本發(fā)明屬于攪拌摩擦加工技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種實(shí)現(xiàn)圓柱結(jié)構(gòu)內(nèi)壁攪拌摩擦加工的方法。該方法可實(shí)現(xiàn)圓柱狀鑄造件，如鑄鋁等的表面改性，大大提高材料本身的性能。

背景技術(shù)：

英國(guó)焊接研究所于1991年提出的攪拌摩擦焊(frictionstirwelding，fsw)是一種新型固相焊技術(shù)，具有工作效率高、節(jié)能、無污染、焊接變形小、焊縫質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車、船舶、電子等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用對(duì)象?；跀嚢枘Σ梁傅乃枷耄绹?guó)的mishra博士提出了攪拌摩擦加工(frictionstirprocessing，fsp)，即利用攪拌頭造成加工區(qū)域材料的劇烈塑性變形、混合、破碎，實(shí)現(xiàn)材料微觀組織的細(xì)化、均勻化與致密化。目前，這種加工工藝方法在鋁合金或鎂合金等的材料表面改性方面取得了大量的成果。但從目前的研究現(xiàn)狀來看，由于傳統(tǒng)的攪拌摩擦焊需要攪拌針垂直于待焊區(qū)域、旋轉(zhuǎn)前進(jìn)進(jìn)行焊接，基于此技術(shù)的攪拌摩擦加工只能應(yīng)用于平板、曲面結(jié)構(gòu)外表面。雖然可利用機(jī)械臂等裝置伸入圓柱內(nèi)部垂直加工，但也受到結(jié)構(gòu)尺寸的限制。因此，需要一種簡(jiǎn)單、易行，能實(shí)現(xiàn)圓柱結(jié)構(gòu)內(nèi)壁材料表面改性的攪拌摩擦加工新方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種可對(duì)圓柱結(jié)構(gòu)內(nèi)表面進(jìn)行表面改性的實(shí)現(xiàn)圓柱結(jié)構(gòu)內(nèi)壁攪拌摩擦加工的方法。該方法能夠解決傳統(tǒng)攪拌摩擦加工需要垂直表面進(jìn)行加工的問題，可以適用多道次表面加工的要求；且攪拌工具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作易行，大大提高了工作效率。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種實(shí)現(xiàn)圓柱結(jié)構(gòu)內(nèi)壁攪拌摩擦加工的方法，包括如下步驟：

步驟一：將待加工圓柱結(jié)構(gòu)水平放置在夾具上且裝夾固定好，所述夾具在圓柱結(jié)構(gòu)外壁有支撐；

步驟二：選擇攪拌頭直徑比圓柱結(jié)構(gòu)內(nèi)壁直徑大0.4～1毫米的攪拌工具，其前置軸肩直徑等于圓柱結(jié)構(gòu)內(nèi)壁直徑；

步驟三：將夾持柄與攪拌摩擦焊機(jī)的旋轉(zhuǎn)主軸固定連接，令攪拌工具垂直于水平面、無傾角，且與圓柱結(jié)構(gòu)同軸線，令攪拌工具以500～3000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速、3～5毫米/分的速度扎入圓柱結(jié)構(gòu)，直至攪拌頭完全進(jìn)入圓柱結(jié)構(gòu)內(nèi)；停留進(jìn)行預(yù)熱，然后以500～3000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速、30～100毫米/分的速度沿圓柱結(jié)構(gòu)軸線方向進(jìn)行加工，直至整個(gè)圓柱結(jié)構(gòu)內(nèi)壁加工一次完畢；

步驟四：當(dāng)根據(jù)產(chǎn)品要求需要進(jìn)行多道次加工時(shí)，每道次使用的攪拌工具的攪拌頭直徑均比上一道次使用的攪拌頭直徑增大0.4～1毫米，前置軸肩直徑等于上一道次加工后的圓柱結(jié)構(gòu)內(nèi)壁直徑，加工過程同步驟三；

所述攪拌工具包括夾持柄、過渡段、攪拌頭及前置軸肩，所述夾持柄通過過渡段與攪拌頭的后端固定連接，攪拌頭的前端與前置軸肩固定連接。

所述夾持柄與過渡段加工為一體，過渡段與攪拌頭通過螺栓相連接，前置軸肩與攪拌頭通過螺栓相連接。

在所述攪拌頭的前端設(shè)置有前端邊緣倒角，所述前端邊緣倒角的角度為2～5°。

在所述過渡段的外表面設(shè)置有隔熱槽。

在所述攪拌頭的后部外表面設(shè)置有左手螺紋，在攪拌頭的前部外表面設(shè)置有右手螺紋，在所述左手螺紋與右手螺紋之間的攪拌頭外表面設(shè)置有兩個(gè)圓環(huán)槽，后部的圓環(huán)槽與左手螺紋相連通，前部的圓環(huán)槽與右手螺紋相連通。

在所述兩個(gè)圓環(huán)槽之間的攪拌頭外表面還設(shè)置有1～2個(gè)獨(dú)立圓環(huán)槽。

所述攪拌工具的材料為工具鋼、合金鋼、不銹鋼、硬質(zhì)合金、鎳基合金、鎢基合金或多晶立方氮化硼。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明是圓柱結(jié)構(gòu)鑄件，特別是鑄鋁等鑄件內(nèi)壁表面改性的方法；通過表面加工，內(nèi)壁表面材料晶粒得到細(xì)化，提高了結(jié)構(gòu)整體性能；

2、在加工過程中，攪拌工具沿圓柱結(jié)構(gòu)軸線方向移動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)攪拌摩擦加工不能解決的圓柱結(jié)構(gòu)內(nèi)壁加工；

3、在加工過程中，材料沿左手螺紋和右手螺紋向攪拌頭中間截面流動(dòng)以及前置軸肩的阻擋，均能有效防止材料溢出，形成缺陷；

4、本發(fā)明的方法加工過程操作簡(jiǎn)便，攪拌工具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，考慮不同圓柱結(jié)構(gòu)尺寸，可以靈活替換。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的方法所采用的攪拌工具的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施例的加工過程示意圖；

圖中：1-夾持柄，1-1-夾持面，2-過渡段，2-1-隔熱槽，3-攪拌頭，3-1-左手螺紋，3-2-圓環(huán)槽，3-3-右手螺紋，3-4-前端邊緣倒角，4-前置軸肩，5-圓柱結(jié)構(gòu)，5-1-第一次加工減薄材料，5-2-第二次加工減薄材料，5-3-母材/加工后圓柱結(jié)構(gòu)，6-支撐力；

h-攪拌頭高度，d-攪拌頭直徑，ds-前置軸肩直徑，d0-圓柱結(jié)構(gòu)內(nèi)壁直徑，d1-第一次加工攪拌頭直徑，d2-第二次加工攪拌頭直徑。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

在本實(shí)施例中，根據(jù)產(chǎn)品要求需要進(jìn)行兩道次加工；在圖2中，(a)是第一次加工過程，(b)是第二次加工過程。

如圖1、圖2所示，一種實(shí)現(xiàn)圓柱結(jié)構(gòu)內(nèi)壁攪拌摩擦加工的方法，包括如下步驟：

步驟一：將待加工圓柱結(jié)構(gòu)5水平放置在夾具上且裝夾固定好，所述夾具在圓柱結(jié)構(gòu)5外壁有支撐6，防止在加工過程中圓柱結(jié)構(gòu)5徑向變形；

步驟二：選擇攪拌工具，第一次加工攪拌頭直徑d1比圓柱結(jié)構(gòu)內(nèi)壁直徑d0大0.6毫米，其前置軸肩直徑等于圓柱結(jié)構(gòu)內(nèi)壁直徑d0，圓柱結(jié)構(gòu)5加工前內(nèi)壁直徑應(yīng)留有加工余量，加工減薄后可滿足生產(chǎn)要求；

步驟三：攪拌工具通過夾持柄1上的夾持面1-1與攪拌摩擦焊機(jī)的旋轉(zhuǎn)主軸固定連接，令攪拌工具垂直于水平面、無傾角，且與圓柱結(jié)構(gòu)5同軸線；令攪拌工具以2000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速、5毫米/分的速度扎入圓柱結(jié)構(gòu)5，直至攪拌頭3完全進(jìn)入圓柱結(jié)構(gòu)5內(nèi)；停留3秒進(jìn)行預(yù)熱，然后以2000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速、60毫米/分的速度沿圓柱結(jié)構(gòu)5軸線方向進(jìn)行加工，直至整個(gè)圓柱結(jié)構(gòu)5內(nèi)壁加工一次完畢；

步驟四：將第一次加工的攪拌頭連同前置軸肩拆下，換為第二次加工的攪拌頭和前置軸肩，第二次加工攪拌頭直徑d2比第一次加工攪拌頭直徑d1大0.6毫米，其前置軸肩直徑等于上一道次加工后的圓柱結(jié)構(gòu)內(nèi)壁直徑，即第一次加工攪拌頭直徑d1；

步驟五：攪拌工具通過夾持柄1上的夾持面1-1與攪拌摩擦焊機(jī)的旋轉(zhuǎn)主軸固定連接，令攪拌工具垂直于水平面、無傾角，且與圓柱結(jié)構(gòu)5同軸線；令攪拌工具以2000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速、5毫米/分的速度扎入圓柱結(jié)構(gòu)5，直至攪拌頭3完全進(jìn)入圓柱結(jié)構(gòu)5內(nèi)；停留3秒進(jìn)行預(yù)熱，然后以2000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速、60毫米/分的速度沿圓柱結(jié)構(gòu)5軸線方向進(jìn)行加工，直至整個(gè)圓柱結(jié)構(gòu)5內(nèi)壁加工一次完畢。

所述攪拌工具為無針結(jié)構(gòu)，包括夾持柄1、過渡段2、攪拌頭3及前置軸肩4，所述夾持柄1通過過渡段2與攪拌頭3的后端固定連接，攪拌頭3的前端與前置軸肩4固定連接，前置軸肩4的設(shè)置可防止在加工過程中高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭3將圓柱結(jié)構(gòu)內(nèi)壁軟化材料擠出，形成缺陷；所述夾持柄1與過渡段2加工為一體，過渡段2與攪拌頭3通過螺栓相連接，使攪拌頭3可根據(jù)實(shí)際圓柱結(jié)構(gòu)內(nèi)壁直徑進(jìn)行更換，前置軸肩4與攪拌頭3通過螺栓相連接，使前置軸肩4可根據(jù)實(shí)際圓柱結(jié)構(gòu)內(nèi)壁直徑進(jìn)行更換，所述前置軸肩4和攪拌頭3均可拆卸、更換。在所述過渡段2的外表面設(shè)置有三個(gè)隔熱槽2-1，隔熱槽2-1的設(shè)置可降低焊接產(chǎn)熱對(duì)攪拌摩擦焊機(jī)主軸的影響；在所述攪拌頭3的前端設(shè)置有前端邊緣倒角3-4，所述前端邊緣倒角3-4的角度為2°。

在所述攪拌頭3的后部外表面設(shè)置有左手螺紋3-1，在攪拌頭3的前部外表面設(shè)置有右手螺紋3-3，隨著攪拌頭3的旋轉(zhuǎn)，材料流動(dòng)趨勢(shì)為向螺紋中間流動(dòng)；根據(jù)實(shí)際加工效果，左手螺紋3-1與右手螺紋3-3沿軸線長(zhǎng)度可以并不相等。在所述左手螺紋3-1與右手螺紋3-3之間的攪拌頭3外表面設(shè)置有兩個(gè)圓環(huán)槽3-2，后部的圓環(huán)槽與左手螺紋3-1相連通，前部的圓環(huán)槽與右手螺紋3-3相連通；為了改善流動(dòng)性，在所述兩個(gè)圓環(huán)槽3-2之間的攪拌頭3外表面還設(shè)置有1～2個(gè)獨(dú)立圓環(huán)槽。

所述攪拌工具的材料為工具鋼、合金鋼、不銹鋼、硬質(zhì)合金、鎳基合金、鎢基合金或多晶立方氮化硼等，可以重復(fù)使用。