CN110640295B - 一种螺纹孔的搅拌摩擦焊修复用搅拌头及方法 - Google Patents
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Abstract
一种螺纹孔的搅拌摩擦焊修复用搅拌头及方法,包括搅拌头,所述搅拌头沿轴线方向开设有主孔,搅拌头的轴肩端面处安装有搅拌针,搅拌针上开设有与搅拌针轴线呈夹角的第一倾斜孔和第二倾斜孔,且第二倾斜孔与第一倾斜孔贯通,搅拌针上的第一倾斜孔与主孔贯通,在主孔、第一倾斜孔和第二倾斜孔内安装有拉索,在搅拌头的底端边缘开设有刀具安装口,刀具安装口平行设置的内侧壁通过转轴转动安装有刀具,刀具倾斜设置的端面与连接体一体成型,连接体通过轴与位于第二倾斜孔部分的拉索相连。本发明在待修孔内添加填充材料,采用带有螺旋槽搅拌针的搅拌头进行修复,分别于下扎阶段和回抽阶段对螺纹孔进行修复与攻丝,实现一次修复成型破损后的螺纹孔壁。
Description
技术领域
本发明属于孔修复的装置与方法技术领域,具体涉及一种螺纹孔的搅拌摩擦焊修复用搅拌头及方法。
背景技术
随着工程技术的不断发展,金属材料的应用范围变的越来越广泛。在金属材料的使用过程中,螺纹连接是一种重要的连接方式。螺纹连接具有结构简单、连接可靠和拆装方便等优点,是金属材料连接方法中应用最广泛的连接方法之一。但是,在螺纹孔的使用过程中,会出现螺纹损坏,孔壁压溃等缺陷。这些缺陷影响螺纹孔的正常使用,严重时将导致零件的报废。为对螺纹孔进行修复,增加零件的服役时间,学者们提出许多螺纹孔的修复方法。目前螺纹孔的修复方式主要为增加轴套,熔焊修复等。
中国发明专利CN 106270828 A、中国发明专利CN105798405 A、中国发明专利CN105537849 A、中国发明专利CN104227312 A采用螺纹孔中增加轴套的方式修复螺纹孔。该方式虽然简单,但是轴套与孔壁之间由螺纹直接连接,易于产生轴套脱落的情况。同时,轴套有一定的厚度,轴套的加入会减小螺纹孔直径或者扩大原螺纹孔。这会大大降低该结构的承受能力,增加危险系数。
中国发明专利CN 108907374 A、中国发明专利CN 107030447 A、中国发明专利CN106475734 A、中国发明专利CN 106002081 A采用熔焊补焊并再次攻丝修复螺纹孔的方法。该方法在熔焊修复过程中产生的高温会使得螺纹孔处的晶粒粗大,降低该处材料的机械性能,不利于螺纹孔的再次使用。
中国发明专利CN 101886652 A发明一种螺纹件及利用螺纹修复零件的方法。该方法采用螺纹内部点胶的方式修复螺纹孔开裂的问题。但是胶接的连接强度低,不利于螺纹孔修复后的长久使用。
上述方法虽然能够对螺纹孔的损坏进行修复,但是都存在一定的弊端。针对上述方法存在的问题,本发明提出一种基于搅拌摩擦焊的新型螺纹孔修复方法。
发明内容
为了避免现有方法中存在的问题,本发明一种螺纹孔的搅拌摩擦焊修复用搅拌头及方法,具体采用如下技术方案:
一种螺纹孔的搅拌摩擦焊修复用搅拌头,包括搅拌头、拉环、搅拌针,所述搅拌头沿轴线方向开设有主孔,搅拌头的轴肩端面处安装有搅拌针,搅拌针上开设有与搅拌针轴线呈夹角的第一倾斜孔和第二倾斜孔,且第二倾斜孔与第一倾斜孔贯通,第二倾斜孔直径小于第一倾斜孔直径设置,搅拌针上的第一倾斜孔与主孔贯通设置,在主孔、第一倾斜孔和第二倾斜孔内安装有拉索,拉索伸出主孔部分设置有拉环,在搅拌头的底端边缘开设有刀具安装口,刀具安装口平行设置的内侧壁通过转轴转动安装有螺纹刀具,螺纹刀具倾斜设置的端面与连接体一体成型,连接体通过轴与位于第二倾斜孔部分的拉索一端相连。
所述搅拌针的外圆面沿轴向开设有螺纹槽,在搅拌头的轴肩端面开设有螺旋槽。
所述拉索伸出搅拌头夹持端部分设置有拉拽圆环。
一种螺纹孔的搅拌摩擦焊修复用搅拌头的修复方法,采用一种螺纹孔的搅拌摩擦焊修复用搅拌头,包括以下步骤:
步骤1,将待修复零件放置在带有凹槽的辅热垫板上,使待修复螺纹孔与辅热垫板的凹槽正对,然后将待修复零件及带有凹槽的辅热垫板一同装夹于搅拌摩擦焊机器的工作台上,调整待修复螺纹孔位置使之正对搅拌摩擦焊机主轴;在主轴的中心孔内安装有长索,长索一端缠绕在位于主轴上端部的调节电机输出轴末端的缠线轮上,长索另一端与搅拌头夹持端的拉环连接,然后将搅拌头固定在主轴上;
步骤2,将填充材料放置于待修复螺纹孔中,填充材料为圆柱形,直径小于待修复螺纹孔内径0~1mm,填充材料的长度大于待修复螺纹孔深度0~20mm;
步骤3,启动搅拌摩擦焊机,搅拌头以50~10000r/min的转速正转,同时以0.1~10mm/min的速度下扎进待修复螺纹孔中;当下扎到轴肩距离待修复螺纹孔上表面0~2mm时停止下扎,此时搅拌针下端伸出待修复螺纹孔,并保持转速停留1~300s后停止旋转并保持静止状态;
步骤4,拉动拉环,使螺纹刀具伸出,根据所需螺纹的螺距采用不同的搅拌头转动与回抽速度比,搅拌头在主轴的带动下以1~500r/min速度反转回抽加工螺纹,当搅拌头带动螺纹刀具回抽到待修复螺纹孔外时,得到修复后的螺纹孔。
搅拌头的搅拌针直径与待修螺纹孔内径相等,长度大于待修复螺纹孔深度。
搅拌头的轴肩直径与搅拌针直径的比例为2:1~10:1。
所述搅拌针的旋向分为左旋和右旋,当选用左旋螺纹搅拌针,搅拌头的旋转方向为逆时针;当选择右旋螺纹搅拌针,搅拌头的旋转方向为顺时针。
步骤3在搅拌头下扎的过程中,施加超声振动或辅热热源,超声振动功率为60~2000W,振幅为15~55μm;辅助热源温度为100℃~2000℃。
本发明的有益效果:
1、本发明通过新型搅拌头的下扎与回抽,分别完成螺纹孔的孔壁修复与螺纹成型。不需要再次攻丝,大大提高螺纹孔的修复效率。
2、本发明搅拌头下扎过程中,搅拌针的强搅拌作用使孔壁及其附近的材料发生动态再结晶,细小的晶粒使孔壁及附近区域的力学性能大幅度提高,利于修复后螺纹孔的再次服役。
3、本发明通过添加较高的填充材料,实现螺纹孔的无减薄修复。
4、本发明衍生于搅拌摩擦焊,为一种固相修复技术。与传统的熔焊修复方法相比,修复过程中温度较低,不会产生气孔、裂纹等二次缺陷。
5、本发明与传统轴套修复方式相比,填充材料与原螺纹材料之间发生扩散连接,具有良好的连接界面,连接强度高,是一种良好的螺纹孔修复方法。同时,为了增加扩散连接效果,可采用背面、侧面或正面施加超声振动辅助工艺;为了解决在修复过程中沿螺纹轴向温度不均匀的问题,可采用背面辅助加热工艺。值得说明的是,超声振动或辅助加热工艺对于某些结构形式因难以加载而不适用。
6、在修复过程中,对于左旋螺纹搅拌针,搅拌头的旋转方向为逆时针;对于右旋螺纹搅拌针,搅拌头的旋转方向为顺时针。这种“左+逆”或“右+顺”的组合恰与搅拌摩擦焊工艺相反,可使修复过程中材料向上流动并聚集于搅拌针的根部(近轴肩端面)利于在轴肩的顶锻作用下获得更高的修复质量。
附图说明
图1为螺纹孔的搅拌摩擦焊修复用翻盖式搅拌头中的螺纹刀具闭合状态示意图;
图2为螺纹孔的搅拌摩擦焊修复用翻盖式搅拌头中的螺纹刀具闭合状态A处放大示意图;
图3为螺纹孔的搅拌摩擦焊修复用翻盖式搅拌头中的螺纹刀具伸出状态示意图;
图4为螺纹孔的搅拌摩擦焊修复用翻盖式搅拌头中的螺纹刀具伸出状态B处放大示意图;
图5为螺纹孔的搅拌摩擦焊修复用翻盖式搅拌头剖视图;
图6为螺纹孔的搅拌摩擦焊修复用翻盖式搅拌头剖视图C处放大示意图;
图7为使用螺纹孔的搅拌摩擦焊修复用翻盖式搅拌头修复螺纹孔的修复过程示意图;
1-拉环,2-搅拌头,3-轴肩,4-搅拌针,5-刀具安装口,6-螺纹槽,7-拉索,8-转轴,9-待修复螺纹孔,10-填充材料,11-修复后的孔壁,12-修复后螺纹孔,13-主孔,14-第一倾斜孔,15-第二倾斜孔,16-螺纹刀具。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1至图6所示,一种螺纹孔的搅拌摩擦焊修复用搅拌头,包括搅拌头2、拉环1、搅拌针4,所述搅拌头2沿轴线方向开设有主孔13,搅拌头2轴肩3处安装有搅拌针4,搅拌针4上开设有与搅拌针4轴线呈夹角的第一倾斜孔14和第二倾斜孔15,且第二倾斜孔15与第一倾斜孔14贯通,第二倾斜孔15直径小于第一倾斜孔14直径设置,搅拌针4上的第一倾斜孔14与主孔13贯通设置,在主孔13、第一倾斜孔14和第二倾斜孔15内安装有拉索7,拉索7伸出主孔13部分设置有拉环1,在搅拌头2的底端边缘开设有刀具安装口5,刀具安装口5与第二倾斜孔15贯通,刀具安装口5平行设置的内侧壁通过转轴8转动安装有螺纹刀具16,螺纹刀具16倾斜设置的端面与连接体17一体成型,连接体17通过轴与位于第二倾斜孔15部分的拉索7一端相连。
所述搅拌针4的外圆面沿轴向开设有螺纹槽6,在搅拌头2轴肩3端面开设有螺旋槽,以增加修复过程中的摩擦热以及材料流动。
所述拉索7伸出搅拌头2夹持端部分设置有拉拽圆环。
实施例1
一种螺纹孔的搅拌摩擦焊修复用搅拌头的修复方法,采用一种螺纹孔的搅拌摩擦焊修复用搅拌头,包括以下步骤:
步骤1,将待修复的2024铝合金零件放置在带有凹槽的辅热垫板上,使待修复螺纹孔与辅热垫板的凹槽正对,然后将待修复的2024铝合金零件及带有凹槽的辅热垫板一同装夹于搅拌摩擦焊机器的工作台上,调整待修复螺纹孔9的位置使待修复的M8螺纹孔正对搅拌摩擦焊机器主轴,待修复螺纹孔9深12mm;安装搅拌头2,在主轴的中心孔内安装有长索,长索一端缠绕在位于主轴上端部的电机输出轴末端的缠线轮上,长索另一端与搅拌头2夹持端的拉环1连接,然后将搅拌头2固定在主轴上;搅拌针4的直径为6.7mm,长度为13.3mm;搅拌头2轴肩3的直径为14mm;搅拌针4表面开设有螺旋槽;
步骤2,将圆柱形的填充材料10放置于待修复螺纹孔9中,填充材料10的直径为6.6mm,长度为13mm,填充材料10与待修复螺纹孔9材质相同;
步骤3,启动搅拌摩擦焊机器,搅拌头2在主轴的带动下以2000r/min的转速正转,同时以3mm/min的速度下扎进待修复螺纹孔9中,当下扎到搅拌头2的轴肩3与待修复螺纹孔9上表面贴合时停止下扎,并保持转速停留20s后停止旋转并保持静止状态,形成待修复后孔壁11;
步骤4,启动调节电机,通过主轴顶部端面上的调节电机正转带动缠线轮正转,向上拉动拉环1,使螺纹刀口5伸出;启动搅拌摩擦焊机器,搅拌头2在主轴的带动下反向旋转,且以50r/min的回抽速度带动螺纹刀具16旋转,搅拌头2旋转与回抽速度比为1.25,当搅拌头2回抽到待修复螺纹孔9外时,得到修复后的螺纹孔12,如图7所示。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于,在步骤3中,在搅拌头2下扎进待修复螺纹孔9的同时在待修复零件下方施加超声振动,其中,超声振动功率为2000W,振幅为15μm;其余部分与实施例1相同。
实施例3
实施例3与实施例2的区别在于,在步骤3中,在搅拌头2下扎进待修复螺纹孔9的同时在待修复零件下方通过辅热垫板施加辅助热源并预热10min,辅热热源温度为200℃,辅热垫板为市购件;其余部分与实施例1相同。
实施例4
实施例4与实施例1的区别在于,在步骤3中,当下扎到搅拌头2的轴肩3与待修复螺纹孔9上表面距离0.5mm时停止下扎;其余部分与实施例1相同。
Claims (8)
1.一种螺纹孔的搅拌摩擦焊修复用搅拌头,其特征在于,包括搅拌头、拉环、搅拌针,所述搅拌头沿轴线方向开设有主孔,搅拌头的轴肩端面处安装有搅拌针,搅拌针上开设有与搅拌针轴线呈夹角的第一倾斜孔和第二倾斜孔,且第二倾斜孔与第一倾斜孔贯通,第二倾斜孔直径小于第一倾斜孔直径设置,搅拌针上的第一倾斜孔与主孔贯通设置,在主孔、第一倾斜孔和第二倾斜孔内安装有拉索,拉索伸出主孔部分设置有拉环,在搅拌针的底端边缘开设有刀具安装口,刀具安装口平行设置的内侧壁通过转轴转动安装有螺纹刀具,螺纹刀具倾斜设置的端面与连接体一体成型,连接体通过轴与位于第二倾斜孔部分的拉索一端相连。
2.根据权利要求1所述的一种螺纹孔的搅拌摩擦焊修复用搅拌头,其特征在于:所述搅拌针的外圆面沿轴向开设有螺纹槽,在搅拌头的轴肩端面开设有螺旋槽。
3.根据权利要求1所述的一种螺纹孔的搅拌摩擦焊修复用搅拌头,其特征在于:所述拉索伸出搅拌头夹持端部分设置有拉拽圆环。
4.一种螺纹孔的搅拌摩擦焊修复用搅拌头的修复方法,采用权利要求1所述的一种螺纹孔的搅拌摩擦焊修复用搅拌头,包括以下步骤:
步骤1,将待修复零件放置在带有凹槽的辅热垫板上,使待修复螺纹孔与辅热垫板的凹槽正对,然后将待修复零件及带有凹槽的辅热垫板一同装夹于搅拌摩擦焊机器的工作台上,调整待修复螺纹孔位置使之正对搅拌摩擦焊机主轴;在主轴的中心孔内安装有长索,长索一端缠绕在位于主轴上端部的调节电机输出轴末端的缠线轮上,长索另一端与搅拌头夹持端的拉环连接,然后将搅拌头固定在主轴上;
步骤2,将填充材料放置于待修复螺纹孔中,填充材料为圆柱形,直径小于待修复螺纹孔内径0 ~ 1mm,填充材料的长度大于待修复螺纹孔深度0 ~ 20 mm;
步骤3,启动搅拌摩擦焊机,搅拌头以50 ~ 10000 r/min的转速正转,同时以0.1 ~ 10mm/min的速度下扎进待修复螺纹孔中;当下扎到轴肩距离待修复螺纹孔上表面0 ~2 mm时停止下扎,此时搅拌针下端伸出待修复螺纹孔,并保持转速停留1 ~ 300 s后停止旋转并保持静止状态;
步骤4,拉动拉环,使螺纹刀具伸出,根据所需螺纹的螺距采用不同的搅拌头转动与回抽速度比,搅拌头在主轴的带动下以1 ~ 500 r/min速度反转回抽加工螺纹,当搅拌头带动螺纹刀具回抽到待修复螺纹孔外时,得到修复后的螺纹孔。
5.根据权利要求4所述的一种螺纹孔的搅拌摩擦焊修复用搅拌头的修复方法,其特征在于:所述搅拌头的搅拌针直径与待修螺纹孔内径相等,长度大于待修复螺纹孔深度。
6.根据权利要求4所述的一种螺纹孔的搅拌摩擦焊修复用搅拌头的修复方法,其特征在于:所述搅拌头的轴肩直径与搅拌针直径的比例为2:1 ~ 10:1。
7.根据权利要求4所述的一种螺纹孔的搅拌摩擦焊修复用搅拌头的修复方法,其特征在于:所述搅拌针的旋向分为左旋和右旋,当选用左旋螺纹搅拌针,搅拌头的旋转方向为逆时针;当选择右旋螺纹搅拌针,搅拌头的旋转方向为顺时针。
8.根据权利要求4所述的一种螺纹孔的搅拌摩擦焊修复用搅拌头的修复方法,其特征在于:步骤3在搅拌头下扎的过程中,同时施加超声振动或辅热热源,超声振动功率为60 ~2000 W,振幅为15 ~ 55 μm;辅助热源温度为100 ~ 2000 ℃。
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Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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