本發(fā)明屬于攪拌摩擦加工技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于超聲輔助攪拌摩擦加工實現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁納米化的方法。該方法可實現(xiàn)鑄造件，如鑄鋁等的表面改性，大大提高材料整體的性能。

背景技術(shù)：

表面機械加工納米化是實現(xiàn)材料表面納米化的一個重要方法，是指在外加載荷重復(fù)作用下，材料表面粗晶組織通過強烈塑性變形而逐漸細化直至納米級。常用采用的方法是：表面機械研磨/超聲噴丸、旋轉(zhuǎn)輥壓、超音速微粒轟擊等。攪拌摩擦加工(frictionstirprocessing，fsp)是由美國的mishra博士提出，用于材料微觀組織改性和晶粒細化的方法，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，實現(xiàn)材料微觀組織的細化、均勻化與致密化，進而達到微米級、納米級。目前，這種加工工藝方法已經(jīng)在鋁合金或鎂合金等的材料表面改性方面取得了應(yīng)用。但傳統(tǒng)的攪拌摩擦加工需要攪拌針垂直于待焊區(qū)域、旋轉(zhuǎn)前進進行加工，目前只應(yīng)用于平板、曲面結(jié)構(gòu)外表面。雖然可利用機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，需要一種簡單、易行，能實現(xiàn)圓柱結(jié)構(gòu)內(nèi)壁材料納米化的攪拌摩擦加工新方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種可對圓柱結(jié)構(gòu)內(nèi)表面進行表面改性的基于超聲輔助攪拌摩擦加工實現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁納米化的方法。該方法能夠解決傳統(tǒng)攪拌摩擦加工需要攪拌針垂直于材料表面進行加工的問題，可以實現(xiàn)內(nèi)壁材料納米化；且攪拌工具結(jié)構(gòu)簡單，操作易行，大大提高了工作效率。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種基于超聲輔助攪拌摩擦加工實現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁納米化的方法，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，將超聲換能器的變幅桿垂直于圓柱結(jié)構(gòu)外壁設(shè)置，并形成圓周陣列；

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，后置固定軸肩直徑比攪拌頭直徑大0.2～0.6毫米；

步驟三：將夾持柄與攪拌摩擦焊機的旋轉(zhuǎn)主軸固定連接，將后置固定軸肩與攪拌摩擦焊機相連接；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，前置軸肩隨攪拌頭旋轉(zhuǎn)，后置固定軸肩不旋轉(zhuǎn)；令攪拌頭以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)，令超聲換能器的變幅桿隨攪拌頭移動，所述超聲換能器的超聲波振動頻率為20～60千赫茲，振幅為20～60微米；待攪拌頭完全進入圓柱結(jié)構(gòu)內(nèi)，停留進行預(yù)熱，然后以500～3000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速、20～100毫米/分的速度沿圓柱結(jié)構(gòu)軸線方向進行加工，直至整個圓柱結(jié)構(gòu)內(nèi)壁加工一次完畢；在加工過程中，后置固定軸肩隨焊碾壓圓柱結(jié)構(gòu)內(nèi)壁材料；

步驟四：當根據(jù)產(chǎn)品要求需要進行多道次加工時，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，后置固定軸肩直徑比該道次攪拌頭直徑大0.2～0.6毫米，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、前置軸肩及后置固定軸肩，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；所述過渡段直徑小于攪拌頭直徑，后置固定軸肩套裝在過渡段外。

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。

在所述兩個圓環(huán)槽之間的攪拌頭外表面還設(shè)置有1～2個獨立圓環(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)內(nèi)壁表面改性的方法，可實現(xiàn)鑄鋁等圓柱結(jié)構(gòu)內(nèi)壁材料表面改性，通過超聲輔助表面加工，內(nèi)壁表面材料晶粒得到細化，尺寸達到納米化級別，大大提高了材料表面的性能；

2、在加工過程中，攪拌工具沿圓柱結(jié)構(gòu)軸線方向移動，可實現(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，有效防止材料溢出，形成缺陷；前置軸肩直徑與圓柱結(jié)構(gòu)內(nèi)壁直徑相等，防止加工過程中攪拌頭將材料擠出形成缺陷；后置固定軸肩不旋轉(zhuǎn)，隨加工過程碾壓，避免材料溢出、出現(xiàn)弧紋及表面凹陷，提高表面性能；

4、本發(fā)明的方法加工過程操作簡便，攪拌工具結(jié)構(gòu)簡單，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)明的方法的一個實施例的加工過程剖視圖；

圖3是本發(fā)明的方法的一個實施例的加工過程示意圖；

圖中：1-夾持柄，2-過渡段，2-1-隔熱槽，3-后置固定軸肩，4-攪拌頭，4-1-前端邊緣倒角，5-前置軸肩，6-攪拌工具，7-超聲換能器的變幅桿，8-母材/圓柱結(jié)構(gòu)，9-支撐，10-左手螺紋，11-圓環(huán)槽，12-右手螺紋；

h-攪拌頭高度，d-攪拌頭直徑，dbs-后置固定軸肩直徑，dfs-前置軸肩直徑，d0-圓柱結(jié)構(gòu)內(nèi)壁直徑。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。

在本實施例中，根據(jù)產(chǎn)品要求需要進行單道次加工。

如圖1～圖3所示，一種基于超聲輔助攪拌摩擦加工實現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁納米化的方法，包括如下步驟：

步驟一：將待加工圓柱結(jié)構(gòu)8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)8外壁有支撐9，防止在加工過程中圓柱結(jié)構(gòu)8徑向變形，將超聲換能器的變幅桿7垂直于圓柱結(jié)構(gòu)8外壁設(shè)置，并形成圓周陣列；

步驟二：選擇攪拌頭直徑d比圓柱結(jié)構(gòu)內(nèi)壁直徑d0大0.6毫米的攪拌工具6，其前置軸肩直徑dfs等于圓柱結(jié)構(gòu)內(nèi)壁直徑d0，后置固定軸肩直徑dbs比攪拌頭直徑d大0.4毫米，圓柱結(jié)構(gòu)8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：將夾持柄1與攪拌摩擦焊機的旋轉(zhuǎn)主軸固定連接，將后置固定軸肩3與攪拌摩擦焊機相連接；令攪拌工具6垂直于水平面、無傾角，且與圓柱結(jié)構(gòu)8同軸線，前置軸肩5隨攪拌頭4旋轉(zhuǎn)，后置固定軸肩3不旋轉(zhuǎn)；令攪拌頭4以3000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速、5毫米/分的速度扎入圓柱結(jié)構(gòu)8，令超聲換能器的變幅桿7隨攪拌頭4移動，將超聲波傳遞放大，所述超聲換能器的超聲波振動頻率為40千赫茲，振幅為40微米；待攪拌頭4完全進入圓柱結(jié)構(gòu)8內(nèi)，停留3秒進行預(yù)熱，然后以3000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速、60毫米/分的速度沿圓柱結(jié)構(gòu)8軸線方向進行加工，直至整個圓柱結(jié)構(gòu)8內(nèi)壁加工一次完畢；在加工過程中，后置固定軸肩3隨焊碾壓圓柱結(jié)構(gòu)8內(nèi)壁材料，隨焊碾壓深度為0.1～0.3毫米；

所述攪拌工具6為無針結(jié)構(gòu)，包括夾持柄1、過渡段2、攪拌頭4、前置軸肩5及后置固定軸肩3，所述夾持柄1通過過渡段2與攪拌頭4的后端固定連接，攪拌頭4的前端與前置軸肩5固定連接，前置軸肩5的設(shè)置可防止在加工過程中高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭4將圓柱結(jié)構(gòu)8內(nèi)壁軟化材料擠出，形成缺陷；所述過渡段直徑小于攪拌頭直徑d，后置固定軸肩3套裝在過渡段2外，后置固定軸肩3的設(shè)置可防止材料流出，使圓柱結(jié)構(gòu)8內(nèi)壁表面光滑，提高表面質(zhì)量。所述夾持柄1與過渡段2加工為一體，過渡段2與攪拌頭4通過螺栓相連接，使攪拌頭4可根據(jù)實際圓柱結(jié)構(gòu)內(nèi)壁直徑進行更換，前置軸肩5與攪拌頭4通過螺栓相連接，使前置軸肩5可根據(jù)實際圓柱結(jié)構(gòu)內(nèi)壁直徑進行更換，所述前置軸肩5、后置固定軸肩3及攪拌頭4均可拆卸、更換；前置軸肩5、后置固定軸肩3與攪拌頭4的配合間隙不大于0.3毫米，防止材料擠入。在所述過渡段2的外表面設(shè)置有三個隔熱槽2-1，隔熱槽2-1的設(shè)置可降低焊接產(chǎn)熱對攪拌摩擦焊機旋轉(zhuǎn)主軸的影響；在所述攪拌頭4的前端設(shè)置有前端邊緣倒角4-1，所述前端邊緣倒角4-1的角度為2°。

在所述攪拌頭4的后部外表面設(shè)置有左手螺紋10，在攪拌頭4的前部外表面設(shè)置有右手螺紋12，隨著攪拌頭4的旋轉(zhuǎn)，材料流動趨勢為向螺紋中間流動；根據(jù)實際加工效果，左手螺紋10與右手螺紋12沿軸線長度可以并不相等。在所述左手螺紋10與右手螺紋12之間的攪拌頭4外表面設(shè)置有兩個圓環(huán)槽11，后部的圓環(huán)槽與左手螺紋10相連通，前部的圓環(huán)槽與右手螺紋12相連通；為了改善流動性，在所述兩個圓環(huán)槽11之間的攪拌頭4外表面還設(shè)置有1～2個獨立圓環(huán)槽。

所述攪拌工具6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。

所述超聲換能器的變幅桿7設(shè)置不少于8個，可通過控制沿圓柱結(jié)構(gòu)8軸線及圓周移動，并不與圓柱結(jié)構(gòu)8外壁夾具干涉；其沿圓柱結(jié)構(gòu)8軸線移動速度與攪拌頭4加工速度一致，沿圓周旋轉(zhuǎn)速度不大于5毫米/分。