本发明专利技术公开了一种搅拌摩擦与超声滚压一体化轻合金表面改性装置，该装置将搅拌摩擦头和超声滚压装置分别安装在主机的主轴和主轴箱上，将工件固定在机床工作台上，通过控制机床的主轴旋转、主轴箱进给和工作台进给，完成对板材的搅拌摩擦处理，通过控制超声滚压装置工作完成对工件的超声滚压处理。搅拌摩擦使工件温度升高并发生剧烈塑性变形，使板材的微观组织细化和均匀化；超声滚压是在搅拌摩擦后进行，由于此时板材处于高温状态，采用较小的滚压力便可进一步使板材组织致密化、表层组织硬化并形成致密的纤维状。该装置将搅拌摩擦和超声滚压结合进行板材改性，在提高工件强度和塑性的同时，有效提高抗疲劳、抗磨损和抗腐蚀性能。能。能。
【技术实现步骤摘要】
搅拌摩擦与超声滚压一体化轻合金表面改性装置及改性方法
[0001]本专利技术涉及本专利技术涉及一种搅拌摩擦与超声滚压一体化的轻合金表面改性装置及改性方法，属于轻合金材料改性领域。
技术介绍
[0002]铝合金和镁合金等轻合金是国防军事、航空航天、汽车、轨道车辆、电子通信等工业领域的重要材料。作为轻质结构材料，轻合金对于汽车尤其是新能源汽车、高速列车等的轻量化技术研发、设计和制造有着极大的吸引力，是汽车、高速列车等领域未来发展的必然趋势。然而，对于轻合金、尤其是镁合金，由于其为密排六方晶格，滑移系少，室温塑性较低，塑性加工能力较差；此外，镁合金由于化学活性强，在空气中容易氧化形成疏松多孔氧化膜，存在耐蚀性能和耐热性差，强度也强度难以媲美铝合金等等问题。要拓展镁合金应用，必须进一步挖掘镁合金材料的潜力，在充分发挥镁合金优势的基础上，还需在镁合金塑性加工、焊接、耐蚀性能和表面处理技术等方面有待突破。搅拌摩擦加工是一种新型的加工技术，对镁合金等轻合金进行搅拌摩擦处理，能够显著改善合金的微观组织，大幅提高力学性能和延展性，改善塑性加工能力，提高耐蚀性能；超声波滚压头滚压是利用超声波冲击能量和静载滚压相结合的工作方式，对金属零部件表面进行处理，从而大大降低表面粗糙，提高其表面的综合性能指标。
技术实现思路
[0003]针对轻合金、尤其是镁合金塑性低、耐蚀性能和耐热性差等问题，本专利技术提供一种能够提高工件强度和塑性的同时，有效提高抗疲劳、抗磨损和抗腐蚀性能的改性装置及方法。
[0004]本专利技术所解决其技术问题所采用的技术方案如下：
[0005]所述搅拌摩擦与超声滚压一体化轻合金表面改性装置，该装置主要包括：主机、搅拌摩擦头、超声滚压头和板材工件；
[0006]所述主机为数控铣床或搅拌摩擦焊专用设备，主机中包含主轴箱2、主轴3和工作台8；主机的数控系统1控制主机的主轴箱2、主轴3和工作台8，主轴箱2垂直方向的进给量和进给速度、主轴3的旋转方向和转速、以及工作台8在水平面内的移动距离和移动速度均可通过主机数控系统1设定并控制；所述的板材工件固定在工作台8上；
[0007]所述搅拌摩擦头9安装在主机的主轴3上，主轴3带动搅拌摩擦头9旋转，主轴箱1驱动搅拌摩擦头9垂直方向进给；
[0008]所述超声滚压头由缸体19、换能器18、压缩弹簧17、直线轴承16、缸体端盖15、变幅杆14、滚轮13、滚动轴承12组成，缸体19安装在主机主轴箱1上，缸体19的开口端由缸体端盖15封闭，换能器18和变幅杆14的大头端连接，安装在缸体19内部，变幅杆14的细杆端从缸体端盖15伸出，变幅杆14大头和缸体端盖15之间的细杆上套装有压缩弹簧17，滚轮13通过滚动轴承12安装在变幅杆14的细杆端。
[0009]该装置还包括滚压力施加与调控部分，所述滚压力施加与调控部分包括：空气压缩机20、缓冲罐22、减压阀21和电磁开关阀20，空气压缩机20输出的压缩空气经由管路连接的缓冲罐22、减压阀21、电磁开关阀20后，通入缸体19上腔，高压气体作用在换能器18和变幅杆14的端面产生压力，经变幅杆14传递至滚轮13并作用在板材工件7表面产生滚压力；
[0010]该装置还包括超声波发生控制部分，所述超声波发生控制部分由超声波发生控制器24、安装在变幅杆14细杆端的左行程开关10和右行程开关11组成，超声波发生控制器24根据左行程开关10和右行程开关11的状态，控制输出超声波信号，超声波发生控制器24输出的超声波信号接入换能器18，换能器18将超声波信号转换为震动，经变幅杆14传递后由滚轮 13作用在板材工件7上；
[0011]所述板材工件7放置在工作台8上，前后各有三组螺栓4、螺母5和压板夹具6固定；
[0012]所述的改性的方法对轻合金板材进行改性的方法，主要步骤如下：
[0013]1)板材表面清理和装卡，将待改性的轻合金板材工件7表面用砂纸打磨去除氧化物，酒精清洗并吹干后放置在主机工作台8上，板材工件7前后两边均用压板夹具5、螺栓3和螺母4固定；
[0014]2)安装搅拌摩擦头并设置板材改性区域，将搅拌摩擦头9安装在主机主轴2上，搅拌摩擦头9与工件7表面之间保持一定距离，启动主轴2旋转后，移动工作台8使搅拌摩擦头9 位于工件7改性处理开始位置的正上方，进给主轴箱1至搅拌摩擦头9轻微接触工件7并在其表面留痕后返回，将该点设置为改性的起始点(X1，Y1)，然后移动工作台8至搅拌摩擦头9位于工件7改性结束位置的正上方，进给主轴箱1至搅拌摩擦头9轻微接触工件7并在表面留痕后返回，将该点设置为改性处理的结束点(X2，Y2)；
[0015]3)设置板材改性相关参数，在主机数控系统中设置主轴2的转速、进给速度和进给量，工作台8的移动速度和移动量，在超声波发生与控制器24上设置超声波频率参数，通过调节空气压缩机20的输出压力和减压阀21的出口压力设置滚压力；
[0016]4)一道次搅拌摩擦和超声滚压处理，在起始点位置(X1，Y1)，主轴2进给至搅拌摩擦头9插入板材7表面一定深度后，工作台8沿横向(X轴方向)进给，开始搅拌摩擦处理，待左行程开关10和右行程开关11均位于板材上方时，超声滚压处理开始；工作台8移动至 (X2，Y1)点后，搅拌摩擦头9退回，搅拌摩擦处理结束，工作台继续移动一定距离至左行程开关10脱离板材7表面后，超声滚压处理处理结束；然后工作台8沿横向进给路径退回，退回过程中可以再次进行搅拌摩擦和超声滚压处理，也可只单独进行搅拌摩擦、超声振动或滚压处理或者两种处理的组合。
[0017]5)主轴2返回起始点位置(X1，Y1)后，工作台沿纵向(Y轴方向)进给，进给距离小于搅拌摩擦头9插入板材的搅拌针的直径尺寸，然后重复第4)步；以此重复，直至工作台移动至结束点(X2，Y2)后加工处理结束。
[0018]上述的轻合金板材改性装置和改性方法适用于镁合金、铝合金等轻合金，也适用于铜合金等其它有色合金和钢铁等金属材料。
[0019]本专利技术的有益效果：
[0020]1.该装置将搅拌摩擦和超声滚压结合进行板材改性，搅拌摩擦使工件温度升高并发生剧烈塑性变形，使板材的微观组织细化和均匀化，可同时提高轻合金板材的强度和塑性；超声滚压使板材表面达到更理想的表面粗糙度要求，可进一步使板材组织致密化、表层
组织硬化并形成致密的纤维状，提高板材表面的显微硬度，进而提高轻合金的抗腐蚀性能、耐磨性及疲劳强度和疲劳寿命。
[0021]2.超声滚压是在搅拌摩擦后进行，由于此时板材处于高温状态，采用较小的滚压力便可达到理想的超声滚压效果。
附图说明
[0022]图1为搅拌摩擦和超声滚压改性装置图，
[0023]图2为板材工件在工作台上的安装示意图；图3为经过改性处理前后的组织照片。
[0024]图中：1-主机数控系统，2-主轴箱，3-主轴，4-螺栓，5-螺母，6-压板夹具，7-工件，8
-ꢀ
工作台，9-搅拌摩擦头，10-左行程开关，11-右行本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.所述搅拌摩擦与超声滚压一体化轻合金表面改性装置，该装置主要包括：主机、搅拌摩擦头、超声滚压头和板材工件；所述主机为数控铣床或搅拌摩擦焊专用设备，主机中包含主轴箱(2)、主轴(3)和工作台(8)；主机的数控系统(1)控制主机的主轴箱(2)、主轴(3)和工作台(8)，主轴箱(2)垂直方向的进给量和进给速度、主轴(3)的旋转方向和转速、以及工作台(8)在水平面内的移动距离和移动速度均可通过主机数控系统(1)设定并控制；所述的板材工件(7)固定在工作台(8)上；所述搅拌摩擦头(9)安装在主机的主轴(3)上，主轴(3)带动搅拌摩擦头(9)旋转，主轴箱(1)驱动搅拌摩擦头(9)垂直方向进给；所述超声滚压头由缸体(19)、换能器(18)、压缩弹簧(17)、直线轴承(16)、缸体端盖(15)、变幅杆(14)、滚轮(13)、滚动轴承(12)组成，缸体(19)安装在主机主轴箱(1)上，缸体(19)的开口端由缸体端盖(15)封闭，换能器(18)和变幅杆(14)的大头端连接，安装在缸体(19)内部，变幅杆(14)的细杆端从缸体端盖(15)伸出，变幅杆(14)大头和缸体端盖(15)之间的细杆上套装有压缩弹簧(17)，滚轮(13)通过滚动轴承(12)安装在变幅杆(14)的细杆端。2.根据权利要求1所述搅拌摩擦与超声滚压一体化轻合金表面改性装置，其特征在于，该装置还包括滚压力施加与调控部分，所述滚压力施加与调控部分包括：空气压缩机(20)、缓冲罐(22)、减压阀(21)和电磁开关阀(20)，空气压缩机(20)输出的压缩空气经由管路连接的缓冲罐(22)、减压阀(21)、电磁开关阀(20)后，通入缸体(19)上腔，高压气体作用在换能器(18)和变幅杆(14)的端面产生压力，经变幅杆(14)传递至滚轮(13)并作用在板材工件(7)表面产生滚压力。3.根据权利要求1所述搅拌摩擦与超声滚压一体化轻合金表面改性装置，其特征在于，该装置还包括超声波发生控制部分，所述超声波发生控制部分由超声波发生控制器(24)、安装在变幅杆(14)细杆端的左行程开关(10)和右行程开关(11)组成，超声波发生控制器(24)根据左行程开关(10)和右行程开关(11)的状态，控制输出超声波信号，超声波发生控制器(24)输出的超声波信号接入换能器(18)，换能器(18)将超声波信号转换为震动，经变幅杆(14)传递后由滚轮(13)作用在板材工件(7)上。4.根据权利要求1所述搅拌摩擦与超声滚压一体化轻合金表面改性装置，其特征在于，所述板材工件(7)放置在工作台(8)...
【专利技术属性】
技术研发人员：金豫朦，马品奎，管志平，李志刚，查敏，王慧远，韩洪江，宋家旺，任明文，赵泼，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。