用于复合材料加工的多用途工具、辅助设备及使用方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术要解决的问题为：(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。

Multipurpose tool for composite material processing, auxiliary equipment and method of use

The invention discloses a multipurpose tool for composite material processing, an auxiliary device and a use method thereof, belonging to the technical field of mechanical processing and material modification. The utility model discloses a multipurpose tool for processing composite materials, comprising a knife rod, a cutter body, a stirring head, a positioning block, a blade and a screw. The present invention also discloses an auxiliary device for the use of multipurpose tools for composite material processing and a method of using a multipurpose tool for composite material processing. The present invention is to solve the problem is: (1) according to the composite multipurpose processing needs, multi-purpose processing comprises the following purposes: single friction stir processing; single milling; single friction stir welding; friction stir processing with flash function; stirring friction composite processing milling processing milling composite processing; friction stir connection. (2) improve the processing quality and processing efficiency of composite materials, and improve the mechanical properties and fatigue properties of machined parts.

【技术实现步骤摘要】
用于复合材料加工的多用途工具、辅助设备及使用方法
本专利技术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

技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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-铣削的复合加本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于复合材料加工的多用途工具，其特征在于：包括刀杆(1)、刀体(2)、搅拌头(3)、定位块(4)、刀片(5)和螺钉(6)，刀体(2)根据工作需要选用端铣刀或者圆柱铣刀；刀体(2)一端与搅拌头(3)大端整体连接，搅拌头(3)大端面直径为刀体(2)直径的2/5～3/5，搅拌头(3)大端镶嵌在刀体(2)内孔上；定位块(4)通过螺钉(6)固定在刀体(2)的刀槽内，刀片(5)固定在定位块(4)上，刀片(5)形状及在定位块(4)上的位置根据加工需要调整。

【技术特征摘要】
2017.04.04 CN 20171021555321.一种用于复合材料加工的多用途工具，其特征在于：包括刀杆(1)、刀体(2)、搅拌头(3)、定位块(4)、刀片(5)和螺钉(6)，刀体(2)根据工作需要选用端铣刀或者圆柱铣刀；刀体(2)一端与搅拌头(3)大端整体连接，搅拌头(3)大端面直径为刀体(2)直径的2/5～3/5，搅拌头(3)大端镶嵌在刀体(2)内孔上；定位块(4)通过螺钉(6)固定在刀体(2)的刀槽内，刀片(5)固定在定位块(4)上，刀片(5)形状及在定位块(4)上的位置根据加工需要调整。2.如权利要求1所述的一种用于复合材料加工的多用途工具，其特征在于：为降低进给阻力和切削力，所述的搅拌头(3)选锥形搅拌头。3.一种用于复合材料加工的多用途工具使用的辅助设备，其特征在于：用于如权利要求1或2所述的一种用于复合材料加工的多用途工具；所述的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(8)和主轴系统(9)；所述的刀柄系统(8)包括减振法兰盘(8-1)、油腔(8-2)、刀柄进气管道(8-3)、刀柄内冷系统(8-4)、限位装置(8-5)、动平衡装置(8-6)、刀杆加持装置(8-7)；在已有刀柄系统(8)的刀柄上增加用于实现多用途工具动平衡的环形凸台(8-6)，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(8)增加减振法兰盘(8-1)，减振法兰盘(8-1)套在刀柄凸台下方的圆柱体外侧；所述的主轴系统(9)包括测温装置(9-1)、主轴冷却槽(9-2)、测振装置(9-3)、主轴冷却装置(9-4)、气动卡盘(9-5)、进气管(9-6)；多用途工具通过刀柄系统(8)上的刀杆夹持装置(8-7)进行几何固定，并利用刀柄进气管道(8-3)以实现工具与刀柄(8)的气动紧固。4.一种用于复合材料加工的多用途工具的使用方法，其特征在于：基于所述的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实现；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(4)上拆卸刀片(5)，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，从而实现单一搅拌摩擦加工；当实现单一搅拌摩擦焊接时，从定位块(4)上拆卸刀片(5)，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(5)在定位块(4)上的位置或调整刀片(5)形状，使刀片(5)切削刃与刀体端部平齐，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；当实现具有去飞边功能的搅拌摩擦焊接时，调整刀片(5)在定位块(4)的位置或调整刀片(5)形状，使刀片(5)与刀体端部平齐，通过主轴系统(9)实现对...

【专利技术属性】
技术研发人员：解丽静，项俊锋，胡鑫，程冠华，庞思勤，衣杰，高飞农，霍石岩，胡芳，王西彬，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11