專(zhuān)利名稱(chēng)：可重新配置的工具和/或模具、用于工具和/或模具的可重新配置嵌入件及使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及一種可重新配置的工具和/或模具?？芍匦屡渲玫?工具和/或模具可以適用于使用相同工具和/或模具制造具有不同幾何形 狀的部件或零件。
背景技術(shù)：
對(duì)于形成金屬或塑料部件的工藝，通常會(huì)具有不同的工具和/或模 具。制造甚至僅僅幾何形狀或尺寸具有某些很小差別的部件都必須有不 同的工具和/或模具。而且，如果部件需要形成為僅具有很小幾何形狀或 尺寸變化的不同構(gòu)造，則采用不同工具/模具。結(jié)果，制造者一般必須花 費(fèi)顯著的資源以適應(yīng)制造各種部件所必要的各種工具和/或模具。這些資 源不僅包括采購(gòu)各種工具和/或模具的經(jīng)濟(jì)成本，而且還包括與在不同形 成操作之間更換工具和/或模具相關(guān)聯(lián)的成本。所以，需要一種可用于制造不同部件的可重新配置的工具和/或模 具，其中該可重新配置的工具和/或才莫具可以選擇性地改變來(lái)適應(yīng)多于一 種的部件構(gòu)造。發(fā)明內(nèi)容本文公開(kāi)了可選擇性改變來(lái)使用相同工具和/或模具適應(yīng)多于一種 零件或部件構(gòu)造的可重新配置的工具和/或模具以及嵌入件。在一個(gè)實(shí)施例中，可重新配置的工具和/或模具包括包括形狀限定表面的陽(yáng)模；包 括形狀限定表面的陰模；形成所述陽(yáng)模和陰模的形狀限定表面中所選之 一或兩者的至少一部分的形狀記憶材料，其中所述形狀記憶材料響應(yīng)于 激活信號(hào)選擇性地改變所述形狀限定表面中所選之一或兩者的幾何形狀。一種用于工具和/或模具的嵌入件，包括具有形狀限定第一表面的 形狀記憶材料，所述形狀限定第一表面適于響應(yīng)于激活信號(hào)改變到形狀 限定第二表面，其中所述第 一和第二表面具有不同的幾何形狀。
一種方法用于使用可重新配置的工具和/或模具形成具有限定幾何 形狀的第 一零件和具有不同于第 一零件限定幾何形狀的限定幾何形狀 的第二零件，所述方法包括用所述可重新配置的工具和/或模具形成所 述第 一零件，其中所述可重新配置的工具和/或模具包括形狀限定表面， 所述形狀限定表面包括由形狀記憶材料形成的至少 一部分，其中用所述 可重新配置的工具和/或模具形成所述第一零件的步驟產(chǎn)生具有限定幾何形狀的所述第 一零件；激活所述形狀記憶材料以改變所述形狀限定表 面；以及用所述改變的形狀限定表面形成所述第二零件以產(chǎn)生具有限定 幾何形狀的所述第二零件，其中所述第二零件限定幾何形狀與所述第一 零件限定幾何形狀不同。
在另 一 實(shí)施例中， 一種方法用于使用工具和/或模具組形成具有限定 幾何形狀的第 一零件和具有不同于第 一零件限定幾何形狀的限定幾何 形狀的第二零件，所述方法包括將嵌入件嵌入工具和/或模具組中，其 中所述嵌入件包括具有至少一個(gè)形狀限定第一表面的形狀記憶材料，所 述形狀限定第一表面適于響應(yīng)于激活信號(hào)改變到形狀限定第二表面，其 中所述第 一和第二形狀限定表面具有不同的幾何形狀；使坯料與所述嵌 入件和所述工具和/或模具組接觸以形成具有限定幾何形狀的所述第一 零件；激活所述形狀記憶材料以使所述形狀限定第一表面改變成形狀限 定第二表面；以及使另 一坯料或所述第 一零件與所述嵌入件的形狀限定 第二表面和所述工具和/或模具組接觸以形成具有限定幾何形狀的所述 第二零件，其中所述第二零件限定幾何形狀與所述第一零件限定幾何形 狀不同。
在另一實(shí)施例中， 一種用于保持工具的夾具包括可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接到 扭簧的殼體，所述扭簧包括形狀記憶材料，所述形狀記憶材料響應(yīng)于激 活信號(hào)而改變所述形狀記憶材料的至少一個(gè)屬性，其中所述至少一個(gè)屬 性的改變使所述殼體繞中心軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)；以及從所述殼體伸出的臂。
通過(guò)以下附圖和詳細(xì)說(shuō)明舉例說(shuō)明上述和其它特征。


現(xiàn)在參照作為示例性實(shí)施例的附圖，其中相似的元件相似地編號(hào) 圖1和2示意性示出用于形成具有不同幾何形狀的零件或部件的可 重新配置的工具和/或模具；
圖3和4示意性示出用于沖壓具有不同幾何形狀的零件或部件的可重新配置的工具和/或才莫具；圖5示意性示出用于形成具有不同幾何形狀的零件或部件的標(biāo)準(zhǔn)化 工具和/或才莫具的可重新配置的嵌入件；圖6示意性示出與用于形成具有不同幾何形狀的零件或部件的標(biāo)準(zhǔn) 化工具和/或模具一起使用的多個(gè)可重新配置的嵌入件；圖7示意性示出根據(jù)另一實(shí)施例用于形成具有不同幾何形狀的零件 或部件的標(biāo)準(zhǔn)化工具和/或才莫具的可重新配置的嵌入件；以及圖8示意性示出可重新配置的夾具。
具體實(shí)施方式
本文公開(kāi)了可重新配置的工具和/或模具，其可以選擇性地重新配置 來(lái)使用相同的工具和模具形成或模制不同的部件和/或零件或者相同零 件的不同幾何形狀?？芍匦屡渲玫墓ぞ吆?或模具包括可以選擇性激活來(lái) 向工具和/或模具提供不同幾何形狀的形狀記憶材料。這樣，相同的工具 和/或模具可以有利地用于生產(chǎn)具有不同幾何形狀的零件或部件，由此對(duì) 制造工藝提供重要的商業(yè)上的優(yōu)點(diǎn)。形狀記憶材料可以整體或部分與工 具和/或模具成為一體，或者可以具有與標(biāo)準(zhǔn)工具和/或模具一起使用的嵌入件的形式。本文還公開(kāi)了可重新配置的夾具和/或卡具，其以相似方 式利用形狀記憶材料來(lái)向待加工的零件和/或部件提供例如主動(dòng)和選擇 性的定位。有利地，可以在柔性制造系統(tǒng)中采用該可重新配置的夾具和 /或卡具，以消除現(xiàn)有技術(shù)的被動(dòng)定位機(jī)構(gòu)，例如螺紋釘、凸輪、螺線(xiàn)管等。因?yàn)閺墓_(kāi)文獻(xiàn)公知形狀記憶材料的一般特性，所以對(duì)其將不進(jìn)一 步詳細(xì)描述?，F(xiàn)在參照?qǐng)D1，示出了總體示為10的可重新配置的工具和/或模具 組件，其包括陰模12和陽(yáng)模14。在工作期間，陰模12和陽(yáng)模14匹配 到一起以使布置在其間的坯料16成形。所示可重新配置的工具和/或模 具組件10用作示例而非限制為任何具體形式或形狀。類(lèi)似地，坯料16 并不用于限制為任何具體形狀。在此具體示例中，坯料16示為具有平 面表面的基體。但是，從本發(fā)明應(yīng)該清楚合適的坯料可以包括各種不同 形狀和幾何形狀，其中術(shù)語(yǔ)"坯料"可以一般地定義為由可重新配置的 工具和/或模具加工的部件或零件。坯料16可以由任何可變形和/或可才莫
制材料制成。例如，坯料可以是熱塑性塑料、壓塑性塑料(baroplastic)、如圖1所示，可重新配置的工具和/或模具10最初配置成在陰模12 與陽(yáng)模14匹配時(shí)提供具有半圓形形狀17的坯料16。陰模12包括半圓 形形狀的凹部18，而陽(yáng)模14包括半圓形形狀的突起20,其中突起20 和凹部18的位置互補(bǔ)。 一旦這樣使期望數(shù)量的坯料16成形，則可重新 配置的工具和/或模具10可以重新配置成生產(chǎn)具有不同形狀的坯料16, 例如如圖2所示的餅形。各個(gè)模具中至少對(duì)加工坯料限定不同幾何形狀 的部分由形狀記憶材料形成或者與形狀記憶材料具有配合關(guān)系。為了實(shí) 現(xiàn)幾何形狀的變化，通過(guò)激活形狀記憶材料來(lái)重新配置工具和/或模具。 如本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的，形狀記憶材料一般包括其中形狀和/或模量 特性可以借助所施加的激活信號(hào)而選擇性改變的材料。通過(guò)激活形狀記 憶材料，工具和/或模具的幾何形狀改變，然后使用該工具和/或模具來(lái) 形成坯料16。例如，如圖所示，陰模12和陽(yáng)模14的形狀記憶材料部分 包括限定坯料的幾何形狀的區(qū)域，該區(qū)域的形狀從圖l所示的其開(kāi)始的 半圓形構(gòu)造18、 20分別變成圖2所示的餅形構(gòu)造22、 24。這樣，用重 新配置之后的同 一工具和/或模具10加工的坯料16形成與之前獲得的例 如零件17不同幾何形狀的零件26。通過(guò)如上所述使用形狀記憶材料，部分或整個(gè)由形狀記憶材料制成 的單個(gè)工具和/或模具可以適用于制造兩種(使用下面所討論的單程形狀記憶效應(yīng))或三種(使用下面所討論的雙程形狀記憶效應(yīng))不同零件(即 部件)或者需要多個(gè)形成操作(僅具有其間的某些最小形狀和尺寸變 化)的部件。例如，形狀記憶合金是可以按照成分表現(xiàn)出單程形狀記憶 效應(yīng)或雙程形狀記憶效應(yīng)的形狀記憶材料。雙程形狀恢復(fù)提供恢復(fù)高溫 形式和低溫形式兩者的能力，而單程形狀恢復(fù)僅僅提供恢復(fù)一種這樣形 式的能力。如果單個(gè)工具或模具包含可以獨(dú)立激活的多個(gè)活性材料區(qū) 域，則可以用同一工具/模具制造許多不同的部件/零件幾何形狀，該數(shù) 量?jī)H僅受到激活區(qū)域的可能組合的數(shù)量所限制。通過(guò)形狀記憶材料的激活在工具和/或模具的(多種)形狀記憶材料 中選擇性產(chǎn)生相變而獲得在不同形成操作中實(shí)現(xiàn)的幾何形狀或尺寸的 變化(重新配置)。相變的具體類(lèi)型將取決于所使用的形狀記憶材料的 類(lèi)型，例如形狀記憶合金可以經(jīng)歷其晶體結(jié)構(gòu)從馬氏體到奧氏體的相
變。類(lèi)似地，激活可以通過(guò)各種措施實(shí)現(xiàn)，包括但不限于磁、電、熱、 應(yīng)力激活和包括上述激活信號(hào)中至少之一的組合。所期望的工具和/或模 具的構(gòu)造通過(guò)先驗(yàn)進(jìn)行的訓(xùn)練過(guò)程記憶到形狀記憶材料中。當(dāng)然，本領(lǐng) 域技術(shù)人員應(yīng)該清楚，實(shí)際成形工藝中采用的壓力和溫度將需要考慮具 體形狀記憶材料的特性，使得可以發(fā)生所期望的尺寸變化。如前所述，整個(gè)工具和/或模具或者工具和/或模具的部分可以由形 狀記憶材料制成。后者的示例包括只有表面層(在模具的陰模部分、陽(yáng) 模部分或者兩個(gè)部分上)由形狀記憶材料制成的模具以及其中只有段/ 部分/區(qū)域由形狀記憶材料制成的模具。有利地，可重新配置的工具和/ 或模具可以用于生產(chǎn)整體相似但具有局部差別的零件，這些局部差別通過(guò)激活模具的形狀記憶材料部分來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖3和4示意性示出適于拉伸和/或沖壓操作的總體示為30的可重 新配置的工具和/或模具組件。所示可重新配置的工具和/或模具30總體 包括用于沖壓或拉伸坯料16的T形陽(yáng)模32和陰模34。模具之一或兩者 32和/或34包括用于改變相應(yīng)陽(yáng)模和/或陰模部分32、 34的形狀的形狀 記憶材料。形狀記憶材料以前述方式布置在相應(yīng)陽(yáng)模和/或陰模部分 32、 34的整體或部分中。如圖4更清楚示出的，激活形狀記憶材料以實(shí) 現(xiàn)工具和/或模具從第一形狀到第二形狀如36到38和/或40到42的重 新配置。形狀記憶材料的激活的效應(yīng)示為如虛線(xiàn)結(jié)構(gòu)所示的陽(yáng)模32和 陰模34的側(cè)向尺寸的變化，該變化有效減小了沖壓區(qū)域。同樣，模具 30可以產(chǎn)生具有不同沖壓幾何形狀44、 46的坯料。類(lèi)似地，模具30可 以配置成產(chǎn)生由于拉伸操作而具有不同幾何形狀例如不同厚度的坯料 16。應(yīng)該注意圖1-4所示可重新配置的工具和/或模具僅僅是示例性 的。本領(lǐng)域技術(shù)人員在了解本發(fā)明的情況下將清楚各種改變和尺寸變化。本文所/>開(kāi)的可重新配置的工具和/或模具還可以適于對(duì)之前加工 的坯料提供精加工屬性。有利地， 一旦坯料的總體形狀已經(jīng)限定，則可 以在同一工具和/或才莫具中施加精加工屬性。在這些示例中，工具和/或 模具的構(gòu)造是靜態(tài)的，并使用由形狀記憶材料形成的可重新配置的嵌入件。作為示例，如圖5所示，由形狀記憶材料形成的嵌入件52可以用
于總體包括陽(yáng)模58和陰模56的標(biāo)準(zhǔn)工具和/或模具50 (非可重新配置的)。但是，應(yīng)該注意可以在可重新配置的工具和/或才莫具中利用可重新 配置的嵌入件，這對(duì)于一些應(yīng)用可能是期望的。盡管示出了一個(gè)嵌入 件，但本申請(qǐng)并不限于一個(gè)?？梢栽诠ぞ吆?或模具中可以采用附加的嵌 入件來(lái)在選擇性激活時(shí)提供局部化改變，以對(duì)所加工的零件產(chǎn)生各種不同幾何形狀和精加工屬性。如圖所示，嵌入件52位于陽(yáng)模58和坯料16 之間。全局特征首先施加到坯料16,其非常接近陽(yáng)模58的成形表面。 形狀記憶嵌入件52可以隨后激活以提供如重新配置的嵌入件54所示的 更多的細(xì)節(jié)。在此示例中， 一旦激活，則重新配置的形狀記憶嵌入件54 表現(xiàn)出接近陰模56的形狀的形狀變化，該形狀變化隨后可以在陽(yáng)模58 和陰模56配合時(shí)傳遞到坯料16?？梢詫⒂尚螤钣洃洸牧闲纬傻那度爰?2用于多個(gè)模具，或者替代 地可以將多個(gè)嵌入件用于同一模具。這樣，采用嵌入件的工具和模具極 其通用。例如，特征具有很小變化的零件例如用于不同車(chē)輛的面板可以 在不必對(duì)機(jī)加工或成形工藝的每個(gè)步驟使用單獨(dú)的工具和模具的情況 下進(jìn)4亍才幾力p工。在一個(gè)實(shí)施例中(例如圖5所示)，嵌入件52在激活時(shí)恢復(fù)到的 訓(xùn)練形狀具有限定的表面特征。在工作中，可重新配置的嵌入件52可 以是完全被動(dòng)的且不在坯料16上施加特殊特征，或者可以在閉合模具 56、 58來(lái)施加表面特征之后激活。在后一情況下，現(xiàn)在具有如標(biāo)號(hào)54 所示嵌入件的形狀的嵌入件如果是由單程形狀記憶材料制成的，則在去 活之后，應(yīng)該在重新使用之前重新沖壓以將嵌入件54恢復(fù)到嵌入件52 的原始幾何形狀。在另一實(shí)施例中，如圖6所示，多個(gè)可重新配置的嵌入件可以用于 總體包括陽(yáng)模58和陰模56的標(biāo)準(zhǔn)工具和/或模具50 (非可重新配置 的)。陰模56構(gòu)造具有一個(gè)或多個(gè)幾何形狀特征。陽(yáng)模58包括一些共 用互補(bǔ)部分，以允許陰模與陽(yáng)模匹配但缺少陰模中的 一些互補(bǔ)的幾何形 狀特征。在模具56、 58閉合時(shí)，第一可重新配置的嵌入件52 (例如由 處于其非活化低溫低模量狀態(tài)下的形狀記憶合金形成的嵌入件)被激活以對(duì)應(yīng)于特定陰模的幾何形狀來(lái)生成零件60。在打開(kāi)模具56、 58時(shí)且 移除坯料之后，嵌入件52可以恢復(fù)到其原始幾何形狀。然后可以使用 第二可重新配置的嵌入件62來(lái)選擇性地施加其它特征。于是與需要機(jī)
械重新成形的實(shí)施例不同，可以在形成具有不同幾何形狀的零件之間所需要的形狀記憶材料激活時(shí)重復(fù)使用可重新配置的嵌入件52、 62。圖7示意性示出另一實(shí)施例，其采用單個(gè)可重新配置的嵌入件52 來(lái)生成具有不同幾何形狀的各種零件。嵌入件52布置在坯料16和陰模 56之間。陰模56包括多個(gè)特征并重復(fù)使用，同時(shí)采用具有特定特征的 多個(gè)陽(yáng)模66、 68。作為示例，陽(yáng)模66如圖所示具有位于左側(cè)的升高的 突起。將具有多個(gè)特征的陰模56與此特定陽(yáng)模66匹配且與可重新配置 的嵌入件52 —起包括待成形的坯料16可以產(chǎn)生零件70。在閉合模具 時(shí)，使嵌入件52 (示例是處于其非活化的低溫低模量狀態(tài)下的SMA) 變形以對(duì)應(yīng)于特定陽(yáng)模的幾何形狀。在打開(kāi)模具時(shí)且移除零件之后，嵌 入件52可以簡(jiǎn)單地通過(guò)重新加熱而恢復(fù)到其原始幾何形狀。于是與需 要機(jī)械重新成形的其它實(shí)施例不同，可以在形成具有不同幾何形狀的零 件之間僅僅需要激活活性材料的情況下重復(fù)使用單個(gè)嵌入件。用陽(yáng)模68 代替陽(yáng)模66導(dǎo)致產(chǎn)生零件72。使用形狀記憶合金作為形成嵌入件52的 示例性材料，本實(shí)施例涉及形狀記憶合金的嵌入件中應(yīng)力產(chǎn)生的超彈 性。由于這一點(diǎn)，嵌入件52將在打開(kāi)模具時(shí)恢復(fù)到其原始幾何形狀。領(lǐng)域技術(shù)人員考慮到本發(fā)明將認(rèn)識(shí)到其它變化。例如，可以采用多個(gè)嵌 入件用于具有多個(gè)特征的陰模和陽(yáng)模部分以生成具有不同幾何形狀和/ 或表面紋理的多個(gè)不同零件。可重新配置的工具、模具和/或嵌入件對(duì)于制造熱塑性或薄板金屬零 件特別有吸引力，此時(shí)形成零件所需的力相對(duì)較低。特定的形狀記憶材 料一般確定了對(duì)于力水平的約束。而且，可重新配置的工具、模具和/ 或嵌入件還適合用于注入模制工藝。此外，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí) 到，可重新配置的工具、模具、嵌入件還可以用于快速原型機(jī)和表面紋 理。例如，與幾何形狀(形狀)的變化不同，嵌入件可以用于對(duì)坯料提 供紋理的變化。如前所述，形狀記憶材料還可以用于可重新配置的夾具和卡具。夾 具一般用于保持工具，其中使用機(jī)械、伺服液壓、氣動(dòng)和/或電裝置來(lái)手 動(dòng)或自動(dòng)引導(dǎo)工具。這一般涉及復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、被動(dòng)機(jī)構(gòu)(例如凸輪、 連桿驅(qū)動(dòng)螺釘)以及協(xié)同工作以實(shí)現(xiàn)所需定位和運(yùn)動(dòng)的其它機(jī)構(gòu)。這里 所公開(kāi)的可重新配置的夾具可以采用由形狀記憶材料形成的纜線(xiàn)或彈 簧或補(bǔ)片等，以將所需工具主動(dòng)定位成所需順序以及通過(guò)施加實(shí)現(xiàn)例如 切割和進(jìn)給深度所期望的運(yùn)動(dòng)來(lái)引導(dǎo)工具，從而便于機(jī)加工零件。為了 在機(jī)加工期間將夾具固定定位在給定位置，可以采用附加的鎖定裝置。 例如，可重新配置的夾具可以包括電磁鎖定裝置或機(jī)械鎖定銷(xiāo)以防止機(jī) 加工期間夾具的不期望的運(yùn)動(dòng)。作為示例，圖8示出了適于可能是夾具所期望的旋轉(zhuǎn)定位以及軸 向、橫向和平移定位的可重新配置的夾具80的俯視圖。對(duì)于旋轉(zhuǎn)定位，夾具可以包括布置在殼體84內(nèi)由形狀記憶材料形成的扭簧82。 一旦激 活了形狀記憶材料，則扭簧82將由于從其原始形狀到其記憶形狀的尺 寸變化而使夾具旋轉(zhuǎn)。這樣，夾具80可以構(gòu)造用于不同的工具類(lèi)型， 其旋轉(zhuǎn)量可以編程以允許依次編程工具來(lái)機(jī)加工零件和/或部件。可以采 用扭簧來(lái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)以用于夾具自身和/或附裝到其的卡具。夾具80還可以包括在從殼體90延伸的臂內(nèi)的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)裝置86，該 直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)裝置包括形狀記憶材料。該直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)裝置包括布置在殼體90 內(nèi)由形狀記憶材料制成的一個(gè)或多個(gè)直線(xiàn)布置的彈簧88，用于受控的軸 向和橫向運(yùn)動(dòng)。夾具80可以根據(jù)期望的應(yīng)用包括一個(gè)或多個(gè)臂。各個(gè) 彈簧82和/或88具有涉及預(yù)定行程或伸長(zhǎng)的記憶的特定形狀。通過(guò)施加 所需的熱、電、磁或應(yīng)力場(chǎng)來(lái)激勵(lì)這些彈簧，可以實(shí)現(xiàn)夾具的期望定位 和運(yùn)動(dòng)。如果需要，還可以使用偏壓彈簧或縮回^L構(gòu)，以控制用于施加 例如切割和進(jìn)給深度的運(yùn)動(dòng)。使用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是主動(dòng)的重新配置和先后順序，這是通過(guò)使用 相對(duì)簡(jiǎn)單的基于形狀記憶材料的裝置實(shí)現(xiàn)的，這樣就消除和/或減少了被 動(dòng)機(jī)構(gòu)如螺紋釘、凸輪等的使用。這有助于減小摩擦、噪聲，并且還簡(jiǎn) 化了夾具設(shè)計(jì)和操作。通過(guò)合適的電子控制來(lái)以磁、電、熱等方式激活 這些形狀記憶裝置，工藝可以自動(dòng)化和重新編程來(lái)實(shí)現(xiàn)切割工具操作的 不同序列組。而且，可以由夾具實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)動(dòng)和位置，這提高了機(jī)加 工工藝的質(zhì)量。以上圖示為簡(jiǎn)單起見(jiàn)示出了其中行程和深度控制機(jī)構(gòu)對(duì)于所有工 具都是相同的情況。如果期望獨(dú)立控制每個(gè)工具的行程和深度，則可以 提供類(lèi)似的機(jī)構(gòu)來(lái)解決這些應(yīng)用。盡管具體參照了彈簧的使用，但是本 領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到在本發(fā)明的情況下也可以使用纜線(xiàn)、管和/ 或桿。形狀記憶材料與控制機(jī)構(gòu)(未示出)操作通信，以提供選擇性激
活的裝置并由此提供選擇性的旋轉(zhuǎn)和/或平移。除了可重新配置的夾具之外，形狀記憶材料可以適用于卡具。類(lèi)似 于上述可重新配置的夾具，可以使用可重新配置的卡具，主要區(qū)別在于 使用這些來(lái)順序引導(dǎo)待機(jī)加工的多個(gè)零件。用于實(shí)現(xiàn)工具、模具、夾具和卡具的重新配置的合適形狀記憶材料 一般是其中可以通過(guò)激活信號(hào)選擇性改變形狀和/或模量特性的材料。在 大多數(shù)應(yīng)用中，選擇形狀記憶材料來(lái)提供用于期望操作的足夠剛性。例 如，由形狀記憶材料形成用于標(biāo)準(zhǔn)工具和模具的嵌入件應(yīng)該具有足夠剛 度，以對(duì)其中加工的零件和/或部件施加期望屬性。對(duì)于彈簧，期望可以 選擇性改變模量和/或形狀尺寸來(lái)提供期望的運(yùn)動(dòng)?？蛇x地，可能期望用 由傳統(tǒng)材料(即沒(méi)有形狀記憶)形成的偏壓和/或支承彈簧來(lái)補(bǔ)充形狀記 憶彈簧，以在需要時(shí)補(bǔ)償施加在形狀記憶彈簧上的力。合適的形狀記憶材料包括但不限于形狀記憶合金(SMA)、形狀記憶聚合物(SMP)、電活性聚合物(EAP)、鐵磁體SMA、磁體SMA、 電流變流體(ER)、磁流變流體(MR)、介電彈性體、離子聚合物金 屬?gòu)?fù)合物(IPMC)、壓電材料、壓電陶瓷、以上材料的各種組合等。 盡管上述形狀記憶材料中的某些可能不適合于本文公開(kāi)的各個(gè)實(shí)施例 中所述的一些應(yīng)用，但是可以進(jìn)行各種形狀材料與這些材料的組合來(lái)獲 得期望的結(jié)果。例如，可以結(jié)合形狀記憶彈簧采用MR流體來(lái)提供變化 程度的平移，其中選擇性激活MR流體鎖定例如彈簧的尺寸。如前所述， 一些形狀記憶材料可以根據(jù)合金成分和處理歷史表現(xiàn)出 單程形狀記憶效應(yīng)、固有的雙程效應(yīng)、或者外來(lái)的雙程形狀記憶效應(yīng)。 例如，退火形狀記憶合金通常僅僅表現(xiàn)出單程形狀記憶效應(yīng)。在形狀記 憶材料的低溫變形之后的充分加熱將導(dǎo)致馬氏體到奧氏體式的轉(zhuǎn)變，并 且該材料將恢復(fù)原始的退火形狀。因此，單程形狀記憶效應(yīng)僅僅在加熱 時(shí)觀(guān)察到。包括表現(xiàn)出單程記憶效應(yīng)的形狀記憶合金成分的形狀記憶材 料不會(huì)自動(dòng)恢復(fù)，并將可能需要外部的機(jī)械力來(lái)恢復(fù)前一形狀，如果特 定應(yīng)用需要的話(huà)。使用形狀記憶合金作為示例，固有和外來(lái)的雙程形狀記憶材料的特 征在于在從馬氏體相加熱到奧氏體相時(shí)的形狀轉(zhuǎn)變、以及在從奧氏體相 冷卻回到馬氏體相時(shí)的附加形狀轉(zhuǎn)變。表現(xiàn)出固有形狀記憶效應(yīng)的形狀 記憶材料可以用將使形狀記憶材料由于上述相變而自動(dòng)恢復(fù)自身的形
狀記憶合金成分制造。固有的雙程形狀記憶行為必須通過(guò)處理在形狀記 憶材料中產(chǎn)生。這種過(guò)程包括在馬氏體相中使材料極度變形、在約束或 負(fù)載下的加熱-冷卻、或者諸如激光退火、拋光或噴九處理之類(lèi)的表面 改性。 一旦已經(jīng)將材料訓(xùn)練成表現(xiàn)出雙程形狀記憶效應(yīng)，則低溫和高溫 狀態(tài)之間的形狀變化一般是可逆的，并保持經(jīng)過(guò)大量熱循環(huán)。相反，表 現(xiàn)出外在雙程形狀記憶效應(yīng)的形狀記憶材料是將表現(xiàn)出單程效應(yīng)的形 狀記憶合金成分與提供恢復(fù)原始形狀的恢復(fù)力的另一元件組合起來(lái)的 復(fù)合，多成分材料。曰八 ，| J ' 乂、 一，— 、，相中最常用的是所謂的馬氏體和奧氏體相。在以下討論中，馬氏體相一 般指更加可變形的低溫相，而奧氏體相一般指更加剛性的高溫相。當(dāng)形 狀記憶合金處于馬氏體相并被加熱時(shí)，其開(kāi)始變成奧氏體相。此現(xiàn)象開(kāi) 始時(shí)的溫度常稱(chēng)為奧氏體起始溫度(As)。此現(xiàn)象結(jié)束時(shí)的溫度稱(chēng)為奧 氏體結(jié)束溫度(Af)。當(dāng)形狀記憶合金處于奧氏體相并被冷卻時(shí)，其開(kāi) 始變成馬氏體相，并且此現(xiàn)象開(kāi)始時(shí)的溫度稱(chēng)為馬氏體起始溫度(Ms )。注意上述轉(zhuǎn)變溫度是由SMA試樣所受應(yīng)力的函數(shù)。具體地，這些溫度隨著應(yīng)力的增大而升高?？紤]到以上特性，形狀記憶合金的變形優(yōu)選在奧氏體轉(zhuǎn)變溫度處或之下(等于或低于A(yíng)s)。隨后加熱到高于奧氏體轉(zhuǎn)變溫度使得變形的形狀記憶材料試樣回復(fù)到其永久形狀。于是，用于形 狀記憶合金的合適激活信號(hào)是大小足以產(chǎn)生馬氏體和奧氏體相之間轉(zhuǎn) 變的熱激活信號(hào)。在加熱時(shí)形狀記憶合金記住其高溫形式的溫度可以通過(guò)合金成分 的細(xì)微變化和通過(guò)熱機(jī)械處理來(lái)調(diào)節(jié)。例如在鎳-鈦形狀記憶合金中，其可以從高于約100。C變到低于約-100。C。形狀恢復(fù)過(guò)程可以在僅僅幾 度的范圍上發(fā)生或者表現(xiàn)出更漸變的恢復(fù)?？梢愿鶕?jù)期望的應(yīng)用和合金 成分將轉(zhuǎn)變的起始或結(jié)束控制在1度或2度內(nèi)。形狀記憶合金的機(jī)械特 性在跨越其轉(zhuǎn)變的溫度范圍上變化很大，這通常提供了形狀記憶效應(yīng)、 超彈性效應(yīng)和高阻尼能力。例如，在馬氏體相中觀(guān)察到比奧氏體相中更 低的彈性模量。馬氏體相中的形狀記憶合金可以通過(guò)將晶體結(jié)構(gòu)重構(gòu)與 所施加應(yīng)力(例如來(lái)自匹配壓力足的壓力)重新對(duì)齊而承受大的變形。 如下面將更詳細(xì)描述的，在去除應(yīng)力之后該材料將保持此形狀。
合適的形狀記憶合金材料包括但不限于基于鎳-鈦的合金、基于銦 -鈦的合金、基于鎳-鋁的合金、基于鎳-鎵的合金、基于銅的合金(例 如銅-鋅合金、銅-鋁合金、銅-金合金和銅-錫合金)、基于金-鎘 的合金、基于銀-鎘的合金、基于銦-鎘的合金、基于錳-銅的合金、 基于鐵-鉑的合金、基于鐵-鈀的合金等。合金可以是二元的、三元的 或者任意更多元的，只要該合金成分表現(xiàn)出形狀記憶效應(yīng)，例如形狀、 定向、屈服強(qiáng)度、彎曲模量、阻尼能力、超彈性和/或類(lèi)似特性的變化。 合適形狀記憶合金成分的選擇取決于該部件將工作的溫度范圍。如上所述，當(dāng)形狀記憶合金SMA在韌性低溫相下經(jīng)歷變形并隨后 受熱到高于轉(zhuǎn)變溫度(即奧氏體結(jié)束溫度)時(shí)，發(fā)生形狀恢復(fù)?；謴?fù)壓力可以超過(guò)400兆帕(60000psi)?？苫謴?fù)應(yīng)變對(duì)于單個(gè)恢復(fù)循環(huán)高達(dá) 約8% (對(duì)于銅合金約4%到約5%),并一般隨著循環(huán)數(shù)的增加而降低。形狀記憶聚合物一般指在施加熱激活信號(hào)時(shí)表現(xiàn)出特性變化的聚 合物材料，該特性例如是彈性模量、形狀、尺寸、形狀定向、或者包括 以上特性中至少之一 的組合。一般而言，SMP是包括至少兩種不同單元的相偏析共聚物，這可以 描述為在SMP內(nèi)限定不同的段，每個(gè)段都對(duì)SMP的整體特性作出不同 的貢獻(xiàn)。如這里所用的，術(shù)語(yǔ)"段"指共聚合以形成SMP的相同或相 似單體或低聚體單元的嵌段、接枝或序列。每個(gè)段可以是晶態(tài)或無(wú)定形態(tài)的，并將分別具有相應(yīng)的熔點(diǎn)或玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度(Tg)。術(shù)語(yǔ)"熱轉(zhuǎn) 變溫度"在此方便地用于根據(jù)該段是無(wú)定形態(tài)段還是晶態(tài)段而一般地指 Tg或熔點(diǎn)。對(duì)于包括n段的SMP,認(rèn)為該SMP具有1個(gè)硬段和(n-l ) 個(gè)軟段，其中該硬段的熱轉(zhuǎn)變溫度比任一軟段更高。于是，SMP具有n 個(gè)熱轉(zhuǎn)變溫度。硬段的熱轉(zhuǎn)變溫度稱(chēng)為"最后轉(zhuǎn)變溫度"，并且所謂"最 軟"段的最低熱轉(zhuǎn)變溫度稱(chēng)為"第一轉(zhuǎn)變溫度"。重要的是注意到如果 SMP具有特征在于相同熱轉(zhuǎn)變溫度(其也是最后轉(zhuǎn)變溫度)的多個(gè)段， 則認(rèn)為該SMP具有多個(gè)硬段。當(dāng)SMP加熱到高于最后轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，SMP材料可以形成一定形狀。 可以通過(guò)隨后將SMP冷卻到低于該溫度來(lái)設(shè)定或記住SMP的永久形 狀。如這里所用的，術(shù)語(yǔ)"原始形狀"、"之前限定的形狀"和"永久 形狀"是同義的，并可互換地使用。通過(guò)將該材料加熱到高于任一軟段 的熱轉(zhuǎn)變溫度但低于最后轉(zhuǎn)變溫度的溫度，施加外部應(yīng)力或負(fù)載來(lái)使
SMP變形，然后在保持變形的外部應(yīng)力或負(fù)載的同時(shí)冷卻到低于該軟段 的特定熱轉(zhuǎn)變溫度，可以設(shè)定暫時(shí)形狀。通過(guò)在去除應(yīng)力或負(fù)載的情況下將該材料加熱到高于該軟段的特 定熱轉(zhuǎn)變溫度但低于最后轉(zhuǎn)變溫度，可以恢復(fù)永久形狀。于是，應(yīng)該清 楚通過(guò)組合多個(gè)軟段可以得到多個(gè)暫時(shí)形狀，而利用多個(gè)硬段可以得到多個(gè)永久形狀。類(lèi)似地使用分層或復(fù)合方法，多個(gè)SMP的組合將顯示多個(gè)暫時(shí)和永久形狀之間的轉(zhuǎn)變。對(duì)于僅具有2段的SMP,形狀記憶聚合物的暫時(shí)形狀在第一轉(zhuǎn)變溫 度處設(shè)定，接著在負(fù)載下冷卻SMP而鎖定在該暫時(shí)形狀中。只要SMP 保持低于第一轉(zhuǎn)變溫度就保持該暫時(shí)形狀。當(dāng)在去除負(fù)載的情況下使 SMP再次高于第一轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，重新得到永久形狀。重復(fù)加熱、成形和 冷卻步驟可以反復(fù)地重新設(shè)定暫時(shí)形狀。大多數(shù)SMP表現(xiàn)出"單程"效應(yīng)，其中SMP表現(xiàn)出一種永久形狀。 在沒(méi)有應(yīng)力或負(fù)載的情況下將形狀記憶聚合物加熱到高于軟段熱轉(zhuǎn)變 溫度時(shí)，實(shí)現(xiàn)永久形狀并且不使用外力該形狀將不會(huì)回復(fù)到暫時(shí)形狀。作為替代， 一些形狀記憶聚合物成分可以制備為表現(xiàn)出"雙程，，效 應(yīng)，其中SMP表現(xiàn)出兩種永久形狀。這些系統(tǒng)包括至少兩種聚合物成 分。例如， 一種成分可以是第一交聯(lián)聚合物，而另一成分是不同的交聯(lián) 聚合物。這些成分通過(guò)層技術(shù)組合或者是互穿網(wǎng)絡(luò)，其中兩種聚合物成 分是交聯(lián)的但并不彼此交聯(lián)。通過(guò)改變溫度，形狀記憶聚合物在第一永 久形狀或第二永久形狀的方向上改變其形狀。每個(gè)永久形狀都屬于SMP 的一種成分。整體形狀的溫度依賴(lài)性由以下事實(shí)產(chǎn)生，即一種成分("成 分A")的機(jī)械特性在感興趣的溫度間隔中幾乎與溫度無(wú)關(guān)。另一成分 ("成分B，，)的機(jī)械特性在感興趣的溫度間隔中依賴(lài)于溫度。在一個(gè) 實(shí)施例中，成分B與成分A相比在低溫下變得更強(qiáng)，而成分A在高溫 下變得更強(qiáng)并確定實(shí)際形狀。雙程記憶裝置可以通過(guò)以下這樣來(lái)制備， 即設(shè)定成分A的永久形狀("第一永久形狀")、使該裝置變形成成分 B的永久形狀("第二永久形狀")、并在施加應(yīng)力的同時(shí)固定成分B 的永久形狀。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到可以將SMP配置成許多不同形式 定溫度。例如f根據(jù)特定應(yīng)用，最后轉(zhuǎn)口變溫度可以是約0X::j約300。C 或更高。形狀恢復(fù)的溫度(即軟段熱轉(zhuǎn)變溫度)可以高于或等于約-30 匸。另一形狀恢復(fù)溫度可以高于或等于約4(TC。另一形狀恢復(fù)溫度可以高于或等于約IO(TC。另一形狀恢復(fù)溫度可以低于或等于約250°C。另 一形狀恢復(fù)溫度可以低于或等于約20(TC。最后，另一形狀恢復(fù)溫度可 以低于或等于約"0。C?？蛇x地，可以選擇SMP來(lái)提供應(yīng)力導(dǎo)致的屈服，這可以直接用于 (即不用將SMP加熱到高于其熱轉(zhuǎn)變溫度來(lái)"軟化"它)使其與給定 表面共形。在一些實(shí)施例中，SMP在此情況下可以承受的最大應(yīng)變可以 與當(dāng)SMP在高于其熱轉(zhuǎn)變溫度下變形時(shí)的情況相當(dāng)。合適的形狀記憶聚合物可以是熱塑性、熱固性、互穿網(wǎng)絡(luò)、半互穿 網(wǎng)絡(luò)或混和網(wǎng)絡(luò)。聚合物可以是單種聚合物或者聚合物的混和。聚合物 可以是直線(xiàn)熱塑彈性體或者具有側(cè)鏈或枝狀結(jié)構(gòu)元件的分枝熱塑彈性 體。形成形狀記憶聚合物的合適聚合物成分包括但不限于聚磷腈、聚乙 烯醇、聚酰胺、聚酰胺酯、聚胺基酸、聚酐、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、 聚亞烷基物、聚丙烯酰胺、聚亞烷基二醇、聚亞烷基氧化物、聚對(duì)苯二 曱酸亞苯基酯、聚原酸酯、聚乙烯醚、聚乙烯酯、聚乙烯卣化物、聚酯、 聚交酯、聚乙交酯、聚硅氧烷、聚亞安酯、聚醚、聚醚聚醚酰胺、聚醚 酯及其共聚物。合適的聚丙烯酸酯的示例包括聚曱基丙烯酸甲酯、聚曱基丙烯酸乙酯、聚曱基丙烯酸丁酯、聚曱基丙烯酸異丁酯、聚曱基丙烯 酸己酯、聚曱基丙烯酸異癸酯、聚曱基丙烯酸十二酯、聚曱基丙烯酸苯 酯、聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸異丙酯、聚丙烯酸異丁酯和聚丙烯酸十 八酯。其它合適聚合物的示例包括聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯苯酚、聚 乙烯吡咯烷酮、聚氯丁烯、聚十八烷基乙烯基醚、乙烯-醋酸乙烯共聚物、 聚乙烯、聚環(huán)氧乙烷-聚對(duì)苯二曱酸乙二醇酯、聚乙烯/尼龍接枝共聚物、 聚已酸內(nèi)酯-聚酰胺(嵌段共聚物)、聚(己內(nèi)酯)二甲基丙烯酸酯 (diniethacrylate )-丙烯酸正丁酯、聚(降冰片基-多面低聚倍半硅氧 烷)、聚氯乙烯、聚氨酯/丁二烯共聚物、聚亞安酯嵌段共聚物、苯乙烯 -馬來(lái)酸酐嵌段共聚物等。用于形成上述SMP中各段的聚合物或者是商 業(yè)上可得到的，或者可以使用普通化學(xué)合成。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易 地不必進(jìn)行不適當(dāng)實(shí)驗(yàn)的情況下使用已知化學(xué)知識(shí)和處理技術(shù)制備這 些聚合物。形狀記憶材料還可以包括電活性聚合物，其中的兩類(lèi)是電子和離子 EAP(電活性聚合物)，其示例包括離子聚合物金屬?gòu)?fù)合物、導(dǎo)電聚合 物、壓電材料等。電活性聚合物包括響應(yīng)于電或機(jī)械場(chǎng)而表現(xiàn)出壓電、熱電或電致伸 縮特性的聚合物材料。這些材料通常采用使得聚合物膜能夠響應(yīng)于所施加的電場(chǎng)或枳4成應(yīng)力在面內(nèi)方向上擴(kuò)展或收縮的柔性電4及。電致伸縮4妄枝彈性體的一個(gè)示例是壓電聚(1, 1 -二氟乙烯-三氟乙烯)共聚物。 此組合具有產(chǎn)生變化量的鐵電-電致伸縮分子復(fù)合系統(tǒng)的能力。這些可 以用作壓電傳感器或者甚至電致伸縮致動(dòng)器。適合用作電活性聚合物的材料可以包括響應(yīng)于靜電力變形或者其 變形導(dǎo)致電場(chǎng)變化的任何基本絕緣的聚合物或橡膠(或者其組合)。適 合用作預(yù)應(yīng)變聚合物的示例性材料包括硅樹(shù)脂彈性體、丙烯酸彈性體、聚亞安酯、熱塑彈性體、含PVDF的共聚物、壓力敏感粘性劑、含氟彈 性體、含硅樹(shù)脂和丙烯酸半族的聚合物等。含硅樹(shù)脂和丙烯酸半族的聚 合物可以包括例如含硅樹(shù)脂和丙烯酸半族的共聚物、含硅樹(shù)脂彈性體和 丙烯酸彈性體的聚合物混合物。用作電活性聚合物的材料可以基于 一 種或多種材料特性進(jìn)行選 擇，例如高電擊穿強(qiáng)度、低彈性模量(對(duì)于大或小的變形)、高介電常 數(shù)等。在一個(gè)實(shí)施例中，選擇聚合物使得其具有至多約100MPa的彈性 模量。在另一實(shí)施例中，選擇聚合物使得其具有在約0.05MPa到約 10MPa之間的最低致動(dòng)壓力，并優(yōu)選在約0.3MPa到約3MPa之間。在 另 一實(shí)施例中，選擇聚合物使得其具有在約2到約20之間的介電常數(shù)， 并優(yōu)選在約2.5到約12之間。本發(fā)明并不限于這些范圍。理想地，如果 材料具有高介電常數(shù)和高介電強(qiáng)度兩者，則具有比以上給出范圍更高的介電常數(shù)的材料會(huì)是期望的。在許多情況下，電活性聚合物可以制造和 實(shí)現(xiàn)為薄膜。適合于這些薄膜的厚度可以低于50微米。因?yàn)殡娀钚跃酆衔锟梢栽诟邞?yīng)變下偏轉(zhuǎn)，所以附裝到聚合物的電極 也應(yīng)該偏轉(zhuǎn)，而不會(huì)降低機(jī)械或電性能。 一般而言，適合使用的電極可 以是任何形狀和材料的，只要它們能夠向電活性聚合物提供合適的電壓 或者從其接收合適的電壓。該電壓可以是不變的或者隨時(shí)間變化的。在 一個(gè)實(shí)施例中，電極粘附到聚合物的表面。粘附到聚合物的電極優(yōu)選是 柔性的，并與聚合物的變化形狀共形。相應(yīng)地，本發(fā)明可以包括與其所 附裝到的電活性聚合物的形狀共形的柔性電極。電極可以?xún)H僅施加到電
活性聚合物的一部分并根據(jù)其幾何形狀限定活化區(qū)域。適合用于本發(fā)明 的各種電極包括含金屬跡線(xiàn)和電荷分布層的結(jié)構(gòu)化電極、含變化的面外 尺寸的織物電極、諸如碳脂或銀脂之類(lèi)的導(dǎo)電脂、膠狀懸浮物、諸如碳 纖維和碳納米管之類(lèi)的高縱橫比導(dǎo)電材料、以及離子傳導(dǎo)材料的混合物。用于本發(fā)明的電極的材料可以變化。用于電極的合適材料可以包括 石墨、碳黑、膠狀懸浮物、含銀和金的薄金屬、填充銀和填充碳的凝膠 體和聚合物、以及離子或電傳導(dǎo)聚合物。應(yīng)該理解某些電極材料可能與碳纖維^丙烯酸彈性體聚合物工作4$很好，但與硅樹(shù)脂聚合物工作得不 是很好。如這里所用的，術(shù)語(yǔ)"壓電"用于描述當(dāng)施加電壓勢(shì)時(shí)機(jī)械變形或 者相反在機(jī)械變形時(shí)產(chǎn)生電荷的材料。優(yōu)選地，壓電材料布置在柔性金 屬或陶瓷片的條上。這些條可以是單層或雙層的。優(yōu)選地，這些條是雙 層的，因?yàn)殡p層的一般比單層的表現(xiàn)出更大的位移。一種單層結(jié)構(gòu)由在外部接合到柔性金屬薄片或條的單個(gè)壓電元件動(dòng)相反的軸向翹曲或偏轉(zhuǎn)。單層的致動(dòng)器運(yùn)動(dòng)可以是通it收縮或擴(kuò)展。單層可以表現(xiàn)出高達(dá)約10%的應(yīng)變，但一般相對(duì)于單層結(jié)構(gòu)的整體尺寸 只能保持低負(fù)載。與單層壓電裝置相反，雙層裝置包括夾在兩個(gè)壓電元件之間的中間 柔性金屬薄片。雙層表現(xiàn)出比單層更大的位移，因?yàn)樵谒┘与妷合乱粋€(gè)陶覺(jué)元件將收縮而另一個(gè)擴(kuò)展。雙層可以表現(xiàn)出高達(dá)約20%的應(yīng)變，但類(lèi)似于單層一般相對(duì)于單層結(jié)構(gòu)的整體尺寸無(wú)法保持高負(fù)載。合適的壓電材料包括無(wú)機(jī)化合物、有機(jī)化合物和金屬。關(guān)于有機(jī)材 料，在主鏈上或在側(cè)鏈上或者在分子內(nèi)的兩種鏈上具有非中心對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu) 和大偶極矩組的所有聚合物材料都可以用作壓電膜的候選物。合適聚合物的示例例如包括但不限于聚苯磺酸鈉("PSS")、聚S-(聚(乙 烯胺)骨架偶氮發(fā)色團(tuán))及其衍生物；聚碳氟化合物，包括聚偏氟乙 烯("PVDF，，)、其共聚物偏氟乙烯("VDF')、三氟乙烯(TrFE) 及其衍生物；多氯烴，包括聚氯乙烯("PVC")、聚偏二氯乙烯("PVC2") 及其衍生物；聚丙晞腈("PAN")及其衍生物；聚羧酸，包括聚曱基
丙烯酸("PMA")及其衍生物；聚脲及其衍生物；聚亞安酯("PUE") 及其衍生物；生物聚合物分子，例如聚-L-乳酸及其衍生物、和膜蛋白質(zhì) 以及磷酸鹽生物分子；聚苯胺及其衍生物，以及四胺的所有衍生物；聚 酰亞胺，包括Kapton分子和聚醚酰亞胺("PEI")及其衍生物；所有 的膜聚合物；聚乙烯基吡咯烷酮("PVP，，)均聚物及其衍生物，以及 隨機(jī)PVP與乙酸乙烯("PVAc")共聚物；以及在主鏈或側(cè)鏈中或者 在主鏈和側(cè)鏈兩者中具有偶極矩組的所有芳族聚合物及其混合物。另外，壓電材料可以包括Pt、 Pd、 Ni、 Ti、 Cr、 Fe、 Ag、 Au、 Cu 及其金屬合金和混合物。這些壓電材料還可以包括例如金屬氧化物， 如Si02、 A1203、 Zr02、 Ti02、 SrTi03、 PbTi03、 BaTi03、 Fe03、 Fe3〇4、 ZnO及其混合物；以及VIA和IIB族化合物，如CdSe、 CdS、 GaAs、 AgCaSe2、 ZnSe、 GaP、 InP、 ZnS及其混合物。合適的MR彈性體材料包括但不限于含鐵磁或順磁顆粒的懸浮物的 彈性聚合物基體，其中顆粒如上所述。合適的聚合物基體包括但不限于 聚a-烯烴、天然橡膠、硅樹(shù)脂、聚丁二烯、聚乙烯、聚異戊二烯等。合適的形狀記憶材料還可以包括磁流變(MR)成分，例如MR彈 性體，其已知為在施加磁場(chǎng)時(shí)流變特性可以快速變化的"智能"材料。 MR彈性體是微米尺寸的磁極化顆粒在熱固彈性聚合物或橡膠中的懸浮 物。彈性體結(jié)構(gòu)的剛性通過(guò)改變所施加磁場(chǎng)的強(qiáng)度來(lái)改變剪切和壓縮/ 張緊模量而實(shí)現(xiàn)。MR彈性體通常在暴露到磁場(chǎng)中少到幾毫秒就形成結(jié) 構(gòu)。將MR彈性體中止暴露到磁場(chǎng)就使該過(guò)程逆向，彈性體恢復(fù)到其較 低模量狀態(tài)。雖然已經(jīng)參照示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將理 解可以進(jìn)行各種變化且可以用等同物替代其元素而不偏離本發(fā)明的范 圍。此外，可以進(jìn)行許多修改以使特定的情況或材料適合于本發(fā)明的教 導(dǎo)而不偏離其基本范圍。因此，本發(fā)明并不限于作為執(zhí)行本發(fā)明的最佳 模式公開(kāi)的特定實(shí)施例，而是本發(fā)明將包括落入所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的 所有實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種可重新配置的工具和/或模具組，包括包括形狀限定表面的陽(yáng)模；包括形狀限定表面的陰模；和形成所述陽(yáng)模和陰模的形狀限定表面中所選之一或兩者的至少一部分的形狀記憶材料，其中所述形狀記憶材料響應(yīng)于激活信號(hào)選擇性地改變所述形狀限定表面中所選之一或兩者的幾何形狀。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可重新配置的工具和/或模具組，其中所 述形狀記憶材料包括形狀記憶聚合物、形狀記憶合金、電活性聚合物、 纟失》茲形狀記憶合金、》茲形狀記憶合金、電流變流體、》茲流變流體、介電 彈性體、離子聚合物金屬?gòu)?fù)合物、壓電聚合物、壓電陶瓷、以及包括以 上形狀記憶材料中至少之一 的組合。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可重新配置的工具和/或模具組，其中所 述陽(yáng)模由形狀記憶材料形成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可重新配置的工具和/或模具組，其中所 述陰模由形狀記憶材料形成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可重新配置的工具和/或模具組，其中所 述激活信號(hào)包括磁信號(hào)、熱信號(hào)、電信號(hào)、應(yīng)力信號(hào)、以及包括以上激 活信號(hào)中至少之一的組合。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可重新配置的工具和/或模具組，其中選 擇所述形狀記憶材料以表現(xiàn)出單程形狀記憶效應(yīng)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可重新配置的工具和/或模具組，其中選 才奪所述形狀記憶材料以表現(xiàn)出雙程形狀記憶效應(yīng)。
8. —種用于工具和/或模具組的嵌入件，包括具有形狀限定第 一表面的形狀記憶材料，所述形狀限定第 一表面適 于響應(yīng)于激活信號(hào)改變到形狀限定第二表面，其中所述第一和第二表面 具有不同的幾何形狀。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的嵌入件，其中選擇所述形狀記憶材料以 表現(xiàn)出單程形狀記憶效應(yīng)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的嵌入件，其中選擇所述形狀記憶材料以 表3見(jiàn)出雙程形狀i己憶效應(yīng)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的嵌入件，其中所述形狀記憶材料包括形 狀記憶聚合物、形狀記憶合金、電活性聚合物、鐵磁形狀記憶合金、磁 形狀記憶合金、電流變流體、磁流變流體、介電彈性體、離子聚合物金 屬?gòu)?fù)合物、壓電聚合物、壓電陶瓷、以及包括以上形狀記憶材料中至少 之一的組合。
12. —種方法，用于使用可重新配置的工具和/或模具組形成具有限 定幾何形狀的第 一零件和具有不同于第 一零件限定幾何形狀的限定幾何形狀的第二零件，所述方法包括用所述可重新配置的工具和/或模具組形成所述第一零件，其中所述 可重新配置的工具和/或模具組包括形狀限定表面，所述形狀限定表面包 括由形狀記憶材料形成的至少一部分，其中用所述可重新配置的工具和 /或模具組形成所述第 一零件的步驟產(chǎn)生具有限定幾何形狀的所述第一 零件；激活所述形狀記憶材料以改變所述形狀限定表面；以及 用所述改變的形狀限定表面形成所述第二零件以產(chǎn)生具有限定幾何形狀的所述第二零件，其中所述第二零件限定幾何形狀與所述第一零件限定幾何形狀不同。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中激活所述形狀記憶材料的 步驟包括傳輸激活信號(hào)，所述激活信號(hào)包括磁信號(hào)、熱信號(hào)、電信號(hào)、 應(yīng)力信號(hào)、以及包括以上激活信號(hào)中至少之一的組合。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中包括由所述形狀記憶材料 形成的至少 一部分的所述形狀限定表面是嵌入件。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述形狀記憶材料包括形 狀記憶聚合物、形狀記憶合金、電活性聚合物、鐵磁形狀記憶合金、磁 形狀記憶合金、電流變流體、磁流變流體、介電彈性體、離子聚合物金 屬?gòu)?fù)合物、壓電聚合物、壓電陶瓷、以及包括以上形狀記憶材料中至少 之一的組合。
16. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中選擇所述形狀記憶材料以表現(xiàn)出單程形狀記憶效應(yīng)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中選擇所述形狀記憶材料以 表現(xiàn)出雙程形狀記憶效應(yīng)。
18. —種方法，用于使用工具和/或模具組形成具有限定幾何形狀的 第 一零件和具有不同于第 一零件限定幾何形狀的限定幾何形狀的第二 零件，所述方法包括將嵌入件嵌入工具和/或模具組中，其中所述嵌入件包括具有至少一 個(gè)形狀限定第 一表面的形狀記憶材料，所述形狀限定第 一表面適于響應(yīng) 于激活信號(hào)改變到形狀限定第二表面，其中所述第一和第二形狀限定表 面具有不同的幾何形狀；使坯料與所述嵌入件和所述工具和/或模具組接觸以形成具有限定 幾何形狀的所述第 一零件；激活所述形狀記憶材料以使所述形狀限定第 一表面改變成形狀限 定第二表面；以及使另一坯料或所述第一零件與所述嵌入件的形狀限定第二表面和 所述工具和/或模具組接觸以形成具有限定幾何形狀的所述第二零件，其 中所述第二零件限定幾何形狀與所述第 一零件限定幾何形狀不同。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中選擇所述形狀記憶材料以 表現(xiàn)出單程形狀記憶效應(yīng)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中選擇所述形狀記憶材料以 表現(xiàn)出雙程形狀記憶效應(yīng)。
21. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述形狀記憶材料包括形 狀記憶聚合物、形狀記憶合金、電活性聚合物、鐵磁形狀記憶合金、磁 形狀記憶合金、電流變流體、磁流變流體、介電彈性體、離子聚合物金 屬?gòu)?fù)合物、壓電聚合物、壓電陶瓷、以及包括以上形狀記憶材料中至少 之一的組合。
22. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，還包括在去活之后重新沖壓所 述形狀記憶材料以將所述嵌入件恢復(fù)到所述至少一個(gè)形狀限定第一表面。
23. —種用于保持工具的夾具，所述夾具包括 可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接到扭簧的殼體，所述扭簧包括形狀記憶材料，所述形狀記憶材料響應(yīng)于激活信號(hào)而改變所述形狀記憶材料的至少一個(gè)屬 性，其中所述至少一個(gè)屬性的改變使所述殼體繞中心軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)；以及 從所述殼體伸出的臂。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的夾具，其中所述臂包括用于平移的直 線(xiàn)運(yùn)動(dòng)裝置，所述直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)裝置包括形狀記憶材料，其中所述至少一個(gè) 屬性的改變使所述臂平移。
全文摘要
一種可重新配置的工具和/或模具幾何形狀和使用方法一般包括用形狀記憶材料形成形狀限定表面的至少一部分。響應(yīng)于激活信號(hào)，形狀記憶材料改變形狀限定表面的幾何形狀，以提供用同一工具和/或模具形成具有不同幾何形狀的零件的方式。在一個(gè)替代實(shí)施例中，可以使用用于工具和/或模具的嵌入件，其中該嵌入件的形狀限定表面的至少一部分由形狀記憶材料形成。還公開(kāi)了使用可重新配置的工具和/或模具以及可重新配置的嵌入件與標(biāo)準(zhǔn)工具和/或模具，形成具有限定幾何形狀的第一零件和具有不同于第一零件限定幾何形狀的限定幾何形狀的第二零件的方法。
文檔編號(hào)B21D9/15GK101128281SQ200580048581
公開(kāi)日2008年2月20日 申請(qǐng)日期2005年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月23日
發(fā)明者A·L·布勞恩, N·L·約翰遜, V·R·布拉瓦拉 申請(qǐng)人:通用汽車(chē)公司