CN109622755A - 一种异质金属板原料的复合成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种异质金属板原料的复合成形装置及方法，包括夹具、驱动控制单元和两个复合成形模块，两个复合成形模块对称设置于两块层叠的金属板原料的两面，两块层叠的金属板原料通过夹具固定，每个复合成形模块包括工具头、超声波机构和主轴电机，主轴电机的主轴连接工具头，控制工具头旋转接触金属板原料，超声波机构安装在主轴电机的固定部分，驱动控制单元分别连接两个复合成形模块的主轴电机，用于控制两个复合成形模块同步移动。与现有技术相比，本发明利用工具头的摩擦生热和超声波能量共同调节的方式加热两块金属板原料，在金属板原料复合的同时进行渐进成形，减少加工工序和成本，提高生产效率。

Description

一种异质金属板原料的复合成形装置及方法

技术领域

本发明涉及机械加工领域，尤其是涉及一种异质金属板原料的复合成形装置及方法。

背景技术

异质金属复合板可以克服单质材料单一的物理性能，具有相对低密度，高弯曲刚度、耐塌陷以及振动阻尼的特性，可以得到预期的电热特性。由于复合金属板综合性能比单一金属板优越，在航空航天，汽车，船舶和家用电器领域有着重要应用。

渐进成形技术是一种工业领域较为新颖的无模柔性制造工艺，它可以充分利用材料的变形性能，实现大应变条件下的较为剧烈的材料流动效果。传统上，渐进成形主要应用在钢或铝合金单层板的成形，如汽车覆盖件，翼子板等。

现有技术中，对异质金属复合板的渐进成形技术需要进行至少两步复杂的工序，第一步是使用爆炸焊接法、轧制法、热压扩散焊等方式将两块金属复合板的金属板原料进行复合；第二步是使用渐进成形装置对复合板进行渐进加工，主要方式是利用旋转摩擦的工具头再次对异质金属复合板的表面进行加热和塑性变形，因为需要在端面预设凹槽以增大摩擦系数的工具头，对于异质金属复合板的单独渐进成形往往存在接触表面破坏严重，成形性能差等问题。此外，在完成渐进成形工序后，还需要对加工件进行轮廓检测校对等工序。以上步骤都需要使用不同的装置和加工测量技术，严重降低了生产效率，且制造成本高。

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异质金属板原料的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：

一种异质金属板原料的复合成形装置，包括夹具、驱动控制单元和两个复合成形模块，所述两个复合成形模块对称设置于两块层叠的金属板原料的两面，所述两块层叠的金属板原料通过夹具固定，其中，每个复合成形模块包括工具头、超声波机构和主轴电机，所述主轴电机的主轴连接工具头，控制工具头旋转接触金属板原料，所述的超声波机构安装在主轴电机的固定部分，超声波机构的超声波作用区域覆盖工具头和异质金属复合板的接触区域，所述的驱动控制单元分别连接两个复合成形模块的主轴电机，用于控制两个复合成形模块同步移动。

进一步地，所述的超声波机构包括多个超声波发生器、套环和超声波控制器，所述的套环嵌套在工具头的后端，所述的多个超声波发生器均匀布置在套环中，朝向工具头的前端，所述的超声波控制器连接超声波发生器，用于控制超声波发生器的发射频率。

进一步地，所述的工具头为圆柱体结构，工具头的底端板为一个平整面，用于接触异质金属复合板。

进一步地，所述工具头顶端的平整面和侧面设有圆角。

进一步地，所述工具头的长度大于直径的5倍。

进一步地，所述工具头的圆角半径大于两块层叠的金属板原料的总厚度的3倍。

进一步地，所述的工具头材质为碳化钨硬质合金。

进一步地，两个工具头分别对两块金属板原料进行旋转压力摩擦加热，同时，超声波机构发射超声波能量对渐进成形加工处进行加热，进行两块金属板原料的复合加工形成异质金属复合板；在复合加工的过程中，两个复合成形模块同步沿着双点渐进成形的加工轨迹运行，进行渐进成形加工。

进一步地，在复合成形的加工完成后，超声波机构调节超声波功率，使用超声波信号对完成件的加工深度进行测量。

一种基于任一上述的异质金属板原料的复合成形装置的成形方法，具体步骤包括：

S1.载入双点渐进成形的加工轨迹；

S2：两个复合成形模块的工具头分别对两块金属板原料进行旋转压力摩擦加热，并且超声波机构发射高频超声波能量能量共同完成金属板原料的复合，同时基于载入的加工轨迹进行渐进成形；

S3：加工完成后，装置回复到加工初始位置，调节超声波机构的发射功率，使用低频超声波信号对加工件的加工深度进行测量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明通过在两个复合成形模块实现对异质金属复合板复合加工和渐进成形加工的一体化操作，减少加工工序和成本，提高生产效率，并且，利用工具头的摩擦生热和超声波能量共同调节的方式加热两块金属板原料，在金属板原料复合的同时进行渐进成形，能够提高金属板的延展性，使其具有更好成形性能。此外，在加工完成后，利用超声波机构能够实现利用同一个装置进行成形件的检测，帮助提升生产的质量和效率。

2、本发明采用在工具头端面为平面，保证合理的摩擦接触面积和接触面的压紧度，利用摩擦生热和超声波能量共同调节的方式加热金属板原料，最终实现两块异质板料的连接和成形，避免了传统放大单一使用摩擦需要设置花纹增加摩擦力，造成原料表面损伤和额外的刀具加工成本等问题。

3、本发明可以根据需要主动调整工具头特征和运动轨迹以得到不同的工件的形状轮廓，不需要预先对金属板进行复合和额外的制造模具，同时结合了摩擦复合和超声波复合技术和双点渐进成形的优点。

4、工具头的长度大于其直径的5倍左右，保证在加工过程中，超声波功能组不与板料轮廓发生干涉，提升了装置的安全性。

5、工具头的圆角半径至少为两块板料厚度之和的3倍，可以有效减小工具头的运动阻力，避免划伤材料表面。

6、超声波机构的功率可以调节，以实现连接能量输入和超声测量信号的不同功率强度要求，在高功率时加热金属板原料，在低功率时对成形件进行检测。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明进行复合成形工作状态的示意图；

图3为图1的A-A剖视示意图；

图4为成形件的结构示意图；

附图标记：1、工具头，2、主轴电机，3、主驱动控制单元，4、夹具，5、金属板原料，6超声波机构，61、超声波发生器，62、套环。

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和图2所示，本实施例提供了一种异质金属板原料的复合成形装置，包括夹具4、驱动控制单元3和两个复合成形模块。所述两个复合成形模块对称设置于两块层叠的金属板原料5的左右两面，两块层叠的金属板原料5通过夹具4固定。驱动控制单元3分别连接两个复合成形模块，用于控制两个复合成形模块同步地竖直方向和水平方向移动。

每个复合成形模块包括工具头1、超声波机构6和主轴电机2。

主轴电机2的主轴连接工具头1，并且控制工具头1旋转接触异质金属复合板。同时，主轴电机2连接驱动控制单元3。

超声波机构6安装在主轴电机2的固定部分，超声波机构6的超声波作用区域覆盖工具头1和异质金属复合板的接触区域。超声波机构6包括多个超声波发生器61、套环62和超声波控制器(图中未示出)，所述的套环62嵌套在工具头1的后端，所述的多个超声波发生器61均匀布置在套环62中，朝向工具头1的前端，所述的超声波控制器连接超声波发生器61，用于控制超声波发生器61的发射频率，通过调节超声波功率，超声波发生器61能够先使用大功率对异质金属板进行加热，再使用小功率测量工件高度尺寸。超声波机构6的功率范围为0～2KW，超声频率为20KHz左右超声波机构6安装在工具头1的位置应保证超声波的作用面积为工具头1端面与金属板原料5接触面积的1.2～1.5倍，利用高频振动波传递到两块需复合的异质金属板相邻表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合。超声波机构6在低功率状态应保证测量信号正常接收。

工具头1为圆柱体结构，工具头1的顶端设有一个平整面，用于接触金属板原料5，进行压料，平整面和侧面设有圆角。两个复合成形模块的工具头1平面在加工过程中设定为恒定间隙值。驱动控制单元3带动工具头1在X、Y、Z空间坐标系内移动，主轴电机2的主轴带动工具头1旋转运动，其中两工具头1的旋转方向既可同向也可反向，本实施例中为同向旋转。为了保证接触面的压紧度和表面质量，平整面和金属板原料5的接触面积为工具头1端部截面面积的75％～80％，同时为了减小工具头1运动阻力，圆角的圆角半径至少为两块金属板厚度之和的3倍。工具头1的长度大于直径的5倍左右，保证在加工过程中，超声波机构6不与板料轮廓发生干涉，提升了装置的安全性。此外，所选的工具头1的材质为碳化钨硬质合金，保证高熔点和高硬度。

如图3所示，本实施例的工作原理为：工具头1在主轴电机2的带动下旋转并接触金属板原料5，通过摩擦和超声波机构6辅助输入超声波能量传递至两块金属板原料5的界面加热，产生金属间化合物连接区，同时，驱动控制单元3控制整个复合成形模块按照加工的轨迹移动，完成两块板料同步的复合和渐进成形。在复合成形的加工完成后，超声波机构6调节超声波功率，使用超声波信号对完成件的加工深度进行测量。

将工具头1与超声波机构6相结合，从而利用压力摩擦和超声波振动生热的方式加热金属板，最终实现两块异质金属板原料5的复合，不用更换工具头1和拆卸板料，能够实现同步的复合成形，克服异质金属材料连接成形能力差，复合与塑性成形不同步，加工效率低等缺点。并且可以根据需要和设备条件主动调整工具头1特征，成形件形状轮廓和超声波输入能量功率，不需要进行金属板原料5预先连接和额外制造模具，结合了摩擦焊、超声波焊接和渐进成形的优点。

本实施例的工作步骤为：

步骤S1：计算机加工主程序载入双点渐进成形的加工轨迹；

步骤S2：两个工具头1分别对两块板料进行中高速旋转压力摩擦加热并辅助超声波能量以完成异质金属板料的连接，同时基于预设的加工轨迹进行渐进成形；

步骤S3：加工完成后，成形件回到程序设定0点位置，松开工件夹具4，如图4所示，微机程序调节超声波功率，使用超声波信号对加工件的加工深度进行测量，并与预设加工深度进行对比；

所述步骤S2中渐进成形过程中针对每一段加工轨迹，程序设定一个工具头1作为主动工具头1，另一个工具头1作为背压反顶工具头1，并按照加工轨迹进行渐进成形。超声波机构6的功率可根据具体材料和工况调节，以实现不同的总能量输入。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种异质金属板原料的复合成形装置，其特征在于，包括夹具(4)、驱动控制单元(3)和两个复合成形模块，所述两个复合成形模块对称设置于两块层叠的金属板原料(5)的两面，所述两块层叠的金属板原料(5)通过夹具(4)固定，其中，每个复合成形模块包括工具头(1)、超声波机构(6)和主轴电机(2)，所述主轴电机(2)的主轴连接工具头(1)，控制工具头(1)旋转接触金属板原料(5)，所述的超声波机构(6)安装在主轴电机(2)的固定部分，超声波机构(6)的超声波作用区域覆盖工具头(1)和异质金属复合板的接触区域，所述的驱动控制单元(3)分别连接两个复合成形模块的主轴电机(2)，用于控制两个复合成形模块同步移动。

2.根据权利要求1所述的异质金属板原料的复合成形装置，其特征在于，所述的超声波机构(6)包括多个超声波发生器(61)、套环(62)和超声波控制器，所述的套环(62)嵌套在工具头(1)的后端，所述的多个超声波发生器(61)均匀布置在套环(62)中，朝向工具头(1)的前端，所述的超声波控制器连接超声波发生器(61)，用于控制超声波发生器(61)的发射频率。

3.根据权利要求1所述的异质金属板原料的复合成形装置，其特征在于，所述的工具头(1)为圆柱体结构，工具头(1)的底端板为一个平整面，用于接触异质金属复合板。

4.根据权利要求3所述的异质金属板原料的复合成形装置，其特征在于，所述工具头(1)顶端的平整面和侧面设有圆角。

5.根据权利要求3所述的异质金属板原料的复合成形装置，其特征在于，所述工具头(1)的长度大于直径的5倍。

6.根据权利要求3所述的异质金属板原料的复合成形装置，其特征在于，所述工具头(1)的圆角半径大于两块层叠的金属板原料(5)的总厚度的3倍。

7.根据权利要求1所述的异质金属板原料的复合成形装置，其特征在于，所述的工具头(1)材质为碳化钨硬质合金。

8.根据权利要求1所述的异质金属板原料的复合成形装置，其特征在于，两个工具头(1)分别对两块金属板原料(5)进行旋转压力摩擦加热，同时，超声波机构(6)发射超声波能量对渐进成形加工处进行加热，进行两块金属板原料(5)的复合加工形成异质金属复合板；在复合加工的过程中，两个复合成形模块同步沿着双点渐进成形的加工轨迹运行，进行渐进成形加工。

9.根据权利要求1所述的异质金属板原料的复合成形装置，其特征在于，在复合成形的加工完成后，超声波机构(6)调节超声波功率，使用超声波信号对完成件的加工深度进行测量。

10.一种基于如权利要求1～9任一所述的异质金属板原料的复合成形装置的成形方法，其特征在于，具体步骤包括：

S1.载入双点渐进成形的加工轨迹；

S2：两个复合成形模块的工具头(1)分别对两块金属板原料(5)进行旋转压力摩擦加热，并且超声波机构(6)发射高频超声波能量能量共同完成金属板原料(5)的复合，同时基于载入的加工轨迹进行渐进成形；

S3：加工完成后，装置回复到加工初始位置，调节超声波机构(6)的发射功率，使用低频超声波信号对加工件的加工深度进行测量。