專利名稱：一種切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械制造零件加工技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備及其制造方法。
背景技術(shù)：
目前，帶有內(nèi)部封閉空腔體結(jié)構(gòu)件的制造，傳統(tǒng)制造方法主要有采用型材焊接，板材焊接脹形加工、或者整塊工件切削加工后然后再蓋板封閉等方法。這些傳統(tǒng)的加工方法工序多，制造周期長(zhǎng)，制造成本高，而且工件容易變形，結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度受到影響。1991年英國(guó)焊接研究所(TWI)的W. M. Thomas發(fā)明了攪拌摩擦焊技術(shù)，這種來源于機(jī)械冷加工制造工藝、基于固相連接的新型焊接技術(shù)具有明顯的優(yōu)越性。攪拌摩擦焊是一種新型的固相焊接方法，攪拌摩擦焊時(shí)不會(huì)產(chǎn)生與金屬熔化有關(guān)的焊接缺陷。由于攪拌摩擦焊溫度相對(duì)較低，焊接熱輸入較小，焊接后結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力或變形較小。同時(shí)，攪拌摩擦焊是一種綠色焊接方法，焊接前及焊接過程中對(duì)環(huán)境的污染小。因此，采用攪拌摩擦焊來加工成型工件可以減小焊接熱輸入、減小了焊接殘余應(yīng)力，控制結(jié)構(gòu)件的焊接變形，并且攪拌摩擦焊接效益高，不需要其他填充焊料，對(duì)環(huán)境污染小，經(jīng)濟(jì)效益較高。近年來，攪拌摩擦焊接技術(shù)與其它加工技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了許多復(fù)合加工制造新技術(shù)和新工藝，在機(jī)械制造領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。但是，對(duì)于具有內(nèi)部封閉空腔結(jié)構(gòu)的零部件來說，如冷凝板，除了分體式加工方法夕卜，傳統(tǒng)的攪拌摩擦焊接依然缺乏有效的加工辦法，因此，能否采用整塊材料，通過將焊接技術(shù)與切削技術(shù)相互融合，進(jìn)行聯(lián)合加工制造從而整體一次近凈成型出具有內(nèi)部封閉空腔結(jié)構(gòu)的零部件具有重要的意義，對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械制造方法來說，這種加工技術(shù)也是一個(gè)對(duì)機(jī)械制造領(lǐng)域具有里程碑式的創(chuàng)新，促進(jìn)機(jī)械制造技術(shù)發(fā)展與進(jìn)步，形成具有低成本、少工序、短周期的創(chuàng)新的機(jī)械制造技術(shù)，為世界范圍內(nèi)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供有力的支持，并確信這種聯(lián)合加工新技術(shù)和機(jī)械制造新理論的出現(xiàn)，必將成為二十一世紀(jì)世界范圍內(nèi)最為重要與廣泛應(yīng)用的焊接與制造技術(shù)之一。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械制造技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種高效、低成本、 高穩(wěn)定性、優(yōu)質(zhì)的切削技術(shù)及其原理與攪拌摩擦焊接技術(shù)及其原理相互融合的創(chuàng)新型的機(jī)械制造技術(shù)及其加工原理。對(duì)于具有內(nèi)部封閉空腔結(jié)構(gòu)的零部件來說，如冷凝板，采用整塊材料通過將焊接技術(shù)與切削技術(shù)相互融合，進(jìn)行切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工制造新技術(shù)，從而整體一次近凈成型出具有內(nèi)部封閉空腔結(jié)構(gòu)的零部件，應(yīng)用于制冰儲(chǔ)能領(lǐng)域具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值和科學(xué)研究意義。這種新型的機(jī)械制造加工方法，突破了增量式機(jī)械制造原理和減除式機(jī)械制造原理的束縛，而是將二者緊密的結(jié)合起來，形成一種有機(jī)的新型切削-焊接加工新原理、方法和技術(shù)。在機(jī)械制造領(lǐng)域，相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械制造技術(shù)來說，這種切削-焊接聯(lián)合加工技術(shù)是一個(gè)具有里程碑式的創(chuàng)新技術(shù)，必將推動(dòng)現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)的大力發(fā)展與進(jìn)步，在冷加工和固相焊接領(lǐng)域開拓了新的制造技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。本發(fā)明的技術(shù)方案如下。本發(fā)明提供一種切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備，包括攪拌頭本體，軸肩，位于攪拌頭本體下部的攪拌針，攪拌頭本體與機(jī)床本體的夾持部分連接，在攪拌針的下部具有自支撐、自適應(yīng)、自穩(wěn)定的切削系統(tǒng)，構(gòu)成了切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備，該設(shè)備具有攪拌摩擦焊接系統(tǒng)、切削系統(tǒng)、強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)、氣體保護(hù)系統(tǒng)、參數(shù)傳感與監(jiān)控系統(tǒng)、密封系統(tǒng)，是一種切削加工和攪拌摩擦焊接加工同時(shí)并行開展工作的聯(lián)合或者復(fù)合加工設(shè)備， 具有溫度和壓力檢測(cè)與控制、氣體保護(hù)、冷卻液保護(hù)、切削刀頭可更換、自支撐雙軸肩式攪拌摩擦焊接的功能，對(duì)工件實(shí)行銑削或切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工過程，能夠滿足有色金屬材料、碳鋼材料、不銹鋼、低合金高強(qiáng)鋼材料、復(fù)合材料機(jī)械加工的要求，將多工序、多工位加工轉(zhuǎn)變成一次加工成型的制造技術(shù)和工藝，減少了制造周期和成本，具有高效、優(yōu)質(zhì)、高穩(wěn)定、節(jié)能的技術(shù)特點(diǎn)，突破了常規(guī)機(jī)械加工技術(shù)的局限性，形成了切削-攪拌摩擦焊接復(fù)式機(jī)械制造加工的新方法，在采暖、空調(diào)、制冰、保鮮、制藥、建筑、水產(chǎn)、食品行業(yè)具有廣闊的工程應(yīng)用。本發(fā)明提供的切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備，所述切削系統(tǒng)，包括設(shè)置于攪拌頭本體上、在攪拌針下部的切削刀頭，切削刀刃，切削液通道，切削刀頭與攪拌頭本體的連接體；切削刀頭由圓柱形銑刀頭，或T型槽銑刀頭，或燕尾槽銑刀頭，或三面刃銑刀頭，或角度銑刀頭，或鍵槽銑刀頭，或鋸片銑刀頭，或成形銑刀頭構(gòu)成；切削刀頭采用可換刀頭的切削頭，或采用固定刀頭的切削頭，或采用一個(gè)自支撐、可浮動(dòng)、自適應(yīng)的切削頭；切削刀頭具有切削作用，以及具有作為雙軸肩中的底部軸肩支撐攪拌摩擦焊接的雙重功能；切削刀頭與攪拌頭本體采用固定連接方式或者活動(dòng)連接方式進(jìn)行裝配，切削刀頭與攪拌頭本體采用活動(dòng)連接方式時(shí)，切削刀頭通過螺紋或花鍵方式的連接體與攪拌頭本體連接；切削刀刃為固定一體式，或者分體式，其分體式切削刀刃通過螺絲緊固方式、或者焊接方式、或者機(jī)械鑲嵌方式將切削刀刃與切削刀頭進(jìn)行連接；切削刀頭位于攪拌針的下部、與攪拌頭本體成為一個(gè)整體，與攪拌頭本體、攪拌針一起以相同的速度旋轉(zhuǎn)；切削刀頭內(nèi)部具有刀頭冷卻液供應(yīng)通道，使冷卻液能夠到達(dá)切削部位，確保切削、脫屑、冷卻過程狀態(tài)良好，對(duì)工件的切削工作正常運(yùn)行。本發(fā)明的切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備，所述攪拌摩擦焊接系統(tǒng)，包括攪拌頭本體、軸肩、攪拌針、以及攪拌針下部與切削刀頭連接的部分；攪拌針呈圓柱形，或者呈圓錐形；攪拌針表面是光滑表面，或者是具有螺紋造型，或者是具有刃齒造型；軸肩直徑、攪拌針直徑、切削刀頭直徑、以及連接體的直徑相互匹配，保證切削系統(tǒng)和攪拌摩擦焊接系統(tǒng)具有足夠的強(qiáng)度和剛性，并能夠?qū)ぜ瓿汕邢?攪拌摩擦焊接過程；所述強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)， 包括設(shè)置于攪拌頭本體內(nèi)部的一個(gè)中空結(jié)構(gòu)的腔體，一根出水和入水復(fù)合管，切削液通道； 所述復(fù)合管用于將切削液引入和導(dǎo)出腔體，并將切削液通過切削液通道到達(dá)削刀頭部分， 用于對(duì)工件的切削加工，多余的切削液通過腔體循環(huán)流動(dòng)回來，并且能夠?qū)嚢桀^起到冷凝作用，控制攪拌頭的溫度，避免在摩擦攪拌焊接過程中攪拌頭溫度過高或升溫太快而損害攪拌頭的使用壽命和加工能力；復(fù)合管是與內(nèi)管原位隔離組合集成，內(nèi)管為出水口，相比進(jìn)水口其孔徑要小，并且內(nèi)管的進(jìn)水開口位于攪拌頭本體腔體的上部，而復(fù)合管的出水通道開口在攪拌頭本體腔體的下部，穿過攪拌針，接近削刀頭的末端位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)攪拌頭本體及焊縫的溫度控制，以及為切削刀頭輸送切削液；所述氣體保護(hù)系統(tǒng)，設(shè)置于攪拌頭本體的軸肩的端面和側(cè)面處，主要由攪拌頭本體內(nèi)的氣體空腔和保護(hù)氣體通道構(gòu)成，內(nèi)部設(shè)置有氣篩，使保護(hù)氣體形成層流，用于在焊接區(qū)域形成有效的氣體保護(hù)，保護(hù)摩擦焊接區(qū)和熱影響區(qū)高溫金屬，防止焊縫及熱影響區(qū)的金屬在高溫下被氧化；所述參數(shù)傳感與監(jiān)控系統(tǒng)，包括埋植于攪拌頭軸肩端面處的自耦合熱電阻式溫度傳感器和無源無線電阻式壓力傳感器， 以及無線感應(yīng)發(fā)射器；壓力傳感器能夠檢測(cè)軸向和徑向壓力，溫度傳感器用于檢測(cè)軸肩及其附近溫度的感應(yīng)傳感，溫度傳感器和壓力傳感器與攪拌頭本體上部的無線感應(yīng)發(fā)射器連接，用無源無線的高溫高壓傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)攪拌摩擦焊溫度、壓力、扭矩參數(shù)的檢測(cè)、記錄與監(jiān)控；所述密封系統(tǒng)，包括在攪拌頭本體的腔體、氣體腔體與復(fù)合管之間設(shè)置的動(dòng)密封構(gòu)件、轉(zhuǎn)換接頭和固定管接頭，用于達(dá)到既密封液態(tài)介質(zhì)與保護(hù)氣體的目的，并且使攪拌頭本體能自由旋轉(zhuǎn)，而整體導(dǎo)入和導(dǎo)出液態(tài)介質(zhì)與保護(hù)氣體的固定管接頭并不旋轉(zhuǎn)，動(dòng)密封系統(tǒng)采用唇型密封結(jié)構(gòu)，是一種接觸型的相對(duì)于復(fù)合管主軸旋轉(zhuǎn)的動(dòng)密封形式，同時(shí)具有絕緣、密封和運(yùn)動(dòng)三種特性，保障完成有效的切削-攪拌摩擦焊接行為。本發(fā)明提供一種切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工制造方法，使用了具有上述結(jié)構(gòu)形式的切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備，基于切削和攪拌摩擦焊接基本原理，同時(shí)并行開展切削-攪拌摩擦焊接復(fù)合加工式或者聯(lián)合加工方式的機(jī)械制造方法，其具體過程如下。1)使用夾具將工件進(jìn)行整體固定，在工件側(cè)面先行加工出一個(gè)“凸”形槽，“凸”形槽的上部位于工件上部，并開口于工件上表面，呈半圓形與攪拌針的形狀、直徑、大小和長(zhǎng)度相適應(yīng)，“凸”形槽的下部位于工件側(cè)面的中下部，其形狀和大小與切削刀頭相適應(yīng)，將切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備安裝于“凸”形槽中；使切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備的攪拌針位于“凸”形槽的上部，并將切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備的攪拌摩擦焊接軸肩下表面與工件的上表面壓緊，在“凸”形槽的形成攪拌摩擦焊接加工方式；而切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備的切削刀頭位于“凸”形槽的下部，在“凸”形槽的下部形成側(cè)面切削加工方式；
2)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，利用切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備，通過攪拌頭內(nèi)部通道，使用水基環(huán)保型、對(duì)人體無害的切削液，對(duì)工件的切削加工部位起到良好的冷卻、潤(rùn)滑、清洗、防銹、緩蝕作用，有效避免毛刺的產(chǎn)生，確保工件加工后形成的內(nèi)部封閉空心腔體的內(nèi)表面光滑，促進(jìn)廢屑排屑容易，不粘刀；切削-攪拌摩擦焊接復(fù)合加工完成后，使用高壓氣體將切削過程中殘留在內(nèi)部空心腔體內(nèi)的廢屑吹出，清理干凈加工后的工件；在攪拌摩擦焊接的焊縫區(qū)域，采用保護(hù)氣體進(jìn)行保護(hù)，并且通過攪拌頭中的強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)，控制攪拌摩擦輝接區(qū)和切削區(qū)域的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變和熱量輸入；
3)最后，在工件的另一側(cè)面部位施加一個(gè)引出板，將切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備從工件引出，從完成具有空腔體結(jié)構(gòu)工件的整體近凈成型。本發(fā)明提供的切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工制造方法，主軸旋轉(zhuǎn)速度為 20(T4000r/min，加工速度為l(T800mm/min，軸向壓力為0.廣50KN，保護(hù)氣體流量為8 30L/ min,工件厚度5 60mm ；
攪拌針和切削刀頭，采用高速鋼材料，或者硬質(zhì)合金材料，或者陶瓷材料，或者復(fù)合材
料；或者，在切削刀頭表面，攪拌針表面和軸肩端面，采用Ti納米改性的MoS2/Ti納米復(fù)合膜，或者采用以納米TiN改性的Ti (C，N)基金屬陶瓷材料，或者使用類石墨/Cr復(fù)合鍍層 Graphit-iCTM，或者使用類金剛石納米復(fù)合膜，對(duì)切削刀頭，攪拌針和軸肩進(jìn)行強(qiáng)化處理， 以增強(qiáng)切削刀頭，攪拌頭的關(guān)鍵部位抗磨損、抗氧化、抗高溫的能力，大幅度提高切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工工具的使用壽命；
保護(hù)氣體為惰性氣體包括氬氣、氦氣一元?dú)怏w，以及相互混合的二元?dú)怏w； 或者，保護(hù)氣體為活性氣體包括氮?dú)?、二氧化碳、氧氣一元?dú)怏w，以及與惰性氣體混合的二元或多元?dú)怏w，進(jìn)行區(qū)域保護(hù)；
采用可換銑刀頭的切削-攪拌摩擦焊接復(fù)合工具，或采用固定銑刀頭的切削-攪拌摩擦焊接復(fù)合工具，或采用銑刀頭為一個(gè)可浮動(dòng)軸肩的雙軸肩自支撐的切削-攪拌攪拌摩擦焊接復(fù)合工具。本發(fā)明提供的切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備和切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工制造方法，在下述方面的用途
用于有色金屬和黑色金屬及其合金材質(zhì)的切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工制造，包括 碳鋼，合金鋼，高溫合金，不銹鋼，銅及其合金，鋁及其合金，鎂及其合金，鈦及其合金； 用于常規(guī)攪拌摩擦焊接包括攪拌摩擦點(diǎn)焊，攪拌摩擦塞焊； 用于載流攪拌摩擦焊接包括載流攪拌摩擦點(diǎn)焊，載流攪拌摩擦塞焊； 用于點(diǎn)焊、對(duì)接、搭接、角接、全位置的多種焊接接頭形式；
用于表面改性處理，包括單一材料的單層表面堆敷改性處理，或多層表面堆敷改性處理，或多種材料的單層表面堆敷改性處理、多層表面堆敷改性處理，或梯度材料的多層表面堆敷改性處理；
用于劇烈塑性變形制備超細(xì)晶?；蚣{米晶粒，包括髙熔點(diǎn)金屬材料和低熔點(diǎn)金屬材料的超細(xì)晶?；蚣{米晶粒制備；
用于制冰板制造，或用于冷凝板制造，或用于蒸發(fā)板制造，或用于片冰機(jī)制造，或用于板冰機(jī)制造，或用于冷凝器制造，或用于蒸發(fā)器制造，或用于速凍設(shè)備的制造，或用于制冰設(shè)備的制造，或用于蒸發(fā)設(shè)備的制造，或用于冰蓄能設(shè)備的制造，或用于空調(diào)設(shè)備的制造；
用于蜂窩流道結(jié)構(gòu)的制造，也用于蜂窩流道結(jié)構(gòu)件的制造，或桶狀結(jié)構(gòu)的制造，或板片狀結(jié)構(gòu)的制造；
用于船用制冰領(lǐng)域；或用于超市保鮮；或用于禽類加工；或用于肉類加工；或用于面包餅干糕點(diǎn)加工；或用于乳品生產(chǎn)；或用于冰蓄能；或用于混凝土降溫；或用于化工染料；或用于核電站；或用于軍事艦艇；或用于釀酒工業(yè)；或用于蔬果保鮮；或用于礦井降溫。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)。1. 一種全新的創(chuàng)造性的切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工方法，以及一種全新的切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備，這種全新的機(jī)械制造方法和設(shè)備突破了增量式機(jī)械制造原理和減除式機(jī)械制造原理的相互排斥性與束縛新，將二者緊密的結(jié)合起來，形成一種有機(jī)融合的新型切削-焊接機(jī)械加工制造的新原理、方法和技術(shù)，在機(jī)械制造領(lǐng)域和材料加工領(lǐng)域，這種切削-焊接同時(shí)并行開展的聯(lián)合加工制造技術(shù)是一個(gè)具有里程碑式的創(chuàng)新理論、技術(shù)與方法，在機(jī)械加工原理上是一個(gè)巨大的突破，推動(dòng)了現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)的大力發(fā)展與科技進(jìn)步，在工程應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)也具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值和科學(xué)研究?jī)r(jià)值。2.采用整體材料代替型材結(jié)構(gòu)或分體式板材加工結(jié)構(gòu)，能夠在滿足強(qiáng)度技術(shù)指標(biāo)的條件下，減小焊接殘余應(yīng)力、減小焊接變形，提高了結(jié)構(gòu)件的使用壽命，減輕了結(jié)構(gòu)件的自身重量，減少加工制造工序，減小制造成本，能夠提高結(jié)構(gòu)件的整體強(qiáng)度和抗變形能力，節(jié)約資源、能源和人力。切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工方法及設(shè)備是一種近凈整體成型特殊結(jié)構(gòu)零部件的機(jī)械制造新方法，內(nèi)部封閉的中空腔體結(jié)構(gòu)的最終形狀易于控制，適應(yīng)性強(qiáng)，能夠制造多種橫截面形狀的中空腔體結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品的適應(yīng)性強(qiáng)，具有顯著的制造加工優(yōu)勢(shì)。3.采用切削-攪拌摩擦焊接復(fù)合加工制造新方法代替電阻焊、激光焊、T型銑削、 蓋板連接、型材焊接等方法制造出具有內(nèi)部中空的特殊結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)件，整體近凈成型提高了制造加工生產(chǎn)效率，不需要特殊的清理工作，不需要其他填充材料，材料生產(chǎn)加工的適應(yīng)性好、產(chǎn)品質(zhì)量高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)過程，在生產(chǎn)加工過程中無煙塵、輻射、飛濺、噪音及弧光等有害物質(zhì)產(chǎn)生，對(duì)環(huán)境無污染，對(duì)操作工人無危害。內(nèi)部中空結(jié)構(gòu)的表面質(zhì)量，可以通過銑切削工具進(jìn)行精確控制，控制方法簡(jiǎn)單。4.本發(fā)明不僅適用于鋁合金材料，而且還適用于其它材料，如鎂合金材料、不銹鋼材料、鈦合金材料等，不僅適用于制造蜂窩流道制冰板，還適用于于蜂窩流道等其它結(jié)構(gòu)的制冰板，以及制冰桶的加工制造；本發(fā)明突破了常規(guī)機(jī)械加工技術(shù)的局限性，形成了機(jī)械制造加工的新方法和新思路，在采暖、空調(diào)、制冰、保鮮、制藥、建筑、水產(chǎn)、食品行業(yè)具有廣闊的工程應(yīng)用。5.本發(fā)明開拓了固相焊接工程領(lǐng)域新型攪拌摩擦焊接技術(shù)，突破了焊接和切削的兩個(gè)相互矛盾加工思路的限制，實(shí)現(xiàn)了高效、優(yōu)質(zhì)、低成本機(jī)械制造加工方法的有效協(xié)調(diào)與合理統(tǒng)一，降低了內(nèi)部具有特殊結(jié)構(gòu)形狀零部件的使用與加工制造工藝的苛刻要求，采用切削-攪拌摩擦焊接復(fù)合加工制造新理論完善了切削和焊接技術(shù)的使用局限，從而在可持續(xù)發(fā)展、滿足循環(huán)經(jīng)濟(jì)需求的先進(jìn)機(jī)械制造技術(shù)工藝與設(shè)備的開發(fā)與實(shí)際利用方面作出了貢獻(xiàn)；本發(fā)明不僅拓展了焊接工程學(xué)的應(yīng)用范圍，而且在切削加工理論與技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了突破，同時(shí)，在表面工程領(lǐng)域中也能得到實(shí)際的應(yīng)用和體現(xiàn)，在機(jī)械傳動(dòng)件及機(jī)構(gòu)、機(jī)械設(shè)備的制造與利用，關(guān)鍵部件修復(fù)，先進(jìn)材料的制備，資源的循環(huán)利用，以及綠色循環(huán)制造與裝備、表面工程等領(lǐng)域具有生命力。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了高效、低成本、高質(zhì)量、高穩(wěn)定性、多適用性、多方式綜合易控的切削-焊接新過程。6.本發(fā)明的切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備及其方法集銑削系統(tǒng)或切削系統(tǒng)、 攪拌摩擦焊接系統(tǒng)、強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)、氣體保護(hù)系統(tǒng)、溫度傳感系統(tǒng)、壓力感應(yīng)系統(tǒng)、銑削液供應(yīng)系統(tǒng)、無傳感系統(tǒng)于一體，是一種銑削或切削加工和攪拌摩擦焊接加工同時(shí)并行開展的聯(lián)合或者復(fù)合加工裝置及其方法，具有溫度控制、氣體保護(hù)、壓力檢測(cè)、冷卻液保護(hù)、銑削頭可更換、雙軸肩自支撐攪拌摩擦焊接的功能，對(duì)工件實(shí)行銑削-攪拌摩擦焊接復(fù)合加工方法，能夠滿足有色輕金屬材料、碳鋼材料、合金鋼材料機(jī)械加工的強(qiáng)度要求。總之，本發(fā)明通過提供新型的切削-攪拌摩擦焊接工具，并通過切削-攪拌摩擦焊接復(fù)合加工方法的使用，提供基于切削和攪拌摩擦焊接技術(shù)的先進(jìn)切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工制造理論，利用切削-攪拌摩擦焊接的綜合作用，消除采用常規(guī)機(jī)械制造技術(shù)的一系列難題，克服了內(nèi)部具有特種結(jié)構(gòu)形狀的機(jī)械裝備關(guān)鍵零部件加工的難題，及其對(duì)加工制造工藝和材料的苛刻要求，提高了零部件的質(zhì)量，延長(zhǎng)了產(chǎn)品的使用壽命，實(shí)現(xiàn)了低成本、高效、優(yōu)質(zhì)切削-攪拌摩擦焊接加工制造過程，拓展了焊接工程學(xué)、切削理論和摩擦學(xué)的工程應(yīng)用領(lǐng)域。


圖1是本發(fā)明切削-攪拌摩擦焊接復(fù)合加工制造新方法及其設(shè)備的示意圖； 圖中，1.攪拌頭本體；2.切削刀頭；3.攪拌針；4.軸肩；5.連接體；6.工件；7.空
腔；8.切削液通道；9.切削刀刃；10.保護(hù)氣體通道；11.氣體空腔；12.復(fù)合管；13. 轉(zhuǎn)換接頭；14.動(dòng)密封構(gòu)件；15.無線感應(yīng)發(fā)射器；16.溫度傳感器；17.壓力傳感器；18. 夾持部分；19.固定管接頭；20.腔體。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明主要包含一種切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備及其方法。下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。一 . 一種切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備。本發(fā)明的切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備是一種集溫度檢測(cè)與控制、參數(shù)檢測(cè)、氣體保護(hù)等多項(xiàng)重要功能于一體的集成式智能化的切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備。如圖1所示切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備，包括攪拌頭本體1，軸肩4，位于攪拌頭本體1下部的攪拌針3，攪拌頭本體1與機(jī)床本體的夾持部分18連接，其特征在于， 在攪拌針3的下部具有自支撐、自適應(yīng)、自穩(wěn)定的切削系統(tǒng)，構(gòu)成了切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備，該設(shè)備具有攪拌摩擦焊接系統(tǒng)、切削系統(tǒng)、強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)、氣體保護(hù)系統(tǒng)、參數(shù)傳感與監(jiān)控系統(tǒng)、密封系統(tǒng)，是一種切削加工和攪拌摩擦焊接加工同時(shí)并行開展工作的聯(lián)合或者復(fù)合加工設(shè)備，具有溫度和壓力檢測(cè)與控制、氣體保護(hù)、冷卻液保護(hù)、切削刀頭可更換、自支撐雙軸肩式攪拌摩擦焊接的功能，對(duì)工件6實(shí)行銑削或切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工過程，能夠滿足有色金屬材料、碳鋼材料、不銹鋼、低合金高強(qiáng)鋼材料、復(fù)合材料機(jī)械加工的要求，將多工序、多工位加工轉(zhuǎn)變成一次加工成型的制造技術(shù)和工藝，減少了制造周期和成本，具有高效、優(yōu)質(zhì)、高穩(wěn)定、節(jié)能的技術(shù)特點(diǎn)，突破了常規(guī)機(jī)械加工技術(shù)的局限性，形成了切削-攪拌摩擦焊接復(fù)式機(jī)械制造加工的新方法，在采暖、空調(diào)、制冰、保鮮、制藥、建筑、 水產(chǎn)、食品行業(yè)具有廣闊的工程應(yīng)用。切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備，所述切削系統(tǒng)，包括設(shè)置于攪拌頭本體1上、 在攪拌針3下部的切削刀頭2，切削刀刃9，切削液通道8，切削刀頭2與攪拌頭本體1的連接體5 ；切削刀頭2由圓柱形銑刀頭，或T型槽銑刀頭，或燕尾槽銑刀頭，或三面刃銑刀頭， 或角度銑刀頭，或鍵槽銑刀頭，或鋸片銑刀頭，或成形銑刀頭構(gòu)成；切削刀頭2采用可換刀頭的切削頭，或采用固定刀頭的切削頭，或采用一個(gè)自支撐、可浮動(dòng)、自適應(yīng)的切削頭；切削刀頭2具有切削作用，以及具有作為雙軸肩中的底部軸肩支撐攪拌摩擦焊接的雙重功能； 切削刀頭2與攪拌頭本體1采用固定連接方式或者活動(dòng)連接方式進(jìn)行裝配，切削刀頭2與攪拌頭本體1采用活動(dòng)連接方式時(shí)，切削刀頭2通過螺紋或花鍵方式的連接體5與攪拌頭本體1連接；切削刀刃9為固定一體式，或者分體式，其分體式切削刀刃9通過螺絲緊固方式、或者焊接方式、或者機(jī)械鑲嵌方式將切削刀刃9與切削刀頭2進(jìn)行連接；切削刀頭2位于攪拌針3的下部、與攪拌頭本體1成為一個(gè)整體，與攪拌頭本體1、攪拌針3—起以相同的速度旋轉(zhuǎn)；切削刀頭2內(nèi)部具有刀頭冷卻液供應(yīng)通道8，使冷卻液能夠到達(dá)切削部位，確保切削、脫屑、冷卻過程狀態(tài)良好，對(duì)工件6的切削工作正常運(yùn)行。切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備，所述攪拌摩擦焊接系統(tǒng)，包括攪拌頭本體1、 軸肩4、攪拌針3、以及攪拌針下部與切削刀頭2連接的部分；攪拌針3呈圓柱形，或者呈圓錐形；攪拌針3表面是光滑表面，或者是具有螺紋造型，或者是具有刃齒造型；軸肩4直徑、 攪拌針4直徑、切削刀頭2直徑、以及連接體5的直徑相互匹配，保證切削系統(tǒng)和攪拌摩擦焊接系統(tǒng)具有足夠的強(qiáng)度和剛性，并能夠?qū)ぜ?完成切削-攪拌摩擦焊接過程；所述強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)，包括設(shè)置于攪拌頭本體1內(nèi)部的一個(gè)中空結(jié)構(gòu)的腔體20，一根出水和入水復(fù)合管12，切削液通道8 ；所述復(fù)合管12用于將切削液引入和導(dǎo)出腔體20，并將切削液通過切削液通道8到達(dá)削刀頭2部分，用于對(duì)工件6的切削加工，多余的切削液通過腔體20循環(huán)流動(dòng)回來，并且能夠?qū)嚢桀^起到冷凝作用，控制攪拌頭的溫度，避免在摩擦攪拌焊接過程中攪拌頭溫度過高或升溫太快而損害攪拌頭的使用壽命和加工能力；復(fù)合管12是與內(nèi)管原位隔離組合集成，內(nèi)管為出水口，相比進(jìn)水口其孔徑要小，并且內(nèi)管的進(jìn)水開口位于攪拌頭本體1腔體20的上部，而復(fù)合管12的出水通道開口在攪拌頭本體1腔體20的下部，穿過攪拌針3，接近削刀頭2的末端位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)攪拌頭本體1及焊縫的溫度控制，以及為切削刀頭2輸送切削液；所述氣體保護(hù)系統(tǒng)，設(shè)置于攪拌頭本體1的軸肩4的端面和側(cè)面處，主要由攪拌頭本體1內(nèi)的氣體空腔11和保護(hù)氣體通道10構(gòu)成，內(nèi)部設(shè)置有氣篩，使保護(hù)氣體形成層流，用于在焊接區(qū)域形成有效的氣體保護(hù)，保護(hù)摩擦焊接區(qū)和熱影響區(qū)高溫金屬，防止焊縫及熱影響區(qū)的金屬在高溫下被氧化；所述參數(shù)傳感與監(jiān)控系統(tǒng)，包括埋植于攪拌頭軸肩4端面處的自耦合熱電阻式溫度傳感器16和無源無線電阻式壓力傳感器17，以及無線感應(yīng)發(fā)射器15 ；壓力傳感器17能夠檢測(cè)軸向和徑向壓力，溫度傳感器8用于檢測(cè)軸肩6及其附近溫度的感應(yīng)傳感，溫度傳感器16和壓力傳感器17與攪拌頭本體1上部的無線感應(yīng)發(fā)射器15連接，用無源無線的高溫高壓傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)攪拌摩擦焊溫度、壓力、扭矩參數(shù)的檢測(cè)、記錄與監(jiān)控；所述密封系統(tǒng)，包括在攪拌頭本體1的腔體20、氣體腔體11與復(fù)合管 12之間設(shè)置的動(dòng)密封構(gòu)件14、轉(zhuǎn)換接頭13和固定管接頭19，用于達(dá)到既密封液態(tài)介質(zhì)與保護(hù)氣體的目的，并且使攪拌頭本體1能自由旋轉(zhuǎn)，而整體導(dǎo)入和導(dǎo)出液態(tài)介質(zhì)與保護(hù)氣體的固定管接頭19并不旋轉(zhuǎn)，動(dòng)密封系統(tǒng)采用唇型密封結(jié)構(gòu)，是一種接觸型的相對(duì)于復(fù)合管 12主軸旋轉(zhuǎn)的動(dòng)密封形式，同時(shí)具有絕緣、密封和運(yùn)動(dòng)三種特性，保障完成有效的切削-攪拌摩擦焊接行為。二 . 一種切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工方法。本發(fā)明的攪拌摩擦焊接方法是一種基于切削-攪拌摩擦焊接復(fù)合焊接新方法，采用本發(fā)明切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備實(shí)現(xiàn)具有內(nèi)部中空的特殊結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)件整體近凈成型。其具體過程如下。如圖1所示，一種切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工制造方法，使用了具有上述結(jié)構(gòu)形式的切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備，基于切削和攪拌摩擦焊接基本原理，同時(shí)并行開展切削-攪拌摩擦焊接復(fù)合加工式或者聯(lián)合加工方式的機(jī)械制造方法，其具體加工步驟如下步驟Α.使用夾具將工件6進(jìn)行整體固定，在工件6側(cè)面先行加工出一個(gè)“凸，，形槽， “凸”形槽的上部位于工件6上部，并開口于工件6上表面，呈半圓形與攪拌針3的形狀、直徑、大小和長(zhǎng)度相適應(yīng)，“凸”形槽的下部6位于工件6側(cè)面的中下部，其形狀和大小與切削頭2相適應(yīng)，將切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備安裝于“凸”形槽中；使切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備的攪拌針3位于“凸”形槽的上部，并將切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備的攪拌摩擦焊接軸肩4下表面與工件6的上表面壓緊，在“凸”形槽的形成攪拌摩擦焊接加工方式；而切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備的切削刀頭2位于“凸”形槽的下部，在“凸” 形槽的下部形成側(cè)面切削加工方式；
步驟B.根據(jù)設(shè)計(jì)要求，利用切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備，通過攪拌頭內(nèi)部通道， 使用水基環(huán)保型、對(duì)人體無害的切削液，對(duì)工件6的切削加工部位起到良好的冷卻、潤(rùn)滑、 清洗、防銹、緩蝕作用，有效避免毛刺的產(chǎn)生，確保工件6加工后形成的內(nèi)部封閉空心腔體7 的內(nèi)表面光滑，促進(jìn)廢屑排屑容易，不粘刀；切削-攪拌摩擦焊接復(fù)合加工完成后，使用高壓氣體將切削過程中殘留在內(nèi)部空心腔體7內(nèi)的廢屑吹出，清理干凈加工后的工件6 ；在攪拌摩擦焊接的焊縫20區(qū)域，采用保護(hù)氣體進(jìn)行保護(hù)，并且通過攪拌頭中的強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)， 控制攪拌摩擦焊接區(qū)和切削區(qū)域的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變和熱量輸入；
步驟C.最后，工件6的另一側(cè)面部位施加一個(gè)引出板，將切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備從工件6引出，從完成具有空腔7體結(jié)構(gòu)工件的整體近凈成型。切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工制造方法的工藝參數(shù)為主軸旋轉(zhuǎn)速度為 20(T4000r/min，加工速度為l(T800mm/min，軸向壓力為0.廣50KN，保護(hù)氣體流量為8 30L/ min,工件厚度5 60mm ；
攪拌針3和切削刀頭2，采用高速鋼材料，或者硬質(zhì)合金材料，或者陶瓷材料，或者復(fù)合材料；
或者，在切削刀頭2表面，攪拌針3表面和軸肩4端面，采用Ti納米改性的MoS2/Ti納米復(fù)合膜，或者采用以納米TiN改性的Ti (C，N)基金屬陶瓷材料，或者使用類石墨/Cr復(fù)合鍍層Graphit-iCTM，或者使用類金剛石納米復(fù)合膜，對(duì)切削刀頭2，攪拌針17和軸肩6進(jìn)行強(qiáng)化處理，以增強(qiáng)切削刀頭，攪拌頭的關(guān)鍵部位抗磨損、抗氧化、抗高溫的能力，大幅度提高切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工工具的使用壽命；
保護(hù)氣體為惰性氣體包括氬氣、氦氣一元?dú)怏w，以及相互混合的二元?dú)怏w； 或者，保護(hù)氣體為活性氣體包括氮?dú)狻⒍趸?、氧氣一元?dú)怏w，以及與惰性氣體混合的二元或多元?dú)怏w，進(jìn)行區(qū)域保護(hù)；
采用可換銑刀頭的切削-攪拌摩擦焊接復(fù)合工具，或采用固定銑刀頭的切削-攪拌摩擦焊接復(fù)合工具，或采用銑刀頭為一個(gè)可浮動(dòng)軸肩的雙軸肩自支撐的切削-攪拌攪拌摩擦焊接復(fù)合工具。切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備，以及切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工制造方法， 在下述方面的用途
用于有色金屬和黑色金屬及其合金材質(zhì)的切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工制造，包括 碳鋼，合金鋼，高溫合金，不銹鋼，銅及其合金，鋁及其合金，鎂及其合金，鈦及其合金； 用于常規(guī)攪拌摩擦焊接包括攪拌摩擦點(diǎn)焊，攪拌摩擦塞焊； 用于載流攪拌摩擦焊接包括載流攪拌摩擦點(diǎn)焊，載流攪拌摩擦塞焊；用于點(diǎn)焊、對(duì)接、搭接、角接、全位置的多種焊接接頭形式；
用于表面改性處理，包括單一材料的單層表面堆敷改性處理，或多層表面堆敷改性處理，或多種材料的單層表面堆敷改性處理、多層表面堆敷改性處理，或梯度材料的多層表面堆敷改性處理；
用于劇烈塑性變形制備超細(xì)晶?；蚣{米晶粒，包括髙熔點(diǎn)金屬材料和低熔點(diǎn)金屬材料的超細(xì)晶?；蚣{米晶粒制備；
用于制冰板制造，或用于冷凝板制造，或用于蒸發(fā)板制造，或用于片冰機(jī)制造，或用于板冰機(jī)制造，或用于冷凝器制造，或用于蒸發(fā)器制造，或用于速凍設(shè)備的制造，或用于制冰設(shè)備的制造，或用于蒸發(fā)設(shè)備的制造，或用于冰蓄能設(shè)備的制造，或用于空調(diào)設(shè)備的制造；
用于蜂窩流道結(jié)構(gòu)的制造，也用于蜂窩流道結(jié)構(gòu)件的制造，或桶狀結(jié)構(gòu)的制造，或板片狀結(jié)構(gòu)的制造；
用于船用制冰領(lǐng)域；或用于超市保鮮；或用于禽類加工；或用于肉類加工；或用于面包餅干糕點(diǎn)加工；或用于乳品生產(chǎn)；或用于冰蓄能；或用于混凝土降溫；或用于化工染料；或用于核電站；或用于軍事艦艇；或用于釀酒工業(yè)；或用于蔬果保鮮；或用于礦井降溫。下面簡(jiǎn)述一下本發(fā)明的基本原理和特點(diǎn)。采用切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工新方法的基本原理是(1)在普通攪拌摩擦焊的攪拌針末端固定一銑刀(可通過焊接的方法固定，或者將特意保留的攪拌針的一部分作為刀桿，再將銑刀或切削刀具固定在刀桿上)，攪拌針與銑刀之間不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)縱向的攪拌摩擦焊和切削加工的同步進(jìn)行，經(jīng)過聯(lián)合加工制造內(nèi)部封閉具有中空腔體的特殊結(jié)構(gòu)件，能夠獲得良好的產(chǎn)品質(zhì)量；(2)通過在攪拌摩擦焊攪拌針的末端固定一銑刀， 攪拌針與銑刀之間不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通過正常情況下攪拌頭的旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)銑刀的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)復(fù)合刀具沿著金屬側(cè)面加工運(yùn)動(dòng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)著的攪拌針和銑刀同時(shí)進(jìn)入工作狀態(tài)，攪拌針把完整的金屬表面攪拌一次，攪拌針下方的銑刀同時(shí)在金屬內(nèi)部銑出一個(gè)內(nèi)槽，通過攪拌頭的連續(xù)運(yùn)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)金屬內(nèi)槽的封閉加工。采用切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工新方法有如下優(yōu)點(diǎn)(1)實(shí)現(xiàn)了攪拌摩擦焊和銑削同時(shí)加工的復(fù)合。攪拌摩擦焊接的最大特點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)低熔點(diǎn)金屬的固態(tài)連接，從而避免了熔化焊接過程中產(chǎn)生的空隙、夾雜、氣泡等缺陷，而銑削加工的最大特點(diǎn)就是效率高， 散熱性好，本發(fā)明將二者的優(yōu)勢(shì)有機(jī)地結(jié)合起來，將獲得復(fù)合加工優(yōu)勢(shì)；(2)銑刀先切削金屬產(chǎn)生的切削熱能軟化金屬，從而有利于攪拌針焊接表層的金屬材料，切削為攪拌摩擦焊接提供部分能量；(3)在切削過程中產(chǎn)生的熱量可作為攪拌摩擦焊的熱源輸入，與摩擦熱復(fù)合共同作用，對(duì)低熔點(diǎn)金屬，可提高焊縫成形質(zhì)量；對(duì)高熔點(diǎn)金屬，可以解決在焊接區(qū)或界面處產(chǎn)熱不足與連接困難的問題，降低對(duì)攪拌頭材料和制造工藝的要求；(4)金屬內(nèi)部封閉具有中空腔體的特殊結(jié)構(gòu)件能夠一次加工近凈成型，并且中空腔體的形狀和分布可根據(jù)切削刀外形以及攪拌針的運(yùn)動(dòng)軌跡而實(shí)現(xiàn)多樣化，可實(shí)現(xiàn)整體金屬材料中曲線孔的加工；(5)切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工方法的效率高、成本低、速度快；傳統(tǒng)金屬材料中空腔體的加工需采用多道工序才可實(shí)現(xiàn)，而采用切削-攪拌摩擦焊復(fù)合加工方法可一次成型； 本發(fā)明對(duì)切削-焊接技術(shù)在我國(guó)航空航天、國(guó)防、軍事等領(lǐng)域拓展應(yīng)用具有重要意義。三.具體實(shí)施例。下述實(shí)施例是按照本發(fā)明提供的切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備及其方法來實(shí)施的，但并不意味著是對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。例1 船用鋁合金蛇形流道制冰板的制造加工。2214鋁合金材料，其尺寸為長(zhǎng) 1. 6m、寬lm、厚10mm，采用切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備及其方法進(jìn)行加工，切削-攪拌攪拌摩擦焊接復(fù)合加工工藝攪拌頭和切削刀的旋轉(zhuǎn)速度為1600r/min，焊接速度為 SOmm/min，采用氬氣為保護(hù)氣體，其流量為180L/min，采用水基環(huán)保型銑削液進(jìn)行銑削加工，采用引出板取出切削-攪拌攪拌摩擦焊接復(fù)合加工工具，使鋁合金板上不留匙孔，采用高壓氣體清理中空蛇形流道，完成制冰板中空蛇形流道的整體近凈成型。例2 冰蓄能用鋁合金蜂窩流道制冰板的制造加工。7075鋁合金材料，其尺寸為長(zhǎng)1. 9m、寬1. 2m、厚16mm，將鋁合金厚板通過夾具固定于工作臺(tái)，使鋁合金厚板背面墊實(shí)， 無空隙存在，使用采用切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備及其方法進(jìn)行加工；采切削-攪拌攪拌摩擦焊接復(fù)合加工工藝攪拌頭和切削刀的旋轉(zhuǎn)速度為1800r/min速度旋轉(zhuǎn)，焊接速度為60mm/min，采用氬氣為保護(hù)氣體，其流量為22L/min，采用水基環(huán)保型銑削液進(jìn)行銑削加工，用引出板取出切削-攪拌攪拌摩擦焊接復(fù)合加工工具，使鋁合金板上不留匙孔，采用高壓氣體清理中空蜂窩流道，完成制冰板中空蜂窩流道的整體近凈成型。
權(quán)利要求
1.一種切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備，包括攪拌頭本體(1)，軸肩(4)，位于攪拌頭本體(1)下部的攪拌針(3)，攪拌頭本體(1)與機(jī)床本體的夾持部分(18)連接，其特征在于， 在攪拌針(3)的下部具有自支撐、自適應(yīng)、自穩(wěn)定的切削系統(tǒng)，構(gòu)成了切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備，該設(shè)備具有攪拌摩擦焊接系統(tǒng)、切削系統(tǒng)、強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)、氣體保護(hù)系統(tǒng)、參數(shù)傳感與監(jiān)控系統(tǒng)、密封系統(tǒng)，是一種切削加工和攪拌摩擦焊接加工同時(shí)并行開展工作的聯(lián)合或者復(fù)合加工設(shè)備，具有溫度和壓力檢測(cè)與控制、氣體保護(hù)、冷卻液保護(hù)、切削刀頭可更換、自支撐雙軸肩式攪拌摩擦焊接的功能，對(duì)工件(6)實(shí)行銑削或切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工過程，能夠滿足有色金屬材料、碳鋼材料、不銹鋼、低合金高強(qiáng)鋼材料、復(fù)合材料機(jī)械加工的要求，將多工序、多工位加工轉(zhuǎn)變成一次加工成型的制造技術(shù)和工藝，減少了制造周期和成本，具有高效、優(yōu)質(zhì)、高穩(wěn)定、節(jié)能的技術(shù)特點(diǎn)，突破了常規(guī)機(jī)械加工技術(shù)的局限性， 形成了切削-攪拌摩擦焊接復(fù)式機(jī)械制造加工的新方法，在采暖、空調(diào)、制冰、保鮮、制藥、 建筑、水產(chǎn)、食品行業(yè)具有廣闊的工程應(yīng)用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備，其特征在于所述切削系統(tǒng)，包括設(shè)置于攪拌頭本體(1)上、在攪拌針(3)下部的切削刀頭(2)，切削刀刃(9)，切削液通道(8)，切削刀頭(2)與攪拌頭本體(1)的連接體(5)；切削刀頭(2)由圓柱形銑刀頭， 或T型槽銑刀頭，或燕尾槽銑刀頭，或三面刃銑刀頭，或角度銑刀頭，或鍵槽銑刀頭，或鋸片銑刀頭，或成形銑刀頭構(gòu)成；切削刀頭(2)采用可換刀頭的切削頭，或采用固定刀頭的切削頭，或采用一個(gè)自支撐、可浮動(dòng)、自適應(yīng)的切削頭；切削刀頭(2)具有切削作用，以及具有作為雙軸肩中的底部軸肩支撐攪拌摩擦焊接的雙重功能；切削刀頭(2)與攪拌頭本體(1)采用固定連接方式或者活動(dòng)連接方式進(jìn)行裝配，切削刀頭(2)與攪拌頭本體(1)采用活動(dòng)連接方式時(shí)，切削刀頭(2)通過螺紋或花鍵方式的連接體(5)與攪拌頭本體(1)連接；切削刀刃(9)為固定一體式，或者分體式，其分體式切削刀刃(9)通過螺絲緊固方式、或者焊接方式、或者機(jī)械鑲嵌方式將切削刀刃(9)與切削刀頭(2)進(jìn)行連接；切削刀頭(2)位于攪拌針 (3)的下部、與攪拌頭本體(1)成為一個(gè)整體，與攪拌頭本體(1)、攪拌針(3)—起以相同的速度旋轉(zhuǎn)；切削刀頭(2)內(nèi)部具有刀頭冷卻液供應(yīng)通道(8)，使冷卻液能夠到達(dá)切削部位， 確保切削、脫屑、冷卻過程狀態(tài)良好，對(duì)工件(6)的切削工作正常運(yùn)行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備，其特征在于所述攪拌摩擦焊接系統(tǒng)，包括攪拌頭本體(1)、軸肩(4)、攪拌針(3)、以及攪拌針下部與切削刀頭(2)連接的部分；攪拌針(3)呈圓柱形，或者呈圓錐形；攪拌針(3)表面是光滑表面，或者是具有螺紋造型，或者是具有刃齒造型；軸肩(4)直徑、攪拌針(4)直徑、切削刀頭(2)直徑、以及連接體(5)的直徑相互匹配，保證切削系統(tǒng)和攪拌摩擦焊接系統(tǒng)具有足夠的強(qiáng)度和剛性，并能夠?qū)ぜ?5)完成切削-攪拌摩擦焊接過程；所述強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)，包括設(shè)置于攪拌頭本體(1)內(nèi)部的一個(gè)中空結(jié)構(gòu)的腔體(20)，一根出水和入水復(fù)合管(12)，切削液通道 (8);所述復(fù)合管(12)用于將切削液引入和導(dǎo)出腔體(20)，并將切削液通過切削液通道(8) 到達(dá)削刀頭(2)部分，用于對(duì)工件(6)的切削加工，多余的切削液通過腔體(20)循環(huán)流動(dòng)回來，并且能夠?qū)嚢桀^起到冷凝作用，控制攪拌頭的溫度，避免在摩擦攪拌焊接過程中攪拌頭溫度過高或升溫太快而損害攪拌頭的使用壽命和加工能力；復(fù)合管(12)是與內(nèi)管原位隔離組合集成，內(nèi)管為出水口，相比進(jìn)水口其孔徑要小，并且內(nèi)管的進(jìn)水開口位于攪拌頭本體(1)腔體(20)的上部，而復(fù)合管(12)的出水通道開口在攪拌頭本體(1)腔體(20)的下部，穿過攪拌針(3)，接近削刀頭(2)的末端位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)攪拌頭本體(1)及焊縫的溫度控制，以及為切削刀頭(2)輸送切削液；所述氣體保護(hù)系統(tǒng)，設(shè)置于攪拌頭本體(1)的軸肩(4) 的端面和側(cè)面處，主要由攪拌頭本體(1)內(nèi)的氣體空腔(11)和保護(hù)氣體通道(10)構(gòu)成，內(nèi)部設(shè)置有氣篩，使保護(hù)氣體形成層流，用于在焊接區(qū)域形成有效的氣體保護(hù)，保護(hù)摩擦焊接區(qū)和熱影響區(qū)高溫金屬，防止焊縫及熱影響區(qū)的金屬在高溫下被氧化；所述參數(shù)傳感與監(jiān)控系統(tǒng)，包括埋植于攪拌頭軸肩(4)端面處的自耦合熱電阻式溫度傳感器(16)和無源無線電阻式壓力傳感器(17)，以及無線感應(yīng)發(fā)射器(15)；壓力傳感器(17)能夠檢測(cè)軸向和徑向壓力，溫度傳感器(8 )用于檢測(cè)軸肩(6 )及其附近溫度的感應(yīng)傳感，溫度傳感器(16 )和壓力傳感器(17)與攪拌頭本體(1)上部的無線感應(yīng)發(fā)射器(15)連接，用無源無線的高溫高壓傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)攪拌摩擦焊溫度、壓力、扭矩參數(shù)的檢測(cè)、記錄與監(jiān)控；所述密封系統(tǒng)，包括在攪拌頭本體(1)的腔體(20)、氣體腔體(11)與復(fù)合管(12)之間設(shè)置的動(dòng)密封構(gòu)件(14)、轉(zhuǎn)換接頭(13)和固定管接頭(19)，用于達(dá)到既密封液態(tài)介質(zhì)與保護(hù)氣體的目的，并且使攪拌頭本體(1)能自由旋轉(zhuǎn)，而整體導(dǎo)入和導(dǎo)出液態(tài)介質(zhì)與保護(hù)氣體的固定管接頭(19)并不旋轉(zhuǎn)，動(dòng)密封系統(tǒng)采用唇型密封結(jié)構(gòu)，是一種接觸型的相對(duì)于復(fù)合管(12)主軸旋轉(zhuǎn)的動(dòng)密封形式，同時(shí)具有絕緣、密封和運(yùn)動(dòng)三種特性，保障完成有效的切削-攪拌摩擦焊接行為。
4.一種切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工制造方法，其特征在于，使用了具有上述結(jié)構(gòu)形式的切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備，基于切削和攪拌摩擦焊接基本原理，同時(shí)并行開展切削-攪拌摩擦焊接復(fù)合加工式或者聯(lián)合加工方式的機(jī)械制造方法，其具體過程是A.使用夾具將工件(6)進(jìn)行整體固定，在工件(6)側(cè)面先行加工出一個(gè)“凸”形槽，“凸” 形槽的上部位于工件(6)上部，并開口于工件(6)上表面，呈半圓形與攪拌針(3)的形狀、直徑、大小和長(zhǎng)度相適應(yīng)，“凸”形槽的下部(6)位于工件(6)側(cè)面的中下部，其形狀和大小與切削頭(2)相適應(yīng)，將切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備安裝于“凸，，形槽中；使切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備的攪拌針(3)位于“凸”形槽的上部，并將切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備的攪拌摩擦焊接軸肩(4)下表面與工件(6)的上表面壓緊，在“凸”形槽的形成攪拌摩擦焊接加工方式；而切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備的切削刀頭(2)位于“凸”形槽的下部，在“凸”形槽的下部形成側(cè)面切削加工方式；B.根據(jù)設(shè)計(jì)要求，利用切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備，通過攪拌頭內(nèi)部通道，使用水基環(huán)保型、對(duì)人體無害的切削液，對(duì)工件(6)的切削加工部位起到良好的冷卻、潤(rùn)滑、清洗、防銹、緩蝕作用，有效避免毛刺的產(chǎn)生，確保工件(6)加工后形成的內(nèi)部封閉空心腔體 (7)的內(nèi)表面光滑，促進(jìn)廢屑排屑容易，不粘刀；切削-攪拌摩擦焊接復(fù)合加工完成后，使用高壓氣體將切削過程中殘留在內(nèi)部空心腔體(7)內(nèi)的廢屑吹出，清理干凈加工后的工件 (6)；在攪拌摩擦焊接的焊縫(20)區(qū)域，采用保護(hù)氣體進(jìn)行保護(hù)，并且通過攪拌頭中的強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)，控制攪拌摩擦焊接區(qū)和切削區(qū)域的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變和熱量輸入；C.最后，工件(6)的另一側(cè)面部位施加一個(gè)引出板，將切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備從工件(6 )引出，從完成具有空腔(7 )體結(jié)構(gòu)工件的整體近凈成型。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工制造方法，其特征在于主軸旋轉(zhuǎn)速度為20(T4000r/min，加工速度為l(T800mm/min，軸向壓力為0.廣50KN，保護(hù)氣體流量為8 30L/min，工件厚度5 60mm ；攪拌針(3)和切削刀頭(2)，采用高速鋼材料，或者硬質(zhì)合金材料，或者陶瓷材料，或者復(fù)合材料；或者，在切削刀頭(2)表面，攪拌針(3)表面和軸肩(4)端面，采用Ti納米改性的MoS2/ Ti納米復(fù)合膜，或者采用以納米TiN改性的Ti (C，N)基金屬陶瓷材料，或者使用類石墨/Cr 復(fù)合鍍層Graphit-iCTM，或者使用類金剛石納米復(fù)合膜，對(duì)切削刀頭(2)，攪拌針(17)和軸肩(6)進(jìn)行強(qiáng)化處理，以增強(qiáng)切削刀頭，攪拌頭的關(guān)鍵部位抗磨損、抗氧化、抗高溫的能力， 大幅度提高切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工工具的使用壽命；保護(hù)氣體為惰性氣體包括氬氣、氦氣一元?dú)怏w，以及相互混合的二元?dú)怏w； 或者，保護(hù)氣體為活性氣體包括氮?dú)?、二氧化碳、氧氣一元?dú)怏w，以及與惰性氣體混合的二元或多元?dú)怏w，進(jìn)行區(qū)域保護(hù)；采用可換銑刀頭的切削-攪拌摩擦焊接復(fù)合工具，或采用固定銑刀頭的切削-攪拌摩擦焊接復(fù)合工具，或采用銑刀頭為一個(gè)可浮動(dòng)軸肩的雙軸肩自支撐的切削-攪拌攪拌摩擦焊接復(fù)合工具。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、或2、或3所述的切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備，以及將權(quán)利要求4、或5所述的切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工制造方法，在下述方面的用途用于有色金屬和黑色金屬及其合金材質(zhì)的切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工制造，包括 碳鋼，合金鋼，高溫合金，不銹鋼，銅及其合金，鋁及其合金，鎂及其合金，鈦及其合金； 用于常規(guī)攪拌摩擦焊接包括攪拌摩擦點(diǎn)焊，攪拌摩擦塞焊； 用于載流攪拌摩擦焊接包括載流攪拌摩擦點(diǎn)焊，載流攪拌摩擦塞焊； 用于點(diǎn)焊、對(duì)接、搭接、角接、全位置的多種焊接接頭形式；用于表面改性處理，包括單一材料的單層表面堆敷改性處理，或多層表面堆敷改性處理，或多種材料的單層表面堆敷改性處理、多層表面堆敷改性處理，或梯度材料的多層表面堆敷改性處理；用于劇烈塑性變形制備超細(xì)晶?；蚣{米晶粒，包括髙熔點(diǎn)金屬材料和低熔點(diǎn)金屬材料的超細(xì)晶?；蚣{米晶粒制備；用于制冰板制造，或用于冷凝板制造，或用于蒸發(fā)板制造，或用于片冰機(jī)制造，或用于板冰機(jī)制造，或用于冷凝器制造，或用于蒸發(fā)器制造，或用于速凍設(shè)備的制造，或用于制冰設(shè)備的制造，或用于蒸發(fā)設(shè)備的制造，或用于冰蓄能設(shè)備的制造，或用于空調(diào)設(shè)備的制造；用于蜂窩流道結(jié)構(gòu)的制造，也用于蜂窩流道結(jié)構(gòu)件的制造，或桶狀結(jié)構(gòu)的制造，或板片狀結(jié)構(gòu)的制造；用于船用制冰領(lǐng)域；或用于超市保鮮；或用于禽類加工；或用于肉類加工；或用于面包餅干糕點(diǎn)加工；或用于乳品生產(chǎn)；或用于冰蓄能；或用于混凝土降溫；或用于化工染料；或用于核電站；或用于軍事艦艇；或用于釀酒工業(yè)；或用于蔬果保鮮；或用于礦井降溫。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備及其制造方法，該切削-攪拌摩擦焊接聯(lián)合加工設(shè)備集銑削系統(tǒng)或切削系統(tǒng)、攪拌摩擦焊接系統(tǒng)、強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)、氣體保護(hù)系統(tǒng)、溫度傳感系統(tǒng)、壓力感應(yīng)系統(tǒng)、銑削液供應(yīng)系統(tǒng)、無傳感系統(tǒng)于一體，是一種銑削或切削加工和攪拌摩擦焊接加工同時(shí)并行開展的聯(lián)合或者復(fù)合加工裝置及其方法，具有溫度控制、氣體保護(hù)、壓力檢測(cè)、冷卻液保護(hù)、銑削頭可更換、雙軸肩自支撐攪拌摩擦焊接的功能，對(duì)工件實(shí)行銑削-攪拌摩擦焊接復(fù)合加工方法，能夠滿足有色輕金屬材料、碳鋼材料、合金鋼材料機(jī)械加工的強(qiáng)度要求；本發(fā)明減少制造工序，節(jié)約加工成本，具有高效、優(yōu)質(zhì)、高穩(wěn)定、節(jié)能的特點(diǎn)，本發(fā)明突破了常規(guī)機(jī)械加工技術(shù)的局限性，形成了機(jī)械制造加工的新方法和新思路，在采暖、空調(diào)、制冰、保鮮、制藥、建筑、水產(chǎn)、食品行業(yè)具有廣闊的工程應(yīng)用。
文檔編號(hào)B23Q11/10GK102501074SQ20111030722
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月12日
發(fā)明者王穎, 羅鍵 申請(qǐng)人:羅鍵