[发明专利]基于超声辅助搅拌摩擦加工实现结构内壁纳米化的方法

说明书

基于超声辅助搅拌摩擦加工实现结构内壁纳米化的方法，属于搅拌摩擦加工技术领域。包括：将待加工圆柱结构水平放置在夹具上且装夹固定好，将超声换能器的变幅杆垂直于圆柱结构外壁设置；选择搅拌工具，令搅拌工具垂直于水平面、无倾角，且与圆柱结构同轴线，前置轴肩随搅拌头旋转，后置固定轴肩不旋转；令搅拌头扎入圆柱结构，令超声换能器的变幅杆随搅拌头移动；待搅拌头完全进入圆柱结构内，进行预热，然后沿圆柱结构轴线方向进行加工；搅拌工具包括夹持柄、过渡段、搅拌头、前置轴肩及后置固定轴肩，夹持柄通过过渡段与搅拌头的后端固定连接，搅拌头的前端与前置轴肩固定连接；过渡段直径小于搅拌头直径，后置固定轴肩套装在过渡段外。

技术领域

本发明属于搅拌摩擦加工技术领域，特别是涉及一种基于超声辅助搅拌摩擦加工实现结构内壁纳米化的方法。该方法可实现铸造件，如铸铝等的表面改性，大大提高材料整体的性能。

背景技术

表面机械加工纳米化是实现材料表面纳米化的一个重要方法，是指在外加载荷重复作用下，材料表面粗晶组织通过强烈塑性变形而逐渐细化直至纳米级。常用采用的方法是：表面机械研磨/超声喷丸、旋转辊压、超音速微粒轰击等。搅拌摩擦加工(Friction stirprocessing，FSP)是由美国的Mishra博士提出，用于材料微观组织改性和晶粒细化的方法，即利用搅拌头造成加工区域材料的剧烈塑性变形、混合、破碎，实现材料微观组织的细化、均匀化与致密化，进而达到微米级、纳米级。目前，这种加工工艺方法已经在铝合金或镁合金等的材料表面改性方面取得了应用。但传统的搅拌摩擦加工需要搅拌针垂直于待焊区域、旋转前进进行加工，目前只应用于平板、曲面结构外表面。虽然可利用机械臂等装置伸入圆柱内部垂直加工，但也受到结构尺寸的限制。因此，需要一种简单、易行，能实现圆柱结构内壁材料纳米化的搅拌摩擦加工新方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种可对圆柱结构内表面进行表面改性的基于超声辅助搅拌摩擦加工实现结构内壁纳米化的方法。该方法能够解决传统搅拌摩擦加工需要搅拌针垂直于材料表面进行加工的问题，可以实现内壁材料纳米化；且搅拌工具结构简单，操作易行，大大提高了工作效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于超声辅助搅拌摩擦加工实现结构内壁纳米化的方法，包括如下步骤：

步骤一：将待加工圆柱结构水平放置在夹具上且装夹固定好，所述夹具在圆柱结构外壁有支撑，将超声换能器的变幅杆垂直于圆柱结构外壁设置，并形成圆周阵列；

步骤二：选择搅拌头直径比圆柱结构内壁直径大0.4～1毫米的搅拌工具，其前置轴肩直径等于圆柱结构内壁直径，后置固定轴肩直径比搅拌头直径大0.2～0.6毫米；

步骤三：将夹持柄与搅拌摩擦焊机的旋转主轴固定连接，将后置固定轴肩与搅拌摩擦焊机相连接；令搅拌工具垂直于水平面、无倾角，且与圆柱结构同轴线，前置轴肩随搅拌头旋转，后置固定轴肩不旋转；令搅拌头以500～3000转/分的转速、3～5毫米/分的速度扎入圆柱结构，令超声换能器的变幅杆随搅拌头移动，所述超声换能器的超声波振动频率为20～60千赫兹，振幅为20～60微米；待搅拌头完全进入圆柱结构内，停留进行预热，然后以500～3000转/分的转速、20～100毫米/分的速度沿圆柱结构轴线方向进行加工，直至整个圆柱结构内壁加工一次完毕；在加工过程中，后置固定轴肩随焊碾压圆柱结构内壁材料；

步骤四：当根据产品要求需要进行多道次加工时，每道次使用的搅拌工具的搅拌头直径均比上一道次使用的搅拌头直径增大0.4～1毫米，前置轴肩直径等于上一道次加工后的圆柱结构内壁直径，后置固定轴肩直径比该道次搅拌头直径大0.2～0.6毫米，加工过程同步骤三；

所述搅拌工具包括夹持柄、过渡段、搅拌头、前置轴肩及后置固定轴肩，所述夹持柄通过过渡段与搅拌头的后端固定连接，搅拌头的前端与前置轴肩固定连接；所述过渡段直径小于搅拌头直径，后置固定轴肩套装在过渡段外。