CN111672990A - 电流和摩擦辅助加热的异质叠层板复合成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电流和摩擦辅助加热的异质叠层板复合成形装置及方法，属于机械制造加工技术领域。装置包括与第一金属板旋转接触的第一工具头组件、与第二金属板旋转接触的第二工具头组件以及可调式时变电源，该可调式时变电源分别与第一工具头组件、第二工具头组件及异质叠层板的端部电连接。成形时，主动工具头与板料压力接触并高速旋转，通过摩擦生热和电流辅助加热的方式完成两块异质金属板料的连接及渐进同步复合成形。与现有技术相比，本发明中的成形装置及成形方法具有加工效率高、节约能源、提高零件的表面质量和轮廓精度等优点。

Description

电流和摩擦辅助加热的异质叠层板复合成形装置及方法

技术领域

本发明属于机械制造加工技术领域，涉及一种异质金属板料固态连接和塑性成形技术，尤其是涉及一种电流和摩擦辅助加热的异质叠层板双点渐进及同步连接复合成形方法及其相应装置。

背景技术

板料渐进成形技术是一种塑性成形研究领域的新型柔性无模制造工艺，可提高材料的成形极限，适用于原型制造、中小批量、高附加值或者传统成形技术无法加工的零件生产。目前，板料渐进成形工艺已经从一般的单点渐进成形发展到双点渐进成形，可以应用于钢、铝合金甚至钛合金单层板的成形。但是单层板性能单一，且加工后厚度减薄严重，限制其工业应用。而复合异质叠层板可以克服单一材料物理化学性能不足的缺陷，且具有相对密度低、弯曲刚度高、比强度高等特性，因此在航空航天、汽车车身开发和医疗定制等工业领域有极大的应用前景。

复合异质金属叠层板传统上可由多种方法获得，比如爆炸焊接法、辊轧法、热压扩散焊、熔融焊等，这些工艺方法的本质都是利用热效应在金属界面间实现机械和冶金连接。近年来国内外对异质金属叠层板连接和板料渐进成形的研究越发深入，对不同服役工况下的目标零件的加工技术取得了一定进步，从而推动了这种工艺在工业预制成形领域的复合制造工艺的应用前景。

公开号为CN209613950U的中国实用新型专利提出了一种金属板料多自由度激光加热渐进成形设备，该装置成形工具头和激光加热头分布在板料的两侧，保持激光束与加热区域切线方向垂直，避免激光器与待加热以外的区域发生干涉，最大化利用激光束的能量。该装置主要针对单层板的渐进成形提供辅助加热，可以调节激光加热的功率值，满足不同厚度不同材料的板料加热要求，它所能达到的加热温度能够使金属产生相变，提高了金属板料渐进成形的力学性能。但该装置的缺陷在于激光加热头无法起到背压反顶作用，只能应用于单点渐进成形，降低了异质叠层板连接的轮廓精度。

公开号为CN109249118A的中国发明专利公开了一种基于电阻焊的叠层板同步复合双点渐进成形装置，将可调式时变电源的一极连接至第一压头，另一极连接至第二压头，并与第一压头、叠层板、第二压头构成闭合回路。第一压头和第二压头分别与两个背压气缸相连，以补偿工具头的位移，避免第一压头和第二压头与板料失去接触。但该装置的主要缺陷在于两个工具头只能是对顶式的接触方式，加工零件底部容易出现鼓形，轮廓精度较低。虽然有背压气缸提供位移补偿，但仍然无法实现稳定可控的实时接触，同时在双点渐进成形加工过程的后期背压反顶工具头会和板料失去接触，此时会使得回路断电，因此仍有尚待改进之处。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种电流和摩擦辅助加热的异质叠层板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：

电流和摩擦辅助加热的异质叠层板复合成形装置，所述的异质叠层板包括堆叠设置且材质不同的第一金属板及第二金属板，所述的装置包括与第一金属板旋转接触的第一工具头组件、与第二金属板旋转接触的第二工具头组件以及可调式时变电源，该可调式时变电源分别与第一工具头组件、第二工具头组件及异质叠层板的端部电连接。第一工具头组件、第二工具头组件分别对第一金属板、第二金属板施加压力，从两侧成形异质叠层板。

进一步地，所述的可调式时变电源包括两个正极及一个负极，所述的两个正极分别与第一工具头组件、第二工具头组件电连接，所述的负极与异质叠层板的端部电连接，以构成闭合回路，在板面形成电流热场。每个工具头组件都与可调式时变电源装配使用，也可根据加工状态，只设置其中一个与可调式时变电源装配。

进一步地，所述的第一工具头组件包括与第一金属板旋转接触的第一工具头、与第一工具头传动连接的第一主轴电机以及与第一主轴电机相适配的第一驱动控制单元，所述的第二工具头组件包括与第二金属板旋转接触的第二工具头、与第二工具头传动连接的第二主轴电机以及与第二主轴电机相适配的第二驱动控制单元。第一主轴电机、第二主轴电机分别驱动第一工具头、第二工具头旋转。工具头组件通过工具头压力旋转摩擦与电源辅助能量输入方式共同完成两块异质板料的加热连接，由工具头沿预设轨迹渐进成形完成轮廓加工。

进一步地，所述的第一工具头及第二工具头中，当其中一个作为主动工具头时，另一个作为从动工具头。主动工具头与板料压力接触并高速旋转，通过摩擦生热和电流辅助加热的方式完成两块异质金属板料的连接及渐进同步复合成形。

进一步地，所述的第一驱动控制单元及第二驱动控制单元均包括移动部件以及与移动部件电连接的控制器。驱动控制单元通过移动部件的电机、液压缸或气缸等实现工具头的位移控制。

进一步地，所述的第一工具头及第二工具头的端部均设有与异质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，所述的平整面与异质叠层板的接触面积为第一工具头或第二工具头端部截面面积的75％-80％，所述的圆角结构的半径≥异质叠层板总厚度的2倍。第一工具头及第二工具头均为平底圆角形状，材质为硬质合金或工具钢，优选YG15硬质合金。工具头端部半径为设计零件开口半径的1/5-1/4左右。

第一工具头及第二工具头可根据模型轮廓深度和形状选用不同的型号。工具头的端部采用平底圆角设计，起接触压料、摩擦及对板料渐进塑性变形的作用。平整面起压料和传递力及扭矩作用，并在工具头旋转时带动材料流动，端部边缘为板料渐进成形用的圆角结构，传递力的作用使板料发生塑性变形。平底圆角工具头与半球球头相比，前者和板料的接触面积更大，因此同等加工时间内的辅助电阻热更大。工具头与异质叠层板接触并高速旋转，通过压力旋转摩擦生热的方式辅助完成异质叠层板的连接成形。

进一步地，该装置还包括红外测温仪，红外测温仪与可调式时变电源电连接，实时测量板面温度，并向可调式时变电源反馈。

进一步地，该装置还包括与异质叠层板的边缘相适配的夹具。夹具用于装夹待成形的两层异质金属板料。夹具需要做绝缘处理。

基于电流和摩擦辅助加热的异质叠层板复合成形装置的渐进成形方法，该方法包括以下步骤：

1)将待加工的异质叠层板去除表面氧化层并清洗干净，之后用夹具夹持固定异质叠层板的边缘四周，并调整第一工具头组件、第二工具头组件的位置；

2)根据第一工具头组件、第二工具头组件的运动轨迹确定所需的电流值，设定可调式时变电源的电压和接通时间；

3)第一工具头组件、第二工具头组件分别对第一金属板、第二金属板进行中高速旋转压力摩擦加热，并辅助电阻热以完成异质叠层板的连接，同时基于预设的加工轨迹进行异质叠层板渐进成形。这种复合成形方法具有加工效率高、节约能源、提高零件的表面质量和轮廓精度等优点。

渐进成形前，根据成形件的特征确定第一工具头和第二工具头的组合类型。

进一步地，步骤1)中，所述的异质叠层板的板面上涂耐高温导电润滑脂。在与从动工具头相接触的板面涂耐高温导电润滑脂，以保证成形件的表面质量。

优选地，可调式时变电源的电压值范围为12～15V，符合人体安全电压要求，可调节电流控制在15～20kA范围以内，具体数值根据红外测温仪的测量值实时调整，以实现不同的能量输入，保持板面峰值温度稳定，使得连接强度均匀。渐进过程中的板面温度维持在450～500℃。

异质叠层板的加工角度为壁角α，该值可为固定值也可为变化值，以适应不同的壁角形状要求。

针对每一段加工轨迹，程序设定一个工具头为主动工具头，另一个作为从动工具头，起背压反顶作用。可调式时变电源的输出电压根据红外测温仪实时反馈的温度数据自动调节。

预设加工完成后，第一工具头组件、第二工具头组件回到程序设定的零点位置，松开夹具，观测成形件的形貌和深度。

本发明将电场作为辅助能量输入连接工艺。本发明电流辅助加热的双点渐进连接成形叠层板是基于压力电阻焊的原理，为基体材料施加一定压力和电阻热，使其产生塑性变形甚至融化，并通过再结晶和扩散等作用，使两个原本处于分离表面的原子形成金属键而连接。该方法不但能够降低流动应力、提高材料的塑性、改善组织性能，还能避免加热和热处理的诸多不足。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)相比于搅拌摩擦辅助的渐进复合成形方法，本发明将电阻热和转动工具头摩擦热效应相结合，结合了摩擦焊、电阻焊和双点渐进成形的优点，成形性高。

2)可以根据实际工况调整工具头特征和运动轨迹以得到不同工件的形状轮廓，不需要预先连接叠层板和额外制造模具，减少了工序，提高了生产效率。

3)设定与硬质金属材料相接触的工具头为主动工具头，另一个为从动工具头，起背压反顶作用，可以提高成形精度。在从动工具头与板料接触面涂抹导电润滑脂，可以保证较好的表面质量。成形形状较为规则的零件，主从工具头均采用平底圆角式设计，工具头端部的平整面和板料的接触面积为工具头截面面积的75％～80％，保证了合理的摩擦和接触面的压紧度，流经叠层板的电流密度大小较为平稳，使得叠层板连接处的焊合质量较好。

4)可调式时变电源、板料分别和两个工具头构成闭合回路，可以保证当从动工具头和板料失去接触的时候仍有一组能构成闭合回路，产生一定的电阻热保证热量输入和设备工作。

5)根据红外测温仪的温度值，可以实时调整可调式时变电源的输出电压值和断电时间，来控制连接成形时的温度，同时使用载流较大的导线辅助工具头加热，加热温度高、效率快、可减小热量损失和电极损耗，节约能源，以及防止焊透率过大等缺陷。

附图说明

图1为本发明中渐进成形装置的结构示意图；

图2为实施例1中成形定壁角叠层板零件的结构示意图；

图3为实施例1中成形变壁角叠层板零件的结构示意图；

图中标记说明：

1—夹具、2—第一金属板、3—第一工具头、4—第一主轴电机、5—第一驱动控制单元、6—可调式时变电源、7—红外测温仪、8—第二工具头、9—第二主轴电机、10—第二驱动控制单元、11—第二金属板。

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所示的一种电流和摩擦辅助加热的异质叠层板双点渐进及同步连接复合成形装置，包括装夹待成形异质叠层板(第一金属板2、第二金属板11)的夹具1、用于成形异质叠层板的两个工具头组件、红外测温仪7、可调式时变电源6，每个工具头组件包括依次连接的主驱动控制单元(第一驱动控制单元5、第二驱动控制单元10)、主轴电机(第一主轴电机4、第二主轴电机9)、工具头(第一工具头3、第二工具头8)，主驱动控制单元通过电机实现位移控制，可调式时变电源6的正极连接至两个工具头，负极连接至异质叠层板构成闭合回路，在板面形成电流热场，红外测温仪7实时测量板面温度，并向可调式时变电源6反馈。

第一工具头3和第二工具头8的材质相同，为硬质合金或工具钢，优选YG15合金。两个工具头均采用平底圆角式设计，端部为压料及传递力和扭矩作用的平整面，在工具头旋转时带动材料流动，端部边缘为板料渐进成形用的圆角结构，传递力的作用使板料发生塑性变形。与半球球头相比，前者和板料的接触面积更大，因此同等加工时间内的辅助电阻热更大；工具头与板料接触并高速旋转，通过压力旋转摩擦生热的方式，产生金属间化合物连接区，辅助完成异质叠层板的连接成形。

工具头、异质叠层板、可调式时变电源6构成闭合回路，从而利用压力摩擦和电阻热的方式加热板料和同步成形，无需多余工序步骤，实现了异质板料的同步连接和成形，克服了异质金属材料连接成形能力差、连接与塑性成形不同步、加工效率低等缺点。同时可以根据实际工况调整工具头型号和可调式时变电源6的电压值，无需预先连接叠层板和额外制造模具，结合了摩擦焊、电阻焊和板料渐进成形的优点。

此外，平底圆角工具头的平整面面积约为工具头截面面积的75％～80％，以保证合理的压紧力和摩擦范围；圆角半径至少是异质叠层板厚度之和的2倍，以减少工具头的运行阻力，避免划伤材料。

对此，该装置的使用方法包括：

步骤S1：根据成形件的特征确定第一工具头3和第二工具头8的组合类型；

步骤S2：将待加工的第一金属板2、第二金属板11去除表面氧化层并清洗干净，用夹具1夹住叠层板料四周，调整两个工具头的位置，并将与从动工具头相接触的板面涂耐高温导电润滑脂；

步骤S3：在加工控制器的主程序载入双点渐进成形的加工轨迹；

步骤S4：根据工具头的运动轨迹确定所需的电流值，设定可调式时变电源6的电压和接通时间；

步骤S5：两个工具头分别对两块板料进行中高速旋转压力摩擦加热并辅助电阻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板料渐进成形。

步骤S6：预设加工完成后，两个工具头组件回到程序设定的零点位置，松开夹具1，观测成形件的形貌和深度。图2、图3分别为成形定壁角和变壁角叠层板零件的结构示意图。

其中，针对每一段加工轨迹，程序设定一个工具头为主动工具头，另一个作为从动工具头，起背压反顶作用。可调式时变电源6的电压根据红外测温仪7实时反馈的温度数据自动调节，以实现不同的能量输入，保持板面峰值温度稳定，使得连接强度均匀。

实施例2：

异质叠层板包括堆叠设置且材质不同的第一金属板2及第二金属板11，电流和摩擦辅助加热的异质叠层板复合成形装置包括与第一金属板2旋转接触的第一工具头组件、与第二金属板11旋转接触的第二工具头组件以及可调式时变电源6，该可调式时变电源6分别与第一工具头组件、第二工具头组件及异质叠层板的端部电连接。

其中，可调式时变电源6包括两个正极及一个负极，两个正极分别与第一工具头组件、第二工具头组件电连接，负极与异质叠层板的端部电连接，以构成闭合回路。

第一工具头组件包括与第一金属板2旋转接触的第一工具头3、与第一工具头3传动连接的第一主轴电机4以及与第一主轴电机4相适配的第一驱动控制单元5，第二工具头组件包括与第二金属板11旋转接触的第二工具头8、与第二工具头8传动连接的第二主轴电机9以及与第二主轴电机9相适配的第二驱动控制单元10。第一工具头3及第二工具头8中，当其中一个作为主动工具头时，另一个作为从动工具头。第一驱动控制单元5及第二驱动控制单元10均包括移动部件以及与移动部件电连接的控制器。第一工具头3及第二工具头8的端部均设有与异质叠层板相适配的平整面，平整面的边缘设有圆角结构，平整面与异质叠层板的接触面积为第一工具头3或第二工具头8端部截面面积的75％-80％，圆角结构的半径≥异质叠层板总厚度的2倍。

该装置还包括红外测温仪7以及与异质叠层板的边缘相适配的夹具1。

基于上述电流和摩擦辅助加热的异质叠层板复合成形装置的渐进成形方法，包括以下步骤：

1)将待加工的异质叠层板去除表面氧化层并清洗干净，之后固定异质叠层板的边缘，并调整第一工具头组件、第二工具头组件的位置，在与从动工具头相接触的板面涂耐高温导电润滑脂；

2)根据第一工具头组件、第二工具头组件的运动轨迹确定所需的电流值，设定可调式时变电源6的电压和接通时间；

3)第一工具头组件、第二工具头组件分别对第一金属板2、第二金属板11进行中高速旋转压力摩擦加热，并辅助电阻热以完成异质叠层板的连接，同时基于预设的加工轨迹进行异质叠层板渐进成形。

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 (10)

1.电流和摩擦辅助加热的异质叠层板复合成形装置，所述的异质叠层板包括堆叠设置且材质不同的第一金属板(2)及第二金属板(11)，其特征在于，所述的装置包括与第一金属板(2)旋转接触的第一工具头组件、与第二金属板(11)旋转接触的第二工具头组件以及可调式时变电源(6)，该可调式时变电源(6)分别与第一工具头组件、第二工具头组件及异质叠层板的端部电连接。

2.根据权利要求1所述的电流和摩擦辅助加热的异质叠层板复合成形装置，其特征在于，所述的可调式时变电源(6)包括两个正极及一个负极，所述的两个正极分别与第一工具头组件、第二工具头组件电连接，所述的负极与异质叠层板的端部电连接，以构成闭合回路。

3.根据权利要求1所述的电流和摩擦辅助加热的异质叠层板复合成形装置，其特征在于，所述的第一工具头组件包括与第一金属板(2)旋转接触的第一工具头(3)、与第一工具头(3)传动连接的第一主轴电机(4)以及与第一主轴电机(4)相适配的第一驱动控制单元(5)，所述的第二工具头组件包括与第二金属板(11)旋转接触的第二工具头(8)、与第二工具头(8)传动连接的第二主轴电机(9)以及与第二主轴电机(9)相适配的第二驱动控制单元(10)。

4.根据权利要求3所述的电流和摩擦辅助加热的异质叠层板复合成形装置，其特征在于，所述的第一工具头(3)及第二工具头(8)中，其中一个作为主动工具头，另一个作为从动工具头。

5.根据权利要求3所述的电流和摩擦辅助加热的异质叠层板复合成形装置，其特征在于，所述的第一驱动控制单元(5)及第二驱动控制单元(10)均包括移动部件以及与移动部件电连接的控制器。

6.根据权利要求3所述的电流和摩擦辅助加热的异质叠层板复合成形装置，其特征在于，所述的第一工具头(3)及第二工具头(8)的端部均设有与异质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，所述的平整面与异质叠层板的接触面积为第一工具头(3)或第二工具头(8)端部截面面积的75％-80％，所述的圆角结构的半径≥异质叠层板总厚度的2倍。

7.根据权利要求1所述的电流和摩擦辅助加热的异质叠层板复合成形装置，其特征在于，该装置还包括红外测温仪(7)。

8.根据权利要求1所述的电流和摩擦辅助加热的异质叠层板复合成形装置，其特征在于，该装置还包括与异质叠层板的边缘相适配的夹具(1)。

9.基于如权利要求1至8任一项所述的电流和摩擦辅助加热的异质叠层板复合成形装置的渐进成形方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)将待加工的异质叠层板去除表面氧化层并清洗干净，之后固定异质叠层板的边缘，并调整第一工具头组件、第二工具头组件的位置；

2)根据第一工具头组件、第二工具头组件的运动轨迹确定所需的电流值，设定可调式时变电源(6)的电压和接通时间；

3)第一工具头组件、第二工具头组件分别对第一金属板(2)、第二金属板(11)进行旋转压力摩擦加热，并辅助电阻热以完成异质叠层板的连接，同时基于预设的加工轨迹进行异质叠层板渐进成形。

10.根据权利要求9所述的基于电流和摩擦辅助加热的异质叠层板复合成形装置的渐进成形方法，其特征在于，步骤1)中，所述的异质叠层板的板面上涂耐高温导电润滑脂。

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