CN107127444B - 一种实现圆柱结构内壁搅拌摩擦加工的方法 - Google Patents
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Abstract
一种实现圆柱结构内壁搅拌摩擦加工的方法，属于搅拌摩擦加工技术领域。包括：将待加工圆柱结构水平放置在夹具上且装夹固定好；选择搅拌头直径比圆柱结构内壁直径大0.4～1毫米的搅拌工具，其前置轴肩直径等于圆柱结构内壁直径；令搅拌工具垂直于水平面、无倾角，且与圆柱结构同轴线，令搅拌工具以500～3000转/分的转速、3～5毫米/分的速度扎入圆柱结构，直至搅拌头完全进入圆柱结构内；进行预热，然后以30～100毫米/分的速度沿圆柱结构轴线方向进行加工，直至加工一次完毕；搅拌工具包括夹持柄、过渡段、搅拌头及前置轴肩，所述夹持柄通过过渡段与搅拌头的后端固定连接，搅拌头的前端与前置轴肩固定连接。
Description
技术领域
本发明属于搅拌摩擦加工技术领域，特别是涉及一种实现圆柱结构内壁搅拌摩擦加工的方法。该方法可实现圆柱状铸造件，如铸铝等的表面改性，大大提高材料本身的性能。
背景技术
英国焊接研究所于1991年提出的搅拌摩擦焊(Friction stir welding,FSW)是一种新型固相焊技术，具有工作效率高、节能、无污染、焊接变形小、焊缝质量高等优点，在航空航天、汽车、船舶、电子等领域有着广泛的应用对象。基于搅拌摩擦焊的思想，美国的Mishra博士提出了搅拌摩擦加工(Friction stir processing,FSP)，即利用搅拌头造成加工区域材料的剧烈塑性变形、混合、破碎，实现材料微观组织的细化、均匀化与致密化。目前，这种加工工艺方法在铝合金或镁合金等的材料表面改性方面取得了大量的成果。但从目前的研究现状来看，由于传统的搅拌摩擦焊需要搅拌针垂直于待焊区域、旋转前进进行焊接，基于此技术的搅拌摩擦加工只能应用于平板、曲面结构外表面。虽然可利用机械臂等装置伸入圆柱内部垂直加工，但也受到结构尺寸的限制。因此，需要一种简单、易行，能实现圆柱结构内壁材料表面改性的搅拌摩擦加工新方法。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种可对圆柱结构内表面进行表面改性的实现圆柱结构内壁搅拌摩擦加工的方法。该方法能够解决传统搅拌摩擦加工需要垂直表面进行加工的问题，可以适用多道次表面加工的要求；且搅拌工具结构简单，操作易行，大大提高了工作效率。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种实现圆柱结构内壁搅拌摩擦加工的方法，包括如下步骤：
步骤一：将待加工圆柱结构水平放置在夹具上且装夹固定好，所述夹具在圆柱结构外壁有支撑力；
步骤二：选择搅拌头直径比圆柱结构内壁直径大0.4～1毫米的搅拌工具，其前置轴肩直径等于圆柱结构内壁直径；
步骤三：将夹持柄与搅拌摩擦焊机的旋转主轴固定连接，令搅拌工具垂直于水平面、无倾角，且与圆柱结构同轴线，令搅拌工具以500～3000转/分的转速、3～5毫米/分的速度扎入圆柱结构，直至搅拌头完全进入圆柱结构内；停留进行预热，然后以500～3000转/分的转速、30～100毫米/分的速度沿圆柱结构轴线方向进行加工，直至整个圆柱结构内壁加工一次完毕；
步骤四：当根据产品要求需要进行多道次加工时，每道次使用的搅拌工具的搅拌头直径均比上一道次使用的搅拌头直径增大0.4～1毫米，前置轴肩直径等于上一道次加工后的圆柱结构内壁直径，加工过程同步骤三；
所述搅拌工具包括夹持柄、过渡段、搅拌头及前置轴肩，所述夹持柄通过过渡段与搅拌头的后端固定连接，搅拌头的前端与前置轴肩固定连接。
所述夹持柄与过渡段加工为一体，过渡段与搅拌头通过螺栓相连接，前置轴肩与搅拌头通过螺栓相连接。
在所述搅拌头的前端设置有前端边缘倒角，所述前端边缘倒角的角度为2～5°。
在所述过渡段的外表面设置有隔热槽。
在所述搅拌头的后部外表面设置有左手螺纹，在搅拌头的前部外表面设置有右手螺纹，在所述左手螺纹与右手螺纹之间的搅拌头外表面设置有两个圆环槽，后部的圆环槽与左手螺纹相连通，前部的圆环槽与右手螺纹相连通。
在所述两个圆环槽之间的搅拌头外表面还设置有1～2个独立圆环槽。
所述搅拌工具的材料为工具钢、合金钢、不锈钢、硬质合金、镍基合金、钨基合金或多晶立方氮化硼。
本发明的有益效果：
1、本发明是圆柱结构铸件，特别是铸铝等铸件内壁表面改性的方法；通过表面加工，内壁表面材料晶粒得到细化，提高了结构整体性能；
2、在加工过程中，搅拌工具沿圆柱结构轴线方向移动，可实现传统搅拌摩擦加工不能解决的圆柱结构内壁加工；
3、在加工过程中，材料沿左手螺纹和右手螺纹向搅拌头中间截面流动以及前置轴肩的阻挡，均能有效防止材料溢出，形成缺陷；
4、本发明的方法加工过程操作简便，搅拌工具结构简单，考虑不同圆柱结构尺寸，可以灵活替换。
附图说明
图1是本发明的方法所采用的搅拌工具的结构示意图；
图2是本发明的方法的一个实施例的加工过程示意图；
图中：1—夹持柄，1-1—夹持面，2—过渡段，2-1—隔热槽，3—搅拌头，3-1—左手螺纹，3-2—圆环槽，3-3—右手螺纹，3-4—前端边缘倒角，4—前置轴肩，5—圆柱结构，5-1—第一次加工减薄材料，5-2—第二次加工减薄材料，5-3—母材/加工后圆柱结构，6—支撑力；
H—搅拌头高度，D—搅拌头直径，Ds—前置轴肩直径，D0—圆柱结构内壁直径，D1—第一次加工搅拌头直径，D2—第二次加工搅拌头直径。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
在本实施例中，根据产品要求需要进行两道次加工；在图2中，(a)是第一次加工过程，(b)是第二次加工过程。
如图1、图2所示，一种实现圆柱结构内壁搅拌摩擦加工的方法，包括如下步骤：
步骤一：将待加工圆柱结构5水平放置在夹具上且装夹固定好，所述夹具在圆柱结构5外壁有支撑力6，防止在加工过程中圆柱结构5径向变形；
步骤二：选择搅拌工具，第一次加工搅拌头直径D1比圆柱结构内壁直径D0大0.6毫米，其前置轴肩直径等于圆柱结构内壁直径D0，圆柱结构5加工前内壁直径应留有加工余量，加工减薄后可满足生产要求；
步骤三：搅拌工具通过夹持柄1上的夹持面1-1与搅拌摩擦焊机的旋转主轴固定连接，令搅拌工具垂直于水平面、无倾角，且与圆柱结构5同轴线；令搅拌工具以2000转/分的转速、5毫米/分的速度扎入圆柱结构5，直至搅拌头3完全进入圆柱结构5内；停留3秒进行预热，然后以2000转/分的转速、60毫米/分的速度沿圆柱结构5轴线方向进行加工，直至整个圆柱结构5内壁加工一次完毕；
步骤四：将第一次加工的搅拌头连同前置轴肩拆下，换为第二次加工的搅拌头和前置轴肩，第二次加工搅拌头直径D2比第一次加工搅拌头直径D1大0.6毫米，其前置轴肩直径等于上一道次加工后的圆柱结构内壁直径，即第一次加工搅拌头直径D1；
步骤五：搅拌工具通过夹持柄1上的夹持面1-1与搅拌摩擦焊机的旋转主轴固定连接，令搅拌工具垂直于水平面、无倾角，且与圆柱结构5同轴线；令搅拌工具以2000转/分的转速、5毫米/分的速度扎入圆柱结构5，直至搅拌头3完全进入圆柱结构5内；停留3秒进行预热，然后以2000转/分的转速、60毫米/分的速度沿圆柱结构5轴线方向进行加工，直至整个圆柱结构5内壁加工一次完毕。
所述搅拌工具为无针结构，包括夹持柄1、过渡段2、搅拌头3及前置轴肩4，所述夹持柄1通过过渡段2与搅拌头3的后端固定连接，搅拌头3的前端与前置轴肩4固定连接，前置轴肩4的设置可防止在加工过程中高速旋转的搅拌头3将圆柱结构内壁软化材料挤出，形成缺陷；所述夹持柄1与过渡段2加工为一体，过渡段2与搅拌头3通过螺栓相连接，使搅拌头3可根据实际圆柱结构内壁直径进行更换，前置轴肩4与搅拌头3通过螺栓相连接，使前置轴肩4可根据实际圆柱结构内壁直径进行更换，所述前置轴肩4和搅拌头3均可拆卸、更换。在所述过渡段2的外表面设置有三个隔热槽2-1，隔热槽2-1的设置可降低焊接产热对搅拌摩擦焊机主轴的影响；在所述搅拌头3的前端设置有前端边缘倒角3-4，所述前端边缘倒角3-4的角度为2°。
在所述搅拌头3的后部外表面设置有左手螺纹3-1，在搅拌头3的前部外表面设置有右手螺纹3-3，随着搅拌头3的旋转，材料流动趋势为向螺纹中间流动；根据实际加工效果，左手螺纹3-1与右手螺纹3-3沿轴线长度可以并不相等。在所述左手螺纹3-1与右手螺纹3-3之间的搅拌头3外表面设置有两个圆环槽3-2，后部的圆环槽与左手螺纹3-1相连通，前部的圆环槽与右手螺纹3-3相连通；为了改善流动性，在所述两个圆环槽3-2之间的搅拌头3外表面还设置有1～2个独立圆环槽。
所述搅拌工具的材料为工具钢、合金钢、不锈钢、硬质合金、镍基合金、钨基合金或多晶立方氮化硼等，可以重复使用。
Claims (7)
1.一种实现圆柱结构内壁搅拌摩擦加工的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将待加工圆柱结构水平放置在夹具上且装夹固定好，所述夹具在圆柱结构外壁有支撑力；
步骤二：选择搅拌头直径比圆柱结构内壁直径大0.4～1毫米的搅拌工具，其前置轴肩直径等于圆柱结构内壁直径；
步骤三：将夹持柄与搅拌摩擦焊机的旋转主轴固定连接，令搅拌工具垂直于水平面、无倾角，且与圆柱结构同轴线，令搅拌工具以500～3000转/分的转速、3～5毫米/分的速度扎入圆柱结构，直至搅拌头完全进入圆柱结构内；停留进行预热，然后以500～3000转/分的转速、30～100毫米/分的速度沿圆柱结构轴线方向进行加工，直至整个圆柱结构内壁加工一次完毕；
步骤四：当根据产品要求需要进行多道次加工时，每道次使用的搅拌工具的搅拌头直径均比上一道次使用的搅拌头直径增大0.4～1毫米，前置轴肩直径等于上一道次加工后的圆柱结构内壁直径，加工过程同步骤三；
所述搅拌工具包括夹持柄、过渡段、搅拌头及前置轴肩，所述夹持柄通过过渡段与搅拌头的后端固定连接，搅拌头的前端与前置轴肩固定连接。
2.根据权利要求1所述的实现圆柱结构内壁搅拌摩擦加工的方法，其特征在于所述夹持柄与过渡段加工为一体，过渡段与搅拌头通过螺栓相连接，前置轴肩与搅拌头通过螺栓相连接。
3.根据权利要求1所述的实现圆柱结构内壁搅拌摩擦加工的方法，其特征在于在所述搅拌头的前端设置有前端边缘倒角，所述前端边缘倒角的角度为2～5°。
4.根据权利要求1所述的实现圆柱结构内壁搅拌摩擦加工的方法，其特征在于在所述过渡段的外表面设置有隔热槽。
5.根据权利要求1所述的实现圆柱结构内壁搅拌摩擦加工的方法，其特征在于在所述搅拌头的后部外表面设置有左手螺纹，在搅拌头的前部外表面设置有右手螺纹，在所述左手螺纹与右手螺纹之间的搅拌头外表面设置有两个圆环槽，后部的圆环槽与左手螺纹相连通，前部的圆环槽与右手螺纹相连通。
6.根据权利要求5所述的实现圆柱结构内壁搅拌摩擦加工的方法，其特征在于在所述两个圆环槽之间的搅拌头外表面还设置有1～2个独立圆环槽。
7.根据权利要求1所述的实现圆柱结构内壁搅拌摩擦加工的方法，其特征在于所述搅拌工具的材料为工具钢、合金钢、不锈钢、硬质合金、镍基合金、钨基合金或多晶立方氮化硼。
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