[发明专利]铣削-搅拌摩擦焊复合加工装置及中空型腔近净成型方法

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。