CN109500223A - 一种金属异型加强结构流动摩擦近净成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属异型加强结构流动摩擦近净成形方法。该方法包括：将金属板材的加强筋结构成形位置与工装模具上异型的模型腔相对应；将加工头通过主轴安装架安装在金属板材的上方；在金属板材上设置正极电刷和负极电刷，并在两极电刷之间连接脉冲电源，通电时，使两极电刷、电源和金属板材之间形成闭合回路；加工头在主轴安装座的带动下旋转向下运动，对金属板材施加法向压力，同时旋转运动和平面运动，金属板材的材料软化后流入模型腔内，成形出加强筋结构；在金属板材上设置补料板材，与两极电刷连接，补料板材上的材料软化后流入加强筋结构的凹槽区，凹槽区被填满后，机加工除去多余材料，获得完整异型加强结构。

Description

一种金属异型加强结构流动摩擦近净成形方法

技术领域

本发明涉及金属成形技术领域，特别是涉及一种金属异型加强结构流动摩擦近净成形方法。

背景技术

在航天航空、汽车、船舶等领域，为了提高金属结构的整体强度和刚度，通常需要采用局部或整体的带筋加强结构，根据结构的不同需要，加强筋由整体加强和局部加强，加强筋的结构形式多种多样，具有L型、T型、Z字型等异型结构筋条。对于形状复杂的异型加强结构，目前异型加强筋整体结构常用的制造方法主要有整体数控加工、铆接、焊接、流动摩擦近净成形。

整体数控加工的方法主要是采用厚板毛坯，利用数控铣削的方法去除掉多余的材料，加工出所需形状的异型筋条，最终获得带异型加强筋的整体加强结构。

铆接方法制造金属异型加强结构主要是先采用机械加工或挤压成形的方法，成形或加工出L型、T型等异型加强筋，然后采用铆钉将加强筋与金属平板板材连接，形成异型加强的整体结构。

焊接方法制造异型加强结构主要是通过机械加工或挤压成形的方法，成形或加工出L型、T型等异型加强筋，然后采用激光焊、搅拌摩擦焊接等手段将异型加强筋焊接在金属板材上，形成带异型加强筋的整体结构。

流动摩擦近净成形是将金属板材放置在成形模具上，通过端面带有一定凹槽的加工头对金属板材的上表面进行旋转摩擦加工，在摩擦热和外力共同作用下加工头作用区域材料发生塑化，在法向压力和旋转摩擦力共同作用下，塑化金属发生三维定向流动，流入到模具型腔，成形出所需形状。

现有金属异型加强结构的制造和加工方法存在一定的不足，整体数控加工的方法，材料去除量较大，材料利用率低，而且对于复杂的异型结构很难加工到净尺寸；铆接的方法获得的金属异型加强结构整体重量大，连接接头强度低，密封性差，连接效率低；利用焊接的方法制造的金属异型加强结构，焊接过程中容易产生变形，焊接过程中产生的气孔、夹杂等缺陷导致焊缝强度降低，影响结构的使用性能。流动摩擦近净成形后板料与加工头接触侧区域材料有一定的去除量，导致成型加强筋的背面出现凹槽缺陷，而且对于高强铝合金、镁合金等难变形材料，需要的搅拌力和挤压力很大，对设备和加工头材料提出更高的要求。

因此，发明人提供了一种金属异型加强结构流动摩擦近净成形方法。

发明内容

本发明实施例提供了一种金属异型加强结构流动摩擦近净成形方法，解决了现有流动摩擦近净成形技术制造整体加强结构时存在的高强度、难变形材料难以成形、成形后加强筋背面出现凹槽缺陷这一实际问题。

本发明的实施例提出了一种金属异型加强结构流动摩擦近净成形方法，该方法包括：

放置金属板材，将待加工的金属板材放置在工装模具上，使金属板材的加强筋结构成形位置与工装模具上异型的模型腔相对应；

安装加工头，将加工头通过主轴安装架安装在所述金属板材的上方，所述主轴安装架可带动所述加工头水平运动和旋转运动；

安装电刷，在所述金属板材的加强筋结构两侧分别设置正极电刷和负极电刷，并在两极电刷之间连接脉冲电源，在通电时，使两极电刷、电源和金属板材之间形成闭合回路，在脉冲电流的电塑性效应和焦耳热效应下，能使金属板材上材料软化；

成形加强筋，通电后，所述加工头在主轴安装座的带动下旋转向下运动，接触金属板材上的加强筋结构成形位置后，加工头对金属板材施加法向压力，同时进行旋转运动和进行平面运动，在脉冲电流、法向压力和旋转摩擦力的共同作用下，金属板材的加强筋结构材料软化后流入模型腔内，成形出与模型腔形状匹配的加强筋结构，所述加强筋结构的加工面留有凹槽区；

加工补料，在成形出的加强筋结构上部的金属板材上设置补料板材，两极电刷与所述补料板材连接，使两极电刷、电源和补料板材之间形成闭合回路，重复上述成形加强筋步骤时的工艺操作，使所述补料板材上的材料软化后流入所述加强筋结构的凹槽区，所述补料板材与所述金属板材连接，凹槽区被填满后，机加工除去多余材料，获得完整异型加强结构。

进一步地，所述模型腔为T形、Y型、L型或是圆头型腔结构。

进一步地，所述加工头的加工端面设计为三条渐开线凹槽。

进一步地，所述渐开线凹槽的槽深为0.3～0.8mm。

进一步地，在所述安装电刷的方法中，将所述正极电刷和所述负极电刷均通过支架安装在固定环上，所述固定环安装在所述主轴安装架上，在所述固定环与所述主轴安装架之间粘接有绝缘薄膜。

进一步地，所述支架和所述固定环采用绝缘材料。

进一步地，在所述成形加强筋的方法中，所述加工头的水平运动速度5～20mm/min，转速为100～2000r/min，脉冲电流强度为0～5000A，频率为0～800HZ，法向压力为1～50KN。

进一步地，所述金属板材和所述补料板材均为高强铝合金、镁合金或钛合金。

综上，本发明针对现有流动摩擦近净成形技术制造整体加强结构时存在的高强度、难变形材料难以成形、成形后加强筋背面出现凹槽缺陷这一实际问题，提出了一种通过背面局部填料和施加脉冲电流辅助流动摩擦近净成形异型加强结构的方法，通过在变形区和预变形区施加脉冲电流，利用脉冲电流的焦耳热效应和电塑性效应，提高变形区金属的流动性，解决难变形材料成形困难、局部未填充等问题；通过在流动摩擦近净成形整体加强结构背面局部填料，利用流动摩擦近净成形和无针搅拌摩擦焊接复合技术，进行局部填料的同时实现填料与基体材料的连接，进一步提高了结构完整性和材料的利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的脉冲电流辅助流动摩擦近净成形方法的工装示意图。

图2是加强筋结构背部补料原理示意图。

图3是加工头端面结构示意图。

图4是采用本发明的流动摩擦近净成形方法成形的不同加强筋结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

参见图1～图4，本发明实施例提供了一种金属异型加强结构流动摩擦近净成形方法。该方法至少包括了以下步骤S110～步骤S150：

步骤S110为放置金属板材，将待加工的金属板材放置在工装模具上，使金属板材的加强筋结构成形位置与工装模具上异型的模型腔相对应。其中，模型腔为T形、Y型、L型或是圆头型腔结构。

步骤S120为安装加工头，将加工头通过主轴安装架安装在所述金属板材的上方，所述主轴安装架可带动所述加工头水平运动和旋转运动。加工头的加工端面设计为三条渐开线凹槽。渐开线凹槽的槽深为0.3～0.8mm。

步骤S130为安装电刷，在所述金属板材的加强筋结构两侧分别设置正极电刷和负极电刷，并在两极电刷之间连接脉冲电源，在通电时，使两极电刷、电源和金属板材之间形成闭合回路，在脉冲电流的电塑性效应和焦耳热效应下，能使金属板材上材料软化。

在本步骤中，将所述正极电刷和所述负极电刷均通过支架安装在固定环上，所述固定环安装在所述主轴安装架上，在所述固定环与所述主轴安装架之间粘接有绝缘薄膜。其中，支架和所述固定环采用绝缘材料。

步骤S140为成形加强筋，通电后，所述加工头在主轴安装座的带动下旋转向下运动，接触金属板材上的加强筋结构成形位置后，加工头对金属板材施加法向压力，同时进行旋转运动和进行平面运动，在脉冲电流、法向压力和旋转摩擦力的共同作用下，金属板材的加强筋结构材料软化后流入模具型腔内，成形出与模型腔形状匹配的加强筋结构，所述加强筋结构的加工面留有凹槽区。

在本步骤中，加工头的水平运动速度5～20mm/min，转速为100～2000r/min，脉冲电流强度为0～5000A，频率为0～800HZ，法向压力为1～50KN。

步骤S150为加工补料，在成形出的加强筋结构上部的金属板材上设置补料板材，两极电刷与所述补料板材连接，使两极电刷、电源和补料板材之间形成闭合回路，重复上述成形加强筋步骤时的工艺操作，使所述补料板材上的材料软化后流入所述加强筋结构的凹槽区，所述补料板材与所述金属板材连接，凹槽区被填满后，机加工除去多余材料，获得完整异型加强结构。

需要说明的是，所述金属板材和所述补料板材为高强铝合金、镁合金或钛合金。

以铝合金板材上成形加强筋结构为例说明，参见图1和图2，具体实施时的操作步骤为：

步骤一：下料，利用高压水将4mm厚6061铝合金板材切割成尺寸为150×200mm的铝合金的金属板材1；

步骤二：模具加工，利用数控加工的方法加工出流动摩擦近净成形的工装模具2，模具可以采用分瓣式进行拼装，模具材料为45#钢；

步骤三：将金属板材1放置在工装模具2上，用压板压紧。将电刷3(正极电刷和负极电刷)固定在金属板材1的局部变形区，正极电刷和负极电刷均通过支架5安装在固定环6上，固定环6安装在主轴安装架7上，在固定环6与主轴安装架7之间粘接有绝缘薄8，电刷3、脉冲电源9和金属板材1之间能形成闭合电流回路。设置电源参数：电流强度2200A，频率300HZ，打开脉冲电源，通电1～10min后，加工头4旋转下行与金属板材1接触，并进行平面运动，按照数控程序设定的轨迹，对原始金属板材1的上表面进行加工，其中加工头4的直径为20mm，加工头4的端面渐开线凹槽的槽深为0.5mm，加工头转动速度为750转/分，移动速度为10mm/min，加工头的轴线与工件表面呈3°夹角，加工头对工件施加法向压力为1KN，金属板材1的加强筋结构部位的材料软化后流入模型腔10内，成形出与模型腔10形状匹配的加强筋结构。

步骤四：关闭脉冲电源9，加工头4停止运动，在加强筋结构部位的金属板材1的上表面放置2mm厚6061铝合金补料补料板材11，补料板条11尺寸为40×150mm。重复步骤三过程，在脉冲电流、法向压力、旋转搅拌摩擦力共同作用下，使补料板材11的软化材料流入到工件凹槽内的同时实现补料与工件基体材料的焊接，使补料和成形工件成为整体结构。

步骤五：打开分瓣的工装模具2取出零件。

步骤六：利用数控铣削的方法去掉金属板材1上补料区多余材料，获得与模型腔形状匹配的异型整体加强结构。

以上所述仅为本申请的实施例而已，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (8)

1.一种金属异型加强结构流动摩擦近净成形方法，其特征在于，包括：

放置金属板材，将待加工的金属板材放置在工装模具上，使金属板材的加强筋结构成形位置与工装模具上异型的模型腔相对应；

安装加工头，将加工头通过主轴安装架安装在所述金属板材的上方，所述主轴安装架可带动所述加工头水平运动和旋转运动；

安装电刷，在所述金属板材的加强筋结构两侧分别设置正极电刷和负极电刷，并在两极电刷之间连接脉冲电源，在通电时，使两极电刷、电源和金属板材之间形成闭合回路，在脉冲电流的电塑性效应和焦耳热效应下，能使金属板材上材料软化；

成形加强筋，通电后，所述加工头在主轴安装座的带动下旋转向下运动，接触金属板材上的加强筋结构成形位置后，加工头对金属板材施加法向压力，同时进行旋转运动和进行平面运动，在脉冲电流、法向压力和旋转摩擦力的共同作用下，金属板材的加强筋结构材料软化后流入模型腔内，成形出与模型腔形状匹配的加强筋结构，所述加强筋结构的加工面留有凹槽区；

加工补料，在成形出的加强筋结构上部的金属板材上设置补料板材，两极电刷与所述补料板材连接，使两极电刷、电源和补料板材之间形成闭合回路，重复上述成形加强筋步骤时的工艺操作，使所述补料板材上的材料软化后流入所述加强筋结构的凹槽区，所述补料板材与所述金属板材连接，凹槽区被填满后，机加工除去多余材料，获得完整异型加强结构。

2.根据权利要求1所述的金属异型加强结构流动摩擦近净成形方法，其特征在于，所述模型腔为T形、Y型、L型或是圆头型腔结构。

3.根据权利要求1所述的金属异型加强结构流动摩擦近净成形方法，其特征在于，所述加工头的加工端面设计为三条渐开线凹槽。

4.根据权利要求1所述的金属异型加强结构流动摩擦近净成形方法，其特征在于，所述渐开线凹槽的槽深为0.3～0.8mm。

5.根据权利要求1所述的金属异型加强结构流动摩擦近净成形方法，其特征在于，在所述安装电刷的方法中，将所述正极电刷和所述负极电刷均通过支架安装在固定环上，所述固定环安装在所述主轴安装架上，在所述固定环与所述主轴安装架之间粘接有绝缘薄膜。

6.根据权利要求5所述的金属异型加强结构流动摩擦近净成形方法，其特征在于，所述支架和所述固定环采用绝缘材料。

7.根据权利要求1所述的金属异型加强结构流动摩擦近净成形方法，其特征在于，在所述成形加强筋的方法中，所述加工头的水平运动速度5～20mm/min，转速为100～2000r/min，脉冲电流强度为0～5000A，频率为0～800HZ，法向压力为1～50KN。

8.根据权利要求1-7任一项所述的金属异型加强结构流动摩擦近净成形方法，其特征在于，所述金属板材和所述补料板材均为高强铝合金、镁合金或钛合金。