CN115476030A - 一种内螺纹的搅拌摩擦焊修复加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种内螺纹的搅拌摩擦焊修复加工方法，将内螺纹加工与螺纹焊接分阶段进行，针对内螺纹加工条件差、要求精度高的工件先进行螺纹精密加工制成内螺纹圆环，再利用内螺纹圆环和螺栓式搅拌针配合进行内螺纹搅拌摩擦焊焊修复加工的方法，可有效防止在加工条件差的情况下出现的因为刀具破损、切屑难排、丝锥断裂堵塞等加工问题，能够明显提升工件的加工效率和合格率。
Description
技术领域
本发明涉及搅拌摩擦焊接技术领域，具体涉及一种内螺纹的搅拌摩擦焊修复加工方法。
背景技术
随着工程技术的不断发展，在航空航天、现代化机械设备等工业中，螺纹零件是很重要的紧固连接件，而且使用量很大。由于内螺纹加工属于半封闭多刃切削，加工条件较差，对内螺纹的加工造成了一定难度。近年来，先进材料的发展也在不断深入，如强度大、弹性模量小的钛合金等高强度材料。所以对特种难加工材料内螺纹的修复加工方法提出了更高的要求，尤其是针对难加工材料小孔内螺纹的修复加工方法提出了更高的要求。
中国发明专利CN104227312A、中国发明专利CN105537849A、中国发明专利CN105798405A、中国发明专利CN106270828A采用将轴套放入螺纹孔中再加工的方式修复螺纹孔。该方法操作简单，但是轴套与螺纹孔的接触面是机械结合没有实现冶金结合，很容易在使用过程中造成脱落，这将很大程度上降低该结构的工作能力，增大危险系数。
中国发明专利CN106475734A、中国发明专利CN106002081A采用熔焊补焊并再次攻丝修复螺纹孔的方法。该方法只能实现深度较小的孔径的修复，对于深度较大的孔的修复无法满足填充金属与内壁较好的冶金结合，易出现孔洞、裂纹等缺陷，无法满足高质量内螺纹的加工要求。
中国发明专利CN101886652A公开了一种螺纹件及利用螺纹修复零件的方法。该方法采用螺纹内部点胶的方式修复螺纹孔开裂的问题，但是胶接存在结合力不足的缺陷，不利于螺纹孔修复后的长久使用。
中国发明专利CN110640295B公开了一种螺纹孔的搅拌摩擦焊修复用搅拌头及方法。该方法采用在待修孔内添加填充材料，采用带有螺旋槽搅拌针的搅拌头进行修复，回抽阶段对螺纹孔进行修复和攻丝，实现螺纹修复加工。但是该方法由于焊后要进行回抽攻丝，搅拌头设计复杂，一方面不适合小直径的内螺纹加工，另外对于难加工材料对刀具要求高，易出现刀具损坏、切屑不易排出、加工效率低等问题。
上述方法虽然能够实现对工件内螺纹的修复和加工，但都是采取先填充材料，再螺纹加工的方法，对于封闭环境较高的零件的螺纹孔进行修复时，切屑不易排出、加工条件差、刀具易损坏、丝锥断裂难取出等问题，导致螺纹孔所在的整个零件报废。
发明内容
基于上述背景技术，为了克服现有的内螺纹修复加工方法所存在的不足，本发明提出了一种内螺纹搅拌摩擦修复加工方法，针对内螺纹加工条件差、要求精度高的工件进行先进行螺纹精密加工，再进行内螺纹焊接的方法实现内螺纹环外壁与螺纹孔内壁接触面的均匀无缺陷的冶金结合，有效防止由于刀具破损、切屑难排、丝锥断裂堵塞零件螺纹孔而造成螺纹孔所属零件报废等加工问题。同时，本发明易实现自动化焊接，能实现内螺纹加工与焊接分阶段进行，明显提升工件的加工效率和合格率。
为了实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种内螺纹的搅拌摩擦焊修复加工方法，其特殊之处在于，包括步骤：
步骤一，加工内螺纹圆环和螺栓式搅拌头，以及对待焊接修复加工的螺纹孔进行预处理加工：
所述内螺纹圆环的壁厚为1-10mm；
所述螺栓式搅拌头由沿轴向依次连接的夹持部、轴肩和螺栓式搅拌针组成；所述螺栓式搅拌针为外壁具有外螺纹的圆柱，且与所述内螺纹圆环形成螺栓连接的配合关系，且长度为所述内螺纹圆环高度的0.7-1倍；螺栓式搅拌针的端部具有圆弧形倒角；
所述预处理加工是指沿待焊接修复加工的螺纹孔内壁方向对其扩孔处理得到扩大孔槽并对其清洁至呈现出均匀金属光泽；所述扩大孔槽的深度为待焊接修复加工的螺纹孔的深度，所述扩大孔槽的直径根据所述内螺纹圆环的尺寸确定，使其与内螺纹圆环形成过盈量为0.2-1mm的过盈配合；
所述轴肩的直径大于所述扩大孔槽的直径；
步骤二，安装具有需要修复加工的内螺纹孔的工件、所述螺栓式搅拌头和内螺纹圆环：
将具有需要修复加工的内螺纹孔的工件放置在搅拌摩擦焊机器的装夹平台上，放置时使该内螺纹孔朝上且与装夹平台垂直，调整使得内螺纹孔周向的所述扩大孔槽的中心轴线与搅拌摩擦焊机器的主轴同轴后对所述工件进行装夹固定；
将所述螺栓式搅拌头安装在搅拌摩擦焊机器的主轴上；
将所述内螺纹圆环安装到所述螺栓式搅拌头的搅拌针上；
步骤三：搅拌摩擦焊接：
启动搅拌摩擦焊机器，焊接参数为：
所述螺栓式搅拌头的旋转速度ω为100-10000rpm，旋转方向与其与所述圆环内螺纹螺纹配合的拧紧方向相同；所述螺栓式搅拌头的下轧速度为0.1-10mm/min；所述螺栓式搅拌头停止下轧时机为所述内螺纹圆环的底面与待修复焊接的内螺纹孔的底部接触时停止下轧；所述螺栓式搅拌头停止下轧后，保持100-10000rpm的旋转速度8-15s；
步骤四：拆除所述螺栓式搅拌头；
步骤五：焊后处理。
进一步地，步骤一中：对于厚度为2-5mm的薄壁件，所述内螺纹圆环的壁厚为1-3mm；对于厚度为5mm以上的厚壁件，所述内螺纹圆环的壁厚为5-10mm。
进一步地，步骤一中：所述内螺纹圆环的材料与具有待修复加工的内螺纹孔的工件材料相同。
进一步地，步骤一中：所述内螺纹圆环的材料与具有待修复加工的内螺纹孔的工件材料不同。
进一步地，步骤一中：所述螺栓式搅拌针端部的圆弧形倒角后的直径比待修复加工的内螺纹孔公称直径小0.5-1mm。
进一步地，步骤一中：所述轴肩的直径与所述螺栓式搅拌针的直径比为2:1-10:1。
本发明的有益效果：
1、本发明实现内螺纹加工与螺纹焊接分阶段进行，针对内螺纹加工条件差、要求精度高的工件先进行螺纹精密加工制成内螺纹圆环，再利用内螺纹圆环和螺栓式搅拌针配合进行内螺纹搅拌摩擦焊焊修复加工的方法，可有效防止在加工条件差的情况下出现的因为刀具破损、切屑难排、丝锥断裂堵塞等加工问题。
2、本发明利用固相搅拌摩擦焊方法对内螺纹孔进行焊接，能够避免内螺纹圆环外壁与螺纹孔内壁间气孔、夹渣、晶粒粗大和热裂纹等缺陷的产生，而且能够实现接触面的冶金结合，提高螺纹孔内壁与内螺纹圆环的连接质量。
3、本发明中内螺纹圆环在螺栓式搅拌针的带动下实现高速旋转，从而利用摩擦热实现与螺纹孔的摩擦焊接，在热力耦合作用下使接触内壁的杂质以及氧化膜破碎，大大提高接触面的焊后结合效果，实现高质量连接，保证内螺纹在服役过程中的力学性能可靠性。
4、本发明中采用的螺栓式搅拌针螺纹与内螺纹圆环形成配合关系，焊后便于取出，方便再次利用，大大节约资源降低成本，提高应用率。
5、本发明中采用的填充材料可以为与工件母材一样的材料，也可以为具有特殊性能的材料，能够实现异种材料内螺纹的加工，为内螺纹的加工拓宽了材料选择，提高了其应用背景。
6、本发明的修复方法也适用于对螺纹孔内的螺纹牙磨损和缺失缺陷的修复，如图1所示。
附图说明
图1为待焊接加工螺纹孔上加工扩孔的示意图。
图2为待焊接加工螺纹孔内预焊接的内螺纹圆环的示意图。
图3为螺栓式搅拌头的示意图。
图4为带有内螺纹圆环的螺栓式搅拌头的示意图。
图5为带有内螺纹圆环的螺栓式搅拌头向下运动至待加工螺纹孔的示意图。
图6为带有螺栓式搅拌头焊接完成的示意图。
图7为焊接完拆解下螺栓式搅拌头的示意图。
1-扩大孔槽，2-夹持部，21-平台，3-轴肩，4-搅拌针，5-搅拌头，6-内螺纹圆环，7-具有需要修复加工的内螺纹孔的工件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明所提供的内螺纹的搅拌摩擦焊加工方法，包括以下步骤：
步骤一，加工内螺纹圆环6和螺栓式搅拌头5，以及对待焊接修复加工的螺纹孔进行预处理加工：
1.加工内螺纹圆环6：如图2所示，根据工作环境要求选用同种材料或异种材料，保证内螺纹圆环6的内螺纹尺寸与螺栓式搅拌头5的搅拌针4外壁的外螺纹相匹配，内螺纹圆环6的壁厚(牙底到外径的厚度)为1-10mm，对于薄壁件(如需修复加工的螺纹孔处零件的壁厚为2-5mm)选择内螺纹圆环6的壁厚为1-3mm，对于厚壁件(如需修复加工的螺纹孔处零件的壁厚为5-10mm)，选择内螺纹圆环6的壁厚为3-5mm，对于更大厚度的件，内螺纹圆环6的壁厚为10mm就能够满足修复；内螺纹圆环6的高度为待修复螺纹孔深度的1-1.2倍；内螺纹圆环6加工好后对其内螺纹孔以及外壁进行去油污和异物的清洁，直至呈现出均匀的金属光泽，再用有机溶剂(例如酒精)进行清洗，待用。
2.对需要修复加工的内螺纹孔进行预处理加工：沿内螺纹孔内壁方向，利用铣刀对其进行扩孔处理得到扩大孔槽1，扩大孔槽1的深度为需要修复加工的内螺纹孔的深度，扩大孔槽1的直径根据已加工的内螺纹圆环6的尺寸而定，保证扩大孔槽1与内螺纹圆环6形成过盈配合(过盈量为0.2-1mm)，加工后对内孔进行去油污和异物清洁处理，保证呈现出均匀金属光泽，再采用酒精清洗等待焊接。
3.加工螺栓式搅拌头5：如图3所示，螺栓式搅拌头5由沿轴向依次连接的夹持部2、轴肩3和螺栓式搅拌针4组成，搅拌针4的端部具有圆弧形倒角，搅拌针4为外壁具有外螺纹的圆柱，圆柱的直径和其上外螺纹尺寸与内螺纹圆环6形成螺栓连接的配合关系；搅拌针4的长度等于需修复加工的内螺纹孔的高度；搅拌针4的长度为内螺纹圆环6高度的0.7-1倍。搅拌针4端部圆弧倒角后的直径比修复加工的内螺纹孔公称直径小0.5-1mm；轴肩3的直径大于扩大孔槽1的直径，优选的，轴肩3的直径与搅拌针4的直径比为2:1-10:1；搅拌头5的材料选用韧性好、强度高、耐高温的材料，例如高温合金；搅拌头5的刚度和耐磨性要优于内螺纹圆环6以及需要焊接修复的内螺纹孔的材料。
本步骤中，加工内螺纹圆环6、螺栓式搅拌头5以及对内螺纹孔进行预处理加工没有特定的先后顺序，只要满足上述要求的匹配关系即可。
步骤二：安装具有需要修复加工的内螺纹孔的工件7、搅拌头5和内螺纹圆环6：
将具有需要修复加工的内螺纹孔的工件7放置在搅拌摩擦焊机器的装夹平台上，放置时使该内螺纹孔朝上且与装夹平台垂直，调整使得内螺纹孔周向的扩大孔槽1的中心轴线与搅拌摩擦焊机器的主轴同轴后对工件7进行装夹固定；将搅拌头5安装在搅拌摩擦焊机器的主轴上，此时搅拌头5与扩大孔槽1同轴；将加工好的内螺纹圆环6安装到螺栓式搅拌头5的搅拌针4上，至此，准备工作完成。
步骤三：搅拌摩擦焊接：
启动搅拌摩擦焊机器，设定搅拌头5的旋转速度ω为100-10000rpm，旋转方向与其与圆环内螺纹6螺纹配合的拧紧方向相同，同时以v1＝0.1-10mm/min的速度向下运动，带内螺纹圆环6的搅拌针4下轧并与扩大孔槽1的内壁接触摩擦产热，当内螺纹圆环6的底面端部与待修复焊接的内螺纹孔的底部接触时停止下轧运动，保持100-10000rpm的旋转速度8-15s，关闭搅拌摩擦焊机器，待搅拌头缓慢停止旋转运动，完成焊接。
步骤四：拆除搅拌头5：
待焊接后螺纹孔冷却至室温，将带有螺栓式搅拌头5直接反转旋拧下，即完成焊接。
步骤五：焊后处理：
对拆卸搅拌头5后的螺纹孔周围多余的毛刺飞边进行焊后处理，如果内螺纹圆环6的高度大于待修复孔的深度，焊后切除打磨即可，保证表面平整无多余物，即完成内螺纹孔的修复加工处理。
实施例1
螺栓式搅拌头5由沿轴向依次连接的夹持部2、轴肩3和螺栓式搅拌针4组成，搅拌针4端部具有圆弧形倒角，搅拌针4为外壁具有外螺纹的圆柱，该外螺纹与内螺纹圆环6的内螺纹形成螺栓式连接配合；搅拌头4的夹持部2上加工有平台21以便于其被夹持，使用时利用顶紧螺钉顶紧平台21将搅拌头2固定于搅拌摩擦焊机器的主轴上。
沿待加工螺纹孔的周向加工扩大孔槽1，内螺纹圆环6的高度与扩大孔槽1的深度相同，
一种内螺纹的搅拌摩擦焊加工方法，包括以下步骤：
步骤1，将具有待修复加工的M8×20mm螺纹孔的2024铝合金构件尺寸为24mm×24mm×24mm固定于铣床上，利用铣刀沿待加工螺纹孔周向均匀加工扩大孔槽1，扩大孔槽1的直径为14mm，高度为20mm；加工好扩大孔槽1后，去除油污和异物，并使用酒精清洗。
步骤2，加工内螺纹圆环6，该内螺纹圆环6的壁厚为6.4mm，高度等于20mm，内孔壁为内螺纹且尺寸M8的2024铝合金内螺纹圆环6。
步骤3，加工螺栓式搅拌头5，该螺栓式搅拌头5由沿轴向依次连接的夹持部2、轴肩3和螺栓式搅拌针4组成，搅拌针4的端部具有圆弧形倒角，搅拌针4为外壁具有外螺纹的圆柱，搅拌针4的直径和其上外螺纹尺寸为M8的螺栓尺寸，搅拌针4长为20mm，轴肩3直径为18mm，搅拌针4端部圆弧倒角后的直径为0.5-1mm。
步骤4，将具有待修复加工的M8*20mm螺纹孔的2024铝合金构件放置于搅拌摩擦焊机器的装夹平台上，调整使得深度为20mm的扩大孔槽1的中心轴线与搅拌摩擦焊机器的主轴同轴，对铝合金构件进行装夹固定；将螺栓式搅拌头5安装在搅拌摩擦焊机器的主轴上，将搅拌头5的夹持部2上的平台21对准机器主轴的顶紧螺钉孔，并用顶紧螺钉顶紧平台21从而将搅拌头与主轴相连。
步骤5，将步骤2制作好的内螺纹圆环6安装到螺栓式搅拌头5的搅拌针4上。
步骤6，启动搅拌摩擦焊机器，设置搅拌头5的旋转速度ω为2000rpm并顺时针旋转，下轧速度v1设置为0.8-2mm/min；当搅拌头5的轴肩3与待修复加工螺纹孔的上表面接触时，停止下轧，保持旋转速度2000rpm并停留8-15s，然后关闭搅拌摩擦焊机，待搅拌摩擦焊接机自动停止冷却后，逆时针旋转搅拌头5即可将其取下，获得焊接加工修复后的M8螺纹。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于，步骤2中，加工的内螺纹圆环6材料为7075铝合金，可实现异种材料内螺纹圆环的焊接；其余步骤与实施例1相同。
Claims (6)
1.一种内螺纹的搅拌摩擦焊修复加工方法，其特征在于，包括步骤：
步骤一，加工内螺纹圆环和螺栓式搅拌头，以及对待焊接修复加工的螺纹孔进行预处理加工：
所述内螺纹圆环的壁厚为1-10mm；
所述螺栓式搅拌头由沿轴向依次连接的夹持部、轴肩和螺栓式搅拌针组成；所述螺栓式搅拌针为外壁具有外螺纹的圆柱，且与所述内螺纹圆环形成螺栓连接的配合关系，且长度为所述内螺纹圆环高度的0.7-1倍；螺栓式搅拌针的端部具有圆弧形倒角；
所述预处理加工是指沿待焊接修复加工的螺纹孔内壁方向对其扩孔处理得到扩大孔槽并对其清洁至呈现出均匀金属光泽；所述扩大孔槽的深度为待焊接修复加工的螺纹孔的深度，所述扩大孔槽的直径根据所述内螺纹圆环的尺寸确定，使其与内螺纹圆环形成过盈量为0.2-1mm的过盈配合；
所述轴肩的直径大于所述扩大孔槽的直径；
步骤二，安装具有需要修复加工的内螺纹孔的工件、所述螺栓式搅拌头和内螺纹圆环：
将具有需要修复加工的内螺纹孔的工件放置在搅拌摩擦焊机器的装夹平台上，放置时使该内螺纹孔朝上且与装夹平台垂直，调整使得内螺纹孔周向的所述扩大孔槽的中心轴线与搅拌摩擦焊机器的主轴同轴后对所述工件进行装夹固定；
将所述螺栓式搅拌头安装在搅拌摩擦焊机器的主轴上；
将所述内螺纹圆环安装到所述螺栓式搅拌头的搅拌针上；
步骤三：搅拌摩擦焊接：
启动搅拌摩擦焊机器，焊接参数为：
所述螺栓式搅拌头的旋转速度ω为100-10000rpm，旋转方向与其与所述圆环内螺纹螺纹配合的拧紧方向相同；所述螺栓式搅拌头的下轧速度为0.1-10mm/min；所述螺栓式搅拌头停止下轧时机为所述内螺纹圆环的底面与待修复焊接的内螺纹孔的底部接触时停止下轧；所述螺栓式搅拌头停止下轧后，保持100-10000rpm的旋转速度8-15s；
步骤四：拆除所述螺栓式搅拌头；
步骤五：焊后处理。
2.根据权利要求1所述的内螺纹的搅拌摩擦焊修复加工方法，其特征在于，步骤一中：对于厚度为2-5mm的薄壁件，所述内螺纹圆环的壁厚为1-3mm；对于厚度为5mm以上的厚壁件，所述内螺纹圆环的壁厚为5-10mm。
3.根据权利要求2所述的内螺纹的搅拌摩擦焊修复加工方法，其特征在于，步骤一中：所述内螺纹圆环的材料与具有待修复加工的内螺纹孔的工件材料相同。
4.根据权利要求2所述的内螺纹的搅拌摩擦焊修复加工方法，其特征在于，步骤一中：所述内螺纹圆环的材料与具有待修复加工的内螺纹孔的工件材料不同。
5.根据权利要求1-4任一所述的内螺纹的搅拌摩擦焊修复加工方法，其特征在于，步骤一中：所述螺栓式搅拌针端部的圆弧形倒角后的直径比待修复加工的内螺纹孔公称直径小0.5-1mm。
6.根据权利要求5所述的内螺纹的搅拌摩擦焊修复加工方法，其特征在于，步骤一中：所述轴肩的直径与所述螺栓式搅拌针的直径比为2:1-10:1。
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