CN115213546A - 用于金属内部散热孔道成形加工的工具及搅拌摩擦焊设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于金属内部散热孔道成形加工的工具及搅拌摩擦焊设备，涉及金属内部散热孔道成形加工技术领域。不仅能够对孔道外表面凸台进行铣削加工，而且增强了塑性金属向外流动的能力、缩短了提取路径，使孔道截面形状更规则、内壁更平整。该工具包括轴肩和设置在轴肩下部的搅拌针；轴肩的底面向上凹陷形成为圆环形内凹部，圆环形内凹部的顶面上开设有多个沿径向贯通的凹槽；多个凹槽沿周向均布在圆环形内凹部的顶面上；搅拌针的底面上内凹部；搅拌针的侧壁上开设有三条等距分布的螺旋导流槽；相邻两个螺旋导流槽之间形成搅拌齿；其中一个搅拌齿上设有斜面缺口，斜面缺口贯通内凹部的侧壁。本申请同时公开了一种搅拌摩擦焊设备。

Description

用于金属内部散热孔道成形加工的工具及搅拌摩擦焊设备

技术领域

本申请涉及金属内部散热孔道成形加工技术领域，尤其涉及一种用于金属内部散热孔道成形加工的工具及搅拌摩擦焊设备。

背景技术

随着生产水平的提高，多个工业领域对内部孔道制品提出了更广泛的应用需求，如制造紧凑型热交换器、用于电缆路径的金属结构孔道、无损检测导线路径、润滑网络、流体存储/液压、轻型组件的空心板和结构、空调制冷中的冷凝器和蒸发器，以及飞机油冷却器等。目前多采用钻孔、铣削和电火花加工等方式生产内部散热孔道制品。上述加工方法的缺点是：加工过程繁琐、效率低下且无法实现复杂和微型的孔道加工制造。

参照图1，搅拌摩擦孔道(FSC)是一种基于搅拌摩擦的制造技术，其源自搅拌摩擦焊接和加工(FSWP)的工艺原理。FSC拥有在单个制造步骤中产生孔道的内部封闭自由路径以及控制孔道形状和尺寸的能力，实现了焊接和开槽同时进行，并且在传热能力、表面粗糙度和孔道路径变化、低成本加工、更高的生产速度和单步制造方面均优于钻孔、铣削等加工方式，提供了一步制造的解决方案。

目前FSC加工方法主要分为动轴肩FSC和静轴肩FSC。所使用的专用工具设计仍基于FSW工具设计理念，其搅拌针均为上大下小的轴对称图形，例如，外侧开设对称导流槽的圆台。该结构容易导致被去除的材料无法有效导出，从而使孔道截面形状呈不规则特征，并且使孔道内壁不平整。此外，为了使材料顺利流出形成孔道，动轴肩FSC的轴肩表面与工件表面常留有间隙，这也导致在孔道表面产生明显的台阶，需要后续进行平整加工，降低生产效率、增加了生产成本。静轴肩FSC技术虽然没有孔道外表面台阶，但是由于其对轴肩和搅拌针之间的间距要求比较严格，因此，极易在使用过程中发生损坏，大大降低了工具的寿命，且由于轴肩产热不足，限制了加工参数范围。

发明内容

本申请的实施例提供一种用于金属内部散热孔道成形加工的工具及搅拌摩擦焊设备，不仅能够对孔道外表面凸台进行铣削加工，保证加工区表面平整，而且增强了塑性金属向外流动的能力、缩短了提取和回填路径，使孔道截面形状更规则、内壁更平整。

为达到上述目的，一方面，本申请的实施例提供了一种用于金属内部散热孔道成形加工的工具，包括轴肩和设置在所述轴肩下部的搅拌针；所述轴肩的底面向上凹陷形成为圆环形内凹部，所述圆环形内凹部的顶面上开设有多个沿径向贯通的凹槽；多个所述凹槽沿周向均布在所述圆环形内凹部的顶面上；所述搅拌针的底面上内凹部；所述搅拌针的侧壁上开设有三条等距分布的螺旋导流槽；相邻两个所述螺旋导流槽之间形成搅拌齿；其中一个所述搅拌齿上设有斜面缺口，所述斜面缺口贯通所述内凹部的侧壁。

进一步地，所述搅拌针呈上小下大的圆台状，所述搅拌针的锥度为20°～60°。

进一步地，所述搅拌针的上端设有与所述连接孔的孔径相适配的连接轴，所述连接轴上设有定位槽；所述轴肩的下部设有连接孔，所述连接孔的孔壁上设有多个沿轴向布置的定位孔，定位螺钉穿过所述定位孔后进入所述定位槽内。。

进一步地，所述搅拌针的高度为其底端直径的一半，所述圆环形内凹部的深度为所述搅拌针的高度的一半。

进一步地，所述搅拌针的连接轴的下端设有中间台；所述中间台的直径大于所述搅拌针的大端直径，小于所述轴肩的直径。

进一步地，所述内凹部的顶面为球面，所述球面的直径为所述搅拌针的底端直径的0.6倍。

进一步地，所述内凹部与所述螺旋导流槽之间通过柱形切口连通。

进一步地，所述螺旋导流槽的直径为所述搅拌针的底端直径的0.3倍；所述柱形切口的直径为所述搅拌针的底端直径的0.3倍。

进一步地，所述凹槽的口部宽度大于底部的宽度。

另一方面，本申请的实施例还提供了一种搅拌摩擦焊设备，包括上述的用于金属内部散热孔道成形加工的工具。

本申请相比现有技术具有以下有益效果：

1、本申请实施例通过切掉搅拌针有效体积的三分之一，使其出现缺口，相比现有技术中沿轴线相互对称的搅拌针，本申请实施例能够使底部材料在回填过程中，不经过搅拌针的外锥面，而是直接横向转移堆积至前进侧，缩短了回填路径，同时也由于外锥面的不完整，缩短了提取路径，增强了孔道上层厚度的一致性，有利于形成规则对称内孔道，并提高孔道尺寸的稳定性。

2、本申请实施例通过将轴肩的底部设置为圆环形内凹部，能够使被去除的材料顺利导出，同时通过在圆环形内凹部的顶面上开设多个沿径向贯通的凹槽，使轴肩兼具铣削功能，能够去除圆环形内凹部中堆积的冷却后的固态被去除材料，解决了现有动轴肩FSC在孔道表面容易产生明显的台阶的问题，减少后续表面车削加工量。

3、本申请实施例中的搅拌针为上小下大的圆台状，使工具有了更强的材料提取能力，同时导流槽的设计也增强了塑性金属向外流动的能力。

4、本申请实施例通过在搅拌针底部设置内凹部，并使其与导流槽贯通，有效改善了底部材料的流动与混合状态。

5、本申请实施例在搅拌针的上端和轴肩的下端之间设置中间台，由此，可以防止颗粒过大的材料流出。

6、本申请实施例通过在搅拌针的上端设置连接轴，并在轴肩的下部设置连接孔和多个定位孔，使得搅拌针与轴肩的相对高度可以自主调节，进而使得搅拌针的上端与加工工件表面之间的间隙可调，同时轴肩的切削深度也可调。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为现有FSC工作原理示意图；

图2为本申请实施例用于金属内部散热孔道成形加工的工具一个视角的立体结构示意图；

图3为本申请实施例用于金属内部散热孔道成形加工的工具另一个视角的立体结构示意图；

图4为本申请实施例用于金属内部散热孔道成形加工的工具另一个视角的立体结构示意图；

图5是本申请实施例用于金属内部散热孔道成形加工的工具的主视剖视图；

图6是本申请实施例用于金属内部散热孔道成形加工的工具的仰视图；

图7是本申请实施例用于金属内部散热孔道成形加工的工具中轴肩与搅拌针的连接结构示意图；图8是本申请实施例第一种工况下得到的孔道形貌图；

图9是本申请实施例第一种工况下得到的表面形貌图；

图10是本申请实施例第二种工况下得到的孔道形貌图；

图11是本申请实施例第二种工况下得到的表面形貌图；

图12是本申请实施例第三种工况下得到的孔道形貌图；

图13是本申请实施例第三种工况下得到的表面形貌图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

参照图1至图6，本申请的实施例提供了一种用于金属内部散热孔道成形加工的工具，包括轴肩1和连接在轴肩1下端的搅拌针3。

轴肩1的底面向上凹陷形成为圆环形内凹部11，圆环形内凹部11的深度为搅拌针3的高度h的一半。圆环形内凹部11的顶面上开设有多个沿径向贯通的凹槽12。例如，六个。多个凹槽12沿周向均布在圆环形内凹部11的顶面上。凹槽12的口部宽度大于底部的宽度，具体的凹槽12的外张角度β可以为25°。由此，能够使来自工件内部的被去除材料顺利流向圆环形内凹部11，同时圆环形内凹部11上的径向凹槽11外沿贴合工件表面，能够对孔道外表面(圆环形内凹部11内)堆积且冷却凝固的被去除材料产生车削作用，进而保证加工区表面平整。

参照图7，轴肩1的下部设有连接孔(图中未示)，搅拌针3的上端设有与连接孔的孔径相适配的连接轴(图中未示)，连接轴上设有定位槽(图中未示)；连接孔的孔壁上设有多个沿轴向布置的定位孔4，定位螺钉5穿过定位孔4后进入定位槽内。

搅拌针3的连接轴的下端设有中间台2，中间台2为圆柱体，其直径大于搅拌针3的大端直径，小于轴肩1的直径。由此，可以防止颗粒过大的材料流出。

搅拌针3呈上小下大的圆台状，圆台的锥度α为20°～60°，搅拌针3的h高度为其底端直径d的一半。相比现有技术中正锥形的搅拌针3，倒锥形的搅拌针3使工具具有更强的材料提取能力。

搅拌针3的底面上设有内凹部31，内凹部31的顶面为球面。球面的直径为搅拌针3的底端直径的0.6倍。由此，可以改善底部材料的流动与混合状态。

搅拌针3的侧壁上开设有三条等距分布的螺旋导流槽32，螺旋导流槽32的直径为搅拌针3的底端直径的0.3倍。相邻两个螺旋导流槽32之间形成搅拌齿33。其中一个搅拌齿33被去除掉一部分，形成斜面缺口34，斜面缺口34与搅拌针3的轴线之间的夹角γ为锐角，具体的，γ可以为60°。螺旋导流槽32和斜面缺口34均与内凹部31连通，具体的，斜面缺口34贯通内凹部31的侧壁，而螺旋导流槽32与内凹部31之间通过柱形切口35连通。由此，底部材料在回填过程中，不经过搅拌针3的外锥面，而是直接横向转移堆积至前进侧，缩短了回填路径，同时也由于外锥面的不完整，缩短了提取路径，增强了孔道上层厚度的一致性，有利于形成规则对称内孔道，并提高孔道尺寸的稳定性。

需要说明的是，加工斜面缺口34之前，需先加工出内凹部31和三个螺旋导流槽32，然后从搅拌针3的底面开始，沿其中一个螺旋导流槽32切削掉对应的搅拌齿33的一部分，即可形成斜面缺口34。

具体的，在一些实施例中，被加工件为8mm厚的6061铝合金板材。本申请实施例孔道加工工具中圆环形内凹部11的大径D＝23mm，搅拌针3的底端直径d＝10mm，锥度α为12°，斜面缺口34与搅拌针3的轴线之间的夹角γ＝60°。

参照图8和图9，当工具旋转速度为400rpm，行进速度为200mm/min。获得的孔道形貌如图7所示，表面形貌如图8所示。由图可见，采用本申请实施例孔道加工工具获得的孔道截面形状近似呈规则梯形，底部宽度略小于搅拌针3的底端直径d，高度约为搅拌针3高度h的一半，表面平整。

参照图10和图11，当工具旋转速度为500rpm，行进速度为200mm/min。获得的孔道形貌如图9所示，表面形貌如图10所示。由图可见，采用本申请实施例孔道加工工具获得的孔道截面形状近似呈规则梯形，底部宽度略小于搅拌针3的底端直径d，高度约为搅拌针3高度h的一半，表面平整。

参照图12和图13，当工具旋转速度为600rpm，行进速度为200mm/min。获得的孔道形貌如图11所示，表面形貌如图12所示。由图可见，采用本申请实施例孔道加工工具获得的孔道截面形状近似呈规则梯形，底部宽度略小于搅拌针3的底端直径d，高度约为搅拌针3高度h的一半，表面平整。

本申请的实施例还提供了一种搅拌摩擦焊设备，包括上述的用于金属内部散热孔道成形加工的工具，能够实现对铝、镁及铜合金内部散热孔道的高效成形加工。

本申请的实施例中的用于金属内部散热孔道成形加工的工具还可以用于机器人平台上，实现对铝、镁及铜合金内部散热孔道的高效成形加工。另外，本申请用于金属内部散热孔道成形加工的工具的应用实例不局限于铝、镁及铜合金材料的FSC孔道加工，对于其他有色金属材料的FSC孔道加工也可以使用本申请实施例提出的新型孔道加工工具进行。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于金属内部散热孔道成形加工的工具，其特征在于，包括轴肩和设置在所述轴肩下部的搅拌针；所述轴肩的底面向上凹陷形成为圆环形内凹部，所述圆环形内凹部的顶面上开设有多个沿径向贯通的凹槽；多个所述凹槽沿周向均布在所述圆环形内凹部的顶面上；所述搅拌针的底面上内凹部；所述搅拌针的侧壁上开设有三条等距分布的螺旋导流槽；相邻两个所述螺旋导流槽之间形成搅拌齿；其中一个所述搅拌齿上设有斜面缺口，所述斜面缺口贯通所述内凹部的侧壁。

2.根据权利要求1所述的用于金属内部散热孔道成形加工的工具，其特征在于，所述搅拌针呈上小下大的圆台状，所述搅拌针的锥度为20°～60°。

3.根据权利要求2所述的用于金属内部散热孔道成形加工的工具，其特征在于，所述轴肩的下部设有连接孔，所述搅拌针的上端设有与所述连接孔的孔径相适配的连接轴，所述连接轴上设有定位槽；所述连接孔的孔壁上设有多个沿轴向布置的定位孔，定位螺钉穿过所述定位孔后进入所述定位槽内。

4.根据权利要求2所述的用于金属内部散热孔道成形加工的工具，其特征在于，所述搅拌针的高度为其底端直径的一半；所述圆环形内凹部的深度为所述搅拌针的高度的一半。

5.根据权利要求3所述的用于金属内部散热孔道成形加工的工具，其特征在于，所述搅拌针的连接轴的下端设有中间台；所述中间台的直径大于所述搅拌针的大端直径，小于所述轴肩的直径。

6.根据权利要求1所述的用于金属内部散热孔道成形加工的工具，其特征在于，所述内凹部的顶面为球面，所述球面的直径为所述搅拌针的底端直径的0.6倍。

7.根据权利要求6所述的用于金属内部散热孔道成形加工的工具，其特征在于，所述内凹部与所述螺旋导流槽之间通过柱形切口连通。

8.根据权利要求7所述的用于金属内部散热孔道成形加工的工具，其特征在于，所述螺旋导流槽的直径为所述搅拌针的底端直径的0.3倍；所述柱形切口的直径为所述搅拌针的底端直径的0.3倍。

9.根据权利要求1所述的用于金属内部散热孔道成形加工的工具，其特征在于，所述凹槽的口部宽度大于底部的宽度。

10.一种搅拌摩擦焊设备，其特征在于，包括权利要求1～9任一所述的用于金属内部散热孔道成形加工的工具。

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