專(zhuān)利名稱(chēng)：攪拌成形裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)部件的成形，更具體地說(shuō)，涉及一種結(jié)合了磨擦攪拌加工的結(jié)構(gòu)部件的成形。
背景技術(shù)：
將結(jié)構(gòu)部件成形為期望的形狀可以通過(guò)鍛造、沖壓、彎曲、切削和類(lèi)似加工來(lái)完成。例如，包括諸如鋼、鋁、鈦或這些金屬合金的金屬平面板材的預(yù)成形件或毛坯能在鍛造中被加熱并被錘打成所期望的構(gòu)件形狀。另外，可以使用機(jī)械或液壓壓力機(jī)在限定成形面的兩相對(duì)模具之間將結(jié)構(gòu)部件沖壓或鍛造成期望的形狀，其中該成形面對(duì)應(yīng)于所期望的構(gòu)件輪廓。和將熔融材料澆注成期望的形狀相比，這種成形方法一般要更快且更低廉，并且可以使結(jié)構(gòu)部件具有諸如曲線、棱角等復(fù)雜形狀。但是，根據(jù)預(yù)成形件的特殊材料，由于諸如形成尖角或其他顯著變形的過(guò)量成形將會(huì)產(chǎn)生裂縫和弱化部分。因此，特殊復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的成形可能需要形成多個(gè)基本元件，然后通過(guò)焊接或其他連接方法將這些元件連接在一起。另外，需要進(jìn)行后序的材料加工，諸如固溶熱處理、時(shí)效處理和淬火這樣的熱處理，從而在成形部件中獲得期望的特性。這些附加操作增加了結(jié)構(gòu)部件的制造時(shí)間和制造成本。
在將結(jié)構(gòu)部件成形為期望形狀之前也需要處理這些結(jié)構(gòu)部件。例如，根據(jù)提出的一個(gè)方法，預(yù)成形件被支承在一平臺(tái)結(jié)構(gòu)上，磨擦攪拌焊接工具插入預(yù)成形件中并旋轉(zhuǎn)以使預(yù)成形件的材料塑化。磨擦攪拌焊接工具然后連續(xù)地在預(yù)成形件的表面上移動(dòng)以對(duì)預(yù)成形件部分進(jìn)行磨擦攪拌加工。然后諸如通過(guò)鍛造、沖壓、彎曲或類(lèi)似加工將預(yù)成形件成形為所期望的構(gòu)件形狀。這種磨擦攪拌加工細(xì)化了預(yù)成形件的粒狀結(jié)構(gòu)，改善了結(jié)構(gòu)部件的材料特性。但是，這種加工也是耗時(shí)并且增加了結(jié)構(gòu)部件的成本。
因而，對(duì)于成形結(jié)構(gòu)部件來(lái)說(shuō)需要一種經(jīng)改進(jìn)的裝置和加工方法。這種加工方法能形成結(jié)構(gòu)部件的各種結(jié)構(gòu)，包括那些復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)。另外，這些加工能使結(jié)構(gòu)部件具有所期望的材料特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種至少使用一個(gè)磨擦攪拌成形工具用于將工件成形為所期望的、非平面結(jié)構(gòu)的裝置和方法。該成形工具使工件的一部分塑化并促使工件成形為期望的結(jié)構(gòu)，從而細(xì)化了工件的粒狀結(jié)構(gòu)。因而，工件能被成形為任何期望的結(jié)構(gòu)，包括復(fù)雜的形狀。另外，工件的材料特性可以被改善。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該裝置包括限定輪廓表面的模具，該輪廓表面諸如是對(duì)應(yīng)于工件期望結(jié)構(gòu)的圓屋頂形狀。該模具也具有細(xì)節(jié)特征，該特征對(duì)應(yīng)于形成在工件上的特征。包括肩部和從肩部延伸的可轉(zhuǎn)動(dòng)銷(xiāo)的磨擦攪拌成形工具被構(gòu)造成朝向模具的輪廓表面驅(qū)動(dòng)肩部和銷(xiāo)。因而，肩部驅(qū)使工件抵靠著模具并使工件具有期望的結(jié)構(gòu)，該銷(xiāo)至少部分地穿入工件中并旋轉(zhuǎn)以形成磨擦攪拌成形區(qū)域，該區(qū)域由細(xì)化的粒狀結(jié)構(gòu)所限定。該裝置還包括致動(dòng)器，其用來(lái)沿對(duì)應(yīng)于模具的輪廓表面的預(yù)定路徑調(diào)節(jié)磨擦攪拌成形工具，即至少在兩個(gè)線性方向上以及至少兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸上。該模具也能相對(duì)于成形工具旋轉(zhuǎn)。優(yōu)選地，該致動(dòng)器被構(gòu)造成沿模具所限定的圓頂調(diào)節(jié)工具。優(yōu)選地，該銷(xiāo)大約是工件厚度的一半。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，該裝置包括具有相對(duì)結(jié)構(gòu)的第一和第二磨擦攪拌成形工具，從而肩部大致地朝內(nèi)伸以在兩工具之間容納工件。一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器在朝工件的相對(duì)側(cè)的向內(nèi)方向調(diào)節(jié)成形工具，從而使銷(xiāo)至少部分地穿入工件。該銷(xiāo)旋轉(zhuǎn)以在工件中形成磨擦攪拌成形區(qū)域，并且致動(dòng)器沿著預(yù)定路徑調(diào)節(jié)磨擦攪拌成形工具以使肩部驅(qū)使工件成形為期望的結(jié)構(gòu)，其中該預(yù)定路徑對(duì)應(yīng)于工件期望的、非平面結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，該銷(xiāo)從第一肩部向第二肩部延伸。優(yōu)選地，成形工具具有第一和第二銷(xiāo)，第一銷(xiāo)從第一肩部延伸，第二銷(xiāo)從第二肩部延伸。優(yōu)選地，至少一個(gè)致動(dòng)器被構(gòu)造成在至少兩線性方向上和環(huán)繞至少兩旋轉(zhuǎn)軸來(lái)調(diào)節(jié)磨擦攪拌成形工具。優(yōu)選地，第一和第二磨擦攪拌成形機(jī)器的肩部被構(gòu)造成大致平行的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明也提供了一種成形工件的方法。工件至少部分地抵靠在模具上，驅(qū)使成形工具的肩部抵靠在該工件上。銷(xiāo)至少部分地穿入工件，并且工件抵靠著輪廓表面被彎曲。該工具的銷(xiāo)在工件中旋轉(zhuǎn)以使工件的一部分塑化，從而形成具有細(xì)化粒狀結(jié)構(gòu)的磨擦攪拌成形區(qū)域。在對(duì)應(yīng)于模具輪廓表面的預(yù)定路徑上調(diào)節(jié)工具從而使肩部驅(qū)使工件成形為具有期望的、非平面的結(jié)構(gòu)。工件的整個(gè)表面可以被塑化，從而在表面上細(xì)化工件的粒狀結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步，設(shè)置兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)部件并將它們連接起來(lái)形成工件。優(yōu)選地，提供由鋼、鋁、鈦和這些金屬的合金材料中的至少一種所形成的工件。優(yōu)選地，所述的提供步驟包括提供具有圓屋頂形狀表面的模具，以及所述調(diào)節(jié)步驟包括沿圓屋頂形狀輪廓表面移動(dòng)工具。優(yōu)選地，所述促使形工具肩部靠在工件上的步驟包括驅(qū)動(dòng)銷(xiāo)穿入工件的大約一半厚度。優(yōu)選地，所述的提供步驟包括在模具的輪廓表面上至少形成一個(gè)細(xì)節(jié)特征，從而使相應(yīng)的細(xì)節(jié)特征形成在工件上。優(yōu)選地，在所述的調(diào)節(jié)步驟中旋轉(zhuǎn)工件。
根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的方法包括通過(guò)第一和第二磨擦攪拌成形工具成形工件，其中該第一和第二磨擦攪拌成形工具被構(gòu)造成具有相對(duì)的結(jié)構(gòu)，從而肩部朝向支承在兩工具之間的工件向內(nèi)。驅(qū)動(dòng)第一和第二工具的肩部抵靠在工件的相應(yīng)側(cè)面，第一和第二工具的銷(xiāo)至少部分穿透相應(yīng)側(cè)面。銷(xiāo)被旋轉(zhuǎn)以使工件的相對(duì)部分塑化，從而在工件中形成相對(duì)的磨擦攪拌成形區(qū)域，該區(qū)域具有細(xì)化的粒狀結(jié)構(gòu)。在相應(yīng)的預(yù)定路徑中也對(duì)工具進(jìn)行調(diào)整從而使肩部驅(qū)動(dòng)工件，使之成形為具有期望的、非平面結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，將第一和第二工具中的銷(xiāo)插入工件的大約一半厚度中，從而使形成在工件第一側(cè)的磨擦攪拌成形區(qū)域向形成在工件第二側(cè)的磨擦攪拌成形區(qū)域延伸。優(yōu)選地，提供第一和第二肩部，該兩肩部通過(guò)在兩者之間延伸的銷(xiāo)來(lái)連接。優(yōu)選地，提供一工件，該工件由鋼、鋁、鈦和這些金屬的合金材料中的至少一種所形成。優(yōu)選地，沿著曲線路徑來(lái)調(diào)節(jié)工具，從而使肩部驅(qū)使工件成形為曲線結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，連續(xù)地使工件的基本整個(gè)第一和第二側(cè)塑化，從而在第一和第二側(cè)上細(xì)化工件的粒狀結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，所述的支撐步驟包括至少提供兩個(gè)結(jié)構(gòu)部件作為工件，在所述調(diào)節(jié)步驟期間連接各結(jié)構(gòu)部件。


已經(jīng)總體描述了本發(fā)明，現(xiàn)在將參照附圖，這些附圖不需按比例繪制，附圖如下圖1是示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例用來(lái)成形工件的裝置的透視圖；圖2是示出圖1所示裝置的剖視圖，該圖示出部分成形的工件；圖3是示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例用來(lái)成形工件的裝置的剖視圖；圖4是示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例用來(lái)成形工件的裝置的正視圖；
圖5是示出圖4所示裝置的正視圖，該圖示出部分成形的工件；以及圖6是示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例用來(lái)成形工件的裝置的正視圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更充分的說(shuō)明，在這些附圖中并沒(méi)有示出本發(fā)明的所有實(shí)施例。實(shí)際上，本發(fā)明可用多種不同的形式實(shí)施并且不局限于所述的實(shí)施例；更準(zhǔn)確地說(shuō)，提供這些實(shí)施例可使這種公開(kāi)能夠滿足法定的要求。相同的附圖標(biāo)記指示附圖中的相同構(gòu)件。
現(xiàn)在參照附圖，特別是參照?qǐng)D1，圖中示出用來(lái)將工件100成形為期望結(jié)構(gòu)的裝置10。該工件100可由金屬形成，諸如鋼、鋁、鈦，或這些金屬的合金、聚合體和其它與磨擦攪拌加工處理兼容的其它材料。工件100可被用于各種應(yīng)用，包括結(jié)構(gòu)板、支架、管、蓋和類(lèi)似構(gòu)件，但是并不局限于這些構(gòu)件。例如，形成圓屋頂形狀的工件100和管狀工件110(圖3)并將它們連接起來(lái)從而形成封閉或部分封閉的容器。工件100能用作航天宇宙飛行器、航空運(yùn)載器、航海工具和汽車(chē)工業(yè)車(chē)輛的結(jié)構(gòu)部件，或者用作其它結(jié)構(gòu)部件，例如壓力容器、武器和類(lèi)似構(gòu)件。
裝置10包括模具20，其限定對(duì)應(yīng)于工件100所期望的、非平面結(jié)構(gòu)的輪廓表面22。圖1所示的模具20的輪廓表面22是圓屋頂形狀，但是，該輪廓表面可以另外限定包括復(fù)雜曲線、棱角等其它形狀。優(yōu)選地，輪廓表面22是非平面的，即輪廓表面22限定一個(gè)或多個(gè)曲線、棱角或其它非平面特征。例如，非平面表面可以由兩個(gè)或多個(gè)以一定角度設(shè)置的平面部分構(gòu)成。也可以通過(guò)在平面模具上設(shè)置脊、通道或其它特征來(lái)形成非平面表面。模具20固定在基座30或框架上，該基座30或框架被構(gòu)造成旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)模具20。模具20部分地容納工件100，從而例如使工件100接觸輪廓表面22的一部分。螺栓24或其他連接裝置用來(lái)將工件100固定在模具20的輪廓表面22上。
裝置10還包括具有肩部42和銷(xiāo)44的磨擦攪拌成形工具40。致動(dòng)器50被構(gòu)造成旋轉(zhuǎn)工具40并相對(duì)于模具20和工件100調(diào)節(jié)工具40。因而，致動(dòng)器50可朝向工件100驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)工具40并使銷(xiāo)44至少部分地穿透工件100的第一側(cè)102。致動(dòng)器50也被構(gòu)造成沿預(yù)定路徑調(diào)節(jié)工具40從而使可轉(zhuǎn)動(dòng)銷(xiāo)44被移動(dòng)走過(guò)工件100。例如，致動(dòng)器50可與連接件或支撐和/或移動(dòng)致動(dòng)器50的框架52連接。特別地，致動(dòng)器50和/或框架52可以是計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(CNC)裝置，其是可編程的，傳統(tǒng)上用來(lái)控制加工頭。
當(dāng)可轉(zhuǎn)動(dòng)銷(xiāo)44被移動(dòng)走過(guò)工件100時(shí)，銷(xiāo)44磨擦生熱并使工件100的區(qū)域塑化。被塑化的區(qū)域然后冷卻并硬化以形成磨擦攪拌成形區(qū)域114，該區(qū)域114具有細(xì)化的粒狀結(jié)構(gòu)，如圖2所示。因此，由本發(fā)明磨擦攪拌加工操作所導(dǎo)致的對(duì)工件100材料特性的影響類(lèi)似或等同于由磨擦攪拌焊接而產(chǎn)生的影響，Thomas等人在美國(guó)專(zhuān)利5,460,317中已經(jīng)公開(kāi)了這種磨擦攪拌焊接，其全部?jī)?nèi)容在此引入作為參考。由于磨擦攪拌成形而形成工件100的細(xì)化粒狀結(jié)構(gòu)，所以工件100的材料特性可以通過(guò)諸如增加工件100的強(qiáng)度和抗腐蝕性而得到改善。
磨擦攪拌成形工具40和/或模具20可以被調(diào)節(jié)，從而移動(dòng)工具40走過(guò)工件100。例如，如圖1所示，模具20通過(guò)旋轉(zhuǎn)裝置32連接于基座30，該旋轉(zhuǎn)裝置32被構(gòu)造成通過(guò)手工或致動(dòng)器(未示出)相對(duì)于基座30旋轉(zhuǎn)模具20和工件100。另外，致動(dòng)器50沿著相對(duì)應(yīng)于模具20的輪廓的弧線來(lái)調(diào)節(jié)磨擦攪拌成形工具40，如圖2所示。即，工具40沿彎曲路徑移動(dòng)并環(huán)繞垂直于銷(xiāo)44縱向的軸旋轉(zhuǎn)，從而使驅(qū)動(dòng)銷(xiāo)44移動(dòng)走過(guò)工件100。因而，調(diào)節(jié)磨擦攪拌成形工具40和模具20，從而使驅(qū)動(dòng)銷(xiāo)44走過(guò)工件100的整個(gè)表面102。例如，當(dāng)模具20旋轉(zhuǎn)時(shí)，從工件100的中心朝向工件100的邊緣徑向向外地調(diào)節(jié)磨擦攪拌成形工具40，從而沿螺旋路徑調(diào)節(jié)銷(xiāo)44使其走過(guò)工件100。
在其他實(shí)施例中，磨擦攪拌成形工具40和模具20能以其他方式相對(duì)于彼此移動(dòng)。例如，當(dāng)移動(dòng)成形工具40走過(guò)工件100的表面102時(shí)，模具20保持固定不動(dòng)，成形工具40繞多個(gè)軸旋轉(zhuǎn)從而使肩部42保持基本上平行于模具20的輪廓面22和/或工件100的表面102。在任何情況下，銷(xiāo)44都能垂直于肩部42，從而在促使肩部42靠在表面102時(shí)，銷(xiāo)44保持基本上垂直于工件100的表面，即銷(xiāo)44垂直于在與銷(xiāo)44共線的一點(diǎn)處相切于輪廓表面22的平面。
銷(xiāo)44足夠長(zhǎng)以至于能伸過(guò)工件100的整個(gè)厚度?？蛇x擇的是，銷(xiāo)44的長(zhǎng)度可以比工件100的厚度小，例如，其長(zhǎng)度大約是工件100厚度的一半。而且，銷(xiāo)44相對(duì)于肩部42可以被調(diào)節(jié)，從而使銷(xiāo)44能如圖2所示那樣伸出并能如圖1所示那樣縮回。因而，工具40能用來(lái)加工具有不同厚度的工件100。另外，在工件100的加工期間能調(diào)節(jié)銷(xiāo)44以至于銷(xiāo)44能在不同深度處穿透工件100的不同部分。例如，如果工件100的厚度不均勻，當(dāng)加工工件100的較厚部分時(shí)，銷(xiāo)44被伸出，當(dāng)加工工件100的較薄部分時(shí)，銷(xiāo)44被縮回。在每次加工操作開(kāi)始期間，銷(xiāo)44可從肩部42伸出并進(jìn)入工件100，和/或在每次加工操作結(jié)束時(shí)，銷(xiāo)44從工件100和肩部42縮回。
當(dāng)移動(dòng)銷(xiāo)44走過(guò)工件100時(shí)，驅(qū)使肩部42壓靠在工件100上并朝向輪廓表面22驅(qū)使工件100且使工件100具有期望的結(jié)構(gòu)。因而，工件100開(kāi)始時(shí)是平面結(jié)構(gòu)，并能彎曲或形成其他期望的形狀，如圖2所示。進(jìn)一步地，盡管在圖2中示出工件100的厚度是均勻的，但是，肩部42能施力于工件100的被加工部分的被塑化材料，從而在工件100中形成不均勻，或形成整體上較薄的均勻工件100。預(yù)定通道穿過(guò)工件100的整個(gè)表面102，從而基本上使整個(gè)表面102的粒狀結(jié)構(gòu)細(xì)化。可選擇的是，銷(xiāo)44僅穿過(guò)工件100的選擇部分，例如，在工件100中漸增間隔位置處或具有期望粒狀細(xì)化的特殊部分處。另外，細(xì)節(jié)特征26，例如凹槽、脊、孔、旋鈕和類(lèi)似結(jié)構(gòu)可設(shè)置在輪廓表面22上，以至于當(dāng)工件100抵靠模具20成形時(shí)，相應(yīng)的細(xì)節(jié)特征形成在工件上。圖1和2所示的細(xì)節(jié)特征26是圍繞模具20圓周延伸的凹槽，這將使相應(yīng)的脊形成在工件100中。
本發(fā)明的成形裝置10a也可以被用來(lái)將工件100與另一構(gòu)件110連接。例如，如圖3所示，模具20包括圓屋頂形狀的輪廓，其類(lèi)似于圖1所示的輪廓。但是，延長(zhǎng)部分28設(shè)置在基座30和模具20之間，以至于諸如管的附加構(gòu)件110可被設(shè)置在工件100的附近。支撐構(gòu)件34支撐管110，從而在工件100被成形為期望的結(jié)構(gòu)時(shí)，管110鄰近工件100定位，從而使分界面112限定在工件100和管110之間。夾緊構(gòu)件36也可以被設(shè)置用來(lái)將管110固定在支撐構(gòu)件34上。另外，管110和模具20能被旋轉(zhuǎn)裝置32支撐并可相對(duì)于磨擦攪拌成形工具40旋轉(zhuǎn)。如圖3所示，磨擦攪拌成形工具40的銷(xiāo)44可在工件100和管110之間的分界面處插入，旋轉(zhuǎn)裝置32旋轉(zhuǎn)工件100和管110，從而通過(guò)由分界面112限定的圓周路徑調(diào)節(jié)銷(xiāo)44。磨擦攪拌成形工具40磨擦生熱并在分界面處112使管110和工件100的材料塑化，從而在分界面112處形成磨擦攪拌焊接連接。因而，工件100成形之后，工件100與附加構(gòu)件110連接，這種連接可以在與成形操作相同的裝置10a中進(jìn)行。
圖4和5示出本發(fā)明的另一成形裝置10b，在該成形裝置中，工件100由兩相對(duì)的磨擦攪拌成形工具40a、40b成形。工具40a、40b中的每一個(gè)都類(lèi)似于上述工具40，包括肩部42a、42b和從肩部延伸的銷(xiāo)44a、44b。工具40a、40b與工件100相對(duì)設(shè)置，以至于肩部42a、42b向內(nèi)伸向工件100的相對(duì)側(cè)102、104。工件100由固定在基座或框架39上的夾緊構(gòu)件38或其它支承裝置固定。例如，夾緊構(gòu)件38可以是將工件100固定到位的機(jī)械夾鉗或液壓夾鉗。連接在連接構(gòu)件或框架上的致動(dòng)器50a、50b旋轉(zhuǎn)工具40a、40b并沿預(yù)定路徑調(diào)節(jié)工具40a、40b。因此，致動(dòng)器50a、50b可轉(zhuǎn)動(dòng)銷(xiāo)44a、44b并向內(nèi)驅(qū)動(dòng)工具40a、40b。銷(xiāo)44a、44b至少部分地穿透工件100的相對(duì)側(cè)102、104，致動(dòng)器50a、50b沿預(yù)定路徑移動(dòng)工具40a、40b，從而使工件100的區(qū)域塑化且工具40a、40b的肩部42a、42b驅(qū)使工件成形為期望的結(jié)構(gòu)。例如，致動(dòng)器50a、50b可沿工件100的長(zhǎng)度平移，同時(shí)保持肩部42a、42b平行。致動(dòng)器50a、50b也能繞垂直于銷(xiāo)44a、44b的縱軸的軸在圖4和圖5所示位置之間旋轉(zhuǎn)，從而使工件100成形為彎曲結(jié)構(gòu)。也能通過(guò)這種方式，即在兩個(gè)或多個(gè)線性方向上以及環(huán)繞兩個(gè)或多個(gè)旋轉(zhuǎn)軸調(diào)節(jié)磨擦攪拌成形工具40a、40b中的一個(gè)或兩個(gè)來(lái)形成復(fù)雜的形狀，包括三維曲面。在成形結(jié)構(gòu)中，工件100限定磨擦攪拌成形區(qū)域114，該區(qū)域114由細(xì)化的粒狀結(jié)構(gòu)所限定。
如圖4所示，磨擦攪拌成形工具40a、40b的銷(xiāo)44a、44b的長(zhǎng)度大約等于或小于工件100厚度的一半，從而在從相對(duì)側(cè)將銷(xiāo)44a、44b導(dǎo)入工件100中時(shí)，銷(xiāo)44a、44b相互不接觸。也能相對(duì)于各自的肩部42a、42b調(diào)節(jié)每個(gè)銷(xiāo)44a、44b，從而使銷(xiāo)44a、44b能如上所述那樣從肩部伸出或縮回。進(jìn)一步地講，銷(xiāo)44a、44b能在稍微不同的位置處插入工件100中，以使銷(xiāo)44a、44b中的其中一個(gè)沿預(yù)定路徑“引導(dǎo)”另一銷(xiāo)。在任何情況下，磨擦攪拌成形區(qū)域114都能穿透工件100的整個(gè)厚度。工具40a、40b能用來(lái)使工件100的連續(xù)部分塑化直到整個(gè)工件100或工件100的選擇部分被加工。并且，盡管圖4和5僅示出單一工件100，但是可以理解的是，工件100可以由多個(gè)構(gòu)件形成并且磨擦攪拌成形工具40a、40b能通過(guò)磨擦攪拌焊接來(lái)連接這些構(gòu)件。
如圖6所示，成形裝置10c包括兩相對(duì)的肩部42c、42d，該肩部42c、42d由單一的自反應(yīng)式磨擦攪拌成形工具40c限定。延伸入工件100中的銷(xiāo)44c連接肩部42c、42d，從而朝向工件100的第一側(cè)102導(dǎo)向第一肩部42c，朝工件100的第二側(cè)104導(dǎo)向第二肩部42d。類(lèi)似于上述致動(dòng)器50、50a、50b的致動(dòng)器50c被連接到磨擦攪拌成形工具40c并被構(gòu)造成調(diào)節(jié)工具40c走過(guò)工件100。在加工操作開(kāi)始時(shí)，銷(xiāo)44c能從工件100的一端被引入工件100中，或銷(xiāo)44c能與肩部42c、42d中的一個(gè)或兩個(gè)分開(kāi)，從而使銷(xiāo)44c能夠通過(guò)工件100中的孔設(shè)置并與肩部42c、42d裝配在一起，如圖所示。致動(dòng)器50c然后沿非平面路徑調(diào)節(jié)工具40c走過(guò)工件100，從而可轉(zhuǎn)動(dòng)銷(xiāo)44c使工件100的部分塑化，肩部42c、42d驅(qū)使工件100成形為期望的、非平面結(jié)構(gòu)。
通過(guò)上述任一加工過(guò)程進(jìn)行磨擦攪拌成形之后，也能在裝置10、10a、10b、10c中加工工件100及其附加構(gòu)件110。例如，加工頭(未示出)能將工件100加工成使其具有預(yù)定公差，該加工頭能替換致動(dòng)器50、50a、50b、50c上的磨擦攪拌成形工具40、40a、40b、40c或分開(kāi)設(shè)置。進(jìn)一步地講，通過(guò)根據(jù)預(yù)定的方案將工件100加熱或冷卻至一個(gè)或多個(gè)預(yù)定的溫度來(lái)進(jìn)行熱處理。當(dāng)工件100被固定在裝置10、10a、10b、10c中時(shí)可以進(jìn)行熱處理，或者將工件100從裝置10、10a、10b、10c中移去并在不同裝置中對(duì)其進(jìn)行熱處理。
對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)能夠想到在此闡述的本發(fā)明的多種變化和其他實(shí)施例，這些實(shí)施例和多種變化具有所述說(shuō)明和相關(guān)附圖所示的技術(shù)效果。例如，盡管在前述實(shí)施例中成形工具40、40a、40b、40c中的肩部42、42a、42b、42c、42d驅(qū)使工件100，從而使其成形為期望的結(jié)構(gòu)，但可以理解的是，當(dāng)成形工具40、40a、40b、40c、40d通過(guò)磨擦攪拌成形來(lái)加工工件100時(shí)，工件100至少能夠部分地彈性彎曲成期望的形狀并以該形狀被約束，從而使工件100被釋放之后其能保持期望的形狀。這種約束能通過(guò)使用機(jī)械夾鉗或液壓夾鉗或其他限制裝置來(lái)執(zhí)行。因此，可以理解的是，本發(fā)明并不局限于所述的特殊實(shí)施例，修改和其他實(shí)施例也包含在下面的權(quán)利要求中。盡管在此使用了專(zhuān)用術(shù)語(yǔ)，但是僅以概括和描述的目的來(lái)使用這些術(shù)語(yǔ)，而不是出于限制的目的。
權(quán)利要求
1.一種使用磨擦攪拌成形工具將工件成形為所期望的非平面結(jié)構(gòu)的方法，其中該成形工具包括肩部和銷(xiāo)，該方法包括提供具有非平面輪廓表面的模具，該輪廓表面對(duì)應(yīng)于工件的期望結(jié)構(gòu)；使工件至少部分地支承在模具上；促使形工具的肩部靠在工件上，使銷(xiāo)至少部分地穿入工件，從而使工件彎曲靠在輪廓表面上；至少部分地在所述促使形工具肩部靠在工件上的步驟期間，使工具的銷(xiāo)在工件中旋轉(zhuǎn)，從而使工件的一部分塑化；以及至少部分地在所述促使形工具肩部靠在工件上的步驟期間，按照相對(duì)應(yīng)于模具的輪廓表面的預(yù)定路徑調(diào)節(jié)工具，使肩部驅(qū)使工件成形為期望的結(jié)構(gòu)，該工具在工件中形成具有細(xì)化粒狀結(jié)構(gòu)的磨擦攪拌成形區(qū)域。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的調(diào)節(jié)步驟包括保持肩部基本上平行于輪廓表面。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的支撐步驟包括至少提供兩個(gè)結(jié)構(gòu)部件作為工件，在所述的調(diào)節(jié)步驟期間連接這些結(jié)構(gòu)部件。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括相對(duì)于肩部調(diào)節(jié)銷(xiāo)。
5.一種使工件成形為所期望的非平面結(jié)構(gòu)的方法，其中，該工件具有相對(duì)的第一側(cè)和第二側(cè)，該方法包括提供至少一個(gè)磨擦攪拌成形工具，所述的至少一個(gè)磨擦攪拌成形工具限定第一肩部和第二肩部，所述肩部以相對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)成并且向內(nèi)導(dǎo)向，至少一個(gè)銷(xiāo)至少部分地延伸在所述肩部之間；將工件支撐在第一和第二肩部之間，以至于第一肩部朝向工件的第一側(cè)，第二肩部朝向工件的第二側(cè)；促使第一肩部靠在工件的第一側(cè)，促使第二肩部靠在工件的第二側(cè)；至少部分地在所述促使肩部靠在工件上的步驟期間，至少使一個(gè)銷(xiāo)在工件中旋轉(zhuǎn)，以使工件的一部分塑化；以及至少部分地在所述促使肩部靠在工件上的步驟期間，沿著預(yù)定路徑調(diào)節(jié)至少一個(gè)工具，從而使肩部促使工件成形為所期望的非平面結(jié)構(gòu)，至少一個(gè)銷(xiāo)在工件上形成具有細(xì)化粒狀結(jié)構(gòu)的磨擦攪拌成形區(qū)域。
6.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于所述的提供步驟包括提供第一和第二磨擦攪拌成形工具，第一工具限定第一肩部，第二工具限定第二肩部，每一工具限定至少一個(gè)從肩部延伸的銷(xiāo)。
7.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于所述的調(diào)節(jié)步驟包括基本上保持肩部平行。
8.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于所述的調(diào)節(jié)步驟包括相對(duì)于肩部軸向調(diào)節(jié)至少一個(gè)銷(xiāo)。
9.一種用來(lái)將工件成形為期望的非平面結(jié)構(gòu)的裝置，該裝置包括具有輪廓表面的模具，該輪廓表面相對(duì)應(yīng)于工件的期望、非平面結(jié)構(gòu)；磨擦攪拌成形工具，該成形工具包括肩部和從肩部延伸的可轉(zhuǎn)動(dòng)銷(xiāo)，該工具被構(gòu)造成朝向模具的輪廓表面驅(qū)動(dòng)肩部和銷(xiāo)，從而使肩部抵靠在模具上并使工件成形為期望的結(jié)構(gòu)，該銷(xiāo)至少部分地穿透工件并旋轉(zhuǎn)以形成磨擦攪拌成形區(qū)域，該區(qū)域由細(xì)化的粒狀結(jié)構(gòu)所限定；以及用來(lái)調(diào)節(jié)磨擦攪拌成形工具的致動(dòng)器，該致動(dòng)器構(gòu)造成沿預(yù)定路徑調(diào)節(jié)工具，肩部使該工件成形為期望的非平面結(jié)構(gòu)，其中預(yù)定路徑對(duì)應(yīng)于模具的輪廓表面。
10.一種用來(lái)將工件成形為期望的非平面結(jié)構(gòu)的裝置，該裝置包括至少一個(gè)磨擦攪拌成形工具，具有第一和第二相對(duì)的肩部和至少一個(gè)至少在肩部之間部分延伸的銷(xiāo)，該肩部大致向內(nèi)伸從而在兩者之間容納工件；至少一個(gè)用來(lái)調(diào)節(jié)磨擦攪拌成形工具的致動(dòng)器，該致動(dòng)器被構(gòu)造成以向內(nèi)方向調(diào)節(jié)肩部，從而驅(qū)使肩部抵靠工件的相對(duì)側(cè)并且旋轉(zhuǎn)，銷(xiāo)至少部分地穿入工件以形成磨擦攪拌成形區(qū)域，該區(qū)域由細(xì)化的粒狀結(jié)構(gòu)限定，其中，該致動(dòng)器被構(gòu)造成沿預(yù)定路徑調(diào)節(jié)磨擦攪拌成形工具，從而使肩部驅(qū)使工件成形為期望的非平面結(jié)構(gòu)，其中該預(yù)定路徑對(duì)應(yīng)于工件期望的非平面結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種用來(lái)將工件成形為期望的非平面結(jié)構(gòu)的裝置和方法。具有肩部和銷(xiāo)的至少一個(gè)磨擦攪拌成形工具被用來(lái)驅(qū)使工件成形為期望的結(jié)構(gòu)并且磨擦攪拌形成該工件。成形工具能夠驅(qū)使工件抵靠在模具的輪廓表面或肩部上，該肩部與工具的結(jié)構(gòu)部件相對(duì)。因而，該成形工具使工件的一部分塑化并使工件成形為期望的結(jié)構(gòu)。另外，通過(guò)磨擦攪拌加工來(lái)改善工件的材料特性。
文檔編號(hào)B21D31/00GK1623763SQ200410087409
公開(kāi)日2005年6月8日 申請(qǐng)日期2004年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月12日
發(fā)明者羅伯特·S·福里斯特, 道格拉斯·J·沃爾德倫 申請(qǐng)人:波音公司