CN113084329A

CN113084329A - 棒材搅拌摩擦加工装置

Info

Publication number: CN113084329A
Application number: CN202110384937.3A
Authority: CN
Inventors: 龙飞; 张雷; 程亚芳; 钟素娟
Original assignee: Zhengzhou Research Institute of Mechanical Engineering Co Ltd
Current assignee: Zhengzhou Research Institute of Mechanical Engineering Co Ltd
Priority date: 2021-04-09
Filing date: 2021-04-09
Publication date: 2021-07-09
Anticipated expiration: 2041-04-09
Also published as: CN113084329B

Abstract

本发明涉及棒材搅拌摩擦加工装置。棒材搅拌摩擦加工装置包括储料模，具有用于储存金属材料的模腔，模腔具有出料口和进料口；搅拌头配置在储料模内，包括搅拌盘和固定在搅拌盘上的搅拌针；搅拌盘具有搅拌叶，搅拌叶具有朝下用于向下顶锻金属材料的顶锻面，顶锻面在搅拌盘旋转方向前端上扬；搅拌针固定在搅拌叶上顶锻面所在位置，用于摩擦搅拌顶锻面下侧的金属材料。本发明的板材搅拌摩擦加工通过搅拌盘上的顶锻面和搅拌针对金属材料进行搅拌，在搅拌头的旋转、顶锻、和刮擦作用下，使模腔内的待加工金属材料塑性变形并逐渐向下移动，从模腔的出料口被挤出，通过向模腔内加料，可以连续加工棒材，制备出的棒材组织致密且均匀。

Description

棒材搅拌摩擦加工装置

技术领域

本发明涉及一种棒材搅拌摩擦加工装置。

背景技术

搅拌摩擦加工是根据搅拌摩擦焊接的基本原理开发的，这种新型的金属加工技术可以通过摩擦搅拌作用引起材料剧烈的塑性变形，在机械搅拌和热的双重作用下，加工区域能发生明显的微观结构细化，从而使组织更加致密和均匀。目前搅拌摩擦加工应用于材料的表面处理、材料表面缺陷的修复，在材料的成型方面应用较少。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够连续制备棒材的棒材搅拌摩擦加工装置。

本发明的棒材搅拌摩擦加工装置采用如下技术方案：

棒材搅拌摩擦加工装置包括：

储料模，具有用于储存金属材料的模腔，模腔具有出料口和进料口；

搅拌头，配置在储料模内，包括搅拌盘和固定在搅拌盘上的搅拌针；搅拌盘具有至少一个搅拌叶，搅拌叶具有朝下用于向下顶锻金属材料的顶锻面，顶锻面在搅拌盘旋转方向前端上扬，以在搅拌盘旋转过程中向下顶锻处于顶锻面下侧的金属材料；

搅拌针固定在搅拌叶上顶锻面所在位置，用于摩擦搅拌顶锻面下侧的金属材料。

有益效果：本发明的板材搅拌摩擦加工通过搅拌盘上的顶锻面和搅拌针对金属材料进行搅拌，在搅拌头的旋转、顶锻、刮擦作用下，使模腔内的待加工金属材料塑性变形并逐渐向下移动，从模腔的出料口被挤出，通过向模腔内加料，可以连续加工棒材，制备出的棒材组织致密且均匀。

进一步的，顶锻面的至少一部分为在搅拌盘旋转方向自下向上逐渐向前倾斜的斜面。斜面结构较为简单，便于加工。

进一步的，所述搅拌叶具有在搅拌盘旋转方向上处于顶锻面前侧的前侧防飞溅面，前侧防飞溅面为在搅拌盘旋转方向上前端上扬的斜面，顶锻面上与前侧防飞溅面相接的部分为斜率小于前侧防飞溅面的斜面。前侧防飞溅面能够减少被挤出材料向搅拌盘上侧飞溅。

进一步的，所述顶锻面包括在搅拌盘旋转方向上处于前侧的第一部分和处于后侧的第二部分，第一部分和第二部分均为斜面，其中第一部分的斜率大于第二部分的斜率，搅拌针处于第一部分所处的位置。第二部分斜率较小，延长了顶锻面的面积，能够改善对待加工金属材料顶锻效果。

进一步的，所述搅拌叶具有在搅拌盘旋转方向上处于顶锻面后侧的支撑平面。支撑平面起到支撑和刮擦作用，对金属材料平整效果较好。

进一步的，所述搅拌叶具有在搅拌盘旋转方向上处于顶锻面后侧的后侧防飞溅面，后侧防飞溅面的后端上扬。减少被挤出材料向搅拌盘上侧飞溅。

进一步的，所述搅拌叶沿搅拌盘周向间隔设置至少两个，在搅拌盘周向上相邻的两个搅拌叶的搅拌针的搅拌区域仅部分重叠。有利于提高棒材成型效率。

进一步的，所述搅拌针在搅拌盘的旋转方向上自下而上逐渐向后倾斜。

进一步的，所述模腔具有收缩段，收缩段内壁面上端周向尺寸大于下端周向尺寸。收缩段对模腔内的材料起到限位作用，使模腔内的材料塑形变形更均匀。

进一步的，所述棒材搅拌摩擦加工装置包括用于对储料模加热的加热套。便于保持模腔内温度。

附图说明

图1是本发明棒材搅拌摩擦加工装置具体实施例1中的剖视图；

图2是本发明棒材搅拌摩擦加工装置具体实施例1中搅拌头的结构示意图；

图3是本发明棒材搅拌摩擦加工装置具体实施例1中搅拌叶的剖视图；

图中：1、储料模；11、模腔；111、进料口；112、出料口；113、收缩段；2、搅拌头；21、搅拌盘；211、搅拌叶；212、后侧防飞溅面；213、顶锻面；2131、第一部分；2132、第二部分；214、前侧防飞溅面；215、支撑平面；22、搅拌针；3、冷却块；31、棒料穿孔；4、待加工金属材料；5、已加工金属材料。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为假定的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

本发明棒材搅拌摩擦加工装置的具体实施例1：

如图1所示，棒材搅拌摩擦加工装置包括储料模1和搅拌头2，储料模1具有用于储存金属材料的模腔11，模腔11具有进料口111和出料口112，进料口111设置在模腔11的上部，供待加工金属材料4进入。出料口112设置在模腔11的底部，经过搅拌摩擦成型的棒材从出料口112被挤出。本实施例中待加工金属材料4是颗粒料。

搅拌头2在工作时处于储料模1内，搅拌头2包括搅拌盘21，如图2和图3所示，搅拌盘21包括两个中心对称设置的搅拌叶211，搅拌叶211与模腔11内壁面间隙配合，二者的配合间隙不大于0.5mm，以约束搅拌叶211下侧的金属材料。搅拌叶211上固定有用于搅拌金属材料的搅拌针22。

搅拌叶211具有朝下用于向下顶锻金属材料的顶锻面213，顶锻面213在搅拌盘21旋转方向前端上扬，使顶锻面213形成前高后低的坡面，以在搅拌盘21旋转过程中向下顶锻处于顶锻面213下侧的金属材料。本实施例中，顶锻面213包括第一部分2131和第二部分2132，第一部分2131和第二部分2132均为在搅拌盘21旋转方向自下向上逐渐向前倾斜的斜面。第一部分2131的倾斜角度优选5°-25°，第二部分2132为倾斜角度为2°的斜面。在搅拌盘21旋转时，顶锻面213为加工材料提供顶锻力。第二部分2132能够提供足够大的顶锻作用力，保证足够大的下压量。

搅拌针22固定在搅拌叶211上第一部分2131所在位置，用于摩擦搅拌顶锻面213下侧的金属材料。搅拌针22在搅拌盘21的径向上间隔设置多个。

搅拌盘21搅拌过程中，可以利用顶锻面213和搅拌针22对金属材料搅拌向下顶压，金属材料在顶锻作用下缓慢下降，能够连续加工出棒料。

本实施例中，搅拌叶211上各搅拌针22的直径相等，同一个搅拌叶211上各搅拌针22之间的间距相等，并且相邻搅拌针22之间的中心间距小于搅拌针22直径。两个搅拌叶211上的任意两个搅拌针22距离搅拌盘21中心的间距均不同，两个搅拌叶211上的各搅拌针22中心与旋转盘中心的间距呈等差数列，以使搅拌针22的作用区域互补，互补的搅拌针22实现对搅拌盘21内加工区域的全覆盖。搅拌盘21上设有1:50的锥孔，搅拌针22固定在锥孔内。本实施例中，搅拌针22在搅拌盘21的旋转方向上自下而上逐渐向后倾斜。本实施例中，处于搅拌叶211最外侧的搅拌针22与搅拌盘21外沿相切。

搅拌叶211具有前侧防飞溅面214、支撑平面215、后侧防飞溅面212，前侧防飞溅面214在搅拌盘21旋转方向上处于顶锻面213前侧，支撑平面215在搅拌盘21旋转方向上处于顶锻面213后侧，后侧防飞溅面212在搅拌盘21旋转方向上处于顶锻面213后侧。前侧防飞溅面214在搅拌盘21旋转方向上前端上扬，前侧防飞溅面214为斜面，前侧防飞溅面214的斜率大于第一部分2131的斜率，后侧防飞溅面212的后端上扬。前侧防飞溅面214和后侧防飞溅面212能够减少被挤出材料向搅拌盘21上侧飞溅。支撑平面215在成型过程中用于对金属材料刮擦。

第二部分2132处于支撑平面215与第一部分2131之间，也起到过渡作用。

本实施例中，前侧防飞溅面214和后侧防飞溅面212的倾斜角度均优选30°-45°。

本实施例中搅拌叶211为弯板结构，其他实施例中，搅拌叶的上侧面可以为平面，只需要保证搅拌叶的下侧面满足要求也可实现上述功能。

模腔11具有收缩段113，收缩段113内壁面周向尺寸自上向下逐渐减小，上端周向尺寸大于下端周向尺寸，用于对未加工材料在上下方向上限位。加工时在搅拌盘21的顶锻力作用下模腔11内的已加工金属材料5变形然后从出料口112被挤出。

本实施例中，储料模1外设有用于对储料模1加热的加热套，工作时加热套用于保持储料模1的温度。

出料口112处设置有冷却块3，冷却块3内设置有冷却流道，冷却块3上设有供出料口112出来的棒料通过的棒料穿孔31。冷却块3对通过棒料穿孔的棒料冷却降温。

为了便于加工，加工装置还包括堵头，堵头用于插入出料口112，在加工棒材开始时堵住出料口112。加工时需要向模腔11内加入料头，然后使用堵头堵住出料口112，防止料头脱落，加工过至料头不会产生脱落后，需要将堵头去掉。其他实施例中，根据实际的需要，也可以在模腔11内加入料头，使料头与收缩段113上下挡止配合，防止料头脱出。

下面以颗粒料加工棒材为例对本发明加工装置的工作过程进行介绍。

将料头从棒料穿孔31塞进储料模1内，料头的最高处高于收缩段113顶部，在料头底部使用堵头进行挡止。将待加工材料从进料口111加入储料模1的模腔11，启动搅拌头2，利用搅拌头2的旋转、顶锻、刮擦作用对待加工金属材料4进行加工处理，加工过至料头不会产生脱落后去掉堵头，与此同时模腔内已加工金属材料5通过搅拌头2的顶锻作用实现缓慢下滑。持续向模腔内加料，即可连续制作出无限长的棒材。

本实施例中，搅拌盘21直径为47mm，搅拌针22直径为6mm，各搅拌针22中心与搅拌盘21中心的距离相差5mm，一排共9个搅拌针22，搅拌针22高度为4mm。其他实施例中，搅拌针22的尺寸以及排列方式可以是：搅拌盘直径为42mm，搅拌针直径为4mm，各搅拌针中心与搅拌盘中心的距离相差3mm，一排共13个搅拌针，搅拌针高度为3mm；当然，其他实施例中，根据实际的需要，搅拌针的尺寸和排列方式可以调整。

本实施例中，金属材料颗粒大小满足能够进入搅拌叶下侧，其他实施例中，当金属材料颗粒较大时，需要搅拌叶能够上下移动，添加金属材料颗粒时需要将搅拌盘上移提出储料模。

其他实施例中，搅拌叶的数量可以根据需要设置，比如可以仅设置一个，或者沿搅拌盘周向间隔设置多个。

本发明棒材搅拌摩擦加工装置的具体实施例2，本实施例中棒材搅拌摩擦加工装置与上述实施例的区别仅在于：本实施例中搅拌叶设置三个，相邻叶片夹角为120°。

本发明棒材搅拌摩擦加工装置的具体实施例3，本实施例中棒材搅拌摩擦加工装置与上述实施例的区别仅在于：顶锻面是外凸弧面。当然，其他实施例中，顶锻面可以整体是斜面。其他实施例中，顶锻面可以是由三个以上的斜面组成。

本发明棒材搅拌摩擦加工装置的具体实施例4，本实施例中棒材搅拌摩擦加工装置与上述实施例的区别仅在于：后侧防飞溅面与顶锻面直接相接。其他实施例中，在极致简化的情况下，搅拌叶的下侧面可以仅设置顶锻面。

本发明棒材搅拌摩擦加工装置的具体实施例5，本实施例中棒材搅拌摩擦加工装置与上述实施例的区别仅在于：后侧防飞溅面是外凸弧面。当然，其他实施例中，后侧防飞溅面也可以是外凸的弯折面。

本发明棒材搅拌摩擦加工装置的具体实施例6，本实施例中棒材搅拌摩擦加工装置与上述实施例的区别仅在于：搅拌叶设置多个，其中部分搅拌叶与模腔内壁面间隔设置。

本发明棒材搅拌摩擦加工装置的具体实施例7，本实施例中棒材搅拌摩擦加工装置与上述实施例的区别仅在于：本实施例中，原材料采用铸锭，一批材料加工完成后，关闭搅拌头，上提搅拌头，通过模腔上开口再次向储料模内加入待加工金属材料，然后启动搅拌头，继续进行加工，相邻两次加工无缝衔接，不需要拆卸和重复装夹，进而可以获得无限长棒材。本实施例中加工过程中需要搅拌头能够上下移动，对铸锭施压。其他实施例中，添加的金属材料还可以是金属丝。

本发明棒材搅拌摩擦加工装置的具体实施例8，本实施例中棒材搅拌摩擦加工装置与上述实施例的区别仅在于：本实施例中，搅拌针的轴线竖直设置。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.棒材搅拌摩擦加工装置，其特征在于，包括：

储料模（1），具有用于储存金属材料的模腔（11），模腔（11）具有出料口（112）和进料口（111）；

搅拌头（2），配置在储料模（1）内，包括搅拌盘（21）和固定在搅拌盘（21）上的搅拌针（22）；搅拌盘（21）具有至少一个搅拌叶（211），搅拌叶（211）具有朝下用于向下顶锻金属材料的顶锻面（213），顶锻面（213）在搅拌盘（21）旋转方向前端上扬，以在搅拌盘（21）旋转过程中向下顶锻处于顶锻面（213）下侧的金属材料；

搅拌针（22）固定在搅拌叶（211）上顶锻面（213）所在位置，用于摩擦搅拌顶锻面（213）下侧的金属材料。

2.根据权利要求1所述的棒材搅拌摩擦加工装置，其特征在于，顶锻面（213）的至少一部分为在搅拌盘（21）旋转方向自下向上逐渐向前倾斜的斜面。

3.根据权利要求2所述的棒材搅拌摩擦加工装置，其特征在于，所述搅拌叶（211）具有在搅拌盘（21）旋转方向上处于顶锻面（213）前侧的前侧防飞溅面（214），前侧防飞溅面（214）为在搅拌盘（21）旋转方向上前端上扬的斜面，顶锻面（213）上与前侧防飞溅面（214）相接的部分为斜率小于前侧防飞溅面（214）的斜面。

4.根据权利要求1所述的棒材搅拌摩擦加工装置，其特征在于，所述顶锻面（213）包括在搅拌盘（21）旋转方向上处于前侧的第一部分（2131）和处于后侧的第二部分（2132），第一部分（2131）和第二部分（2132）均为斜面，其中第一部分（2131）的斜率大于第二部分（2132）的斜率，搅拌针（22）处于第一部分（2131）所处的位置。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的棒材搅拌摩擦加工装置，其特征在于，所述搅拌叶（211）具有在搅拌盘（21）旋转方向上处于顶锻面（213）后侧的支撑平面（215）。

6.根据权利要求1-4任意一项所述的棒材搅拌摩擦加工装置，其特征在于，所述搅拌叶（211）具有在搅拌盘（21）旋转方向上处于顶锻面（213）后侧的后侧防飞溅面（212），后侧防飞溅面（212）的后端上扬。

7.根据权利要求1-4任意一项所述的棒材搅拌摩擦加工装置，其特征在于，所述搅拌叶（211）沿搅拌盘（21）周向间隔设置至少两个，在搅拌盘（21）周向上相邻的两个搅拌叶（211）的搅拌针（22）的搅拌区域仅部分重叠。

8.根据权利要求1-4任意一项所述的棒材搅拌摩擦加工装置，其特征在于，所述搅拌针（22）在搅拌盘（21）的旋转方向上自下而上逐渐向后倾斜。

9.根据权利要求1-4任意一项所述的棒材搅拌摩擦加工装置，其特征在于，所述模腔（11）具有收缩段（113），收缩段（113）内壁面上端周向尺寸大于下端周向尺寸。

10.根据权利要求1-4任意一项所述的棒材搅拌摩擦加工装置，其特征在于，所述棒材搅拌摩擦加工装置包括用于对储料模（1）加热的加热套。