[发明专利]一种叠层板双点同步连接与渐进复合成形装置及方法

说明书

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。

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。