CN102501074B - 一种切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备及切削-搅拌摩擦焊接联合加工制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备及其制造方法，该切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备集铣削系统或切削系统、搅拌摩擦焊接系统、强制冷却系统、气体保护系统、温度传感系统、压力感应系统、铣削液供应系统、无传感系统于一体，是一种铣削或切削加工和搅拌摩擦焊接加工同时并行开展的联合或者复合加工装置及其方法，具有温度控制、气体保护、压力检测、冷却液保护、铣削头可更换、双轴肩自支撑功能；本发明减少了制造工序，节约了加工成本，突破了常规机械加工技术的局限性，形成了机械制造加工的新方法和新思路，在采暖、空调、制冰、保鲜、制药、建筑、水产、食品行业具有广阔的工程应用。

Description

一种切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备及切削-搅拌摩擦焊接联合加工制造方法

技术领域

本发明涉及机械制造零件加工技术领域，特别是一种切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备及切削-搅拌摩擦焊接联合加工制造方法。

背景技术

目前，带有内部封闭空腔体结构件的制造，传统制造方法主要有采用型材焊接，板材焊接胀形加工、或者整块工件切削加工后然后再盖板封闭等方法。这些传统的加工方法工序多，制造周期长，制造成本高，而且工件容易变形，结构件强度受到影响。

1991年英国焊接研究所（TWI）的W.M.Thomas发明了搅拌摩擦焊技术，这种来源于机械冷加工制造工艺、基于固相连接的新型焊接技术具有明显的优越性。搅拌摩擦焊是一种新型的固相焊接方法，搅拌摩擦焊时不会产生与金属熔化有关的焊接缺陷。由于搅拌摩擦焊温度相对较低，焊接热输入较小，焊接后结构的残余应力或变形较小。同时，搅拌摩擦焊是一种绿色焊接方法，焊接前及焊接过程中对环境的污染小。

因此，采用搅拌摩擦焊来加工成型工件可以减小焊接热输入、减小了焊接残余应力，控制结构件的焊接变形，并且搅拌摩擦焊接效益高，不需要其他填充焊料，对环境污染小，经济效益较高。近年来，搅拌摩擦焊接技术与其它加工技术相结合，产生了许多复合加工制造新技术和新工艺，在机械制造领域具有巨大的应用前景。

但是，对于具有内部封闭空腔结构的零部件来说，如冷凝板，除了分体式加工方法外，传统的搅拌摩擦焊接依然缺乏有效的加工办法，因此，能否采用整块材料，通过将焊接技术与切削技术相互融合，进行联合加工制造从而整体一次近净成型出具有内部封闭空腔结构的零部件具有重要的意义，对于传统的机械制造方法来说，这种加工技术也是一个对机械制造领域具有里程碑式的创新，促进机械制造技术发展与进步，形成具有低成本、少工序、短周期的创新的机械制造技术，为世界范围内经济的可持续发展提供有力的支持，并确信这种联合加工新技术和机械制造新理论的出现，必将成为二十一世纪世界范围内最为重要与广泛应用的焊接与制造技术之一。

发明内容

针对传统机械制造技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种高效、低成本、高稳定性、优质的切削技术及其原理与搅拌摩擦焊接技术及其原理相互融合的创新型的机械制造技术及其加工原理。对于具有内部封闭空腔结构的零部件来说，如冷凝板，采用整块材料通过将焊接技术与切削技术相互融合，进行切削-搅拌摩擦焊接联合加工制造新技术，从而整体一次近净成型出具有内部封闭空腔结构的零部件，应用于制冰储能领域具有重要的工程应用价值和科学研究意义。这种新型的机械制造加工方法，突破了增量式机械制造原理和减除式机械制造原理的束缚，而是将二者紧密的结合起来，形成一种有机的新型切削-焊接加工新原理、方法和技术。在机械制造领域，相对于传统的机械制造技术来说，这种切削-焊接联合加工技术是一个具有里程碑式的创新技术，必将推动现代机械制造技术的大力发展与进步，在冷加工和固相焊接领域开拓了新的制造技术，具有广阔的应用前景。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备，包括搅拌头本体，轴肩，位于搅拌头本体下部的搅拌针，搅拌头本体与机床本体的夹持部分连接，在搅拌针的下部具有自支撑、自适应、自稳定的切削系统，构成了切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备，该设备具有搅拌摩擦焊接系统、切削系统、强制冷却系统、气体保护系统、参数传感与监控系统、密封系统，切削系统能够加工出工件内槽，是一种切削加工和搅拌摩擦焊接加工同时并行开展工作的联合或者复合加工设备，具有温度和压力检测与控制、气体保护、冷却液保护、切削刀头可更换、自支撑双轴肩式搅拌摩擦焊接的功能，对工件实行切削-搅拌摩擦焊接联合加工过程，能够满足有色金属材料、碳钢材料、不锈钢、低合金高强钢材料、复合材料机械加工的要求，将多工序、多工位加工转变成一次加工成型的制造技术和工艺，减少了制造周期和成本，具有高效、优质、高稳定、节能的技术特点，突破了常规机械加工技术的局限性，形成了切削-搅拌摩擦焊接复式机械制造加工的新方法，在采暖、空调、制冰、保鲜、制药、建筑、水产、食品行业具有广阔的工程应用。

本发明提供的切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备，所述切削系统，包括设置于搅拌头本体上、在搅拌针下部的切削刀头，切削刀刃，切削液通道，切削刀头与搅拌头本体的连接体；切削刀头由圆柱形铣刀头，或T型槽铣刀头，或燕尾槽铣刀头，或三面刃铣刀头，或角度铣刀头，或键槽铣刀头，或锯片铣刀头，或成形铣刀头构成；切削刀头采用可换刀头的切削头，或采用固定刀头的切削头，或采用一个自支撑、可浮动、自适应的切削头；切削刀头具有切削作用，以及具有作为双轴肩中的底部轴肩支撑搅拌摩擦焊接的双重功能；切削刀头与搅拌头本体采用固定连接方式或者活动连接方式进行装配，切削刀头与搅拌头本体采用活动连接方式时，切削刀头通过螺纹或花键方式的连接体与搅拌头本体连接；切削刀刃为固定一体式，或者分体式，其分体式切削刀刃通过螺丝紧固方式、或者焊接方式、或者机械镶嵌方式将切削刀刃与切削刀头进行连接；切削刀头位于搅拌针的下部、与搅拌头本体成为一个整体，与搅拌头本体、搅拌针一起以相同的速度旋转；切削刀头内部具有切削液通道，使冷却液能够到达切削部位，确保切削、脱屑、冷却过程状态良好，对工件的切削工作正常运行。

本发明的切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备，所述搅拌摩擦焊接系统，包括搅拌头本体、轴肩、搅拌针、以及搅拌针下部与切削刀头连接的部分；搅拌针呈圆柱形，或者呈圆锥形；搅拌针表面是光滑表面，或者是具有螺纹造型，或者是具有刃齿造型；轴肩直径、搅拌针直径、切削刀头直径、以及连接体的直径相互匹配，保证切削系统和搅拌摩擦焊接系统具有足够的强度和刚性，并能够对工件完成切削-搅拌摩擦焊接过程；所述强制冷却系统，包括设置于搅拌头本体内部的一个中空结构的腔体，一根出水和入水复合管，切削液通道；所述复合管用于将切削液引入和导出腔体，并将切削液通过切削液通道到达切削刀头部分，用于对工件的切削加工，多余的切削液通过腔体循环流动回来，并且能够对搅拌头起到冷凝作用，控制搅拌头的温度，避免在摩擦搅拌焊接过程中搅拌头温度过高或升温太快而损害搅拌头的使用寿命和加工能力；复合管是外管与内管原位隔离组合集成，内管的出水口相比外管进水口其孔径要小，并且内管的进水口位于搅拌头本体腔体的上部，而复合管的出水通道开口在搅拌头本体腔体的下部，穿过搅拌针，接近切削刀头的末端位置，实现对搅拌头本体及焊缝的温度控制，以及为切削刀头输送切削液；所述气体保护系统，设置于搅拌头本体的轴肩的端面和侧面处，主要由搅拌头本体内的气体空腔和保护气体通道构成，内部设置有气筛，使保护气体形成层流，用于在焊接区域形成有效的气体保护，保护摩擦焊接区和热影响区高温金属，防止焊缝及热影响区的金属在高温下被氧化；所述参数传感与监控系统，包括埋植于搅拌头轴肩端面处的自耦合热电阻式温度传感器和无源无线电阻式压力传感器，以及无线感应发射器；压力传感器能够检测轴向和径向压力，温度传感器用于检测轴肩及其附近温度的感应传感，温度传感器和压力传感器与搅拌头本体上部的无线感应发射器连接，用无源无线的高温高压传感系统实现对搅拌摩擦焊温度、压力、扭矩参数的检测、记录与监控；所述密封系统，包括在搅拌头本体的腔体、气体腔体与复合管之间设置的动密封构件、转换接头和固定管接头，用于达到既密封液态介质与保护气体的目的，并且使搅拌头本体能自由旋转，而整体导入和导出液态介质与保护气体的固定管接头并不旋转，动密封系统采用唇型密封结构，是一种接触型的相对于复合管主轴旋转的动密封形式，同时具有绝缘、密封和运动三种特性，保障完成有效的切削-搅拌摩擦焊接行为。

本发明提供一种切削-搅拌摩擦焊接联合加工制造方法，使用了具有上述结构形式的切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备，基于切削和搅拌摩擦焊接基本原理，同时并行开展切削-搅拌摩擦焊接复合加工式或者联合加工方式的机械制造方法，其具体过程是：

1）使用夹具将工件进行整体固定，在工件侧面先行加工出一个“凸”形槽，“凸”形槽的上部位于工件上部，并开口于工件上表面，呈半圆形与搅拌针的形状、直径、大小和长度相适应，“凸”形槽的下部位于工件侧面的中下部，其形状和大小与切削刀头相适应，将切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备安装于“凸”形槽中；使切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备的搅拌针位于“凸”形槽的上部，并将切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备的搅拌摩擦焊接轴肩下表面与工件的上表面压紧，在“凸”形槽的上部形成搅拌摩擦焊接加工方式；而切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备的切削刀头位于“凸”形槽的下部，在“凸”形槽的下部形成侧面切削加工方式；

2）根据设计要求，利用切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备，通过搅拌头内部通道，使用水基环保型、对人体无害的切削液，对工件的切削加工部位起到良好的冷却、润滑、清洗、防锈、缓蚀作用，有效避免毛刺的产生，确保工件加工后形成的内部封闭空心腔体的内表面光滑，促进废屑排屑容易，不粘刀；切削-搅拌摩擦焊接复合加工完成后，使用高压气体将切削过程中残留在内部空心腔体内的废屑吹出，清理干净加工后的工件；在搅拌摩擦焊接的焊缝区域，采用保护气体进行保护，并且通过搅拌头中的强制冷却系统，控制搅拌摩擦焊接区和切削区域的温度、应力、应变和热量输入；

3）最后，在工件的另一侧面部位施加一个引出板，将切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备从工件引出，从而完成具有空腔体结构工件的整体近净成型。

本发明提供的切削-搅拌摩擦焊接联合加工制造方法，主轴旋转速度为200～4000r/min，加工速度为10～800mm/min，轴向压力为0.1～50KN，保护气体流量为8～30L/min，工件厚度5～60mm；

搅拌针和切削刀头，采用高速钢材料，或者硬质合金材料，或者陶瓷材料，或者复合材料；

或者，在切削刀头表面，搅拌针表面和轴肩端面，采用Ti纳米改性的MoS2/Ti纳米复合膜，或者采用以纳米TiN改性的Ti(C，N)基金属陶瓷材料，或者使用类石墨/Cr复合镀层Graphit-iCTM，或者使用类金刚石纳米复合膜，对切削刀头，搅拌针和轴肩进行强化处理，以增强切削刀头，搅拌头的关键部位抗磨损、抗氧化、抗高温的能力，大幅度提高切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备的使用寿命；

保护气体为惰性气体：包括氩气、氦气一元气体，以及氩气、氦气相互混合的二元气体；

或者，保护气体为活性气体：包括氮气、二氧化碳、氧气一元气体，以及氮气、二氧化碳、氧气与氩气、氦气惰性气体混合的二元或多元气体，进行区域保护；

采用可换铣刀头的切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备，或采用固定铣刀头的切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备，或采用铣刀头为一个可浮动轴肩的双轴肩自支撑的切削-搅拌搅拌摩擦焊接联合加工设备。

本发明提供的切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备和切削-搅拌摩擦焊接联合加工制造方法，在下述方面的用途：

用于有色金属及其合金材质、黑色金属及其合金材质的切削-搅拌摩擦焊接联合加工制造，包括：碳钢，合金钢，高温合金，不锈钢，铜及其合金，铝及其合金，镁及其合金，钛及其合金；

用于常规搅拌摩擦焊接：包括搅拌摩擦点焊，搅拌摩擦塞焊；

用于载流搅拌摩擦焊接：包括载流搅拌摩擦点焊，载流搅拌摩擦塞焊；

用于点焊、对接、搭接、角接、全位置的多种焊接接头形式；

用于表面改性处理，包括单一材料的单层表面堆敷改性处理，或多层表面堆敷改性处理，或多种材料的单层表面堆敷改性处理、多层表面堆敷改性处理，或梯度材料的多层表面堆敷改性处理；

用于剧烈塑性变形制备超细晶粒或纳米晶粒，包括髙熔点金属材料和低熔点金属材料的超细晶粒或纳米晶粒制备；

用于制冰设备部件的制造，或用于蒸发设备部件的制造，或用于冰蓄能设备部件的制造，或用于空调设备部件的制造；

用于蜂窝流道结构的制造，或蜂窝流道结构件的制造，或桶状结构的制造，或板片状结构的制造；

用于船用制冰领域；或用于超市保鲜；或用于禽类加工；或用于肉类加工；或用于面包饼干糕点加工；或用于乳品生产；或用于冰蓄能；或用于混凝土降温；或用于化工染料；或用于核电站；或用于军事舰艇；或用于酿酒工业；或用于蔬果保鲜；或用于矿井降温。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.一种全新的创造性的切削-搅拌摩擦焊接联合加工方法，以及一种全新的切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备，这种全新的机械制造方法和设备突破了增量式机械制造原理和减除式机械制造原理的相互排斥性与束缚新，将二者紧密的结合起来，形成一种有机融合的新型切削-焊接机械加工制造的新原理、方法和技术，在机械制造领域和材料加工领域，这种切削-焊接同时并行开展的联合加工制造技术是一个具有里程碑式的创新理论、技术与方法，在机械加工原理上是一个巨大的突破，推动了现代机械制造技术的大力发展与科技进步，在工程应用领域具有广阔的应用前景，同时也具有重要的工程应用价值和科学研究价值。

2.采用整体材料代替型材结构或分体式板材加工结构，能够在满足强度技术指标的条件下，减小焊接残余应力、减小焊接变形，提高了结构件的使用寿命，减轻了结构件的自身重量，减少加工制造工序，减小制造成本，能够提高结构件的整体强度和抗变形能力，节约资源、能源和人力。切削-搅拌摩擦焊接联合加工方法及设备是一种近净整体成型特殊结构零部件的机械制造新方法，内部封闭的中空腔体结构的最终形状易于控制，适应性强，能够制造多种横截面形状的中空腔体结构，产品的适应性强，具有显著的制造加工优势。

3.采用切削-搅拌摩擦焊接复合加工制造新方法代替电阻焊、激光焊、T型铣削、盖板连接、型材焊接等方法制造出具有内部中空的特殊结构的结构件，整体近净成型提高了制造加工生产效率，不需要特殊的清理工作，不需要其他填充材料，材料生产加工的适应性好、产品质量高、易于实现自动化生产过程，在生产加工过程中无烟尘、辐射、飞溅、噪音及弧光等有害物质产生，对环境无污染，对操作工人无危害。内部中空结构的表面质量，可以通过铣切削工具进行精确控制，控制方法简单。

4.本发明不仅适用于铝合金材料，而且还适用于其它材料，如镁合金材料、不锈钢材料、钛合金材料等，不仅适用于制造蜂窝流道制冰板，还适用于于蜂窝流道等其它结构的制冰板，以及制冰桶的加工制造；本发明突破了常规机械加工技术的局限性，形成了机械制造加工的新方法和新思路，在采暖、空调、制冰、保鲜、制药、建筑、水产、食品行业具有广阔的工程应用。

5.本发明开拓了固相焊接工程领域新型搅拌摩擦焊接技术，突破了焊接和切削的两个相互矛盾加工思路的限制，实现了高效、优质、低成本机械制造加工方法的有效协调与合理统一，降低了内部具有特殊结构形状零部件的使用与加工制造工艺的苛刻要求，采用切削-搅拌摩擦焊接复合加工制造新理论完善了切削和焊接技术的使用局限，从而在可持续发展、满足循环经济需求的先进机械制造技术工艺与设备的开发与实际利用方面作出了贡献；本发明不仅拓展了焊接工程学的应用范围，而且在切削加工理论与技术领域实现了突破，同时，在表面工程领域中也能得到实际的应用和体现，在机械传动件及机构、机械设备的制造与利用，关键部件修复，先进材料的制备，资源的循环利用，以及绿色循环制造与装备、表面工程等领域具有生命力。本发明实现了高效、低成本、高质量、高稳定性、多适用性、多方式综合易控的切削-焊接新过程。

6.本发明的切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备及其方法集铣削系统或切削系统、搅拌摩擦焊接系统、强制冷却系统、气体保护系统、温度传感系统、压力感应系统、铣削液供应系统、无传感系统于一体，是一种铣削或切削加工和搅拌摩擦焊接加工同时并行开展的联合或者复合加工装置及其方法，具有温度控制、气体保护、压力检测、冷却液保护、铣削头可更换、双轴肩自支撑搅拌摩擦焊接的功能，对工件实行铣削-搅拌摩擦焊接复合加工方法，能够满足有色轻金属材料、碳钢材料、合金钢材料机械加工的强度要求。

总之，本发明通过提供新型的切削-搅拌摩擦焊接工具，并通过切削-搅拌摩擦焊接复合加工方法的使用，提供基于切削和搅拌摩擦焊接技术的先进切削-搅拌摩擦焊接联合加工制造理论，利用切削-搅拌摩擦焊接的综合作用，消除采用常规机械制造技术的一系列难题，克服了内部具有特种结构形状的机械装备关键零部件加工的难题，及其对加工制造工艺和材料的苛刻要求，提高了零部件的质量，延长了产品的使用寿命，实现了低成本、高效、优质切削-搅拌摩擦焊接加工制造过程，拓展了焊接工程学、切削理论和摩擦学的工程应用领域。

附图说明

图1是本发明切削-搅拌摩擦焊接复合加工制造新方法及其设备的示意图；

图中，1.搅拌头本体；2.切削刀头；3.搅拌针；4.轴肩；5.连接体；6.工件；7.空腔；8.切削液通道；9.切削刀刃；10.保护气体通道；11.气体空腔；12.复合管；13.转换接头；14.动密封构件；15.无线感应发射器；16.温度传感器；17.压力传感器；18.夹持部分；19.固定管接头；20.腔体。

具体实施方式

本发明主要包含一种切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备及其方法。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。

一.一种切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备

本发明的切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备是一种集温度检测与控制、参数检测、气体保护等多项重要功能于一体的集成式智能化的切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备。

如图1所示：切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备，包括搅拌头本体1，轴肩4，位于搅拌头本体1下部的搅拌针3，搅拌头本体1与机床本体的夹持部分18连接，其特征在于，在搅拌针3的下部具有自支撑、自适应、自稳定的切削系统，构成了切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备，该设备具有搅拌摩擦焊接系统、切削系统、强制冷却系统、气体保护系统、参数传感与监控系统、密封系统，是一种切削加工和搅拌摩擦焊接加工同时并行开展工作的联合或者复合加工设备，具有温度和压力检测与控制、气体保护、冷却液保护、切削刀头可更换、自支撑双轴肩式搅拌摩擦焊接的功能，对工件6实行铣削或切削-搅拌摩擦焊接联合加工过程，能够满足有色金属材料、碳钢材料、不锈钢、低合金高强钢材料、复合材料机械加工的要求，将多工序、多工位加工转变成一次加工成型的制造技术和工艺，减少了制造周期和成本，具有高效、优质、高稳定、节能的技术特点，突破了常规机械加工技术的局限性，形成了切削-搅拌摩擦焊接复式机械制造加工的新方法，在采暖、空调、制冰、保鲜、制药、建筑、水产、食品行业具有广阔的工程应用。

切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备，所述切削系统，包括设置于搅拌头本体1上、在搅拌针3下部的切削刀头2，切削刀刃9，切削液通道8，切削刀头2与搅拌头本体1的连接体5；切削刀头2由圆柱形铣刀头，或T型槽铣刀头，或燕尾槽铣刀头，或三面刃铣刀头，或角度铣刀头，或键槽铣刀头，或锯片铣刀头，或成形铣刀头构成；切削刀头2采用可换刀头的切削头，或采用固定刀头的切削头，或采用一个自支撑、可浮动、自适应的切削头；切削刀头2具有切削作用，以及具有作为双轴肩中的底部轴肩支撑搅拌摩擦焊接的双重功能；切削刀头2与搅拌头本体1采用固定连接方式或者活动连接方式进行装配，切削刀头2与搅拌头本体1采用活动连接方式时，切削刀头2通过螺纹或花键方式的连接体5与搅拌头本体1连接；切削刀刃9为固定一体式，或者分体式，其分体式切削刀刃9通过螺丝紧固方式、或者焊接方式、或者机械镶嵌方式将切削刀刃9与切削刀头2进行连接；切削刀头2位于搅拌针3的下部、与搅拌头本体1成为一个整体，与搅拌头本体1、搅拌针3一起以相同的速度旋转；切削刀头2内部具有切削液通道8，使冷却液能够到达切削部位，确保切削、脱屑、冷却过程状态良好，对工件6的切削工作正常运行。

切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备，所述搅拌摩擦焊接系统，包括搅拌头本体1、轴肩4、搅拌针3、以及搅拌针下部与切削刀头2连接的部分；搅拌针3呈圆柱形，或者呈圆锥形；搅拌针3表面是光滑表面，或者是具有螺纹造型，或者是具有刃齿造型；轴肩4直径、搅拌针3直径、切削刀头2直径、以及连接体5的直径相互匹配，保证切削系统和搅拌摩擦焊接系统具有足够的强度和刚性，并能够对工件6完成切削-搅拌摩擦焊接过程；所述强制冷却系统，包括设置于搅拌头本体1内部的一个中空结构的腔体20，一根出水和入水复合管12，切削液通道8；所述复合管12用于将切削液引入和导出腔体20，并将切削液通过切削液通道8到达削刀头2部分，用于对工件6的切削加工，多余的切削液通过腔体20循环流动回来，并且能够对搅拌头起到冷凝作用，控制搅拌头的温度，避免在摩擦搅拌焊接过程中搅拌头温度过高或升温太快而损害搅拌头的使用寿命和加工能力；复合管12是外管与内管原位隔离组合集成，内管的出水口相比外管进水口其孔径要小，并且内管的进水口位于搅拌头本体1腔体20的上部，而复合管12的出水通道开口在搅拌头本体1腔体20的下部，穿过搅拌针3，接近削刀头2的末端位置，实现对搅拌头本体1及焊缝的温度控制，以及为切削刀头2输送切削液；所述气体保护系统，设置于搅拌头本体1的轴肩4的端面和侧面处，主要由搅拌头本体1内的气体空腔11和保护气体通道10构成，内部设置有气筛，使保护气体形成层流，用于在焊接区域形成有效的气体保护，保护摩擦焊接区和热影响区高温金属，防止焊缝及热影响区的金属在高温下被氧化；所述参数传感与监控系统，包括埋植于搅拌头轴肩4端面处的自耦合热电阻式温度传感器16和无源无线电阻式压力传感器17，以及无线感应发射器15；压力传感器17能够检测轴向和径向压力，温度传感器16用于检测轴肩4及其附近温度的感应传感，温度传感器16和压力传感器17与搅拌头本体1上部的无线感应发射器15连接，用无源无线的高温高压传感系统实现对搅拌摩擦焊温度、压力、扭矩参数的检测、记录与监控；所述密封系统，包括在搅拌头本体1的腔体20、气体腔体11与复合管12之间设置的动密封构件14、转换接头13和固定管接头19，用于达到既密封液态介质与保护气体的目的，并且使搅拌头本体1能自由旋转，而整体导入和导出液态介质与保护气体的固定管接头19并不旋转，动密封系统采用唇型密封结构，是一种接触型的相对于复合管12主轴旋转的动密封形式，同时具有绝缘、密封和运动三种特性，保障完成有效的切削-搅拌摩擦焊接行为。

二.一种切削-搅拌摩擦焊接联合加工方法

本发明的搅拌摩擦焊接方法是一种基于切削-搅拌摩擦焊接复合焊接新方法，采用本发明切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备实现具有内部中空的特殊结构的结构件整体近净成型。其具体过程如下：

如图1所示，一种切削-搅拌摩擦焊接联合加工制造方法，使用了具有上述结构形式的切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备，基于切削和搅拌摩擦焊接基本原理，同时并行开展切削-搅拌摩擦焊接复合加工式或者联合加工方式的机械制造方法，其具体过程是：

步骤A.使用夹具将工件6进行整体固定，在工件6侧面先行加工出一个“凸”形槽，“凸”形槽的上部位于工件6上部，并开口于工件6上表面，呈半圆形与搅拌针3的形状、直径、大小和长度相适应，“凸”形槽的下部位于工件6侧面的中下部，其形状和大小与切削刀头2相适应，将切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备安装于“凸”形槽中；使切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备的搅拌针3位于“凸”形槽的上部，并将切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备的搅拌摩擦焊接轴肩4下表面与工件6的上表面压紧，在“凸”形槽的上部形成搅拌摩擦焊接加工方式；而切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备的切削刀头2位于“凸”形槽的下部，在“凸”形槽的下部形成侧面切削加工方式；

步骤B.根据设计要求，利用切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备，通过搅拌头内部通道，使用水基环保型、对人体无害的切削液，对工件6的切削加工部位起到良好的冷却、润滑、清洗、防锈、缓蚀作用，有效避免毛刺的产生，确保工件6加工后形成的内部封闭空心腔体7的内表面光滑，促进废屑排屑容易，不粘刀；切削-搅拌摩擦焊接复合加工完成后，使用高压气体将切削过程中残留在内部空心腔体7内的废屑吹出，清理干净加工后的工件6；在搅拌摩擦焊接的焊缝21区域，采用保护气体进行保护，并且通过搅拌头中的强制冷却系统，控制搅拌摩擦焊接区和切削区域的温度、应力、应变和热量输入；

步骤C.最后，工件6的另一侧面部位施加一个引出板，将切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备从工件6引出，从完成具有空心腔体7体结构工件的整体近净成型。

切削-搅拌摩擦焊接联合加工制造方法的工艺参数为：主轴旋转速度为200～4000r/min，加工速度为10～800mm/min，轴向压力为0.1～50KN，保护气体流量为8～30L/min，工件厚度5～60mm；

搅拌针3和切削刀头2，采用高速钢材料，或者硬质合金材料，或者陶瓷材料，或者复合材料；

或者，在切削刀头2表面，搅拌针3表面和轴肩4端面，采用Ti纳米改性的MoS2/Ti纳米复合膜，或者采用以纳米TiN改性的Ti(C，N)基金属陶瓷材料，或者使用类石墨/Cr复合镀层Graphit-iCTM，或者使用类金刚石纳米复合膜，对切削刀头2，搅拌针3和轴肩4进行强化处理，以增强切削刀头，搅拌头的关键部位抗磨损、抗氧化、抗高温的能力，大幅度提高切削-搅拌摩擦焊接联合加工工具的使用寿命；

保护气体为惰性气体：包括氩气、氦气一元气体，以及氩气、氦气相互混合的二元气体；

或者，保护气体为活性气体：包括氮气、二氧化碳、氧气一元气体，以及氮气、二氧化碳、氧气与氩气、氦气惰性气体混合的二元或多元气体，进行区域保护；

采用可换铣刀头的切削-搅拌摩擦焊接复合工具，或采用固定铣刀头的切削-搅拌摩擦焊接复合工具，或采用铣刀头为一个可浮动轴肩的双轴肩自支撑的切削-搅拌搅拌摩擦焊接复合工具。

切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备，以及切削-搅拌摩擦焊接联合加工制造方法，在下述方面的用途：

用于有色金属及合金材质和黑色金属及合金材质的切削-搅拌摩擦焊接联合加工制造，包括：碳钢，合金钢，高温合金，不锈钢，铜及其合金，铝及其合金，镁及其合金，钛及其合金；

用于常规搅拌摩擦焊接：包括搅拌摩擦点焊，搅拌摩擦塞焊；

用于载流搅拌摩擦焊接：包括载流搅拌摩擦点焊，载流搅拌摩擦塞焊；

用于点焊、对接、搭接、角接、全位置的多种焊接接头形式；

用于表面改性处理，包括单一材料的单层表面堆敷改性处理，或多层表面堆敷改性处理，或多种材料的单层表面堆敷改性处理、多层表面堆敷改性处理，或梯度材料的多层表面堆敷改性处理；

用于剧烈塑性变形制备超细晶粒或纳米晶粒，包括髙熔点金属材料和低熔点金属材料的超细晶粒或纳米晶粒制备；

用于制冰板制造，或用于冷凝板制造，或用于蒸发板制造，或用于片冰机部件的制造，或用于板冰机部件的制造，或用于冷凝器部件的制造，或用于蒸发器部件的制造，或用于速冻设备部件的制造，或用于制冰设备部件的制造，或用于蒸发设备部件的制造，或用于冰蓄能设备部件的制造，或用于空调设备部件的制造；

用于蜂窝流道结构的制造，或蜂窝流道结构件的制造，或桶状结构的制造，或板片状结构的制造；

用于船用制冰领域；或用于超市保鲜；或用于禽类加工；或用于肉类加工；或用于面包饼干糕点加工；或用于乳品生产；或用于冰蓄能；或用于混凝土降温；或用于化工染料；或用于核电站；或用于军事舰艇；或用于酿酒工业；或用于蔬果保鲜；或用于矿井降温。

下面简述一下本发明的基本原理和特点：

采用切削-搅拌摩擦焊接联合加工新方法的基本原理是：（1）在普通搅拌摩擦焊的搅拌针末端固定一铣刀（可通过焊接的方法固定，或者将特意保留的搅拌针的一部分作为刀杆，再将铣刀或切削刀具固定在刀杆上），搅拌针与铣刀之间不存在相对运动，从而实现纵向的搅拌摩擦焊和切削加工的同步进行，经过联合加工制造内部封闭具有中空腔体的特殊结构件，能够获得良好的产品质量；（2）通过在搅拌摩擦焊搅拌针的末端固定一铣刀，搅拌针与铣刀之间不存在相对运动，通过正常情况下搅拌头的旋转，带动铣刀的转动，当复合刀具沿着金属侧面加工运动时，旋转着的搅拌针和铣刀同时进入工作状态，搅拌针把完整的金属表面搅拌一次，搅拌针下方的铣刀同时在金属内部铣出一个内槽，通过搅拌头的连续运动，即可实现金属内槽的封闭加工。

采用切削-搅拌摩擦焊接联合加工新方法有如下优点：（1）实现了搅拌摩擦焊和铣削同时加工的复合。搅拌摩擦焊接的最大特点就是实现低熔点金属的固态连接，从而避免了熔化焊接过程中产生的空隙、夹杂、气泡等缺陷，而铣削加工的最大特点就是效率高，散热性好，本发明将二者的优势有机地结合起来，将获得复合加工优势；（2）铣刀先切削金属产生的切削热能软化金属，从而有利于搅拌针焊接表层的金属材料，切削为搅拌摩擦焊接提供部分能量；（3）在切削过程中产生的热量可作为搅拌摩擦焊的热源输入，与摩擦热复合共同作用，对低熔点金属，可提高焊缝成形质量；对高熔点金属，可以解决在焊接区或界面处产热不足与连接困难的问题，降低对搅拌头材料和制造工艺的要求；（4）金属内部封闭具有中空腔体的特殊结构件能够一次加工近净成型，并且中空腔体的形状和分布可根据切削刀外形以及搅拌针的运动轨迹而实现多样化，可实现整体金属材料中曲线孔的加工；（5）切削-搅拌摩擦焊接联合加工方法的效率高、成本低、速度快；传统金属材料中空腔体的加工需采用多道工序才可实现，而采用切削-搅拌摩擦焊复合加工方法可一次成型；本发明对切削-焊接技术在我国航空航天、国防、军事等领域拓展应用具有重要意义。

三.具体实施例：

下述实施例是按照本发明提供的切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备及其方法来实施的，但并不意味着是对本发明保护范围的限制。

例1：船用铝合金蛇形流道制冰板的制造加工。2214铝合金材料，其尺寸为长1.6m、宽1m、厚10mm，采用切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备及其方法进行加工，切削-搅拌搅拌摩擦焊接复合加工工艺：搅拌头和切削刀的旋转速度为1600r/min，焊接速度为80mm/min，采用氩气为保护气体，其流量为180L/min，采用水基环保型铣削液进行铣削加工，采用引出板取出切削-搅拌搅拌摩擦焊接复合加工工具，使铝合金板上不留匙孔，采用高压气体清理中空蛇形流道，完成制冰板中空蛇形流道的整体近净成型。

例2：冰蓄能用铝合金蜂窝流道制冰板的制造加工。7075铝合金材料，其尺寸为长1.9m、宽1.2m、厚16mm，将铝合金厚板通过夹具固定于工作台，使铝合金厚板背面垫实，无空隙存在，使用采用切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备及其方法进行加工；采切削-搅拌搅拌摩擦焊接复合加工工艺：搅拌头和切削刀的旋转速度为1800r/min速度旋转，焊接速度为60mm/min，采用氩气为保护气体，其流量为22L/min，采用水基环保型铣削液进行铣削加工，用引出板取出切削-搅拌搅拌摩擦焊接复合加工工具，使铝合金板上不留匙孔，采用高压气体清理中空蜂窝流道，完成制冰板中空蜂窝流道的整体近净成型。

Claims (6)

1.一种切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备，包括搅拌头本体（1），轴肩（4），位于搅拌头本体（1）下部的搅拌针（3），搅拌头本体（1）与机床本体的夹持部分（18）连接，其特征在于，在搅拌针（3）的下部具有自支撑、自适应、自稳定的切削系统，构成了切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备，该设备具有搅拌摩擦焊接系统、切削系统、强制冷却系统、气体保护系统、参数传感与监控系统、密封系统，切削系统能够加工出工件内槽，是一种切削加工和搅拌摩擦焊接加工同时并行开展工作的联合或者复合加工设备，具有温度和压力检测与控制、气体保护、冷却液保护、切削刀头可更换、自支撑双轴肩式搅拌摩擦焊接的功能，对工件（6）实行切削-搅拌摩擦焊接联合加工过程，能够满足有色金属材料、碳钢材料、不锈钢、低合金高强钢材料、复合材料机械加工的要求，将多工序、多工位加工转变成一次加工成型的制造技术和工艺，减少了制造周期和成本，具有高效、优质、高稳定、节能的技术特点，突破了常规机械加工技术的局限性，形成了切削-搅拌摩擦焊接复式机械制造加工的新方法，在采暖、空调、制冰、保鲜、制药、建筑、水产、食品行业具有广阔的工程应用。

2.根据权利要求1所述的切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备，其特征在于：所述切削系统，包括设置于搅拌头本体（1）上、在搅拌针（3）下部的切削刀头（2），切削刀刃（9），切削液通道（8），切削刀头（2）与搅拌头本体（1）的连接体（5）；切削刀头（2）由圆柱形铣刀头，或T型槽铣刀头，或燕尾槽铣刀头，或三面刃铣刀头，或角度铣刀头，或键槽铣刀头，或锯片铣刀头，或成形铣刀头构成；切削刀头（2）采用可换刀头的切削头，或采用固定刀头的切削头，或采用一个自支撑、可浮动、自适应的切削头；切削刀头（2）具有切削作用，以及具有作为双轴肩中的底部轴肩支撑搅拌摩擦焊接的双重功能；切削刀头（2）与搅拌头本体（1）采用固定连接方式或者活动连接方式进行装配，切削刀头（2）与搅拌头本体（1）采用活动连接方式时，切削刀头（2）通过螺纹或花键方式的连接体（5）与搅拌头本体（1）连接；切削刀刃（9）为固定一体式，或者分体式，其分体式切削刀刃（9）通过螺丝紧固方式、或者焊接方式、或者机械镶嵌方式将切削刀刃（9）与切削刀头（2）进行连接；切削刀头（2）位于搅拌针（3）的下部、与搅拌头本体（1）成为一个整体，与搅拌头本体（1）、搅拌针（3）一起以相同的速度旋转；切削刀头（2）内部具有切削液通道(8)，使冷却液能够到达切削部位，确保切削、脱屑、冷却过程状态良好，对工件（6）的切削工作正常运行。

3.根据权利要求1或2所述的切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备，其特征在于：所述搅拌摩擦焊接系统，包括搅拌头本体（1）、轴肩（4）、搅拌针（3）、以及搅拌针下部与切削刀头（2）连接的部分；搅拌针（3）呈圆柱形，或者呈圆锥形；搅拌针（3）表面是光滑表面，或者是具有螺纹造型，或者是具有刃齿造型；轴肩（4）直径、搅拌针（3）直径、切削刀头（2）直径、以及连接体（5）的直径相互匹配，保证切削系统和搅拌摩擦焊接系统具有足够的强度和刚性，并能够对工件（6）完成切削-搅拌摩擦焊接过程；所述强制冷却系统，包括设置于搅拌头本体（1）内部的一个中空结构的腔体（20），一根出水和入水复合管（12），切削液通道（8）；所述复合管（12）用于将切削液引入和导出腔体（20），并将切削液通过切削液通道（8）到达切削刀头（2）部分，用于对工件（6）的切削加工，多余的切削液通过腔体（20）循环流动回来，并且能够对搅拌头起到冷凝作用，控制搅拌头的温度，避免在摩擦搅拌焊接过程中搅拌头温度过高或升温太快而损害搅拌头的使用寿命和加工能力；复合管（12）是外管与内管原位隔离组合集成，内管的出水口相比外管进水口其孔径要小，并且内管的进水口位于搅拌头本体（1）腔体（20）的上部，而复合管（12）的出水通道开口在搅拌头本体（1）腔体（20）的下部，穿过搅拌针（3），接近切削刀头（2）的末端位置，实现对搅拌头本体（1）及焊缝的温度控制，以及为切削刀头（2）输送切削液；所述气体保护系统，设置于搅拌头本体（1）的轴肩（4）的端面和侧面处，主要由搅拌头本体（1）内的气体空腔（11）和保护气体通道（10）构成，内部设置有气筛，使保护气体形成层流，用于在焊接区域形成有效的气体保护，保护摩擦焊接区和热影响区高温金属，防止焊缝及热影响区的金属在高温下被氧化；所述参数传感与监控系统，包括埋植于搅拌头轴肩（4）端面处的自耦合热电阻式温度传感器（16）和无源无线电阻式压力传感器（17），以及无线感应发射器（15）；压力传感器（17）能够检测轴向和径向压力，温度传感器（16）用于检测轴肩（4）及其附近温度的感应传感，温度传感器（16）和压力传感器（17）与搅拌头本体（1）上部的无线感应发射器（15）连接，用无源无线的高温高压传感系统实现对搅拌摩擦焊温度、压力、扭矩参数的检测、记录与监控；所述密封系统，包括在搅拌头本体（1）的腔体（20）、气体腔体（11）与复合管（12）之间设置的动密封构件（14）、转换接头（13）和固定管接头（19），用于达到既密封液态介质与保护气体的目的，并且使搅拌头本体（1）能自由旋转，而整体导入和导出液态介质与保护气体的固定管接头（19）并不旋转，动密封系统采用唇型密封结构，是一种接触型的相对于复合管（12）主轴旋转的动密封形式，同时具有绝缘、密封和运动三种特性，保障完成有效的切削-搅拌摩擦焊接行为。

4.一种切削-搅拌摩擦焊接联合加工制造方法，其特征在于，使用了权利要求1-3之一所述结构形式的切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备，基于切削和搅拌摩擦焊接基本原理，同时并行开展切削-搅拌摩擦焊接复合加工式或者联合加工方式的机械制造方法，其具体过程是：

A.使用夹具将工件（6）进行整体固定，在工件（6）侧面先行加工出一个“凸”形槽，“凸”形槽的上部位于工件（6）上部，并开口于工件（6）上表面，呈半圆形与搅拌针（3）的形状、直径、大小和长度相适应，“凸”形槽的下部位于工件（6）侧面的中下部，其形状和大小与切削刀头（2）相适应，将切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备安装于“凸”形槽中；使切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备的搅拌针（3）位于“凸”形槽的上部，并将切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备的搅拌摩擦焊接轴肩（4）下表面与工件（6）的上表面压紧，在“凸”形槽的上部形成搅拌摩擦焊接加工方式；而切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备的切削刀头（2）位于“凸”形槽的下部，在“凸”形槽的下部形成侧面切削加工方式；

B.根据设计要求，利用切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备，通过搅拌头内部通道，使用水基环保型、对人体无害的切削液，对工件（6）的切削加工部位起到良好的冷却、润滑、清洗、防锈、缓蚀作用，有效避免毛刺的产生，确保工件（6）加工后形成的内部封闭空心腔体（7）的内表面光滑，促进废屑排屑容易，不粘刀；切削-搅拌摩擦焊接复合加工完成后，使用高压气体将切削过程中残留在内部空心腔体（7）内的废屑吹出，清理干净加工后的工件（6）；在搅拌摩擦焊接的焊缝（21）区域，采用保护气体进行保护，并且通过搅拌头中的强制冷却系统，控制搅拌摩擦焊接区和切削区域的温度、应力、应变和热量输入；

C.最后，工件（6）的另一侧面部位施加一个引出板，将切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备从工件（6）引出，从而完成具有空心腔体（7）体结构工件的整体近净成型。

5.根据权利要求4所述的切削-搅拌摩擦焊接联合加工制造方法，其特征在于：主轴旋转速度为200～4000r/min，加工速度为10～800mm/min，轴向压力为0.1～50KN，保护气体流量为8～30L/min，工件厚度5～60mm；

搅拌针（3）和切削刀头（2），采用高速钢材料，或者硬质合金材料，或者陶瓷材料，或者复合材料；

或者，在切削刀头（2）表面，搅拌针（3）表面和轴肩（4）端面，采用Ti纳米改性的MoS2/Ti纳米复合膜，或者采用以纳米TiN改性的Ti(C，N)基金属陶瓷材料，或者使用类石墨/Cr复合镀层Graphit-iCTM，或者使用类金刚石纳米复合膜，对切削刀头（2），搅拌针（3）和轴肩（4）进行强化处理，以增强切削刀头，搅拌头的关键部位抗磨损、抗氧化、抗高温的能力，大幅度提高切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备的使用寿命；

保护气体为惰性气体：包括氩气、氦气一元气体，以及氩气、氦气相互混合的二元气体；

或者，保护气体为活性气体：包括氮气、二氧化碳、氧气一元气体，以及氮气、二氧化碳、氧气与氩气、氦气惰性气体混合的二元或多元气体，进行区域保护；

采用可换铣刀头的切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备，或采用固定铣刀头的切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备，或采用铣刀头为一个可浮动轴肩的双轴肩自支撑的切削-搅拌搅拌摩擦焊接联合加工设备。

6.根据权利要求1、或2、或3所述的切削-搅拌摩擦焊接联合加工设备，以及将权利要求4、或5所述的切削-搅拌摩擦焊接联合加工制造方法，在下述方面的用途：

用于有色金属及其合金材质、黑色金属及其合金材质的切削-搅拌摩擦焊接联合加工制造，包括：碳钢，合金钢，高温合金，不锈钢，铜及其合金，铝及其合金，镁及其合金，钛及其合金；

用于常规搅拌摩擦焊接：包括搅拌摩擦点焊，搅拌摩擦塞焊；

用于载流搅拌摩擦焊接：包括载流搅拌摩擦点焊，载流搅拌摩擦塞焊；

用于点焊、对接、搭接、角接、全位置的多种焊接接头形式；

用于表面改性处理，包括单一材料的单层表面堆敷改性处理，或多层表面堆敷改性处理，或多种材料的单层表面堆敷改性处理、多层表面堆敷改性处理，或梯度材料的多层表面堆敷改性处理；

用于剧烈塑性变形制备超细晶粒或纳米晶粒，包括髙熔点金属材料和低熔点金属材料的超细晶粒或纳米晶粒制备；

用于制冰设备部件的制造，或用于蒸发设备部件的制造，或用于冰蓄能设备部件的制造，或用于空调设备部件的制造；

用于蜂窝流道结构的制造，或蜂窝流道结构件的制造，或桶状结构的制造，或板片状结构的制造；

用于船用制冰领域；或用于超市保鲜；或用于禽类加工；或用于肉类加工；或用于面包饼干糕点加工；或用于乳品生产；或用于冰蓄能；或用于混凝土降温；或用于化工染料；或用于核电站；或用于军事舰艇；或用于酿酒工业；或用于蔬果保鲜；或用于矿井降温。

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