一种叠层板同步连接与渐进复合成形工具及方法

摘要

本发明涉及一种叠层板同步连接与渐进复合成形工具及方法，其中工具包括用于装夹需要成形的两层异质的板料的装夹工具、用于分别与异质的板料接触的两个工具组，每个工具组包括依次连接的驱动控制单元、主轴电机和工具头，工具头端部设有用于增大摩擦系数的凹槽、用于压料的平整面和用于渐进成形的圆角结构，凹槽和平整面位于工具头的端面，圆角结构位于工具头端部的边缘处；工具头与板料接触并转动，通过摩擦加热方式完成两块板料的连接和成形。与现有技术相比，本发明具有等优点。

权利要求

1.一种叠层板同步连接与渐进复合成形工具，包括用于装夹需要成形的两层异质的板料(8、9)的装夹工具(7)、用于分别与异质的板料(8、9)接触的两个工具组，其特征在于，每个工具组包括依次连接的驱动控制单元、主轴电机和工具头，所述工具头端部设有用于增大摩擦系数的凹槽(11)、用于压料的平整面(12)和用于渐进成形的圆角结构(13)，所述凹槽(11)和平整面(12)位于工具头的端面，所述圆角结构(13)位于工具头端部的边缘处；所述工具头与板料(8、9)接触并转动，通过压力旋转摩擦加热方式完成两块板料(8、9)的连接和成形，且所述圆角结构(13)传递力作用使板料(8、9)发生塑性变形，而底部凹槽(11)用于压紧板料(8、9)并在旋转时辅助材料流动。

2.根据权利要求1所述的一种叠层板同步连接与渐进复合成形工具，其特征在于，所述凹槽(11)的深度为两块板料(8、9)原始厚度之和的0-50％。

3.根据权利要求1所述的一种叠层板同步连接与渐进复合成形工具，其特征在于，所述凹槽(11)的中心与工具头的端面的中心重合，且凹槽(11)的形状关于其中心呈旋转对称。

4.根据权利要求1所述的一种叠层板同步连接与渐进复合成形工具，其特征在于，所述平整面(12)和板料(8、9)的接触面积为工具头端部截面面积的75％～80％。

5.根据权利要求1所述的一种叠层板同步连接与渐进复合成形工具，其特征在于，所述圆角结构(13)的圆角半径至少为两块板料(8、9)原始厚度之和的3倍。

6.根据权利要求1所述的一种叠层板同步连接与渐进复合成形工具，其特征在于，所述工具头的材质为碳化钨硬质合金。

7.一种如权利要求1～6中任一所述的复合成形工具的方法，其特征在于，包括：

步骤S1：载入渐进成形的加工轨迹；

步骤S2：两个工具头分别对两块板料(8、9)进行高速旋转摩擦加热以完成两块板料(8、

9)的连接，同时基于预设的加工轨迹进行渐近成形。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中渐近成形过程中针对加工轨迹中的每一段，选择一个工具头作为主工具头，另一个工具头作为背压反顶工具头，并按照加工轨迹进行渐近成形。

说明书

一种叠层板同步连接与渐进复合成形工具及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及机械加工领域，尤其是涉及一种叠层板同步连接与渐进复合成形工具及方法。

背景技术

[0002] 金属复合板料可以克服单质材料单一的物理性能，充分发挥和合理利用各种金属的特殊物理、力学性能，具有理想的电、热特性，低密度，优良的弯曲刚度、塌陷耐性以及振动阻尼特性，综合性能比单一金属更加优越，在航空航天，汽车，船舶和家用电器领域有着重要应用。叠层金属板传统上可由多种方法获得，包括爆炸焊接法、轧制法、爆炸加轧制法等。然而，由于叠轧复合的影响因素很多，复合材料的性能差异也较大，因而不同的材料，其复合机理并不相同。

[0003] 近年来国内外对复合板料渐进成形的研究越发深入，对不同服役工况下的工件制备技术有了很提升，推广了这种无模柔性制造工艺在工业上的应用。

[0004] 对此，韩国专利KR20110041860(A)公开了一种室温下采用旋转摩擦渐进成形镁合金板的方法和装置(ROTATIONAL INCREMENTAL FORMING METHOD FOR MAGNESIUM ALLOY SHEETS IN A ROOM TEMPERATURE)，中国专利CN104607523B也公开了一种板料搅拌复合渐进装置和方法，利用一个能旋转和平动的带搅拌针的工具头配合反顶装置实现异质板料的连接和渐进复合成形。

[0005] 上述装置和方法主要针对单层板的摩擦辅助加热的渐进成形或者运用带搅拌针的工具头对板料进行破坏连接，搅拌针回抽时会在工件表面造成孔洞且接头处因为搅拌作用容易出现界面变形，未焊透等缺陷。另一方面，带有搅拌针的工具头制造难度和成本都比较高昂，损耗率高。

发明内容

[0006] 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同步连接与渐进复合成形工具及方法。

[0007] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

[0008] 一种叠层板同步连接与渐进复合成形工具，包括用于装夹需要成形的两层异质的板料的装夹工具、用于分别与异质的板料接触的两个工具组，每个工具组包括依次连接的驱动控制单元、主轴电机和工具头，所述工具头端部设有用于增大摩擦系数的凹槽、用于压料的平整面和用于渐进成形的圆角结构，所述凹槽和平整面位于工具头的端面，所述圆角结构位于工具头端部的边缘处；所述工具头与板料进行压力接触并转动，通过压力摩擦加热方式完成两块异质板料的连接和成形。

[0009] 所述凹槽的深度为两块板料原始厚度之和的0-50％。

[0010] 所述凹槽的中心与工具头的端面的中心重合，且凹槽的形状关于其中心呈旋转对称。

[0011] 所述平整面和板料的接触面积为工具头端部截面面积的75％～80％。

[0012] 所述圆角结构的圆角半径至少为两块板料原始厚度之和的3倍。

[0013] 所述工具头的材质为碳化钨硬质合金。

[0014] 一种复合成形工具的方法，包括：

[0015] 步骤S1：载入渐进成形的加工轨迹；

[0016] 步骤S2：两个工具头分别对两块板料进行高速旋转摩擦加热连接以完成两块板料的连接，同时基于预设的加工轨迹进行渐近成形。

[0017] 所述步骤S2中渐近成形过程中针对加工轨迹中的每一段，选择一个工具头作为主工具头，另一个工具头作为背压反顶工具头，并按照加工轨迹进行渐近成形。

[0018] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0019] 1)采用在工具头上设置凹槽的方式提高摩擦系数，从而利用摩擦生热的方式加热板料，最终实现两块异质板料的连接和成形，克服异质金属材料成形能力差，加工不同步，效率不高等问题。

[0020] 2)可以根据需要和设备条件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，不需要进行叠层板预先连接和额外制造模具，同时结合了摩擦焊连接技术和渐进成形的优点。

[0021] 3)没有搅拌针，不破坏板料的内部结构，在工件连接后不留下针孔缺陷，保证材料完整度，成品件品质更好，同时也降低了工具头的生产成本。

[0022] 4)凹槽的深度为两块板料厚度之和的0-50％，可以控制工件材料的受热效率，促进材料流动，同时保证工件的表面质量，使得表面粗糙度保持在合理水平。此深度范围也便于机床加工。

[0023] 5)工具头端部的平整面和板料的接触面积为工具头端部截面面积的75％～80％，保证接触面的压紧度。

[0024] 6)圆角结构的圆角半径至少为两块板料厚度之和的3倍，可以减小工具头运动阻力。

附图说明

[0025] 图1为本发明装置的结构示意图；

[0026] 图2(a)～(d)为本发明工具头端部凹槽设计的结构示意图；

[0027] 图3为本发明工具装备对板料进行摩擦连接和渐进同步成形过程及工件模型示意图；

[0028] 图4为实施例中成形件的结构示意图；

[0029] 其中：1、工具头，2、工具头，3、主轴电机，4、主轴电机，5、驱动控制单元，6、驱动控制单元，7、装夹工具，8、板料，9、板料。

具体实施方式

[0030] 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。

[0031] 一种叠层板同步连接与渐进复合成形工具，如图1和图3所示，包括用于装夹需要成形的两层异质的板料8、9的装夹工具7、用于分别与异质的板料8、9接触的两个工具组，每个工具组包括依次连接的驱动控制单元、主轴电机和工具头，如图2(a)～(d)所示，工具头端部设有用于增大摩擦系数的凹槽11、用于压料的平整面12和用于渐进成形的圆角结构13，凹槽11和平整面12位于工具头的端面，圆角结构13位于工具头端部的边缘处；工具头与板料8、9接触并转动，通过摩擦加热方式并将热量传递至两块板料8、9的界面，产生金属间化合物完成连接，完成两块板料8、9的连接和成形。

[0032] 如图1所示，左边的工具组包括一体化工具头1、主轴电机3和驱动控制单元5，右边的工具组包括一体化工具头2、主轴电机4和驱动控制单元6，其中驱动控制单元6可用气压装置实现力控制或电机设备实现位移控制。

[0033] 工具头1、2在轴向上处于相对于水平设置，在加工过程中处于恒定的间隙。待成形的异质的板料8、9通过装夹工具7平整装夹在工具头1、2之间。驱动控制单元5、6通过主轴电机3、4与工具头1、2相连，驱动控制单元带动工具头在X、Y、Z空间坐标系内平动和旋转运动，其中两工具头的旋转方向既可同向也可反向，图1给出的是同向旋转的情况示例。

[0034] 采用在工具头上设置凹槽11的方式提高摩擦系数，从而利用压力摩擦生热的方式加热板料，最终实现两块异质板料的连接和成形，能够实现异质板料的同步连接成形，克服异质金属材料成形能力差，加工不同步，效率不高等问题。并且可以根据需要和设备条件主动调整工具头特征和工件的形状轮廓，不需要进行叠层板预先连接和额外制造模具，结合了摩擦焊和渐进成形的优点。

[0035] 两端工具头各有4个自由度，包含3个平动自由度和1个旋转自由度。在复合成形时工具头既有旋转摩擦作用，同时也相互起反顶压头作用。

[0036] 凹槽11的深度为两块板料8、9原始厚度之和的0-50％。

[0037] 凹槽11的中心与工具头的端面的中心重合，且凹槽11的形状关于其中心呈旋转对称，具体旋转对称的旋转角与凹槽的设计有关，对于如图2所示的凹槽11的结构，角度为60度。

[0038] 为了保证接触面的压紧度，平整面12和板料8、9的接触面积为工具头端部截面面积的75％～80％，同时为了减小工具头运动阻力，圆角结构13的圆角半径至少为两块板料8、9厚度之和的3倍。

[0039] 此外，所选的工具头1、2的材质为碳化钨硬质合金。

[0040] 对此，使用方法包括：

[0041] 步骤S1：根据模型轮廓形状设计生成渐进成形的加工轨迹，导入装置中的驱动控制单元5、6，其中，成形件如图4所示；在原始板料装夹前，对板料表面进行清洁，去除氧化膜和其他污渍；装夹时要保证两板料紧密贴合，防止接触面间空气进入，而破坏连接效果；

[0042] 步骤S2：两个工具头分别对两块板料8、9进行高速旋转摩擦加热以连接，同时基于加工轨迹进行渐近成形，其中，渐近成形过程中针对加工轨迹中的每一段，选择一个工具头作为主工具头，另一个工具头作为背压反顶工具头，并按照加工轨迹进行渐近成形。