基于超声辅助搅拌摩擦加工实现结构内壁纳米化的方法与流程

本发明属于搅拌摩擦加工技术领域，特别是涉及一种基于超声辅助搅拌摩擦加工实现结构内壁纳米化的方法。该方法可实现铸造件，如铸铝等的表面改性，大大提高材料整体的性能。

背景技术：

表面机械加工纳米化是实现材料表面纳米化的一个重要方法，是指在外加载荷重复作用下，材料表面粗晶组织通过强烈塑性变形而逐渐细化直至纳米级。常用采用的方法是：表面机械研磨/超声喷丸、旋转辊压、超音速微粒轰击等。搅拌摩擦加工(frictionstirprocessing，fsp)是由美国的mishra博士提出，用于材料微观组织改性和晶粒细化的方法，即利用搅拌头造成加工区域材料的剧烈塑性变形、混合、破碎，实现材料微观组织的细化、均匀化与致密化，进而达到微米级、纳米级。目前，这种加工工艺方法已经在铝合金或镁合金等的材料表面改性方面取得了应用。但传统的搅拌摩擦加工需要搅拌针垂直于待焊区域、旋转前进进行加工，目前只应用于平板、曲面结构外表面。虽然可利用机械臂等装置伸入圆柱内部垂直加工，但也受到结构尺寸的限制。因此，需要一种简单、易行，能实现圆柱结构内壁材料纳米化的搅拌摩擦加工新方法。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种可对圆柱结构内表面进行表面改性的基于超声辅助搅拌摩擦加工实现结构内壁纳米化的方法。该方法能够解决传统搅拌摩擦加工需要搅拌针垂直于材料表面进行加工的问题，可以实现内壁材料纳米化；且搅拌工具结构简单，操作易行，大大提高了工作效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于超声辅助搅拌摩擦加工实现结构内壁纳米化的方法，包括如下步骤：

步骤一：将待加工圆柱结构水平放置在夹具上且装夹固定好，所述夹具在圆柱结构外壁有支撑，将超声换能器的变幅杆垂直于圆柱结构外壁设置，并形成圆周阵列；

步骤二：选择搅拌头直径比圆柱结构内壁直径大0.4～1毫米的搅拌工具，其前置轴肩直径等于圆柱结构内壁直径，后置固定轴肩直径比搅拌头直径大0.2～0.6毫米；

步骤三：将夹持柄与搅拌摩擦焊机的旋转主轴固定连接，将后置固定轴肩与搅拌摩擦焊机相连接；令搅拌工具垂直于水平面、无倾角，且与圆柱结构同轴线，前置轴肩随搅拌头旋转，后置固定轴肩不旋转；令搅拌头以500～3000转/分的转速、3～5毫米/分的速度扎入圆柱结构，令超声换能器的变幅杆随搅拌头移动，所述超声换能器的超声波振动频率为20～60千赫兹，振幅为20～60微米；待搅拌头完全进入圆柱结构内，停留进行预热，然后以500～3000转/分的转速、20～100毫米/分的速度沿圆柱结构轴线方向进行加工，直至整个圆柱结构内壁加工一次完毕；在加工过程中，后置固定轴肩随焊碾压圆柱结构内壁材料；

步骤四：当根据产品要求需要进行多道次加工时，每道次使用的搅拌工具的搅拌头直径均比上一道次使用的搅拌头直径增大0.4～1毫米，前置轴肩直径等于上一道次加工后的圆柱结构内壁直径，后置固定轴肩直径比该道次搅拌头直径大0.2～0.6毫米，加工过程同步骤三；

所述搅拌工具包括夹持柄、过渡段、搅拌头、前置轴肩及后置固定轴肩，所述夹持柄通过过渡段与搅拌头的后端固定连接，搅拌头的前端与前置轴肩固定连接；所述过渡段直径小于搅拌头直径，后置固定轴肩套装在过渡段外。

所述夹持柄与过渡段加工为一体，过渡段与搅拌头通过螺栓相连接，前置轴肩与搅拌头通过螺栓相连接。

在所述搅拌头的前端设置有前端边缘倒角，所述前端边缘倒角的角度为2～5°。

在所述过渡段的外表面设置有隔热槽。

在所述搅拌头的后部外表面设置有左手螺纹，在搅拌头的前部外表面设置有右手螺纹，在所述左手螺纹与右手螺纹之间的搅拌头外表面设置有两个圆环槽，后部的圆环槽与左手螺纹相连通，前部的圆环槽与右手螺纹相连通。

在所述两个圆环槽之间的搅拌头外表面还设置有1～2个独立圆环槽。

所述搅拌工具的材料为工具钢、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。

本发明的有益效果：

1、本发明是圆柱结构内壁表面改性的方法，可实现铸铝等圆柱结构内壁材料表面改性，通过超声辅助表面加工，内壁表面材料晶粒得到细化，尺寸达到纳米化级别，大大提高了材料表面的性能；

2、在加工过程中，搅拌工具沿圆柱结构轴线方向移动，可实现传统搅拌摩擦加工不能解决的圆柱结构内壁加工；

3、在加工过程中，材料沿左手螺纹和右手螺纹向搅拌头中间截面流动，有效防止材料溢出，形成缺陷；前置轴肩直径与圆柱结构内壁直径相等，防止加工过程中搅拌头将材料挤出形成缺陷；后置固定轴肩不旋转，随加工过程碾压，避免材料溢出、出现弧纹及表面凹陷，提高表面性能；

4、本发明的方法加工过程操作简便，搅拌工具结构简单，考虑不同圆柱结构尺寸，可以灵活替换。

附图说明

图1是本发明的方法所采用的搅拌工具的结构示意图；

图2是本发明的方法的一个实施例的加工过程剖视图；

图3是本发明的方法的一个实施例的加工过程示意图；

图中：1-夹持柄，2-过渡段，2-1-隔热槽，3-后置固定轴肩，4-搅拌头，4-1-前端边缘倒角，5-前置轴肩，6-搅拌工具，7-超声换能器的变幅杆，8-母材/圆柱结构，9-支撑，10-左手螺纹，11-圆环槽，12-右手螺纹；

h-搅拌头高度，d-搅拌头直径，dbs-后置固定轴肩直径，dfs-前置轴肩直径，d0-圆柱结构内壁直径。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

在本实施例中，根据产品要求需要进行单道次加工。

如图1～图3所示，一种基于超声辅助搅拌摩擦加工实现结构内壁纳米化的方法，包括如下步骤：

步骤一：将待加工圆柱结构8水平放置在夹具上且装夹固定好，所述夹具在圆柱结构8外壁有支撑9，防止在加工过程中圆柱结构8径向变形，将超声换能器的变幅杆7垂直于圆柱结构8外壁设置，并形成圆周阵列；

步骤二：选择搅拌头直径d比圆柱结构内壁直径d0大0.6毫米的搅拌工具6，其前置轴肩直径dfs等于圆柱结构内壁直径d0，后置固定轴肩直径dbs比搅拌头直径d大0.4毫米，圆柱结构8加工前内壁直径应留有加工余量，加工减薄后可满足生产要求；

步骤三：将夹持柄1与搅拌摩擦焊机的旋转主轴固定连接，将后置固定轴肩3与搅拌摩擦焊机相连接；令搅拌工具6垂直于水平面、无倾角，且与圆柱结构8同轴线，前置轴肩5随搅拌头4旋转，后置固定轴肩3不旋转；令搅拌头4以3000转/分的转速、5毫米/分的速度扎入圆柱结构8，令超声换能器的变幅杆7随搅拌头4移动，将超声波传递放大，所述超声换能器的超声波振动频率为40千赫兹，振幅为40微米；待搅拌头4完全进入圆柱结构8内，停留3秒进行预热，然后以3000转/分的转速、60毫米/分的速度沿圆柱结构8轴线方向进行加工，直至整个圆柱结构8内壁加工一次完毕；在加工过程中，后置固定轴肩3随焊碾压圆柱结构8内壁材料，随焊碾压深度为0.1～0.3毫米；

所述搅拌工具6为无针结构，包括夹持柄1、过渡段2、搅拌头4、前置轴肩5及后置固定轴肩3，所述夹持柄1通过过渡段2与搅拌头4的后端固定连接，搅拌头4的前端与前置轴肩5固定连接，前置轴肩5的设置可防止在加工过程中高速旋转的搅拌头4将圆柱结构8内壁软化材料挤出，形成缺陷；所述过渡段直径小于搅拌头直径d，后置固定轴肩3套装在过渡段2外，后置固定轴肩3的设置可防止材料流出，使圆柱结构8内壁表面光滑，提高表面质量。所述夹持柄1与过渡段2加工为一体，过渡段2与搅拌头4通过螺栓相连接，使搅拌头4可根据实际圆柱结构内壁直径进行更换，前置轴肩5与搅拌头4通过螺栓相连接，使前置轴肩5可根据实际圆柱结构内壁直径进行更换，所述前置轴肩5、后置固定轴肩3及搅拌头4均可拆卸、更换；前置轴肩5、后置固定轴肩3与搅拌头4的配合间隙不大于0.3毫米，防止材料挤入。在所述过渡段2的外表面设置有三个隔热槽2-1，隔热槽2-1的设置可降低焊接产热对搅拌摩擦焊机旋转主轴的影响；在所述搅拌头4的前端设置有前端边缘倒角4-1，所述前端边缘倒角4-1的角度为2°。

在所述搅拌头4的后部外表面设置有左手螺纹10，在搅拌头4的前部外表面设置有右手螺纹12，随着搅拌头4的旋转，材料流动趋势为向螺纹中间流动；根据实际加工效果，左手螺纹10与右手螺纹12沿轴线长度可以并不相等。在所述左手螺纹10与右手螺纹12之间的搅拌头4外表面设置有两个圆环槽11，后部的圆环槽与左手螺纹10相连通，前部的圆环槽与右手螺纹12相连通；为了改善流动性，在所述两个圆环槽11之间的搅拌头4外表面还设置有1～2个独立圆环槽。

所述搅拌工具6的材料为工具钢、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等，可以重复使用。

所述超声换能器的变幅杆7设置不少于8个，可通过控制沿圆柱结构8轴线及圆周移动，并不与圆柱结构8外壁夹具干涉；其沿圆柱结构8轴线移动速度与搅拌头4加工速度一致，沿圆周旋转速度不大于5毫米/分。