CN105013939A - 基于自发热的搅拌摩擦成形装置及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自发热的搅拌摩擦成形装置，包括控制系统、数控成形机床和压边机构、搅拌头、支撑机构和红外线测温仪；所述搅拌头安装在所述数控成形机床的主轴末端、位于板料的上方；所述支撑机构设置在板料的下方，所述支撑机构包括成形台面、支撑导柱、传动机构和支撑杆，所述成形台面安装在工作台上、且可沿水平方向移动，所述支撑导柱安装在成形台面上，所述传动机构安装在支撑导柱上，所述支撑杆与传动机构连接、可在所述传动机构的控制下沿竖直方向移动，所述支撑杆位于搅拌头的正下方；所述红外线测温仪设置在板料的上方。本发明提高板料成形能力、成形精度、成形效率。

Description

基于自发热的搅拌摩擦成形装置及工艺

技术领域

本发明属于板料成形技术领域，尤其涉及一种基于自发热的搅拌摩擦成形装置及工艺。

背景技术

汽车覆盖件(以下简称覆盖件)是指构成汽车车身或驾驶室、覆盖发动机和底盘的异形体表面和内部的汽车零件。汽车覆盖件既是外观装饰性的零件，又是封闭薄壳状的受力零件。覆盖件具有曲面多、尺寸大、材料薄、结构形状复杂、精度要求高等特点，而且表面不允许有波纹、皱折、边缘拉痕和其他破坏表面美感的缺陷，对成形质量要求较高，是汽车车身制造的关键环节，其制造技术难度大，成本高，开发周期和质量都难以控制。

渐进成形是近年来出现的一种新型板材柔性数控加工方法，它将快速成形技术和塑性成形技术有机结合，实现板材的柔性生产。渐进成形技术的基本原理是通过计算机程序控制形状简单的成形工具，基于“分层制造”的思想，使工具沿着垂直方向或水平方向的轨迹运动，逐层形成零件的三维包络面，从而实现金属板料连续局部的塑性成形。

现有板料渐进成形方法主要分为两大类，即冷成形和热成形。

冷成形一般适用于塑性较好的钢材。加工过程中成形工具一般不旋转，直接渐进冲击板料成形；此外也有成形工具旋转加工板料的方式，但转速一般在1000-2000r/min间，成形工具进行旋转主要是为了降低板料与工具间的摩擦力，同时在板料上需要不断添加润滑剂，补充成形工具与板料间由于旋转导致的润滑剂损耗，防止板料与成形工具摩擦生热，损伤工件表面；成形过程中摩擦会浪费成形中的能耗，需要尽量避免。此外，大量文献表明单点渐进成形过程随着加工角度的增加，板料的变形范围减少，变形会集中于板料某个点，造成板料局部变形过大，致使板料破裂。

热成形一般适用于塑性较差的板料，如铝，镁及钛合金等材料。为了扩大板料变形区域，一般通过对加工点附近不变形区板料加热，使其强度下降，强迫扩大板料变形区域，使不变形区板料也变形，避免变形集中于板料某个点，提高成形能力，完成板料成形。加工过程中成形工具一般不旋转，直接在热辅助下渐进冲击板料成形；此外也有成形工具旋转加工板料的方式，但转速一般不超过2000r/min。目前使用的热成形加热方式有多种：有的将支撑底座安装放置在一定温度的温箱内，温箱成形装置体积庞大，工具头和机床运转空间受温箱口部尺寸局限，在整个成形过程中，需要始终保持整个板料(一般分为成形区、待成形区和未成形区)达到一定的温度；有的采用局部跟随工具头加热的成形方式，比如激光加热和电自阻加热等，激光加热等装置设备成本高。这些热成形都采用的是外部辅助加热方式。同时，在热成形过程中，板料和成形工具间也需要不断添加润滑剂，补充热成形过程中润滑剂的损耗，降低摩擦节约成形能耗，也避免成形工具对板料表面的损伤。

针对传统渐进成形过程中成形工具与板料摩擦损耗的缺点，有学者提出了高能率渐进成形工艺，来尽量避免成形过程中的出现摩擦损耗，其中比较典型是激光冲击渐进成形和电磁脉冲渐进成形。

激光冲击渐进成形基本原理是利用高功率密度、短脉冲的强激光作用于覆盖在金属板料表面上的能量转换体，使其汽化电离形成等离子体，产生向金属内部传播的强冲击波。由于冲击波压力达到GPa数量级，远远大于材料的动态屈服强度，从而使材料产生屈服和冷塑性变形，并在计算机控制下实现渐进成形。激光冲击渐进成形技术成形表面质量差、只能产生较小变形量，对于大型零件的成形还存在较大不足，因此在实际生产中还没得到广泛应用。

电磁渐进成形的基本原理是物理学中的电磁感应定律，脉冲磁场穿过工件而在工件上产生感应电流，产生的磁场与初始电场、磁场相互间产生了巨大的作用力，当冲击压力值达到工件材料的屈服强度时，工件将发生塑性变形，利用电磁力对工件实施分层塑性变形达到成形金属零件目的。电磁渐进成形由于受设备能量的限制，对板材有一定的要求，如材料的导电率、厚度等；而且由于平板毛坯磁脉冲力分布不均匀，从而影响成形质量。对于自由成形零件而言，其外形难控制，而对于有模成形而言，又存在零件的贴膜性差等问题。

上述两种渐进成形工艺都是属于高能率的成形工艺，虽然较好的避免了传统渐进成形过程中的摩擦问题，但它们在成形过程中有着共性的缺点：由于板材的成形平面受力不均，局部成形区域易出现失稳，极易出现破裂、压痕、凹陷、起皱和回弹等成形缺陷，严重影响成形件的尺寸精度和表面质量。

发明内容

为了解决上述传统工艺及装置存在的结构形状复杂、制造难度大、成本高等问题，本发明提供一种基于自发热的搅拌摩擦渐进成形装置及工艺，它在汲取板材渐进成形工艺的优点的基础上，结合自发热成形原理，开发出搅拌摩擦成形技术，提高板料成形能力、成形精度、成形效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种基于自发热的搅拌摩擦成形装置，该装置包括控制系统、数控成形机床和压边机构，所述控制系统与数控成形机床连接，所述压边机构安装在所述数控成形机床的工作台上、且可沿竖直方向移动；该装置还包括搅拌头、支撑机构和红外线测温仪；

所述搅拌头安装在所述数控成形机床的主轴末端、位于板料的上方，所述搅拌头高速旋转以使搅拌头邻近区域的板料热塑化；

所述支撑机构设置在板料的下方，所述支撑机构包括成形台面、支撑导柱、传动机构和支撑杆，所述成形台面安装在工作台上、且可沿水平方向移动，所述支撑导柱安装在成形台面上，所述传动机构安装在支撑导柱上，所述支撑杆与传动机构连接、可在所述传动机构的控制下沿竖直方向移动，所述支撑杆位于搅拌头的正下方；

所述红外线测温仪设置在板料的上方，所述红外线测温仪将检测到的板料成形区域的温度反馈给控制系统，控制系统再控制搅拌头的转速和成形速度，使板料成形区域的温度保持在板料的热成形温度区间范围内。

按上述技术方案，所述搅拌头与板料接触的端部设有可拆卸的圆柱形、半球形或滚珠形的连接部，所述连接部的表面设有半球形的凸起，所述凸起的半径为0.1～1mm。

按上述技术方案，所述连接部的半径为1～10mm。

按上述技术方案，所述压边机构包括导杆、导套和压块，所述导杆安装在数控成形机床的工作台上，所述导套安装在导杆的顶端、可沿竖直方向移动，所述压块设置在导套的上方，所述板料固定安装在压块与导套之间。

相应的，本发明还提供一种基于自发热的搅拌摩擦成形工艺，包括以下步骤：

S1、根据所需加工零件几何特征和三维曲面模型，生成搅拌头的加工轨迹；

S2、将搅拌头的加工轨迹偏移一个板料厚度值，生成支撑杆的运动轨迹；

S3、安装板料于压边机构内，校准搅拌头和支撑杆的初始位置，使搅拌头和支撑杆位于板料最上一层加工轨迹处；

S4、启动数控成形机床，控制主轴进而控制搅拌头的旋转速度，搅拌头高速旋转并通过支撑杆的作用对板料施加一个初始压下量0.01～0.1mm，成形进给量为0.1～5mm，板料在搅拌头高速旋转和初始压下量下迅速升温软化，当板料温度达到热成形温度区间后，搅拌头按照步骤S1中生成的加工轨迹进行板料的成形，直至该层板料成形结束，同时，支撑杆的运动轨迹与搅拌头一致，使得搅拌头在成形过程中始终对板料施加一个初始压下量0.01～0.1mm；

S5、将搅拌头和支撑杆均向下移动一个进给量、以位于板料下一层加工轨迹处，重复步骤S4，完成下一层板料成形，如此直至完成整个板料成形。

按上述技术方案，所述步骤S1具体包括：采用三维制图软件建立CAD模型，并将模型沿加工路径方向离散，利用后处理加工软件生成等高线加工轨迹，并将此轨迹沿板料轴向偏移一个初始压入量0.01～0.1mm，即生成搅拌头的加工轨迹。

按上述技术方案，所述步骤S3具体包括：将板料下料，切割指定尺寸，并装夹在压边机构内，使板料的几何中心与压边机构的几何中心重合，将支撑杆支撑于板料下方，同时将步骤S1中搅拌头的加工轨迹偏移一个板料厚度，形成支撑杆的运动轨迹。

本发明产生的有益效果是：

1)本发明采用搅拌头同时作为生热工具和成形工具，使得板料的发热区和变形区处于同一位置，且将板料的发热区和变形区局限在一个很小的局部范围内，只有靠近搅拌头端面的板料才发生塑性流动，变形过程中对板料施有切向应力，在高速旋转下板料没有接触摩擦的径向应力，利于金属的塑性流动，降低所需变形力，可以“以小干大”，是一种典型的省力成形方法；

2)通过红外线测温仪和控制系统控制搅拌头的转速和成形速度，以使成形在恒温下进行，且由于搅拌头只对板料进行局部加热，加热时间短，板料不会过热或过烧，避免了板料因传统高能冲击成形和热成形的过度软化，极大提高了成形件的几何精度和表面质量，并且成本低、高效节能；

3)成形过程中搅拌头产生的热摩擦以及对板料轴向压入量的施加，结合了热挤压和热轧制的工艺优点，同时搅拌头高速旋转搅拌带来的晶粒破碎细化作用，可以避免传统热成形中材料组织粗化，力学性能降低等问题；

4)采用支撑杆支撑板料，便于搅拌头对板料施加压力，而且支撑杆以点支撑代替传统的面支撑，接触面积较小，可减少板料热量损失，易于板料成形温度的控制，同时还大大提高成形柔性和精度，节约了成形时间和成本；

5)通过搅拌头的旋转压入，局部摩擦热成形，无需传统成形加工方法使用的润滑剂，同时也避免了高温成形中润滑剂烧蚀和挥发造成的生产成本增加和环境的污染。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是搅拌头一个实施例的结构示意图；

图3是搅拌头另一个实施例的结构示意图。

图中：1-控制系统，2-数控成形机床，201-主轴，3-固定块，4-夹具，5-搅拌头，501-连接部，502-凸起，6-板料，7-压块，8-导套，9-导杆，10-工作台，11-支撑杆，12-传动机构，13-支撑导柱，14-成形台面，15-红外线测温仪。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种基于自发热的搅拌摩擦成形装置，该装置包括控制系统1、数控成形机床2和压边机构，控制系统1与数控成形机床2连接，压边机构安装在数控成形机床2的工作台10上、且可沿竖直方向移动；该装置还包括搅拌头、支撑机构和红外线测温仪；

搅拌头5安装在数控成形机床2的主轴201末端、位于板料6的上方，具体的，搅拌头通过固定块3和夹具4与主轴201连接，搅拌头5高速旋转以使搅拌头邻近区域的板料热塑化；

支撑机构设置在板料6的下方，支撑机构包括成形台面14、支撑导柱13、传动机构12和支撑杆11，成形台面14安装在工作台10上、且可沿水平方向移动，支撑导柱13安装在成形台面14上，传动机构12安装在支撑导柱13上，支撑杆11与传动机构12连接、可在传动机构12的控制下沿竖直方向移动，支撑杆11位于搅拌头5的正下方，其中，传动机构12为气缸、液压缸、直线电机传动机构或者齿轮齿条传动机构中的一种；

红外线测温仪15设置在板料6的上方，红外线测温仪15将检测到的板料成形区域的温度反馈给控制系统1，控制系统1再控制搅拌头5的转速和成形速度，使板料成形区域的温度保持在板料的热成形温度区间范围内，一般为200-750℃。

在本发明的优选实施例中，如图2、图3所示，搅拌头5与板料6接触的端部设有可拆卸的圆柱形、半球形或滚珠形的连接部501，其中，连接部的半径为1～10mm，连接部的表面设有半球形的凸起502，凸起502的半径为0.1～1mm。半球形凸起可以促进搅拌摩擦生热，同时还兼具对板料表面进行抛光的作用，避免划伤工件表面，提高板料表面质量。

按上述技术方案，在本发明的优选实施例中，如图1所示，压边机构包括导杆9、导套8和压块7，导杆9安装在数控成形机床的工作台10上，导套8安装在导杆9的顶端、可沿竖直方向移动，压块7设置在导套8的上方，板料6固定安装在压块7与导套8之间。

相应的，如图1所示，本发明还提供一种基于自发热的搅拌摩擦成形工艺，包括以下步骤：

S1、根据所需加工零件几何特征和三维曲面模型，生成搅拌头的加工轨迹；

S2、将搅拌头的加工轨迹偏移一个板料厚度值，生成支撑杆的运动轨迹；

S3、安装板料于压边机构内，校准搅拌头和支撑杆的初始位置，使搅拌头和支撑杆位于板料最上一层加工轨迹处，支撑杆与板料紧紧贴合；

S4、启动数控成形机床，控制主轴进而控制搅拌头的旋转速度，搅拌头高速旋转并通过支撑杆的作用对板料施加一个初始压下量0.01～0.1mm，成形进给量为0.1～5mm，板料在搅拌头高速旋转和初始压下量下迅速升温软化，当板料温度达到热成形温度区间后，搅拌头按照步骤S1中生成的加工轨迹进行板料的成形，直至该层板料成形结束，同时，支撑杆的运动轨迹与搅拌头一致，使得搅拌头在成形过程中始终对板料施加一个初始压下量0.01～0.1mm；

S5、将搅拌头和支撑杆均向下移动一个进给量、以位于板料下一层加工轨迹处，重复步骤S4，完成下一层板料成形，如此直至完成整个板料成形。

在本发明的优选实施例中，步骤S1具体包括：采用三维制图软件(可选用Pro/e软件)建立CAD模型，并将模型沿加工路径方向离散，利用后处理加工软件生成等高线加工轨迹(一般将该加工轨迹存为igs格式文件，然后导入master cam x软件中间隙数控编程，设置搅拌头轨迹和相应参数，最后生成NC程序)，并将此轨迹沿板料轴向偏移一个初始压入量0.01～0.1mm，即生成搅拌头的加工轨迹。

在本发明的优选实施例中，步骤S3具体包括：将板料下料，切割指定尺寸，并装夹在压边机构内，使板料的几何中心与压边机构的几何中心重合，将支撑杆支撑于板料下方，同时将步骤S1中搅拌头的加工轨迹偏移一个板料厚度，形成支撑杆的运动轨迹。

本发明可以对多种金属进行搅拌摩擦热成形。

以2024铝合金板料为例进行下料，切割指定尺寸300*400*1.5mm，搅拌头的转速设定在5000r/min，并通过支撑杆对板料施加一个0.1mm的初始压下量，板料在搅拌头高速旋转和轴向的初始压入量下迅速升温软化，当红外线测温仪感应到板料温度达到优化的成形温度400-450℃后，搅拌头按照其自身的加工轨迹进行板料的成形，单次成形进给量为1mm，成形台面移动速度为800mm/min，每加工完一层，板料下移一个进给高度，搅拌头和支撑杆下移同样的高度，实现逐层成形，直至成形完成。

以AZ31镁合金板料为例进行下料，切割指定尺寸200*150mm*1.2mm，搅拌头的转速设定在2500r/min，并通过支撑杆对板料施加一个0.1mm的初始压下量，板料在搅拌头高速旋转和轴向的初始压入量下迅速升温软化，当红外线测温仪感应到板料温度达到优化的成形温度300-350℃后，搅拌头按照其自身的加工轨迹进行板料的成形，单次成形进给量为2mm，成形台面移动速度为1000mm/min，每加工完一层，板料下移一个进给高度，搅拌头和支撑杆下移同样的高度，实现逐层成形，直至成形完成。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于自发热的搅拌摩擦成形装置，该装置包括控制系统、数控成形机床和压边机构，所述控制系统与数控成形机床连接，所述压边机构安装在所述数控成形机床的工作台上、且可沿竖直方向移动；其特征在于，该装置还包括搅拌头、支撑机构和红外线测温仪；

所述搅拌头安装在所述数控成形机床的主轴末端、位于板料的上方，所述搅拌头高速旋转以使搅拌头邻近区域的板料热塑化；

所述支撑机构设置在板料的下方，所述支撑机构包括成形台面、支撑导柱、传动机构和支撑杆，所述成形台面安装在工作台上、且可沿水平方向移动，所述支撑导柱安装在成形台面上，所述传动机构安装在支撑导柱上，所述支撑杆与传动机构连接、可在所述传动机构的控制下沿竖直方向移动，所述支撑杆位于搅拌头的正下方；

所述红外线测温仪设置在板料的上方，所述红外线测温仪将检测到的板料成形区域的温度反馈给控制系统，控制系统再控制搅拌头的转速和成形速度，使板料成形区域的温度保持在板料的热成形温度区间范围内。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述搅拌头与板料接触的端部设有可拆卸的圆柱形、半球形或滚珠形的连接部，所述连接部的表面设有半球形的凸起，所述凸起的半径为0.1～1mm。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述连接部的半径为1～10mm。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压边机构包括导杆、导套和压块，所述导杆安装在数控成形机床的工作台上，所述导套安装在导杆的顶端、可沿竖直方向移动，所述压块设置在导套的上方，所述板料固定安装在压块与导套之间。

5.一种基于自发热的搅拌摩擦成形工艺，包括以下步骤：

S1、根据所需加工零件几何特征和三维曲面模型，生成搅拌头的加工轨迹；

S2、将搅拌头的加工轨迹偏移一个板料厚度值，生成支撑杆的运动轨迹；

S3、安装板料于压边机构内，校准搅拌头和支撑杆的初始位置，使搅拌头和支撑杆位于板料最上一层加工轨迹处；

S4、启动数控成形机床，控制主轴进而控制搅拌头的旋转速度，搅拌头高速旋转并通过支撑杆的作用对板料施加一个初始压下量0.01～0.1mm，成形进给量为0.1～5mm，板料在搅拌头高速旋转和初始压下量下迅速升温软化，当板料温度达到热成形温度区间后，搅拌头按照步骤S1中生成的加工轨迹进行板料的成形，直至该层板料成形结束，同时，支撑杆的运动轨迹与搅拌头一致，使得搅拌头在成形过程中始终对板料施加一个初始压下量0.01～0.1mm；

S5、将搅拌头和支撑杆均向下移动一个进给量、以位于板料下一层加工轨迹处，重复步骤S4，完成下一层板料成形，如此直至完成整个板料成形。

6.根据权利要求5所述的工艺，其特征在于，所述步骤S1具体包括：采用三维制图软件建立CAD模型，并将模型沿加工路径方向离散，利用后处理加工软件生成等高线加工轨迹，并将此轨迹沿板料轴向偏移一个初始压入量0.01～0.1mm，即生成搅拌头的加工轨迹。

7.根据权利要求5所述的工艺，其特征在于，所述步骤S3具体包括：将板料下料，切割指定尺寸，并装夹在压边机构内，使板料的几何中心与压边机构的几何中心重合，将支撑杆支撑于板料下方，同时将步骤S1中搅拌头的加工轨迹偏移一个板料厚度，形成支撑杆的运动轨迹。