一种磨损轴类零件搅拌摩擦加工再制造方法技术

本发明专利技术公开了一种磨损轴类零件搅拌摩擦加工再制造方法，是一种将搅拌摩擦搭接焊与搅拌摩擦加工相结合的一种复合加工工艺，利用非消耗的偏心搅拌摩擦工具将填充材料与磨损轴基体母材搭接焊在一起，并通过搅拌摩擦加工实现填充材料在轴表面的堆焊过程，通过一系列标准化的工艺过程，可实现磨损轴的批量再制造。具体工艺由预处理（轴类零件磨损区域清洗和加工凹槽）、配件加工（搅拌工具、填充金属带、引入引出金属带、环形夹具和旋转装置的加工）、装夹固定、搅拌摩擦加工处理和后续处理等组成。本发明专利技术提出的磨损轴类再制造方法属于固相加工，连接区域材料之间为冶金结合，结合强度高，综合力学性能优良，绿色环保，生产效率较高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于废旧工程机械零件再制造加工领域，具体是针对表面磨损轴类零件的一种搅拌摩擦加工再制造方法。
技术介绍
废旧工程机械零部件再制造是再制造工程的重要组成部分，是提高资源利用率、发展循环经济的重要途径之一。轴类零件是工程机械传动机构中广泛使用的零部件之一，由于传递载荷大及反复加载经常会发生各种磨损失效，直接废弃局部磨损的轴类零件将造成材料及能源的严重浪费，如何对磨损轴类零件进行再制造后继续使用是再制造工程迫切需要解决的课题。研究和开发先进的再制造方法对磨损轴类零件进行再制造加工，对工程机械再制造工程的发展有巨大促进作用。目前，已应用的轴类零件表面再制造加工方法有表面堆焊、热喷涂、电刷镀、激光熔覆及耗材摩擦焊等，它们在具有各自优点的同时，也具有工艺上的一些局限性。(I)表面堆焊是在金属材料或零件表面熔焊上耐磨耐蚀等特殊性能金属层的一种工艺方法，通过堆焊可以修复外形不合格的金属零部件及产品或制造双金属零部件。用表面堆焊方法加工轴类零件时，加工面积较大，轴母材和金属层之间为冶金结合，结合强度高；但采用熔焊方法难免会产生各种熔化冶金缺陷及结晶缺陷等，焊后焊缝组织粗大，尤其热影响区韧性明显降低，存在严重的焊接残余应力和变形，并可能产生各种裂纹等缺陷，导致该工艺在使用中具有明显局限性。(2)热喷涂技术是一种将涂层材料(粉末或丝材)送入某种热源(电弧、燃烧火焰、等离子体等)中熔化，并利用高速气流将其喷射到基体材料表面形成涂层的工艺。热喷涂涂层具有耐磨损、耐腐蚀、耐高温和隔热等优良性能，并能对磨损、腐蚀或加工超差引起的零件尺寸减小进行局部修复加工，在航空航天、机械制造、石油化工等领域中有广泛应用。用热喷涂技术修复轴类零件时修复速度快，适合复杂形状及大面积加工；但涂层总存在一定空隙率、致密性低，涂层与母材之间存在残余应力，涂层结合一般为机械结合，其结合强度较低，在轴类零件表面长期磨损挤压大载荷作用下很容易再次磨损剥落，虽后续发展了超音速喷涂工艺，其涂层致密性与结合强度有明显改善，但涂层仍很难适合承受挤压磨损冲击载荷的作用。(3)电刷镀的基本原理与电镀相同，都属于电化学结晶过程，刷镀是在通电状态下蘸镀液的阳极与被镀工件表面做相对接触运动下进行化学反应而施镀的。电刷镀技术修复轴类零件时为现场修复，易于操作，工期较短，修复宽面效率较高，镀层与母体之间是金属键结合，结合力高，热输入量低，不产生热应力；但镀层大于O. 5_易脱落，刷镀面积受镀笔大小的限制，并且镀液对现场环境有一定污染。(4)激光熔敷表面再制造加工技术是利用高能量、高密度的激光束，在缺陷的金属材料表面处快速熔凝一层具有高机械性能及综合性能的合金材料，提高工件的表面强度、耐磨性以及抗腐蚀性，融合零件表层裂纹及存在的微孔缺陷，再经过一定机械加工使得熔敷层表面质量符合要求。采用该工艺加工轴类零件时，熔敷材料与母材接近、耐磨损性能较好、冶金结合强度高、不易脱落，但激光熔敷仍是一种熔化焊接方法，类似于表面堆焊将存在熔化焊中不可避免的冶金组织及熔化缺陷特征，如热影响区韧性降低及焊接残余应力，有设备操作比较复杂、成本高等局限性。(5)耗材摩擦焊工艺是常规摩擦焊热效应与普通电弧焊焊条作用及运动方式的有机结合，基本原理是消耗材料“焊条”旋转并与被焊工件接触，依靠接触面摩擦所产生的热，使结合面两侧的材料达到热塑性状态，并施加顶锻压力实现连接，与此同时耗材与工件沿所需焊接方向相对运动，在这个过程中，“焊条”不断消耗，从而形成焊缝或焊敷层。用耗材摩擦焊加工时不熔化母材和耗材，为固相连接、温度低、焊缝组织细小均匀，结合强度高；但由于目前设备及工艺局限性，耗材长度有限、很难实现连续加工，该工艺目前主要处在实验室研究阶段，国内尚未见到实际工程应用。搅拌摩擦焊是由英国焊接研究所专利技术的一种新型固相连接技术，其基本原理是一个由轴肩和搅拌针组成的非消耗的焊接工具高速旋转并插入被连接工件之间，通过工具的摩擦生热使被焊金属升温并发生塑化，从而实现固相连接。搅拌摩擦加工是在搅拌摩擦焊技术基础上开发的一种用于材料改性和制备表面复合材料的加工工艺。该方法通过搅拌摩擦机械作用产生的热塑性变形来细化被加工材料表面晶粒与微观组织，从而改善材料表面综合力学性能。但加工宽度受到搅拌工具的限制，加工效率不高，也未使用填充金属，目前尚未见到搅拌摩擦加工应用于废旧工程机械轴类零件的再制造工程中。
技术实现思路
针对上述现有技术，本专利技术提供，本专利技术是将搅拌摩擦搭接焊与搅拌摩擦加工结合在一起的一种复合加工工艺，利用非消耗的偏心搅拌摩擦工具将填充材料与轴基体母材搭接焊在一起、并通过搅拌摩擦加工实现填充材料在磨损轴表面堆焊过程，通过一系列标准化的工艺过程，实现对磨损轴类零件表面的批量化加工再制造，而不是局部修复工艺。本专利技术采用搅拌摩擦焊接与加工方法对磨损轴类零件进行再制造，能克服目前工艺的局限性，填充金属和轴基体材料之间是固相冶金结合，组织晶粒细小，大大提高零件表面的耐磨性，残余应力和变形很小，无熔化缺陷。本专利技术加工方法不产生电弧和化学污染物质，绿色无污染，节能环保。生产效率高，自动化程度高，适合批量再制造生产。为了解决上述技术问题，本专利技术，包括以下步骤步骤一对轴类零件的磨损表面进行清洗，并采用机加工方法，在轴类零件磨损区域的表面加工环形凹槽，该凹槽的底部深至到露出轴类零件完好的基体表面为止；步骤二 制作填充金属带选择与轴类零件母材同材质制作成环状填充金属带，该填充金属带的内径等于所述凹槽底部轴段处的外径；制作引入金属带和引出金属带选择与轴类零件母材同材质制作环状的引入金属带和引出金属带，其厚度均为2_，其内径与轴类零件的原始外径一致；制作搅拌摩擦焊机的偏心搅拌工具该偏心搅拌工具为一钨基合金或立方氮化硼材料的偏心阶梯轴，其轴肩的直径是偏心设置的偏心搅拌头直径的3倍，所述偏心搅拌头与轴肩之间的偏心尺寸Λ d在O 5_范围，偏心搅拌头的长度比填充金属带的厚度大O.5 1mm，所述偏心搅拌头为圆柱形状或圆台形状，所述偏心搅拌头的外回转表面上设有螺旋形沟槽；制作旋转装置旋转装置包括底座，底座上一端安装有电机、减速器和卡盘，底座上的另一端固定支撑，所述支撑上设有与卡盘同轴心的轴承；制作两 个环形卡具所述环形卡具为开口环结构，在开口处设有紧固螺栓连接件；步骤三将轴类零件装夹在旋转装置上后，将填充金属带套在、并固定在轴类零件的凹槽中，用环形夹具夹紧该填充金属带，用摩擦塞焊在填充金属带轴向接合线处点焊:Γ5个点，之后卸掉环形夹具；将引入金属带和引出金属带放置于所述填充金属带的两边，用摩擦塞焊将填充金属带和与之相邻的引入金属带及引出金属带点焊在一起；再用两个环形夹具分别固定引入金属带和引出金属带的外端，从而将填充金属带紧密地固定在凹槽中；将上述装夹有轴类零件的旋转装置固定在搅拌摩擦焊机的工作台上；步骤四在搅拌摩擦焊机上安装上述偏心搅拌工具，设定偏心搅拌工具的转速为1000-3500r/min，工作台的行走速度为O. 5-5mm/min，减速器输出轴的转速为O. 5_2r/min ；启动搅拌摩擦焊机，待转速达到预设值后，使偏心搅拌工具沿其轴向竖直向下缓慢挤压进入引入金属带中，待偏心搅拌工具轴肩的端面压入引入金属带O. 15-0. 20_时，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磨损轴类零件搅拌摩擦加工再制造方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：对轴类零件的磨损表面进行清洗，并采用机加工方法，在轴类零件磨损区域的表面加工环形凹槽，该凹槽的底部深至到露出轴类零件完好的基体表面为止；步骤二：制作填充金属带：选择与轴类零件母材同材质制作成环状填充金属带，该填充金属带的内径等于所述凹槽底部轴段处的外径；制作引入金属带和引出金属带：选择与轴类零件母材同材质制作环状的引入金属带和引出金属带，其厚度均为2mm，其内径与轴类零件的原始外径一致；制作搅拌摩擦焊机的偏心搅拌工具：该偏心搅拌工具为一钨基合金或立方氮化硼材料的偏心阶梯轴，其轴肩的直径是偏心设置的偏心搅拌头直径的3倍，所述偏心搅拌头与轴肩之间的偏心尺寸△d在0～5mm范围，偏心搅拌头的长度比填充金属带的厚度大0.5~1mm，所述偏心搅拌头为圆柱形状或圆台形状，所述偏心搅拌头的外回转表面上设有螺旋形沟槽；制作旋转装置：旋转装置包括底座，底座上一端安装有电机、减速器和卡盘，底座上的另一端固定支撑，所述支撑上设有与卡盘同轴心的轴承；制作两个环形卡具：所述环形卡具为开口环结构，在开口处设有紧固螺栓连接件；步骤三：将轴类零件装夹在旋转装置上后，将填充金属带套在、并固定在轴类零件的凹槽中，用环形夹具夹紧该填充金属带，用摩擦塞焊在填充金属带轴向接合线处点焊3~5个点，之后卸掉环形夹具；将引入金属带和引出金属带放置于所述填充金属带的两边，用摩擦塞焊将填充金属带和与之相邻的引入金属带及引出金属带点焊在一起；再用两个环形夹具分别固定引入金属带和引出金属带的外端，从而将填充金属带紧密地固定在凹槽中；将上述装夹有轴类零件的旋转装置固定在搅拌摩擦焊机的工作台上；步骤四：在搅拌摩擦焊机上安装上述偏心搅拌工具，设定偏心搅拌工具的转速为1000?3500r/min，工作台的行走速度为0.5?5mm/min，减速器输出轴的转速为0.5?2r/min；启动搅拌摩擦焊机，待转速达到预设值后，使偏心搅拌工具沿其轴向竖直向下缓慢挤压进入引入金属带中，待偏心搅拌工具轴肩的端面压入引入金属带0.15?0.20mm时，停止偏心搅拌工具向下运动，启动旋转装置中的电机，轴类零件开始缓慢旋转，旋转一周后，偏心搅拌工具在引入金属带上留下一条环形焊缝，此时，让搅拌摩擦焊机的工作台带动旋转装置移动，使偏心搅拌工具由引入金属带进入填充金属带，在偏心搅拌工具与填充金属带和轴类零件基体材料的搅拌摩擦作用下，填充金属带与基体焊合在一起，随着工作台的向前移动，偏心搅拌工具在填充金属带区域完成了搅拌摩擦加工，待偏心搅拌工具行走至 填充金属带的另一端部时，将偏心搅拌工具缓缓抬起，最后从引出金属带上退出；最后停止搅拌摩擦焊焊机和旋转装置的电机；步骤五：将轴类零件从卡盘上卸下来，卸掉环形夹具，去除引入金属带和引出金属带，按照轴类零件的原始外径尺寸进行加工。...

【技术特征摘要】
1.一种磨损轴类零件搅拌摩擦加工再制造方法，其特征在于包括以下步骤 步骤一对轴类零件的磨损表面进行清洗，并采用机加工方法，在轴类零件磨损区域的表面加工环形凹槽，该凹槽的底部深至到露出轴类零件完好的基体表面为止； 步骤二 制作填充金属带选择与轴类零件母材同材质制作成环状填充金属带，该填充金属带的内径等于所述凹槽底部轴段处的外径； 制作引入金属带和引出金属带选择与轴类零件母材同材质制作环状的引入金属带和引出金属带，其厚度均为2mm，其内径与轴类零件的原始外径一致； 制作搅拌摩擦焊机的偏心搅拌工具该偏心搅拌工具为一钨基合金或立方氮化硼材料的偏心阶梯轴，其轴肩的直径是偏心设置的偏心搅拌头直径的3倍，所述偏心搅拌头与轴肩之间的偏心尺寸Λ d在O 5mm范围，偏心搅拌头的长度比填充金属带的厚度大O.5 lmm，所述偏心搅拌头为圆柱形状或圆台形状，所述偏心搅拌头的外回转表面上设有螺旋形沟槽； 制作旋转装置旋转装置包括底座，底座上一端安装有电机、减速器和卡盘，底座上的另一端固定支撑，所述支撑上设有与卡盘同轴心的轴承； 制作两个环形卡具所述环形卡具为开口环结构，在开口处设有紧固螺栓连接件；步骤三将轴类零件装夹在旋转装置上后，将填充金属带套在、并固定在轴类零件的凹槽中，用环形夹具夹紧该填充金属带，用摩擦塞焊在填充金属带轴向接合线处点焊:Γ5个点，之后卸掉环形夹具；将引入金属带和引出金属带放置于所述填充金属带的两边，用摩擦塞焊将填充金属带和与之相邻的引入金属带及引出金属带点焊在一起；再用两个环形夹具分别固定引入金属带和引出金属带的外端，从而将填充金属带紧密地固定在凹槽中；将上述装夹有轴类零件的旋转装置固定在搅拌摩擦焊机的工作台上； 步骤四在搅拌摩擦焊机...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋友宝，杨新岐，张国胜，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
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