铣削-搅拌摩擦焊复合加工装置及中空型腔近净成型方法

摘要

本发明公开了铣削-搅拌摩擦焊接复合加工装置和封闭中空型腔结构的整体近净成型快速制造方法，该复合加工工具集铣削系统、搅拌摩擦焊接系统于一体，是一种铣削加工过程和搅拌摩擦焊接过程同时进行的联合加工装置，并具有气体保护、冷却液供应、可换刀头、切削、搅拌摩擦焊接的综合功能；铣削-搅拌摩擦焊接复合加工装置应用于大尺寸整体材料内部中空的封闭型腔的整体近净成型加工，能够快速制造出所需要的内部中空的封闭型腔结构，并且满足零部件的强度要求，减少加工工序，节约材料和制造成本，广泛应用于采暖、空调、制冰、保鲜、制药、建筑、水产、食品行业。

说明书

技术领域

本发明涉及机械加工和焊接工程领域，特别是一种铣削-搅拌摩擦焊接复合加工装置和封闭中空型腔结构的整体近净成型快速制造方法。

背景技术

1991年英国焊接研究所（TWI）的W.M.Thomas发明了搅拌摩擦焊技术，并在中国获得了另一个专利内容的授权（ZL95192193.2），这种来源于机械冷加工制造工艺、基于固相连接的新型焊接技术具有明显的优越性，使其成为近二十年内在世界范围内得到快速发展与广泛工程应用的焊接技术之一。搅拌摩擦焊的工业应用主要集中在焊接领域，搅拌摩擦焊接技术在一些交叉领域的应用还比较少见。

四周封闭的中间空心的型腔结构的工业使用十分广泛，例如，采暖、空调、制冰、保鲜、制药、建筑、水产、食品等行业最为典型的结构件都是由就是中间空心的型腔结构组成关键性的零部件。对于四周封闭的中间空心的型腔结构的传统加工方法有以下几种：（1）型材，通过铸造、轧制等加工方法制造出整体型材，或者部分型材，部分型材通过焊接方法连接成一个整体；（2）拼焊型板，通过焊接手段，将板材拼焊在一起，通过胀形等后序加工形成中空型腔结构，或者将板材-半型材焊接在一起，形成一个整体的中空型腔结构。这些传统的加工方法有许多局限，如型材较重，适应性差，材料规格有限，焊接加工热输入大，焊接件变形严重。因此，采用整体实心材料或者试样来加工制造出四周封闭的中间空心的型腔结构是比较困难的。

但是，采用材料或者试样来加工四周封闭的中间空心的型腔结构在产品性能上具有明显的优势，例如，在制冰行业的制冰板加工，如果是整体材料，那么会因为材料均匀，使得制冰效率高，抗变形能力强，重量轻等优势，因此，如何采用现代机械制造方法和设备，使用整体实心材料或者试样制造出四周封闭的中间空心的型腔结构，引起了制冷领域和机械制造领域科技工作者的高度关注，这也是目前所制冷技术发展所面临的重要问题之一。

发明内容

针对现有四周封闭的中间空心的型腔结构制造技术和手段存在的上述不足，本发明采用一种铣削-搅拌摩擦焊接复合加工装置和封闭中空型腔结构的整体近净成型快速制造方法，该复合加工工具集铣削系统、搅拌摩擦焊接系统于一体，是一种铣削加工过程和搅拌摩擦焊接过程同时进行的联合加工装置，并具有气体保护、冷却液供应、可换刀头、切削、搅拌摩擦焊接的综合功能；铣削-搅拌摩擦焊接复合加工装置应用于大尺寸整体材料内部中空的封闭型腔的整体近净成型加工，能够快速制造出所需要的内部中空的封闭型腔结构，并且满足零部件的强度要求，减少加工工序，节约材料和制造成本，广泛应用于采暖、空调、制冰、保鲜、制药、建筑、水产、食品行业。

本发明的技术方案是一种铣削-搅拌摩擦焊接复合加工装置，由搅拌摩擦焊接系统和铣削系统构成，搅拌摩擦焊接系统包括搅拌头本体，位于搅拌头本体下部的轴肩，搅拌针和气体保护系统，铣削系统包括铣刀头，冷却液供应系统和可换刀头系统；这是一种集铣削和搅拌摩擦焊接功能于一体的复合加工装置，能够同时进行铣削加工过程和搅拌摩擦焊接过程，在气体保护、冷却液保护、可换刀头系统辅助条件下，对工件进行切削-焊接并行联合加工，构成一种内部封闭的中空型腔结构，形成此类零部件的一种整体近净成型快速制造方法。

中空型腔近净成型方法，使用如前所述的铣削-搅拌摩擦焊接复合加工装置；首先将工件进行预处理，包括清理、预应力处理、表面纳米化处理、洁净和干燥处理，然后用夹具将工件固定在搅拌摩擦焊机“T”型槽工作平台上，使工件待加工部位的背面位于搅拌摩擦焊机“T”型槽工作平台的凹槽部位，使其悬空；在待加工工件的侧面先行加工出一个“T”形槽，使“T”形槽的不通端位于工件的中部，“T”形槽的不通端尺寸与铣刀头的外径相匹配，“T”形槽的上部开口端位于工件表面，其尺寸与搅拌针的直径相匹配；使用铣削-搅拌摩擦焊接复合加工装置，将切削-搅拌摩擦焊接复合加工装置安装于“T”形槽中，并使切削-搅拌摩擦焊接复合加工装置的轴肩下表面与工件的上表面压紧，切削-搅拌摩擦复合加工装置的铣刀头位于“T”形槽下部的不通端，这样就在“T”形槽上端的开口部分形成搅拌摩擦焊接加工方式，而在“T”形槽下部形成铣削加工方式；根据封闭的中空型腔结构三维设计要求，利用切削-搅拌摩擦复合加工装置，对工件同时并列进行切削-搅拌摩擦焊接复合加工制造过程，这样在工件上表面留下搅拌摩擦焊缝，起到焊合封闭作用，从而使工件中部形成密闭的内部空心通道，在工件的另一侧面将切削-搅拌摩擦焊接复合加工装置引出，从而完成具有内部封闭的中空型腔结构零部件的整体近净成型与快速加工制造。

所述的切削-搅拌摩擦焊接复合加工制造中空型腔近净成型方法的工艺参数为，主轴旋转速度为400~10000r/min，加工速度为20~800mm/min，搅拌头的压力为100N~60KN，保护气体流量为5~40L/min，板厚6~100mm。

铣削-搅拌摩擦焊接复合加工装置以及中空型腔近净成型方法，所述气体保护系统包括安装在搅拌头本体后侧面紧靠轴肩和工件位置的保护气体喷管，从保护气体喷管中喷出的保护气体介质，起到保护和冷却焊缝后部的高温金属，避免焊缝金属氧化，防止晶粒长大，实现焊缝的优质密封连接；所述冷却液供应系统是一个喷水管，用于将环保型切削冷却液引入到铣刀头附近，使冷却液到达内部空腔体内，并使每个刀片槽都有冷却液供应，采用冷却液能够获得最佳的性能并确保良好的排屑作用，实现铣刀头对工件的铣削作用；所述的可换刀头系统，铣刀头与搅拌头本体在搅拌针的下端是通过螺纹连接的，该螺纹能够保证铣刀头在使用过程中不会松动，而是保持紧固状态，铣刀头可以更换，因此，能够通过更换不同尺寸和类型的铣刀头来适应不同中空型腔结构的需要，铣刀头同时也起到双轴肩自支撑稳定的作用。

铣削-搅拌摩擦焊接复合加工装置或中空型腔近净成型方法，用于船用制冰领域；或用于超市保鲜领域；或用于禽类加工领域；或用于肉类加工领域；或用于面包饼干糕点加工领域；或用于乳品生产领域；或用于冰蓄能领域；或用于混凝土降温领域；或用于化工染料领域；或用于核电站领域；或用于军事舰艇领域；或用于酿酒工业领域；或用于蔬果保鲜领域；或用于矿井降温领域。

用于铝合金材料加工，或用于镁合金材料加工，或用于不锈钢材料加工，或用于钛合金材料加工，或用于铜合金材料加工，或用于碳钢材料加工，或合金钢加工，或非金属材料的加工，或复合材料的加工。

用于制冰板制造，或用冷凝板制造，或用于蒸发板制造，或用于片冰机制造，或用于板冰机制造，或用于冷凝器制造，或用于蒸发器制造，或用于速冻设备的制造，或用于制冰设备的制造，或用于蒸发设备的制造，或用于冰蓄能设备的制造，或用于空调设备的制造，或采暖设备的制造。

用于蛇形流道结构的制造，或蜂窝流道结构的制造，或桶状结构的制造，或板片状结构的制造。

铣削-搅拌摩擦焊接复合加工装置及其中空型腔近净成型方法，采用氦气、或氩气、或氮气、或二氧化碳气体，或两元混合气体，或多元混合气体，进行区域保护。

铣削-搅拌摩擦焊接复合加工装置及其中空型腔近净成型方法，采用表面带造型搅拌针，或有螺旋刃面的搅拌针，或采用不带造型搅拌针，或圆柱形的搅拌针，或圆柱形的搅拌针。

铣削-搅拌摩擦焊接复合加工装置及其中空型腔近净成型方法，采用高速钢材料的铣刀头，或硬质合金材料的铣刀头，或PCBN铣刀头，或复合陶瓷材料的铣刀头，或有涂层的铣刀头。

铣削-搅拌摩擦焊接复合加工装置及其中空型腔近净成型方法，采用高速钢材料的搅拌头，或硬质合金材料的搅拌头，或PCBN搅拌头，或复合陶瓷材料的搅拌头，或有涂层的搅拌头。

铣削-搅拌摩擦焊接复合加工装置及其中空型腔近净成型方法，采用整体式铣刀头，或镶嵌合金式铣刀头，或螺旋齿铣刀头，或直齿铣刀头，或斜齿铣刀头，或错齿铣刀头。

铣削-搅拌摩擦焊接复合加工装置及其中空型腔近净成型方法，既采用可换铣刀头的切削-搅拌摩擦焊接复合工具，又能采用固定铣刀头的切削-搅拌摩擦焊接复合工具。

铣削-搅拌摩擦焊接复合加工装置及其中空型腔近净成型方法，能够加工四周封闭的中空型腔结构的截面为正方形，或长方形，或梯形，或鼓形，或圆形，或燕尾形。

本发明突破焊接技术和机械切削加工技术相互分离的技术局限性，将切削技术和焊接技术结合起来，解决了要在试样中部形成中空型腔结构进行切削加工时需要在试样表面开口无法形成封闭的技术难题，采用的铣削-搅拌摩擦焊接复合加工装置和方法，使得试样在中部切削形成空腔的同时，在空腔上部将开口缝合，这样就形成了封闭的中空型腔，并且借助搅拌摩擦焊接的技术特点，形成固相焊缝，减少热输入，降低焊接变形，消除了熔化焊接带来的一系列问题，在机械加工制造领域和焊接领域开创了一种全新的加工制造方法，并且具有鲜明的技术应用背景，在固相焊接领域和机械制造领域开拓新发展研究方向和应用范围。

本发明具有如下优点。

1. 本发明提供了一种新型的搅拌头和切削头复合的加工工具，该加工工具集铣削-搅拌摩擦焊接等多项重要功能于一体，是一种集成式的新型结构的机械加工工具，使用成本低、寿命长，通过多种控制手段解决搅拌摩擦焊接区温度过高、金属氧化的问题，能够在满足强度的条件下，减小焊接残余应力、减小焊接变形，减轻自身重量，极大地降低了特殊结构的生产制造成本，提高了效率，满足产品的使用要求，实现了高效、优质、低成本的四周封闭的中间空心的型腔结构及其关键零部件的制造过程，是一种绿色制造和可持续发展模式。

2. 采用铣削-搅拌摩擦焊接复合加工装置和方法，加工完成后不需要对工件表面、中空流道内部进行复杂的清理，本发明制造的中空型腔结构，具有最终合理的结果和形状，能够使中空型腔结构中的介质流动均匀，介质流动阻力小，热交换率高，减小了焊接工序、提高了制造效益、减小了对环境的污染、增加了利润，能够在满足强度技术指标的条件下，减少型材的加工制造工序，提高单位体积内的容积率，节约材料、能源和人力，这是一种新型的中空型腔结构及其零部件的整体加工近净成型的创新方法和技术。

3. 采用整体实心厚板材料代替薄板材料焊接后的胀形结构，能够提高中空型腔结构整体强度和抗变形能力，减小熔化焊接残余应力、降低焊接变形，提高了零部件的整体强度，提高了零部件的耐蚀性和表面质量，在使用过程中提高了其抗热力冲击和疲劳的能力，从而提高具有该种结构零部件的使用寿命。

4.采用切削-搅拌摩擦焊接复合加工制造新方法和装置代替电阻焊、激光焊等方法制造中空型腔结构零部件，使得焊接温度低，焊接热输入少，产生的焊接残余应力小，焊接残余变形小，整体近净成型，制造加工生产效率高，不需要特殊的后序加工与清理工序，不需要其他填充材料，材料生产加工的适应性好、产品质量高、易于实现自动化生产过程，在生产加工过程中无烟尘、辐射、飞溅、噪音及弧光等有害物质产生，对环境无污染，对操作工人无危害。

5. 四周封闭的中空型腔的内表面的粗糙度、加工质量和精度，可以通过铣削工具进行精确控制，通过中空型腔的的粗糙度，可以提高了中空型腔的换热效果，采用切削-搅拌摩擦焊接复合加工制造方法和装置，近净整体成型中空型腔结构，其零部件的最终内部形状易于控制，适应性强，能够制造多种截面形状的中空型腔，式介质流动均匀，流动阻力小，生产效果好。

6. 本发明适用金属、非金属以及复合材料加工，应用范围十分广泛，例如建筑、核电、军舰、水产、食品、制冷等行业，可以使用传统的T型铣刀的结构作为设计本发明切削-搅拌摩擦焊接复合加工装置中铣刀头部分的结构，以及可以使用传统的搅拌摩擦焊接头结构作为设计本发明切削-搅拌摩擦焊接复合加工装置中的搅拌头部分的结构，铣刀头可以更换，并且本发明切削-搅拌摩擦焊接复合加工装置中的铣刀头部分具有传统的双轴肩自支撑搅拌摩擦焊接技术的特征和作用，本发明拓展了搅拌摩擦焊接和机械加工技术及其工程应用领域。

附图说明

图1切削-搅拌摩擦焊接复合加工装置主示图。

图2切削-搅拌摩擦焊接复合加工装置侧示图。

图3中空型腔结构的加工剖面图。

图中，1. 搅拌头本体；2. 铣刀头；3. 搅拌针；4. 轴肩；5. 可换刀头系统；6.搅拌摩擦焊缝；7. 中空型腔结构；8.工件。

具体实施方式

本发明主要包含一种铣削-搅拌摩擦焊接复合加工装置和封闭中空型腔结构的整体近净成型快速制造方法，该复合加工工具集铣削系统、搅拌摩擦焊接系统于一体，是一种铣削加工过程和搅拌摩擦焊接过程同时进行的联合加工装置，并具有气体保护、冷却液供应、可换刀头、切削、搅拌摩擦焊接的综合功能。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。如图1、图2和图3所示，铣削-搅拌摩擦焊接复合加工装置，由搅拌摩擦焊接系统和铣削系统构成，搅拌摩擦焊接系统包括搅拌头本体1，位于搅拌头本体1下部的轴肩4，搅拌针3和气体保护系统，铣削系统包括铣刀头2，冷却液供应系统和可换刀头系统5。

这是一种集铣削和搅拌摩擦焊接功能于一体的复合加工装置，能够同时进行铣削加工过程和搅拌摩擦焊接过程，在气体保护、冷却液保护、可换刀头系统辅助条件下，对工件8进行切削-焊接并行联合加工，构成一种内部封闭的中空型腔结构7，形成此类零部件的一种整体近净成型快速制造方法。

中空型腔近净成型方法，使用如图1和图2所示的铣削-搅拌摩擦焊接复合加工装置；首先将工件8进行预处理，包括清理、预应力处理、表面纳米化处理、洁净和干燥处理，然后用夹具将工件8固定在搅拌摩擦焊机“T”型槽工作平台上，使工件8待加工部位的背面位于搅拌摩擦焊机“T”型槽工作平台的凹槽部位，使其悬空；在待加工工件8的侧面先行加工出一个“T”形槽，使“T”形槽的不通端位于工件8的中部，“T”形槽的不通端尺寸与铣刀头2的外径相匹配，“T”形槽的上部开口端位于工件表面，其尺寸与搅拌针3的直径相匹配；使用铣削-搅拌摩擦焊接复合加工装置，将切削-搅拌摩擦焊接复合加工装置安装于“T”形槽中，并使切削-搅拌摩擦焊接复合加工装置的轴肩4下表面与工件8的上表面压紧，切削-搅拌摩擦复合加工装置的铣刀头2位于“T”形槽下部的不通端，这样就在“T”形槽上端的开口部分形成搅拌摩擦焊接加工方式，而在“T”形槽下部形成铣削加工方式；根据封闭的中空型腔结构7三维设计要求，利用切削-搅拌摩擦复合加工装置，对工件8同时并列进行切削-搅拌摩擦焊接复合加工制造过程，这样在工件8上表面留下搅拌摩擦焊缝6，起到焊合封闭作用，从而使工件8中部形成密闭的内部空心通道，在工件8的另一侧面将切削-搅拌摩擦焊接复合加工装置引出，从而完成具有内部封闭的中空型腔结构7零部件的整体近净成型与快速加工制造。

所述的切削-搅拌摩擦焊接复合加工制造中空型腔近净成型方法的工艺参数为，主轴旋转速度为400~10000r/min，加工速度为20~800mm/min，搅拌头的压力为100N~60KN，保护气体流量为5~40L/min，板厚6~100mm，搅拌针和铣刀头的尺寸根据待加工工件的具体尺寸和技术要求而进行合适的选择。

实施例一。

下述实施例是按照本发明提供的方法和设备来实施的，但并不意味着是对本发明保护范围的限制。

参见图1、图2和图3所示，镁合金中空型腔蒸发板的制造加工。ZK60镁合金整体厚板材料，其尺寸为长1.2m、宽0.8m、厚15mm，采用切削-搅拌搅拌摩擦焊接复合加工装置，搅拌头和铣刀头的材料为高速钢，搅拌针直径为4.2mm，搅拌针上有螺纹刃口，铣刀头外径为16mm，铣刀头厚度为7mm，复合加工制造工艺参数为，搅拌头和铣刀头的旋转速度为1200-1800r/min，焊接速度为100-120mm/min，搅拌摩擦焊接采用氩气为保护气体，其流量为30L/min，采用水基环保型铣削液进行铣削加工。

实际加工制造时，因根据不同结构设计和技术要求，用途和使用环境，确定需要使用的切削-搅拌搅拌摩擦焊接复合工具以及加工制造工艺，采用本发明提供的设备和方法，应综合考虑各种加工制造工艺参数的合理匹配，并且需要对主要工艺参数进行优化，可保证高效、优质、低成本、新型中空型腔结构零部件近净成型的切削-搅拌搅拌摩擦焊接复合加工制造过程的实施。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。