CN104525613A - 带筋结构的塑流摩擦热成形方法 - Google Patents

带筋结构的塑流摩擦热成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种带筋结构的塑流摩擦热成形方法，所述带筋结构的塑流摩擦热成形方法包括：步骤A：将金属板材放置在带凹槽的模具上面；步骤B：使塑流挤压加工头在金属板材上转动，并使塑流挤压加工头对金属板材施加压力，使金属板材与带凹槽的模具之间产生热摩擦，从而使金属板材经过塑性流动挤压进入模具的凹槽中，从而加工出具有带筋的金属板材；所述塑流挤压加工头包括：夹持柄和连接夹持柄的加工端面，所述夹持柄连接搅拌摩擦焊设备。本发明经过塑性变形和挤压变形，性能好、效率高、成本低。

Description

带筋结构的塑流摩擦热成形方法
技术领域
本发明涉及一种金属部件的加工方法，具体一种带筋结构的塑流摩擦热成形方法。
背景技术
在航天航空、汽车、能源、铁路等领域，为了提高结构的整体强度、刚度，往往需要在板材的表面加工出带筋条的结构，其中筋条结构有单向筋条、十字筋条以及其它形状的筋条结构。现有常用的带筋条结构的制备方法有以下几种：铸造、数控加工、数控加工后的喷丸成形、数控加工后时效成形、化铣成形、增材制造的方法。
铸造的方法是将金属熔炼后浇注入具有一定型腔的型模中，冷却后将其取出，从而可以近净成形出带筋条的金属结构。
数控加工后喷丸成形的方法是将挤压成形、轧制成形后的厚板材，对其表面进行数控加工，去除没有筋条部位的材料，然后按照一定的路径，对带筋条结构的背面、正面进行喷丸成形，从而无模成形出具有复杂形状的带筋结构。
数控加工后时效成形的方法是将挤压成形、轧制成形后的厚板材，对其表面进行数控加工，去除没有筋条部位的材料，然后将加工后的板材放入到时效成形模具上，包覆真空袋，抽真空后放入到热压罐中，升温、升压到一定参数，并保温一段时间，将真空袋取出后去除，带筋结构会发生回弹，并形成具有一定形状的带筋结构。
化铣成形的方法是将挤压成形、轧制成形后的厚板材，对其表面进行覆膜，然后放入化学溶液中进行化铣，去除其中没有筋条的部分，化铣后成形出带筋条的金属结构。
增材制造的方法可以是在挤压成形、轧制成形后的板材上逐层成形出带筋的金属结构，也可以是直接在基板上通过逐层成形出带筋的金属结构。
现有的制造方法在加工成形带筋结构，特别是带十字筋条等具有复杂形状筋条的结构时存在一定的不足。铸造的方法可以成形具有各种复杂形状筋条的结构，但是其成形后的组织主要是铸态组织，其性能受到限制，难于应用于高性能的关键结构件；数控加工后喷丸成形或时效成形的方法均需要首先大量去除板材表面的材料，特别是对于一些筋条较高的结构，其材料利用率很低，甚至低于5％，加工周期长，成本高，而其中时效成形还需要大型的时效成形模具和热压罐；化铣成形的方法一般适用于筋条较低的带筋结构，筋条较高时其效率较低，材料利用率也较低；增材制造的方法虽然可以用于成形具有各种复杂形状的带筋结构，但是其组织一般是快速凝固组织，性能不能满足多功能的需求，同时其效率也较低，特别是在制备大尺寸带筋条结构时，目前尚不能满足工业化生产的需求。
综上所述，现有技术中存在以下问题：在金属部件上加工成形带筋结构的过程中，成形结构的性能差、效率低、成本高。
发明内容
本发明提供一种带筋结构的塑流摩擦热成形方法，以解决在金属部件上加工成形带筋结构的过程中，成形结构的性能差、效率低、成本高的问题。
为此，本发明提出一种带筋结构的塑流摩擦热成形方法，所述带筋结构的塑流摩擦热成形方法包括：
步骤A：将金属板材放置在带凹槽的模具上面；
步骤B：使塑流挤压加工头在金属板材上转动，并使塑流挤压加工头对金属板材施加压力，使金属板材与带凹槽的模具之间产生热摩擦，从而使金属板材经过塑性流动挤压进入模具的凹槽中，从而加工出具有带筋的金属板材；
所述塑流挤压加工头包括：夹持柄和连接夹持柄的加工端面，所述夹持柄连接搅拌摩擦焊设备。
进一步地，所述带筋结构的塑流摩擦热成形方法还包括：步骤C：塑流挤压加工头在金属板材上转动一段时间，加工完一定面积的金属板材后，使塑流挤压加工头平移至为未加工的金属板材处，然后重复步骤B直至所述加工端面的轨迹覆盖所述金属板材的表面。
进一步地，所述塑流挤压加工头转动的轴线与所述金属板材的夹角为大于85度，小于90度。
进一步地，所述塑流挤压加工头的转动速度为1000～2000转/分。
进一步地，所述塑流挤压加工头的平移速度为100～1500毫米/分。
进一步地，所述塑流挤压加工头对金属板材施加法向压力为10～100KN。
进一步地，所述凹槽为交叉的网格状或相互分隔的凹坑。
进一步地，所述加工端面的外缘为圆形，所述加工端面上设有圆滑的塑性流动导向槽。
进一步地，所述塑性流动导向槽的形状为：以所述加工端面的圆心为中心的一个或多个涡状线。
进一步地，所述塑性流动导向槽的形状为：均匀分布在所述加工端面上的三条螺旋线，三条螺旋线相交于所述加工端面的圆心。
本发明使塑流挤压加工头在金属板材上转动，并使塑流挤压加工头对金属板材施加压力，使金属板材与带凹槽的模具之间产生热摩擦，从而使金属板材经过塑性流动挤压进入模具的凹槽中，从而加工出具有带筋的金属板材。在加工过程中，由于塑流挤压加工头对金属板材施加压力，使金属板材与带凹槽的模具之间产生热摩擦，从而达到了塑性流动所需要的加工温度，通过在模具上设置凹槽，能使金属板材经过塑性流动挤压进入模具的凹槽中，由于塑流挤压加工头在金属板材上转动，可以达到较快的加工效率，因此，本发明经过塑性变形和挤压变形，性能好、效率高、成本低。
另外，本发明将塑流挤压加工头连接在搅拌摩擦焊设备上，搅拌摩擦焊设备已经是成熟技术，可以通过计算机控制，不需要人工操作，只需要设定程序，就能够保持连续移动，因而，塑流挤压加工头的移动可控，自动化程度高。
附图说明
图1为本发明的带筋结构的塑流摩擦热成形方法中第一实施例所使用的模具的结构示意图；
图2为本发明的带筋结构的塑流摩擦热成形方法中第一实施例的金属板材放置在模具上的工作原理示意图；
图3为本发明的带筋结构的塑流摩擦热成形方法中第一实施例的塑流挤压加工头转动的工作原理示意图；
图4为本发明的带筋结构的塑流摩擦热成形方法中第一实施例获得的带筋的金属板材；
图5为本发明的带筋结构的塑流摩擦热成形方法中第二实施例所使用的模具的结构示意图；
图6为本发明的带筋结构的塑流摩擦热成形方法中第二实施例的金属板材放置在模具上的工作原理示意图；
图7为本发明的带筋结构的塑流摩擦热成形方法中第二实施例的塑流挤压加工头转动的工作原理示意图；
图8为本发明的带筋结构的塑流摩擦热成形方法中第二实施例获得的带筋的金属板材；
图9为本发明的带筋结构的塑流摩擦热成形方法中所使用的塑流挤压加工头的结构；
图10为本发明的塑流挤压加工头的端面的第一种结构；
图11为本发明的塑流挤压加工头的端面的第二种结构；
图12为本发明的塑流挤压加工头的端面的第三种结构；
图13为本发明的塑流挤压加工头的端面的第四种结构。
附图标号说明：
1模具  2凹槽  3金属板材  4塑流挤压加工头  5凸筋  6夹持柄  7加工端面  71塑性流动导向槽
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明。
如图2所示，本发明的基本原理是将金属板材3(原始板材或被加工工件)放置在塑流挤压加工模具1的上面，如图1所示，在塑流挤压加工模具1上有凹槽2，如图3所示，通过塑流挤压加工头4对金属板材3(原始板材)的上表面进行加工，在塑流挤压加工头对金属板材施加压力的作用下，使得原始板材下表面的材料被挤压进入模具1的凹槽2中，如图4所示，将加工成形后的凸筋5从模具1中取出。为了制造具有各种复杂形状筋条的零件，可以通过改变塑流挤压加工头4的轨迹来实现。
本发明可以用于成形铝合金、钛合金、铜合金、不锈钢等材料的具有单向筋条、十字筋条以及各种复杂形状筋条的带筋结构，具有成形结构的性能好、效率高、成本低，对设备要求低等特点。塑流挤压成形方法可以用于制备各种铝合金、钛合金、高温合金、铜合金、镁合金等结构件。
如图9所示，塑流挤压加工头包括：夹持柄6和连接夹持柄的圆柱体或圆锥台，加工端面7位于圆柱体或圆锥台的端面上，所述夹持柄6连接搅拌摩擦焊设备，搅拌摩擦焊设备类似于铣床，可以通过计算机控制，不需要人工操作，只需要设定程序，就能够保持连续移动，因而，塑流挤压加工头的移动可控，自动化程度高。
进而，加工端面7的外缘为圆形，所述加工端面上设有圆滑的塑性流动导向槽71，以便加强塑流挤压加工头7在金属板材转动并产生热摩擦的过程中，能够通过塑性流动导向槽71对金属板材的塑性流动进行导向，减少塑性流动的阻力。如图10所示，塑性流动导向槽71的形状为：以所述加工端面的圆心为中心的一个涡状线，以便金属材料的发散性流动；如图11所示，塑性流动导向槽71的形状为：以所述加工端面的圆心为中心的两个涡状线，两个涡状线对称设置，以便金属材料的双向发散性流动；如图12所示，塑性流动导向槽71的形状为：均匀分布在所述加工端面上的三个涡状线，三个涡状线的起点相交于加工端面的圆心，以便金属材料的三向发散性流动；如图13所示，塑性流动导向槽71的形状为：均匀分布在所述加工端面上的三条螺旋线，三条螺旋线相交于所述加工端面的圆心，以便金属材料的三向螺旋性流动。
根据塑流挤压加工头的尺寸(加工端面)与被加工工件(金属板材)的尺寸的关系，存在两种加工过程：
1、当塑流挤压加工头的尺寸(加工端面)与被加工工件(金属板材)的尺寸相当时，塑流挤压加工头不需要水平运动，塑流挤压加工头在焊接工具的驱动下旋转(100～1500mm/分钟)并下压金属板材，与金属板材上表面接触并施加10～100KN的力并保持10～30s，以完成充分的塑性变形，而后并塑流挤压加工头向上移动，加工端面离开金属板材上表面，加工结束；也就是，塑流挤压加工头的尺寸和被加工工件相当，或大于被加工工件的尺寸时，塑流挤压加工头不需要水平运动，通过转动即可完成加工，类似于点焊的形式；
2、当塑流挤压加工头的尺寸(加工端面)小于被加工工件(金属板材)的尺时，塑流挤压加工头在金属板材上转动，并使塑流挤压加工头对金属板材施加压力，使金属板材经过塑性流动挤压进入模具的凹槽中，加工完一处金属板材后，塑流挤压加工头继续旋转并保持塑流挤压加工头对工件施加法向压力10～100KN，以100～1500mm/分的速度沿平行于工件表面方向平移运动，直至加工完金属板材的全部表面之后，塑流挤压加工头向上移动，塑流挤压加工头端面离开工件上表面，加工结束。由于塑流挤压加工头的尺寸(加工端面)小于被加工工件(金属板材)的尺时，塑流挤压加工头每次加工的面积有限，因而，需要塑流挤压加工头经过多次平移后才能加工完整个金属板材。
其中，第2种加工过程较第1种加工过程更为复杂，包含的技术方案更为全面，第2种加工过程的具体的实施过程如下：
采用数控加工的方法加工出塑流挤压加工模具1，
采用挤压成形、轧制成形的方法加工出原始板材，
如图1至图4所示，将原始板材放置在塑流挤压加工模具1上，通过塑流挤压加工头，根照所需要加工筋条的位置和形状，按照数控程序设定的轨迹，对原始板材的上表面进行加工，其中塑流挤压加工头4的转动速度为1000～2000转/分，移动速度为100～1500毫米/分，塑流挤压加工头的轴线与被加工工件表面呈85～90°夹角，塑流挤压加工头对工件施加法向压力为10～100KN，
将成形后的凸筋5从模具1中取出，经过表面处理后制备出结构件。
下面描述几种不同凸筋的加工过程：
实施例1为网格式凸筋(网格筋)的塑流挤压加工过程，如图1所示：
1.采用数控加工的方法加工出具有网格状凹槽的模具1，材料为45钢，
2.采用挤压成形、轧制成形的方法加工出原始板材，原始板材的材料为A2024(熔点为600摄氏度)，摩擦生热的温度(原始板材)上表面的温度为400至500摄氏度；
3.将原始板材放置在模具1上，通过塑流挤压加工头，根照所需要加工筋条的位置和形状，在筋条的上方按照筋条的走向直线运动，保证塑流挤压加工头的行走轨迹能够完全覆盖模具1的网格的位置，对原始板材的上表面进行加工(或在原始板材的上表面旋转)，其中塑流挤压加工头4的转动速度为1500转/分，水平移动速度为1000毫米/分，塑流挤压加工头4的轴线与被焊接工件表面呈87°夹角，塑流挤压加工头4斜向下压紧原始板材，塑流挤压加工头对工件施加法向压力为3.5MPa，原始板材的尺寸为10mm×300mm×300mm，加工模具的网格状凹槽的尺寸(深度4mm、宽度10mm)，挤压加工头的面积2.826×10-6m2；加工完金属板材的全部表面之后，将成形后的网格状凸筋5从模具1中取出，经过表面处理后制备出结构件。上述的压力和其他加工参数保证金属材料能够在网格状凹槽中形成塑性流动。
实施例2为凸台式凸筋的塑流挤压加工过程，如图5所示；
1.采用数控加工的方法加工出模具1，模具1中的凹槽2为分隔设置的矩形凹坑，材料为45钢，
2.采用挤压成形、轧制成形的方法加工出原始板材(金属板材)3，金属板材的材料为A2024(熔点为600摄氏度)，摩擦生热的温度(原始板材上表面的温度)为400至500摄氏度；
3.如图6，将原始板材放置在,模具1上，如图7，根照所需要加工凸台的位置，通过塑流挤压加工头4,进行直线运动，保证行走的轨迹覆盖模具1中的凹槽2的位置，对原始板材的上表面进行加工，其中塑流挤压加工头的转动速度为2000转/分，移动速度为800毫米/分，塑流挤压加工头的轴线与被焊接工件表面呈87°夹角，塑流挤压加工头对工件施加法向压力为5MPa，原始板材的尺寸为10mm×200mm×200mm，模具的凹槽2的尺寸深度5mm、长度和宽度都为10mm，挤压加工头的面积5.024×10-6m2；这些加工参数能够形成有机的参数体系，能够加工出的块状的凸筋5；相对于加工网格状凸筋，加工凸块状凸筋所需的塑性流动更难，因而，所需的热摩擦或热能更大，加工凸块状凸筋所需的压力更大，转速更高，平移速度更慢；
4.如图8所示，将成形后的凸块状凸筋5从模具1中取出，经过表面处理后制备出结构件。
与传统的带筋金属结构成形方法相比较，本发明的加工方法具有以下优点：
1.本发明只需要对有筋条的部位进行局部加工，而不需要对板材整体进行加工；
2.本发明是一种塑性加工方法，不需要去除材料，材料利用率高；
3.本发明对原始板材表面进行剧烈的塑性加工，使其改善了加工位置的组织状态，使其更容易进行塑性流动；
4.局部塑性加工不需要大吨位的设备，降低了对设备的要求；
5.可以加工具有各种筋条形状的带筋结构，只需要改变模具表面凹槽的形状既可以实现。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。为本发明的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种带筋结构的塑流摩擦热成形方法，其特征在于，所述带筋结构的塑流摩擦热成形方法包括：
步骤A：将金属板材放置在带凹槽的模具上面；
步骤B：使塑流挤压加工头在金属板材上转动，并使塑流挤压加工头对金属板材施加压力，使金属板材与带凹槽的模具之间产生热摩擦，从而使金属板材经过塑性流动挤压进入模具的凹槽中，从而加工出具有带筋的金属板材；
所述塑流挤压加工头包括：夹持柄和连接夹持柄的加工端面，所述夹持柄连接搅拌摩擦焊设备。
2.如权利要求1所述的带筋结构的塑流摩擦热成形方法，其特征在于，所述带筋结构的塑流摩擦热成形方法还包括：步骤C：塑流挤压加工头在金属板材上转动一段时间，加工完一定面积的金属板材后，使塑流挤压加工头平移至为未加工的金属板材处，然后重复步骤B，直至所述加工端面的轨迹覆盖所述金属板材的表面。
3.如权利要求1所述的带筋结构的塑流摩擦热成形方法，其特征在于，所述塑流挤压加工头转动的轴线与所述金属板材的夹角为大于85度，小于90度。
4.如权利要求1所述的带筋结构的塑流摩擦热成形方法，其特征在于，所述塑流挤压加工头的转动速度为1000～2000转/分。
5.如权利要求1所述的带筋结构的塑流摩擦热成形方法，其特征在于，所述塑流挤压加工头的平移速度为100～1500毫米/分。
6.如权利要求1所述的带筋结构的塑流摩擦热成形方法，其特征在于，所述塑流挤压加工头对金属板材施加法向压力为10～100KN。
7.如权利要求1所述的带筋结构的塑流摩擦热成形方法，其特征在于，所述凹槽为交叉的网格状或相互分隔的凹坑。
8.如权利要求1所述的带筋结构的塑流摩擦热成形方法，其特征在于，所述加工端面的外缘为圆形，所述加工端面上设有圆滑的塑性流动导向槽。
9.如权利要求8所述的带筋结构的塑流摩擦热成形方法，其特征在于，所述塑性流动导向槽的形状为：以所述加工端面的圆心为中心的一个或多个涡状线。
10.如权利要求8所述的带筋结构的塑流摩擦热成形方法，其特征在于，所述塑性流动导向槽的形状为：均匀分布在所述加工端面上的三条螺旋线，三条螺旋线相交于所述加工端面的圆心。
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