專(zhuān)利名稱(chēng)：一種控冷環(huán)境下超聲輔助半固態(tài)攪拌摩擦加工工藝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種攪拌摩擦加工工藝方法，尤其涉及一種控冷環(huán)境下超聲輔助半固態(tài)攪拌摩擦加工工藝方法。
背景技術(shù)：
:攪拌摩擦加工(Friction stir processing, FSP)是美國(guó)的Mishra博士在攪拌摩擦焊的基礎(chǔ)上提出來(lái)的一種新的材料加工技術(shù)。這種技術(shù)的基本原理是由軸肩與攪拌針組成的攪拌工具與工件表面摩擦將工件局部加熱，軟化、強(qiáng)烈塑性變形、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，從而在攪拌區(qū)域形成致密細(xì)小的顯微組織，有利于改善材料的力學(xué)性能。目前，F(xiàn)SP已在金屬微觀組織細(xì)化、超塑性材料制備、表面復(fù)合材料以及納米相增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料等方面取得了應(yīng)用。從研究者的報(bào)道來(lái)看，許多基于FSP的新工藝，如水浸FSP、多道次FSP被提出，以希望獲得盡可能小尺寸的顯微組織，使材料在力學(xué)性等方面得到大幅度提高。發(fā)明內(nèi)容:為了使鋁合金、鎂合金等低熔點(diǎn)合金材料實(shí)現(xiàn)表面超細(xì)晶/納米化，提出控冷環(huán)境下超聲輔助半固態(tài)攪拌摩擦加工工藝方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種控冷環(huán)境下超聲輔助半固態(tài)攪拌摩擦加工工藝方法，具體采用以下步驟:步驟一、將待加工的板材放置在水平的工作臺(tái)上且用夾具裝夾固定好；步驟二、攪拌裝置以500 7000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速扎入板材表面，扎入速度為2 8mm/分，軸肩不旋轉(zhuǎn)且其端面與板材上表面接觸后，沿垂直板材表面的方向繼續(xù)下壓0.1
0.3mm,以便于超聲波傳遞給板材的待加工部分；超聲換能器的超聲波通過(guò)不旋轉(zhuǎn)軸肩傳遞放大，將超聲波傳遞到板材的軟化區(qū)，最終達(dá)到利用超聲波在半固態(tài)材料中傳播時(shí)產(chǎn)生的聲空化效應(yīng)細(xì)化晶粒的效果；其中，超聲換能器產(chǎn)生的超聲波的參數(shù)如下:頻率為20 60K以及振幅為20 50 μ m。步驟三、當(dāng)攪拌工具達(dá)到設(shè)定的下扎深度時(shí)，攪拌針停止下扎且繼續(xù)旋轉(zhuǎn)3 8分鐘，進(jìn)行材料預(yù)熱；步驟四、確定攪拌工具的行進(jìn)路線，打開(kāi)位于攪拌工具后面的冷卻裝置開(kāi)始加載冷源，然后攪拌工具以50 1500mm/分的速度沿著板材縱向方向從左至右往返梯次向前運(yùn)動(dòng)，其中兩個(gè)冷卻裝置根據(jù)行進(jìn)方向交替切換，時(shí)刻確保冷卻裝置位于攪拌裝置后方，直到整個(gè)板材表面加工完畢為止；其中冷卻介質(zhì)可采用水冷或氣冷等方式，冷卻水的溫度在O 200°C之間或冷卻氣體在0°C以下。攪拌裝置包括攪拌工具和冷卻裝置，冷卻裝置環(huán)繞在攪拌裝置的四周并可實(shí)現(xiàn)冷卻位置的調(diào)節(jié)。其中攪拌工具由超聲換能器、不旋轉(zhuǎn)軸肩及攪拌針組成，超聲換能器與不旋轉(zhuǎn)軸肩的上端面緊密貼合，此處的不旋轉(zhuǎn)軸肩充當(dāng)超聲換能器的變幅桿，將超聲波放大并傳遞到待加工區(qū)域；不旋轉(zhuǎn)軸肩套裝在攪拌針上，其中攪拌針成錐形且?guī)в新菁y，其直徑較大，錐角小，大大增加了與材料相互摩擦的接觸面，進(jìn)而提高了待加工部分的溫度熱量，便于材料半固態(tài)現(xiàn)象的出現(xiàn)。本發(fā)明的有益效果:一、在加工過(guò)程中，被加工材料達(dá)到半固態(tài)，是一種半固態(tài)攪拌摩擦加工方法，與常規(guī)攪拌摩擦加工方法不同。為使材料達(dá)到半固態(tài)，攪拌針需高速旋轉(zhuǎn)，使具有更小粘度的半固態(tài)材料經(jīng)歷更大的應(yīng)變以及應(yīng)變速率，以利于晶粒細(xì)化。二、在加工過(guò)程中，攪拌針高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生熱量，不旋轉(zhuǎn)軸肩面向出現(xiàn)液化成份的材料表面施加超聲波振動(dòng)，利用超聲波在半固態(tài)材料中傳播時(shí)產(chǎn)生的聲空化效應(yīng)細(xì)化晶粒；三、在加工過(guò)程中，軸肩不旋轉(zhuǎn)，因此不會(huì)產(chǎn)生弧紋等結(jié)構(gòu)，使加工后的材料后處
理工作簡(jiǎn)單；四、在加工過(guò)程中，利用緊隨攪拌加工工具同步移動(dòng)的激冷裝置，在攪拌工具后面形成馬鞍形溫度場(chǎng)，可大幅度縮短加工后材料晶粒的長(zhǎng)大時(shí)間，使鋁合金、鎂合金等低熔點(diǎn)材料的表面超細(xì)晶/納米晶化成為可能。同時(shí)，具有溫差拉伸效應(yīng)的馬鞍形溫度場(chǎng)可減少由加工熱引起的熱變形。


:圖1是攪拌裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的工藝過(guò)程示意圖。圖3是攪拌摩擦加工過(guò)程攪拌工具與板材的位置關(guān)系示意圖。圖中1.超聲換能器，2.不旋轉(zhuǎn)軸肩，3.攪拌針，4.冷卻裝置，5.攪拌工具，6.板材。
具體實(shí)施方式
:實(shí)施例1如圖1-圖3所示，一種控冷環(huán)境下超聲輔助半固態(tài)攪拌摩擦加工工藝方法，具體采用以下步驟:步驟一、將待加工的板材6放置在水平的工作臺(tái)上且用夾具裝夾固定好；步驟二、攪拌針3以5000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速ω扎入板材表面，扎入速度V為2mm/分，軸肩2不旋轉(zhuǎn)且其端面與板材6上表面接觸后，沿垂直板材6表面的方向繼續(xù)下壓0.2mm,，且攪拌針3扎入板材6深度H比板材厚度T至少小0.3mm ;其中軸肩2，超聲換能器I的超聲波通過(guò)不旋轉(zhuǎn)軸肩2傳遞放大，將超聲波傳遞到板材6的軟化區(qū)，最終達(dá)到利用超聲波在半固態(tài)材料中傳播時(shí)產(chǎn)生的聲空化效應(yīng)細(xì)化晶粒的效果；其中，超聲換能器I產(chǎn)生的超聲波的參數(shù)如下:頻率為45K以及振幅為40 μ mo步驟三、當(dāng)攪拌工具5達(dá)到設(shè)定的下扎深度時(shí)，攪拌針3停止下扎且繼續(xù)旋轉(zhuǎn)8分鐘，進(jìn)行材料預(yù)熱；步驟四、確定攪拌工具5的行進(jìn)路線，打開(kāi)位于攪拌工具5后面的冷卻裝置4開(kāi)始供冷氣，然后攪拌工具5以1300mm/分的速度v沿著板材縱向方向從左至右往返梯次向前運(yùn)動(dòng)，其中兩個(gè)冷卻裝置4根據(jù)行進(jìn)方向交替切換，時(shí)刻確保冷卻裝置4位于攪拌裝置后方，直到整個(gè)板材6表面加工完畢為止；其中冷卻介質(zhì)可采用水冷或氣冷等方式，冷卻水的溫度在O°C或冷卻氣體在_50°C。攪拌裝置包括攪拌工具5和冷卻裝置4，冷卻裝置4環(huán)繞在攪拌裝置5的四周并可實(shí)現(xiàn)冷卻位置的調(diào)節(jié)。其中攪拌工具5由超聲換能器1、不旋轉(zhuǎn)軸肩2及攪拌針3組成，超聲換能器I與不旋轉(zhuǎn)軸肩2的上端面緊密貼合，此處的不旋轉(zhuǎn)軸肩2充當(dāng)超聲換能器I的變幅桿，將超聲波放大并傳遞到待加工部分；不旋轉(zhuǎn)軸肩2套裝在攪拌針3上，其中攪拌針3成錐形且?guī)в新菁y，其直徑較大，錐角小，大大增加了與材料相互摩擦的接觸面，進(jìn)而提高了待加工部分的溫度熱量，便于材料半固態(tài)現(xiàn)象的出現(xiàn)。實(shí)施例2:本實(shí)施例在步驟二中，所述的攪拌針的旋轉(zhuǎn)速度為7000轉(zhuǎn)/分?？筛鶕?jù)待加工板材加工過(guò)程中溫度的具體情況來(lái)選擇攪拌針的旋轉(zhuǎn)速度，使材料達(dá)到半固態(tài)。其它步驟與實(shí)施例一相同。實(shí)施例3 :本實(shí)施例在步驟三中，所述的攪拌工具5以50mm/分的速度沿著水平方向移動(dòng)?？筛鶕?jù)待加工板材加工過(guò)程中的溫度的具體情況來(lái)選擇攪拌工具的移動(dòng)速度，使材料達(dá)到半固態(tài)。其它步驟與實(shí)施例一相同。實(shí)施例4 :本實(shí)施例在步驟三中，所述的當(dāng)攪拌工具5達(dá)到設(shè)定的下扎深度時(shí)，攪拌針I(yè)停止下扎且繼續(xù)旋轉(zhuǎn)6分鐘?？筛鶕?jù)待加工板材加工過(guò)程中的溫度的具體情況來(lái)選擇攪拌針的繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)間，使板材得到充分的預(yù)熱，使材料更容易達(dá)到半固態(tài)。其它步驟與實(shí)施例3相同。實(shí)施例5 :本實(shí)施例在步驟四中，所述的冷卻介質(zhì)為水，且水溫度為25°C。可根據(jù)待加工板材加工過(guò)程中的晶粒細(xì)化以及殘余變形控制程度來(lái)選擇冷卻水的溫度。其它步驟與實(shí)施例4相同。實(shí)施例6 :本實(shí)施例在步驟四中，所述的冷卻介質(zhì)為氬氣，且氣體溫度為_(kāi)50°C?？筛鶕?jù)待加工板材加工過(guò)程中的晶粒細(xì)化以及殘余變形控制程度來(lái)選擇冷卻氣體的溫度。其它步驟與實(shí)施例4相同。
權(quán)利要求
1.一種控冷環(huán)境下超聲輔助半固態(tài)攪拌摩擦加工工藝方法，具體采用以下步驟: 步驟一、將待加工的板材放置在水平的工作臺(tái)上且用夾具裝夾固定好； 步驟二、攪拌裝置以500 7000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速扎入板材表面，扎入速度為2 8_/分，軸肩不旋轉(zhuǎn)且與工件上邊表面需保持緊密貼合；超聲換能器的超聲波通過(guò)不旋轉(zhuǎn)軸肩傳遞放大，將超聲波傳遞到板材的軟化區(qū)，最終達(dá)到利用超聲波在半固態(tài)材料中傳播時(shí)產(chǎn)生的聲空化效應(yīng)細(xì)化晶粒的效果； 步驟三、當(dāng)攪拌工具達(dá)到設(shè)定的下扎深度時(shí)，攪拌針停止下扎且繼續(xù)旋轉(zhuǎn)3 8分鐘，進(jìn)行材料預(yù)熱； 步驟四、確定攪拌工具的行進(jìn)路線，打開(kāi)位于攪拌工具后面的冷卻裝置開(kāi)始加載冷源，然后攪拌工具以50 1500mm/分的速度沿著板材縱向方向從左至右往返梯次向前運(yùn)動(dòng),其中兩個(gè)冷卻裝置根據(jù)行進(jìn)方向交替切換，時(shí)刻確保冷卻裝置位于攪拌裝置后方，直到整個(gè)板材表面加工完畢為止。
2.如權(quán)利要求1所述的一種控冷環(huán)境下超聲輔助半固態(tài)攪拌摩擦加工工藝方法，其特征在于:所述的攪拌裝置包括攪拌工具和冷卻裝置，冷卻裝置環(huán)繞在攪拌裝置的四周；其中冷卻介質(zhì)可采用水冷或氣冷，冷卻水的溫度在O 200°C之間或冷卻氣體在0°C以下。
3.如權(quán)利要求2所述的一種控冷環(huán)境下超聲輔助半固態(tài)攪拌摩擦加工工藝方法，其特征在于:所述的攪拌工具由超聲換能器、不旋轉(zhuǎn)軸肩及攪拌針組成，超聲換能器與不旋轉(zhuǎn)軸肩的上端面緊密貼合，不旋轉(zhuǎn)軸肩套裝在攪拌針上。
4.如權(quán)利要求1或3所述的一種控冷環(huán)境下超聲輔助半固態(tài)攪拌摩擦加工工藝方法，其特征在于:所述的攪拌針成錐形且?guī)в新菁y，最大直徑大于1.5倍待加工板材厚度，錐角小于5° ,長(zhǎng)度至少小于待加工板材0.3mm。
5.如權(quán)利要求2所述的一種控冷環(huán)境下超聲輔助半固態(tài)攪拌摩擦加工工藝方法，其特征在于:所述的超聲換能器產(chǎn)生的超聲波的參數(shù)如下:頻率為20 60K以及振幅為20 50 μ m0
全文摘要
一種控冷環(huán)境下超聲輔助半固態(tài)攪拌摩擦加工工藝方法，具體采用以下步驟將待加工的板材放置在水平的工作臺(tái)上且用夾具裝夾固定好；攪拌裝置扎入板材表面；超聲換能器的超聲波通過(guò)不旋轉(zhuǎn)軸肩傳遞放大，將超聲波傳遞到板材的軟化區(qū)，最終達(dá)到利用超聲波在半固態(tài)材料中傳播時(shí)產(chǎn)生的聲空化效應(yīng)細(xì)化晶粒的效果；當(dāng)攪拌工具達(dá)到設(shè)定的下扎深度時(shí)，攪拌針停止下扎且繼續(xù)旋轉(zhuǎn)3～8分鐘；確定攪拌工具的行進(jìn)路線，打開(kāi)位于攪拌工具后面的冷卻裝置開(kāi)始加載冷源，然后攪拌工具沿著板材縱向方向從左至右往返梯次向前運(yùn)動(dòng)，其中兩個(gè)冷卻裝置根據(jù)行進(jìn)方向交替切換，時(shí)刻確保冷卻裝置位于攪拌裝置后方，直到整個(gè)板材表面加工完畢為止。
文檔編號(hào)B23K20/12GK103071917SQ20131004900
公開(kāi)日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2013年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月7日
發(fā)明者岳玉梅, 姬書(shū)得, 高雙勝, 張利國(guó), 呂贊, 李亮, 馬秩男 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)航空航天大學(xué)