CN112091410A - 一种用于搅拌摩擦加工待焊铝基复合材料的搅拌摩擦工具 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于搅拌摩擦加工待焊铝基复合材料的搅拌摩擦工具，包括搅拌头和夹持体，搅拌头具有第一圆锥面，夹持体具有第二圆锥面，第一圆锥面和所述第二圆锥面彼此接触，使搅拌头同轴地安装在夹持体中，搅拌摩擦工具还具有固定结构，将搅拌头和夹持体固定在一起。搅拌头安装在夹持体中，使得搅拌头径向受力时位置不会改变，受轴向力时搅拌头与夹持体被牢牢固定住。本发明一方面相对于整体式硬质合金搅拌摩擦工具，节省了价格昂贵的硬质合金的使用，大大降低成本；另一方面，具有顶部为圆锥面的搅拌头和内腔为圆锥面的夹持体，采用圆锥面之间的配合可实现自动对准中心的作用，同时采用螺钉固定，从而避免“偏心”问题，保证安装后搅拌头的稳定运行。
Description
技术领域
本发明涉及摩擦焊接，具体而言，涉及一种用于搅拌摩擦加工待焊铝基复合材料的搅拌摩擦工具。
背景技术
搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)是一种新型固相连接技术。其焊接工作原理是高速旋转的搅拌头扎入工件后沿焊接方向运动，在搅拌头与工件接触部位产生摩擦热，使其周围金属形成塑性软化层，软化金属在搅拌头的旋转作用下填充后方空腔并在轴肩与搅拌针的搅拌及挤压作用下实现材料连接。
目前常用于颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊的搅拌摩擦工具主要为整体式搅拌摩擦工具，其搅拌头、连接搅拌头与设备的夹持体均采用硬质合金，价格昂贵；在其他材料摩擦焊接领域，为了减少硬质合金的使用以降低成本，虽已有组合式搅拌摩擦工具，但目前市面上的组合式搅拌摩擦工具存在搅拌头主体部位和夹持体的不同轴的情况，这种情况会导致搅拌头在工作的时候“偏心”，不仅影响质量，还会由于受力不均导致搅拌头断裂。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种用于搅拌摩擦加工待焊铝基复合材料的搅拌摩擦工具，以解决现有技术中整体式搅拌摩擦工具价格昂贵或组合式搅拌摩擦工具搅拌头与夹持体不同轴的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种用于搅拌摩擦加工待焊铝基复合材料的搅拌摩擦工具，搅拌摩擦工具包括搅拌头和夹持体，搅拌头具有第一圆锥面，夹持体具有第二圆锥面，第一圆锥面和第二圆锥面彼此接触，使搅拌头同轴地安装在夹持体中，搅拌摩擦工具还具有固定结构，将搅拌头和夹持体固定在一起。
进一步地，搅拌头安装在夹持体中，使得搅拌头径向受力时位置不会改变，受工作时的轴向力时搅拌头与夹持体被牢牢固定住。
进一步地，第一圆锥面与搅拌头的轴线的夹角α大于0°且小于45°。
进一步地，第一圆锥面的长度L与搅拌头的轴肩半径D的关系式为：
L＝(0.5～1)×D×sinα。
进一步地，夹持体底部具有至少一个垂直于夹持体的轴线的螺纹孔，搅拌头具有与螺纹孔安装位置相对应的圆锥孔，在螺纹孔中安装有固定螺钉，固定螺钉的顶部定位于圆锥孔中。
进一步地，搅拌头底部设有半径d小于搅拌头的轴肩半径D的搅拌针，搅拌针的高度h略小于待焊铝基复合材料的厚度δ。
进一步地，搅拌头具有轴肩高度t，轴肩高度t略小于搅拌头的轴肩半径D。
进一步地，轴肩高度t与搅拌头的轴肩半径D的关系为：
t＝(0.6～0.95)×D。
进一步地，搅拌头的轴肩半径D与待焊铝基复合材料的厚度δ的关系式为：
进一步地，搅拌针外表面为第三圆锥面，第三圆锥面具有锥面倾角β，第三圆锥面的长度l满足如下关系式：
l＝(0.5～1.5)×[h÷cosβ+(D-d-h×tanβ)×sinβ]。
应用本发明的技术方案，得到的有益效果为：
1、相对于整体式硬质合金搅拌摩擦工具，本发明提供的组合式搅拌摩擦工具的搅拌头采用硬质合金，而夹持体可避免使用价格昂贵的硬质合金，从而既能保证搅拌头寿命及焊缝质量，又能大大降低成本。
2、本发明提供的搅拌摩擦工具具有顶部为圆锥面的搅拌头和内腔为圆锥面的夹持体，采用圆锥面之间的配合可实现自动对准中心的作用，同时采用螺钉固定，从而避免“偏心”问题，保证安装后搅拌头的稳定运行。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了本发明的组合结构的示意图；
图2示出了本发明的搅拌头结构的示意图；
图3示出了本发明的搅拌头的仰视图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本发明所要求保护的范围。
本发明的用于搅拌摩擦加工待焊铝基复合材料的搅拌摩擦工具为组合式搅拌摩擦工具，具有夹持体1和装在夹持体1上的搅拌头2，夹持体1和搅拌头2可实现分离。本实施例中，夹持体1用于夹持住搅拌头2，可进行高速旋转以实现对待焊铝基复合材料进行搅拌摩擦加工。本实施例的搅拌摩擦工具工作时，搅拌头2的旋转速度为600-1200转/min，进给速度为100-300mm/min。为了节省成本，区别于现有整体式搅拌摩擦工具整体采用价格较为昂贵的硬质合金，夹持体1采用价格较为便宜的工具钢，在本实施例中为H13工具钢，搅拌头2仍采用硬质合金，本实施例中为YG16硬质合金。这样既通过采用H13工具钢代替硬质合金作为夹持体1而大大降低了成本，又通过采用YG16硬质合金作为搅拌头2，保证了搅拌头寿命及焊缝质量。本发明的用于搅拌摩擦加工待焊铝基复合材料的搅拌摩擦工具还包括固定结构3，用于径向作用固定夹持体1与搅拌头2，两个固定结构3通过径向卡紧夹持体1与搅拌头2从而起到固定夹持体1与搅拌头2不发生分离的作用。本实施例中，固定结构3为固定螺钉。
搅拌头2具有第一圆锥面，第一圆锥面与夹持体1接触，夹持体1具有相对应的第二圆锥面，第一圆锥面和第二圆锥面斜度一致，彼此接触并可以紧紧地贴合在一起。第一圆锥面的轴心与第二圆锥面的轴心重合，且第一圆锥面的中轴线、第二圆锥面的中轴线、夹持体1的中轴线及搅拌头2的中轴线重合。因此，在安装搅拌头2和搅拌摩擦工具工作时，因为受到垂直力的作用，夹持体1可以通过第一圆锥面和第二圆锥面的贴合，实现与搅拌头2的中轴线重合，从而实现搅拌头2在夹持体1上的自定位。为了固定夹持体1和搅拌头2，固定结构3通过径向作用进行卡紧。本实施例中，首先在搅拌头2的第一圆锥面上开设圆锥孔，圆锥孔进入部分搅拌头2，离搅拌头2中轴线仍有一定距离，在夹持体1与其对应的位置开设螺纹孔，螺纹孔的中轴线与圆锥孔的中轴线重合。且圆锥孔直径与螺纹孔直径相同。将固定结构3从夹持体1上水平方向拧入搅拌头2的圆锥孔，固定结构3的端部为圆锥面，与搅拌头2的圆锥孔的圆锥面的斜度一致，可实现与其紧密贴合。固定结构3的顶部与圆锥孔顶部贴合。在固定结构3拧入搅拌头2的第一圆锥面的过程中，搅拌头2同时受到径向和轴向上的力。两个固定结构3在同一水平线上，且其顶部相对。当搅拌头2在高速旋转工作时，因在径向上受力而不会发生位置改变，而因在轴向上受力而与夹持体1牢牢固定，保证了搅拌头2与夹持体1安装的准确与稳定性。
本发明的搅拌头2形状为类蘑菇状，其与夹持体1接触的面为第一圆锥面，本实施例中第一圆锥面的长度为L。第一圆锥面与搅拌头2的轴线的夹角为α。搅拌头的正视图如图2所示。在图2中，搅拌头2具有底面为圆形的类圆柱形的搅拌针，搅拌针底部平面中轴线顶点分别为A和B，A和B的距离为搅拌针底部平面的直径，为2d，搅拌针底部平面的半径为d。搅拌针具有类蘑菇头状轴肩，在图2中，轴肩底面的中轴线顶点为E和F，E和F的距离为轴肩直径，为2D，轴肩半径为D。轴肩顶点E到搅拌针底部平面的距离为h。轴肩与搅拌头2的第一圆锥面相交，形成轴肩，在图2中，GE即为轴肩。另外，本实施例中，搅拌针外表面为第三圆锥面，第三圆锥面与搅拌头轴线的倾角为β，在图2中，第三圆锥面长度为BC，BC为l。搅拌头2的中轴线上与搅拌针的中轴线重合，AB的中点O在上述中轴线上，以O点为原点建立坐标轴，横坐标为x轴，纵坐标为y轴。
实施例1-10：
具体实施情况如表1所示。
表1
通过上述数据可知，搅拌头2的相关数据尺寸满足如下关系：
L＝(0.5～1)×D×sinα；
h＝δ-0.2；
d＝(0.25～0.45)D
t＝(0.6～0.95)×D；
l＝(0.5～1.5)×[h÷cosβ+(D-d-h×tanβ)×sinβ]；
C点的坐标方程为：
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
1、相对于整体式硬质合金搅拌摩擦工具，本发明提供的组合式搅拌摩擦工具的搅拌头采用硬质合金，而夹持体可避免使用价格昂贵的硬质合金，从而既能保证搅拌头寿命及焊缝质量，又能大大降低成本。
2、本发明提供的搅拌摩擦工具具有顶部为圆锥面的搅拌头和内腔为圆锥面的夹持体，采用圆锥面之间的配合可实现自动对准中心的作用，同时采用螺钉固定，从而避免“偏心”问题，保证安装后搅拌头的稳定运行。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于搅拌摩擦加工待焊铝基复合材料的搅拌摩擦工具，所述搅拌摩擦工具包括搅拌头和夹持体，其特征在于，所述搅拌头具有第一圆锥面，所述夹持体具有第二圆锥面，所述第一圆锥面和所述第二圆锥面彼此接触，使所述搅拌头同轴地安装在所述夹持体中，所述搅拌摩擦工具还具有固定结构，将所述搅拌头和夹持体固定在一起。
2.根据权利要求1所述的用于搅拌摩擦加工待焊铝基复合材料的搅拌摩擦工具，其特征在于，所述搅拌头安装在所述夹持体中，使得所述搅拌头径向受力时位置不会改变，受工作时的轴向力时所述搅拌头与所述夹持体被牢牢固定住。
3.根据权利要求1所述的用于搅拌摩擦加工待焊铝基复合材料的搅拌摩擦工具，其特征在于，所述第一圆锥面与所述搅拌头的轴线的夹角α大于0°且小于45°。
4.根据权利要求3所述的用于搅拌摩擦加工待焊铝基复合材料的搅拌摩擦工具，其特征在于，所述第一圆锥面的长度L与所述搅拌头的轴肩半径D的关系式为：
L＝(0.5～1)×D×sinα。
5.根据权利要求1所述的用于搅拌摩擦加工待焊铝基复合材料的搅拌摩擦工具，其特征在于，所述夹持体底部具有至少一个垂直于所述夹持体的轴线的螺纹孔，所述搅拌头具有与所述螺纹孔安装位置相对应的圆锥孔，在所述螺纹孔中安装有固定螺钉，所述固定螺钉的顶部定位于所述圆锥孔中。
6.根据权利要求1所述的用于搅拌摩擦加工待焊铝基复合材料的搅拌摩擦工具，其特征在于，所述搅拌头底部设有半径d小于所述搅拌头的轴肩半径D的搅拌针，所述搅拌针的高度h略小于所述待焊铝基复合材料的厚度δ。
7.根据权利要求6所述的用于搅拌摩擦加工待焊铝基复合材料的搅拌摩擦工具，其特征在于，所述搅拌头具有轴肩高度t，所述轴肩高度t略小于所述搅拌头的轴肩半径D。
8.根据权利要求7所述的用于搅拌摩擦加工待焊铝基复合材料的搅拌摩擦工具，其特征在于，所述轴肩高度t与所述搅拌头的轴肩半径D的关系为：
t＝(0.6～0.95)×D。
9.根据权利要求6所述的用于搅拌摩擦加工待焊铝基复合材料的搅拌摩擦工具，其特征在于，所述搅拌头的轴肩半径D与所述待焊铝基复合材料的厚度δ的关系式为：
10.根据权利要求9所述的用于搅拌摩擦加工待焊铝基复合材料的搅拌摩擦工具，其特征在于，所述搅拌针外表面为第三圆锥面，所述第三圆锥面具有锥面倾角β，所述第三圆锥面的长度l满足如下关系式：
l＝(0.5～1.5)×[h÷cosβ+(D-d-h×tanβ)×sinβ]。
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