CN110369853B - 一种叠层板双点同步连接与渐进复合成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种叠层板双点同步连接与渐进复合成形装置及方法，装置包括设于叠层板一侧的辅助板、与叠层板旋转接触的主工具头组件以及与辅助板相适配的副工具头组件；方法包括：1)设定加工轨迹；2)主工具头组件及副工具头组件基于加工轨迹分别对叠层板以及辅助板施加压力，进行渐进成形加工。与现有技术相比，本发明采用辅助板和副工具头共同提供背压力，改善侧壁连接效果；本发明可以通过调整工具头和偏置策略，满足不同加工要求，同时结合摩擦焊连接技术同步实现异质板料连接和渐进成形加工；本发明中工具头端部不设搅拌针，避免破坏板料的内部及表面结构，结构简单的工具头有效降低生产成本。

Description

一种叠层板双点同步连接与渐进复合成形装置及方法

技术领域

本发明属于机械加工技术领域，涉及一种叠层板双点同步连接与渐进复合成形装置及方法。

背景技术

金属板料在制造业部门中一直是得到广泛应用和研究改进的关键材料，尤其是异质金属叠层板因其优异的物理化学综合性能，能够克服单一材料受限的服役属性而广受关注。近年来，异质金属叠层板在航空航天、汽车、船舶和家用电器等领域都得到深入研究及推广应用。通常依据不同复合机理和性能要求，采用爆炸焊接法、轧制法、爆炸加轧制等方法制备金属叠层板，再对叠层板进行塑性加工，以成形符合要求的部件。然而，随着工业部门对提升生产效率，简化工艺流程的需求日益迫切，近年来复合板料的制备和一体化成形是国内外兴起的研究热点。

对此，Lorrain Olivier等人提出采用无针工具头通过搅拌摩擦的方式对两块板材进行拼焊的方法(LORRAIN Olivier,et al.Understanding the material flow pathof friction stir welding process using unthreaded tools.Journal of MaterialsProcessing Technology,2010,210(4):603-609.)。

中国专利CN201910031639公开了一种金属材料的搅拌摩擦-挤压复合方法及装置，装置包括挤压台、支座、挤压成形模块、搅拌摩擦模块、挤压块及搅拌头；挤压成形模块设置在挤压台上，挤压台上对应于挤压成形模块的出口设有通孔；搅拌摩擦模块安装在挤压成形模块顶部；挤压块位于搅拌摩擦模块开口正上方；搅拌头穿过搅拌摩擦模块的型腔，一端支撑在支座上，另一端用于与传动机构连接；支座安装在挤压台上。该装置中搅拌头可以实现搅拌焊接功能和晶粒细化的过渡，从而实现复合材料焊接-挤压复合、晶粒细化-挤压复合以及两者之间的过渡复合功能。

中国专利CN201510078916公开了一种板料搅拌渐进复合成形装置及方法，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；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。

上述装置和方法主要针对板材的摩擦辅助加热的界面连接或者运用带搅拌针的工具头对板料进行连接。采用无针搅拌摩擦进行拼焊的方法虽然能使板料实现连接，然而拼焊的部位却无法实现同步变形，而且这种方法在异质材料的连接成形时由于厚度方向上接触区域较小而受到明显限制。金属材料焊接挤压复合成形方法最终得到类似轧制平板结构，无法实现特定形状的变形，且搅拌头穿过整个搅拌摩擦模块的型腔与材料整体接触旋转摩擦和挤压，将严重破坏上表面质量。此外，这种方法对材料厚度，材料叠放顺序及强度都有一定要求，因此加工能力受到限制。而采用板料搅拌渐进复合成形时，成形件形状精度难以进行有效控制且当搅拌针回抽时会在工件表面造成孔洞，未焊透和表面质量差等缺陷。另一方面，设在工具头端部的搅拌针容易产生严重磨损且产生塑性弯曲变形，影响其二次使用，不利于降低生产成本。因此，针对叠层板料的同步连接与渐进复合成形且对成形件表面质量和形状精度进行有效控制的方法尚待进一步开发。

中国专利CN201510078916公开了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。上述专利公布的技术方案存在以下弊端：

1)该方法需要在成形工具组上设置专用的超声波辅助成形模块，限制了加工成形件的尺寸深度；

2)该方法的实现要求对成形温度进行实时监测反馈，对温度监测以及超声波控制系统的稳定性依赖度较高；

3)由于温度调节容易存在滞后效应，导致该方法不利于实现大尺寸深度工件的成形；

4)由于主从工具头的摩擦效应，使得采用两层板料直接复合成形的方式也不利于实现较好的表面质量。

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叠层板双点同步连接与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：

一种叠层板双点同步连接与渐进复合成形装置，所述的叠层板包括堆叠设置且材质不同的第一板料及第二板料，所述的装置包括设于叠层板一侧的辅助板、与叠层板旋转接触的主工具头组件以及与辅助板相适配的副工具头组件，所述的主工具头组件及副工具头组件分别对叠层板及辅助板施加压力，使叠层板及辅助板产生形变，将第一板料及第二板料同步连接并渐进复合成形。

本发明用于同时实现异质金属板的连接与渐进复合成形加工。主工具头组件与叠层板接触并高速转动，通过摩擦加热方式完成两块异质金属板的连接，同时，通过主工具头组件及副工具头组件依照设定的加工轨迹运动，并分别对叠层板及辅助板施压，使得叠层板及辅助板产生预期的塑性变形，从而完成叠层板的渐进成形加工过程。

辅助板用于保证成形件外表面质量，辅助板与副工具头组件共同用于提供背压力，改善叠层板侧壁连接效果，提高成形精度。

进一步地，所述的主工具头组件包括与叠层板相接触的主工具头、与主工具头传动连接的主轴电机以及与主轴电机电连接的主控制器。主工具头组件还包括与主工具头传动连接并与主控制器电连接的主移动部件。

主控制器通过主轴电机带动主工具头转动，通过主移动部件带动主工具头产生位移。所述的主移动部件用于实现主工具头在横向、纵向及竖直方向上的位移，可通过分别设置在上述方向上并与主工具头连接的伸缩式液压缸实现。

进一步地，所述的主工具头的端部设有与叠层板相适配的平整面，所述的平整面的边缘设有圆角结构。所述的平整面用于压料，即通过平整面对叠层板施压，保持加工面的平整；所述的圆角结构用于对叠层板的侧壁、斜面及弯曲部分进行施压，使板料产生预期的塑性变形，并保持加工面的平滑。

进一步地，所述的平整面与主工具头端部横截面的面积比为0.25-0.40:1，所述的圆角结构的圆角半径为叠层板厚度的2-3倍。

平整面与主工具头端部横截面的面积比为0.25-0.40:1，保证接触面的压紧度和摩擦产热效果；圆角结构的圆角半径为叠层板厚度的2-3倍，可以减小主工具头运动阻力，改善成形件内表面质量。

进一步地，所述的副工具头组件包括与辅助板相接触的副工具头、与副工具头传动连接的伺服电机以及与伺服电机连接的副控制器。所述的副工具头还连接设有气动背压结构，用于维持成形时给定的背压力。所述的气动背压结构包括与副工具头连接的推杆以及与推杆连接的气缸，由车间总供气管道提供的空气经内置调节控压阀进入气缸，以维持气缸内的气体压力，通过推杆使得副工具头与辅助板之间保持所需给定的背压力。

伺服电机用于实现副工具头的力控制及位移控制。副工具头上可设置有多个伺服电机，分别位于副工具头的横向、纵向及竖直方向上，使得副控制器通过多个伺服电机带动主工具头产生横向、纵向及竖直方向上的位移。

作为优选的技术方案，所述的副工具头可采用端部呈半球形结构的副工具头或与主工具头相同结构的副工具头。

作为优选的技术方案，所述的副工具头可设置为自身不转动，也可装配具有旋转功能的部件使其与主工具头同向旋转或反向旋转。

作为优选的技术方案，所述的主工具头及副工具头的材质采用有较高的强韧性和表面硬度，较好的耐磨性能以及耐疲劳性能的碳化钨等硬质合金材料。

进一步地，所述的主控制器与副控制器电连接，以实现主工具头与副工具头同步工作。

进一步地，该装置还包括用于夹持固定叠层板与辅助板边缘的夹持组件，所述的夹持组件包括与叠层板边缘相接触的压板及与辅助板相接触的垫板。夹持组件用于在加工过程中保持叠层板与辅助板的稳定性，避免叠层板中的两块异质板料之间或叠层板与辅助板之间发生相对滑移。

一种基于如上所述的叠层板双点同步连接与渐进复合成形装置的渐进复合成形方法，包括以下步骤：

1)设定加工轨迹，并输入主控制器及副控制器；

2)主工具头组件及副工具头组件基于加工轨迹分别对叠层板以及辅助板施加压力，进行渐进复合成形加工。

所述的加工轨迹可根据所需加工零件的三维模型制定。

主工具头组件中的主工具头通过旋转压力摩擦加热的方式对叠层板的上表面进行加工，以完成异质板料的连接，通过主工具头与副工具头分别对叠层板以及辅助板施加压力以完成叠层板的渐进复合成形。

进一步地，在进行步骤2)之前，先将两块异质板料之间的接触表面进行打磨清洗，并在辅助板与叠层板之间布设氮化硼阻隔剂涂层。

打磨清洗过程具体为采用手持电动刷将待成形异质板料之间的接触表面均匀打磨至露出新鲜表面，并用酒精全面清洗，以去除轧制板表面的氧化层。

异质板料与辅助板在被夹持组件装夹固定时，两块异质板料紧密贴合，防止接触面间空气进入，以避免影响连接效果。

布设氮化硼阻隔剂涂层的具体过程为在辅助板的上表面和与之接触的待成形叠层板一侧分别均匀涂抹0.2mm厚的氮化硼阻隔剂涂层，以避免在加工过程中叠层板与辅助板相粘合。

加工时控制主工具头转速为3000-6000转/分钟，层进高度为0.2-0.6mm，加工深度不低于20mm。

加工时主工具头及副工具头在加工过程中处于恒定的间隙以保持稳定的成形条件。

进一步地，步骤2)中，副工具头组件基于加工轨迹的工作模式包括挤压策略成形工作模式、反弯曲策略成形工作模式或完全对中反顶策略成形工作模式。

在初始加工轨迹设计中，为使叠层板产生角度为α的弯曲形变，此时α称为成形角，成形角α一半的角度定义为β，主工具头及副工具头的中心连线与垂直于平整面方向所成角度应等于成形角α，副工具头所采取的如下偏置策略以实现不同工作模式：

偏置策略I：采用半球形副工具头与主工具头向上偏置不超过角度β，从而产生反弯曲变形效果，此时副工具头的工作模式即为反弯曲策略成形工作模式，或者向下偏置不超过角度β，从而产生挤压变形效果，此时副工具头的工作模式即为挤压策略成形工作模式，副工具头在两种工作模式下都可以提供一定的背压力并对叠层板成形的回弹量进行有效控制；

偏置策略II：与主工具头相同结构的副工具头，向上偏置角度β使得主工具头及副工具头的中心线相重合，以保证良好的对中性和背压力，增加板间压力接触面积，改善连接情况，此时副工具头的工作模式即为完全对中反顶策略成形工作模式。

另外，可以根据需要和设备条件调整偏置策略和加工轨迹以得到不同的工件的形状轮廓，适用材料及加工范围较广，并且无需实施对叠层板预先连接的工序，综合了搅拌摩擦焊和渐进成形的优点。

工作原理：本发明针对现有技术中异质板料的连接过程中造成的表面质量缺陷、加工过程中加工能力受限、异质金属材料成形能力差、多工步流程效率低下等问题而提出的一种叠层板双点同步连接与渐进复合成形装置及渐进复合成形方法；

本发明首先对异质板料进行打磨及清洗并堆叠设置得到叠层板，与辅助板贴合后，由夹持组件固定，根据加工轨迹驱使主工具头组件及副工具头组件分别对叠层板及辅助板进行加工；

其中，主工具头组件中的主工具头对叠层板的上表面以旋转压力摩擦加热的方式进行加工，通过摩擦加热方式使得叠层板中异质板料的界面产生金属间化合物固态连接；同时主工具头及副工具头分别在主控制器与副控制器的控制下依照加工轨迹运动，并持续对叠层板及辅助板施加压力，使得叠层板及辅助板产生塑性形变，完成渐进成形加工，并最终实现两块异质板料的固态连接和同步塑性变形。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)本发明采用辅助板和副工具头共同提供背压力，有利于改善侧壁连接效果；

2)本发明可以根据需要和设备条件主动调整工具头特征和偏置策略以得到不同的工件的形状轮廓，不需要进行叠层板预先连接和额外制造模具，同时结合摩擦焊连接技术同步实现异质板料连接和渐进成形加工；

3)本发明中主工具头端部不设搅拌针，避免破坏板料的内部结构，在工件连接后不留下针孔缺陷，而且简单的工具头结构设计有效降低了生产成本；

4)本发明中主工具头端部的平整面为工具头端部截面面积的25-45％，保证接触面的压紧度和摩擦产热效果；

5)本发明中主工具头圆角结构的圆角半径为待成形叠层板厚度的2-3倍，可以减小工具头运动阻力，改善成形件内表面质量。

附图说明

图1为本发明中一种叠层板双点同步连接与渐进复合成形装置的结构示意图；

图2为主工具头的结构示意图；

图3为半球形结构的副工具头的结构示意图；

图4为通过本发明加工得到的工件；

图中标记说明：

1—压板、2—垫板、3—主工具头、4—第一板料、5—主轴电机、6—主控制器、7—第二板料、8—副工具头、9—伺服电机、10—副控制器、11—辅助板、12—圆角结构、13—平整面。

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。

实施例1：

如图1所示的一种叠层板双点同步连接与渐进复合成形装置，包括用于装夹需要成形的堆叠设置的辅助板11以及叠层板的装夹工具压板1和垫板2、用于分别与叠层板及辅助板11接触的主工具头组件及副工具头组件，其中叠层板指的是堆叠设置且材质不同的第一板料4及第二板料7，主工具头组件包括依次连接的主控制器6、主轴电机5和主工具头3，主工具头3端部设有用于压料的平整面13和用于渐进成形的圆角结构12；副工具头组件包括依次连接的副控制器10、伺服电机9和对应偏置策略的副工具头8。高速转动的主工具头3与板料接触并按预设加工轨迹运动，通过摩擦加热方式使得异质板料4、7的界面产生金属间化合物固态连接，圆角结构12传递力作用使异质板料4、7产生预期的塑性变形。加工时控制主工具头3转速为3000-6000转/分钟，层进高度为0.2-0.6mm，加工深度不低于20mm。

位于图1中异质板料4、7左侧的主工具头组件包括依次连接的主控制器6、主轴电机5和主工具头3，位于图1中异质板料4、7右侧的副工具头组件包括副控制器10、伺服电机9和对应偏置策略的副工具头8，其中副控制器10可对副工具头8实现力控制和位移控制模式。

主工具头在加工过程中处于恒定的间隙以保持稳定的成形条件。待成形的第一板料4与第二板料7通过装夹工具压板1和垫板2平整装夹在主从工具头之间。主控制器6和副控制器10分别控制主轴电机5和伺服电机9，带动主工具头3及副工具头8在X、Y、Z空间坐标系内依照符合偏置策略的加工轨迹平动和旋转运动，其中主工具头3及副工具头8的旋转方向既可同向也可反向，副工具头8也可按照需要设置为自身不转动。图1所示为主工具头3转动而副工具头8不转动的情况示例。

利用工具头对板料进行压力摩擦生热的方式加热板料，最终实现第一板料4与第二板料7的固态连接和同步塑性变形，克服异质金属材料成形能力差，多工步流程效率低下等问题，并且可以根据需要和设备条件调整工具头偏置策略和加工轨迹以得到不同的工件的形状轮廓，适用材料范围较广，无需实施对叠层板预先连接的工序，综合了搅拌摩擦焊和渐进成形的优点。其成形件实施例如图4所示。

主工具头3及副工具头8各有4个自由度，包含3个平动自由度和1个旋转自由度。在复合成形时主工具头3起旋转摩擦作用，副工具头8提供背压力，也可旋转。

为了保证接触面的压紧度，平整面13和叠层板的接触面积为工具头端部截面面积的25-40％；同时为了减小工具头运动阻力，改善内表面成形质量，圆角结构12的圆角半径至少为第一板料4与第二板料7厚度之和的2-3倍。

为了保证成形件外表面质量，设置辅助板11对成形过程提供支持，提高成形精度。

此外，所选主工具头3及副工具头8的材质为有较高的强韧性和表面硬度，较好的耐磨以及耐疲劳性能的碳化钨等硬质合金材料。

基于上述装置的渐进复合成形方法包括如下步骤：

步骤1)，在主控制器6及副控制器10中导入根据模型轮廓形状设计生成的符合成形偏置策略的加工轨迹；

步骤2)，主工具头3基于加工轨迹对叠层板进行高速旋转摩擦加热，副工具头8根据偏置策略提供背压力以完成异质板料界面的固态连接和整体变形。

其中，在原始板料——第一板料4与第二板料7装夹前，对第一板料4与第二板料7表面进行清洁，去除氧化膜和其他污渍；装夹时第一板料4与第二板料7紧密贴合，防止接触面间空气进入，而破坏连接效果；用手持电动刷将第一板料4与第二板料7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，并用酒精清洗；在辅助板11的上表面和与之接触的待成形叠层板侧分别均匀涂抹0.2mm厚的氮化硼阻隔剂涂层。

实施例2：

如图1所示的一种叠层板双点同步连接与渐进复合成形装置，叠层板包括堆叠设置且材质不同的第一板料4及第二板料7，装置包括设于叠层板一侧的辅助板11、与叠层板旋转接触的主工具头组件以及与辅助板11相适配的副工具头组件，主工具头组件及副工具头组件分别对叠层板及辅助板11施加压力，使叠层板及辅助板11产生形变，将第一板料4及第二板料7同步连接并渐进复合成形。

本发明用于同时实现异质金属板的连接与渐进复合成形加工。主工具头组件与叠层板接触并高速转动，通过摩擦加热方式完成第一板料4与第二板料7的连接，同时，通过主工具头组件及副工具头组件依照设定的加工轨迹运动，并分别对叠层板及辅助板11施压，使得叠层板及辅助板11产生预期的塑性变形，从而完成叠层板的渐进成形加工过程。

辅助板11用于保证成形件外表面质量，辅助板11与副工具头组件共同用于提供背压力，改善叠层板侧壁连接效果，提高成形精度。

主工具头组件包括与叠层板相接触的主工具头3、与主工具头3传动连接的主轴电机5以及与主轴电机5电连接的主控制器6。主工具头组件还包括与主工具头3传动连接并与主控制器6电连接的主移动部件。

主控制器6通过主轴电机5带动主工具头3转动，通过主移动部件带动主工具头3产生位移。主移动部件用于实现主工具头3在横向、纵向及竖直方向上的位移，可通过分别设置在上述方向上并与主工具头3连接的伸缩式液压缸实现。

如图2所示的主工具头3的端部设有与叠层板相适配的平整面13，平整面13的边缘设有圆角结构12。平整面13用于压料，即通过平整面13对叠层板施压，保持加工面的平整；圆角结构12用于对叠层板的侧壁、斜面及弯曲部分进行施压，使板料产生预期的塑性变形，并保持加工面的平滑。

平整面13与主工具头3端部横截面的面积比为0.25-0.40:1，圆角结构12的圆角半径为叠层板厚度的2-3倍。

平整面13与主工具头3端部横截面的面积比为0.25-0.40:1，保证接触面的压紧度和摩擦产热效果；圆角结构12的圆角半径为叠层板厚度的2-3倍，可以减小主工具头3运动阻力，改善成形件内表面质量。

副工具头组件包括与辅助板11相接触的副工具头8、与副工具头8传动连接的伺服电机9以及与伺服电机9电连接的副控制器10。

副工具头8上可设置有多个伺服电机9，分别位于副工具头8的横向、纵向及竖直方向上，使得副控制器10通过多个伺服电机9带动主工具头3产生横向、纵向及竖直方向上的位移。

副工具头8可采用如图3所示的端部呈半球形结构的副工具头8或与如图2所示的主工具头3相同结构的副工具头8。

副工具头8可设置为自身不转动，也可装配具有旋转功能的部件使其与主工具头3同向旋转或反向旋转。

主工具头3及副工具头8的材质采用有较高的强韧性和表面硬度，较好的耐磨性能以及耐疲劳性能的碳化钨等硬质合金材料。

主控制器6与副控制器10电连接，以实现主工具头3与副工具头8同步工作。

该装置还包括用于夹持固定叠层板与辅助板11边缘的夹持组件，夹持组件包括与叠层板边缘相接触的压板1及与辅助板11相接触的垫板2。夹持组件用于在加工过程中保持叠层板与辅助板11的稳定性，避免叠层板中的第一板料4与第二板料7之间或叠层板与辅助板11之间发生相对滑移。

一种基于如上叠层板双点同步连接与渐进复合成形装置的渐进复合成形方法，包括以下步骤：

1)设定加工轨迹，并输入主控制器6及副控制器10；

2)主工具头组件及副工具头组件基于加工轨迹分别对叠层板以及辅助板11进行渐进复合成形加工。

加工轨迹可根据所需加工零件的三维模型制定。

主工具头组件中的主工具头3通过旋转压力摩擦加热的方式对叠层板的上表面进行加工，以完成第一板料4与第二板料7的连接，通过主工具头3与副工具头8分别对叠层板以及辅助板11施加压力以完成叠层板的渐进复合成形。

在进行步骤2)之前，先将第一板料4与第二板料7之间的接触表面进行打磨清洗，并在辅助板11与叠层板之间布设氮化硼阻隔剂涂层。

打磨清洗过程具体为采用手持电动刷将待成形第一板料4与第二板料7之间的接触表面均匀打磨至露出新鲜表面，并用酒精全面清洗，以去除轧制板表面的氧化层。

第一板料4、第二板料7及辅助板11在被夹持组件装夹固定时，第一板料4与第二板料7紧密贴合，防止接触面间空气进入，以避免影响连接效果。

布设氮化硼阻隔剂涂层的具体过程为在辅助板11的上表面和与之接触的待成形叠层板一侧分别均匀涂抹0.2mm厚的氮化硼阻隔剂涂层，以避免在加工过程中叠层板与辅助板11相粘合。

加工时控制主工具头3转速为3000-6000转/分钟，层进高度为0.2-0.6mm，加工深度不低于20mm。

加工时主工具头3及副工具头8在加工过程中处于恒定的间隙以保持稳定的成形条件。

步骤2)中，副工具头组件基于加工轨迹的工作模式包括挤压策略成形工作模式、反弯曲策略成形工作模式或完全对中反顶策略成形工作模式。

在初始加工轨迹设计中，为使叠层板产生角度为α的弯曲形变，此时α称为成形角，成形角α一半的角度定义为β，主工具头3及副工具头8的中心连线与垂直于平整面13侧壁方向所成角度应等于成形角α，副工具头8所采取的如下偏置策略以实现不同工作模式：

偏置策略I：采用半球形副工具头8与主工具头3向上偏置不超过角度β，从而产生反弯曲变形效果，此时副工具头8的工作模式即为反弯曲策略成形工作模式，或者向下偏置不超过角度β，从而产生挤压变形效果，此时副工具头8的工作模式即为挤压策略成形工作模式，副工具头8在两种工作模式下都可以提供一定的背压力并对叠层板成形的回弹量进行有效控制；

偏置策略II：与主工具头3相同结构的副工具头8，向上偏置角度β使得主工具头3及副工具头8的中心线相重合，以保证良好的对中性和背压力，增加板间压力接触面积，改善连接情况，此时副工具头8的工作模式即为完全对中反顶策略成形工作模式。

另外，可以根据需要和设备条件调整偏置策略和加工轨迹以得到不同的工件的形状轮廓，适用材料及加工范围较广，并且无需实施对叠层板预先连接的工序，综合了搅拌摩擦焊和渐进成形的优点。

工作原理：本发明针对现有技术中异质板料的连接过程中造成的表面质量缺陷、加工过程中加工能力受限、异质金属材料成形能力差、多工步流程效率低下等问题而提出的一种叠层板双点同步连接与渐进复合成形装置及渐进复合成形方法；

本发明首先对第一板料4与第二板料7进行打磨及清洗并堆叠设置得到叠层板，与辅助板11贴合后，由夹持组件固定，根据加工轨迹驱使主工具头组件及副工具头组件分别对叠层板及辅助板进行加工；

其中，主工具头组件中的主工具头3对叠层板的上表面以旋转压力摩擦加热的方式进行加工，通过摩擦加热方式使得叠层板中第一板料4与第二板料7的界面产生金属间化合物固态连接；同时主工具头3及副工具头8分别在主控制器6与副控制器10的控制下依照加工轨迹运动，并持续对叠层板及辅助板11施加压力，使得叠层板及辅助板11产生塑性形变，完成渐进成形加工，并最终实现第一板料4与第二板料7的固态连接和同步塑性变形。

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 (4)

1.一种基于叠层板双点同步连接与渐进复合成形装置的渐进复合成形方法，所述的叠层板包括堆叠设置且材质不同的第一板料(4)及第二板料(7)，其特征在于，所述的装置包括设于叠层板一侧的辅助板(11)、与叠层板旋转接触的主工具头组件以及与辅助板(11)相适配的副工具头组件，所述的主工具头组件及副工具头组件分别对叠层板及辅助板(11)施加压力，使叠层板及辅助板(11)产生形变，将第一板料(4)及第二板料(7)同步连接并渐进复合成形；

所述的主工具头组件包括与叠层板相接触的主工具头(3)、与主工具头(3)传动连接的主轴电机(5)以及与主轴电机(5)电连接的主控制器(6)，所述的主工具头(3)的端部设有与叠层板相适配的平整面(13)，所述的平整面(13)的边缘设有圆角结构(12)；

所述的副工具头组件包括与辅助板(11)相接触的副工具头(8)、与副工具头(8)传动连接的伺服电机(9)以及与伺服电机(9)电连接的副控制器(10)，所述的副工具头(8)采用端部呈半球形结构的副工具头(8)或与主工具头(3)相同结构的副工具头(8)；

所述的辅助板(11)用于保证成形件外表面质量，并与副工具头组件共同提供背压力，对成形过程提供支持；

所述的方法包括以下步骤：

1)设定加工轨迹；

2)主工具头组件及副工具头组件基于加工轨迹分别对叠层板以及辅助板(11)施加压力，进行渐进复合成形加工；

步骤2)中，副工具头(8)采取偏置策略以实现不同工作模式，副工具头(8)的工作模式包括挤压策略成形工作模式、反弯曲策略成形工作模式或完全对中反顶策略成形工作模式，通过调整工具头和偏置策略，满足不同加工要求；

在进行步骤2)之前，先将第一板料(4)与第二板料(7)之间的接触表面进行打磨清洗，并在辅助板(11)与叠层板之间布设氮化硼阻隔剂涂层；

主工具头组件中的主工具头(3)通过旋转压力摩擦加热的方式对叠层板的上表面进行加工，以完成异质板料的连接，通过主工具头(3)与副工具头(8)分别对叠层板以及辅助板(11)施加压力以完成叠层板的渐进复合成形；

在初始加工轨迹设计中，为使叠层板产生角度为α的弯曲形变，此时α称为成形角，成形角α一半的角度定义为β，主工具头(3)及副工具头(8)的中心连线与垂直于平整面方向所成角度应等于成形角α，副工具头(8)所采取的如下偏置策略以实现不同工作模式：

偏置策略I：采用半球形副工具头(8)与主工具头(3)向上偏置不超过角度β，从而产生反弯曲变形效果，此时副工具头(8)的工作模式即为反弯曲策略成形工作模式，或者向下偏置不超过角度β，从而产生挤压变形效果，此时副工具头(8)的工作模式即为挤压策略成形工作模式，副工具头(8)在两种工作模式下都可以提供一定的背压力并对叠层板成形的回弹量进行有效控制；

偏置策略II：与主工具头(3)相同结构的副工具头(8)，向上偏置角度β使得主工具头(3)及副工具头(8)的中心线相重合，以保证良好的对中性和背压力，增加板间压力接触面积，改善连接情况，此时副工具头(8)的工作模式即为完全对中反顶策略成形工作模式。

2.根据权利要求1所述的一种基于叠层板双点同步连接与渐进复合成形装置的渐进复合成形方法，其特征在于，所述的平整面(13)与主工具头(3)端部横截面的面积比为0.25-0.40:1，所述的圆角结构(12)的圆角半径为叠层板厚度的2-3倍。

3.根据权利要求1所述的一种基于叠层板双点同步连接与渐进复合成形装置的渐进复合成形方法，其特征在于，所述的主控制器(6)与副控制器(10)电连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于叠层板双点同步连接与渐进复合成形装置的渐进复合成形方法，其特征在于，该装置还包括用于夹持固定叠层板与辅助板(11)边缘的夹持组件，所述的夹持组件包括与叠层板边缘相接触的压板(1)及与辅助板(11)相接触的垫板(2)。

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