【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及增材制造、摩擦挤压、搅拌摩擦焊设备，尤其是一种偏置式强流变摩擦头及其强化增材组织性能的方法。
技术介绍
1、增材制造是以数字模型文件为基础，运用丝材、粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。由于增材制造在加工一些空间复杂结构，尤其适用于镂空空间复杂结构和轻量化设计、拓扑结构优化方面具有极大优势，目前已在汽车、船舶、航空航天等领域得到广泛应用。但是增材制造存在力学性能较差，并且增材过程中易出现气孔、裂纹等缺陷。
2、目前改善增材组织性能的方法有热处理强化、激光/超声冲击强化、滚轮挤压强化、搅拌摩擦强化处理(friction stir processing)，简称fsp。但是，热处理强化不能消除气孔、裂纹等冶金缺陷，甚至在热处理过程中会使得气孔放大，组织性能强化效果有限；激光/超声冲击强化主要用于表面层强化，强化区域小，组织性能提升的明显度低，主要用于微小结构和精密器件的表面强化，不能用于大型结构的组织性能强化；滚轮挤压强化类似于轧制，使材料发生塑性变形，但是对增材件内部的组织强化效果甚微，塑性变形程度有限，强化后材料的塑性下降明显。
3、搅拌摩擦强化处理(fsp)是利用搅拌摩擦焊搅拌头旋转插入到材料中，在搅拌头的作用下使材料发生塑性变形，能够使搅拌针附近的材料有一定程度的强化，用其进行强化处理过程中容易使得材料溢出严重，由于搅拌摩擦焊搅拌针在旋转过程中一边向前移动，搅拌针在前半圈受到的挤压力最大，而后半圈受到的挤压力变小，使得后半部处理过的材料受到的挤压力偏小，强化效
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题是：克服传统搅拌摩擦强化处理方法会造成搅拌头后半圈处搅拌头和已摩擦处理过的材料之间挤压力变弱，导致材料强化效果有限的问题，提出一种偏置式强流变摩擦头及其强化增材组织性能的方法。
2、本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种偏置式强流变摩擦头，包括强流变摩擦挤压轴心、材料限流-导流静轴肩模块，所述的强流变摩擦挤压轴心通过夹持柄与外设的摩擦挤压主轴电机相连，由外设的摩擦挤压主轴电机带动强流变摩擦挤压轴心实现旋转移动摩擦挤压功能，材料限流-导流静轴肩模块同心安装在强流变摩擦挤压轴心外侧并通过连接法兰与外设的摩擦挤压主轴电机的机壳固定连接，在摩擦挤压强化处理过程中与强流变摩擦挤压轴心保持同步移动但不旋转；
3、所述的强流变摩擦挤压轴心包括偏置式摩擦挤压头、中间连接结构和夹持柄，所述的偏置式摩擦挤压头包括近静轴肩结构和强摩擦挤压凸台上下两部分，所述的近静轴肩结构侧面包括若干组摩擦挤压面、摩擦挤压过渡面和待强化材料临时存料面，所述的摩擦挤压面、摩擦挤压过渡面和待强化材料临时存料面分别与材料限流-导流静轴肩模块上限流面之间组合形成摩擦挤压区、摩擦挤压过渡区和待强化材料临时存料区，所述的强摩擦挤压凸台侧面包括若干组强摩擦挤压面、强摩擦挤压过渡面和强摩擦挤压存料面，所述的强摩擦挤压过渡面和强摩擦挤压存料面在垂直于轴向平面的投影最外层廓线分别与近静轴肩结构侧面摩擦挤压过渡面和待强化材料临时存料面在垂直于轴向平面的投影最外层轮廓线重合，所述的强摩擦挤压面超出材料限流-导流静轴肩模块上静轴肩面向外偏置，与材料限流-导流静轴肩模块形成台阶，可以防止材料溢出，并且有助于增强对静轴肩面以下的材料的摩擦挤压强化作用；
4、所述的近静轴肩结构上摩擦挤压面是半径为r0的弧面，摩擦挤压面弧面角度为θ1，摩擦挤压过渡面在垂直于轴向平面的投影的最外层轮廓线尺寸满足：摩擦挤压过渡面与摩擦挤压面轮廓线连接点到中心距离等于r0、与待强化材料临时存料面轮廓线连接点到中心距离等于r1，r1满足r1＜r0，摩擦挤压过渡面轮廓线两端到中心连线的夹角为θ2，设轮廓线上任意一点到中心连线与起始点到中心连线的夹角为θ时，则该点到中心距离等于rθ，当角度增加微小角度dθ时，则对应点到中心距离等于rθ+dθ，当0≤θ+dθ≤θ2时，始终满足r1≤rθ+dθ＜rθ≤r0，待强化材料临时存料面在垂直于轴向平面的投影的最外层轮廓线尺寸满足：待强化材料临时存料面与摩擦挤压过渡面轮廓线连接点到中心距离等于r1，轮廓线两端到中心连线的夹角为θ3，设轮廓线上任意一点到中心连线与起始点到中心连线的夹角为γ时，则该点到中心距离等于rγ，当0≤γ≤θ3时，始终满足rγ≤r1；
5、所述的强摩擦挤压凸台上强摩擦挤压过渡面在垂直于轴向平面的投影的最外层轮廓线尺寸满足：强摩擦挤压过渡面与强摩擦挤压面轮廓线连接点到中心距离等于r′0，与摩擦挤压面弧面半径r0相等，即r′0＝r0，强摩擦挤压过渡与强摩擦挤压存料面轮廓线连接点到中心距离等于r′1，与待强化材料临时存料面与摩擦挤压过渡面轮廓线连接点到中心距离r1相等，即r′1＝r1，且r′1满足r′1＜r′0，强摩擦挤压过渡面轮廓线两端到中心连线的夹角为θ′2，与摩擦挤压过渡面轮廓线两端到中心连线的夹角θ2相等，即θ′2＝θ2，设轮廓线上任意一点到中心连线与起始点到中心连线的夹角为θ′时，则该点到中心距离为r′θ′，当角度增加微小角度dθ′时，则对应点到中心距离等于r′θ′+dθ′，当0≤θ′+dθ′≤θ′2时，始终满足r′1≤r′θ′+dθ′＜r′θ′≤r′0，强摩擦挤压存料面在垂直于轴向平面的投影的最外层轮廓线尺寸满足：轮廓线两端到中心连线的夹角为θ′3，与待强化材料临时存料面轮廓线两端到中心连线的夹角为θ3相等，即θ′3＝θ3，设轮廓线上任意一点到中心连线与起始点到中心连线的夹角为γ′时，则该点到中心距离等于r′γ′当0≤γ′≤θ′3时，始终满足r′γ′≤r′1，强摩擦挤压面对应的侧面垂直于轴向平面的投影的最外层轮廓线上到中心距离最大值等于r′2，最小值等于r′0，且满足r′2＞r′0，强摩擦挤压面对应的侧面垂直于轴向平面的投影的最外层轮廓线两端到中心连线的夹角为θ′1，与摩擦挤压面弧面角度θ1相等，即θ′1＝θ1，轮廓线上任意一点到中心连线与起始点到中心连线的夹角为ω时，则该点到中心距离等于rω，且始终满足：r′0δrωδr′2；
6、所述的材料限流-导流静轴肩模块包括连接法兰、导流面、导流槽、限流面和静轴肩面。
7、进一步，所述的近静轴肩结构侧面和强摩擦挤压凸台侧面可设置为螺旋凹槽、螺纹线或其他结构，以促进摩擦挤压过程材料流动。
8、进一步，所述的近静轴肩结构高度为h1，强摩擦挤压凸台高度为h2，h1、h2由增材构件待摩擦挤压强化层厚度决定，满足h1+h2大于增材构件待摩擦挤压强化层厚度。
9、进一步，所述的近静轴肩结构轴肩部位可设置任意形状凸台结构，有利于增强摩擦挤压过程中材料的流动，凸台高度小于近静轴肩结构高度h1。
10、进一步，所述的θ1、θ2、θ3满足时，摩擦挤压强化效本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种偏置式强流变摩擦头，其特征是：包括强流变摩擦挤压轴心(1)、材料限流-导流静轴肩模块(2)，所述的强流变摩擦挤压轴心(1)通过夹持柄与外设的摩擦挤压主轴电机相连，由外设的摩擦挤压主轴电机带动强流变摩擦挤压轴心(1)实现旋转移动摩擦挤压功能，材料限流-导流静轴肩模块(2)同心安装在强流变摩擦挤压轴心(1)外侧并通过连接法兰(2.1)与外设的摩擦挤压主轴电机的机壳固定连接，在摩擦挤压强化处理过程中与强流变摩擦挤压轴心(1)保持同步移动但不旋转；
2.根据权利要求1所述的一种偏置式强流变摩擦头，其特征是：所述的近静轴肩结构(1.1.1)侧面和强摩擦挤压凸台(1.1.2)侧面可设置为螺旋凹槽、螺纹线或其他结构，以促进摩擦挤压过程材料流动。
3.根据权利要求2所述的一种偏置式强流变摩擦头，其特征是：所述的近静轴肩结构(1.1.1)高度为h1，强摩擦挤压凸台(1.1.2)高度为h2，h1、h2由增材构件待摩擦挤压强化层厚度决定，满足h1+h2大于增材构件待摩擦挤压强化层厚度。
4.根据权利要求1所述的一种偏置式强流变摩擦头，其特征是：所述的近静轴肩
5.根据权利要求1所述的一种偏置式强流变摩擦头，其特征是：所述的θ1、θ2、θ3满足时，摩擦挤压强化效果最佳，近静轴肩结构(1.1.1)上的摩擦挤压面(1.1.1.1)、摩擦挤压过渡面(1.1.1.2)和待强化材料临时存料面(1.1.1.3)的组数为n，n为大于等于1的整数，其中n＝1时，θ1、θ2、θ3满足n≥2时，θ1、θ2、θ3满足θ1+θ2+θ3＝2π/n，摩擦挤压强化效果最佳。
6.根据权利要求1所述的一种偏置式强流变摩擦头，其特征是：所述的θ′1、θ′2、θ′2满足时，摩擦挤压强化效果最佳，强摩擦挤压凸台(1.1.2)上的强摩擦挤压面(1.1.2.1)、强摩擦挤压过渡面(1.1.2.2)和强摩擦挤压存料面(1.1.2.3)的组数为n，n为大于等于1的整数，其中n＝1时，θ′1、θ′2、θ′3满足n≥2时，θ′1、θ′2、θ′3满足θ′1+θ′2+θ′3＝2π/n，摩擦挤压强化效果最佳。
7.根据权利要求1所述的一种偏置式强流变摩擦头，其特征是：所述的材料限流-导流静轴肩模块(2)上限流面(2.4)轮廓半径为R″0，与摩擦挤压面(1.1.1.1)弧面半径R0相等，即R″0＝R0，所述的材料限流-导流静轴肩模块(2)宽度为W1，满足1.2R″0≤W1≤1.5R″0，所述的材料限流-导流静轴肩模块(2)上导流面(2.2)与水平面夹角为α，α取0～1°，导流面(2.2)宽度为W2，满足0.3W1≤W2≤0.5W1，导流面(2.2)有利于材料向后流动，防止摩擦挤压过程中材料挤压至轴肩外侧。
8.根据权利要求7所述的一种偏置式强流变摩擦头，其特征是：所述的导流面(2.2)上设有导流槽(2.3)，导流槽(2.3)呈“喇叭状”，导流槽(2.3)与水平面夹角为β，β取0～2.5°，并且满足β>α，导流槽开口处到中心的距离为W3，满足W3大于导流面所在轮廓半径R″0，导流槽(2.3)可以防止材料向外溢出，有利于材料向中心汇聚至摩擦挤压区域，增强摩擦挤压效果。
9.用权利要求1所述的偏置式强流变摩擦头强化增材组织性能的方法，其特征是：包括如下步骤：
10.根据权利要求9所述的用偏置式强流变摩擦头强化增材组织性能的方法，其特征是：在步骤4所述的摩擦挤压强化处理过程中，在偏置式强流变摩擦头前方待摩擦挤压强化处理的材料在强流变摩擦挤压轴心上近静轴肩结构和强摩擦挤压凸台的旋转摩擦挤压作用下向后方流动，在近静轴肩结构附近区域，材料首先进入临时存料区，临时存料区处待强化材料临时存料面与限流面间隙大，有利于防止材料溢出；随着强流变摩擦挤压轴心的转动，材料流动到摩擦挤压过渡区，摩擦挤压过渡区处摩擦挤压过渡面与限流面间隙由大变小，材料受到的摩擦挤压力逐步增大、材料塑性变形程度更剧烈；材料继续向摩擦挤压区流动，摩擦挤压面与限流面设计为在垂直轴向平面的轮廓线半径相等的结构，但实际应用时由于加工精度、装配间隙、表面形貌差异使其两界面之间存在微小间隙，材料在微小间隙中发生更剧烈塑性强流变，使得材料与后方已完成强化材料之间的挤压结合力更大，摩擦挤压强化效果更好；在强摩擦挤压凸台附近区域，由于强摩擦挤压面、强摩擦挤压过渡面和强摩擦挤压存料面不是完整的等径圆弧面，存在凹凸高低差，能够带动更多材料发生塑性变形，材料发生塑性变形更剧烈；材料在向后流动过程中，在强摩擦挤压面和强摩擦挤...
【技术特征摘要】
1.一种偏置式强流变摩擦头，其特征是：包括强流变摩擦挤压轴心(1)、材料限流-导流静轴肩模块(2)，所述的强流变摩擦挤压轴心(1)通过夹持柄与外设的摩擦挤压主轴电机相连，由外设的摩擦挤压主轴电机带动强流变摩擦挤压轴心(1)实现旋转移动摩擦挤压功能，材料限流-导流静轴肩模块(2)同心安装在强流变摩擦挤压轴心(1)外侧并通过连接法兰(2.1)与外设的摩擦挤压主轴电机的机壳固定连接，在摩擦挤压强化处理过程中与强流变摩擦挤压轴心(1)保持同步移动但不旋转；
2.根据权利要求1所述的一种偏置式强流变摩擦头，其特征是：所述的近静轴肩结构(1.1.1)侧面和强摩擦挤压凸台(1.1.2)侧面可设置为螺旋凹槽、螺纹线或其他结构，以促进摩擦挤压过程材料流动。
3.根据权利要求2所述的一种偏置式强流变摩擦头，其特征是：所述的近静轴肩结构(1.1.1)高度为h1，强摩擦挤压凸台(1.1.2)高度为h2，h1、h2由增材构件待摩擦挤压强化层厚度决定，满足h1+h2大于增材构件待摩擦挤压强化层厚度。
4.根据权利要求1所述的一种偏置式强流变摩擦头，其特征是：所述的近静轴肩结构(1.1.1)轴肩部位可设置任意形状凸台结构，有利于增强摩擦挤压过程中材料的流动，凸台高度小于近静轴肩结构(1.1.1)高度h1。
5.根据权利要求1所述的一种偏置式强流变摩擦头，其特征是：所述的θ1、θ2、θ3满足时，摩擦挤压强化效果最佳，近静轴肩结构(1.1.1)上的摩擦挤压面(1.1.1.1)、摩擦挤压过渡面(1.1.1.2)和待强化材料临时存料面(1.1.1.3)的组数为n，n为大于等于1的整数，其中n＝1时，θ1、θ2、θ3满足n≥2时，θ1、θ2、θ3满足θ1+θ2+θ3＝2π/n，摩擦挤压强化效果最佳。
6.根据权利要求1所述的一种偏置式强流变摩擦头，其特征是：所述的θ′1、θ′2、θ′2满足时，摩擦挤压强化效果最佳，强摩擦挤压凸台(1.1.2)上的强摩擦挤压面(1.1.2.1)、强摩擦挤压过渡面(1.1.2.2)和强摩擦挤压存料面(1.1.2.3)的组数为n，n为大于等于1的整数，其中n＝1时，θ′1、θ′2、θ′3满足n≥2时，θ′1、θ′2、θ′3满足θ′1+θ′2+θ′3＝2π/n，摩擦挤压强化效果最佳。
7.根据权利要求1所述的一种偏置式强流变摩擦头，其特征是：所述的材料限流-导流静轴肩模块(2)上限流面(2.4)轮廓半径为r″0，与摩擦挤压面(1.1...
【专利技术属性】
技术研发人员：周春东，章晓勇，王剑春，张锁龙，谢杰，徐海斌，
申请(专利权)人：常州大学怀德学院，
类型：发明
国别省市：
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