專利名稱：一種提高金屬構(gòu)件連接孔強(qiáng)度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料加工領(lǐng)域，特別提供了一種提高金屬構(gòu)件連接孔強(qiáng)度的方法。
背景技術(shù)：
一些金屬構(gòu)件在工作時(shí)，其某些局部部位要進(jìn)行開孔(螺孔與光孔)以實(shí)現(xiàn)與其它構(gòu)件的連接，這一區(qū)域長(zhǎng)期受到反復(fù)的拉壓、扭轉(zhuǎn)等作用，極易出現(xiàn)脫扣、撕裂等方式的損壞，整個(gè)構(gòu)件也就失效，甚至出現(xiàn)事故。若將這些關(guān)鍵工作部位進(jìn)行強(qiáng)化以改善其性能，提高連接可靠性，則可以增加整個(gè)構(gòu)件的壽命，減少事故的發(fā)生。鍛造、軋制、擠壓等塑性變形工藝可以大幅提高構(gòu)件的性能，但會(huì)改變零件的形狀，對(duì)于已成型的復(fù)雜構(gòu)件無能為力。因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)已成型的復(fù)雜構(gòu)件進(jìn)行局部強(qiáng)化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣泛的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種提高金屬構(gòu)件連接孔強(qiáng)度的方法，以解決金屬構(gòu)件極易出現(xiàn)脫扣、撕裂等方式的損壞問題，從而大幅度提高構(gòu)件的壽命，減少事故的發(fā)生。本發(fā)明提供了一種提高金屬構(gòu)件連接孔強(qiáng)度的方法，其主要是在金屬構(gòu)件上需要開孔(螺孔或是光孔)的區(qū)域進(jìn)行攪拌摩擦加工，通過劇烈的材料塑性變形，使該區(qū)域組織細(xì)化、致密化、均勻化，形成致密的鍛造組織，其力學(xué)性能得以大幅改善，提高其連接強(qiáng)度與可造性，從而延長(zhǎng)整個(gè)構(gòu)件的服役壽命，其特征在于具體的步驟如下，
——準(zhǔn)備將金屬構(gòu)件固定在工作平臺(tái)上；
——攪拌摩擦加工對(duì)金屬構(gòu)件上需要開孔的區(qū)域進(jìn)行攪拌摩擦加工，其中摩擦加工的工藝參數(shù)為，加工區(qū)的深度為0-100mm、加工工具轉(zhuǎn)速200-4000轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度 20-1000毫米/分鐘。其中，所述攪拌摩擦加工為單道次或多道次搭接加工，當(dāng)為多道次搭接加工時(shí)，搭接率為30-100%，其中，多道次搭接加工前后相鄰道次之間具有一定的重復(fù)部分，該重復(fù)部分面積占單獨(dú)道次面積的比率稱為搭接率。為了提高冷卻速度和增加金屬構(gòu)件的強(qiáng)化效果，可以將金屬構(gòu)件放入壓縮空氣氣流、水或過冷液中，溫度為 80 °C 0 °(的條件下進(jìn)行攪拌摩擦加工；比如一邊加工，一邊對(duì)加工區(qū)吹壓縮空氣或先將工裝安裝在水槽中，放滿水沒過工件，然后開始加工。本發(fā)明提供的提高金屬構(gòu)件連接孔強(qiáng)度的方法適用于金屬構(gòu)件的材質(zhì)為鋁合金、 鎂合金、銅合金、鋅合金、鈦合金、鐵合金。攪拌摩擦加工是在攪拌摩擦焊基本原理基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的金屬材料塑性加工技術(shù)。在攪拌工具的劇烈機(jī)械作用下，加工區(qū)材料升溫、軟化并發(fā)生強(qiáng)塑性變化，原始粗大組織破碎，脆性第二相破碎或溶解并均勻分布，孔隙在攪拌針的攪動(dòng)和軸肩的碾壓作用下彌合，使原始組織轉(zhuǎn)變成為致密的鍛壓組織。與其它塑性加工技術(shù)相比，攪拌摩擦加工工序簡(jiǎn)單，一步加工即可實(shí)現(xiàn)材料微觀結(jié)構(gòu)的細(xì)化、致密化、均勻化。這種強(qiáng)化是通過調(diào)整加工區(qū)的微觀組織實(shí)現(xiàn)的，無需外來添加物，其過程類似于機(jī)械加工，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、 自動(dòng)化，且無有害物質(zhì)產(chǎn)生，綠色環(huán)保。
攪拌摩擦加工的單道次加工區(qū)可以小至幾個(gè)平方毫米，對(duì)于大面積可通過多道次搭接實(shí)現(xiàn)，加工方式靈活，可根據(jù)被加工件的復(fù)雜程度進(jìn)行工藝調(diào)整。其加工深度可深達(dá)幾十毫米，從而實(shí)現(xiàn)“立體化”強(qiáng)化處理。本發(fā)明提供的提高金屬構(gòu)件連接孔強(qiáng)度的方法，具有加工工藝流程短、成本低、易于操作，綠色環(huán)保，可以解決工業(yè)界的連接難題的優(yōu)點(diǎn)。


圖1為復(fù)雜形狀鋁合金鑄件的正面視圖； 圖2為復(fù)雜形狀鋁合金鑄件的底面視圖3為安裝完引出板的復(fù)雜形狀鋁合金鑄件的俯視圖； 圖4為FSP后復(fù)雜形狀鋁合金鑄件的俯視圖； 圖5為打磨處理后的復(fù)雜形狀鋁合金鑄件的俯視圖； 圖6為引出部位的測(cè)試圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
如圖1、圖2所示為某單位生產(chǎn)的復(fù)雜形狀鋁合金鑄件，材料為ZAlSi7MglAt5進(jìn)一步機(jī)械加工時(shí)需要在四個(gè)突臺(tái)上開孔并配螺栓。由于鑄造鋁合金的組織粗大，力學(xué)性能低，加工性能差，加工時(shí)螺紋上易出現(xiàn)缺口 ；服役中此處常常出現(xiàn)在破損，導(dǎo)致零件失效。我們首先根據(jù)鑄件形狀設(shè)計(jì)出合理的安裝夾具和引出板結(jié)構(gòu)(見圖3)，使用夾具將鋁合金鑄件固定在工作平臺(tái)上，然后采用轉(zhuǎn)速2000轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度400毫米/分鐘的工藝參數(shù)對(duì)該零件的四個(gè)柱狀區(qū)進(jìn)行攪拌摩擦加工強(qiáng)化處理，加工區(qū)的深度為15mm，其過程如圖4 6所示。經(jīng)攪拌摩擦加工后，其延伸率提高300%，平均硬度提高50%，在沒有改變鑄件的整體構(gòu)造而使其局部得到強(qiáng)化。避免了加工螺紋時(shí)缺口的出現(xiàn)，該工件在服役壽命提高1倍以上。實(shí)施例2
某大型發(fā)蘭件采用A356鋁合金鑄造而成，由于是鑄件，其組織粗大，并含有粗大的共晶Si枝晶結(jié)構(gòu)、魚骨狀的Mg2Si、含鐵相以及縮孔等，其強(qiáng)度、韌性和疲勞性能等，受縮孔含量和尺寸、共晶Si顆粒的形狀和尺寸及分布均勻程度的影響。在光孔處易出現(xiàn)疲勞裂紋而從而使零件失效。將其固定在工作平臺(tái)上后，在轉(zhuǎn)速1500轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度300毫米 /分鐘、搭接率為50%的條件下進(jìn)行攪拌摩擦加工后，加工后該區(qū)域的晶粒細(xì)化，鋁枝晶破碎，粗大針狀Si相破碎并均勻分布，加工區(qū)抗拉強(qiáng)度與延伸率分別比母材提高80%與600% 以上，疲勞強(qiáng)度提高150%，克服了使用過程中連接孔周圍裂紋的出現(xiàn)，零件使用壽命提高1 倍以上。實(shí)施例3
某框架結(jié)構(gòu)，由AZ91D鎂合金鑄造而成，需要開孔與鋼結(jié)構(gòu)底座連接。由于晶界上分布著網(wǎng)狀金屬間化合物，鑄件具有低的強(qiáng)度和塑性，在開孔處易出現(xiàn)疲勞裂紋而從而使零件失效。將鑄件固定在工作平臺(tái)上后，在轉(zhuǎn)速300轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度20毫米/分鐘、搭接率為30%的條件下進(jìn)行兩次攪拌摩擦加工后，加工后該區(qū)域的晶粒細(xì)化，粗大網(wǎng)狀相破碎并均勻分布，抗拉強(qiáng)度與延伸率分別提高150%與300%。零件在服役過程中無連接孔開裂問題，使用壽使提高1倍以上。
權(quán)利要求
1.一種提高金屬構(gòu)件連接孔強(qiáng)度的方法，其特征在于具體的步驟如下，—準(zhǔn)備階段將金屬構(gòu)件固定在工作平臺(tái)上；—攪拌摩擦加工對(duì)金屬構(gòu)件上需要開孔的區(qū)域進(jìn)行攪拌摩擦加工，其中摩擦加工的工藝參數(shù)為，加工工具轉(zhuǎn)速200-4000轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度20-1000毫米/分鐘。
2.按照權(quán)利要求1所述提高金屬構(gòu)件連接孔強(qiáng)度的方法，其特征在于將金屬構(gòu)件放入壓縮空氣氣流、水或過冷液中，溫度為-80 °C 0 °C的條件下進(jìn)行攪拌摩擦加工。
3.按照權(quán)利要求1所述提高金屬構(gòu)件連接孔強(qiáng)度的方法，其特征在于摩擦加工的加工區(qū)深度為0-100mm。
4.按照權(quán)利要求1所述提高金屬構(gòu)件連接孔強(qiáng)度的方法，其特征在于所述攪拌摩擦加工為單道次或多道次搭接加工。
5.按照權(quán)利要求4所述提高金屬構(gòu)件連接孔強(qiáng)度的方法，其特征在于所述多道次搭接加工中搭接率為30-100%，其中，多道次搭接加工前后相鄰道次之間具有一定的重復(fù)部分，該重復(fù)部分面積占單獨(dú)道次面積的比率稱為搭接率。
6.按照權(quán)利要求1所述提高金屬構(gòu)件連接孔強(qiáng)度的方法，其特征在于所述金屬構(gòu)件的材質(zhì)為鋁合金、鎂合金、銅合金、鋅合金、鈦合金、鐵合金。
全文摘要
一種提高金屬構(gòu)件連接孔強(qiáng)度的方法，其特征在于具體的步驟如下，準(zhǔn)備階段將金屬構(gòu)件固定在工作平臺(tái)上；攪拌摩擦加工對(duì)金屬構(gòu)件上需要開孔的區(qū)域進(jìn)行攪拌摩擦加工，其中摩擦加工的工藝參數(shù)為，加工工具轉(zhuǎn)速200-4000轉(zhuǎn)/分鐘、行進(jìn)速度20-1000毫米/分鐘；具有加工工藝流程短、成本低、易于操作，綠色環(huán)保，可以解決工業(yè)界的連接難題的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C21D8/00GK102560041SQ20101060469
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月24日
發(fā)明者倪丁瑞, 王東, 肖伯律, 馬宗義 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院金屬研究所