CN104607523A - 一种板料搅拌渐进复合成形装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种板料搅拌渐进复合成形装置及方法，所述成形装置包括搅拌渐进成形工具头、反顶压头、主轴电机、主驱动单元、副驱动单元和板料夹具；所述成形方法为：根据所需加工零件的三维模型生成渐进成形加工轨迹，作为主驱动单元与副驱动单元的同步运动轨迹；控制主轴电机转动，搅拌渐进成形工具头在主轴电机的带动下转动并插入待加工板料的内部，反顶压头与搅拌渐进成形工具头压紧板料；根据同步运动轨迹分别控制搅拌渐进成形工具头和反顶压头同步运动，完成板料搅拌渐进复合成形。与现有技术相比，本发明可实现功能梯度材料焊合与成形的一体化，缩短制造流程，降低工装数量，还可以避免传统功能梯度材料延展性差而无法成形的问题。

Description

一种板料搅拌渐进复合成形装置及方法
技术领域
本发明涉及板料加工技术领域，尤其是涉及一种板料搅拌渐进复合成形装置及方法。
背景技术
金属板料在航空、航天、汽车、船舶和家电等行业有着广泛的应用。传统的板料冲压成形方法适用于大批量的生产加工，而针对小批量、多品种以及样品的试制加工，近年来兴起了一种板料的渐进成形方法。该方法不需要针对产品制作专门的冲压模具，具有加工方式灵活、成形极限高、加工成本低的特点，特别适合小批量金属板料的加工生产。
对现有渐进成形技术及装置的检索发现：华中科技大学莫建华等提出了一种多功能数控成形加工机；德国亚琛工业大学金属塑性成形研究所(IBF,RWTH Aachen)开发了一种渐进成形装置，该装置在板料上部安装了成形头，在板料下部垫了成形模具，综合了拉伸成形与渐进成形工艺。以上装置主要针对成形性较好的单一板料进行加工，而梯度功能材料以及金属基复合材料往往延展性较差，难以进行后期成形加工。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种缩短制造流程、降低工装数量、容易成形的板料搅拌渐进复合成形装置及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种板料搅拌渐进复合成形装置，包括搅拌渐进成形工具头、反顶压头、主轴电机、主驱动单元、副驱动单元和板料夹具，
所述搅拌渐进成形工具头和反顶压头相对设置，待加工板料设置在搅拌渐进成形工具头和反顶压头之间，待加工板料两端由板料夹具夹持固定，
所述主驱动单元通过主轴电机与搅拌渐进成形工具头连接，所述副驱动单元与反顶压头连接，主驱动单元和副驱动单元分别带动搅拌渐进成形工具头、反顶压头同步运动，并保持恒定间隙。
所述搅拌渐进成形工具头的端部从轴心到外侧依次设有搅拌针、压料平面和圆角结构；对待加工板料进行复合成形时，所述搅拌针插入待加工板料。
所述搅拌针为带有螺纹的搅拌针。
所述压料平面宽度为搅拌针直径的2倍以内，所述圆角半径为待加工板料总厚度的3倍以上。
所述搅拌针为细长结构，减小前进阻力，搅拌针最大半径为待加工板料总厚度的25％，长度为待加工板料总厚度的85-95％。
所述反顶压头端部为平面结构，与所述压料平面配合压紧待加工板料。
所述反顶压头端部半径大于搅拌渐进成形工具头半径，从而更好地与所述压料平面配合压紧并拖住支撑待加工板料。
一种板料搅拌渐进复合成形方法，包括以下步骤：
1)根据所需加工零件的三维模型生成渐进成形加工轨迹，作为主驱动单元与副驱动单元的同步运动轨迹；
2)待加工板料由板料夹具夹持固定；
3)主驱动单元控制主轴电机转动，搅拌渐进成形工具头在主轴电机的带动下转动并插入待加工板料的内部，副驱动单元带动反顶压头与搅拌渐进成形工具头压紧板料；
4)主驱动单元和副驱动单元根据同步运动轨迹分别控制搅拌渐进成形工具头和反顶压头同步运动，完成板料搅拌渐进复合成形。
所述待加工板料由两种不同材料的板料叠加而成，或由两片板料间及设置于板料间的用于实现材料增强的粉末组合而成。
所述步骤1)中，获得渐进成形加工轨迹后，根据待加工板料的厚度，对所述渐进成形加工轨迹进行偏置处理，以处理后的渐进成形加工轨迹作为主驱动单元与副驱动单元的同步运动轨迹。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明能够通过一个道次加工，在叠焊由不同材料组成的板料并形成梯度材料的同时通过渐进成形得到所需的形状，同时实现材料的“成形”与“成性”。与传统的先制备、后成形的工艺方法相比，能够克服梯度材料成形性较差，制备完成后没有延展性无法进行板料成形加工的问题。
(2)本发明可以仅需一个道次加工，缩短了传统的先材料制备、后材料成形的多道次制造流程，减少了制造过程中的工装数量。
(3)本发明方法较为灵活，可以实现不同板料的叠加并无需模具即可成形，同时具备渐进成形与搅拌摩擦焊的优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明对板料进行搅拌成形的示意图；
图3为本发明搅拌渐进成形工具头示意图；
图4为本发明成形路径示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1-图2所示，本实施例提供一种板料搅拌渐进复合成形装置，包括搅拌渐进成形工具头1、反顶压头2、主轴电机3、主驱动单元4、副驱动单元5和板料夹具6，搅拌渐进成形工具头1和反顶压头2相对设置，待加工板料7、8设置在搅拌渐进成形工具头1和反顶压头2之间，待加工板料7、8两端由板料夹具6夹持固定，主驱动单元4通过主轴电机3与搅拌渐进成形工具头1连接，副驱动单元5与反顶压头2连接，主驱动单元4和副驱动单元5分别带动搅拌渐进成形工具头1、反顶压头2在X，Y，Z方向上同步运动，并保持恒定间隙。
如图3所示，搅拌渐进成形工具头1的头部从轴心到外侧依次设有带有螺纹的搅拌针9、压料平面10和圆角结构11，对待加工板料进行复合成形时，搅拌针9插入待加工板料。压料平面宽度为搅拌针直径的2倍以内，所述圆角半径为待加工板料总厚度的3倍以上，更好地压紧待加工板料。为减小前进阻力，搅拌针为细长结构，搅拌针最大半径为待加工板料总厚度的25％，长度为待加工板料总厚度的85-95％。
反顶压头2端部为平面结构，其半径大于搅拌渐进成形工具头半径，从而更好地与压料平面10配合压紧待加工板料。
本实施例还提供一种板料搅拌渐进复合成形方法，包括以下步骤：
1)根据所需加工零件的三维模型生成渐进成形加工轨迹，作为主驱动单元与副驱动单元的同步运动轨迹，如图4所示。
在获得渐进成形加工轨迹后，可根据待加工板料的厚度，对渐进成形加工轨迹进行偏置处理，以处理后的渐进成形加工轨迹作为主驱动单元与副驱动单元的同步运动轨迹。
2)待加工板料由板料夹具夹持固定。
待加工板料由两种不同材料的板料叠加而成，如铜板7与铝板8叠加，或由两片板料间及设置于板料间的用于实现材料增强的粉末组合而成。
3)主驱动单元控制主轴电机转动，搅拌渐进成形工具头在主轴电机的带动下转动并插入待加工板料的内部，副驱动单元带动反顶压头与搅拌渐进成形工具头压紧板料。
4)主驱动单元和副驱动单元根据同步运动轨迹分别控制搅拌渐进成形工具头和反顶压头同步运动，完成板料搅拌渐进复合成形。通过工具头的搅拌、挤压以及运动，将两块板料(以及中间的增强相粉末)搅拌、焊合，在材料制备的同时完成形状的成形，形成带有一定形状的复合板。

Claims (10)

1.一种板料搅拌渐进复合成形装置，其特征在于，包括搅拌渐进成形工具头、反顶压头、主轴电机、主驱动单元、副驱动单元和板料夹具，
所述搅拌渐进成形工具头和反顶压头相对设置，待加工板料设置在搅拌渐进成形工具头和反顶压头之间，待加工板料两端由板料夹具夹持固定，
所述主驱动单元通过主轴电机与搅拌渐进成形工具头连接，所述副驱动单元与反顶压头连接，主驱动单元和副驱动单元分别带动搅拌渐进成形工具头、反顶压头同步运动，并保持恒定间隙。
2.根据权利要求1所述的板料搅拌渐进复合成形装置，其特征在于，所述搅拌渐进成形工具头的头部从轴心到外侧依次设有搅拌针、压料平面和圆角结构；对待加工板料进行复合成形时，所述搅拌针插入待加工板料。
3.根据权利要求2所述的板料搅拌渐进复合成形装置，其特征在于，所述搅拌针为带有螺纹的搅拌针。
4.根据权利要求2所述的板料搅拌渐进复合成形装置，其特征在于，所述压料平面宽度为搅拌针直径的2倍以内，所述圆角半径为待加工板料总厚度的3倍以上。
5.根据权利要求2所述的板料搅拌渐进复合成形装置，其特征在于，所述搅拌针为细长结构，搅拌针最大半径为待加工板料总厚度的25％，长度为待加工板料总厚度的85-95％。
6.根据权利要求2所述的板料搅拌渐进复合成形装置，其特征在于，所述反顶压头端部为平面结构，与所述压料平面配合压紧待加工板料。
7.根据权利要求6所述的板料搅拌渐进复合成形装置，其特征在于，所述反顶压头端部半径大于搅拌渐进成形工具头半径。
8.一种基于权利要求1所述的板料搅拌渐进复合成形装置的成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据所需加工零件的三维模型生成渐进成形加工轨迹，作为主驱动单元与副驱动单元的同步运动轨迹；
2)待加工板料由板料夹具夹持固定；
3)主驱动单元控制主轴电机转动，搅拌渐进成形工具头在主轴电机的带动下转动并插入待加工板料的内部，副驱动单元带动反顶压头与搅拌渐进成形工具头压紧板料；
4)主驱动单元和副驱动单元根据同步运动轨迹分别控制搅拌渐进成形工具头和反顶压头同步运动，完成板料搅拌渐进复合成形。
9.根据权利要求8所述的板料搅拌渐进复合成形方法，其特征在于，所述待加工板料由两种不同材料的板料叠加而成，或由两片板料间及设置于板料间的用于实现材料增强的粉末组合而成。
10.根据权利要求8所述的板料搅拌渐进复合成形方法，其特征在于，所述步骤1)中，获得渐进成形加工轨迹后，根据待加工板料的厚度，对所述渐进成形加工轨迹进行偏置处理，以处理后的渐进成形加工轨迹作为主驱动单元与副驱动单元的同步运动轨迹。
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