用于在工件中形成通道的方法和设备与流程

本发明涉及用于在工件中形成通道的方法。

背景技术：

摩擦搅拌焊接的发展被称为摩擦搅拌通道，其中摩擦搅拌过程被修改成有意地使材料从工件的块体移动，从而形成通道。该方法可以用于形成用于流体(例如用于热交换)或其他物质的通道。该处理的第一个已知描述出现在对us6923362b的申请中。

us6923362b描述了在需要内部流体流动的金属本体、比如热交换器中生产一体通道。us6923362b还描述了一种具有可变向螺纹(variable-handedthread)的工具，该工具将材料从销的长度的中间朝向销的远端梢部处和靠近肩部的区域移动，从而在工件中形成通道，并且还描述了与通道相邻的材料的微结构特性，这类似于在检查摩擦搅拌处理区域时发现的微结构特性。使用这种技术时会出现若干问题。即，移位的材料通常沉积在工具肩部正下方(通常与工件具有一定程度的间隙)或者在工件远离工具的表面处，从而导致处理过的表面相对于未处理的表面而言是凸出的并且/或者导致产生大量毛边。表面光洁度至多是相当粗糙的，其中，在对旋转肩部进行摩擦搅拌时可以看到典型的重复的月牙形图案。而且，所形成的通道的横截面在加工条件改变期间比如在使拐角变圆(以形成蛇形或弯曲的通道)时或者当温度/力改变被加工的材料的粘塑性能时可能例如由于工件中逐渐积聚的热量而大幅波动。在尝试将此处理用于商业产品时特别关注的是通道内面的粗糙表面和表面的粗糙度，尤其是在工具后退侧。

pt105628b描述了一种用于打开或形成摩擦搅拌通道的过程，其中，通过在处理期间移除多余的材料来减少后处理精加工的需要，从而保持近端表面大致平坦。材料的位移由旋转工具的包括同向旋转的涡形肩部和螺纹探头的几何特征件驱动。描述了两个工具设计：一个工具允许从部件提取的材料作为毛边沉积在表面上，毛边保持接合至工具路径的轨道的边缘，并且第二个设计的特征是与旋转肩部配合的切削刀片，切削刀片允许提取的材料切削为切屑。尽管所描述的工具和处理减少了工件表面上存在的材料碎片的数目，但是工具通过的表面将是粗糙的，仍然具有上述的月牙标记。另外，由旋转肩部处理的轨道的边缘通常将具有显著的毛边唇缘，这是因为粘塑性材料被朝向表面驱动。

本领域中存在的上述解决方案均没有提供用于形成均匀、一致的通道的方法，这些解决方案似乎也没有解决移位材料的表面光洁度或令人满意的控制的问题。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，摩擦搅拌通道工具包括用于插入到一个工件或多个工件中的探头，该探头从肩部的孔延伸并以可旋转的方式安装在肩部的孔中，探头的表面形成为使得在肩部与工件接触的同时，可塑工件材料于探头旋转时朝向肩部移动并进入肩部的孔中，并且其中，肩部具有从肩部外侧延伸至孔的至少一个排出口，由此可塑材料可以通过该排出口离开孔。

根据本发明的第二方面，一种摩擦搅拌通道的方法包括：旋转根据本发明的第一方面的摩擦搅拌通道工具的探头；使旋转探头进入工件并使工具的肩部与工件接触，肩部或者在肩部具有径向内部部分和径向外部部分的情况下至少肩部的径向外部部分不相对于工件旋转，由此探头的旋转致使工件的围绕探头的材料被可塑并被沿着探头向上输送以进入肩部的孔，并且通过肩部中的排出口或多个排出口中的一个排出口离开；以及在工作条件下使工具沿着工件移动，使得在工件的内部形成通道。

在旋转探头进入工件之前或之后，肩部可以与工件接触。其中，后一种情况是在肩部已经与工件接触的同时探头从肩部的孔延伸。

探头以促使从工件的块体较高程度移除材料的形式提供。探头通常是促使材料沿远离工件块体的方向移动的螺纹和/或凹槽的形式。这不同于设计成用于根据wo95/26254和ep-b-0615480的教示促使材料混合的典型的摩擦搅拌焊接(或处理)探头。

从工件提取材料的处理导致在工件内形成闭合通道。在多于一个的工件的情况下，该处理可以用于在形成通道时将工件接合在一起。这是通过探头的特殊设计实现的，探头通常具有设计成使材料沿不同方向并且以不同的幅度移动的特征。在工件材料是金属的情况下，围绕通道(或构成处理/接合区域)的材料通常由具有精炼冶金晶粒尺寸的变形金属形成，从而具有由此提供的已知相关材料特性的益处。与使用通常具有“v”形状的更传统的摩擦搅拌工具相比，根据本发明的处理的工件通常显示出特征性的“窄”的侧部平坦的微观结构覆盖区，这是由位于探头的一个端部处的旋转本体(例如肩部)的作用或者使用锥形探头引起的。

孔可以具有光滑的形式或带有用于帮助材料沿着探头或远离探头传输的特征的螺纹/纹理形式。

可以设置单个排出口，但优选地具有多个排出口。设置多个排出口改善在制造蛇形路径时的“转弯”性能，并且在材料的进料压力一致的情况下移除材料，从而引起一致的通道轮廓。排出口优选地以围绕孔对称的方式设置，但是可以根据应用改变数目和位置。通常，该排出口或每个排出口从孔径向向外延伸，但是该排出口或每个排出口可以具有带轴向分量的方向。排出材料可以缠绕到卷轴上，从而以另一种方式贮存(例如用于再循环)或者以典型的切屑移除的方式从本体切割/吹出。

肩部与工件接触的部分通常具有耐磨特性，并且可以设置有表面涂层或处理，该表面涂层或处理具有低摩擦、耐磨性、耐温性、抗扩散性、低反应性和固态润滑中的一者或更多者。肩部的接触部分可以采取平板的形式以用于简单的平坦工件，或者可以符合工件的形状(筒形、拐角、阶梯/不相似的厚度工件的内形状或外形状)。接触部分可以简单地以围绕探头的环的形式设置。

为了防止损坏支承件、支承/承载肩部以及探头的较宽结构和旋转装置，通常需要对布置在肩部与旋转装置之间的任何支承件附近的区域中的肩部进行温度控制。而且，单独监测和保持肩部最靠近工件和/或探头的部分和/或工件本身的温度控制通常是有用的，这是因为温度的变化将导致物理(例如粘塑性)性质的变化并且伴随着处理的工件的性质的变化。材料性质或处理温度的变化可能导致横截面、内表面光洁度和材料性质的变化。根据本发明的方法和设备是特别有用的，因为由工具的不同部件提供的热输入、位置和向下的力可以被紧密且单独地控制，从而导致对所形成的通道以及在为了特定的用途而提取的情况下所提取的材料的特性的更好的控制。使用摩擦搅拌通道工具由同向旋转的销和肩部组成的现有技术的技术，控制可能少得多。

尽管探头可以在从肩部完全伸出的同时穿过工件，但是优选地使用可伸缩的探头，其中，探头的穿过深度可以在处理周期的不同部分变化。在形成通道时，探头深度的变化可以用于改变通道深度或通道尺寸。

可伸缩探头技术还可以用于在保持肩部与工件接触的同时提取探头。在保持肩部接触的同时通过肩部孔提取旋转探头将防止由于工件碎片引起肩部和探头组件的潜在堵塞。如前所述，这种技术还可以在探头插入期间使用，其中，在探头插入之前肩部与工件接触。

可以为特定的工件材料、特别是氧敏感材料比如钛提供气体保护。例如，这可以通过作为呈来自肩部的喷射流的形式的局部覆盖层或者作为围封探头和至少肩部的工件接触部分的护罩对整个工件进行大气控制(例如，在腔室中进行处理)来提供。

尽管探头可以是简单的“销”、筒形或其他设计的形式，但是探头可以采取销和径向内部肩部部分的形式，其中，肩部部分也可以与销一起旋转或独立于销旋转，肩部的其余部分或径向外部部分至少部分地围绕内部肩部部分的外周布置并且至少部分地与工件接触。在这种情况下，内部肩部部分可以在其面上具有涡形形式或其他形式以使材料朝向肩部中的端口移动，该端口定位成邻近于探头或定位在内部肩部部分的周缘处。内部肩部部分的面可以与肩部的其余部分共面，或者具有包括凹入部分、凸出部分或可变锥形部分的任意数量的角度构型。在探头销和内部肩部部分共同旋转的情况下，探头销和肩部部分上的特征协作是有用的，例如凹槽可以沿着销的长度延伸并继续延伸到肩部部分上，有时一直延伸至肩部最靠近孔的部分。

还可以在探头穿过工件的位置处钻导向孔以减少在处理的早期阶段施加至探头的力。

在该方法的实践期间，可以调整处理参数(探头旋转速度、驱动马达扭矩、给料速度、向下的力)来调整处理的工件的特性。通常，在使拐角变圆时，根据应用，可能需要改变这些参数以保持比如成形通道或处理区域的形状、形式和表面光洁度的特性。

可以使用位置和/或力控制策略来控制工件内的探头穿过深度和肩部位置。在以充分的尺寸/几何精度处理平坦工件或零件时，位置控制是最适用的。在处理弯曲表面或复杂轨迹时，力控制将是抵消机械和零件偏转的更有用的策略。可以选择独立控制探头和肩部。肩部与工件表面之间的接触可以通过使用力控制来确保，而工件内的探头穿过和通道深度可以使用位置控制来控制。

从工件提取材料的速度(以及因此产生的空隙横截面)可以通过调整探头的旋转速度或由主轴驱动马达施加至探头的扭矩来控制。如在摩擦搅拌焊接中，热量主要由靠近工具的工件材料中的粘性耗散产生，其中，粘性耗散由工具/工件界面处的高剪切应力引起的。扭矩控制允许操纵被工具扫过的材料的粘度，并且扭矩控制可以是控制处理温度和空隙横截面的有效手段。控制探头旋转速度将决定每次旋转中提取的材料的体积速率，但它不能补偿工件内热量的最终积聚。这两种方法都可以与力控制或位置控制结合使用以用于保持探头位置和肩部位置。

本发明的优点包括：

·光滑的表面光洁度。处理的工件表面不会呈现由现有技术的旋转工具方法产生的典型的月牙形标记或源自现有技术工具的毛边。此外，通道是通过将材料提取到工具中而不是(在现有技术中)提取至肩部的外表面产生的。这避免了在工件表面上形成材料凸起，该凸起必须在使用机加工或精加工操作的后处理中移除。

·更好地处理筒形本体或拐角构型的能力。

·有效控制提取的材料的体积，从而使通道具有更连续且稳定的横截面的能力。

根据本发明的方法和设备的典型应用包括在线缆(例如电力、通信或无损检测(ndt)线材)需要嵌入(航空航天和其他运输结构、产生电力结构比如风力涡轮机)的长金属结构中形成通道。最有前景的工业应用之一是通过在板部件、管状部件或块状部件内部结合蛇形通道以用于内部流体流动来制造热交换器。其他潜在用途包括生产嵌入仪器或机构的通道，以及用于润滑、流体贮存或液压的网状件。本发明还可以通过制造用于轻质组件的中空面板或结构来用作重量减少技术。

除了形成通道之外，在本发明的实施期间移除的材料可以形成挤出线材。端口可以被设计成具有特定的横截面，然后该横截面将以挤出线材的横截面被反映。线材的组分也将受到工件的材料的影响，例如混合材料或不相似的工件将导致挤出复合材料线材。

根据本发明的处理的工件可以是呈对接、搭接、拐角或其他构型的单个整体式工件或多个工件，这对于本领域技术人员而言是显而易见的。而且，可以不是仅单个本体，而是对于较厚的工件而言可以使用完全穿过工件并由第二本体(旋转或不旋转)或某种形式的支承装置支承的探头。探头上的螺纹形式可以被调整成在一次通过中形成多个通道，例如用可变旋转螺纹使材料朝向两个本体移动。

根据本发明处理的典型工件材料包括基于铝、镁、铜、铅和其他类似材料的金属。一些聚合物、比如聚氯乙烯和丙烯酸也可以被处理。也可以使用先进的工具材料处理基于铁、钛、镍等的高温金属。

附图说明

参照附图对本发明的示例进行说明，在附图中：

图1是用于执行根据本发明的方法的设备的第一示例的示意图。

图2是图1中标记为“b”的区域的示意切面图。

图3示出了根据本发明进行的示例蛇形路径。

图4是用于执行根据本发明的方法的设备的第一示例的照片。

图5是更详细地示出了工具的结构并图示了材料如何通过探头几何特征件被传送到肩部孔中并被迫使通过排出口排出的示意截面图。

具体实施方式

图1图示了用于执行根据本发明的方法的设备的实际的示例。在这种情况下，该设备包括主体5，主体5经由本体支承件6可旋转地支承机械主轴1，机械主轴1的上端部30将连接至用于可旋转地驱动机械主轴的驱动马达(未示出)。机械主轴1容纳并可旋转地驱动螺纹摩擦搅拌通道工具22，工具22包括探头2，探头2位于固定至主体5的肩部3的孔14中。在使用中，探头在载荷下被施加到工件中以用于进行加工。肩部3和主体5由于支承件6的作用而不会旋转。探头2上的螺纹部分具有螺纹表面26，该螺纹表面26从其梢部延伸到孔24中，该孔24用于将材料朝向肩部3牵拉并进入探头2与孔24的壁之间的狭窄间隙中。肩部3还具有多个径向延伸的排出口4，在这种情况下为四个径向延伸的排出口4，排出口4在肩部3的外表面与孔24之间延伸。提取的工件材料以线材形式被迫使穿过排出口4。

图2图示了图1中标记的“b”的截面的切面图，其示出了带有旋转探头2和排出口4的非旋转肩部3，排出口4以对称的方式围绕工具设置。肩部3通过螺栓7配合至主体5的下部部分。

图3示出了示例处理路径，并且参照该图，将对根据本发明的示例方法进行描述。图1和图2中所示的设备用于在aa6082-t4铝合金板中形成蛇形通道，其中，在这种情况下对支承件进行水冷却而不是对探头2或肩部3周围的区域进行水冷却。在入口点9处使用6.9mm直径的钻头于板中钻深度为7mm的导向孔。用18kn的力将非旋转肩部3按压抵靠板，其中，探头2与导向孔共线。探头2以600转/分钟的速度旋转并逐渐插入到导向孔中。一旦完全插入，允许探头在入口点9处停留5秒，然后肩部3和探头(经由主体)在5秒的过程中沿行进方向11斜升至50mm/min的行进速度，其中，探头沿顺时针方向10朝向曲线起始点12旋转。一旦位于第一曲线起始点12处，就使该设备遵循曲线轨迹至第一曲线终点13。字母“as”示出为表示探头2的前进侧，在前进侧中，探头的旋转方向与行进方向相同。字母“rs”表示探头2的后退侧，在后退侧中，探头的旋转方向与行进方向相反。在第一曲线期间，as位于曲线的外侧而rs位于曲线的内侧。然后，该设备以稳定的行进速度从第一曲线端点13沿直线朝向第二曲线起始点16行进，而摩擦搅拌探头沿行进方向15顺时针旋转14。一旦位于第二曲线起始点16处，就使该设备遵循曲线轨迹至第二曲线终点17，其中，此时rs位于外侧且as位于内侧。然后，该设备以沿方向19顺时针18旋转的方式从第二曲线端点17行进至出口点20。在到达出口点之前，该设备在5秒的过程中速度斜降至零移动速度。一旦位于出口点20处，探头逐渐从板缩回，从而留下出口孔。在从直线部段移动至路径的曲线部分时，比如探头旋转速度和移动速度参数保持不变。

与现有技术的方法相比，通过使用本发明的方法和设备，所产生的通道的一致性不仅在线性移动期间而且关于具有曲线外和曲线内的as和rs变化的两种曲线类型都更优良且具有更一致的截面和内部粗糙度。表面光洁度也非常优良，其中，处理区域没有明显的毛边或凸起。

图4示出了该设备在执行关于图3描述的步骤之后的照片，其中，工件材料的带21从排出口4伸出。该图还示出了排气孔32，通过气孔32可以供给气幕。

图5是更详细地示出了通道生产期间的工具的结构(取自图1中的切面‘b’)并图示了材料如何通过旋转探头的几何特征件被传送到肩部孔中然后被迫使通过排出口排出的示意截面图。旋转探头2移动穿过工件33。在螺纹表面26旋转下的作用致使可塑工件材料34的形成，可塑工件材料34在作为工件材料21的带(或其他挤出形状)离开排气口4之前朝向肩部3移动并进入肩部的孔24中，由此在工件中形成通道35。