CN103286435A - 一种搅拌摩擦加工制备金属基复合材料的搅拌头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种搅拌摩擦加工制备金属基复合材料的搅拌头，由搅拌针、轴肩、夹持体组成为一个一体式结构，轴肩一端与夹持体连接，另一端的中心连接搅拌针，轴肩固定搅拌针的一端端面为内凹形，端面带有凸台，在凸台上搅拌针的根部周围区域设有螺旋形或圆弧形沟槽。轴肩具有凸台结构，外侧轴肩及内凹底面可明显减少飞边量和增强体被挤出量；内侧轴肩底面的沟槽及搅拌针的侧平面均可增加塑性金属流动性，使得颗粒在基体中分布更均匀。

Description

一种搅拌摩擦加工制备金属基复合材料的搅拌头
技术领域
本发明涉及一种搅拌头，特别涉及一种适用于搅拌摩擦加工制备金属基复合材料的搅拌头，属于金属基复合材料的制备技术领域。
背景技术
搅拌摩擦焊技术是由英国焊接研究所于1991年发明的一种固相焊接工艺（专利号US5460317，1991.12）。搅拌摩擦加工技术是基于搅拌摩擦焊技术发展而成的一种新型固相加工工艺。该技术制备金属基复合材料原理是：用高速旋转搅拌头压入金属板内，并以一定速度沿加工方向行进，搅拌头搅拌金属基体产生摩擦热、塑性变形热及剧烈塑性变形，导致金属塑性流动，预置于金属板内部的增强体在强烈搅拌作用下与塑性金属流复合形成复合材料。
搅拌摩擦加工制备金属基复合材料最大的难点是：增强体在金属基体中分布不均匀，易发生聚集。增强体在基体中分布与搅拌头形状尺寸、加工工艺参数、基体与增强体润湿性等因素有关，其中搅拌头最为重要，其直接决定了金属塑性流动和产热，因此搅拌头的优化设计在搅拌摩擦加工制备金属基复合材料的研究中占有重要地位。
但是，目前很多研究者在搅拌摩擦加工制备金属基复合材料时，直接采用了普通搅拌摩擦焊搅拌头，所制备复合材料效果不佳。与搅拌摩擦焊相比，搅拌摩擦加工过程需要产生更多热量和塑性金属流动才能使增强体分布均匀，采用普通搅拌摩擦焊搅拌头要产生足够热量及合理的塑性金属流动易产生大飞边和增强体被挤出等问题。因此，需要专门设计出适用于搅拌摩擦加工制备金属基复合材料的搅拌头。
发明内容
本发明的目的是为了解决普通搅拌摩擦焊搅拌头制备金属基复合材料时增强体分布不均匀且易产生大飞边和增强体被挤出的问题，提供一种搅拌摩擦加工制备金属基复合材料的搅拌头。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种搅拌摩擦加工制备金属基复合材料的搅拌头，由搅拌针、轴肩、夹持体组成为一个一体式结构，轴肩一端与夹持体连接，另一端的中心连接搅拌针，轴肩固定搅拌针的一端端面为内凹形，端面带有凸台，在凸台上搅拌针的根部周围区域设有螺旋形或圆弧形沟槽。
所述的搅拌针为圆锥体结构，圆锥角为30～60°；搅拌针外表面带有螺纹，螺距为0.5～1mm。所述的搅拌针上有3～5个与圆锥体母线平行的侧平面，侧平面沿圆周均匀分布。
所述的夹持体包括上圆柱体、中圆柱体和下圆锥体三部分，上圆柱体侧面带有定位平面，中圆柱体的侧面带有散热槽。
所述的中圆柱体侧面带有2～4个散热槽，散热槽宽度和深度为1～3mm。
所述的轴肩上凸台高度为0.1～0.3mm，凸台侧面到轴肩边缘距离为0.5～2mm。
所述的轴肩与夹持体圆滑过渡连接。
本发明的搅拌摩擦加工制备金属基复合材料的搅拌头与传统搅拌摩擦焊搅拌头相比具有以下突出优点：（1）轴肩具有凸台结构，外侧轴肩及内凹底面可明显减少飞边量和增强体被挤出量；（2）内侧轴肩底面的沟槽及搅拌针的侧平面均可增加塑性金属流动性，使得颗粒在基体中分布更均匀。
附图说明
图1是本发明的搅拌头的立体结构示意图；
图2为图1的局部放大图；
图3是本发明搅拌头的主视图；
图4是图2中A-A向视图；
图5是图2中B-B向视图；
图6是图2中H部分的结构放大图；
其中，1.夹持体，2.轴肩，3.搅拌针，4.定位平面，5.散热槽，6.凸台，7.沟槽，8.侧平面，9.螺纹。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明。
一种搅拌摩擦加工制备金属基复合材料的搅拌头，由搅拌针3、轴肩2、夹持体1组成为一个一体式结构，轴肩2一端与夹持体1连接，另一端的中心连接搅拌针3，轴肩2固定搅拌针3的一端端面为内凹形，端面带有凸台6，在凸台6上搅拌针3的根部设有螺旋形或圆弧形沟槽7。搅拌针3为圆锥体结构，圆锥角为30～60°；搅拌针3外表面带有螺纹9。所述的搅拌针3上有3～5个与圆锥体母线平行的侧平面8，侧平面沿圆周均匀分布。夹持体1包括上圆柱体、中圆柱体和下圆锥体三部分，上圆柱体侧面带有定位平面4，中圆柱体的侧面带有散热槽5。
实施例1
一种搅拌摩擦加工制备金属基复合材料的搅拌头，结构如上所述，具体尺寸：
散热槽5宽度和深度为3mm。轴肩2采用凸台结构，轴肩直径为15mm，凸台直径为13mm，凸台高度为0.2mm，轴肩底面内凹，凸台带有三道螺旋形沟槽7。
搅拌针为圆锥体，根部直径为6mm，端部直径为3mm，长度为5.5mm，搅拌针带有螺纹，螺距为1mm，搅拌针上有3个与母线平行的侧平面8。
搅拌摩擦加工制备金属基复合材料时，所用基体为10mm厚6061铝合金板，增强体为平均粒径为50nm的Al2O3颗粒，加工工艺参数为：旋转速度850r/min，行进速度60mm/min，下压量0.1mm，倾斜角2.5°，搅拌次数5次，搅拌方向相同。采用该搅拌头进行搅拌摩擦加工过程中，飞边量和颗粒被挤出量少，所得到铝基复合材料中Al2O3颗粒分布区域广且分布均匀。

Claims (7)

1.一种搅拌摩擦加工制备金属基复合材料的搅拌头，其特征是，由搅拌针、轴肩、夹持体组成为一个一体式结构，轴肩一端与夹持体连接，另一端的中心连接搅拌针，轴肩固定搅拌针的一端端面为内凹形，端面带有凸台，在凸台上搅拌针的根部周围区域设有螺旋形或圆弧形沟槽。
2.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦加工制备金属基复合材料的搅拌头，其特征是，所述的搅拌针为圆锥体结构，圆锥角为30～60°，搅拌针外表面带有螺纹。
3.根据权利要求2所述的一种搅拌摩擦加工制备金属基复合材料的搅拌头，其特征是，所述的搅拌针上有3～5个与圆锥体母线平行的侧平面，侧平面沿圆周均匀分布。
4.根据权利要求2所述的一种搅拌摩擦加工制备金属基复合材料的搅拌头，其特征是，螺纹螺距为0.5～1mm。
5.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦加工制备金属基复合材料的搅拌头，其特征是，所述的夹持体包括上圆柱体、中圆柱体和下圆锥体三部分，上圆柱体侧面带有定位平面，中圆柱体的侧面带有散热槽。
6.根据权利要求5所述的一种搅拌摩擦加工制备金属基复合材料的搅拌头，其特征是，所述的中圆柱体侧面带有2～4个散热槽，散热槽宽度和深度为1～3mm。
7.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦加工制备金属基复合材料的搅拌头，其特征是，所述的轴肩上凸台高度为0.1～0.3mm，凸台侧面到轴肩边缘距离为0.5～2mm。
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