01-主轴，3-固定块，4-夹具，5-搅拌头，501-连接部，502-凸起，6-板料，7-压块，8-导套，9-导杆，10-工作台，11-支撑杆，12-传动机构，13-支撑导柱，14-成形台面，15-红外线测温仪。
【具体实施方式】
[0039]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0040]如图1所示，一种基于自发热的搅拌摩擦成形装置，该装置包括控制系统1、数控成形机床2和压边机构，控制系统I与数控成形机床2连接，压边机构安装在数控成形机床2的工作台10上、且可沿竖直方向移动；该装置还包括搅拌头、支撑机构和红外线测温仪；
[0041]搅拌头5安装在数控成形机床2的主轴201末端、位于板料6的上方，具体的，搅拌头通过固定块3和夹具4与主轴201连接，搅拌头5高速旋转以使搅拌头邻近区域的板料热塑化；
[0042]支撑机构设置在板料6的下方，支撑机构包括成形台面14、支撑导柱13、传动机构12和支撑杆11，成形台面14安装在工作台10上、且可沿水平方向移动，支撑导柱13安装在成形台面14上，传动机构12安装在支撑导柱13上，支撑杆11与传动机构12连接、可在传动机构12的控制下沿竖直方向移动，支撑杆11位于搅拌头5的正下方，其中，传动机构12为气缸、液压缸、直线电机传动机构或者齿轮齿条传动机构中的一种；
[0043]红外线测温仪15设置在板料6的上方，红外线测温仪15将检测到的板料成形区域的温度反馈给控制系统1，控制系统I再控制搅拌头5的转速和成形速度，使板料成形区域的温度保持在板料的热成形温度区间范围内，一般为200-750°C。
[0044]在本发明的优选实施例中，如图2、图3所示，搅拌头5与板料6接触的端部设有可拆卸的圆柱形、半球形或滚珠形的连接部501，其中，连接部的半径为I?10mm，连接部的表面设有半球形的凸起502，凸起502的半径为0.1?1mm。半球形凸起可以促进搅拌摩擦生热，同时还兼具对板料表面进行抛光的作用，避免划伤工件表面，提高板料表面质量。
[0045]按上述技术方案，在本发明的优选实施例中，如图1所示，压边机构包括导杆9、导套8和压块7，导杆9安装在数控成形机床的工作台10上，导套8安装在导杆9的顶端、可沿竖直方向移动，压块7设置在导套8的上方，板料6固定安装在压块7与导套8之间。
[0046]相应的，如图1所示，本发明还提供一种基于自发热的搅拌摩擦成形工艺，包括以下步骤:
[0047]S1、根据所需加工零件几何特征和三维曲面模型，生成搅拌头的加工轨迹；
[0048]S2、将搅拌头的加工轨迹偏移一个板料厚度值，生成支撑杆的运动轨迹；
[0049]S3、安装板料于压边机构内，校准搅拌头和支撑杆的初始位置，使搅拌头和支撑杆位于板料最上一层加工轨迹处，支撑杆与板料紧紧贴合；
[0050]S4、启动数控成形机床，控制主轴进而控制搅拌头的旋转速度，搅拌头高速旋转并通过支撑杆的作用对板料施加一个初始压下量0.01?0.1mm,成形进给量为0.1?5_，板料在搅拌头高速旋转和初始压下量下迅速升温软化，当板料温度达到热成形温度区间后，搅拌头按照步骤SI中生成的加工轨迹进行板料的成形，直至该层板料成形结束，同时，支撑杆的运动轨迹与搅拌头一致，使得搅拌头在成形过程中始终对板料施加一个初始压下量0.01 ?0.1mm ；
[0051]S5、将搅拌头和支撑杆均向下移动一个进给量、以位于板料下一层加工轨迹处，重复步骤S4，完成下一层板料成形，如此直至完成整个板料成形。
[0052]在本发明的优选实施例中，步骤SI具体包括:采用三维制图软件(可选用Pro/e软件)建立CAD模型，并将模型沿加工路径方向离散，利用后处理加工软件生成等高线加工轨迹(一般将该加工轨迹存为igs格式文件，然后导入master cam x软件中间隙数控编程，设置搅拌头轨迹和相应参数，最后生成NC程序)，并将此轨迹沿板料轴向偏移一个初始压入量0.01?0.1mm,即生成搅拌头的加工轨迹。
[0053]在本发明的优选实施例中，步骤S3具体包括:将板料下料，切割指定尺寸，并装夹在压边机构内，使板料的几何中心与压边机构的几何中心重合，将支撑杆支撑于板料下方，同时将步骤SI中搅拌头的加工轨迹偏移一个板料厚度，形成支撑杆的运动轨迹。
[0054]本发明可以对多种金属进行搅拌摩擦热成形。
[0055]以2024铝合金板料为例进行下料，切割指定尺寸300*400*1.5mm，搅拌头的转速设定在5000r/min，并通过支撑杆对板料施加一个0.1mm的初始压下量，板料在搅拌头高速旋转和轴向的初始压入量下迅速升温软化，当红外线测温仪感应到板料温度达到优化的成形温度400-450°C后，搅拌头按照其自身的加工轨迹进行板料的成形，单次成形进给量为1mm，成形台面移动速度为800mm/min，每加工完一层，板料下移一个进给高度，搅拌头和支撑杆下移同样的高度，实现逐层成形，直至成形完成。
[0056]以AZ31镁合金板料为例进行下料，切割指定尺寸200*150mm*l.2mm，搅拌头的转速设定在2500r/min，并通过支撑杆对板料施加一个0.1mm的初始压下量，板料在搅拌头高速旋转和轴向的初始压入量下迅速升温软化，当红外线测温仪感应到板料温度达到优化的成形温度300-350°C后，搅拌头按照其自身的加工轨迹进行板料的成形，单次成形进给量为2mm，成形台面移动速度为1000mm/min，每加工完一层，板料下移一个进给高度，搅拌头和支撑杆下移同样的高度，实现逐层成形，直至成形完成。
[0057]应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
【主权项】
1.一种基于自发热的搅拌摩擦成形装置，该装置包括控制系统、数控成形机床和压边机构，所述控制系统与数控成形机床连接，所述压边机构安装在所述数控成形机床的工作台上、且可沿竖直方向移动；其特征在于，该装置还包括搅拌头、支撑机构和红外线测温仪； 所述搅拌头安装在所述数控成形机床的主轴末端、位于板料的上方，所述搅拌头高速旋转以使搅拌头邻近区域的板料热塑化； 所述支撑机构设置在板料的下方，所述支撑机构包括成形台面、支撑导柱、传动机构和支撑杆，所述成形台面安装在工作台上、且可沿水平方向移动，所述支撑导柱安装在成形台面上，所述传动机构安装在支撑导柱上，所述支撑杆与传动机构连接、可在所述传动机构的控制下沿竖直方向移动，所述支撑杆位于搅拌头的正下方； 所述红外线测温仪设置在板料的上方，所述红外线测温仪将检测到的板料成形区域的温度反馈给控制系统，控制系统再控制搅拌头的转速和成形速度，使板料成形区域的温度保持在板料的热成形温度区间范围内。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述搅拌头与板料接触的端部设有可拆卸的圆柱形、半球形或滚珠形的连接部，所述连接部的表面设有半球形的凸起，所述凸起的半径为0.1?1_。3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述连接部的半径为I?10mm。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压边机构包括导杆、导套和压块，所述导杆安装在数控成形机床的工作台上，所述导套安装在导杆的顶端、可沿竖直方向移动，所述压块设置在导套的上方，所述板料固定安装在压块与导套之间。5.一种基于自发热的搅拌摩擦成形工艺，包括以下步骤: 51、根据所需加工零件几何特征和三维曲面模型，生成搅拌头的加工轨迹； 52、将搅拌头的加工轨迹偏移一个板料厚度值，生成支撑杆的运动轨迹； 53、安装板料于压边机构内，校准搅拌头和支撑杆的初始位置，使搅拌头和支撑杆位于板料最上一层加工轨迹处； 54、启动数控成形机床，控制主轴进而控制搅拌头的旋转速度，搅拌头高速旋转并通过支撑杆的作用对板料施加一个初始压下量0.01?0.1mm,成形进给量为0.1?5mm，板料在搅拌头高速旋转和初始压下量下迅速升温软化，当板料温度达到热成形温度区间后，搅拌头按照步骤SI中生成的加工轨迹进行板料的成形，直至该层板料成形结束，同时，支撑杆的运动轨迹与搅拌头一致，使得搅拌头在成形过程中始终对板料施加一个初始压下量0.01 ?0.1mm ; 55、将搅拌头和支撑杆均向下移动一个进给量、以位于板料下一层加工轨迹处，重复步骤S4，完成下一层板料成形，如此直至完成整个板料成形。6.根据权利要求5所述的工艺，其特征在于，所述步骤SI具体包括:采用三维制图软件建立CAD模型，并将模型沿加工路径方向离散，利用后处理加工软件生成等高线加工轨迹，并将此轨迹沿板料轴向偏移一个初始压入量0.01?0.1mm,即生成搅拌头的加工轨迹。7.根据权利要求5所述的工艺，其特征在于，所述步骤S3具体包括:将板料下料，切割指定尺寸，并装夹在压边机构内，使板料的几何中心与压边机构的几何中心重合，将支撑杆支撑于板料下方，同时将步骤SI中搅拌头的加工轨迹偏移一个板料厚度，形成支撑杆的运 动轨迹。
【专利摘要】本发明公开了一种基于自发热的搅拌摩擦成形装置，包括控制系统、数控成形机床和压边机构、搅拌头、支撑机构和红外线测温仪；所述搅拌头安装在所述数控成形机床的主轴末端、位于板料的上方；所述支撑机构设置在板料的下方，所述支撑机构包括成形台面、支撑导柱、传动机构和支撑杆，所述成形台面安装在工作台上、且可沿水平方向移动，所述支撑导柱安装在成形台面上，所述传动机构安装在支撑导柱上，所述支撑杆与传动机构连接、可在所述传动机构的控制下沿竖直方向移动，所述支撑杆位于搅拌头的正下方；所述红外线测温仪设置在板料的上方。本发明提高板料成形能力、成形精度、成形效率。
【IPC分类】B21D31/00
【公开号】CN105013939
【申请号】CN201510335053
【发明人】胡志力, 华林, 严勇, 吴超
【申请人】武汉理工大学
【公开日】2015年11月4日
【申请日】2015年6月17日