全文摘要
本实用新型涉及一种无倾角搅拌摩擦加工制备镁基复合材料用搅拌头，包括：夹持部，其呈圆柱状；轴肩，其呈圆台状，轴肩的下底面与所述夹持部端面同圆心固定连接，轴肩下底面半径大于所述夹持部端面半径；搅拌针，其呈圆台状，表面无螺纹沟槽，搅拌针的下底面与所述轴肩的上底面同圆心固定连接；轴肩的上底面呈圆台形，所述圆台的向内倾斜角度4°≤α≤6°；轴肩的上底面直径为16mm～20mm，且轴肩的上底面上均匀设置有不少于三条螺旋线沟槽。本实用新型能够避免在镁基复合材料制备过程中飞边大和加工区域严重减薄的缺陷，能够使加工的镁基复合材料表面宏观成型美观、内部组织结构明显细化、均匀化和致密化。
主设计要求
1.一种无倾角搅拌摩擦加工制备镁基复合材料用搅拌头，其特征在于，包括：夹持部(3)，其呈圆柱状；轴肩(2)，其呈圆台状，所述轴肩(2)的下底面与所述夹持部(3)端面同圆心固定连接，所述轴肩(2)下底面半径大于所述夹持部(3)端面半径，且所述轴肩(2)的上底面上均匀设置有不少于三条螺旋线沟槽(4)；搅拌针(1)，其呈圆台状，表面无螺纹沟槽，所述搅拌针(1)的下底面与所述轴肩(2)的上底面同圆心固定连接。
设计方案
1.一种无倾角搅拌摩擦加工制备镁基复合材料用搅拌头，其特征在于，包括：
夹持部(3)，其呈圆柱状；
轴肩(2)，其呈圆台状，所述轴肩(2)的下底面与所述夹持部(3)端面同圆心固定连接，所述轴肩(2)下底面半径大于所述夹持部(3)端面半径，且所述轴肩(2)的上底面上均匀设置有不少于三条螺旋线沟槽(4)；
搅拌针(1)，其呈圆台状，表面无螺纹沟槽，所述搅拌针(1)的下底面与所述轴肩(2)的上底面同圆心固定连接。
2.根据权利要求1所述的无倾角搅拌摩擦加工制备镁基复合材料用搅拌头，其特征在于，所述轴肩(2)的上底面呈凹台状，所述凹台的向内倾斜角度为4°≤α≤6°。
3.根据权利要求1所述的无倾角搅拌摩擦加工制备镁基复合材料用搅拌头，其特征在于，所述轴肩(2)的上底面呈向内凹陷的球面，该球面的半径为40～42mm，该球面的球面度为25～26°。
4.根据权利要求1-3任一项所述的无倾角搅拌摩擦加工制备镁基复合材料用搅拌头，其特征在于，所述轴肩(2)的上底面直径为16～20mm。
5.根据权利要求4所述的一种无倾角搅拌摩擦加工制备镁基复合材料用搅拌头，其特征在于，所述螺旋线沟槽(4)宽度为1～2mm，深度为0.5～1.5mm。
6.根据权利要求1-3任一项所述的无倾角搅拌摩擦加工制备镁基复合材料用搅拌头，其特征在于，所述轴肩(2)的上底面边缘处设置有倒圆角，所述倒圆角的半径为0.5～1.5mm。
7.根据权利要求1-3任一项所述的无倾角搅拌摩擦加工制备镁基复合材料用搅拌头，其特征在于，所述搅拌针(1)的下底面直径为3～5mm，所述搅拌针(1)的上底面直径为2～4mm，所述搅拌针(1)的长度为1～3mm。
8.根据权利要求1-3任一项所述的无倾角搅拌摩擦加工制备镁基复合材料用搅拌头，其特征在于，所述搅拌针(1)的下底面与所述轴肩(2)的上底面连接处呈圆角过度，所述圆角的半径为0.5～1.5mm。
设计说明书
技术领域
本实用新型涉及一种搅拌摩擦加工制备金属基复合材料用器具，具体涉及一种无倾角搅拌摩擦加工制备镁基复合材料用搅拌头。
背景技术
镁合金作为最轻的金属结构材料，在轨道交通、汽车、航空航天设备等交通运输制造领域的应用可有效缓解能源消耗和环境污染。镁及其合金因化学活性高和电极电位小导致其在酸性和中性环境中耐腐蚀性能很差，进而成为限制其广泛应用的瓶颈。镁基复合材料可根据结构件使用环境条件设计不同成分来改善耐腐蚀性能，实现轻量化设计和降能减耗的情况下，延长结构件的使用寿命。虽然激光熔敷和堆焊技术可以实现镁基复合材料的制备，但熔敷层中极易出现气孔、微裂纹和元素烧损，复合材料耐腐蚀性能难以改善。
搅拌摩擦是利用机械摩擦产生热源作为连接金属材料的一种焊接方法，其原理是由搅拌头伸入工件的连接区，通过搅拌头的高速旋转与被焊接金属材料摩擦，使连接部位的金属材料局部产生摩擦热和发生高温塑性变形，连接区金属材料通过相互扩散与再结晶，最后形成金属间连接。
搅拌摩擦加工是一种绿色环保的固相加工技术，与传统的激光熔敷和堆焊技术等相比，具有加工温度低、加工区应力与变形小、合金元素不会出现蒸发与烧损和环境友好，特别适用于镁、铝合金及其复合材料的加工制备。
倾角搅拌摩擦加工虽然可以制备镁基复合材料，但搅拌头倾角的存在导致镁基复合材料制备过程中飞边大，加工区域减薄严重。不利于搅拌摩擦加工制备镁基复合材料成型工艺和制备方法的实施。
无倾角搅拌摩擦加工技术可有效缓解倾角搅拌摩擦加工过程中飞边大和加工区域减薄严重的缺陷。无倾角搅拌摩擦加工技术关键在于搅拌头设计，搅拌头轴肩和搅拌针几何形貌是搅拌头设计的主要决定性因素，关系到镁基复合材料的表面宏观成型和内部微观组织演变，进而关系到镁基复合材料的成型特征。
中国专利(CN107138960B)公开了一种用于改善复合材料加工质量的复合加工方法及加工工具，包括铣刀部分、搅拌头部分、凸端接口、固定销、锁紧滑销、锁紧螺钉和限位螺钉，搅拌头部分通过凸端接口、固定销、锁紧滑销、锁紧螺钉和限位螺钉与刀体相连，搅拌头优选螺纹型、等三斜面螺纹、同心环纹或等三斜面同心环纹搅拌头。此专利对搅拌头结构未进行具体描述，且其搅拌头与铣刀的连接并不适合于镁基复合材料的制备。
实用新型内容
为了克服上述缺陷，解决激光熔敷和堆焊制备镁基复合材料时熔敷层易出现气孔、微裂纹和元素烧损不利于改善镁基复合材料的耐腐蚀性能，且常规带倾角搅拌摩擦加工制备镁基复合材料时，加工区域飞边大、减薄严重，镁基复合材料有效厚度小的技术问题。本实用新型提供一种适用于镁基复合材料无倾角搅拌摩擦加工制备，且使其表面宏观成型美观、内部组织结构明显细化、均匀化和致密化的搅拌摩擦加工用搅拌头。本实用新型的具体采用如下的技术方案：
一种无倾角搅拌摩擦加工制备镁基复合材料用搅拌头，包括：
夹持部，其呈圆柱状；
轴肩，其呈圆台状，所述轴肩的下底面与所述夹持部端面同圆心固定连接，所述轴肩下底面半径大于所述夹持部端面半径，且所述轴肩的上底面上均匀设置有不少于三条螺旋线沟槽；
搅拌针，其呈圆台状，表面无螺纹沟槽，所述搅拌针的下底面与所述轴肩的上底面同圆心固定连接。
优选地，所述轴肩的上底面呈凹台状，所述凹台的向内倾斜角度为4°≤α≤6°。
优选地，所述轴肩的上底面呈向内凹陷的球面，该球面的半径为40～42mm，该球面的球面度为25～26°。
优选地，所述轴肩的上底面直径为16～20mm。
优选地，所述螺旋线沟槽宽度为1～2mm，深度为0.5～1.5mm。
优选地，其特征在于，所述轴肩的上底面边缘处设置有倒圆角，所述倒圆角的半径为0.5～1.5mm。
优选地，所述搅拌针的下底面直径为3～5mm，所述搅拌针的上底面直径为2～4mm，所述搅拌针的长度为1～3mm。
优选地，所述搅拌针的下底面与所述轴肩的上底面连接处呈圆角过度，所述圆角的半径为0.5～1.5mm。
本实用新型所获得的有益技术效果：
1)本实用新型的搅拌头能够避免倾角摩擦搅拌加工在镁基复合材料制备过程中飞边大和加工区域严重减薄的缺陷，能够使镁基复合材料表面宏观成型美观、内部组织结构明显细化、均匀化和致密化，所制备的镁基复合材料表面耐腐蚀性能好，解决了激光熔敷和堆焊技术制备镁基复合材料时熔敷层易出现气孔、微裂纹和元素烧损不利于改善镁基复合材料的耐腐蚀性能。
2)本实用新型搅拌头通过在轴肩端面均匀布置三条螺旋线型沟槽，能够有利于促进被加工区域塑性金属流动。
3)本实用新型搅拌头通过将轴肩端面设计为向内的凹陷面，能够有利于存储被加工区域的塑性金属，避免加工区域厚度减薄。
4)本实用新型通过将搅拌头上的搅拌针设计呈圆台状，且将搅拌针长度设计为长于镁基复合材料加工层厚度0.1～0.2mm，能够有利于被加工区域塑性金属在厚度方向的流动，改善均匀性；并且能够使镁基复合材料获得表面成型良好，内部组织结构明显细化、均匀化和致密化的成型特征。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本实用新型搅拌头的主视图；
图2为本实用新型搅拌头的左视图；
图3为本实用新型搅拌头的轴肩和搅拌针的剖视图；
图4为本实用新型实施例5加工制备的Al\/AZ31复合材料加工区宏观金相；
图5为本实用新型实施例5加工制备的Al\/AZ31复合材料腐蚀性能对比图。
其中：1-搅拌针，2-轴肩，3-夹持部，4-螺旋线沟槽。
具体实施方式
以下将参照附图，通过实施例方式详细地描述本实用新型的技术方案。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。
本文中术语“和\/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和\/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“\/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A\/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“\/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。
实施例1
根据图1所示，一种无倾角搅拌摩擦加工制备镁基复合材料用搅拌头，包括夹持部3、轴肩2和搅拌针1，该轴肩2的两端面分别与该夹持部3和搅拌针1连接；该夹持部3呈实心圆柱状；该轴肩2呈圆台状，该轴肩2的下底面与该夹持部3端面同圆心固定连接，该轴肩2底面半径大于该夹持部3端面半径；该搅拌针1呈圆台状，表面无螺纹沟槽，以利于被加工区域塑性金属在厚度方向的流动，改善均匀性；该搅拌针1的下底面与该轴肩2的上底面同圆心固定连接。
根据图2所示，该轴肩2的上底面上均匀设置有不少于三条螺旋线沟槽4。该螺旋线沟槽4宽度为1mm，深度为0.5mm，该螺旋线沟槽4能有效促进被加工区域的塑性金属材料向加工区域中心流动，减小飞边。
根据图3所示，该轴肩2的上底面的直径为16mm，该轴肩2的上底面呈凹台状，该凹台的向内倾斜角度为α＝4°，该轴肩2的上底面设计为凹台状能够有助于存储被加工区域塑性金属，缓解加工区厚度减薄；该轴肩2的上底面边缘处设置有倒圆角，该倒圆角半径为0.5mm，该倒圆角有利于抑制加工区域弧纹过深，提高加工质量。
该搅拌针1的下底面直径为3mm，该搅拌针1的上底面直径为2mm，该搅拌针长度一般比预制的镁基复合材料加工层厚度长0.1～0.2mm，本实施例该搅拌针1的长度为1mm；该搅拌针1的下底面与该轴肩2的上底面连接处呈圆角过度，该圆角半径为0.5mm，能有效缓解搅拌针1根部的应力集中而避免发生折断，提高搅拌针1的使用寿命。
实施例2
根据图1所示，一种无倾角搅拌摩擦加工制备镁基复合材料用搅拌头，包括夹持部3、轴肩2和搅拌针1，该轴肩2的两端面分别与该夹持部3和搅拌针1连接；该夹持部3呈实心圆柱状；该轴肩2呈圆台状，该轴肩2的下底面与该夹持部3端面同圆心固定连接，该轴肩2下底面半径大于该夹持部3端面半径；该搅拌针1呈圆台状，表面无螺纹沟槽，以利于被加工区域塑性金属在厚度方向的流动，改善均匀性；该搅拌针1的下底面与该轴肩2的上底面同圆心固定连接。
根据图3所示，该轴肩2的上底面的直径为20mm，该轴肩2的上底面呈凹台状，该凹台的向内倾斜角度为为6°，该轴肩2的上底面设计为凹台状能够有助于存储被加工区域塑性金属，缓解加工区厚度减薄。
根据图2所示，该轴肩2的上底面上均匀设置有不少于三条螺旋线沟槽4。该螺旋线沟槽4宽度为2mm，深度为1.5mm，该螺旋线沟槽4能有效促进被加工区域的塑性金属材料向加工区域中心流动，减小飞边。
根据图3所示，该轴肩2的上底面边缘处设置有倒圆角，该倒圆角半径为1.5mm，该倒圆角有利于抑制加工区域弧纹过深，提高加工质量。
该搅拌针1的下底面直径为5mm，该搅拌针1的上底面直径为4mm，该搅拌针长度一般比预制的镁基复合材料加工层厚度长0.1～0.2mm，本实施例该搅拌针1的长度为3mm；该搅拌针1的下底面与该轴肩2的上底面连接处呈圆角过度，该圆角半径为1.5mm，能有效缓解搅拌针1根部的应力集中而避免发生折断，提高搅拌针1使用寿命。
实施例3
根据图1所示，一种无倾角搅拌摩擦加工制备镁基复合材料用搅拌头，包括夹持部3、轴肩2和搅拌针1，该轴肩2的两端面分别与该夹持部3和搅拌针1连接；该夹持部3呈实心圆柱状；该轴肩2呈圆台状，该轴肩2的下底面与该夹持部3端面同圆心固定连接，该轴肩2下底面半径大于该夹持部3端面半径；该搅拌针1呈圆台状，表面无螺纹沟槽，以利于被加工区域塑性金属在厚度方向的流动，改善均匀性；该搅拌针1的下底面与该轴肩2的上底面同圆心固定连接。
根据图3所示，该轴肩2的上底面的直径为18mm，该轴肩2的上底面呈凹台状，该凹台的向内倾斜角度为α＝5°，该轴肩2的上底面设计为凹台状能够有助于存储被加工区域塑性金属，缓解加工区厚度减薄。
根据图2所示，该轴肩2的上底面上均匀设置有不少于三条螺旋线沟槽4。该螺旋线沟槽4宽度为1.5mm，深度为1mm，该螺旋线沟槽4能有效促进被加工区域的塑性金属材料向加工区域中心流动，减小飞边。
根据图3所示，该轴肩2的上底面边缘处设置有倒圆角，该倒圆角半径为1mm，该倒圆角有利于抑制加工区域弧纹过深，提高加工质量。
该搅拌针1的下底面直径为4mm，该搅拌针1的上底面直径为3mm，该搅拌针长度一般比预制的镁基复合材料加工层厚度长0.1～0.2mm，本实施例该搅拌针1的长度为2mm；该搅拌针1的下底面与该轴肩2的上底面连接处呈圆角过度，该圆角半径为1mm，能有效缓解搅拌针1根部的应力集中而避免发生折断，提高搅拌针1使用寿命。
实施例4
本实施例与实施例1～3相同之处不在赘述，所不同之处在于。
该轴肩2的上底面呈向内凹陷的球面，该球面的半径为41mm，该球面的球面度为25.5°，该球面上设置有至少三条螺旋线沟槽4。该球面的设计能够避免该轴肩2的上底面被熔敷层粘连，以减少该搅拌头的清洁工作量，提高加工制备镁基复合材料效率。
该搅拌针1的下底面固定设置在该球面上，且该搅拌针1的下底面圆心与该轴肩2的轴心重合。
该轴肩2的侧面上等间距设置有若干圆形凹槽，该凹槽能够增大该轴肩2的表面积，进而利于该轴肩2散热，以保护轴肩2，提高该搅拌头使用寿命。同时该凹槽能够增加该轴肩2的侧面摩擦力，以利于该搅拌头的安装和拆卸。
实施例5
本实施例为采用实施例3所述的搅拌头进行搅拌摩擦加工制备镁基复合材料的施工工艺。具体实施方式如下：
在厚度为10mm的商用AZ31镁合金轧制板材表面，采用线切割工艺加工出宽度为1mm和深度为1.98mm的螺旋线沟槽。
然后依次用丙酮、无水乙醇和去离子水将该螺旋线沟槽清洗干净并快速吹干，将利用乙二醇混合构成的胶状铝粉填充至所事故螺旋线沟槽内。
采用实施例3所述的搅拌头对其进行无倾角搅拌摩擦加工，该无倾角搅拌摩擦加工用搅拌头转速为800r\/min，加工速度为100mm\/min，轴肩2下压量为0.2mm。
根据图4和图5所示，对采用该搅拌头进行无倾角搅拌摩擦加工制备的镁基复合材料成型特征和耐腐蚀性能分析表明：镁基复合材料成型良好，内部无缺陷且组织结构明显细化、致密化和均匀化；表面自腐蚀电位和电流分别为-1.45V和4.78×10-5<\/sup>A，分别为母材的表面自腐蚀电位和电流的92.8％和30.8％。
如上所述，可较好地实现本实用新型，对于本领域的技术人员而言，在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和变型仍落入本实用新型的保护范围内。本实用新型中未进行特殊说明或限定的部分，均采用现有技术实施。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920401309.X
申请日:2019-03-27
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:61(陕西)
授权编号:CN209716757U
授权时间:20191203
主分类号:B23K20/12
专利分类号:B23K20/12
范畴分类:申请人:榆林学院
第一申请人:榆林学院
申请人地址:719053 陕西省榆林市文化北路2号
发明人:刘奋军;姬妍;白艳霞;孙志勇;李小腊
第一发明人:刘奋军
当前权利人:榆林学院
代理人:李鹏刚
代理机构:11394
代理机构编号:北京卓恒知识产权代理事务所(特殊普通合伙) 11394
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计
标签：螺旋线论文;