型运动组件，其每一个用于每个热成形组件88(以及连带地，与热成形组件88相关的加热头42)的高度控制，以及在竖直方向上移动“头杆”50以降低/提升(例如在某些实施例中6个)加热头42的2个主Z轴直线型运动组件。所有12个运动轴对于每个热成形组件88都是可独立控制的，或者能够以不同组合在软件控制下被锁定以同步移动。值得注意的是，系统40具有通过多达74个热成形组件88(以及连带地，与热成形组件88相关的加热头42)操作多达80个运动轴的能力。在某些实施例中，可使用双色自校准光学温度传感器92每秒十次地监测加热区域24的温度，以其确保可重复和可预测的最终板形状。移动成形床48可用于钢板的迅速插入和移除。

[0052] 图5示出的板(例如材料14)靠在移动成形床48上。移动成形床48在轨道52上操作——两个成形床轮换，由此在机器中形成板14的同时，起重机能够卸载加工完毕的板14并且装载待成形的板14。这种自动加载的使用使机器能够最大化生产量。在某些实施例中，系统40配置有6个加热头42，但是如上面讨论的，技术能够操作多达74个或甚至更多的加热头42。对于本申请而言，通过74个加热头42，能够在15分钟或甚至更短的时间内形成板14。

[0053] 如图5所示，在某些实施例中，加热床48可以包括在热成形工艺期间板14可以被支撑在上面的相对平坦表面，其中在热成形工艺期间随着板14变形，平坦的表面与板14的形状(中间形状或最终形状)不相合。但是，在其他实施例中，加热床48可以替代地包括在热成形工艺期间支撑板14的可变形的液体填充囊。图9是加热床48的示例性实施例的侧视图，该加热床48包括可变形的液体填充囊94，在本文描述的热成形工艺期间板14可以被支撑在所述可变形的液体填充囊94上。如所示那样，在热成形工艺期间随着板14变形，液体填充囊94在整个热成形工艺期间与板14的形状都相合。同样如图9所示，在某些实施例中，分段构件层96可以配置在液体填充囊94的顶部上(例如在热成形工艺期间位于板14和液体填充囊94之间)。在某些实施例中，每个分段构件96可以附连至相邻的分段构件96，但是能够相对于彼此略微地移动，以使得在热成形过程期间它们总体地与板14的形状相合。在某些实施例中，分段构件96可以配置成减少从正被热成形的板14传递至液体填充囊94的热量。例如，在某些实施例中，分段组件96可以是瓷砖。

[0054] 在全面生产中，为使生产量最大化，起重机(例如类似于图1所示的起重机12)可以在不超过大约7.5分钟内卸载板14，并且随后在不超过大约7.5分钟内将新板14装载在第一移动成形床48上。然后，起重机移动至机器的另一端，在那里第二成形床48将移动当前正被成形的板14。移除成形的板14并且放置待成形的板14的工艺在第二成形床48上被重复，同时在第一成形床48上的板14被移入适当的位置并且被成形。这个工艺重复，由此机器产量多达比如每小时4块成形的10英尺乘40英尺的板14.

[0055] 现在回到图5，在某些实施例中，控制系统86在移动成形床48将板14移动到适当位置所花费的全部时间内对于每块板14从CAD模型中下载数据，自动地计划成形操作并且开始成形操作(在某些实施例中除了开始和监测系统40以外没有操作员介入)。在成形操作之后，每个加热头42上的高度传感器成为测量传感器。对于系统40的数字质量控制系统，板14可以被扫描并且记录尺寸。

[0056] 从任意的轧钢厂运送的每块钢板14在外形尺寸、组成、热机械历史等方面可能不同。这些变化会导致钢板14没有如工艺模型预期的那样精确地作出反应。因此，热成形系统40能够从成形后获取的扫描数据识别任何超出规格的情况。这个信息可以被规划算法利用来生成加热计划以使板14符合规格。在某些实施例中，传感器92能够在表面高度测量值上具有3毫寸分辨率，并且能够检测偏离CAD模型规格的较小变化。在某些实施例中，CAD模型数据包括公差规格，控制系统86将其与板测量值比较以决定是否需要矫正成形来使板14一致。

[0057] 在某些实施例中，如果板14上有板序号或其他识别信息，则控制系统86能够读取该信息(例如，使用扫描装置)并且自动地下载正确的CAD模型。因此，机器操作员仅需要监测机器操作并且在可能需要的时候可以维修机器。在某些实施例中，板14可以以它们需要的顺序堆放。那么，起重机可以没有操作员介入地自动装载移动成形床48以及从移动成形床48卸载板14。因此，可以仅需要一个操作员来监测起重机和成形系统操作。这与比如像上面针对图1讨论的那个大的折弯机10相比可以降低人工成本。

[0058] 所有上述的自动化处理都是可能的，因为本实施例的加热头42在控制系统86的控制下是可独立移动的，而不是像通过如上面针对图1讨论的那个线型折弯机10必须移动板14。在折弯机10中移动板14是相当缓慢和麻烦的。相反，对于本文描述的实施例，一旦输入板基准点已经被识别，整个成形操作是完全自动的并且能够非常迅速地执行。加热头42被移动至执行成形的位置并且随后基于CAD模型数据自动地被移动至下一个成形位置。

[0059] 常规的控制系统通常不具有需要如本文描述的同时处理大量传感器数据并且随后控制80个运动轴的能力。热成形系统40的配置是这样的：使用处理器和由处理器执行的软件的控制系统86监督机器操作并且提供综合的操作员界面。控制系统86处理CAD模型数据并且在某些实施例中利用人工神经网络处理模型来作出热成形计划。随后，基于DSP的控制器接收加热计划并且执行那个计划。在某些实施例中，具有全部74个加热头42的控制系统86为了监测工艺和机器健康性可以每秒处理超过十兆字节的传感器数据。在某些实施例中，控制系统86可以利用由EnergynTech公司人员和卡特彼勒公司使用来自国家标准和技术研究所先进技术计划的基金(NIST-ATP)研发的S.H.I.E.L.D.的修改版。S.H.I.E.L.D.被设计用来基本实时地处理来自嵌入到大型移动结构的超过100个传感器(例如本文描述的传感器92)的数据，监测疲劳损坏并且计算剩余的结构寿命。由EnergynTech团队为S.H.I.E.L.D.研发的软件被修改以能够同样基本实时地监测来自系统40的大量传感器数据

[0060] 除了当制造使用机械弯曲较难形成的三维图形时，与机械成形方法相比，一个首要的缺点是热成形相对缓慢。在某些实施例中，为了增加系统40的速度，可以使用加热线，而不是沿直线移动加热点，以使金属变形。换句话说，可以配置热成形组件88以使得延伸过板14的整个长度(或至少大部分长度)的线可以同时被加热。这种加热线方法可以在激光束光学地转换成线的实施例中引起热成形速度的显著增加。机械弯曲对于较厚的金属部件通常可能比热成形的线加热方法更快速。因此，需要在厚金属部件上使用具有足够功率的加热线弯曲方法。

[0061] 在此描述的实施例通过提供使用较高功率感应加热以生成等同的加热线来能够在较厚的金属部件上快速地产生成形和弯曲的热成形方法来克服这些缺陷。该技术可以使用一个或多个感应加热电源，例如热成形系统40的热源20(例如加热头42)，以产生比一般的火焰或激光更多的能量并且因此可以能够通过产生将更加快速地使相对较厚的金属弯曲或成形的加热线的等同物来执行热成形工艺。在此描述的实施例还考虑为了足够快速地去除热量而控制金属部件的冷却，以使大量的热梯度将存在于热成形工艺所需的金属部件上。

[0062] 与加热点54如由箭头58所示沿直线路径56移动并且随后使用多个相邻的直线路径56在金属部件14上产生弯曲的线加热方法(例如图7A)相比，这种方法(例如图7B)产生单个加热线60并且可以(例如垂直于)加热线60的方向如由箭头62所示移动加热线以在金属部件14上产生弯曲。在某些实施例中，加热线60可以由单个加热元件(例如具有相对较大功率源的感应线圈)产生，或由布置在直线上的或沿共同构成加热线60的等同物的直线移动的一系列的较小的感应线圈产生。随着加热线60跨过板表面移动，可以使用单个冷却系统或多个较小的冷却系统来冷却金属部件14。

[0063] 线加热方法(例如图7A)的一个缺点是加热点54在单个位置处工作以弯曲板14，但是沿路径56的金属的剩余部分没有有效地成形或弯曲并且因此变成对于成形或弯曲的阻碍。通过使用整个加热线60(例如图7B)，加热线60的所有部分同时成形并且产生共同的弯曲或成形。与常规方法相比，这使成形速度显著增加，其在金属部件14的成形速度方面能够有超出100倍的增加。

[0064] 由控制系统86执行的线加热计划包括加热点54将沿其越过的直线路径56(在图7A的线加热方法的情况中)或加热线60的直线路径(在图7B的加热线方法的情况中)、由每个加热头42施加的热量的量、加热点54沿线的路径的每部分作出的通过的次数(在图7A的线状加热方法的情况中)等等。通常，对这个工艺的规划系统利用来自计算机辅助设计和计算机辅助制造(CAD/CAM)系统的数据，该数据可以为控制系统86提供用于实行的计划并且还可以描述待成形的部件(例如金属板14)的形状。

[0065] 在某些实施例中，单个加热头42(例如在某些实施例中与单个感应线圈关联)可以用于产生加热线60。换句话说，在某些实施例中，各个热成形组件88的加热头42可以如此形成：使得材料14的整条线可以被同时加热。将被领会的是，在这种实施例中，所施加的能量的功率电平需要随着感应线圈的长度增加而增加。在其他实施例中，多个感应线圈还可以各自用于低功率电平，但总和的高功率电平与线60和正被形成的金属合金的长度相当。在这种使用多个感应线圈的实施例中，与多个感应线圈关联的热成形组件88可以被控制系统86定位以使它们关于直线60正确地对齐。

[0066] 在某些实施例中，感应线圈的高度可以由控制系统86使用来自传感器92的传感器反馈控制以引导定位。因为通常使用水冷却，如下所述，在某些情况下，由于被水面误导的激光的反射，水可能与使用激光高度传感器92的直接测量至少部分地形成干涉。在这些实施例中，可以使用机械设备测量感应线圈相对于材料14的表面22的高度。如下所述，在某些实施例中，将使用环形气刀。在这种实施例中，可以使用激光高度传感器92测量感应线圈相对于正被热成形的材料14的表面22的高度。由环形气刀产生的干燥区域使错误测量的风险最小化并且为控制系统86提供稳定的数据反馈。在某些实施例中，还可以使用红外线温度传感器92控制正被传递至感应线圈的功率，从而在整个热成形工艺中相对统一地保持正确的最高温度。在这种实施例中，环形气刀在感应线圈干燥和干净的条件下保持焦点，以使红外线传感器92不因为正在热成形的材料的表面22上的水或碎屑而生成错误的数据输出。

[0067] 在某些实施例中，可以使用多个感应线圈(例如与多个热成形组件88关联的)，并且每个相应的感应线圈相对于正在热成形的材料14的表面22的高度可以由控制系统86单独控制。使用多个感应线圈形成加热线60提供了加热线成形系统使每个感应线圈相对于正在热成形的材料14的表面22处于任意指定位置(以及相对高度)的能力，这使材料14(即便其具有最初的弯曲拓扑形状)的准确成形成为可能。沿加热线60的多个感应线圈为自动热成形系统40提供随材料14在热成形工艺期间的形状变化改变加热线60的表面拓扑形状的能力。

[0068] 尽管本文描述的内容主要牵涉到沿线型路径56移动加热点54或使用整个的加热线60，然而在其他实施例中，加热点54移动的图案或加热“线”形成的图案可能根本不是直线，而可能是在上面提到的任意或全部轴线上的任意曲线图案。例如，在某些实施例中，加热点54可以在平行于加热材料14的平面30的方向上和/或垂直于这个平面30的方向上(在沿厚度的方向28上朝向或远离加热材料14和/或沿加热材料14的长度)以任意的曲线图案被移动。类似地，多个加热头42的布局可以是这样的：不是通过系统40移动加热线60，而是通过系统40移动加热头42的加热曲线图案。当需要波浪形或其他复杂的三维图案时，这种非线型的加热图案在例如管成形、工字梁成形、板成形等等上可以证明是有利的。值得注意的是，这种非线型加热成形技术提供超过常规的机械弯曲技术的明显优势，所述常规的机械弯曲技术甚至可能无法提供这类复杂的三维弯曲。

[0069] 如上所述，加热金属周围的较冷金属的约束有助于热成形工艺的正常作用。为了维持使周围金属不受热所需的相对较大的热梯度，工艺进行的更高效和更快速，周围的金属就会更冷。在某些实施例中，可以由来自金属表面的热对流或通过在周围金属上施加喷水来实现冷却。这种方法的一个缺点是水可能侵入加热点54或加热线60，从而使可用的热量降低，这降低了加热速度。此外，如果水没有喷射到金属表面上，则暖液膜形成在金属表面上，这降低了冷却效率并且因此降低了成形效率以及由此降低了成形速度。但是，以足够的力将水喷射到表面上以连续地移除表面附近的暖水膜可能导致水溅射到加热点54或加热线60上。

[0070] 一种冷却的方法是结合下列两者：将加压水喷射到表面上，以及在冷却的金属表面和加热的金属表面之间形成屏障并且防止水溅射到加热区域上的气刀。在加热点54的情况中，环形气刀可以围绕加热点54形成。如果将环形气刀制成截头圆锥形状以便截头圆锥形状的较窄端最接近金属表面，则金属表面上的空气汇聚产生高气压区域。所述高气压区域使空气远离加热点54移动，由此防止空气湍流将一些水引入金属表面的加热区域。对于环形气刀的截头圆锥形状，可使用仅窄范围的圆锥角。如果圆锥角太大，则来自气刀的空气流将克服微小的压力差并且水可能从板平面被引至表面的加热区域。如果圆锥角太小，则气刀将不在环形气刀内产生局部压力的充分增加并且金属表面处的湍流将引水进入表面的加热区域。在某些实施例中，替代气刀，可以使用物理屏障，并且所述物理屏障可以不向下延伸至正在热成形的材料14的表面22，但在使用激光作为热源20时作为对于比如从表面反射的激光逸出的屏障。

[0071] 截头圆锥形的环形气刀通过形成具有平滑表面的截头圆锥形空气导向件来生成。图8是根据本公开的实施例的示例性热成形系统40的横截面侧视图。围着截头圆锥形空气导向件64的是环形空气传递装置66，环形空气传递装置被构造成使空气68由内通道70传输，所述内通道70使空气68开始于向下的路径上，随后如由箭头72所示朝向截头圆锥形空气导向件64的中心径向向内地转移空气。在截头圆锥形空气导向件64附近的开口处，空气传递装置通道70变窄并且形成空气幕，该空气幕形成与层流幕所顺着的弯曲表面相符的层流。表面的弯曲以与相应的截头圆锥形空气导向件64相同的流动角终结以使流动空气68的层流幕随后转移至并且顺着截头圆锥形空气导向件64的表面向下至正被成形的金属部件
14的表面22。截头圆锥形空气导向件64围着加热线圈74，所述加热线圈74保持在正被弯曲或成形的金属部件14附近，由此在正好在线圈74下面的板上形成加热区域。水喷射物顺着由箭头76、78所示的路径向下至金属部件表面22，然后被由箭头80、82、84所示的气流引导远离金属部件14上的加热区域。应该注意的是，尽管如在此描述为使用水，然而可使用其他冷却剂(例如，诸如液氩的液化气体，诸如干冰的固化气体，等等)来代替水，尤其为了提高可能对水有反应的金属的冷却速度。

[0072] 对于加热线60不是由多个加热点54构成而是用单个的连续线圈74的情况，该设计可以类似于图8中所示的设计，除了横截面是长的直线型气刀而不是环形气刀。例如，空气导向件64的侧部将会是平坦的而不是截头圆锥的环形。否则，该设计将会具有大体相似的横截面轮廓。

[0073] 在其他实施例中，具有相应的加热头42(如感应线圈)的多个热成形组件88可以一起使用并且沿加热线60适当地定位。在这种实施例中，用于热成形组件88的空气导向件64可以例如包括设置在相应的加热头42的相对两侧上的两个大体平行的壁98，并且控制系统86可以定位热成形组件88以使热成形组件88的壁98大体彼此平行地对齐以使热成形组件
88的空气导向件64提供与如上所述长的直线型气刀相同的功能。图10是这种实施例的剖面俯视图。

[0074] 尽管在此已经展示和描述了本发明的仅某些特征，对于本领域的那些的技术人员将联想到许多变更和修改。因此，被理解的是，附加的权利要求旨在覆盖落在本发明的真实范围内的所有的这种变更和修改。