CN113134673A - 一种旋转摩擦嵌入式方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种旋转摩擦嵌入式连接方法，该方法步骤包括清理连接区域、物件装夹和摩擦连接，摩擦连接包括表面预热、下压连接和停留固化。本方法通过加压和旋转运动就可以直接提供坚固可靠的连接，可以适用于各种材料和各种形状的结构。其次，通过摩擦活化两零件的连接面，使得连接处的材料相互渗透形成一个整体，具有较好的连接强度和刚性。
Description
技术领域
本发明属于机械结构连接技术领域，尤其是涉及一种旋转摩擦嵌入式连接方法。
背景技术
零件或部件的连接是机械制造领域里的一个重要方面，包括螺纹连接，焊接，铆接和胶接等多种连接工序。
较大零件或者部件之间的连接通常采用焊接方式，焊接是一种利用热能融化连接两部分的材料从而连接两零件或部件的方法。焊接可以保证部件连接处的密封性和强度，然而焊缝处存在应力集中，部件的高强度活动容易发生断裂现象。连接件之间还可能存在一些间隙，在腐蚀介质中容易产生间隙(应力)腐蚀。对于异种材料的焊接，极易产生裂纹、应力集中等缺欠，最终导致生产效率降低，成本增加。
发明内容
为了克服于异种材料连接加工成本高、生产效率低等问题，本发明提出了一种旋转摩擦嵌入式连接方法。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的一种旋转摩擦嵌入式连接方法，包括如下步骤：
S1、清理连接区域：
先对基础件和嵌入的待接合区域进行表面打磨，去除待接合区域的氧化层；再采用有机溶剂清洗待接合区域，清除残余的金属粉末；
S2、物件装夹：
对完成清理工作的基础件和嵌入件进行装夹，基础件放置在工作台上并用夹具固定住，嵌入件固定到夹头内；
S3、摩擦连接：
夹头带动嵌入件旋转，利用摩擦产生的热量和塑像变形将嵌入件挤入基础件内，完成基础件和嵌入件对接工作。
进一步的，所述步骤S3中摩擦连接的具体过程如下：
S31、表面预热：
夹头带动嵌入件做高速旋转运动，同时，夹头以一定的速度下压嵌入件；当嵌入件的底部接触到基础件的上表面，其间的接触压力达到设定值以后停止下压，停留1～10S，对基础件的连接区域进行预热；
S32、下压连接：
高速旋转的嵌入件与基础件之间摩擦放热，使基础件的接触面吸热软化，当基础件的表面温度达到预设温度后，嵌入件继续下压，软化的基础件在嵌入件的下压作用下发生塑性变形，由于旋转摩擦使得嵌入件的表面能被激活，嵌入件的强度和硬度大于基础件的强度和硬度，嵌入件在夹头的下压作用下被挤入基础件；
S33、停留固化：
当嵌入件深入到基础件内部一定距离H后，夹头停止进给运动，保持原有的旋转速度旋转1～10秒，减少连接面处的热应力不均匀；
1～10S后，夹头松开嵌入件并停止旋转，基础件和嵌入件的连接工作完成。
进一步的，步骤S32中基础件通过摩擦导致的温度升高值⊿T，使得其表面温度达到预设温度；
式中：⊿T是摩擦导致的温度升高值，℃；
μ是摩擦系数；
P是连接件之间的正压力，牛顿N；
ω是相对旋转速度，转/秒；
α基础件的热传导系数，w.℃/m；
λ是基础件的比热容，w/℃.kg；
ρ是基础件的密度，kg/m3；
t摩擦搅拌的筒壁厚度，m；
由于摩擦产生的温度较高，可以忽略室温，⊿T就约等于摩擦界面的温度值。
通过改变相对旋转速度ω和连接件之间的正压力P，从而改变温度升高值⊿T。
进一步的，摩擦导致的温度升高值为(0.6～0.9)T熔点。
进一步的，所述步骤S33中的深入距离H为基础件厚度的四分之三。
进一步的，所述步骤S32中的预设温度要高于嵌入件材料的正烧结温度且低于基础件材料的熔点温度，所述预设温度高于正烧结温度的20％～50％为宜。过高的预设温度会造成嵌入件的强度降低，对插入基础件内不利。过低的预设温度则没法激活连接界面，无法形成高强度的连接。
进一步的，所述嵌入件的熔点和硬度高于基础件时，嵌入件连接部分的头部需通过切削方法或者塑性成形方法形成锥状尖端。
进一步的，所述基础件和嵌入件的材料性能相近时，在基础件上通过切削方法或者挤压方法形成一个基础孔，基础孔的尺寸小于嵌入件连接部位的尺寸，其尺寸关系见如下公式。嵌入件连接部分的头部需通过切削方法形成倒角特征。
式中：dh是基础孔的直径；dg是嵌入件连接部分的直径，单位为cm。
进一步的，所述嵌入件连接部分的头部开设有防脱沟槽，以提高连接强度，确保嵌入件能承受更大的扭矩和拉拔力。
进一步的，所述夹头固定有用于保护嵌入件的轴套。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和突出性效果：
1、本方法通过加压和旋转运动就可以直接提供坚固可靠的连接，可以适用于各种材料和各种形状的结构，连接后的部件外观美观，实施过程也方便快捷；
2、本方法通过摩擦活化两零件的连接面，使得连接处的材料相互渗透形成一个整体，具有较好的连接强度和刚性。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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为本发明中基础件和嵌入件的安装示意图。
图2为本发明中嵌入件的材料性能大于基础件时的连接示意图。
图3为本发明中嵌入件和基础件的材料性能相近时的连接示意图。
图4为本发明中嵌入件的防脱示意图。
图5为利用本发明嵌入螺母的示意图。
图6为本发明中嵌入件的防脱沟槽不同样式的结构示意图。
附图标号说明：1、基础件，2、嵌入件，3、夹头，4、夹具，5、工作台，6、基础孔，7、防脱沟槽，8、螺母。
具体实施方式
为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面结合附图对实施例进行详细地说明。
本发明所述的一种旋转摩擦嵌入式连接方法，其过程包括如下步骤：
S1、清理连接区域；
为保证结合质量，先对基础件1和嵌入件2的待接合区域进行表面打磨，去除待接合区域的氧化层，再采用有机溶剂清洗待接合区域，清除残余的金属粉末。
S2、物件装夹；
如图1所示，对完成清理工作的基础件1和嵌入件2进行装夹，基础件1放置在工作台5上并用夹具4固定住，嵌入件2固定到夹头3内。
如果嵌入件2比较细长，为了保证嵌入件2在外力作用下不会发生失稳弯曲，那么可以在工艺装备或夹头3上装备一个保护嵌入件2的轴套，防止在施力过程中，细小的嵌入件2发生弯曲。同时，轴套还能为嵌入件2提供一定的导向作用。如图4所示，在嵌入件2的下端也可以加入一圈防脱沟槽7，以提高嵌入件2和基础件1的连接强度。
S3、摩擦连接；
夹头3带动嵌入件2旋转，利用摩擦产生的热量和塑像变形将嵌入件2挤入基础件1内，完成基础件1和嵌入件2对接工作。所述步骤S3的具体过程如下：
S31、表面预热；
夹头3带动嵌入件2做高速旋转运动，同时，夹头3以一定的速度下压嵌入件2，当嵌入件2的底部接触到基础件1的上表面，其间的接触压力达到设定值以后停止下压，停留1～10S，对基础件1的连接区域进行预热。
S32、下压连接；
高速旋转的嵌入件2与基础件1之间摩擦放热，使基础件1的接触面吸热软化，当基础件1的表面温度达到预设温度后，嵌入件2继续下压，软化的基础件1在嵌入件2的下压作用下发生塑性变形，由于旋转摩擦使得嵌入件2的表面能被激活，嵌入件2的强度和硬度大于基础件1的强度和硬度，嵌入件2在夹头3的下压作用下被挤入基础件1。
步骤S32中基础件通过摩擦导致的温度升高值⊿T，使得其表面温度达到预设温度；
式中：⊿T是摩擦导致的温度升高值，℃；
μ是摩擦系数；
P是连接件之间的正压力，牛顿N；
ω是相对旋转速度，转/秒；
α基础件的热传导系数，w.℃/m；
λ是基础件的比热容，w/℃.kg；
ρ是基础件的密度，kg/m3；
t摩擦搅拌的筒壁厚度，m；
由于摩擦产生的温度较高，可以忽略室温，⊿T就约等于摩擦界面的温度值。
通过改变相对旋转速度ω和连接件之间的正压力P，从而改变温度升高值⊿T。
摩擦导致的温度升高值为(0.6～0.9)T熔点。
S33、停留固化；
当嵌入件2深入到基础件1内部一定距离H后，夹头3停止进给运动，保持高速旋转运动1～10S。为了保证连接强度，所述步骤S33中的深入距离H为基础件1厚度的四分之三。1～10S后，夹头3松开嵌入件2并停止旋转，基础件1和嵌入件2的连接工作完成。
如图1所示，将基础件1放在工作台5上固定好，然后将嵌入件2置于基础件1的上方，夹头3以一定的速度旋转嵌入件2，并让嵌入件2以一定的速度向基础件1做进给运动。嵌入件2旋转运动的速度要适中，该速度所产生的温度最少要在嵌入件2材料的正烧结温度点以上，最好是高于其正烧结温度的20％～50％，这样有利于嵌入件2与基础件1的接触表面发生真正的界面晶体连接。嵌入件2旋转运动的速度所产生的温度最大不能超过嵌入件2材料的熔点温度，最好是低于嵌入件2材料强度显著下降的温度，否则会影响嵌入件2顺利进入基础件1中。而进给运动速度要与旋转速度相适应，高速的旋转速度可以采用较大的进给速度，较低的旋转速度采用较小的进给速度。预设温度高于正烧结温度的20％～50％为宜。过高的预设温度会造成嵌入件的强度降低，对插入基础件内不利。过低的预设温度则没法激活连接界面，无法形成高强度的连接。
如图2所示，当熔点较低且塑性较好的金属材料作为基础件1材料，而熔点和硬度较高的金属材料作为嵌入件2时，嵌入件2连接部分的头部需要通过切削方法或者塑性成形方法形成锥度尖端特征。嵌入件2的头部特征在旋转摩擦进入基础件1时有利于嵌入件2的定位进入基础件1内。
如图3所示，当基础件1材料与嵌入件2材料的性能相近时，在基础件1上通过切削方法或者挤压方法形成一个基础孔6，基础孔6的尺寸比要嵌入件2连接部位的尺寸要小一些。嵌入件2连接部分的头部需要通过切削方法或者塑性成形方法形成锥度形状特征，这个头部特征有利于嵌入件2的定位。其尺寸关系见如下公式。嵌入件连接部分的头部需通过切削方法形成倒角特征。
式中：dh是基础孔的直径；dg是嵌入件连接部分的资金。
如图5所示，本图为利用本发明嵌入螺母8的示意图。在这种实施方式中，需要在基础件1加工预置孔，螺母8套在夹持机构的头部，夹持机构带螺母8旋转，并向基础件1的孔中进给，但基础件1在摩擦的作用下发生软化，多余的材料就会挤出到基础件1的表面，当螺母8沉入到基础件1的上表面下的一定深度，夹持机构的头部端面就可以将挤出到上表面的基础件1材料压入孔中，从而包住螺母8。
如图6所示本图为嵌入件的防脱沟槽7不同样式的示意图。防脱沟槽7可以开设在嵌入件2头部的一侧、两侧或者环绕开设。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种旋转摩擦嵌入式连接方法，其特征在于：所述方法通过如下步骤实现：
S1、清理连接区域：
先对基础件(1)和嵌入件(2)的待接合区域进行表面打磨，去除待接合区域的氧化层；再清洗待接合区域，清除残余的金属粉末；
S2、物件装夹：
对完成清理工作的基础件(1)和嵌入件(2)进行装夹，基础件(1)放置在工作台(5)上并用夹具(4)固定住，嵌入件(2)固定到夹头(3)内；
S3、摩擦连接：
夹头(3)带动嵌入件(2)旋转，利用摩擦产生的热量和塑像变形将嵌入件(2)挤入基础件(1)内，完成基础件(1)和嵌入件(2)对接工作。
2.根据权利要求1所述的一种旋转摩擦嵌入式连接方法，其特征在于：所述步骤S3的具体过程如下：
S31、表面预热：
夹头(3)带动嵌入件(2)做旋转运动，同时，夹头(3)以一定的速度下压嵌入件(2)，当嵌入件(2)的底部接触到基础件(1)的上表面时停止下压，停留1～10S，对基础件(1)的连接区域进行预热；
S32、下压连接：
旋转的嵌入件(2)与基础件(1)之间摩擦放热，使基础件(1)的接触面吸热软化，当基础件(1)的表面温度达到预设温度后，嵌入件(2)继续下压，软化的基础件(1)在嵌入件(2)的下压作用下发生塑性变形，由于旋转摩擦使得嵌入件(2)的表面能被激活，嵌入件(2)的强度和硬度大于基础件(1)的强度和硬度，嵌入件(2)在夹头(3)的下压作用下被挤入基础件(1)；
S33、停留固化：
当嵌入件(2)深入到基础件(1)内部一定距离H后，夹头(3)停止进给运动，保持旋转运动1～10S；
1～10S后，夹头(3)松开嵌入件(2)并停止旋转，基础件(1)和嵌入件(2)的连接工作完成。
3.根据权利要求2所述的一种旋转摩擦嵌入式连接方法，其特征在于：步骤S32中基础件通过摩擦导致的温度升高值⊿T，使得其表面温度达到预设温度；
式中：⊿T是摩擦导致的温度升高值，℃；
μ是摩擦系数；
P是连接件之间的正压力，牛顿N；
ω是相对旋转速度，转/秒；
α基础件的热传导系数，w.℃/m；
λ是基础件的比热容，w/℃.kg；
ρ是基础件的密度，kg/m3；
t摩擦搅拌的筒壁厚度，m；
通过改变相对旋转速度ω和连接件之间的正压力P，从而改变温度升高值⊿T。
4.根据权利要求3所述的一种旋转摩擦嵌入式连接方法，其特征在于：摩擦导致的温度升高值为(0.6～0.9)T熔点。
5.根据权利要求4所述的一种旋转摩擦嵌入式连接方法，其特征在于：
所述步骤S33中的深入距离H为基础件(1)厚度的四分之三。
6.根据权利要求5所述的一种旋转摩擦嵌入式连接方法，其特征在于：所述步骤S32中的预设温度要高于嵌入件(2)材料的正烧结温度且低于基础件(1)材料的熔点温度，所述预设温度高于正烧结温度的20％～50％。
7.根据权利要求1所述的一种旋转摩擦嵌入式连接方法，其特征在于：所述嵌入件(2)的熔点和硬度高于基础件(1)时，嵌入件(2)连接部分的头部需通过切削方法或者塑性成形方法形成锥状尖端。
8.根据权利要求1所述的一种旋转摩擦嵌入式连接方法，其特征在于：所述基础件(1)和嵌入件(2)的材料性能相近时，在基础件(1)上通过切削方法或者挤压方法形成一个基础孔(6)，基础孔(6)的尺寸小于嵌入件(2)连接部位的尺寸，其尺寸关系见如下公式；嵌入件(2)连接部分的头部需通过切削方法形成倒角特征；
式中：dh是基础孔的直径；dg是嵌入件连接部分的直径，单位为cm。
9.根据权利要求1所述的一种旋转摩擦嵌入式连接方法，其特征在于：所述嵌入件(2)连接部分的头部开设有防脱沟槽(7)，以提高连接强度，确保嵌入件(2)能承受更大的扭矩和拉拔力。
10.根据权利要求1所述的一种旋转摩擦嵌入式连接方法，其特征在于：所述夹头(3)固定有用于保护嵌入件(2)的轴套。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210720 |