一种浮动双轴肩双搅拌针的切削 - 搅拌摩擦焊接复合加工 设备及其制造方法 技术领域 本发明涉及机械制造零件加工技术领域， 特别是一种基于浮动双轴肩双搅拌针切 削 - 搅拌摩擦焊接联合加工设备及其制造方法。
背景技术 目前， 带有内部封闭空腔体结构件的制造， 传统制造方法主要有采用型材焊接， 板 材焊接胀形加工、 或者整块工件切削加工后然后再盖板封闭等方法。这些传统的加工方法 工序多， 制造周期长， 制造成本高， 而且工件容易变形， 结构件强度受到影响。
1991 年英国焊接研究所 (TWI) 的 W.M.Thomas 发明了搅拌摩擦焊技术， 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。搅拌摩擦焊是一 种新型的固相焊接方法， 搅拌摩擦焊时不会产生与金属熔化有关的焊接缺陷。由于搅拌摩 擦焊温度相对较低， 焊接热输入较小， 焊接后结构的残余应力或变形较小。同时， 搅拌摩擦 焊是一种绿色焊接方法， 焊接前及焊接过程中对环境的污染小。
因此， 采用搅拌摩擦焊来加工成型工件可以减小焊接热输入、 减小了焊接残余应 力， 控制结构件的焊接变形， 并且搅拌摩擦焊接效益高， 不需要其他填充焊料， 对环境污染 小， 经济效益较高。近年来， 搅拌摩擦焊接技术与其它加工技术相结合， 产生了许多复合加 工制造新技术和新工艺， 在机械制造领域具有巨大的应用前景。
但是， 对于具有内部封闭空腔结构的零部件来说， 如冷凝板， 除了分体式加工方法 外， 传统的搅拌摩擦焊接依然缺乏有效的加工办法 ； 此外， 在一些特殊加工过程中需要搅拌 摩擦焊焊接设备提供较大的焊接力， 同时要求对被加工工件进行严格的装夹， 对某些特殊 结构的搅拌摩擦焊接夹具的设计带来了困难。 因此， 能否采用整块材料， 通过将浮动双轴肩 双搅拌针搅拌摩擦焊接技术与切削技术相互融合， 进行联合加工制造从而整体一次近净成 型出具有背部缺陷少、 变形小的内部封闭空腔结构的零部件具有重要的意义， 对于传统的 机械制造方法来说， 这种加工技术也是一个对机械制造领域具有里程碑式的创新， 促进机 械制造技术发展与进步， 形成具有低成本、 少工序、 短周期的创新的机械制造技术， 为世界 范围内经济的可持续发展提供有力的支持， 并确信这种联合加工新技术和机械制造新理论 的出现， 必将成为二十一世纪世界范围内最为重要与广泛应用的焊接与制造技术之一。
发明内容 针对传统机械制造技术存在的上述不足， 本发明的目的是提供一种高效、 低成本、 高稳定性、 优质的切削技术及其原理与搅拌摩擦焊接技术及其原理相互融合的创新型的机 械制造技术及其加工原理。 对于具有内部封闭空腔结构的零部件来说， 如冷凝板， 采用整块 材料通过将焊接技术与切削技术相互融合， 进行浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接 联合加工制造新技术， 从而整体一次近净成型出具有内部封闭空腔结构的零部件， 应用于 制冰储能领域具有重要的工程应用价值和科学研究意义。这种新型的机械制造加工方法，
突破了增量式机械制造原理和减除式机械制造原理的束缚， 而是将二者紧密的结合起来， 形成一种有机的新型切削 - 焊接加工新原理、 方法和技术。在机械制造领域， 相对于传统的 机械制造技术来说， 这种浮动双轴肩双搅拌针切削 - 焊接联合加工技术是一个具有里程碑 式的创新技术， 必将推动现代机械制造技术的大力发展与进步， 在冷加工和固相焊接领域 开拓了新的制造技术， 具有广阔的应用前景。
本发明的技术方案如下 ：
一种浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工设备， 包括搅拌头本体， 上轴肩和下轴肩， 位于上轴肩下部的上搅拌针和下轴肩上部的下搅拌针， 弹簧和螺栓、 搅拌 头本体与机床本体的夹持部分连接， 在上搅拌针的下部具有自支撑、 自适应、 自稳定的切削 系统， 下轴肩通过固定的螺栓和压缩的弹簧形成具有自适应功能的浮动轴肩系统， 与上轴 肩、 上搅拌针、 下搅拌针和切削系统一起构成了浮动双轴肩双搅拌针的切削 - 搅拌摩擦焊 接联合加工设备， 该设备包含搅拌摩擦焊接系统、 切削系统、 强制冷却系统、 气体保护系统、 参数传感与监控系统和密封系统， 是一种切削加工和搅拌摩擦焊接加工同时并行开展工作 的联合或复合加工设备， 此外， 该设备还具有进行温度和压力检测与控制、 气体保护、 冷却 液保护、 自支撑浮动双轴肩自稳定和平衡功能 ； 该设备能够用于有色金属、 碳钢、 不锈钢、 低合金高强钢、 复合材料的机械加工 ； 该设备实现将传统的切削和焊接的多工序、 多工位 加工转变成一次加工近净成型的制造工艺， 减少了制造周期和加工成本， 具有高效、 优质、 稳定、 节能的技术特点， 突破了常规机械加工技术的局限性， 形成了自稳定双轴肩双搅拌针 切削 - 搅拌摩擦焊接并行联合制造加工的新方法， 在采暖、 空调、 制冰、 保鲜、 制药、 建筑、 水 产、 食品行业具有广阔的工程应用。 一种浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工设备， 所述切削系统， 包 括设置于搅拌头本体上、 在上搅拌针下部的切削刀头， 切削刀刃， 切削液通道， 切削刀头与 搅拌头本体的连接体 ； 切削刀头由圆柱形铣刀头， 或 T 型槽铣刀头， 或燕尾槽铣刀头， 或三 面刃铣刀头， 或角度铣刀头， 或键槽铣刀头， 或锯片铣刀头， 或成形铣刀头构成 ； 切削刀头采 用可更换刀头的切削刀头， 或采用固定刀头的切削头， 或采用一个自支撑、 可浮动、 自适应 的切削刀头 ； 切削刀头具有切削作用， 切削刀头的上表面作为双搅拌针中上搅拌针的下支 撑轴肩使用， 切削刀头的下表面作为双搅拌针中下搅拌针的上支撑轴肩使用， 因此， 切削刀 头具有支撑上搅拌针和下搅拌针帮助实现切削 - 搅拌摩擦焊接的双重功能 ； 切削刀头与搅 拌头本体采用固定连接方式或者活动连接方式进行装配， 当切削刀头与搅拌头本体采用活 动连接方式时， 切削刀头通过螺纹或花键方式的连接体与搅拌头本体连接， 当切削刀头与 搅拌头本体采用固定连接方式时， 切削刀头、 连接体与搅拌头本体通过整体加工方式或者 焊接方式形成为一个整体 ； 切削刀刃为固定一体式， 或者分体式， 分体式切削刀刃通过螺丝 紧固方式、 或者焊接方式、 或者机械镶嵌方式将切削刀刃与切削刀头进行连接 ； 切削刀头位 于上搅拌针的下部、 与搅拌头本体成为一个整体， 并且切削刀头与搅拌头本体、 上搅拌针一 起以相同的速度旋转 ； 切削刀头内部具有刀头冷却液供应通道， 使冷却液能够到达切削部 位， 确保切削、 脱屑、 冷却过程状态良好， 对工件的切削过程正常进行。
根据权利要求 1 或权利要求 2 所述的一种浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦 焊接联合加工设备， 所述搅拌摩擦焊接系统， 包括搅拌头本体、 上轴肩、 上搅拌针、 以及上搅 拌针的下部与切削刀头连接的连接体、 下搅拌针、 下轴肩、 弹簧及螺栓 ； 上搅拌针和下搅拌
针呈圆柱形， 或者呈圆锥形 ； 上搅拌针和下搅拌针表面是光滑表面， 或者是具有螺纹造型， 或者是具有刃齿造型 ； 上轴肩的直径、 上搅拌针的直径和高度、 切削刀头的直径和厚度、 下 搅拌针的直径和高度、 上轴肩的直径、 下轴肩的直径必须相互匹配， 以保证切削系统和搅拌 摩擦焊接系统具有足够的强度和刚性， 浮动的双轴肩通过螺栓和弹簧的共同作用使得下轴 肩的上表面与工件的下表面保持紧密接触， 并根据工件下表面的平整程度自动调整， 对工 件完成切削 - 搅拌摩擦焊接过程 ； 所述强制冷却系统， 包括设置于搅拌头本体内部的一个 中空结构的腔体， 一根出水和入水复合管， 切削液通道 ； 所述复合管用于将切削液引入和导 出腔体， 并将切削液通过切削液通道到达切削刀头的刃部， 用于对工件的切削加工， 多余的 切削液通过腔体循环回流， 并且能够对搅拌头起到冷凝作用， 控制搅拌头的温度， 避免在摩 擦搅拌焊接过程中搅拌头温度过高或升温太快而损害搅拌头的使用寿命和加工能力 ； 复合 管是外管与内管原位隔离组合集成的结构， 内管为出水口， 相比进水口其孔径要小， 并且内 管的进水开口位于搅拌头本体中腔体的上部， 而复合管的出水通道开口在搅拌头本体中腔 体的下部， 穿过上搅拌针， 接近削刀头的末端位置， 实现对搅拌头本体及焊缝的温度控制， 以及为切削刀头输送切削液 ； 所述气体保护系统， 设置于搅拌头本体的上轴肩的端面和侧 面处， 主要由搅拌头本体内的气体空腔和保护气体通道构成， 内部设置有气筛， 使保护气体 形成层流， 用于在焊接区域形成有效的气体保护， 保护摩擦焊接区和热影响区的高温金属， 防止焊缝及热影响区的金属在高温下被氧化 ； 所述参数传感与监控系统， 包括埋植于搅拌 头上轴肩端面处的自耦合热电阻式温度传感器和无源无线电阻式压力传感器， 以及无线感 应发射器 ； 压力传感器能够检测轴向压力和径向压力， 温度传感器用于检测上轴肩及其附 近温度的感应传感， 温度传感器和压力传感器与搅拌头本体上部的无线感应发射器连接， 构成一种无源无线的高温高压传感系统， 实现对搅拌摩擦焊温度、 压力、 扭矩参数的检测、 记录与监控 ； 所述密封系统， 包括在搅拌头本体的腔体、 气体腔体与复合管之间设置的动密 封构件、 转换接头和固定管接头， 用于达到密封液态介质与保护气体的目的， 又使搅拌头本 体能自由旋转， 而导入和导出液态介质与保护气体的固定管接头并不旋转， 动密封系统采 用唇型密封结构或滑动平面密封结构， 是一种接触型的相对于复合管主轴旋转的动密封形 式， 同时具有绝缘、 密封和运动三种特性， 保障对工件完成有效的切削 - 搅拌摩擦焊接联合 近净成型加工过程。
一种浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工制造方法， 使用了具有权 利要求 1-3 所述结构形式的浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工设备， 基于 切削和搅拌摩擦焊接的基本原理， 同时并行开展切削 - 搅拌摩擦焊接复合加工方式或者联 合加工方式的整体近净成型的机械制造方法， 其具体过程是 ：
A. 使用夹具将工件进行整体固定， 在工件侧面先行加工出两个上下对称叠加的 “凸” 形槽构成一个 “十” 字型， 两个 “凸” 形槽的上部分别开口于工件的上表面和下表面， “十” 字型 “凸” 形槽呈半圆柱形与上搅拌针和下搅拌针的形状、 直径、 大小和长度相适应与 匹配， “十” 字型 “凸” 形槽的中部位于工件侧面的中部， 其形状和大小与切削刀头的尺寸相 适应与匹配， 将浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工设备安装于 “十” 字型的 两个 “凸” 形槽中 ； 使浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工设备的上搅拌针位 于 “十” 字型直立 “凸” 形槽的上部， 并将切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工设备的上轴肩的下表 面与工件的上表面压紧， 在 “十” 字型直立 “凸” 形槽的上部形成一个搅拌摩擦焊接加工方式； 而切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工设备的切削刀头位于构成 “十” 字型两个对称 “凸” 形槽 的中部， 以便从工件中部的侧面开始形成切削加工方式 ； 使浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅 拌摩擦焊接联合加工设备的下搅拌针位于 “十” 字型倒立 “凸” 形槽的下部， 并将浮动双轴 肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工设备的下轴肩上表面与工件的下表面通过弹簧 和螺栓压紧， 在 “十” 字型倒立 “凸” 形槽的下部形成另一个搅拌摩擦焊接加工方式 ；
B. 根据设计要求， 利用浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工设备， 通过搅拌头内部通道， 使用水基环保型、 对人体无害的切削液， 对工件的切削加工部位起到 良好的冷却、 润滑、 清洗、 防锈、 缓蚀作用， 有效避免毛刺的产生， 确保工件加工后形成的内 部封闭空心腔体的内表面光滑， 促进废屑排屑容易， 不粘刀 ； 切削 - 搅拌摩擦焊接复合加工 完成后， 使用高压气体将切削过程中残留在内部空心腔体内的废屑吹出， 清理干净加工后 的工件 ； 在搅拌摩擦焊接的焊缝区域， 采用保护气体进行保护， 并且通过搅拌头中的强制冷 却系统， 控制搅拌摩擦焊接区域和切削区域的温度、 应力、 应变和热量输入保持在一个最优 的工作状态 ；
C. 最后， 工件的另一侧面部位施加一个引出板， 将切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工 设备从工件引出， 从而完成具有内部封闭空心腔体结构件的整体近净一次加工成型过程。 浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工制造方法， 主轴旋转速度 为 200-4000r/min， 加工速度为 10-1800mm/min， 轴向压力为 0.1-80KN， 保护气体流量为 8-30L/min， 工件厚度 4-80mm ；
上搅拌针、 下搅拌针和切削刀头， 采用高速钢材料， 或者热模具钢材料， 或者工具 钢材料， 或者硬质合金材料， 或者陶瓷材料， 或者复合材料 ；
在切削刀头表面， 上搅拌针、 下搅拌针表面、 上轴肩端面、 下轴肩端面， 采用 Ti 纳 米改性的 MoS2/Ti 纳米复合膜， 或者采用以纳米 TiN 改性的 Ti(C， N) 基金属陶瓷材料， 或者 使用类石墨 /Cr 复合镀层 Graphit-iCTM， 或者使用类金刚石纳米复合膜， 对切削刀头、 上搅 拌针、 下搅拌针、 上轴肩、 下轴肩进行表面强化处理， 以增强切削刀头、 搅拌头和轴肩关键部 位的抗磨损、 抗氧化、 抗高温能力， 大幅度提高切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工工具的使用寿 命；
保护气体为惰性气体 ： 包括氩气、 氦气的一元气体， 以及相互混合的二元气体， 进 行焊接区域保护 ；
或者， 保护气体为活性气体 ： 包括氮气、 二氧化碳、 氧气的一元气体， 以及相互混合 的二元或多元气体， 进行焊接区域保护 ；
采用可换铣刀头的切削 - 搅拌摩擦焊接复合工具， 或采用固定铣刀头的切削 - 搅 拌摩擦焊接复合工具， 或采用铣刀头为一个可浮动轴肩的双轴肩自支撑的切削 - 搅拌摩擦 焊接复合工具， 或者采用切削刀头的切削 - 搅拌摩擦焊接复合工具。
浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工设备， 以及浮动双轴肩双搅拌 针切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工制造方法， 在下述方面的用途 ：
用于有色金属和黑色金属及其合金材质切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工制造， 包 括： 碳钢， 合金钢， 高温合金， 不锈钢， 铜及其合金， 铝及其合金， 镁及其合金， 钛及其合金 ；
用于常规搅拌摩擦焊接 ： 包括搅拌摩擦点焊， 搅拌摩擦塞焊 ；
用于载流搅拌摩擦焊接 ： 包括载流搅拌摩擦点焊， 载流搅拌摩擦塞焊 ；
用于点焊、 对接、 搭接、 角接、 全位置的多种焊接接头形式 ；
用于表面改性处理， 包括单一材料的单层表面堆敷改性处理， 或多层表面堆敷改 性处理， 或多种材料的单层表面堆敷改性处理、 多层表面堆敷改性处理， 或梯度材料的多层 表面堆敷改性处理 ；
用于剧烈塑性变形制备超细晶粒或纳米晶粒， 包括高熔点金属材料和低熔点金属 材料的超细晶粒或纳米晶粒制备 ；
用于制冰板制造， 或用于冷凝板制造， 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；
用于蜂窝流道结构的制造， 也用于蜂窝流道结构件的制造， 或桶状结构的制造， 或 板片状结构的制造 ；
用于船用制冰领域 ； 或用于超市保鲜 ； 或用于禽类加工 ； 或用于肉类加工 ； 或用于 面包饼干糕点加工 ； 或用于乳品生产 ； 或用于冰蓄能 ； 或用于混凝土降温 ； 或用于化工染 料； 或用于核电站 ； 或用于军事舰艇 ； 或用于酿酒工业 ； 或用于蔬果保鲜 ； 或用于矿井降温。
与现有技术相比， 本发明具有以下优点 ：
1. 一种全新的创造性的浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工方法， 以及一种全新的浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工设备， 这种全新的机械 制造方法和设备突破了增量式机械制造原理和减除式机械制造原理的相互排斥性与束缚 新， 将二者紧密的结合起来， 形成一种有机融合的新型浮动双轴肩双搅拌针切削 - 焊接机 械加工制造的新原理、 方法和技术， 在机械制造领域和材料加工领域， 这种切削 - 焊接同时 并行开展的联合加工制造技术是一个具有里程碑式的创新理论、 技术与方法， 在机械加工 原理上是一个巨大的突破， 推动了现代机械制造技术的大力发展与科技进步， 在工程应用 领域具有广阔的应用前景， 同时也具有重要的工程应用价值和科学研究价值。
2. 在浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接复合或者联合加工设备中采用了 浮动的双轴肩、 双搅拌针， 该种设计技术优势明显， 两个搅拌针连接两个搅拌轴肩并通过过 渡连读部分相连接， 两个搅拌轴肩分别与工件的上下两个表面紧密接触， 下轴肩代替了工 件北部的刚性支撑垫板， 从而简化了焊接工艺和夹具设计， 并且增加了零件装配和焊接的 灵活性， 还可从根本上消除焊缝未焊透和焊接根部缺陷等问题， 同时双面受热均匀大大减 小了零件变形。 此外， 浮动式双搅拌轴肩可根据工件自动调整其位置， 对焊接过程中的压力 控制和位置控制的依赖性大大降低， 从而使得焊接过程的平稳性大大提升。
3. 采用整体材料代替型材结构或分体式板材加工结构， 能够在满足强度技术指标 的条件下， 减小焊接残余应力、 减小焊接变形， 提高了结构件的使用寿命， 减轻了结构件的 自身重量， 减少加工制造工序， 减小制造成本， 能够提高结构件的整体强度和抗变形能力， 节约资源、 能源和人力。浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工方法及设备是 一种近净整体成型特殊结构零部件的机械制造新方法， 内部封闭的中空腔体结构的最终形 状易于控制， 适应性强， 能够制造多种横截面形状的中空腔体结构， 产品的适应性强， 具有 显著的制造加工优势。
4. 采用浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接复合加工制造新方法代替电阻焊、 激光焊、 T 型铣削、 盖板连接、 型材焊接等方法制造出具有内部中空的特殊结构的结构 件， 整体近净成型提高了制造加工生产效率， 不需要特殊的清理工作， 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。内部 中空结构的表面质量， 可以通过铣切削工具进行精确控制， 控制方法简单。
5. 本发明不仅适用于铝合金材料， 而且还适用于其它材料， 如镁合金材料、 不锈钢 材料、 钛合金材料等， 不仅适用于制造蜂窝流道制冰板， 还适用于于蜂窝流道等其它结构的 制冰板， 以及制冰桶的加工制造 ； 本发明突破了常规机械加工技术的局限性， 形成了机械制 造加工的新方法和新思路， 在采暖、 空调、 制冰、 保鲜、 制药、 建筑、 水产、 食品行业具有广阔 的工程应用。
6. 本发明开拓了固相焊接工程领域新型搅拌摩擦焊接技术， 突破了焊接和切削的 两个相互矛盾加工思路的限制， 实现了高效、 优质、 低成本机械制造加工方法的有效协调与 合理统一， 降低了内部具有特殊结构形状零部件的使用与加工制造工艺的苛刻要求， 采用 切削 - 搅拌摩擦焊接复合加工制造新理论完善了切削和焊接技术的使用局限， 从而在可持 续发展、 满足循环经济需求的先进机械制造技术工艺与设备的开发与实际利用方面作出了 贡献 ； 本发明不仅拓展了焊接工程学的应用范围， 而且在切削加工理论与技术领域实现了 突破， 同时， 在表面工程领域中也能得到实际的应用和体现， 在机械传动件及机构、 机械设 备的制造与利用， 关键部件修复， 先进材料的制备， 资源的循环利用， 以及绿色循环制造与 装备、 表面工程等领域具有生命力。本发明实现了高效、 低成本、 高质量、 高稳定性、 多适用 性、 多方式综合易控的切削 - 焊接新过程。 7. 本发明的浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工设备及其方法集 铣削系统或切削系统、 搅拌摩擦焊接系统、 强制冷却系统、 气体保护系统、 温度传感系统、 压 力感应系统、 铣削液供应系统、 无传感系统于一体， 是一种铣削或切削加工和搅拌摩擦焊 接加工同时并行开展的联合或者复合加工装置及其方法， 具有温度控制、 气体保护、 压力检 测、 冷却液保护、 铣削头可更换、 双轴肩自支撑搅拌摩擦焊接的功能， 对工件实行铣削 - 搅 拌摩擦焊接复合加工方法， 能够满足有色轻金属材料、 碳钢材料、 合金钢材料机械加工的强 度要求。
总之， 本发明通过提供新型的浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接工具， 并 通过浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接复合加工方法的使用， 提供基于切削和搅拌 摩擦焊接技术的先进切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工制造理论， 利用切削 - 搅拌摩擦焊接的 综合作用， 消除采用常规机械制造技术的一系列难题， 克服了内部具有特种结构形状的机 械装备关键零部件加工的难题， 及其对加工制造工艺和材料的苛刻要求， 提高了零部件的 质量， 延长了产品的使用寿命， 实现了低成本、 高效、 优质切削 - 搅拌摩擦焊接加工制造过 程， 拓展了焊接工程学、 切削理论和摩擦学的工程应用领域。
附图说明 图 1 是本发明浮动双轴肩双搅拌针搅拌摩擦焊接 - 切削复合加工制造新方法及其 设备的示意图 ；
图中， 1. 搅拌头本体 ； 2. 切削刀头 ； 3. 上搅拌针 ； 4. 上轴肩 ； 5. 连接体 ； 6. 工件 ；
7. 空心腔体 ； 8. 切削液通道 ； 9. 切削刀刃 ； 10. 保护气体通道 ； 11. 气体空腔 ； 12. 复合管 ； 13. 转换接头 ； 14. 动密封构件 ； 15. 无限感应发射器 ； 16. 温度传感器 ； 17. 压力传感器 ； 18. 夹持部分 ； 19. 固定管接头 ； 20. 腔体 ； 21. 弹簧 ； 22. 下搅拌针 ； 23. 下轴肩 ； 24. 螺栓 ； 25. 焊缝。 具体实施方式
本发明主要包含一种基于浮动双搅拌针双轴肩切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工设 备及其方法。
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。
一 . 一种基于浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工设备
本发明的浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工设备是一种集温度 检测与控制、 参数检测、 气体保护等多项重要功能于一体的集成式智能化的切削 - 搅拌摩 擦焊接联合加工设备。
如图 1 所示， 浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工设备， 包括搅拌头 本体 1， 上轴肩 4 和下轴肩 23， 位于上轴肩 4 下部的上搅拌针 3 和下轴肩 23 上部的下搅拌 针 22， 弹簧 21 和螺栓 24、 搅拌头本体 1 与机床本体的夹持部分 18 连接， 在上搅拌针 3 的下 部具有自支撑、 自适应、 自稳定的切削系统， 下轴肩 23 通过固定的螺栓 24 和压缩的弹簧 21 形成具有自适应功能的浮动轴肩系统， 与上轴肩 4、 上搅拌针 3、 下搅拌针 22 和切削系统一 起构成了浮动双轴肩双搅拌针的切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工设备， 该设备包含搅拌摩擦 焊接系统、 切削系统、 强制冷却系统、 气体保护系统、 参数传感与监控系统和密封系统， 是一 种切削加工和搅拌摩擦焊接加工同时并行开展工作的联合或复合加工设备此外， 该设备还 具有进行温度和压力检测与控制、 气体保护、 冷却液保护、 自支撑浮动双轴肩自稳定和平衡 功能 ； 该设备能够用于有色金属、 碳钢、 不锈钢、 低合金高强钢、 复合材料的机械加工 ； 该设 备实现将传统的切削和焊接的多工序、 多工位加工转变成一次加工近净成型的制造工艺， 减少了制造周期和加工成本， 具有高效、 优质、 稳定、 节能的技术特点， 突破了常规机械加工 技术的局限性， 形成了自稳定双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接并行联合制造加工的新 方法， 在采暖、 空调、 制冰、 保鲜、 制药、 建筑、 水产、 食品行业具有广阔的工程应用。
一种浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工设备， 所述切削系统， 包 括设置于搅拌头本体 1 上、 在上搅拌针 3 下部的切削刀头 2， 切削刀刃 9， 切削液通道 8， 切 削刀头 2 与搅拌头本体 1 的连接体 5 ； 切削刀头 2 由圆柱形铣刀头， 或 T 型槽铣刀头， 或燕 尾槽铣刀头， 或三面刃铣刀头， 或角度铣刀头， 或键槽铣刀头， 或锯片铣刀头， 或成形铣刀头 构成 ； 切削刀头 2 采用可更换刀头的切削刀头， 或采用固定刀头的切削头， 或采用一个自支 撑、 可浮动、 自适应的切削刀头 ； 切削刀头 2 具有切削作用， 切削刀头 2 的上表面作为双搅拌 针中上搅拌针 3 的下支撑轴肩使用， 切削刀头 2 的下表面作为双搅拌针中下搅拌针 22 的上 支撑轴肩使用， 因此， 切削刀头 2 具有支撑上搅拌针 3 和下搅拌针 22 帮助实现切削 - 搅拌 摩擦焊接的双重功能 ； 切削刀头 2 与搅拌头本体 1 采用固定连接方式或者活动连接方式进 行装配， 当切削刀头 2 与搅拌头本体 1 采用活动连接方式时， 切削刀头 2 通过螺纹或花键方 式的连接体 5 与搅拌头本体 1 连接， 当切削刀头 2 与搅拌头本体 1 采用固定连接方式时， 切 削刀头 2、 连接体 5 与搅拌头本体 1 通过整体加工方式或者焊接方式形成为一个整体 ； 切削刀刃 9 为固定一体式， 或者分体式， 分体式切削刀刃 9 通过螺丝紧固方式、 或者焊接方式、 或 者机械镶嵌方式将切削刀刃 9 与切削刀头 2 进行连接 ； 切削刀头 2 位于上搅拌针 3 的下部、 与搅拌头本体 1 成为一个整体， 并且切削刀头 2 与搅拌头本体 1、 上搅拌针 3 一起以相同的 速度旋转 ； 切削刀头 2 内部具有刀头冷却液供应通道 8， 使冷却液能够到达切削部位， 确保 切削、 脱屑、 冷却过程状态良好， 对工件 6 的切削过程正常进行。
种浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工设备， 所述搅拌摩擦焊接系 统， 包括搅拌头本体 1、 上轴肩 4、 上搅拌针 3、 以及上搅拌针 3 的下部与切削刀头 2 连接的 连接体 5、 下搅拌针 22、 下轴肩 23、 弹簧 21 及螺栓 24 ； 上搅拌针 3 和下搅拌针 22 呈圆柱形， 或者呈圆锥形 ； 上搅拌针 3 和下搅拌针 22 表面是光滑表面， 或者是具有螺纹造型， 或者是具 有刃齿造型 ； 上轴肩 4 的直径、 上搅拌针 3 的直径和高度、 切削刀头 2 的直径和厚度、 下搅 拌针 22 的直径和高度、 上轴肩 4 的直径、 下轴肩 23 的直径必须相互匹配， 以保证切削系统 和搅拌摩擦焊接系统具有足够的强度和刚性， 浮动的双轴肩通过螺栓 24 和弹簧 21 的共同 作用使得下轴肩 23 的上表面与工件 6 的下表面保持紧密接触， 并根据工件 6 下表面的平整 程度自动调整， 对工件 6 完成切削 - 搅拌摩擦焊接过程 ； 所述强制冷却系统， 包括设置于搅 拌头本体 1 内部的一个中空结构的腔体 20， 一根出水和入水复合管 12， 切削液通道 8 ； 所述 复合管 12 用于将切削液引入和导出腔体 20， 并将切削液通过切削液通道 8 到达切削刀头 2 的刃部， 用于对工件 6 的切削加工， 多余的切削液通过腔体 20 循环回流， 并且能够对搅拌 头起到冷凝作用， 控制搅拌头的温度， 避免在摩擦搅拌焊接过程中搅拌头温度过高或升温 太快而损害搅拌头的使用寿命和加工能力 ； 复合管 12 是外管与内管原位隔离组合集成的 结构， 内管为出水口， 相比进水口其孔径要小， 并且内管的进水开口位于搅拌头本体 1 中腔 体 20 的上部， 而复合管 12 的出水通道开口在搅拌头本体 1 中腔体 20 的下部， 穿过上搅拌 针 3， 接近削刀头 2 的末端位置， 实现对搅拌头本体 1 及焊缝的温度控制， 以及为切削刀头 2 输送切削液 ； 所述气体保护系统， 设置于搅拌头本体 1 的上轴肩 4 的端面和侧面处， 主要由 搅拌头本体 1 内的气体空腔 11 和保护气体通道 10 构成， 内部设置有气筛， 使保护气体形成 层流， 用于在焊接区域形成有效的气体保护， 保护摩擦焊接区和热影响区的高温金属， 防止 焊缝及热影响区的金属在高温下被氧化 ； 所述参数传感与监控系统， 包括埋植于搅拌头上 轴肩 4 端面处的自耦合热电阻式温度传感器 16 和无源无线电阻式压力传感器 17， 以及无线 感应发射器 15 ； 压力传感器 17 能够检测轴向压力和径向压力， 温度传感器 8 用于检测上轴 肩 4 及其附近温度的感应传感， 温度传感器 16 和压力传感器 17 与搅拌头本体 1 上部的无 线感应发射器 15 连接， 构成一种无源无线的高温高压传感系统， 实现对搅拌摩擦焊温度、 压力、 扭矩参数的检测、 记录与监控 ； 所述密封系统， 包括在搅拌头本体 1 的腔体 20、 气体腔 体 11 与复合管 12 之间设置的动密封构件 14、 转换接头 13 和固定管接头 19， 用于达到密封 液态介质与保护气体的目的， 又使搅拌头本体 1 能自由旋转， 而导入和导出液态介质与保 护气体的固定管接头 19 并不旋转， 动密封系统采用唇型密封结构或滑动平面密封结构， 是 一种接触型的相对于复合管 12 主轴旋转的动密封形式， 同时具有绝缘、 密封和运动三种特 性， 保障对工件 6 完成有效的切削 - 搅拌摩擦焊接联合近净成型加工过程。
二 . 一种基于浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工方法
本发明的搅拌摩擦焊接方法是一种基于浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊 接复合焊接新方法， 采用本发明浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工设备实现具有内部中空的特殊结构的结构件整体近净成型。其具体过程如下 ：
如图 1 所示， 一种浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工制造方法， 使 用了浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工设备， 基于切削和搅拌摩擦焊接的 基本原理， 同时并行开展切削 - 搅拌摩擦焊接复合加工方式或者联合加工方式的整体近净 成型的机械制造方法， 其具体过程是 ：
A. 使用夹具将工件 6 进行整体固定， 在工件 6 侧面先行加工出两个上下对称叠加 的 “凸” 形槽构成一个 “十” 字型， 两个 “凸” 形槽的上部分别开口于工件 6 的上表面和下表 面， “十” 字型 “凸” 形槽呈半圆柱形与上搅拌针 (3) 和下搅拌针 22 的形状、 直径、 大小和长 度相适应与匹配， “十” 字型 “凸” 形槽的中部位于工件 6 侧面的中部， 其形状和大小与切削 刀头 2 的尺寸相适应与匹配， 将浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工设备安 装于 “十” 字型的两个 “凸” 形槽中 ； 使浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工 设备的上搅拌针 ) 位于 “十” 字型直立 “凸” 形槽的上部， 并将切削 - 搅拌摩擦焊接联合加 工设备的上轴肩 4 的下表面与工件 6 的上表面压紧， 在 “十” 字型直立 “凸” 形槽的上部形 成一个搅拌摩擦焊接加工方式 ； 而切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工设备的切削刀头 2 位于构 成 “十” 字型两个对称 “凸” 形槽的中部， 以便从工件 6 中部的侧面开始形成切削加工方式 ； 使浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工设备的下搅拌针 22 位于 “十” 字型倒 立 “凸” 形槽的下部， 并将浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工设备的下轴肩 23 上表面与工件 6 的下表面通过弹簧 21 和螺栓 24 压紧， 在 “十” 字型倒立 “凸” 形槽的下 部形成另一个搅拌摩擦焊接加工方式 ；
B. 根据设计要求， 利用浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工设备， 通过搅拌头内部通道， 使用水基环保型、 对人体无害的切削液， 对工件 6 的切削加工部位起 到良好的冷却、 润滑、 清洗、 防锈、 缓蚀作用， 有效避免毛刺的产生， 确保工件 6 加工后形成 的内部封闭空心腔体 7 的内表面光滑， 促进废屑排屑容易， 不粘刀 ； 切削 - 搅拌摩擦焊接复 合加工完成后， 使用高压气体将切削过程中残留在内部空心腔体 7 内的废屑吹出， 清理干 净加工后的工件 6 ； 在搅拌摩擦焊接的焊缝 25 区域， 采用保护气体进行保护， 并且通过搅拌 头中的强制冷却系统， 控制搅拌摩擦焊接区域和切削区域的温度、 应力、 应变和热量输入保 持在一个最优的工作状态 ；
C. 最后， 工件 6 的另一侧面部位施加一个引出板， 将切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工 设备从工件 6 引出， 从而完成具有内部封闭空心腔体 7 结构件的整体近净一次加工成型过 程。
5. 根据权利要求 4 所述的浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工制造 方法， 其特征在于 ： 主轴旋转速度为 200 ～ 4000r/min， 加工速度为 10 ～ 1800mm/min， 轴向 压力为 0.1 ～ 80KN， 保护气体流量为 8 ～ 30L/min， 工件厚度 4 ～ 80mm ；
上搅拌针 3、 下搅拌针 22 和切削刀头 2， 采用高速钢材料， 或者热模具钢材料， 或者 工具钢材料， 或者硬质合金材料， 或者陶瓷材料， 或者复合材料 ；
在切削刀头 2 表面， 上搅拌针 3、 下搅拌针 22 表面、 上轴肩 4 端面、 下轴肩 23 端面， 采用 Ti 纳米改性的 MoS2/Ti 纳米复合膜， 或者采用以纳米 TiN 改性的 Ti(C， N) 基金属陶瓷 材料， 或者使用类石墨 /Cr 复合镀层 Graphit-iCTM， 或者使用类金刚石纳米复合膜， 对切削 刀头 2、 上搅拌针 3、 下搅拌针 22、 上轴肩 4、 下轴肩 23 进行表面强化处理， 以增强切削刀头、搅拌头和轴肩关键部位的抗磨损、 抗氧化、 抗高温能力， 大幅度提高切削 - 搅拌摩擦焊接联 合加工工具的使用寿命 ；
保护气体为惰性气体 ： 包括氩气、 氦气的一元气体， 以及相互混合的二元气体， 进 行焊接区域保护 ；
或者， 保护气体为活性气体 ： 包括氮气、 二氧化碳、 氧气的一元气体， 以及相互混合 的二元或多元气体， 进行焊接区域保护 ；
采用可换铣刀头的切削 - 搅拌摩擦焊接复合工具， 或采用固定铣刀头的切削 - 搅 拌摩擦焊接复合工具， 或采用铣刀头为一个可浮动轴肩的双轴肩自支撑的切削 - 搅拌摩擦 焊接复合工具， 或者采用切削刀头的切削 - 搅拌摩擦焊接复合工具。
浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工设备， 以及浮动双轴肩双搅拌 针切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工制造方法， 在下述方面的用途 ：
用于有色金属和黑色金属及其合金材质切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工制造， 包 括： 碳钢， 合金钢， 高温合金， 不锈钢， 铜及其合金， 铝及其合金， 镁及其合金， 钛及其合金 ；
用于常规搅拌摩擦焊接 ： 包括搅拌摩擦点焊， 搅拌摩擦塞焊 ；
用于载流搅拌摩擦焊接 ： 包括载流搅拌摩擦点焊， 载流搅拌摩擦塞焊 ；
用于点焊、 对接、 搭接、 角接、 全位置的多种焊接接头形式 ；
用于表面改性处理， 包括单一材料的单层表面堆敷改性处理， 或多层表面堆敷改 性处理， 或多种材料的单层表面堆敷改性处理、 多层表面堆敷改性处理， 或梯度材料的多层 表面堆敷改性处理 ；
用于剧烈塑性变形制备超细晶粒或纳米晶粒， 包括高熔点金属材料和低熔点金属 材料的超细晶粒或纳米晶粒制备 ；
用于制冰板制造， 或用于冷凝板制造， 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；
用于蜂窝流道结构的制造， 也用于蜂窝流道结构件的制造， 或桶状结构的制造， 或 板片状结构的制造 ；
用于船用制冰领域 ； 或用于超市保鲜 ； 或用于禽类加工 ； 或用于肉类加工 ； 或用于 面包饼干糕点加工 ； 或用于乳品生产 ； 或用于冰蓄能 ； 或用于混凝土降温 ； 或用于化工染 料； 或用于核电站 ； 或用于军事舰艇 ； 或用于酿酒工业 ； 或用于蔬果保鲜 ； 或用于矿井降温。
下面简述一下本发明的基本原理和特点 ：
采用浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工新方法的基本原理是 ：
1) 在双搅拌针的过渡部分固定一铣刀 ( 可通过焊接的方法固定， 或者将特意保留 的搅拌针的一部分作为刀杆， 再将铣刀或切削刀具固定在刀杆上 )， 搅拌针与铣刀之间不存 在相对运动， 从而实现纵向的搅拌摩擦焊和切削加工的同步进行， 经过联合加工制造内部 封闭具有中空腔体的特殊结构件， 能够获得良好的产品质量 ；
2) 通过在双搅拌针的过渡部分固定一铣刀， 搅拌针与铣刀之间不存在相对运动， 通过正常情况下搅拌头的旋转， 带动铣刀的转动， 当复合刀具沿着金属侧面加工运动时， 旋 转着的搅拌针和铣刀同时进入工作状态， 搅拌针把完整的金属表面搅拌一次， 搅拌针下方的铣刀同时在金属内部铣出一个内槽， 通过搅拌头的连续运动， 即可实现金属内槽的封闭 加工。
3) 通过螺栓以及压缩弹簧的作用， 始终保持下搅拌轴肩的上表面与工件紧密接 触， 并可根据工件下表面的平整程度自动条件两搅拌轴肩之间的距离， 增加加工过程的适 应性。
采用浮动双轴肩双搅拌针的切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工新方法有如下优点 ：
1) 实现了搅拌摩擦焊和铣削同时加工的复合。 搅拌摩擦焊接的最大特点就是实现 低熔点金属的固态连接， 从而避免了熔化焊接过程中产生的空隙、 夹杂、 气泡等缺陷， 而铣 削加工的最大特点就是效率高， 散热性好， 本发明将二者的优势有机地结合起来， 将获得复 合加工优势 ；
2) 铣刀先切削金属产生的切削热能软化金属， 从而有利于搅拌针焊接表层的金属 材料， 切削为搅拌摩擦焊接提供部分能量 ；
3) 采用浮动双轴肩双搅拌针设计， 上下两表面分别与工件的上下表面紧密接触， 从而简化了焊接工艺和夹具设计， 增加了零件装配和焊接的灵活性， 还从根本上消除焊缝 未焊透和焊接根部缺陷等问题， 同时双面受热均匀大大减小了零件变形 ； 4) 在切削过程中产生的热量可作为搅拌摩擦焊的热源输入， 与摩擦热复合共同作 用， 对低熔点金属， 可提高焊缝成形质量 ； 对高熔点金属， 可以解决在焊接区或界面处产热 不足与连接困难的问题， 降低对搅拌头材料和制造工艺的要求 ；
5) 金属内部封闭具有中空腔体的特殊结构件能够一次加工近净成型， 并且中空腔 体的形状和分布可根据切削刀外形以及搅拌针的运动轨迹而实现多样化， 可实现整体金属 材料中曲线孔的加工 ；
6) 浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工方法的效率高、 成本低、 速 度快 ； 传统金属材料中空腔体的加工需采用多道工序才可实现， 而采用浮动双轴肩双搅拌 针切削 - 搅拌摩擦焊复合加工方法可一次成型 ； 本发明对切削 - 焊接技术在我国航空航天、 国防、 军事等领域拓展应用具有重要意义。
三 . 具体实施例 ：
下述实施例是按照本发明提供的浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接联合 加工设备及其方法来实施的， 但并不意味着是对本发明保护范围的限制。
例1： 船用铝合金蛇形流道制冰板的制造加工。3003 铝合金材料， 其尺寸为长 1.8m、 宽 1.2m、 厚 12mm， 采用浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工设备及其方 法进行加工， 浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦焊接复合加工工艺 ： 搅拌头和切削刀的 旋转速度为 1200r/min， 焊接速度为 70mm/min， 采用氩气为保护气体， 其流量为 60L/min， 采 用水基环保型铣削液进行铣削加工， 采用引出板取出浮动双轴肩双搅拌针切削 - 搅拌摩擦 焊接复合加工工具， 使铝合金板上不留匙孔， 采用高压气体清理中空蛇形流道， 完成制冰板 中空蛇形流道的整体近净成型。
例2： 冰蓄能用铝合金蜂窝流道制冰板的制造加工。6061 铝合金材料， 其尺寸为 长 2.4m、 宽 1.6m、 厚 10mm， 将铝合金厚板通过夹具固定于工作台， 使铝合金厚板背面垫实， 无空隙存在， 使用采用切削 - 搅拌摩擦焊接联合加工设备及其方法进行加工 ； 采切削 - 搅 拌摩擦焊接复合加工工艺 ： 搅拌头和切削刀的旋转速度为 1000r/min 速度旋转， 焊接速度
为 50mm/min， 采用氩气为保护气体， 其流量为 42L/min， 采用水基环保型铣削液进行铣削加 工， 用引出板取出切削 - 搅拌摩擦焊接复合加工工具， 使铝合金板上不留匙孔， 采用高压气 体清理中空蜂窝流道， 完成制冰板中空蜂窝流道的整体近净成型。