CN110116265B - 异质叠层板单点数控连接及渐进复合成形系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及异质叠层板单点数控连接及渐进复合成形系统及其应用，系统包括夹具、工具头、主轴伺服电机、驱动控制单元，夹具夹持在异质叠层板的两端，工具头与异质叠层板的表面接触，主轴伺服电机与工具头连接，经驱动控制单元控制工具头对异质叠层板进行加工。与现有技术相比，本发明不需要进行叠层板的预先连接和额外制造模具，能够实现异质板料的同步连接成形，克服异质金属材料同步连接成形能力差，加工效率低等缺点，同时结合了压力摩擦焊和渐进成形的优点。

Description

异质叠层板单点数控连接及渐进复合成形系统及其应用

技术领域

本发明涉及机械制造加工领域中的金属板料塑性成形技术，尤其是涉及一种异质叠层板单点数控连接及渐进复合成形系统及其应用。

背景技术

金属板料渐进成形技术是一种塑性成形研究领域的柔性制造工艺手段，它可以快速实现用户定制的形状，加工成本相较传统的模具开发有明显优势，尤其适合单件或小批量生产。目前，渐进成形工艺及理论均得到了深入研究，在实践中主要应用于塑性较好的钢板或铝合金板的成形。复合的金属叠层板可以克服单层板性能单一，且由于加工后厚度减薄严重，常发生局部颈缩甚至断裂的缺陷。传统的加工方式是先通过特定工艺手段，如搅拌摩擦焊，爆炸焊接、平辊轧制、热压扩散焊等方式来完成复合板的制备，再以制备好的复合板作为原材料生产所需要的零部件。这种多工序生产流程成本高，耗能大，效率低，有悖于实现高端制造理念。虽然前述复合方法的机理并不完全相同，但是本质上都是利用热效应在金属层间实现连接。

异质金属叠层板连接和渐进成形的研究作为板料成形的热门话题，近年来国内外对此都有广泛研究，使得不同服役工况下的目标零件加工技术取得了一定进步。从而推动这种板料复合制造工艺的应用前景，加快其技术成熟的步伐。

综合目前已公开的专利成果可以发现，查光成等人申请的发明专利CN104438480公开了一种基于板料拼焊的渐进成形方法，能够将厚度存在差异的板料沿横向拼焊完成连接，充分发挥拼焊板的渐进成形性能，且可以有效弥补渐进成形过程中减薄严重导致板厚不足的缺点；陆彬等人申请的发明专利CN104607523公开了一种板料搅拌渐进复合成形装置及方法，可实现功能梯度材料厚向贴合后的搅拌摩擦焊合及渐进成形一体化。

上述装置和方法中，前者主要针对利用分工步对单层板料拼接，然后再进行渐进成形。其主要缺陷在于连接和渐进成形两道分步工序降低了生产效率，且制造成本高，难以在现有的渐进成形设备直接安装实现同步工序。后者基于搅拌摩擦焊方法的复合渐进成形装置及方法虽然能够实现同步成形，但其需要设计特定的带有搅拌针的渐进工具头和背压反顶工具头。在进行摩擦连接时针头经过的轨迹处材料厚度减薄非常严重，搅拌摩擦连接成形的板料表面质量会存在明显缺陷，且双点设备运行同步稳定性较差，机构设计较为复杂，尚有待改进之处。目前，对于异质叠层板单点同步连接及渐进复合工艺尚未开发出系统可行的方法。

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异质叠层板单点数控连接及渐进复合成形系统及应用该系统对异质叠层板进行加工成形的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

异质叠层板单点数控连接及渐进复合成形系统，包括夹具、工具头、主轴伺服电机、驱动控制单元，

所述夹具夹持在异质叠层板的两端，

所述工具头与异质叠层板的表面接触，

所述主轴伺服电机与所述工具头连接，经所述驱动控制单元控制所述工具头对异质叠层板进行加工。

所述工具头为回转体平底圆角式结构，前端面为平整面，端部的边缘处为圆角结构，工具头的平底部分起下压和摩擦产生传递热量用于异质叠层板连接的作用，工具头的圆角部分则用于施加成形力。

所述工具头的横断面直径为20-40mm，工具头端部的平整面和板料的接触面积为工具头横截面面积的75％～80％。

所述工具头由耐磨耐高温的碳化钨硬质合金经机械加工制成。

异质叠层板单点数控连接及渐进复合成形系统的应用，包括以下方法：

对异质叠层板进行预处理，然后用夹具将所述异质叠层板装夹固定于工作台上；

校准工具头下刀位置和初始高度，向驱动控制单元内传入相应的NC代码，利用驱动控制单元驱动主轴伺服电机，该伺服电机控制工具头的运动轨迹；

工具头依据运动轨迹和运动时间进行加工；

校验加工件的成形轮廓精度和连接强度情况，完成异质叠层板的成形。

叠层板的上面两层为待成形件的板料，最下层为辅助板。通过工具头摩擦和板料变形产热，复合层板料的接触界面温度不断上升，在局部变形区产生有一定厚度的金属间化合物层的冶金连接，同时在耦合的热力循环作用下完成同步变形。在复合层下方安放表面涂有氮化硼阻隔剂的辅助板，能够有效改善界面连接情况及成形件轮廓精度。利用辅助板提供背反力，在渐进成形时可以保证成形件的形状精度，也有利于改善母材板间的连接特性。

异质叠层板需进行表面预处理，采用电动刷将两层板料的接触面均匀打磨至露出新鲜表面，以去除轧制板表面的氧化层。并在辅助板上表面均匀涂抹厚度0.1-0.2mm的氮化硼阻隔剂。为保证良好的力学特性，三层板平面的轧制方向在叠放夹持时保持一致。

所述工具头沿预设的CAD轨迹完成工件轮廓渐进成形，受CNC加工中心控制。其工艺窗口参数包括转速为3000-6000rpm，层进高度为0.1-0.3mm，加工深度不低于20mm。

加工过程中及时清除板料表面接触产生的切削屑。

本发明利用压力摩擦生热的方式，最终实现两块异质板料的连接。本发明能够实现异质板料的同步连接成形，克服异质金属材料同步连接成形能力差，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特征，不需要进行叠层板的预先连接和额外制造模具，结合了压力摩擦焊和渐进成形的优点。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)直接利用进给比和转速等工艺参数在工艺窗口内控制摩擦和变形条件来调节产热量，实现两块异质板料的连接和成形。本方法能够克服异质金属材料连接成形能力差，连接与渐进成形加工不同步等问题。超越合适工艺窗口的过强工艺参数组合将导致温升过快，与工具头接触的上表面材料流动加速，切削效应显著增强，异质板间脆性的金属间化合物快速不均匀生成，导致最终成形件的表面质量和连接强度都不符合要求；小于合适工艺窗口的较弱工艺参数组合将导致摩擦和变形产生的温度不足以使异质板间产生固态连接。

2)采用现有的单点CNC数控加工中心，可根据成形件的特点调整工具头尺寸和运动轨迹以得到适应不同的工件的加工轨迹。不需要预先连接叠层板，减少工步，同时结合了压力摩擦焊及渐进成形的优点。

3)不用在工具头上设置凹槽或搅拌针的方式，通过结合材料塑性变形和表面摩擦两大产热方式即可以保证良好的温升效应，减少制造工序和成本，改善成形件表面质量。工具头横断面直径为20-40mm，端部的平整面和板料的接触面积为工具头圆棒横截面面积的75％～80％，保证工具头旋转摩擦时在接触面的压紧度、足够的产热面积和成形件表面质量。过大的工具头将降低渐进成形的成形性；而过小的横断面直径将导致摩擦接触面积减少，抑制产热效果。

4)工具头圆角结构的圆角半径至少为三块板料厚度之和的2倍，可以有效降低成形过程中的运动阻力，避免划伤材料表面。

5)辅助板要求具有一定的强度和塑性，能够为渐进成形提供足够的支撑力。在成形件接触的辅助板上表面，氮化硼阻隔剂涂层厚度约为0.1-0.2mm，以保证辅助板不与异质叠层板产生连接。

附图说明

图1为异质叠层板单点数控连接及渐进复合成形系统的结构示意图；

图2为工具头在加工平面上沿等高线型加工轨迹运动的局部示意图。

图中，1-辅助板料，2-板料，3-板料，4-夹具，5-工具头，6-驱动控制单元，7-主轴伺服电机，8-局部成形轨迹。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例

异质叠层板单点数控连接及渐进复合成形系统，其结构如图1所示，包括用于装夹需要成形的两层异质的板料2、板料3和辅助板1的夹具4，用于与异质金属板料表面接触成形的工具头5，其连接主轴伺服电机7及其驱动控制单元6；工具头5高速旋转与板料接触并沿周向进给，通过摩擦生热传递至复合层界面加热的方式，与压力耦合循环共同作用下，产生金属间化合物冶金连接，完成复合层同步连接和变形。其中驱动控制单元6可实现对工具头5的力控制或位移控制。待成形的板料2、板料3以及辅助板1通过夹具4平整装夹在工作台上。驱动控制单元6通过主轴伺服电机7与工具头5相连，驱动控制单元6带动工具头在X、Y、Z空间坐标系内平动和旋转运动，其中工具头5的旋转方向既可正向也可反向。图2给出的是工具头5在加工平面上沿待成形件轮廓周向和径向步进进给的局部等高线型轨迹示意图，形成局部成形轨迹8。

工具头5有4个运动自由度，包含3个坐标轴平动自由度和1个旋转自由度。其材质为碳化钨硬质合金，以保证高熔点和高硬度。

对复合同步成形，其实施步骤包括：

步骤S1：对叠层板进行预处理

采用电动刷去除板料2、板料3表面氧化层，均匀打磨至露出新鲜表面，在辅助板1上表面均匀涂抹0.1-0.2mm厚度的氮化硼阻隔剂，然后将处理后的母材与辅助板按相同的轧制顺序装夹固定于夹具4上三层板平面的轧制方向在叠放夹持时保持一致；

步骤S2：对刀和选择加工程序

根据成形件形状确定工具头5的运动轨迹和运动时间，将相应编写的NC代码传入驱动控制单元6，并且对刀校准工具头下刀位置和初始高度；

步骤S3：进行加工和去除切削屑

依据计算机加工主程序载入的单点渐进成形的加工轨迹，工艺窗口参数包括转速为3000-6000rpm，层进高度为0.1-0.3mm，加工深度不低于20mm工具头对两块板料进行中高速旋转压力摩擦加热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。及时清除工具头与板料表面接触时可能产生的切削屑，保证加工件的表面质量。渐进成形过程中针对每一段加工轨迹，程序设定工具头按照加工轨迹进行渐进成形，辅助板1作为背板提供支撑反力。本步骤可根据具体材料和成形情况调节工艺参数，以实现不同的摩擦热输入。

步骤S4：取件并校验成形质量

预设加工完成后，工具头回到程序设定0点位置，松开工件夹具，取下成形件后移去辅助板(1)，校验叠层板的成形轮廓精度和连接强度情况。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.异质叠层板单点数控连接及渐进复合成形系统，其特征在于，包括夹具、工具头、主轴伺服电机、驱动控制单元，

所述夹具夹持在异质叠层板的两端，

所述工具头与异质叠层板的表面接触，

所述主轴伺服电机与所述工具头连接，经所述驱动控制单元控制所述工具头对异质叠层板进行加工；

异质叠层板的下方还设有辅助板，夹持在所述夹具内，辅助板的上表面均匀涂抹厚度0.1-0.2mm的氮化硼阻隔剂。

2.根据权利要求1所述的异质叠层板单点数控连接及渐进复合成形系统，其特征在于，所述工具头为回转体平底圆角式结构，前端面为平整面，平整面的边缘处为圆角结构。

3.根据权利要求2所述的异质叠层板单点数控连接及渐进复合成形系统，其特征在于，所述工具头端部的平整面和异质叠层板的接触面积为工具头横截面积的75％～80％，所述圆角结构的圆角半径至少为三块异质叠层板厚度和的2倍。

4.根据权利要求1所述的异质叠层板单点数控连接及渐进复合成形系统，其特征在于，所述工具头由耐磨耐高温的碳化钨硬质合金加工制成。

5.如权利要求1所述的异质叠层板单点数控连接及渐进复合成形系统的应用，其特征在于，包括以下方法：

对异质叠层板进行预处理，然后用夹具将所述异质叠层板装夹固定于工作台上；

校准工具头下刀位置和初始高度，利用驱动控制单元驱动主轴伺服电机，该伺服电机控制工具头的运动轨迹；

工具头依据运动轨迹和运动时间进行加工；

校验加工件的成形轮廓精度和连接强度情况，完成异质叠层板的成形。

6.根据权利要求5所述的异质叠层板单点数控连接及渐进复合成形系统的应用，其特征在于，所述异质叠层板的下方还设有辅助板，夹持在所述夹具内。

7.根据权利要求6所述的异质叠层板单点数控连接及渐进复合成形系统的应用，其特征在于，用电动刷将异质叠层板的接触面均匀打磨至露出新鲜表面，以去除轧制板表面的氧化层，在辅助板的上表面均匀涂抹厚度0.1-0.2mm的氮化硼阻隔剂。

8.根据权利要求6所述的异质叠层板单点数控连接及渐进复合成形系统的应用，其特征在于，所述异质叠层板与辅助板的平面的轧制方向在叠放夹持时保持一致。

9.根据权利要求5所述的异质叠层板单点数控连接及渐进复合成形系统的应用，其特征在于，所述工具头沿预设的CAD轨迹完成工件轮廓渐进成形，工具头受CNC加工中心控制，加工时控制转速为3000-6000rpm，层进高度为0.1-0.3mm，加工深度不低于20mm。

10.根据权利要求5所述的异质叠层板单点数控连接及渐进复合成形系统的应用，其特征在于，加工过程中及时清除板料表面接触产生的切削屑。

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