CN100564006C - 搅拌成形装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用来将工件成形为期望的非平面结构的装置和方法。具有肩部和销的至少一个摩擦搅拌成形工具被用来驱使工件成形为期望的结构并且摩擦搅拌形成该工件。成形工具能够驱使工件抵靠在模具的轮廓表面或肩部上，该肩部与工具的结构部件相对。因而，该成形工具使工件的一部分塑化并使工件成形为期望的结构。另外，通过摩擦搅拌加工来改善工件的材料特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种结构部件的成形，更具体地说，涉及一种结合了摩擦搅拌加工的结构部件的成形。
背景技术
将结构部件成形为期望的形状可以通过锻造、冲压、弯曲、切削和类似加工来完成。例如，包括诸如钢、铝、钛或这些金属合金的金属平面板材的预成形件或毛坯能在锻造中被加热并被锤打成所期望的构件形状。另外，可以使用机械或液压压力机在限定成形面的两相对模具之间将结构部件冲压或锻造成期望的形状，其中该成形面对应于所期望的构件轮廓。和将熔融材料浇注成期望的形状相比，这种成形方法一般要更快且更低廉，并且可以使结构部件具有诸如曲线、棱角等复杂形状。但是，根据预成形件的特殊材料，由于诸如形成尖角或其他显著变形的过量成形将会产生裂缝和弱化部分。因此，特殊复杂结构部件的成形可能需要形成多个基本元件，然后通过焊接或其他连接方法将这些元件连接在一起。另外，需要进行后序的材料加工，诸如固溶热处理、时效处理和淬火这样的热处理，从而在成形部件中获得期望的特性。这些附加操作增加了结构部件的制造时间和制造成本。
在将结构部件成形为期望形状之前也需要处理这些结构部件。例如，根据提出的一个方法，预成形件被支承在一平台结构上，摩擦搅拌焊接工具插入预成形件中并旋转以使预成形件的材料塑化。摩擦搅拌焊接工具然后连续地在预成形件的表面上移动以对预成形件部分进行摩擦搅拌加工。然后诸如通过锻造、冲压、弯曲或类似加工将预成形件成形为所期望的构件形状。这种摩擦搅拌加工细化了预成形件的粒状结构，改善了结构部件的材料特性。但是，这种加工也是耗时并且增加了结构部件的成本。
因而，对于成形结构部件来说需要一种经改进的装置和加工方法。这种加工方法能形成结构部件的各种结构，包括那些复杂的几何结构。另外，这些加工能使结构部件具有所期望的材料特性。
发明内容
本发明提供一种至少使用一个摩擦搅拌成形工具用于将工件成形为所期望的、非平面结构的装置和方法。该成形工具使工件的一部分塑化并促使工件成形为期望的结构，从而细化了工件的粒状结构。因而，工件能被成形为任何期望的结构，包括复杂的形状。另外，工件的材料特性可以被改善。
根据本发明的一个实施例，该装置包括限定轮廓表面的模具，该轮廓表面诸如是对应于工件期望结构的圆屋顶形状。该模具也具有细节特征，该特征对应于形成在工件上的特征。包括肩部和从肩部延伸的可转动销的摩擦搅拌成形工具被构造成朝向模具的轮廓表面驱动肩部和销。因而，肩部驱使工件抵靠着模具并使工件具有期望的结构，该销至少部分地穿入工件中并旋转以形成摩擦搅拌成形区域，该区域由细化的粒状结构所限定。该装置还包括致动器，其用来沿对应于模具的轮廓表面的预定路径调节摩擦搅拌成形工具，即至少在两个线性方向上以及至少两个旋转轴上。该模具也能相对于成形工具旋转。优选地，该致动器被构造成沿模具所限定的圆顶调节工具。优选地，该销大约是工件厚度的一半。
根据本发明的另一实施例，该装置包括具有相对结构的第一和第二摩擦搅拌成形工具，从而肩部大致地朝内伸以在两工具之间容纳工件。一个或多个致动器在朝工件的相对侧的向内方向调节成形工具，从而使销至少部分地穿入工件。该销旋转以在工件中形成摩擦搅拌成形区域，并且致动器沿着预定路径调节摩擦搅拌成形工具以使肩部驱使工件成形为期望的结构，其中该预定路径对应于工件期望的、非平面结构。优选地，该销从第一肩部向第二肩部延伸。优选地，成形工具具有第一和第二销，第一销从第一肩部延伸，第二销从第二肩部延伸。优选地，至少一个致动器被构造成在至少两线性方向上和环绕至少两旋转轴来调节摩擦搅拌成形工具。优选地，第一和第二摩擦搅拌成形机器的肩部被构造成大致平行的结构。
本发明也提供了一种成形工件的方法。工件至少部分地抵靠在模具上，驱使成形工具的肩部抵靠在该工件上。销至少部分地穿入工件，并且工件抵靠着轮廓表面被弯曲。该工具的销在工件中旋转以使工件的一部分塑化，从而形成具有细化粒状结构的摩擦搅拌成形区域。在对应于模具轮廓表面的预定路径上调节工具从而使肩部驱使工件成形为具有期望的、非平面的结构。工件的整个表面可以被塑化，从而在表面上细化工件的粒状结构。进一步，设置两个或多个结构部件并将它们连接起来形成工件。优选地，提供由钢、铝、钛和这些金属的合金材料中的至少一种所形成的工件。优选地，所述的提供步骤包括：提供具有圆屋顶形状表面的模具，以及所述调节步骤包括沿圆屋顶形状轮廓表面移动工具。优选地，所述促使该成形工具肩部靠在工件上的步骤包括：驱动销穿入工件的大约一半厚度。优选地，所述的提供步骤包括：在模具的轮廓表面上至少形成一个细节特征，从而使相应的细节特征形成在工件上。优选地，在所述的调节步骤中旋转工件。
根据本发明另一实施例的方法包括通过第一和第二摩擦搅拌成形工具成形工件，其中该第一和第二摩擦搅拌成形工具被构造成具有相对的结构，从而肩部朝向支承在两工具之间的工件向内。驱动第一和第二工具的肩部抵靠在工件的相应侧面，第一和第二工具的销至少部分穿透相应侧面。销被旋转以使工件的相对部分塑化，从而在工件中形成相对的摩擦搅拌成形区域，该区域具有细化的粒状结构。在相应的预定路径中也对工具进行调整从而使肩部驱动工件，使之成形为具有期望的、非平面结构。优选地，将第一和第二工具中的销插入工件的大约一半厚度中，从而使形成在工件第一侧的摩擦搅拌成形区域向形成在工件第二侧的摩擦搅拌成形区域延伸。优选地，提供第一和第二肩部，该两肩部通过在两者之间延伸的销来连接。优选地，提供一工件，该工件由钢、铝、钛和这些金属的合金材料中的至少一种所形成。优选地，沿着曲线路径来调节工具，从而使肩部驱使工件成形为曲线结构。优选地，连续地使工件的基本整个第一和第二侧塑化，从而在第一和第二侧上细化工件的粒状结构。优选地，所述的支撑步骤包括：至少提供两个结构部件作为工件，在所述调节步骤期间连接各结构部件。
附图说明
已经总体描述了本发明，现在将参照附图，这些附图不需按比例绘制，附图如下：
图1是示出根据本发明一个实施例用来成形工件的装置的透视图；
图2是示出图1所示装置的剖视图，该图示出部分成形的工件；
图3是示出根据本发明另一实施例用来成形工件的装置的剖视图；
图4是示出根据本发明另一实施例用来成形工件的装置的正视图；
图5是示出图4所示装置的正视图，该图示出部分成形的工件；以及
图6是示出根据本发明另一实施例用来成形工件的装置的正视图。
具体实施方式
现在将参照附图对本发明进行更充分的说明，在这些附图中并没有示出本发明的所有实施例。实际上，本发明可用多种不同的形式实施并且不局限于所述的实施例；更准确地说，提供这些实施例可使这种公开能够满足法定的要求。相同的附图标记指示附图中的相同构件。
现在参照附图，特别是参照图1，图中示出用来将工件100成形为期望结构的装置10。该工件100可由金属形成，诸如钢、铝、钛，或这些金属的合金、聚合体和其它与摩擦搅拌加工处理兼容的其它材料。工件100可被用于各种应用，包括结构板、支架、管、盖和类似构件，但是并不局限于这些构件。例如，形成圆屋顶形状的工件100和管状工件110(图3)并将它们连接起来从而形成封闭或部分封闭的容器。工件100能用作航天宇宙飞行器、航空运载器、航海工具和汽车工业车辆的结构部件，或者用作其它结构部件，例如压力容器、武器和类似构件。
装置10包括模具20，其限定对应于工件100所期望的、非平面结构的轮廓表面22。图1所示的模具20的轮廓表面22是圆屋顶形状，但是，该轮廓表面可以另外限定包括复杂曲线、棱角等其它形状。优选地，轮廓表面22是非平面的，即轮廓表面22限定一个或多个曲线、棱角或其它非平面特征。例如，非平面表面可以由两个或多个以一定角度设置的平面部分构成。也可以通过在平面模具上设置脊、通道或其它特征来形成非平面表面。模具20固定在基座30或框架上，该基座30或框架被构造成旋转或移动模具20。模具20部分地容纳工件100，从而例如使工件100接触轮廓表面22的一部分。螺栓24或其他连接装置用来将工件100固定在模具20的轮廓表面22上。
装置10还包括具有肩部42和销44的摩擦搅拌成形工具40。致动器50被构造成旋转工具40并相对于模具20和工件100调节工具40。因而，致动器50可朝向工件100驱动旋转工具40并使销44至少部分地穿透工件100的第一侧102。致动器50也被构造成沿预定路径调节工具40从而使可转动销44被移动走过工件100。例如，致动器50可与连接件或支撑和/或移动致动器50的框架52连接。特别地，致动器50和/或框架52可以是计算机数字控制(CNC)装置，其是可编程的，传统上用来控制加工头。
当可转动销44被移动走过工件100时，销44摩擦生热并使工件100的区域塑化。被塑化的区域然后冷却并硬化以形成摩擦搅拌成形区域114，该区域114具有细化的粒状结构，如图2所示。因此，由本发明摩擦搅拌加工操作所导致的对工件100材料特性的影响类似或等同于由摩擦搅拌焊接而产生的影响，Thomas等人在美国专利5,460,317中已经公开了这种摩擦搅拌焊接，其全部内容在此引入作为参考。由于摩擦搅拌成形而形成工件100的细化粒状结构，所以工件100的材料特性可以通过诸如增加工件100的强度和抗腐蚀性而得到改善。
摩擦搅拌成形工具40和/或模具20可以被调节，从而移动工具40走过工件100。例如，如图1所示，模具20通过旋转装置32连接于基座30，该旋转装置32被构造成通过手工或致动器(未示出)相对于基座30旋转模具20和工件100。另外，致动器50沿着相对应于模具20的轮廓的弧线来调节摩擦搅拌成形工具40，如图2所示。即，工具40沿弯曲路径移动并环绕垂直于销44纵向的轴旋转，从而使驱动销44移动走过工件100。因而，调节摩擦搅拌成形工具40和模具20，从而使驱动销44走过工件100的整个表面102。例如，当模具20旋转时，从工件100的中心朝向工件100的边缘径向向外地调节摩擦搅拌成形工具40，从而沿螺旋路径调节销44使其走过工件100。
在其他实施例中，摩擦搅拌成形工具40和模具20能以其他方式相对于彼此移动。例如，当移动成形工具40走过工件100的表面102时，模具20保持固定不动，成形工具40绕多个轴旋转从而使肩部42保持基本上平行于模具20的轮廓面22和/或工件100的表面102。在任何情况下，销44都能垂直于肩部42，从而在促使肩部42靠在表面102时，销44保持基本上垂直于工件100的表面，即销44垂直于在与销44共线的一点处相切于轮廓表面22的平面。
销44足够长以至于能伸过工件100的整个厚度。可选择的是，销44的长度可以比工件100的厚度小，例如，其长度大约是工件100厚度的一半。而且，销44相对于肩部42可以被调节，从而使销44能如图2所示那样伸出并能如图1所示那样缩回。因而，工具40能用来加工具有不同厚度的工件100。另外，在工件100的加工期间能调节销44以至于销44能在不同深度处穿透工件100的不同部分。例如，如果工件100的厚度不均匀，当加工工件100的较厚部分时，销44被伸出，当加工工件100的较薄部分时，销44被缩回。在每次加工操作开始期间，销44可从肩部42伸出并进入工件100，和/或在每次加工操作结束时，销44从工件100和肩部42缩回。
当移动销44走过工件100时，驱使肩部42压靠在工件100上并朝向轮廓表面22驱使工件100且使工件100具有期望的结构。因而，工件100开始时是平面结构，并能弯曲或形成其他期望的形状，如图2所示。进一步地，尽管在图2中示出工件100的厚度是均匀的，但是，肩部42能施力于工件100的被加工部分的被塑化材料，从而在工件100中形成不均匀，或形成整体上较薄的均匀工件100。预定通道穿过工件100的整个表面102，从而基本上使整个表面102的粒状结构细化。可选择的是，销44仅穿过工件100的选择部分，例如，在工件100中渐增间隔位置处或具有期望粒状细化的特殊部分处。另外，细节特征26，例如凹槽、脊、孔、旋钮和类似结构可设置在轮廓表面22上，以至于当工件100抵靠模具20成形时，相应的细节特征形成在工件上。图1和2所示的细节特征26是围绕模具20圆周延伸的凹槽，这将使相应的脊形成在工件100中。
本发明的成形装置10a也可以被用来将工件100与另一构件110连接。例如，如图3所示，模具20包括圆屋顶形状的轮廓，其类似于图1所示的轮廓。但是，延长部分28设置在基座30和模具20之间，以至于诸如管的附加构件110可被设置在工件100的附近。支撑构件34支撑管110，从而在工件100被成形为期望的结构时，管110邻近工件100定位，从而使分界面112限定在工件100和管110之间。夹紧构件36也可以被设置用来将管110固定在支撑构件34上。另外，管110和模具20能被旋转装置32支撑并可相对于摩擦搅拌成形工具40旋转。如图3所示，摩擦搅拌成形工具40的销44可在工件100和管110之间的分界面处插入，旋转装置32旋转工件100和管110，从而通过由分界面112限定的圆周路径调节销44。摩擦搅拌成形工具40摩擦生热并在分界面处112使管110和工件100的材料塑化，从而在分界面112处形成摩擦搅拌焊接连接。因而，工件100成形之后，工件100与附加构件110连接，这种连接可以在与成形操作相同的装置10a中进行。
图4和5示出本发明的另一成形装置10b，在该成形装置中，工件100由两相对的摩擦搅拌成形工具40a、40b成形。工具40a、40b中的每一个都类似于上述工具40，包括肩部42a、42b和从肩部延伸的销44a、44b。工具40a、40b与工件100相对设置，以至于肩部42a、42b向内伸向工件100的相对侧102、104。工件100由固定在基座或框架39上的夹紧构件38或其它支承装置固定。例如，夹紧构件38可以是将工件100固定到位的机械夹钳或液压夹钳。连接在连接构件或框架上的致动器50a、50b旋转工具40a、40b并沿预定路径调节工具40a、40b。因此，致动器50a、50b可转动销44a、44b并向内驱动工具40a、40b。销44a、44b至少部分地穿透工件100的相对侧102、104，致动器50a、50b沿预定路径移动工具40a、40b，从而使工件100的区域塑化且工具40a、40b的肩部42a、42b驱使工件成形为期望的结构。例如，致动器50a、50b可沿工件100的长度平移，同时保持肩部42a、42b平行。致动器50a、50b也能绕垂直于销44a、44b的纵轴的轴在图4和图5所示位置之间旋转，从而使工件100成形为弯曲结构。也能通过这种方式，即在两个或多个线性方向上以及环绕两个或多个旋转轴调节摩擦搅拌成形工具40a、40b中的一个或两个来形成复杂的形状，包括三维曲面。在成形结构中，工件100限定摩擦搅拌成形区域114，该区域114由细化的粒状结构所限定。
如图4所示，摩擦搅拌成形工具40a、40b的销44a、44b的长度大约等于或小于工件100厚度的一半，从而在从相对侧将销44a、44b导入工件100中时，销44a、44b相互不接触。也能相对于各自的肩部42a、42b调节每个销44a、44b，从而使销44a、44b能如上所述那样从肩部伸出或缩回。进一步地讲，销44a、44b能在稍微不同的位置处插入工件100中，以使销44a、44b中的其中一个沿预定路径“引导”另一销。在任何情况下，摩擦搅拌成形区域114都能穿透工件100的整个厚度。工具40a、40b能用来使工件100的连续部分塑化直到整个工件100或工件100的选择部分被加工。并且，尽管图4和5仅示出单一工件100，但是可以理解的是，工件100可以由多个构件形成并且摩擦搅拌成形工具40a、40b能通过摩擦搅拌焊接来连接这些构件。
如图6所示，成形装置10c包括两相对的肩部42c、42d，该肩部42c、42d由单一的自反应式摩擦搅拌成形工具40c限定。延伸入工件100中的销44c连接肩部42c、42d，从而朝向工件100的第一侧102导向第一肩部42c，朝工件100的第二侧104导向第二肩部42d。类似于上述致动器50、50a、50b的致动器50c被连接到摩擦搅拌成形工具40c并被构造成调节工具40c走过工件100。在加工操作开始时，销44c能从工件100的一端被引入工件100中，或销44c能与肩部42c、42d中的一个或两个分开，从而使销44c能够通过工件100中的孔设置并与肩部42c、42d装配在一起，如图所示。致动器50c然后沿非平面路径调节工具40c走过工件100，从而可转动销44c使工件100的部分塑化，肩部42c、42d驱使工件100成形为期望的、非平面结构。
通过上述任一加工过程进行摩擦搅拌成形之后，也能在装置10、10a、10b、10c中加工工件100及其附加构件110。例如，加工头(未示出)能将工件100加工成使其具有预定公差，该加工头能替换致动器50、50a、50b、50c上的摩擦搅拌成形工具40、40a、40b、40c或分开设置。进一步地讲，通过根据预定的方案将工件100加热或冷却至一个或多个预定的温度来进行热处理。当工件100被固定在装置10、10a、10b、10c中时可以进行热处理，或者将工件100从装置10、10a、10b、10c中移去并在不同装置中对其进行热处理。
对于本领域技术人员来说能够想到在此阐述的本发明的多种变化和其他实施例，这些实施例和多种变化具有所述说明和相关附图所示的技术效果。例如，尽管在前述实施例中成形工具40、40a、40b、40c中的肩部42、42a、42b、42c、42d驱使工件100，从而使其成形为期望的结构，但可以理解的是，当成形工具40、40a、40b、40c、40d通过摩擦搅拌成形来加工工件100时，工件100至少能够部分地弹性弯曲成期望的形状并以该形状被约束，从而使工件100被释放之后其能保持期望的形状。这种约束能通过使用机械夹钳或液压夹钳或其他限制装置来执行。因此，可以理解的是，本发明并不局限于所述的特殊实施例，修改和其他实施例也包含在下面的权利要求中。尽管在此使用了专用术语，但是仅以概括和描述的目的来使用这些术语，而不是出于限制的目的。
Claims (10)
1、一种使用摩擦搅拌成形工具将工件成形为所期望的非平面结构的方法，其中该成形工具包括肩部和销，该方法包括：
提供具有非平面轮廓表面的模具，该轮廓表面对应于工件的期望结构；
使工件至少部分地支承在模具上；
促使该成形工具的肩部靠在工件上，使销至少部分地穿入工件，从而使工件弯曲靠在轮廓表面上；
至少部分地在所述促使该成形工具肩部靠在工件上的步骤期间，使工具的销在工件中旋转，从而使工件的一部分塑化；以及
至少部分地在所述促使该成形工具肩部靠在工件上的步骤期间，按照相对应于模具的轮廓表面的预定路径调节工具，使肩部驱使工件成形为期望的结构，该工具在工件中形成具有细化粒状结构的摩擦搅拌成形区域。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的调节步骤包括：保持肩部基本上平行于轮廓表面。
3、如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的支撑步骤包括：至少提供两个结构部件作为工件，在所述的调节步骤期间连接这些结构部件。
4、如权利要求1所述的方法，进一步包括：相对于肩部调节销。
5、一种使工件成形为所期望的非平面结构的方法，其中，该工件具有相对的第一侧和第二侧，该方法包括：
提供至少一个摩擦搅拌成形工具，所述的至少一个摩擦搅拌成形工具限定第一肩部和第二肩部，所述肩部以相对结构构成并且向内导向，至少一个销至少部分地延伸在所述肩部之间；
将工件支撑在第一和第二肩部之间，以至于第一肩部朝向工件的第一侧，第二肩部朝向工件的第二侧；
促使第一肩部靠在工件的第一侧，促使第二肩部靠在工件的第二侧；
至少部分地在所述促使肩部靠在工件上的步骤期间，至少使一个销在工件中旋转，以使工件的一部分塑化；以及
至少部分地在所述促使肩部靠在工件上的步骤期间，沿着预定路径调节至少一个工具，从而使肩部促使工件成形为所期望的非平面结构，至少一个销在工件上形成具有细化粒状结构的摩擦搅拌成形区域。
6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述的提供步骤包括提供第一和第二摩擦搅拌成形工具，第一工具限定第一肩部，第二工具限定第二肩部，每一工具限定至少一个从肩部延伸的销。
7、根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述的调节步骤包括：基本上保持肩部平行。
8、根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述的调节步骤包括：相对于肩部轴向调节至少一个销。
9、一种用来将工件成形为期望的非平面结构的装置，该装置包括：
具有轮廓表面的模具，该轮廓表面相对应于工件的期望、非平面结构；
摩擦搅拌成形工具，该成形工具包括肩部和从肩部延伸的可转动销，该工具被构造成朝向模具的轮廓表面驱动肩部和销，从而使肩部抵靠在模具上并使工件成形为期望的结构，该销至少部分地穿透工件并旋转以形成摩擦搅拌成形区域，该区域由细化的粒状结构所限定；以及
用来调节摩擦搅拌成形工具的致动器，该致动器构造成沿预定路径调节工具，肩部使该工件成形为期望的非平面结构，其中预定路径对应于模具的轮廓表面。
10、一种用来将工件成形为期望的非平面结构的装置，该装置包括：
至少一个摩擦搅拌成形工具，具有第一和第二相对的肩部和至少一个至少在肩部之间部分延伸的销，该肩部大致向内伸从而在两者之间容纳工件；
至少一个用来调节摩擦搅拌成形工具的致动器，该致动器被构造成以向内方向调节肩部，从而驱使肩部抵靠工件的相对侧并且旋转，销至少部分地穿入工件以形成摩擦搅拌成形区域，该区域由细化的粒状结构限定，
其中，该致动器被构造成沿预定路径调节摩擦搅拌成形工具，从而使肩部驱使工件成形为期望的非平面结构，其中该预定路径对应于工件期望的非平面结构。
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