CN111531269A - 一种槽型静止轴肩搅拌摩擦加工工具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种槽型静止轴肩搅拌摩擦加工工具，包括搅拌头、固定套、推力球轴承、槽型静止轴肩装置和垫块组件，搅拌头的一端具有搅拌针，搅拌头能够与搅拌摩擦加工设备的主轴相连，固定套能够与搅拌摩擦加工设备的主轴箱相连，推力球轴承与槽型静止轴肩装置相连，使槽型静止轴肩装置在加工过程中可以根据工件的轮廓扭转。槽型静止轴肩装置和垫块组件相配合能够对工件侧面形成有效的夹持作用，搅拌针能够对加工区进行处理，得到均匀、致密的组织结构；能够实现对局部或小幅面工件的搅拌摩擦加工，无需复杂的工装夹持，两个侧面垫块之间的间距能够调整，进而达到调整工件侧面压力的目的，消除由于压力不足而形成的的隧道孔缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及搅拌摩擦加工设备及其周边配套设施技术领域，特别是涉及一种槽型静止轴肩搅拌摩擦加工工具。
背景技术
搅拌摩擦焊(Friction stirwelding，FSW)是1991年发明的一种固相连接技术，特别适用于铝、镁等低熔点合金的焊接。搅拌摩擦加工(Friction stir processing，FSP)是在FSW基础上发展起来的一种塑性加工技术，其基本原理与FSW相似，将高速旋转的搅拌针插入材料内部，通过搅拌头强烈的搅拌作用使被加工材料发生剧烈塑性变形、混合和破碎，实现材料微观结构的致密化、均匀化和细化，从而改善材料的性能。目前，搅拌摩擦加工技术已在细晶/超细晶材料和表面/块体复合材料制备、非均质材料微观结构改性、工件局部硬化/缺陷修补等方面取得了良好的效果。其优势具体表现在以下几个方面：(1)细化晶粒，提高材料性能。在搅拌摩擦加工过程中，在大应变+高温的复合条件下，搅拌区通过发生动态再结晶获得均匀细化的等轴晶粒，进而改善材料的力学性能。(2)消除材料组织结构缺陷，获得均匀、致密的组织结构。对铸造铝合金进行搅拌摩擦加工，铸造合金粗大的第二相颗粒和铝枝晶被破碎，铸造孔隙被弥合，基体晶粒被细化，材料的力学性能，特别是塑性和疲劳性能得到明显改善。
传统搅拌摩擦焊接/加工技术使用的搅拌工具由轴肩、搅拌针和夹持部分组成。对工件表面进行搅拌摩擦加工时，搅拌工具高速旋转插入，随着搅拌针的插入深度增加，大量材料被挤出，由于搅拌摩擦加工过程中轴肩压入工件表面一定距离，这会导致搅拌摩擦焊接/加工后的工件加工区厚度出现一定程度的减薄和以及由于塑化材料挤出导致的飞边缺陷问题，所以搅拌摩擦焊接/加工后往往需要采用机加工等方法(如铣削加工)来解决平整度和表面缺陷问题。
静止轴肩搅拌摩擦焊技术是在传统搅拌摩擦焊接的基础上发展起来的。静止轴肩焊接工具由不旋转的轴肩及内部旋转的搅拌工具组成。由于轴肩不旋转，焊接区/加工区表面光洁，无飞边，厚度方向无减薄，另外，静止的轴肩还能减小焊接/加工区厚度方向上的温度梯度，优化了焊接/加工区的组织和性能。
公开号为CN108788445A的中国专利公开了一种静止轴肩用搅拌摩擦焊设备，以及公开号为CN110666337A中国专利公开了一种压力-位移协同控制静止轴肩搅拌摩擦焊焊接装置及方法。通过上面两个专利申请可以得知，一般来讲，静止轴肩与工件接触表面为平面设计，在应用平面静止轴肩型材对铝合金板材或者型材的端面进行搅拌摩擦加工改性时，必须使用专用固定的工装和夹具，才能利用夹具、静止轴肩、搅拌工具的动轴肩形成控制塑化金属流动的型腔，进而获得无内部缺陷的搅拌摩擦加工区。对于具有复杂形状的工件端面来讲，工装夹具的设计与制作以及搅拌摩擦加工工序复杂等都限制了静止轴肩搅拌摩擦加工技术在工件端面加工改性方面的工程应用。这些实际问题也降低了现有搅拌摩擦加工设备的柔性。
因此，如何改变现有技术中，静止轴肩搅拌摩擦焊应用于加工改性时装卡复杂的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种槽型静止轴肩搅拌摩擦加工工具，以解决上述现有技术存在的问题，简化静止轴肩搅拌摩擦焊应用于加工改性时的装卡难度，提高加工区表面质量，减少后续加工量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种槽型静止轴肩搅拌摩擦加工工具，包括搅拌头、固定套、槽型静止轴肩装置、推力球轴承和垫块组件，所述搅拌头的一端具有搅拌针，所述搅拌头能够与搅拌摩擦加工设备的主轴相连，所述固定套与所述槽型静止轴肩装置相连，所述推力球轴承与槽型静止轴肩装置相连，所述固定套还能够与搅拌摩擦加工设备的主轴箱相连，所述垫块组件与所述槽型静止轴肩装置可拆卸连接，所述垫块组件包括两个相对设置的侧面垫块，两个所述侧面垫块之间的间距能够调整，所述固定套、所述槽型静止轴肩装置均设置有通孔，所述搅拌头可转动地穿过所述通孔，所述搅拌针位于两个所述侧面垫块之间。
优选地，两个所述侧面垫块相对的一侧均具有朝向所述搅拌针凸起的弧面。
优选地，所述侧面垫块朝向所述搅拌针的一侧具有两个所述弧面和一个平面，所述平面位于两个所述弧面之间，所述弧面与所述平面圆滑过渡，所述弧面的最高点与所述搅拌针之间的距离较所述平面与所述搅拌针之间的距离大。
优选地，所述槽型静止轴肩装置具有两个相对设置的安装位，两个所述安装位之间具有能够允许工件通过的间隙，所述侧面垫块设置于所述安装位内。
优选地，所述侧面垫块与所述安装位利用连接螺栓相连，所述安装位设置有与所述连接螺栓相适配的螺纹通孔，所述侧面垫块远离所述搅拌针的一侧设置有与所述连接螺栓相适配的螺纹盲孔。
优选地，所述安装位为U形，两个所述安装位的开口相对设置。
优选地，所述槽型静止轴肩装置远离所述侧面垫块的一端设置连接头，所述固定套具有与所述连接头相匹配的连接孔，所述连接头插入所述连接孔中，所述固定套还设置有调节螺栓，所述调节螺栓能够顶紧所述连接头。
优选地，所述连接头具有限位槽，所述槽型静止轴肩装置能够利用所述限位槽与所述固定套转动连接，所述调节螺栓伸入所述连接孔的一端能够与所述限位槽相抵接。
优选地，所述搅拌头远离所述搅拌针的一侧设置连接螺纹，所述搅拌头能够与与搅拌摩擦加工设备的主轴螺纹连接。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的槽型静止轴肩搅拌摩擦加工工具，包括搅拌头、固定套、槽型静止轴肩装置、推力球轴承和垫块组件，搅拌头的一端具有搅拌针，搅拌头能够与搅拌摩擦加工设备的主轴相连，固定套与槽型静止轴肩装置相连，推力球轴承与槽型静止轴肩装置相连，固定套还能够与搅拌摩擦加工设备的主轴箱相连，垫块组件与槽型静止轴肩装置可拆卸连接，垫块组件包括两个相对设置的侧面垫块，两个侧面垫块之间的间距能够调整，固定套、槽型静止轴肩装置均设置有通孔，搅拌头可转动地穿过通孔，搅拌针位于两个侧面垫块之间。使用本发明的槽型静止轴肩搅拌摩擦加工工具时，搅拌头与搅拌摩擦加工设备的主轴相连，固定套与搅拌摩擦加工设备的主轴箱相连，槽型静止轴肩装置和垫块组件相配合能够对工件侧面形成有效的夹持作用，搅拌针能够对加工区进行处理，得到均匀、致密的组织结构，消除组织缺陷，加工区表面平整光滑，减小后续铣削加工量。本发明能够实现对局部或小幅面工件的搅拌摩擦加工，无需复杂的工装夹持，两个侧面垫块之间的间距能够调整，进而达到调整工件侧面压力的目的，消除由于压力不足而形成的的隧道孔缺陷，侧面垫块磨损后可进行更换，保证加工工艺的可靠性，节约生产成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的槽型静止轴肩搅拌摩擦加工工具的拆解结构示意图；
图2为本发明的槽型静止轴肩搅拌摩擦加工工具对直壁墙工件进行处理的示意图；
图3为本发明的槽型静止轴肩搅拌摩擦加工工具对弧形墙工件进行处理的示意图；
其中，1为搅拌头，2为固定套，3为推力球轴承，4为槽型静止轴肩装置，5为侧面垫块，6为垫块安装位，7为轴承安装位，8为限位槽，9为连接孔，10为搅拌针。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种槽型静止轴肩搅拌摩擦加工工具，以解决上述现有技术存在的问题，简化静止轴肩搅拌摩擦焊应用于加工改性时的装卡难度，提高加工区表面质量，减少后续加工量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参考图1-3，其中，图1为本发明的槽型静止轴肩搅拌摩擦加工工具的拆解结构示意图，图2为本发明的槽型静止轴肩搅拌摩擦加工工具对直壁墙工件进行处理的示意图，图3为本发明的槽型静止轴肩搅拌摩擦加工工具对弧形墙工件进行处理的示意图。包括搅拌头1、固定套2、推力球轴承3、槽型静止轴肩装置4和垫块组件，搅拌头1的一端具有搅拌针10，搅拌头1能够与搅拌摩擦加工设备的主轴相连，固定套2与槽型静止轴肩装置4相连，固定套2与推力球轴承3相连，固定套2还能够与搅拌摩擦加工设备的主轴箱相连，垫块组件与槽型静止轴肩装置4可拆卸连接，垫块组件包括两个相对设置的侧面垫块5，两个侧面垫块5之间的间距能够调整，固定套2、槽型静止轴肩装置4均设置有通孔，搅拌头1可转动地穿过通孔，搅拌针10位于两个侧面垫块5之间。
使用本发明的槽型静止轴肩搅拌摩擦加工工具时，搅拌头1与搅拌摩擦加工设备的主轴相连，固定套2与搅拌摩擦加工设备的主轴箱相连，槽型静止轴肩装置4和垫块组件相配合能够对工件侧面形成有效的夹持作用，搅拌针10能够对加工区进行处理，得到均匀、致密的组织结构，消除组织缺陷，加工区表面平整光滑，减小后续铣削加工量。本发明能够实现对局部或小幅面工件的搅拌摩擦加工，无需复杂的工装夹持，两个侧面垫块5之间的间距能够调整，进而达到调整工件侧面压力的目的，消除由于压力不足而形成的的隧道孔缺陷，侧面垫块5磨损后可进行更换，保证加工工艺的可靠性，节约生产成本。
需要强调的是，两个侧面垫块5相对的一侧均具有朝向搅拌针10凸起的弧面，在加工弧面工件时，侧面垫块5的弧面能够有效夹持弧面工件，同时弧面能够避免侧面垫块5损伤加工工件，提高加工工具的工作稳定性。
在本具体实施方式中，侧面垫块5朝向搅拌针10的一侧具有两个弧面和一个平面，平面位于两个弧面之间，在加工平面工件时，侧面垫块5的平面对工件起到夹持作用，弧面与平面圆滑过渡，避免损伤工件，弧面的最高点与搅拌针10之间的距离较平面与搅拌针10之间的距离大，避免弧面影响平面工作。
具体地，槽型静止轴肩装置4具有两个相对设置的安装位6，两个安装位6之间具有能够允许工件通过的间隙，侧面垫块5设置于安装位6内，安装位6能够定位侧面垫块5，避免加工过程中侧面垫块5错位，侧面垫块5与槽型静止轴肩装置4相配合能够夹持加工工件，侧面垫块5与槽型静止轴肩装置4可拆卸连连接，方便更换侧面垫块5以及调整侧面垫块5之间的间隙。
在本具体实施方式中，侧面垫块5与安装位6利用连接螺栓相连，安装位6设置有与连接螺栓相适配的螺纹通孔，侧面垫块5远离搅拌针10的一侧设置有与连接螺栓相适配的螺纹盲孔，连接螺栓穿过螺纹通孔与侧面垫块5相连，调整连接螺栓能够达到调整两个侧面垫块5之间间隙的目的。
更具体地，安装位6为U形，两个安装位6的开口相对设置，U形的安装位6更好地定位侧面垫块5，在侧面垫块5与安装位6的底部之间具有间隙时，安装位6的侧壁仍能够为侧面垫块5提供限位作用，避免侧面垫块5错位，提高加工工具的可靠性。
进一步地，槽型静止轴肩装置4与推力球轴承3连接，槽型静止轴肩装置4具有与推力球轴承3的安装位，另外槽型静止轴肩装置4的限位槽8用于连接固定套2与槽型静止轴肩装置4，避免槽型静止轴肩装置4的脱落，且可以实现曲线工件加工的转动。另外，在连接头与固定套2之间还设置调节螺栓，利用调节螺栓能够顶紧连接头上的限位槽8，固定固定套2与槽型静止轴肩装置4之间的相对位置，避免加工工具在加工直壁墙时槽型静止轴肩装置4发生转动，提高加工工具稳定性。
更进一步地，搅拌头1远离搅拌针10的一侧设置连接螺纹，搅拌头1能够与搅拌摩擦加工设备的主轴螺纹连接，方便拆装，减轻操作人员工作负担。
本发明的槽型静止轴肩搅拌摩擦加工工具，能够实现对局部或小幅面工件搅拌摩擦加工改性工作，细化加工区组织，消除内部缺陷，获得均匀、致密的组织结构，提高其综合力学性能。本发明的加工工具具有结构简单，适应性强等优点，降低搅拌摩擦加工对工装夹具的要求，加工区表面光滑平整，减小表面后续加工量。另外，可调整侧面垫块5的间距，增加了对不同尺寸工件搅拌摩擦加工的灵活性。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种槽型静止轴肩搅拌摩擦加工工具，其特征在于：包括搅拌头、固定套、槽型静止轴肩装置、推力球轴承和垫块组件，所述搅拌头的一端具有搅拌针，所述搅拌头能够与搅拌摩擦加工设备的主轴相连，所述固定套与所述槽型静止轴肩装置相连，所述推力球轴承与槽型静止轴肩装置相连，所述固定套还能够与搅拌摩擦加工设备的主轴箱相连，所述垫块组件与所述槽型静止轴肩装置可拆卸连接，所述垫块组件包括两个相对设置的侧面垫块，两个所述侧面垫块之间的间距能够调整，所述固定套、所述槽型静止轴肩装置均设置有通孔，所述搅拌头可转动地穿过所述通孔，所述搅拌针位于两个所述侧面垫块之间。
2.根据权利要求1所述的槽型静止轴肩搅拌摩擦加工工具，其特征在于：两个所述侧面垫块相对的一侧均具有朝向所述搅拌针凸起的弧面。
3.根据权利要求2所述的槽型静止轴肩搅拌摩擦加工工具，其特征在于：所述侧面垫块朝向所述搅拌针的一侧具有两个所述弧面和一个平面，所述平面位于两个所述弧面之间，所述弧面与所述平面圆滑过渡，所述弧面的最高点与所述搅拌针之间的距离较所述平面与所述搅拌针之间的距离大。
4.根据权利要求1所述的槽型静止轴肩搅拌摩擦加工工具，其特征在于：所述槽型静止轴肩装置具有两个相对设置的安装位，两个所述安装位之间具有能够允许工件通过的间隙，所述侧面垫块设置于所述安装位内。
5.根据权利要求4所述的槽型静止轴肩搅拌摩擦加工工具，其特征在于：所述侧面垫块与所述安装位利用连接螺栓相连，所述安装位设置有与所述连接螺栓相适配的螺纹通孔，所述侧面垫块远离所述搅拌针的一侧设置有与所述连接螺栓相适配的螺纹盲孔。
6.根据权利要求5所述的槽型静止轴肩搅拌摩擦加工工具，其特征在于：所述安装位为U形，两个所述安装位的开口相对设置。
7.根据权利要求1所述的槽型静止轴肩搅拌摩擦加工工具，其特征在于：所述槽型静止轴肩装置远离所述侧面垫块的一端设置连接头，所述固定套具有与所述连接头相匹配的连接孔，所述连接头插入所述连接孔中，所述固定套还设置有调节螺栓，所述调节螺栓能够顶紧所述连接头。
8.根据权利要求7所述的槽型静止轴肩搅拌摩擦加工工具，其特征在于：所述连接头具有限位槽，所述槽型静止轴肩装置能够利用所述限位槽与所述固定套转动连接，所述调节螺栓伸入所述连接孔的一端能够与所述限位槽相抵接。
9.根据权利要求1-8任一项所述的槽型静止轴肩搅拌摩擦加工工具，其特征在于：所述搅拌头远离所述搅拌针的一侧设置连接螺纹，所述搅拌头能够与与搅拌摩擦加工设备的主轴螺纹连接。
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