[发明专利]中空变径多孔摩擦头及金属材料表面复合材料的制备方法

权利要求书

1.一种中空变径多孔摩擦头，所述摩擦头包括搅拌摩擦体、变径片(4)和八个封紧螺钉(5)，搅拌摩擦体(1)由上圆柱体(1)和下圆柱体(2)组成，所述上圆柱体(1)和下圆柱体(2)上下设置且制成一体，所述上圆柱体(1)的直径小于下圆柱体(2)的直径，上圆柱体(1)的外表面上设有夹持面(1-1)，所述下圆柱体(2)的下端面为外边缘高于中心的凹形轴肩面(2-1)，其特征在于：所述上圆柱体(1)和下圆柱体(2)沿轴线设有孔道(3)，所述孔道(3)由上至下分为两段，分别为上孔道(3-1)和中孔道(3-2)，上孔道(3-1)的内径大于中孔道(3-2)的内径，所述下圆柱体(2)上在同一截面上均布设有四个横向通孔(2-2)，且四个横向通孔(2-2)均与中孔道(3-2)相通，中孔道(3-2)的内径小于横向通孔(2-2)的内径，每个横向通孔(2-2)的两端分别设有与其同轴且相通的螺纹孔(2-3)，位于横向通孔(2-2)下方的下圆柱体(2)上沿同一圆周均布设有八个下竖孔道(2-4)，且每个横向通孔(2-2)与两个下竖孔道(2-4)相通，八个下竖孔道(2-4)的内径相等，每个下竖孔道(2-4)的内径小于横向通孔(2-2)的内径，每个螺纹孔(2-3)中螺纹连接一个封紧螺钉(3)，变径片(4)置于上孔道(3-1)的底部，变径片(4)的轴心处设有变径孔(4-1)，变径孔(4-1)的内径小于中孔道(3-2)的内径。

2.根据权利要求1所述中空变径多孔摩擦头，其特征在于：每个下竖孔道(2-4)的内径小于中孔道(3-2)的内径。

3.一种利用权利要求1所述中空变径多孔摩擦头实现金属材料表面复合材料的制备方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：

步骤一、确定摩擦头的几何尺寸：根据待处理工件一次表面复合材料化的宽度确定摩擦头轴肩的直径D，摩擦头轴肩的直径D与一次表面复合材料化的宽度相等，确定下竖孔道(2-4)的内径0.1D～0.2D，凹形轴肩面(2-1)的外边缘比凹形轴肩面(2-1)的中心高0.2mm～1.5mm；

步骤二、添加增强相颗粒：向上孔道(3-1)加入增强相颗粒，将上孔道(3-1)填满；

步骤三、调整摩擦头的倾斜角：调整摩擦头的倾斜角即摩擦头的中心轴线(N-N)与待处理工件法线的夹角，调整该夹角为0°～1°；

步骤四、待处理工件表面复合材料层的制备过程：对待处理工件表面进行搅拌摩擦加工，具体过程为：

(1)、将摩擦头移至待加工件表面，摩擦头以200转/分钟～1800转/分钟的转速压入待处理工件表面中，凹形轴肩面(2-1)的压入深度为0.2mm～1.2mm毫米，压入后停留1秒～5秒； 

(2)、用铝箔将凹形轴肩面(2-1)封住，高速旋转的摩擦头压入待处理工件表面，再沿加工表面前进，铝箔逐渐消失，增强相颗粒经上孔道(3-1)、中孔道(3-2)、横向通孔(2-2)进入横向通孔(2-2)，随着摩擦头的高速旋转，增强相颗粒被甩至横孔道(2-2)的两端，并沿八个下竖孔道(2-4)分散地流进作用界面，并被搅压进金属基体中，此时，摩擦头的旋转速度为200转/分钟～1800转/分钟，摩擦头的行进速度为5毫米/分钟～200毫米/分钟，停止摩擦头行进，并将摩擦头上升离开加工件表面，即在加工件表面完成了一道表面复合材料的制备。

4.根据权利要求4所述金属材料表面复合材料的制备方法，其特征在于：步骤三中摩擦头的倾斜角为0.5°。

5.根据权利要求4所述金属材料表面复合材料的制备方法，其特征在于：步骤四中摩擦头以500转/分钟的转速压入待处理工件表面中，凹形轴肩面(2-1)的压入深度为0.5mm，压入后停留3秒。

6.根据权利要求4所述金属材料表面复合材料的制备方法，其特征在于：步骤四中摩擦头以800转/分钟的转速压入待处理工件表面中，凹形轴肩面(2-1)的压入深度为1mm，压入后停留2秒。

7.根据权利要求4所述金属材料表面复合材料的制备方法，其特征在于：步骤四中摩擦头以1000转/分钟的转速压入待处理工件表面中，凹形轴肩面(2-1)的压入深度为0.8mm，压入后停留4秒。

8.根据权利要求4所述金属材料表面复合材料的制备方法，其特征在于：步骤四中摩擦头的旋转速度为500转/分钟，摩擦头的行进速度为100毫米/分钟。