一種雙面攪拌摩擦加工超細晶板材設(shè)備及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于超細晶板材制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種雙面攪拌摩擦加工超細晶板材設(shè)備及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]通過攪拌摩擦方式對材料微觀組織進行改性，并通過材料加工區(qū)的劇烈塑性變形、混合、破碎及熱暴露，可實現(xiàn)材料加工區(qū)微觀結(jié)構(gòu)的致密化、均勻化和細化，具體可用于制備晶粒尺寸為微米級、納米級的鋁合金、銅合金及鎂合金等超細晶板材。
[0003]目前，在超細晶板材制備過程中，由于受到攪拌摩擦設(shè)備熱輸入和熱循環(huán)的影響，以及現(xiàn)有板材制備方法不完善的影響，總是不可避免的在相鄰攪拌區(qū)之間產(chǎn)生熱機影響區(qū)及熱影響區(qū)，由于熱機影響區(qū)及熱影響區(qū)的組織粗大，且有一定的方向性，使熱機影響區(qū)及熱影響區(qū)成為了力學性能薄弱區(qū)，而力學性能薄弱區(qū)的存在直接降低了超細晶板材的力學性能，因此，亟需一種能夠有效消除熱機影響區(qū)及熱影響區(qū)的超細晶板材加工設(shè)備及方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種雙面攪拌摩擦加工超細晶板材設(shè)備及方法，能夠有效消除相鄰攪拌區(qū)之間的熱機影響區(qū)及熱影響區(qū)，有效提高超細晶板材的力學性能。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種雙面攪拌摩擦加工超細晶板材設(shè)備，包括兩個攪拌頭，一個攪拌頭設(shè)為正攪拌頭，另一個攪拌頭設(shè)為反攪拌頭，所述正攪拌頭和反攪拌頭的尺寸規(guī)格相同，均由軸肩和攪拌針構(gòu)成；所述正攪拌頭位于板材上方，所述反攪拌頭位于板材下方。
[0006]采用所述的雙面攪拌摩擦加工超細晶板材設(shè)備的加工方法，包括如下步驟:
[0007]步驟一:選取待加工的板材，并對板材進行裝夾固定；
[0008]步驟二:將正攪拌頭和反攪拌頭分別調(diào)整到板材的上方和下方；
[0009]步驟三:確定正攪拌頭與反攪拌頭之間在攪拌摩擦加工時的相對位置；
[0010]①在攪拌摩擦加工方向上，正攪拌頭與反攪拌頭之間的軸向中心線距離為L1，且Ds< L 4D s，其中，Ds為攪拌頭的軸肩直徑；
[0011]②在垂直于攪拌摩擦加工方向上，正攪拌頭與反攪拌頭之間的軸向中心線距離為L2，且0.邪。< L2SDp,其中，D。為攪拌頭的攪拌針端部直徑，Dp為攪拌頭的攪拌針根部直徑；
[0012]步驟四:將正攪拌頭與反攪拌頭移至板材一側(cè)邊緣，并控制正攪拌頭及反攪拌頭實現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)；
[0013]步驟五:控制高速旋轉(zhuǎn)的正攪拌頭及反攪拌頭迀入板材，正攪拌頭與反攪拌頭之間的相對位置按照步驟三確定的數(shù)值進行設(shè)定，當正攪拌頭及反攪拌頭均迀入板材后，再控制高速旋轉(zhuǎn)的正攪拌頭及反攪拌頭沿著攪拌摩擦加工方向勻速行進；
[0014]步驟六:當高速旋轉(zhuǎn)的正攪拌頭及反攪拌頭行進到板材另一側(cè)邊緣位置后，停止正攪拌頭及反攪拌頭的行進動作，然后控制正攪拌頭及反攪拌頭迀出板材；
[0015]步驟七:當正攪拌頭及反攪拌頭從板材中完成迀出后，第一道次的攪拌摩擦加工工序完成，此時單一道次的攪拌區(qū)的寬度為Lk;
[0016]步驟八:控制正攪拌頭及反攪拌頭回到板材位于上一道次的初始加工位置，并在垂直于攪拌摩擦加工方向上控制正攪拌頭及反攪拌頭進行移動，移動距離小于攪拌頭的軸肩直徑Ds，保證相鄰道次之間的攪拌區(qū)具有的搭接量為L。；
[0017]步驟九:重復步驟五、步驟六，完成第二道次的攪拌摩擦加工工序；
[0018]步驟十:重復步驟五、步驟六及步驟八，完成第η道次(n ^ 3)的攪拌摩擦加工工序;
[0019]步驟十一:通過機床或剪板機將板材的非攪拌區(qū)去除，即可得到超細晶板材成品。
[0020]步驟五中的正攪拌頭及反攪拌頭迀入板材的方式有以下兩種:
[0021]①將正攪拌頭與反攪拌頭之間的軸向中心線距離L^SL2均調(diào)整到位后，正攪拌頭和反攪拌頭同時迀入板材；
[0022]②將正攪拌頭與反攪拌頭之間的軸向中心線距離L2調(diào)整到位后，且L O時，正攪拌頭先迀入板材，并沿著攪拌摩擦加工方向勻速行進，當正攪拌頭的行進距離大于攪拌頭的軸肩直徑05后，此時反攪拌頭開始迀入板材。
[0023]步驟六中的正攪拌頭及反攪拌頭迀出板材的方式有以下兩種:
[0024]①維持正攪拌頭與反攪拌頭之間的軸向中心線距離!^及“固定不變，正攪拌頭和反攪拌頭同時迀出板材；
[0025]②正攪拌頭先迀出板材，反攪拌頭繼續(xù)行進，直到L1= O時，反攪拌頭再迀出板材。
[0026]單一道次的攪拌區(qū)的寬度為Lk還可通過公式L k= 2D「1^2計算得出，式中，D P為攪拌頭的攪拌針根部直徑，L2為正攪拌頭與反攪拌頭之間的軸向中心線在垂直于攪拌摩擦加工方向上的距離。
[0027]完成第η道次(η彡3)后攪拌區(qū)的總寬度為LD，Ld可由公式Ld= nLk-(n_l)L。計算得出，式中，LkS單一道次的攪拌區(qū)的寬度，L。為相鄰道次之間的攪拌區(qū)搭接量，η為加工道次。
[0028]當原始的待加工板材寬度為Ly時，可通過公式η = [ (L Y_L。) / (Lk-L0)]計算獲得所能加工的最大道次數(shù)n，而計算出的η值為取整后數(shù)值，式中，Ly為原始的待加工板材的寬度，L。為相鄰道次之間的攪拌區(qū)搭接量，L ,為單一道次的攪拌區(qū)的寬度。
[0029]本發(fā)明的有益效果:
[0030]本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，能夠有效消除相鄰攪拌區(qū)之間的熱機影響區(qū)及熱影響區(qū)，及避免了力學性能薄弱區(qū)的出現(xiàn)，有效提高超細晶板材的力學性能。
【附圖說明】
[0031]圖1為正攪拌頭與反攪拌頭之間的相對位置關(guān)系圖；
[0032]圖2為圖1的俯視圖；
[0033]圖3為各道次攪拌區(qū)之間的位置關(guān)系示意圖；
[0034]圖中，I一板材，2—正攪拌頭，3—反攪拌頭，4一攪拌區(qū)，L1+正攪拌頭與反攪拌頭之間的軸向中心線在攪拌摩擦加工方向上的距離，L2—正攪拌頭與反攪拌頭之間的軸向中心線在垂直于攪拌摩擦加工方向上的距離，Ds+攪拌頭的軸肩直徑，D。一攪拌頭的攪拌針端部直徑，Dp—攪拌頭的攪拌針根部直徑，L。一相鄰道次之間的攪拌區(qū)搭接量，Lk一單一道次的攪拌區(qū)的寬度，Ld—完成所有道次后的攪拌區(qū)總寬度，LY—原始的待加工板材的寬度。
【具體實施方式】
[0035]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。
[0036]本實施例中，原始的待加工的板材I選用7050鋁合金板，其厚度為6.5mm,所要制備的為超細晶鋁合金板。
[0037]—種雙面攪拌摩擦加工超細晶板材設(shè)備，包括兩個攪拌頭，一個攪拌頭設(shè)為正攪拌頭2，另一個攪拌頭設(shè)為反攪拌頭3，所述正攪拌頭2和反攪拌頭3的尺寸規(guī)格相同，均由軸肩和攪拌針構(gòu)成，本實施例中，攪拌頭具體參數(shù)為:軸肩直徑為15mm，攪拌針端部直徑為
4.5mm，攪拌針根部直徑為6.5mm ;所述正攪拌頭2位于板材I上方，所述反攪拌頭3位于板材I下方。
[0038]采用所述的雙面攪拌摩擦加工超細晶板材設(shè)備的加工方法，包括如下步驟:
[0039]步驟一:選取待加工的板材1，并對板材I進行裝夾固定；
[0040]步驟二:將正攪拌頭2和反攪拌頭3分別調(diào)整到板材I的上方和下方；
[0041]步驟三:確定正攪拌頭2與反攪拌頭3之間在攪拌摩擦加工時的相對位置；
[0042]①在攪拌摩擦加工方向上，正攪拌頭2與反攪拌頭3之間的軸向中心線距離為L1,且Ds< L ^ 4D s，其中，Ds為攪拌頭的軸肩直徑；本實施例中L艱30mm ;
[0043]②在垂直于攪拌摩擦加工方向上，正攪拌頭2與反攪拌頭3之間的軸向中心線距離為L2，且0.SDl^L2SDp,其中，D。為攪拌頭的攪拌針端部直徑，D P為攪拌頭的攪拌針根部直徑；本實施例中1^取7.5mm ;
[0044]步驟四:將正攪拌頭2與反攪拌頭3移至板材I 一側(cè)邊緣，并控制正攪拌頭2及反攪拌頭3實現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)，實際轉(zhuǎn)速為600rpm ；
[0045]步驟五:控制高速旋轉(zhuǎn)的正攪拌頭2及反攪拌頭3迀入板材1，正攪拌頭2與反攪拌頭3之間的相對位置按照步驟三確定的數(shù)值進行設(shè)定，