用于圆筒内壁加工的逆向旋转搅拌摩擦加工装置及方法与流程

本发明属于搅拌摩擦加工技术领域，具体涉及用于圆筒内壁加工的逆向旋转搅拌摩擦加工装置及方法。

背景技术：

搅拌摩擦加工是从搅拌摩擦焊演变而来的一种加工方法，又称为搅拌摩擦处理，其基本原理是通过搅拌头对被加工材料的强烈搅拌作用使之发生剧烈塑性变形、混合、破碎，实现材料微观组织的细化、均匀化和致密化；搅拌摩擦加工可以消除铸造产品中的缩松，缩孔等缺陷，还可以细化晶粒，进而提高材料整体性能；目前针对圆筒结构内壁的搅拌摩擦加工方法并不多，主要方法就是搅拌头沿圆筒结构的轴线垂直扎入，利用搅拌头外壁与圆筒内壁摩擦，采用这种方法进行单道搅拌摩擦加工往往效果不明显，需要多道加工后才能有一定效果提升，而多道加工需要制作多个尺寸的搅拌头配合加工，增加了加工成本；另外，单一搅拌头加工过程阻力大，能耗大，对设备要求苛刻，因此，需要更加简便易行的圆筒内壁搅拌摩擦加工装置及加工方法。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的问题,本发明提供一种用于圆筒内壁加工的逆向旋转搅拌摩擦加工装置及方法，技术方案如下：

一种用于圆筒内壁加工的逆向旋转搅拌摩擦加工装置，包括同轴且自上而下依次设置的搅拌头b、搅拌头a和前置轴肩，搅拌头b、搅拌头a和前置轴肩的直径依次减小，搅拌头b和搅拌头a的旋转方向相反。

所述搅拌头b的高度为搅拌头a的高度的1～2倍。

所述搅拌头b和搅拌头a的外表面均设置有螺纹，二者的螺纹的旋向相反，设置螺纹的目的在于促进圆筒内壁材料流动，进一步提高加工效果。

所述搅拌头b的下端、搅拌头a的上下两端均设置有边缘倒角，所述边缘倒角的角度为2～5°。

所述搅拌摩擦加工装置的材质为工具钢、合金钢、不锈钢、硬质合金、镍基合金、钨基合金或多晶立方氮化硼。

所述搅拌头a的螺纹为通槽螺纹，搅拌头b的螺纹为不通槽螺纹，搅拌头b的螺纹自搅拌头b的下端起始，截止于距搅拌头b上端面3～5mm处。

一种用于圆筒内壁加工的逆向旋转搅拌摩擦加工方法，采用前述的一种用于圆筒内壁加工的逆向旋转搅拌摩擦加工装置，包括以下步骤：

步骤1、将待加工圆筒结构竖直放置在夹具上，并对圆筒结构装夹固定，所述夹具对圆筒结构的外壁施加有向内的支撑力；

步骤2、选择搅拌摩擦加工装置，所述搅拌摩擦加工装置的前置轴肩直径等于圆筒结构的内径，搅拌头a的直径比圆筒结构的内径大0.4～1mm，搅拌头b的直径比搅拌头a的直径大0.4～1mm；

步骤3、将搅拌摩擦加工装置与搅拌摩擦焊机的旋转主轴固定连接，令搅拌摩擦加工装置垂直于水平面，并与圆筒结构同轴，搅拌头a以500～3000转/分的速度旋转，搅拌头b与搅拌头a反向以500～5000转/分的速度旋转，使搅拌摩擦加工装置扎入圆筒结构，下降速度为3～5毫米/分，直至搅拌摩擦加工装置完全进入圆筒结构内；

步骤4、搅拌摩擦加工装置停止下降对圆柱结构的内壁进行预热，然后继续沿圆柱结构轴线进行加工，行进速度为30～300毫米/分，直至整个圆筒结构内壁加工完毕。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明是圆筒结构铸件，特别是铸铝等铸件内壁表面改性的方法；通过表面加工，内壁表面材料晶粒得到细化，提高了结构整体性能。

2、在加工过程中，搅拌摩擦加工装置沿圆筒结构的轴线方向转动，可实现传统搅拌摩擦加工不能解决的圆筒结构内壁加工。

3、提高了加工效率，原来需要多道加工的，现在可以大大减少加工道数，甚至一次完成。

4、减少了多道次加工需要的加工工具的生产制造，节约成本。

5、减小了加工的阻力，降低能耗，减少对设备的要求限制。

附图说明

图1为本发明搅拌摩擦加工装置的结构示意图；

图2为本发明搅拌摩擦加工装置的剖面结构示意图；

图3为本发明搅拌摩擦加工方法的加工过程示意图。

其中：1-搅拌头a；2-搅拌头b；3-前置轴肩；4-搅拌头b外表面的螺纹；5-搅拌头a外表面的螺纹；6-边缘倒角；7-圆筒结构；7-1-搅拌头a加工去除的材料，7-2-搅拌头b加工去除的材料；7-3-圆筒结构经本发明加工后的剩余材料；8-支撑力；

d0-圆筒结构的内径；ds-前置轴肩的直径；d1-搅拌头a的直径；d2-搅拌头b的直径。

具体实施方式

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

实施例1

如图1至图3所示，本发明提供了一种用于圆筒内壁加工的逆向旋转搅拌摩擦加工装置，包括同轴且自上而下依次设置的搅拌头b2、搅拌头a1和前置轴肩3，搅拌头b2、搅拌头a1和前置轴肩3的直径依次减小，搅拌头b2和搅拌头a1的旋转方向相反。

所述搅拌头b2的高度h2为搅拌头a1的高度h1的2倍。

所述搅拌头b2和搅拌头a1的外表面均设置有螺纹，具体的，搅拌头b外表面的螺纹4为右手螺纹，搅拌头a外表面的螺纹5为左手螺纹，且二者的旋转速度可以不同。

所述搅拌头b2的下端、搅拌头a1的上下两端均设置有边缘倒角6，所述边缘倒角6的角度为2°。

所述搅拌摩擦加工装置的材质为工具钢、合金钢、不锈钢、硬质合金、镍基合金、钨基合金或多晶立方氮化硼。

所述搅拌头a外表面的螺纹5为通槽螺纹，搅拌头b外表面的螺纹4为不通槽螺纹，搅拌头b2外表面的螺纹4自搅拌头b2的下端起始，截止于距搅拌头b2上端面3mm处。

一种用于圆筒内壁加工的逆向旋转搅拌摩擦加工方法，采用前述的一种用于圆筒内壁加工的逆向旋转搅拌摩擦加工装置，包括以下步骤：

步骤1、将待加工圆筒结构7竖直放置在夹具上，并对圆筒结构7装夹固定，所述夹具对圆筒结构7的外壁施加有向内的支撑力8；

步骤2、选择搅拌摩擦加工装置，所述搅拌摩擦加工装置的前置轴肩3的直径ds等于圆筒结构7的内径d0，搅拌头a1的直径d1比圆筒结构7的内径d0大0.4mm，搅拌头b2的直径d2比搅拌头a1的直径d1大0.4mm；

步骤3、将搅拌摩擦加工装置与搅拌摩擦焊机的旋转主轴固定连接，令搅拌摩擦加工装置垂直于水平面，并与圆筒结构7同轴，搅拌头a1以500转/分的速度旋转，搅拌头b2与搅拌头a1反向以500转/分的速度旋转，使搅拌摩擦加工装置扎入圆筒结构7，下降速度为3毫米/分，直至搅拌摩擦加工装置完全进入圆筒结构7内；

步骤4、搅拌摩擦加工装置停止下降对圆柱结构的内壁进行预热，持续3s，然后继续沿圆柱结构轴线进行加工，行进速度为30毫米/分，直至整个圆筒结构7内壁加工完毕。

如图3中所示，7-1区域为搅拌头a1加工去除的材料，7-2区域为搅拌头b加工去除的材料，7-3为圆筒结构经本发明加工后的剩余材料。

实施例2

本发明提供了一种用于圆筒内壁加工的逆向旋转搅拌摩擦加工装置，包括同轴且自上而下依次设置的搅拌头b2、搅拌头a1和前置轴肩3，搅拌头b2、搅拌头a1和前置轴肩3的直径依次减小，搅拌头b2和搅拌头a1的旋转方向相反。

所述搅拌头b2的高度h2为搅拌头a1的高度h1的2倍。

所述搅拌头b2和搅拌头a1的外表面均设置有螺纹，具体的，搅拌头b外表面的螺纹4为左手螺纹，搅拌头a外表面的螺纹5为右手螺纹，且二者的旋转速度可以不同。

所述搅拌头b2的下端、搅拌头a1的上下两端均设置有边缘倒角6，所述边缘倒角6的角度为5°。

所述搅拌摩擦加工装置的材质为工具钢、合金钢、不锈钢、硬质合金、镍基合金、钨基合金或多晶立方氮化硼。

所述搅拌头a外表面的螺纹5为通槽螺纹，搅拌头b外表面的螺纹4为不通槽螺纹，搅拌头b2外表面的螺纹4自搅拌头b2的下端起始，截止于距搅拌头b2上端面5mm处。

一种用于圆筒内壁加工的逆向旋转搅拌摩擦加工方法，采用前述的一种用于圆筒内壁加工的逆向旋转搅拌摩擦加工装置，包括以下步骤：

步骤1、将待加工圆筒结构7竖直放置在夹具上，并对圆筒结构7装夹固定，所述夹具对圆筒结构7的外壁施加有向内的支撑力8；

步骤2、选择搅拌摩擦加工装置，所述搅拌摩擦加工装置的前置轴肩3的直径ds等于圆筒结构7的内径d0，搅拌头a1的直径d1比圆筒结构7的内径d0大1mm，搅拌头b2的直径d2比搅拌头a1的直径d1大1mm；

步骤3、将搅拌摩擦加工装置与搅拌摩擦焊机的旋转主轴固定连接，令搅拌摩擦加工装置垂直于水平面，并与圆筒结构7同轴，搅拌头a1以3000转/分的速度旋转，搅拌头b2与搅拌头a1反向以5000转/分的速度旋转，使搅拌摩擦加工装置扎入圆筒结构7，下降速度为5毫米/分，直至搅拌摩擦加工装置完全进入圆筒结构7内；

步骤4、搅拌摩擦加工装置停止下降对圆柱结构的内壁进行预热，持续10s，然后继续沿圆柱结构轴线进行加工，行进速度为300毫米/分，直至整个圆筒结构7内壁加工完毕。

实施例3

本发明提供了一种用于圆筒内壁加工的逆向旋转搅拌摩擦加工装置，包括同轴且自上而下依次设置的搅拌头b2、搅拌头a1和前置轴肩3，搅拌头b2、搅拌头a1和前置轴肩3的直径依次减小，搅拌头b2和搅拌头a1的旋转方向相反。

所述搅拌头b2的高度h2为搅拌头a1的高度h1的1.5倍。

所述搅拌头b2和搅拌头a1的外表面均设置有螺纹，具体的，搅拌头b外表面的螺纹4为左手螺纹，搅拌头a外表面的螺纹5为右手螺纹，且二者的旋转速度可以不同。

所述搅拌头b2的下端、搅拌头a1的上下两端均设置有边缘倒角6，所述边缘倒角6的角度为4°。

所述搅拌摩擦加工装置的材质为工具钢、合金钢、不锈钢、硬质合金、镍基合金、钨基合金或多晶立方氮化硼。

所述搅拌头a外表面的螺纹5为通槽螺纹，搅拌头b外表面的螺纹4为不通槽螺纹，搅拌头b2外表面的螺纹4自搅拌头b2的下端起始，截止于距搅拌头b2上端面4mm处。

一种用于圆筒内壁加工的逆向旋转搅拌摩擦加工方法，采用前述的一种用于圆筒内壁加工的逆向旋转搅拌摩擦加工装置，包括以下步骤：

步骤1、将待加工圆筒结构7竖直放置在夹具上，并对圆筒结构7装夹固定，所述夹具对圆筒结构7的外壁施加有向内的支撑力8；

步骤2、选择搅拌摩擦加工装置，所述搅拌摩擦加工装置的前置轴肩3的直径ds等于圆筒结构7的内径d0，搅拌头a1的直径d1比圆筒结构7的内径d0大0.6mm，搅拌头b2的直径d2比搅拌头a1的直径d1大0.8mm；

步骤3、将搅拌摩擦加工装置与搅拌摩擦焊机的旋转主轴固定连接，令搅拌摩擦加工装置垂直于水平面，并与圆筒结构7同轴，搅拌头a1以2000转/分的速度旋转，搅拌头b2与搅拌头a1反向以3000转/分的速度旋转，使搅拌摩擦加工装置扎入圆筒结构7，下降速度为3毫米/分，直至搅拌摩擦加工装置完全进入圆筒结构7内；

步骤4、搅拌摩擦加工装置停止下降对圆柱结构的内壁进行预热，持续6s，然后继续沿圆柱结构轴线进行加工，行进速度为30毫米/分，直至整个圆筒结构7内壁加工完毕。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。