本發(fā)明涉及一種用于復(fù)合材料加工的多用途工具、輔助設(shè)備及使用方法，屬于機械加工、材料改性技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

新材料科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，特別是尖端科學(xué)技術(shù)的突飛猛進，對材料性能提出越來越高的要求。同時，一些有很多優(yōu)異的力學(xué)性能和物理性能難加工材料(尤其是復(fù)合材料)的出現(xiàn)，對機加工技術(shù)不斷提出了新的要求。其主要表現(xiàn)在加工時對工具磨損嚴重、加工成本高，導(dǎo)致加工效率低下以及加工表面質(zhì)量差，另外，在銑削一些先進新型難加工材料過程中，由于銑削力、銑削熱及材料的去除與表層殘余應(yīng)力耦合形成新的殘余應(yīng)力分布，殘余應(yīng)力的存在改變了零件的幾何尺寸，進而引起零件嚴重變形，且銑削后表層的力學(xué)性能出現(xiàn)一定程度的下降，進行影響最終產(chǎn)品質(zhì)量，上述一系列因素成為阻礙具有優(yōu)良性能的新材料廣泛應(yīng)用及制約關(guān)鍵髙性能結(jié)構(gòu)件制造的瓶頸和難題之一。由于零部件件的表面粗糙度、尺寸精度、表面力學(xué)性能等方面的要求，必須對其采取一定的機加工。要擴大新材料的應(yīng)用范圍，必須盡可能降低其加工難度。因此，難加工材料的高效和高質(zhì)量加工仍然是近幾年制造技術(shù)中最重要的研究課題之一。

攪拌摩擦加工本身是一種非常典型的高效、節(jié)能、無污染的先進加工技術(shù)，通過攪拌頭的強烈攪拌作用使被加工材料發(fā)生劇烈塑性變形、混合、破碎，實現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)的致密化、均勻化和細化。攪拌摩擦加工在金屬微觀組織細化、超塑性材料制備、以及納米相增強金屬基復(fù)合材料等方面取得了應(yīng)用。攪拌摩擦加工不僅在于為金屬及合金材料強韌化提供了新的方法，而且在金屬及合金表面可制備梯度結(jié)構(gòu)層(尺度梯度或組織梯度)。同時，利用攪拌摩擦加工技術(shù)加工在合金表面制備復(fù)合材料，從而強化合金表面，使表層的力學(xué)性能和磨損性能得到顯著提高。

復(fù)合加工技術(shù)正越來越受到現(xiàn)代制造業(yè)的重視，已經(jīng)成為未來加工制造產(chǎn)業(yè)的一個重要發(fā)展方向。攪拌摩擦加工-銑削一體式加工是復(fù)合加工技術(shù)的一種實現(xiàn)形式，是以銑刀和攪拌頭相結(jié)合方式的加工工具利用攪拌摩擦加工和銑削合成運動來完成各類表面的加工，通過銑刀的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)回轉(zhuǎn)體零部件件切削和攪拌頭的攪拌擠壓來實現(xiàn)表層強化的一種先進綠色加工技術(shù)?！秶抑虚L期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》中明確指出，針對制造過程資源、能源消耗大等問題，要重點研究開發(fā)綠色制造技術(shù)。因此，攪拌摩擦加工-銑削一體式加工技術(shù)也是復(fù)合加工技術(shù)的一種實現(xiàn)形式，這種方法綜合了銑刀和攪拌頭各自的優(yōu)點，利用銑刀和攪拌頭的合成運動來完成表面加工。銑削與攪拌摩擦加工技術(shù)相結(jié)合的復(fù)合加工工藝，具有低成本、短周期的復(fù)合加工新技術(shù)，實現(xiàn)了難加工材料高效、高質(zhì)量的加工。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明公開一種用于復(fù)合材料加工的多用途工具，并公開一種用于復(fù)合材料加工的多用途工具使用的輔助設(shè)備，還公開的一種用于復(fù)合材料加工的多用途工具的使用方法，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為：(1)根據(jù)使用需要實現(xiàn)復(fù)合材料多用途加工，所述的多用途加工包括以下用途：單一攪拌摩擦加工；單一銑削加工；單一攪拌摩擦焊接；具有去飛邊功能的攪拌摩擦加工；攪拌摩擦加工-銑削的復(fù)合加工；攪拌摩擦連接-銑削的復(fù)合加工。(2)提高復(fù)合材料加工質(zhì)量和加工效率，并改善加工零部件的表層力學(xué)性能和疲勞性能。

本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的。

本發(fā)明公開的一種用于復(fù)合材料加工的多用途工具，包括刀桿、刀體、攪拌頭、定位塊、刀片和螺釘，刀體根據(jù)工作需要選用端銑刀或者圓柱銑刀。刀體一端與攪拌頭大端整體連接，攪拌頭大端面直徑為刀體直徑的2/5～3/5，攪拌頭大端鑲嵌在刀體內(nèi)孔上。定位塊通過螺釘固定在刀體的刀槽內(nèi)，刀片固定在定位塊上，刀片形狀及在定位塊上的位置根據(jù)加工需要調(diào)整。

為降低進給阻力和切削力，所述的攪拌頭優(yōu)選錐形攪拌頭。

本發(fā)明還公開一種用于復(fù)合材料加工的多用途工具使用的輔助設(shè)備，包括刀柄系統(tǒng)和主軸系統(tǒng)。所述的刀柄系統(tǒng)包括減振法蘭盤、油腔、刀柄進氣管道、刀柄內(nèi)冷系統(tǒng)、限位裝置、動平衡裝置、刀桿加持裝置。在已有刀柄系統(tǒng)的刀柄上增加用于實現(xiàn)多用途工具動平衡的環(huán)形凸臺，通過調(diào)節(jié)在環(huán)形凸臺上螺釘?shù)奈恢煤蛿?shù)量配重，實現(xiàn)對多用途工具的動平衡設(shè)置。并在已有刀柄系統(tǒng)增加減振法蘭盤，減振法蘭盤套在刀柄凸臺下方的圓柱體外側(cè)。所述的主軸系統(tǒng)包括測溫裝置、主軸冷卻槽、測振裝置、主軸冷卻裝置、氣動卡盤、進氣管。多用途工具通過刀柄系統(tǒng)上的刀桿夾持裝置進行幾何固定，并利用刀柄進氣管道以實現(xiàn)工具與刀柄的氣動緊固。

本發(fā)明公開的一種用于復(fù)合材料加工的多用途工具的使用方法為：多用途工具通過刀柄系統(tǒng)上的刀桿夾持裝置進行幾何固定，并利用刀柄進氣管道以實現(xiàn)工具與刀柄的氣動緊固。

根據(jù)使用需要選擇安裝相應(yīng)多用途工具，實現(xiàn)對于復(fù)合材料的多用途加工。

當實現(xiàn)單一攪拌摩擦加工時，從定位塊上拆卸刀片，通過主軸系統(tǒng)實現(xiàn)對多用途工具的旋轉(zhuǎn)和進給運動的驅(qū)動，從而實現(xiàn)單一攪拌摩擦加工。

當實現(xiàn)單一攪拌摩擦焊接時，從定位塊上拆卸刀片，通過主軸系統(tǒng)實現(xiàn)對多用途工具的旋轉(zhuǎn)和進給運動的驅(qū)動，從而實現(xiàn)單一攪拌摩擦焊接。

當實現(xiàn)具有去飛邊功能的攪拌摩擦加工時，調(diào)整刀片在定位塊上的位置或調(diào)整刀片形狀，使刀片切削刃與刀體端部平齊，通過主軸系統(tǒng)實現(xiàn)對多用途工具的旋轉(zhuǎn)和進給運動的驅(qū)動，從而實現(xiàn)具有去飛邊功能的攪拌摩擦加工。

當實現(xiàn)具有去飛邊功能的攪拌摩擦焊接時，調(diào)整刀片在定位塊的位置或調(diào)整刀片形狀，使刀片與刀體端部平齊，通過主軸系統(tǒng)實現(xiàn)對多用途工具的旋轉(zhuǎn)和進給運動的驅(qū)動，從而實現(xiàn)具有去飛邊功能的攪拌摩擦焊接。

當實現(xiàn)單一銑削加工時，調(diào)整刀片在定位塊的位置或調(diào)整刀片形狀，使刀片切削刃超過刀體端部，同時拆卸攪拌頭，通過主軸系統(tǒng)實現(xiàn)對多用途工具的旋轉(zhuǎn)和進給運動的驅(qū)動，從而實現(xiàn)單一銑削加工。

當實現(xiàn)攪拌摩擦加工-銑削的復(fù)合加工時，調(diào)整刀片在定位塊的位置或調(diào)整刀片形狀，使刀片切削刃超過刀體端部，同時裝載攪拌頭，通過主軸系統(tǒng)實現(xiàn)對多用途工具的旋轉(zhuǎn)和進給運動的驅(qū)動，從而實現(xiàn)攪拌摩擦加工-銑削復(fù)合的一體式加工，提高復(fù)合材料的加工質(zhì)量和加工效率。在復(fù)合材料銑削過程中，合金基體中由于增強相的加入使基體的塑性變形機制與單一合金材質(zhì)的銑削去除機理有較大差異，由于復(fù)合材料工件表層材料經(jīng)過攪拌摩擦二次加工起到細化基體微觀組織和增強相尺寸，從而提高復(fù)合材料表層力學(xué)性能和疲勞性能。攪拌摩擦加工-銑削的復(fù)合加工集合了銑削和攪拌摩擦加工各自技術(shù)優(yōu)勢，利用攪拌摩擦加工可改善銑削復(fù)合材料加工表面質(zhì)量及表層力學(xué)性能，同時銑削加工可去除攪拌摩擦加工所產(chǎn)生的飛邊等問題，并且切削產(chǎn)生的熱量可為攪拌摩擦加工提供部分熱輸入。同時，攪拌摩擦加工-銑削的復(fù)合實現(xiàn)工件一體式快速加工，提高復(fù)合材料的加工質(zhì)量和加工效率并節(jié)約生產(chǎn)成本。

當實現(xiàn)攪拌摩擦焊接-銑削的復(fù)合加工時，調(diào)整刀片在定位塊的位置或調(diào)整刀片形狀，使刀片切削刃超過刀體端部，同時裝載攪拌頭，通過主軸系統(tǒng)實現(xiàn)對多用途工具的旋轉(zhuǎn)和進給運動的驅(qū)動，從而實現(xiàn)攪拌摩擦焊接-銑削復(fù)合的一體式加工，提高復(fù)合材料的加工質(zhì)量和加工效率。在復(fù)合材料銑削過程中，合金基體中由于增強相的加入使基體的塑性變形機制與單一合金材質(zhì)的銑削去除機理有較大差異，由于復(fù)合材料工件表層材料經(jīng)過攪拌摩擦二次焊接起到細化基體微觀組織和增強相尺寸，從而提高復(fù)合材料表層力學(xué)性能和疲勞性能。攪拌摩擦焊接-銑削的復(fù)合加工集合了銑削和攪拌摩擦焊接各自技術(shù)優(yōu)勢，利用攪拌摩擦焊接可改善銑削復(fù)合材料加工表面質(zhì)量及表層力學(xué)性能，同時銑削加工可去除攪拌摩擦加工所產(chǎn)生的飛邊等問題，并且切削產(chǎn)生的熱量可為攪拌摩擦焊接提供部分熱輸入。同時，攪拌摩擦焊接-銑削的復(fù)合實現(xiàn)了工件一體式快速加工，提高復(fù)合材料的加工質(zhì)量和加工效率并節(jié)約生產(chǎn)成本。

由于上述多用途加工方式中主軸系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速高，多用途工具上的微小不平衡量會產(chǎn)生非常大的離心力，離心力引起多用途工具的徑向跳動，降低對工件的加工精度，由于在刀柄上加工有實現(xiàn)多用途工具動平衡的環(huán)形凸臺，通過調(diào)節(jié)在環(huán)形凸臺上螺釘?shù)奈恢煤蛿?shù)量配重，實現(xiàn)對多用途工具的動平衡設(shè)置，減小離心力引起多用途工具的徑向跳動，提高對工件的加工精度。此外，由于在已有刀柄系統(tǒng)增加減振法蘭盤，實現(xiàn)減振作用，進一步提高對工件的加工精度。

有益效果：

1、本發(fā)明公開的一種用于復(fù)合材料加工的多用途工具、輔助設(shè)備及使用方法，根據(jù)使用需要選擇安裝相應(yīng)多用途工具，實現(xiàn)對于復(fù)合材料的多用途加工，多用途加工包括以下用途：單一攪拌摩擦加工；單一銑削加工；單一攪拌摩擦焊接；具有去飛邊功能的攪拌摩擦加工；攪拌摩擦加工-銑削的復(fù)合加工；攪拌摩擦連接-銑削的復(fù)合加工。

2、現(xiàn)有加工方式中主軸系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速高，多用途工具上的微小不平衡量會產(chǎn)生非常大的離心力，離心力引起多用途工具的徑向跳動，降低對工件的加工精度。本發(fā)明公開的一種用于復(fù)合材料加工的多用途工具、輔助設(shè)備及使用方法，由于在刀柄上加工有實現(xiàn)多用途工具動平衡的環(huán)形凸臺，通過調(diào)節(jié)在環(huán)形凸臺上螺釘?shù)奈恢煤蛿?shù)量配重，實現(xiàn)對多用途工具的動平衡設(shè)置，減小離心力引起多用途工具的徑向跳動，提高對工件的加工精度。此外，由于在已有刀柄系統(tǒng)增加減振法蘭盤，實現(xiàn)對刀柄的減振作用，進一步提高對工件的加工精度。

3、本發(fā)明公開的一種用于復(fù)合材料加工的多用途工具、輔助設(shè)備及使用方法，調(diào)整刀片在定位塊的位置或調(diào)整刀片形狀，使刀片切削刃超過刀體端部，同時裝載攪拌頭，通過主軸系統(tǒng)實現(xiàn)對多用途工具的旋轉(zhuǎn)和進給運動的驅(qū)動，從而實現(xiàn)攪拌摩擦加工或焊接-銑削復(fù)合的一體式加工，提高復(fù)合材料的加工質(zhì)量和加工效率。在復(fù)合材料銑削過程中，合金基體中由于增強相的加入使基體的塑性變形機制與單一合金材質(zhì)的銑削去除機理有較大差異，由于復(fù)合材料工件表層材料經(jīng)過攪拌摩擦二次焊接起到細化基體微觀組織和增強相尺寸，從而提高復(fù)合材料表層力學(xué)性能和疲勞性能。

附圖說明

圖1為復(fù)合銑削-攪拌摩擦加工的聯(lián)合加工示意圖；

圖2為三維的復(fù)合銑削-攪拌摩擦加工的工具結(jié)構(gòu)；

圖3為具有去飛邊功能的攪拌摩擦加工/焊接工具結(jié)構(gòu)，圖3a為主視圖，圖3b為俯視圖；

圖4為復(fù)合銑削-攪拌摩擦加工的工具結(jié)構(gòu)，圖4a為主視圖，圖4b為俯視圖；

圖5為具有不同功能的刀片結(jié)構(gòu)，圖5a為切削刃超過刀體端部的刀片，圖5b為切削刃與刀體端部平齊的刀片；

圖6為拆卸攪拌頭后的單一銑削工具結(jié)構(gòu)；

圖7為單一銑削加工示意；

圖8為只裝載攪拌頭的工具結(jié)構(gòu)

圖9為單一攪拌摩擦加工示意圖。

其中：1—刀桿；2—刀體；3—攪拌頭；4—定位塊；5—刀片；6螺釘；7—銷緊滑墊；8—刀柄系統(tǒng)；8-1—減振法蘭盤；8-2—油腔；8-3—刀柄進氣管道；8-4—刀柄內(nèi)冷系統(tǒng)；8-5—限位裝置；8-6—動平衡裝置；8-7—刀桿夾持裝置；9—主軸系統(tǒng)；9-1—測溫裝置；9-2—主軸冷卻槽；9-3—測振裝置；9-4—主軸冷卻裝置；9-5—氣動卡盤；9-6—進氣管；10—工件；24—工件待加工部分；25—工件已加工部分。

具體實施方式

為了更好的說明本發(fā)明的目的和優(yōu)點，下面結(jié)合附圖和實例對發(fā)明內(nèi)容做進一步說明。

實施例1：

本實施例基于本發(fā)明公開一種用于復(fù)合材料加工的多用途工具、一種用于復(fù)合材料加工的多用途工具使用的輔助設(shè)備、一種用于復(fù)合材料加工的多用途工具的使用方法，結(jié)合實際加工需要實現(xiàn)。

建筑中所用的鋁基復(fù)合材料板材加工。材料為：6005鋁合金，待加工的毛坯為大尺寸板材。由于此時需要獲得表面質(zhì)量較好的鋁合金板材，因此應(yīng)該選用摩擦攪拌去飛邊的復(fù)合加工的方式。復(fù)合加工工具的工具選擇平頭的硬質(zhì)合金銑刀，攪拌頭選擇h13鋼攪拌頭，其中銑刀的刃數(shù)是四，刃徑為12mm；攪拌頭上攪拌針為圓柱體，底部的大的端部直徑為7mm，小頭直徑是4.5mm，整體的高度是4.5mm，攪拌針帶螺紋，螺距是1.3mm。調(diào)整刀片5形狀，使刀片5切削刃與刀體2端部平齊，通過主軸系統(tǒng)9實現(xiàn)對多用途工具的旋轉(zhuǎn)和進給運動的驅(qū)動，從而實現(xiàn)具有去飛邊功能的攪拌摩擦加工，此種攪拌摩擦去飛邊加工方式需要將平頭的如圖3中右側(cè)的銑刀安裝在刀桿的底部，并將上述中的攪拌頭安裝上。對加工工具進行動平衡檢驗，利用rpct0642動平衡機或其他類型動平衡機，在轉(zhuǎn)速為10000r/min確定復(fù)合加工工具的動平衡精度等級是否在g205～g16范圍內(nèi)，對于動平衡精度較差加工工具通過平衡環(huán)或螺釘進行平衡補償。具有去飛邊功能的攪拌摩擦加工方式工藝：加工的銑削速度為60m/min，每齒的進給量為0.018mm/z，保護氣體流量為8l/min，間歇性進給距離為3.5mm。加工方式如圖9所示，采用具有去飛邊功能的攪拌摩擦加工能夠得出表面質(zhì)量較高以及具有較高力學(xué)性能的建筑用鋁基復(fù)合板。

如果需要獲得一定尺寸要求且表面質(zhì)量較好的鋁合金板材，應(yīng)當選擇如圖4的刀具結(jié)構(gòu)，采用如圖1所示的復(fù)合銑削-攪拌摩擦加工的加工方式。復(fù)合加工工具的工具選擇平頭的硬質(zhì)合金銑刀，攪拌頭選擇h13鋼攪拌頭，其中銑刀的刃數(shù)是4，刃徑為12mm；攪拌頭上攪拌針為圓柱體，底部的大的端部直徑為7mm，小頭直徑是4.5mm，整體的高度是4.5mm，攪拌針帶螺紋，螺距是1.3mm。調(diào)整刀片5形狀(如圖5a)，使刀片5切削刃超過刀體端部，同時裝載攪拌頭3，通過主軸系統(tǒng)9實現(xiàn)對多用途工具的旋轉(zhuǎn)和進給運動的驅(qū)動，從而實現(xiàn)攪拌摩擦加工-銑削復(fù)合的一體式加工。此種攪拌摩擦-銑削去飛邊加工方式：復(fù)合加工的銑削速度為60m/min，每齒的進給量為0.018mm/z，保護氣體流量為8l/min，間歇性進給距離為3.5mm。加工方式如圖1所示，采用該攪拌摩擦加工—銑削去飛邊復(fù)合加工可以得出表面質(zhì)量較高以及具有較高力學(xué)性能的建筑用鋁基復(fù)合板。復(fù)合加工的銑削速度為40m/min，每齒的進給量為0.01mm/z，保護氣體流量為8l/min，間歇性進給距離為3mm。加工方式如圖9所示，采用該攪拌摩擦加工-銑削復(fù)合加工可以得出表面質(zhì)量較高以及具有較高力學(xué)性能的建筑用鋁基復(fù)合板。

以上所述的具體描述，對發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。