CN112139653A

CN112139653A - 制备铝合金复合材料的装置

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Publication number: CN112139653A
Application number: CN202010998226.0A
Authority: CN
Inventors: 王书杰
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-09-22
Filing date: 2020-09-22
Publication date: 2020-12-29

Abstract

本发明公开了一种制备铝合金复合材料的装置，涉及铝合金复合材料的制备装置技术领域。所述装置在使用时将铝合金板与添加复合材料层实现多层交替叠加压制后，通过对压搅拌摩擦的方法将铝合金搅拌至微区熔化，通过搅拌熔合实现局部铝基复合材料的制备，同时随着摩擦搅拌头按着特定曲线的运动实现整体铝合金复合材料的制备。所述装置无需进行大量熔炼，具有制备速度快，且较为经济环保等优点。

Description

制备铝合金复合材料的装置

技术领域

本发明涉及铝合金技术领域，尤其涉及一种制备铝合金复合材料的装置。

背景技术

金属基复合材料（MMCs）是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工结合成的复合材料。由于其具有优异的力学特性而广泛应用于机械、化工、电力电子等领域，在医学、航天、航海、航空、汽车、化工等行业发挥了越来越重要的作用。铝基复合材料具有重量轻、强度高、抗疲劳、耐热等特点，增强材料主要有纤维、晶须以及颗粒。为了提高基体金属的性能，增强材料的本身需要具备特殊的性能，如高强度、高弹性模量、低密度、高硬度、高耐磨性、良好的化学稳定性、增强体与基体金属有良好的润湿性等。常用的增强材料有SiC、Al₂O₃、B₄C、石墨及碳纤维等，另外也可以是一些金属作为增强型。制备方法分为粉末冶金法、高能-高速固结工艺、压力浸渗铸造工艺、反应自生成法、液态金属搅拌铸造法、半固态搅拌复合铸造等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种制作速度快、经济环保的制备铝合金复合材料的装置。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种制备铝合金复合材料的装置，其特征在于：包括铝合金复合板夹持块，所述铝合金复合板夹持块用于对铝合金复合板进行加持，所述夹持块内侧的所述复合板的上侧设置有第一搅拌头和第二搅拌头，且所述第一搅拌头和第二搅拌头纵向设置，与所述第一搅拌头和第二搅拌头位置相对的所述复合板的下侧设置有第三搅拌头和第四搅拌头，所述搅拌头用于在通电状态下对其周围的铝合金复合板进行加热，使其中的铝合金呈部分微熔状态；位于后侧的所述第一搅拌头的后侧以及左右侧分别设置有第三碾压装置、第一碾压装置以及第二碾压装置，与所述第三碾压装置、第一碾压装置以及第二碾压装置对应的所述复合板的下侧设置分别设置有第六碾压装置、第四碾压装置以及第五碾压装置，所述碾压装置用于对微熔后的铝合金进行碾压处理，使其与所述复合板中的被添加复合材料相结合。

进一步的技术方案在于：所述第一碾压装置和第四碾压装置与第一控制器连接，受控于所述第一控制器，所述第一碾压装置和第四碾压装置上设置有若干个第一防撞探头，所述第一防撞探头与所述第一控制器的信号输入端连接，用于探测所述第一碾压装置和第四碾压装置距离所述夹持块的距离，防止所述第一碾压装置和第四碾压装置与所述夹持块碰撞，所述第一控制器与主控系统连接，用于接收所述主控系统的控制。

进一步的技术方案在于：所述第二碾压装置和第五碾压装置与第二控制器连接，受控于所述第二控制器，所述第二碾压装置和第五碾压装置上设置有若干个第二防撞探头，所述第二防撞探头与所述第二控制器的信号输入端连接，用于探测所述第二碾压装置和第五碾压装置距离所述夹持块的距离，防止所述第二碾压装置和第五碾压装置与所述夹持块碰撞，所述第二控制器与主控系统连接，用于接收所述主控系统的控制。

进一步的技术方案在于：所述第三碾压装置和第六碾压装置与第三控制器连接，受控于所述第三控制器，所述第三碾压装置和第六碾压装置上设置有若干个第三防撞探头，所述第三防撞探头与所述第三控制器的信号输入端连接，用于探测所述第三碾压装置和第六碾压装置距离所述夹持块的距离，防止所述第三碾压装置和第六碾压装置与所述夹持块碰撞，所述第三控制器与主控系统连接，用于接收所述主控系统的控制。

进一步的技术方案在于：所述第一搅拌头、第二搅拌头、第三搅拌头和第四搅拌头上形成有搅拌针，且所述搅拌针的长度相同或不同，搅拌针与搅拌针相对设置且两者之间保持有一定的距离。

进一步的技术方案在于：所述第一搅拌头和第三搅拌头与第四控制器连接，受控于所述第四控制器，所述第一搅拌头上设置有第一距离传感器，所述第一距离传感器与所述第四控制器连接，所述第三搅拌头上设置有第三距离传感器，所述第三距离传感器与所述第四控制器连接，通过所述第一距离传感器以及第三距离传感器测量两个搅拌头上的搅拌针之间的距离，防止相对应的两个搅拌头上的搅拌针相接触，所述第四控制器与主控系统连接，用于接受所述主控系统的控制。

进一步的技术方案在于：所述第二搅拌头和第四搅拌头与第五控制器连接，受控于所述第五控制器，所述第二搅拌头上设置有第二距离传感器，所述第二距离传感器与所述第五控制器连接，所述第四搅拌头上设置有第四距离传感器，所述第四距离传感器与所述第五控制器连接，通过所述第二距离传感器以及第四距离传感器测量两个搅拌头上的搅拌针之间的距离，防止相对应的两个搅拌头上的搅拌针相接触，所述第五控制器与主控系统连接，用于接受所述主控系统的控制。

进一步的技术方案在于：所述搅拌针产生的微熔区的横向宽度为H及纵向长度为D；第一搅拌头与第三搅拌头上的搅拌针的长度相等，长度为k/2-D，k为铝合金复合板的厚度；第二搅拌头上的搅拌针的长度大于k/2，且其尖端与第四搅拌头的上搅拌针的尖端的间距为D，搅拌针位移路线图上相邻两条路径的间距L小于2H。

进一步的技术方案在于：所述铝合金复合板夹持块包括上夹持块和下夹持块，所述上夹持块和下夹持块的外侧设置有驱动装置，用于驱动所述上夹持块和下夹持块进行运动，所述驱动装置受控于主控系统，所述上夹持块和下夹持块上设置有夹持槽，所述铝合金复合板位于所述夹持槽内，铝合金复合板夹持块的上夹持块和下夹持块上夹持槽的形状根据初始坯料的形状而确定。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本申请所述装置将铝合金板与添加复合材料层实现多层交替叠加压制后，通过对压搅拌摩擦的方法将铝合金搅拌至微区熔化，通过搅拌熔合实现局部铝基复合材料的制备，同时随着摩擦搅拌头按着特定曲线的运动实现整体铝合金复合材料的制备。所述装置无需大量的进行熔炼，具有制备速度快，且较为经济环保等优点。

附图说明

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。

图1是本发明实施例所述装置的结构示意图；

图2是本发明实施例所述装置中搅拌过程示意图；

图3是本发明实施例所述装置中搅拌针位移示意图；

图4是本发明实施例所述装置中搅拌头的结构示意图；

其中：1：第一搅拌头；2：第二搅拌头；3：第一碾压装置；4：第一防撞探头；5：碾压轮；6：第三搅拌头；7：第四搅拌头；8：被添加复合材料；9：铝合金板；10：第二碾压装置；11：第三碾压装置；12：第四控制器；13：第二控制器；14：第一控制器；15：第五控制器；16：主控系统；17：铝合金复合板夹持块；18：第四碾压装置；19：第五碾压装置；20：第六碾压装置；21：第二位移探测器；22：第四位移探测器；23：第一位移探测器；24：第三位移探测器；25：铝基复合材料；26：搅拌针位移路线图；27：搅拌针；28：熔合区；29：初始坯料；30：第三控制器。

具体实施方式

下面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的一部分实施例，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。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本发明实施例公开了一种制备铝合金复合材料的装置，包括铝合金复合板夹持块17，所述铝合金复合板夹持块17用于对铝合金复合板29进行加持，所述铝合金复合板夹持块包括上夹持块和下夹持块，所述上夹持块和下夹持块的外侧设置有驱动装置，用于驱动所述上夹持块和下夹持块进行运动，所述驱动装置受控于主控系统16，所述上夹持块和下夹持块上设置有夹持槽，所述铝合金复合板位于所述夹持槽内；铝合金复合板夹持块17的上夹持块和下夹持块上夹持槽的形状根据初始坯料29的形状而确定。所述夹持块内侧的所述复合板的上侧设置有第一搅拌头1和第二搅拌头2，且所述第一搅拌头1和第二搅拌头2纵向设置，与所述第一搅拌头1和第二搅拌头2位置相对的所述复合板的下侧设置有第三搅拌头7和第四搅拌头6，所述搅拌头用于在通电状态下对其周围的铝合金复合板进行加热，使其中的铝合金9呈部分微熔状态。

位于后侧的所述第一搅拌头1的后侧以及左右侧分别设置有第三碾压装置11、第一碾压装置3以及第二碾压装置10，与所述第三碾压装置11、第一碾压装置3以及第二碾压装置10对应的所述复合板的下侧设置分别设置有第六碾压装置20、第四碾压装置18以及第五碾压装置19，所述碾压装置用于对微熔后的铝合金进行碾压处理，并防止铝合金层因为旋转褶皱，使其与所述复合板中的被添加复合材料8相结合。

进一步的，如图1所示，所述第一碾压装置3和第四碾压装置18与第一控制器14连接，受控于所述第一控制器14，所述第一碾压装置3和第四碾压装置18上设置有若干个第一防撞探头4，所述第一防撞探头与所述第一控制器14的信号输入端连接，用于探测所述第一碾压装置3和第四碾压装置18距离所述夹持块的距离，防止所述第一碾压装置3和第四碾压装置18与所述夹持块碰撞，所述第一控制器14与主控系统16连接，用于接收所述主控系统16的控制。

进一步的，如图1所示，所述第二碾压装置10和第五碾压装置19与第二控制器13连接，受控于所述第二控制器13，所述第二碾压装置10和第五碾压装置19上设置有若干个第二防撞探头，所述第二防撞探头与所述第二控制器13的信号输入端连接，用于探测所述第二碾压装置10和第五碾压装置19距离所述夹持块的距离，防止所述第二碾压装置10和第五碾压装置19与所述夹持块碰撞，所述第二控制器13与主控系统16连接，用于接收所述主控系统16的控制。

进一步的，如图1所示，所述第三碾压装置11和第六碾压装置20与第三控制器30连接，受控于所述第三控制器30，所述第三碾压装置11和第六碾压装置20上设置有若干个第三防撞探头，所述第三防撞探头与所述第三控制器30的信号输入端连接，用于探测所述第三碾压装置11和第六碾压装置20距离所述夹持块的距离，防止所述第三碾压装置11和第六碾压装置20与所述夹持块碰撞，所述第三控制器30与主控系统16连接，用于接收所述主控系统16的控制。

进一步的，如图2所示，所述第一搅拌头1、第二搅拌头2、第三搅拌头7和第四搅拌头6上形成有搅拌针27，且所述搅拌针27的长度相同或不同，上侧的搅拌针27与下侧的搅拌针27相对设置且两者之间保持有一定的距离。如图1所示，所述第一搅拌头1和第三搅拌头7与第四控制器12连接，受控于所述第四控制器12，所述第一搅拌头1上设置有第一距离传感器23，所述第一距离传感器23与所述第四控制器12连接，所述第三搅拌头7上设置有第三距离传感器24，所述第三距离传感器24与所述第四控制器12连接，通过所述第一距离传感器23以及第三距离传感器24测量两个搅拌头上的搅拌针27之间的距离，防止相对应的两个搅拌头上的搅拌针相接触，所述第四控制器与主控系统连接，用于接受所述主控系统的控制。

进一步的，如图1所示，所述第二搅拌头2和第四搅拌头6与第五控制器15连接，受控于所述第五控制器15，所述第二搅拌头2上设置有第二距离传感器21，所述第二距离传感器21与所述第五控制器15连接，所述第四搅拌头6上设置有第四距离传感器22，所述第四距离传感器22与所述第五控制器15连接，通过所述第二距离传感器21以及第四距离传感器22测量两个搅拌头上的搅拌针27之间的距离，防止相对应的两个搅拌头上的搅拌针27相接触，所述第五控制器15与主控系统16连接，用于接受所述主控系统16的控制。

进一步的，如图4所示，所述搅拌针产生的微熔区的横向宽度为H及纵向长度为D；第一搅拌头1与第三搅拌头7上的搅拌针27的长度相等，长度为k/2-D，k为铝合金复合板的厚度；第二搅拌头2上的搅拌针27的长度大于k/2，且其尖端与第四搅拌头6的上搅拌针27的尖端的间距为D，搅拌针位移路线图26上相邻两条路径的间距L小于2H，如图3所示。

本发明实施例还公开了一种使用上述装置制备铝合金复合材料的方法，包括如下步骤：

首先将铝合金板9与被添加复合材料8按着所需比例逐层交替铺展，然后通过冷压机进行初步的压实，形成初始坯料29，然后通过铝合金复合板夹持块17将初始坯料四边压合，并测试这种材料配置下的，所选择的第一搅拌头1、第二搅拌头2、第三搅拌头7和第四搅拌头6上的搅拌针27尖端在初始坯料29测试产生微区熔化的临界搅拌针旋转速率，然后测试在不同的搅拌速率下的熔合区28的横向宽度H及纵向长度D，根据生产效率情况选择搅拌针旋转速率值；

设置第一碾压装置3和第三碾压装置18、第二碾压装置10与第四碾压装置19、第三碾压装置11和第六碾压装置20分别为三套对称于初始坯料29两侧，设置第一搅拌头1和第三搅拌头7、第二搅拌头2和第四搅拌头6对称于初始坯料29两侧；

然后再设定搅拌针位移路线图26（如图3所示），在初始坯料29的搅拌针初始位置打孔，数量为两个，孔径的大小与搅拌针27的端部直径D相同，该孔距离铝合金复合板夹持块17内壁的距离为大于碾压装置上的碾压轮5的宽度与搅拌头半径之和，以便放置碾压轮5，碾压轮5与所述搅拌头之间的距离为1-5mm；两个孔中心的距离为两套对压搅拌头中心之间的距离；

启动第一至第四搅拌头，然后将第一搅拌头1和第三搅拌头7、第二搅拌头2和第四搅拌头6以对称方式插入初始位置孔中，启动第一碾压装置至第六碾压装置，三套碾压装置对称施压于初始坯料29上下两侧，在初始坯料29上，两对搅拌头按着搅拌针位移路线图26进行运动；启动第一碾压装置3和第四碾压装置18、第二碾压装置10与第五碾压装置19、第三碾压装置11和第六碾压装置20，同样伴随搅拌头的运动而同步运动；根据所述碾压装置上设置的所述防撞探头防止其与搅拌头与铝合金复合板夹持块17内壁相撞；待所述搅拌头行至搅拌针位移路线图26终点后，分别停止第一搅拌头1和第三搅拌头7、第二搅拌头2和第四搅拌头6；第一碾压装置3和第四碾压装置18、第二碾压装置10与第五碾压装置19、第三碾压装置11和第六碾压装置20的位移运动，此时整个初始坯料29形成铝基复合材料，然后使得各搅拌头与碾压装置向远离铝基复合材料，制备工艺完成；

制备工艺完成后通过主控系统打开铝合金复合板夹持块17的上夹持块和下夹持块，通过机械加工去除初始坯料29被铝合金复合板夹持块17夹持的边缘部分，制备成所需的铝基复合材料的零件形状。对于片状铝基复合材料的零件，可以通过去除初始坯料29被铝合金复合板夹持块17的边缘部分直接制备。

Claims

1.一种制备铝合金复合材料的装置，其特征在于：包括铝合金复合板夹持块（17），所述铝合金复合板夹持块（17）用于对铝合金复合板（29）进行加持，所述夹持块内侧的所述复合板的上侧设置有第一搅拌头（1）和第二搅拌头（2），且所述第一搅拌头（1）和第二搅拌头（2）纵向设置，与所述第一搅拌头（1）和第二搅拌头（2）位置相对的所述复合板的下侧设置有第三搅拌头（7）和第四搅拌头（6），所述搅拌头用于在通电状态下对其周围的铝合金复合板进行加热，使其中的铝合金（9）呈部分微熔状态；位于后侧的所述第一搅拌头（1）的后侧以及左右侧分别设置有第三碾压装置（11）、第一碾压装置（3）以及第二碾压装置（10），与所述第三碾压装置（11）、第一碾压装置（3）以及第二碾压装置（10）对应的所述复合板的下侧设置分别设置有第六碾压装置（20）、第四碾压装置（18）以及第五碾压装置（19），所述碾压装置用于对微熔的铝合金进行碾压处理，并防止铝合金层因为旋转褶皱，使其与所述复合板中的被添加复合材料（8）相结合。

2.如权利要求1所述的制备铝合金复合材料的装置，其特征在于：所述第一碾压装置（3）和第四碾压装置（18）与第一控制器（14）连接，受控于所述第一控制器（14），所述第一碾压装置（3）和第四碾压装置（18）上设置有若干个第一防撞探头（4），所述第一防撞探头与所述第一控制器（14）的信号输入端连接，用于探测所述第一碾压装置（3）和第四碾压装置（18）距离所述夹持块的距离，防止所述第一碾压装置（3）和第四碾压装置（18）与所述夹持块碰撞，所述第一控制器（14）与主控系统（16）连接，用于接收所述主控系统（16）的控制。

3.如权利要求1所述的制备铝合金复合材料的装置，其特征在于：所述第二碾压装置（10）和第五碾压装置（19）与第二控制器（13）连接，受控于所述第二控制器（13），所述第二碾压装置（10）和第五碾压装置（19）上设置有若干个第二防撞探头，所述第二防撞探头与所述第二控制器（13）的信号输入端连接，用于探测所述第二碾压装置（10）和第五碾压装置（19）距离所述夹持块的距离，防止所述第二碾压装置（10）和第五碾压装置（19）与所述夹持块碰撞，所述第二控制器（13）与主控系统（16）连接，用于接收所述主控系统（16）的控制。

4.如权利要求1所述的制备铝合金复合材料的装置，其特征在于：所述第三碾压装置（11）和第六碾压装置（20）与第三控制器（30）连接，受控于所述第三控制器（30），所述第三碾压装置（11）和第六碾压装置（20）上设置有若干个第三防撞探头，所述第三防撞探头与所述第三控制器（30）的信号输入端连接，用于探测所述第三碾压装置（11）和第六碾压装置（20）距离所述夹持块的距离，防止所述第三碾压装置（11）和第六碾压装置（20）与所述夹持块碰撞，所述第三控制器（30）与主控系统（16）连接，用于接收所述主控系统（16）的控制。

5.如权利要求1所述的制备铝合金复合材料的装置，其特征在于：所述第一搅拌头（1）、第二搅拌头（2）、第三搅拌头（7）和第四搅拌头（6）上形成有搅拌针（27），且所述搅拌针（27）的长度相同或不同，上侧的搅拌针（27）与下侧的搅拌针（27）相对设置且两者之间保持有一定的距离。

6.如权利要求5所述的制备铝合金复合材料的装置，其特征在于：所述第一搅拌头（1）和第三搅拌头（7）与第四控制器（12）连接，受控于所述第四控制器（12），所述第一搅拌头（1）上设置有第一距离传感器（23），所述第一距离传感器（23）与所述第四控制器（12）连接，所述第三搅拌头（7）上设置有第三距离传感器（24），所述第三距离传感器（24）与所述第四控制器（12）连接，通过所述第一距离传感器（23）以及第三距离传感器（24）测量两个搅拌头上的搅拌针（27）之间的距离，防止相对应的两个搅拌头上的搅拌针相接触，所述第四控制器与主控系统连接，用于接受所述主控系统的控制。

7.如权利要求5所述的制备铝合金复合材料的装置，其特征在于：所述第二搅拌头（2）和第四搅拌头（6）与第五控制器（15）连接，受控于所述第五控制器（15），所述第二搅拌头（2）上设置有第二距离传感器（21），所述第二距离传感器（21）与所述第五控制器（15）连接，所述第四搅拌头（6）上设置有第四距离传感器（22），所述第四距离传感器（22）与所述第五控制器（15）连接，通过所述第二距离传感器（21）以及第四距离传感器（22）测量两个搅拌头上的搅拌针（27）之间的距离，防止相对应的两个搅拌头上的搅拌针（27）相接触，所述第五控制器（15）与主控系统（16）连接，用于接受所述主控系统（16）的控制。

8.如权利要求5所述的制备铝合金复合材料的装置，其特征在于：所述搅拌针产生的微熔区的横向宽度为H及纵向长度为D；第一搅拌头（1）与第三搅拌头（7）上的搅拌针（27）的长度相等，长度为k/2-D，k为铝合金复合板的厚度；第二搅拌头（2）上的搅拌针（27）的长度大于k/2，且其尖端与第四搅拌头（6）的上搅拌针（27）的尖端的间距为D，搅拌针位移路线图（26）上相邻两条路径的间距L小于2H。

9.如权利要求1所述的制备铝合金复合材料的装置，其特征在于：所述铝合金复合板夹持块包括上夹持块和下夹持块，所述上夹持块和下夹持块的外侧设置有驱动装置，用于驱动所述上夹持块和下夹持块进行运动，所述驱动装置受控于主控系统（16），所述上夹持块和下夹持块上设置有夹持槽，所述铝合金复合板位于所述夹持槽内；铝合金复合板夹持块（17）的上夹持块和下夹持块上夹持槽的形状根据初始坯料（29）的形状而确定。