用于复合材料加工的多用途工具、辅助设备及使用方法

摘要

本发明公开的用于复合材料加工的多用途工具、辅助设备及使用方法，属于机械加工、材料改性技术领域。本发明公开的一种用于复合材料加工的多用途工具，包括刀杆、刀体、搅拌头、定位块、刀片和螺钉。本发明还公开一种用于复合材料加工的多用途工具使用的辅助设备和一种用于复合材料加工的多用途工具的使用方法。本发明要解决的问题为：(1)根据使用需要实现复合材料多用途加工，所述的多用途加工包括以下用途：单一搅拌摩擦加工；单一铣削加工；单一搅拌摩擦焊接；具有去飞边功能的搅拌摩擦加工；搅拌摩擦加工‑铣削的复合加工；搅拌摩擦连接‑铣削的复合加工。(2)提高复合材料加工质量和加工效率，并改善加工零部件的表层力学性能和疲劳性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于复合材料加工的多用途工具、辅助设备及使用方法，属于机械加工、材料改性技术领域。

背景技术

新材料科学技术迅速发展，特别是尖端科学技术的突飞猛进，对材料性能提出越来越高的要求。同时，一些有很多优异的力学性能和物理性能难加工材料(尤其是复合材料)的出现，对机加工技术不断提出了新的要求。其主要表现在加工时对工具磨损严重、加工成本高，导致加工效率低下以及加工表面质量差，另外，在铣削一些先进新型难加工材料过程中，由于铣削力、铣削热及材料的去除与表层残余应力耦合形成新的残余应力分布，残余应力的存在改变了零件的几何尺寸，进而引起零件严重变形，且铣削后表层的力学性能出现一定程度的下降，进行影响最终产品质量，上述一系列因素成为阻碍具有优良性能的新材料广泛应用及制约关键髙性能结构件制造的瓶颈和难题之一。由于零部件件的表面粗糙度、尺寸精度、表面力学性能等方面的要求，必须对其采取一定的机加工。要扩大新材料的应用范围，必须尽可能降低其加工难度。因此，难加工材料的高效和高质量加工仍然是近几年制造技术中最重要的研究课题之一。

搅拌摩擦加工本身是一种非常典型的高效、节能、无污染的先进加工技术，通过搅拌头的强烈搅拌作用使被加工材料发生剧烈塑性变形、混合、破碎，实现微观结构的致密化、均匀化和细化。搅拌摩擦加工在金属微观组织细化、超塑性材料制备、以及纳米相增强金属基复合材料等方面取得了应用。搅拌摩擦加工不仅在于为金属及合金材料强韧化提供了新的方法，而且在金属及合金表面可制备梯度结构层(尺度梯度或组织梯度)。同时，利用搅拌摩擦加工技术加工在合金表面制备复合材料，从而强化合金表面，使表层的力学性能和磨损性能得到显著提高。

复合加工技术正越来越受到现代制造业的重视，已经成为未来加工制造产业的一个重要发展方向。搅拌摩擦加工-铣削一体式加工是复合加工技术的一种实现形式，是以铣刀和搅拌头相结合方式的加工工具利用搅拌摩擦加工和铣削合成运动来完成各类表面的加工，通过铣刀的旋转来实现回转体零部件件切削和搅拌头的搅拌挤压来实现表层强化的一种先进绿色加工技术。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中明确指出，针对制造过程资源、能源消耗大等问题，要重点研究开发绿色制造技术。因此，搅拌摩擦加工-铣削一体式加工技术也是复合加工技术的一种实现形式，这种方法综合了铣刀和搅拌头各自的优点，利用铣刀和搅拌头的合成运动来完成表面加工。铣削与搅拌摩擦加工技术相结合的复合加工工艺，具有低成本、短周期的复合加工新技术，实现了难加工材料高效、高质量的加工。

发明内容

本发明公开一种用于复合材料加工的多用途工具，并公开一种用于复合材料加工的多用途工具使用的辅助设备，还公开的一种用于复合材料加工的多用途工具的使用方法，本发明要解决的技术问题为：(1)根据使用需要实现复合材料多用途加工，所述的多用途加工包括以下用途：单一搅拌摩擦加工；单一铣削加工；单一搅拌摩擦焊接；具有去飞边功能的搅拌摩擦加工；搅拌摩擦加工-铣削的复合加工；搅拌摩擦连接-铣削的复合加工。(2)提高复合材料加工质量和加工效率，并改善加工零部件的表层力学性能和疲劳性能。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种用于复合材料加工的多用途工具，包括刀杆、刀体、搅拌头、定位块、刀片和螺钉，刀体根据工作需要选用端铣刀或者圆柱铣刀。刀体一端与搅拌头大端整体连接，搅拌头大端面直径为刀体直径的2/5～3/5，搅拌头大端镶嵌在刀体内孔上。定位块通过螺钉固定在刀体的刀槽内，刀片固定在定位块上，刀片形状及在定位块上的位置根据加工需要调整。

为降低进给阻力和切削力，所述的搅拌头优选锥形搅拌头。

本发明还公开一种用于复合材料加工的多用途工具使用的辅助设备，包括刀柄系统和主轴系统。所述的刀柄系统包括减振法兰盘、油腔、刀柄进气管道、刀柄内冷系统、限位装置、动平衡装置、刀杆加持装置。在已有刀柄系统的刀柄上增加用于实现多用途工具动平衡的环形凸台，通过调节在环形凸台上螺钉的位置和数量配重，实现对多用途工具的动平衡设置。并在已有刀柄系统增加减振法兰盘，减振法兰盘套在刀柄凸台下方的圆柱体外侧。所述的主轴系统包括测温装置、主轴冷却槽、测振装置、主轴冷却装置、气动卡盘、进气管。多用途工具通过刀柄系统上的刀杆夹持装置进行几何固定，并利用刀柄进气管道以实现工具与刀柄的气动紧固。

本发明公开的一种用于复合材料加工的多用途工具的使用方法为：多用途工具通过刀柄系统上的刀杆夹持装置进行几何固定，并利用刀柄进气管道以实现工具与刀柄的气动紧固。

根据使用需要选择安装相应多用途工具，实现对于复合材料的多用途加工。

当实现单一搅拌摩擦加工时，从定位块上拆卸刀片，通过主轴系统实现对多用途工具的旋转和进给运动的驱动，从而实现单一搅拌摩擦加工。

当实现单一搅拌摩擦焊接时，从定位块上拆卸刀片，通过主轴系统实现对多用途工具的旋转和进给运动的驱动，从而实现单一搅拌摩擦焊接。

当实现具有去飞边功能的搅拌摩擦加工时，调整刀片在定位块上的位置或调整刀片形状，使刀片切削刃与刀体端部平齐，通过主轴系统实现对多用途工具的旋转和进给运动的驱动，从而实现具有去飞边功能的搅拌摩擦加工。

当实现具有去飞边功能的搅拌摩擦焊接时，调整刀片在定位块的位置或调整刀片形状，使刀片与刀体端部平齐，通过主轴系统实现对多用途工具的旋转和进给运动的驱动，从而实现具有去飞边功能的搅拌摩擦焊接。

当实现单一铣削加工时，调整刀片在定位块的位置或调整刀片形状，使刀片切削刃超过刀体端部，同时拆卸搅拌头，通过主轴系统实现对多用途工具的旋转和进给运动的驱动，从而实现单一铣削加工。

当实现搅拌摩擦加工-铣削的复合加工时，调整刀片在定位块的位置或调整刀片形状，使刀片切削刃超过刀体端部，同时装载搅拌头，通过主轴系统实现对多用途工具的旋转和进给运动的驱动，从而实现搅拌摩擦加工-铣削复合的一体式加工，提高复合材料的加工质量和加工效率。在复合材料铣削过程中，合金基体中由于增强相的加入使基体的塑性变形机制与单一合金材质的铣削去除机理有较大差异，由于复合材料工件表层材料经过搅拌摩擦二次加工起到细化基体微观组织和增强相尺寸，从而提高复合材料表层力学性能和疲劳性能。搅拌摩擦加工-铣削的复合加工集合了铣削和搅拌摩擦加工各自技术优势，利用搅拌摩擦加工可改善铣削复合材料加工表面质量及表层力学性能，同时铣削加工可去除搅拌摩擦加工所产生的飞边等问题，并且切削产生的热量可为搅拌摩擦加工提供部分热输入。同时，搅拌摩擦加工-铣削的复合实现工件一体式快速加工，提高复合材料的加工质量和加工效率并节约生产成本。

当实现搅拌摩擦焊接-铣削的复合加工时，调整刀片在定位块的位置或调整刀片形状，使刀片切削刃超过刀体端部，同时装载搅拌头，通过主轴系统实现对多用途工具的旋转和进给运动的驱动，从而实现搅拌摩擦焊接-铣削复合的一体式加工，提高复合材料的加工质量和加工效率。在复合材料铣削过程中，合金基体中由于增强相的加入使基体的塑性变形机制与单一合金材质的铣削去除机理有较大差异，由于复合材料工件表层材料经过搅拌摩擦二次焊接起到细化基体微观组织和增强相尺寸，从而提高复合材料表层力学性能和疲劳性能。搅拌摩擦焊接-铣削的复合加工集合了铣削和搅拌摩擦焊接各自技术优势，利用搅拌摩擦焊接可改善铣削复合材料加工表面质量及表层力学性能，同时铣削加工可去除搅拌摩擦加工所产生的飞边等问题，并且切削产生的热量可为搅拌摩擦焊接提供部分热输入。同时，搅拌摩擦焊接-铣削的复合实现了工件一体式快速加工，提高复合材料的加工质量和加工效率并节约生产成本。

由于上述多用途加工方式中主轴系统的旋转转速高，多用途工具上的微小不平衡量会产生非常大的离心力，离心力引起多用途工具的径向跳动，降低对工件的加工精度，由于在刀柄上加工有实现多用途工具动平衡的环形凸台，通过调节在环形凸台上螺钉的位置和数量配重，实现对多用途工具的动平衡设置，减小离心力引起多用途工具的径向跳动，提高对工件的加工精度。此外，由于在已有刀柄系统增加减振法兰盘，实现减振作用，进一步提高对工件的加工精度。

有益效果：

1、本发明公开的一种用于复合材料加工的多用途工具、辅助设备及使用方法，根据使用需要选择安装相应多用途工具，实现对于复合材料的多用途加工，多用途加工包括以下用途：单一搅拌摩擦加工；单一铣削加工；单一搅拌摩擦焊接；具有去飞边功能的搅拌摩擦加工；搅拌摩擦加工-铣削的复合加工；搅拌摩擦连接-铣削的复合加工。

2、现有加工方式中主轴系统的旋转转速高，多用途工具上的微小不平衡量会产生非常大的离心力，离心力引起多用途工具的径向跳动，降低对工件的加工精度。本发明公开的一种用于复合材料加工的多用途工具、辅助设备及使用方法，由于在刀柄上加工有实现多用途工具动平衡的环形凸台，通过调节在环形凸台上螺钉的位置和数量配重，实现对多用途工具的动平衡设置，减小离心力引起多用途工具的径向跳动，提高对工件的加工精度。此外，由于在已有刀柄系统增加减振法兰盘，实现对刀柄的减振作用，进一步提高对工件的加工精度。

3、本发明公开的一种用于复合材料加工的多用途工具、辅助设备及使用方法，调整刀片在定位块的位置或调整刀片形状，使刀片切削刃超过刀体端部，同时装载搅拌头，通过主轴系统实现对多用途工具的旋转和进给运动的驱动，从而实现搅拌摩擦加工或焊接-铣削复合的一体式加工，提高复合材料的加工质量和加工效率。在复合材料铣削过程中，合金基体中由于增强相的加入使基体的塑性变形机制与单一合金材质的铣削去除机理有较大差异，由于复合材料工件表层材料经过搅拌摩擦二次焊接起到细化基体微观组织和增强相尺寸，从而提高复合材料表层力学性能和疲劳性能。

附图说明

图1为复合铣削-搅拌摩擦加工的联合加工示意图；

图2为三维的复合铣削-搅拌摩擦加工的工具结构；

图3为具有去飞边功能的搅拌摩擦加工/焊接工具结构，图3a为主视图，图3b为俯视图；

图4为复合铣削-搅拌摩擦加工的工具结构，图4a为主视图，图4b为俯视图；

图5为具有不同功能的刀片结构，图5a为切削刃超过刀体端部的刀片，图5b为切削刃与刀体端部平齐的刀片；

图6为拆卸搅拌头后的单一铣削工具结构；

图7为单一铣削加工示意；

图8为只装载搅拌头的工具结构

图9为单一搅拌摩擦加工示意图。

其中：1—刀杆；2—刀体；3—搅拌头；4—定位块；5—刀片；6螺钉；7—销紧滑垫；8—刀柄系统；8-1—减振法兰盘；8-2—油腔；8-3—刀柄进气管道；8-4—刀柄内冷系统；8-5—限位装置；8-6—动平衡装置；8-7—刀杆夹持装置；9—主轴系统；9-1—测温装置；9-2—主轴冷却槽；9-3—测振装置；9-4—主轴冷却装置；9-5—气动卡盘；9-6—进气管；10—工件；24—工件待加工部分；25—工件已加工部分。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

本实施例基于本发明公开一种用于复合材料加工的多用途工具、一种用于复合材料加工的多用途工具使用的辅助设备、一种用于复合材料加工的多用途工具的使用方法，结合实际加工需要实现。

建筑中所用的铝基复合材料板材加工。材料为：6005铝合金，待加工的毛坯为大尺寸板材。由于此时需要获得表面质量较好的铝合金板材，因此应该选用摩擦搅拌去飞边的复合加工的方式。复合加工工具的工具选择平头的硬质合金铣刀，搅拌头选择H13钢搅拌头，其中铣刀的刃数是四，刃径为12mm；搅拌头上搅拌针为圆柱体，底部的大的端部直径为7mm，小头直径是4.5mm，整体的高度是4.5mm，搅拌针带螺纹，螺距是1.3mm。调整刀片5形状，使刀片5切削刃与刀体2端部平齐，通过主轴系统9实现对多用途工具的旋转和进给运动的驱动，从而实现具有去飞边功能的搅拌摩擦加工，此种搅拌摩擦去飞边加工方式需要将平头的如图3中右侧的铣刀安装在刀杆的底部，并将上述中的搅拌头安装上。对加工工具进行动平衡检验，利用RPCT0642动平衡机或其他类型动平衡机，在转速为10000r/min确定复合加工工具的动平衡精度等级是否在G205～G16范围内，对于动平衡精度较差加工工具通过平衡环或螺钉进行平衡补偿。具有去飞边功能的搅拌摩擦加工方式工艺：加工的铣削速度为60m/min，每齿的进给量为0.018mm/z，保护气体流量为8L/min，间歇性进给距离为3.5mm。加工方式如图9所示，采用具有去飞边功能的搅拌摩擦加工能够得出表面质量较高以及具有较高力学性能的建筑用铝基复合板。

如果需要获得一定尺寸要求且表面质量较好的铝合金板材，应当选择如图4的刀具结构，采用如图1所示的复合铣削-搅拌摩擦加工的加工方式。复合加工工具的工具选择平头的硬质合金铣刀，搅拌头选择H13钢搅拌头，其中铣刀的刃数是4，刃径为12mm；搅拌头上搅拌针为圆柱体，底部的大的端部直径为7mm，小头直径是4.5mm，整体的高度是4.5mm，搅拌针带螺纹，螺距是1.3mm。调整刀片5形状(如图5a)，使刀片5切削刃超过刀体端部，同时装载搅拌头3，通过主轴系统9实现对多用途工具的旋转和进给运动的驱动，从而实现搅拌摩擦加工-铣削复合的一体式加工。此种搅拌摩擦-铣削去飞边加工方式：复合加工的铣削速度为60m/min，每齿的进给量为0.018mm/z，保护气体流量为8L/min，间歇性进给距离为3.5mm。加工方式如图1所示，采用该搅拌摩擦加工—铣削去飞边复合加工可以得出表面质量较高以及具有较高力学性能的建筑用铝基复合板。复合加工的铣削速度为40m/min，每齿的进给量为0.01mm/z，保护气体流量为8L/min，间歇性进给距离为3mm。加工方式如图9所示，采用该搅拌摩擦加工-铣削复合加工可以得出表面质量较高以及具有较高力学性能的建筑用铝基复合板。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。