CN109676238B - 用于直径突变的圆筒结构内壁的搅拌摩擦加工装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于直径突变的圆筒结构内壁的搅拌摩擦加工装置，若干个可伸缩副轴沿可伸缩主轴的外周圆周阵列布置，若干个可伸缩副轴的末端分别固定装配有搅拌头，所述搅拌头的外端为弧面，上下两端为平面，可伸缩主轴装配有纵向拉压力传感器，用于测量可伸缩主轴所受的轴向压力，若干个可伸缩副轴分别装配有横向压力传感器，用于测量可伸缩副轴所受的轴向压力，上位机控制可伸缩主轴和可伸缩副轴的伸长或缩短；本发明在加工过程中，搅拌摩擦加工装置沿圆筒结构轴线方向移动，根据圆筒结构具体的形状、尺寸，规划主轴行进路径，在直径突变处，主轴旋转、停止行进，副轴伸长或缩短；可实现直径突变的圆筒结构内壁的加工。
Description
技术领域
本发明属于搅拌摩擦加工技术领域，具体涉及用于直径突变的圆筒结构内壁的搅拌摩擦加工装置及方法。
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。
除了作为一种焊接方法，FSW还可用于材料微观组织的改性，这就是搅拌摩擦加工(Friction stir processing,FSP)。加工过程中，搅拌针和轴肩高速旋转，与工件紧密接触，工件材料既受到轴肩的压力、摩擦力又承受搅拌针的旋转摩擦和剪切力，致使晶粒拉长并破碎，破碎的晶粒发生动态再结晶过程，最终实现材料的细化、均匀化。致密化，进而改善了材料的性能。
目前，对于结构内壁的搅拌摩擦加工研究多为圆柱结构，主要方法就是搅拌头沿圆柱轴线垂直扎入，利用搅拌头外壁与圆柱内壁摩擦，但此方法局限于圆柱结构，当截面直径改变，这种方法不再适用。因此，需要一种能对直径突变的圆筒结构(轴线为直线)内壁进行加工的搅拌摩擦加工方法。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题,本发明提供一种用于直径突变的圆筒结构内壁的搅拌摩擦加工装置及方法，技术方案如下：
一种用于直径突变的圆筒结构内壁的搅拌摩擦加工装置，包括可伸缩主轴和若干个可伸缩副轴，若干个可伸缩副轴沿可伸缩主轴的外周圆周阵列布置，若干个可伸缩副轴的末端分别固定装配有搅拌头，所述搅拌头的外端为弧面，上下两端为平面，可伸缩主轴装配有纵向拉压力传感器，用于测量可伸缩主轴所受的轴向压力或拉力，若干个可伸缩副轴分别装配有横向压力传感器，用于测量可伸缩副轴所受的轴向压力，纵向拉压力传感器与横向压力传感器均与上位机电连接，纵向拉压力传感器与横向压力传感器将测量的压力数据传递至上位机，上位机控制可伸缩主轴和可伸缩副轴的伸长或缩短。
所述搅拌头呈圆柱形。
所述搅拌头的材质为工具钢、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。
所述可伸缩副轴成对设置，具体设置有1～4对，以使可伸缩主轴受力均衡，提高主轴使用寿命，且可以提高搅拌摩擦的效果。
一种用于直径突变的圆筒结构内壁的搅拌摩擦加工方法，采用前述的一种用于直径突变的圆筒结构内壁的搅拌摩擦加工装置，其特征在于，包括以下步骤:
步骤1、将待加工的直径突变的圆筒结构竖直放置在夹具上，并装夹固定，所述夹具对圆筒结构的外壁施加有向内的支撑力；
步骤2、根据圆筒结构的内壁形状和尺寸，将发生截面突变处的直径和轴向坐标编入上位机的加工程序中。
步骤3、将搅拌摩擦加工装置与搅拌摩擦焊机的旋转主轴固定连接，令搅拌摩擦加工装置垂直于水平面，并与圆筒结构同轴，将搅拌头设置在加工起始位置，令可伸缩主轴以500～10000转/分的速度旋转，同时可伸缩副轴以3～5毫米/分的速度伸长，当横向压力传感器的压力达到预设压力时，可伸缩副轴停止伸长；
步骤4、搅拌摩擦加工装置持续旋转对圆筒结构的内壁进行预热，然后可伸缩主轴以5～300毫米/分的速度沿圆筒结构的轴线伸长，进行加工；
当加工至圆筒结构内壁直径突然变小处时，搅拌头下表面与圆筒结构内壁紧密接触，直至纵向拉压力传感器的压力达到预设压力，可伸缩主轴保持旋转，停止伸长，同时可伸缩副轴以3～5毫米/分的速度缩短，直至可伸缩副轴缩短至小于圆筒结构内壁突变后的直径，主轴继续以5～300毫米/分的速度继续伸长，同时上位机根据横向压力传感器的压力数值调整可伸缩副轴的长度，直至横向压力传感器的压力达到预设压力；
当加工至圆筒结构内壁直径突然变大处时，可伸缩副轴以3～5毫米/分的速度伸长，同时可伸缩主轴缩短，搅拌头上表面与圆筒结构内壁紧密接触，直至纵向拉压力传感器的拉力达到预设拉力，可伸缩主轴保持旋转，停止缩短，可伸缩副轴继续伸长，直至横向压力传感器的压力达到预设压力，主轴继续以5～300毫米/分的速度继续伸长，继续进行加工；
整个加工过程中可伸缩主轴和可伸缩副轴的长度由上位机控制进行动态调整，直至加工结束。
所述预设压力为1～20KN。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明是针对直径突变的圆筒结构(轴线为直线)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，搅拌摩擦加工装置沿圆筒结构轴线(为直线)方向移动，根据圆筒结构具体的形状、尺寸，规划主轴行进路径，在直径突变处，主轴旋转、停止行进，副轴伸长或缩短；可实现直径突变的圆筒结构内壁的加工。
3、设置预设压力，利用算法动态调整压力值，即搅拌头压入内壁的深度大小，使圆筒结构内壁加工过程稳定，加工后材料组织均匀。
附图说明
图1为本发明搅拌摩擦加工装置的结构示意图；
图2为本发明搅拌头的安装结构示意图；
图3为本发明搅拌摩擦加工方法的加工过程示意图。
其中：可伸缩主轴1；可伸缩副轴2；搅拌头3；支撑力4；圆筒结构5；圆筒结构内壁直径突然变小处6；圆筒结构内壁直径突然变大处7。
具体实施方式
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
如图1至图3所示，本发明提供了一种用于直径突变的圆筒结构内壁的搅拌摩擦加工装置，包括可伸缩主轴1和八个可伸缩副轴2，八个可伸缩副轴2沿可伸缩主轴1的外周圆周阵列布置，八个可伸缩副轴2的末端分别固定装配有搅拌头3，所述搅拌头3呈圆柱形，可伸缩主轴1装配有纵向拉压力传感器，用于测量可伸缩主轴1所受的轴向压力或拉力，八个可伸缩副轴2分别装配有横向压力传感器，用于测量可伸缩副轴2所受的轴向压力，纵向拉压力传感器与横向压力传感器均与上位机电连接，纵向拉压力传感器与横向压力传感器将测量的压力数据传递至上位机，上位机控制可伸缩主轴1和可伸缩副轴2的伸长或缩短。
所述搅拌头3的材质为工具钢、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。
一种用于直径突变的圆筒结构内壁的搅拌摩擦加工方法，采用前述的一种用于直径突变的圆筒结构内壁的搅拌摩擦加工装置，其特征在于，包括以下步骤:
步骤1、将待加工的直径突变的圆筒结构5竖直放置在夹具上，并装夹固定，所述夹具对圆筒结构5的外壁施加有向内的支撑力4；
步骤2、根据圆筒结构5的内壁形状和尺寸，将发生截面突变处的直径和轴向坐标编入上位机的加工程序中。
步骤3、将搅拌摩擦加工装置与搅拌摩擦焊机的旋转主轴固定连接，令搅拌摩擦加工装置垂直于水平面，并与圆筒结构5同轴，将搅拌头3设置在加工起始位置，令可伸缩主轴1以5000转/分的速度旋转，同时可伸缩副轴2以3毫米/分的速度伸长，当横向压力传感器的压力达到预设压力(整个加工过程预设压力和预设拉力为固定值10KN)时，可伸缩副轴2停止伸长；
步骤4、搅拌摩擦加工装置持续旋转对圆筒结构5的内壁进行预热，然后可伸缩主轴1以5～300毫米/分的速度沿圆筒结构5的轴线伸长，进行加工；
当加工至圆筒结构5内壁直径突然变小处6时，搅拌头3下表面与圆筒结构5内壁紧密接触，直至纵向拉压力传感器的压力达到预设压力，可伸缩主轴1保持旋转，停止伸长，同时可伸缩副轴2以3毫米/分的速度缩短，直至可伸缩副轴2缩短至小于圆筒结构5内壁突变后的直径，主轴继续以50毫米/分的速度继续伸长，同时上位机根据横向压力传感器的压力数值调整可伸缩副轴2的长度，直至横向压力传感器的压力达到预设压力；
当加工至圆筒结构5内壁直径突然变大处7时，可伸缩副轴2以3毫米/分的速度伸长，同时可伸缩主轴1缩短，搅拌头3上表面与圆筒结构5内壁紧密接触，直至纵向拉压力传感器的拉力达到预设拉力，可伸缩主轴1保持旋转，停止缩短，可伸缩副轴2继续伸长，直至横向压力传感器的压力达到预设压力，主轴继续以50毫米/分的速度继续伸长，继续进行加工；
整个加工过程中可伸缩主轴1和可伸缩副轴2的长度由上位机控制进行动态调整，直至加工结束。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种用于直径突变的圆筒结构内壁的搅拌摩擦加工装置，其特征在于，包括可伸缩主轴和若干个可伸缩副轴，若干个可伸缩副轴沿可伸缩主轴的外周圆周阵列布置，若干个可伸缩副轴的末端分别固定装配有搅拌头，所述搅拌头的外端为弧面，上下两端为平面，可伸缩主轴装配有纵向拉压力传感器，用于测量可伸缩主轴所受的轴向压力或拉力，若干个可伸缩副轴分别装配有横向压力传感器，用于测量可伸缩副轴所受的轴向压力，纵向拉压力传感器与横向压力传感器均与上位机电连接，纵向拉压力传感器与横向压力传感器将测量的压力数据传递至上位机，上位机控制可伸缩主轴和可伸缩副轴的伸长或缩短。
2.根据权利要求1所述的一种用于直径突变的圆筒结构内壁的搅拌摩擦加工装置，其特征在于，所述搅拌头呈圆柱形。
3.根据权利要求1所述的一种用于直径突变的圆筒结构内壁的搅拌摩擦加工装置，其特征在于，所述搅拌头的材质为工具钢、合金钢、不锈钢或多晶立方氮化硼。
4.根据权利要求1所述的一种用于直径突变的圆筒结构内壁的搅拌摩擦加工装置，其特征在于，所述可伸缩副轴成对设置，具体设置有1~4对。
5.一种用于直径突变的圆筒结构内壁的搅拌摩擦加工方法，采用如权利要求1所述的一种用于直径突变的圆筒结构内壁的搅拌摩擦加工装置，其特征在于，包括以下步骤:
步骤1、将待加工的直径突变的圆筒结构竖直放置在夹具上，并装夹固定，所述夹具对圆筒结构的外壁施加有向内的支撑力；
步骤2、根据圆筒结构的内壁形状和尺寸，将发生截面突变处的直径和轴向坐标编入上位机的加工程序中；
步骤3、将搅拌摩擦加工装置与搅拌摩擦焊机的旋转主轴固定连接，令搅拌摩擦加工装置垂直于水平面，并与圆筒结构同轴，将搅拌头设置在加工起始位置，令可伸缩主轴以500~10000转/分的速度旋转，同时可伸缩副轴以3~5毫米/分的速度伸长，当横向压力传感器的压力达到预设压力时，可伸缩副轴停止伸长；
步骤4、搅拌摩擦加工装置持续旋转对圆筒结构的内壁进行预热，然后可伸缩主轴以5~300毫米/分的速度沿圆筒结构的轴线伸长，进行加工；
当加工至圆筒结构内壁直径突然变小处时，搅拌头下表面与圆筒结构内壁紧密接触，直至纵向拉压力传感器的压力达到预设压力，可伸缩主轴保持旋转，停止伸长，同时可伸缩副轴以3~5毫米/分的速度缩短，直至可伸缩副轴缩短至小于圆筒结构内壁突变后的直径，主轴继续以5~300毫米/分的速度继续伸长，同时上位机根据横向压力传感器的压力数值调整可伸缩副轴的长度，直至横向压力传感器的压力达到预设压力；
当加工至圆筒结构内壁直径突然变大处时，可伸缩副轴以3~5毫米/分的速度伸长，同时可伸缩主轴缩短，搅拌头上表面与圆筒结构内壁紧密接触，直至纵向拉压力传感器的拉力达到预设拉力，可伸缩主轴保持旋转，停止缩短，可伸缩副轴继续伸长，直至横向压力传感器的压力达到预设压力，主轴继续以5~300毫米/分的速度继续伸长，继续进行加工；
整个加工过程中可伸缩主轴和可伸缩副轴的长度由上位机控制进行动态调整，直至加工结束。
6.根据权利要求5所述的一种用于直径突变的圆筒结构内壁的搅拌摩擦加工方法，其特征在于，所述预设压力为1~20KN。
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