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一种双面搅拌摩擦加工超细晶板材设备及方法

阅读：462发布：2020-05-14

专利汇可以提供一种双面搅拌摩擦加工超细晶板材设备及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种双面搅拌摩擦加工超细晶板材设备及方法，尺寸规格相同的正、反搅拌头分别位于板材上、下方，加工时先确定正、反搅拌头的相对位置，在搅拌摩擦加工方向上，正、反搅拌头之间的轴向中心线距离L1为DS～4DS，DS为搅拌头的轴肩直径，在垂直于加工方向上，正、反搅拌头之间的轴向中心线距离L2为0.5D0～DP，D0为搅拌针端部直径，DP为搅拌针根部直径；控制正、反搅拌头实现高速旋转并迁入板材，沿着搅拌摩擦加工方向匀速行进一段距离后迁出板材，第一道次完成，然后正、反搅拌头返回上一道次的初始加工位置，在垂直于搅拌摩擦加工方向上移动小于轴肩直径的距离，保证相邻道次之间的搅拌区搭接量，完成第二道次加工，按照上述步骤，可完成后续道次加工。，下面是一种双面搅拌摩擦加工超细晶板材设备及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种双面搅拌摩擦加工超细晶板材设备，其特征在于：包括两个搅拌头，一个搅拌头设为正搅拌头，另一个搅拌头设为反搅拌头，所述正搅拌头和反搅拌头的尺寸规格相同，均由轴肩和搅拌针构成；所述正搅拌头位于板材上方，所述反搅拌头位于板材下方。
2.采用权利要求1所述的双面搅拌摩擦加工超细晶板材设备的加工方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：选取待加工的板材，并对板材进行装夹固定；
步骤二：将正搅拌头和反搅拌头分别调整到板材的上方和下方；
步骤三：确定正搅拌头与反搅拌头之间在搅拌摩擦加工时的相对位置；
①在搅拌摩擦加工方向上，正搅拌头与反搅拌头之间的轴向中心线距离为L1，且DS＜L1＜4DS，其中，DS为搅拌头的轴肩直径；
②在垂直于搅拌摩擦加工方向上，正搅拌头与反搅拌头之间的轴向中心线距离为L2，且0.5D0＜L2≤DP，其中，D0为搅拌头的搅拌针端部直径，DP为搅拌头的搅拌针根部直径；
步骤四：将正搅拌头与反搅拌头移至板材一侧边缘，并控制正搅拌头及反搅拌头实现高速旋转；
步骤五：控制高速旋转的正搅拌头及反搅拌头迁入板材，正搅拌头与反搅拌头之间的相对位置按照步骤三确定的数值进行设定，当正搅拌头及反搅拌头均迁入板材后，再控制高速旋转的正搅拌头及反搅拌头沿着搅拌摩擦加工方向匀速行进；
步骤六：当高速旋转的正搅拌头及反搅拌头行进到板材另一侧边缘位置后，停止正搅拌头及反搅拌头的行进动作，然后控制正搅拌头及反搅拌头迁出板材；
步骤七：当正搅拌头及反搅拌头从板材中完成迁出后，第一道次的搅拌摩擦加工工序完成，此时单一道次的搅拌区的宽度为Lk；
步骤八：控制正搅拌头及反搅拌头回到板材位于上一道次的初始加工位置，并在垂直于搅拌摩擦加工方向上控制正搅拌头及反搅拌头进行移动，移动距离小于搅拌头的轴肩直径DS，保证相邻道次之间的搅拌区具有的搭接量为L0；
步骤九：重复步骤五、步骤六，完成第二道次的搅拌摩擦加工工序；
步骤十：重复步骤五、步骤六及步骤八，完成第n道次(n≥3)的搅拌摩擦加工工序；
步骤十一：通过机床或剪板机将板材的非搅拌区去除，即可得到超细晶板材成品。
3.根据权利要求2所述的双面搅拌摩擦加工超细晶板材设备的加工方法，其特征在于：步骤五中的正搅拌头及反搅拌头迁入板材的方式有以下两种：
①将正搅拌头与反搅拌头之间的轴向中心线距离L1及L2均调整到位后，正搅拌头和反搅拌头同时迁入板材；
②将正搅拌头与反搅拌头之间的轴向中心线距离L2调整到位后，且L1＝0时，正搅拌头先迁入板材，并沿着搅拌摩擦加工方向匀速行进，当正搅拌头的行进距离大于搅拌头的轴肩直径DS后，此时反搅拌头开始迁入板材。
4.根据权利要求2所述的双面搅拌摩擦加工超细晶板材设备的加工方法，其特征在于：步骤六中的正搅拌头及反搅拌头迁出板材的方式有以下两种：
①维持正搅拌头与反搅拌头之间的轴向中心线距离L1及L2固定不变，正搅拌头和反搅拌头同时迁出板材；
②正搅拌头先迁出板材，反搅拌头继续行进，直到L1＝0时，反搅拌头再迁出板材。
5.根据权利要求2所述的双面搅拌摩擦加工超细晶板材设备的加工方法，其特征在于：单一道次的搅拌区的宽度为Lk还可通过公式Lk＝2DP-L2计算得出，式中，DP为搅拌头的搅拌针根部直径，L2为正搅拌头与反搅拌头之间的轴向中心线在垂直于搅拌摩擦加工方向上的距离。
6.根据权利要求2所述的双面搅拌摩擦加工超细晶板材设备的加工方法，其特征在于：完成第n道次(n≥3)后搅拌区的总宽度为LD，LD可由公式LD＝nLk-(n-1)L0计算得出，式中，Lk为单一道次的搅拌区的宽度，L0为相邻道次之间的搅拌区搭接量，n为加工道次。
7.根据权利要求2所述的双面搅拌摩擦加工超细晶板材设备的加工方法，其特征在于：当原始的待加工板材宽度为LY时，可通过公式n＝[(LY-L0)/(Lk-L0)]计算获得所能加工的最大道次数n，而计算出的n值为取整后数值，式中，LY为原始的待加工板材的宽度，L0为相邻道次之间的搅拌区搭接量，Lk为单一道次的搅拌区的宽度。

说明书全文

一种双面搅拌摩擦加工超细晶板材设备及方法

技术领域

[0001] 本发明属于超细晶板材制备技术领域，特别是涉及一种双面搅拌摩擦加工超细晶板材设备及方法。

背景技术

[0002] 通过搅拌摩擦方式对材料微观组织进行改性，并通过材料加工区的剧烈塑性变形、混合、破碎及热暴露，可实现材料加工区微观结构的致密化、均匀化和细化，具体可用于制备晶粒尺寸为微米级、纳米级的铝合金、铜合金及镁合金等超细晶板材。

[0003] 目前，在超细晶板材制备过程中，由于受到搅拌摩擦设备热输入和热循环的影响，以及现有板材制备方法不完善的影响，总是不可避免的在相邻搅拌区之间产生热机影响区及热影响区，由于热机影响区及热影响区的组织粗大，且有一定的方向性，使热机影响区及热影响区成为了力学性能薄弱区，而力学性能薄弱区的存在直接降低了超细晶板材的力学性能，因此，亟需一种能够有效消除热机影响区及热影响区的超细晶板材加工设备及方法。

发明内容

[0004] 针对现有技术存在的问题，本发明提供一种双面搅拌摩擦加工超细晶板材设备及方法，能够有效消除相邻搅拌区之间的热机影响区及热影响区，有效提高超细晶板材的力学性能。

[0005] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种双面搅拌摩擦加工超细晶板材设备，包括两个搅拌头，一个搅拌头设为正搅拌头，另一个搅拌头设为反搅拌头，所述正搅拌头和反搅拌头的尺寸规格相同，均由轴肩和搅拌针构成；所述正搅拌头位于板材上方，所述反搅拌头位于板材下方。

[0006] 采用所述的双面搅拌摩擦加工超细晶板材设备的加工方法，包括如下步骤：

[0007] 步骤一：选取待加工的板材，并对板材进行装夹固定；

[0008] 步骤二：将正搅拌头和反搅拌头分别调整到板材的上方和下方；

[0009] 步骤三：确定正搅拌头与反搅拌头之间在搅拌摩擦加工时的相对位置；

[0010] ①在搅拌摩擦加工方向上，正搅拌头与反搅拌头之间的轴向中心线距离为L1，且DS＜L1＜4DS，其中，DS为搅拌头的轴肩直径；

[0011] ②在垂直于搅拌摩擦加工方向上，正搅拌头与反搅拌头之间的轴向中心线距离为L2，且0.5D0＜L2≤DP，其中，D0为搅拌头的搅拌针端部直径，DP为搅拌头的搅拌针根部直径；

[0012] 步骤四：将正搅拌头与反搅拌头移至板材一侧边缘，并控制正搅拌头及反搅拌头实现高速旋转；

[0013] 步骤五：控制高速旋转的正搅拌头及反搅拌头迁入板材，正搅拌头与反搅拌头之间的相对位置按照步骤三确定的数值进行设定，当正搅拌头及反搅拌头均迁入板材后，再控制高速旋转的正搅拌头及反搅拌头沿着搅拌摩擦加工方向匀速行进；

[0014] 步骤六：当高速旋转的正搅拌头及反搅拌头行进到板材另一侧边缘位置后，停止正搅拌头及反搅拌头的行进动作，然后控制正搅拌头及反搅拌头迁出板材；

[0015] 步骤七：当正搅拌头及反搅拌头从板材中完成迁出后，第一道次的搅拌摩擦加工工序完成，此时单一道次的搅拌区的宽度为Lk；

[0016] 步骤八：控制正搅拌头及反搅拌头回到板材位于上一道次的初始加工位置，并在垂直于搅拌摩擦加工方向上控制正搅拌头及反搅拌头进行移动，移动距离小于搅拌头的轴肩直径DS，保证相邻道次之间的搅拌区具有的搭接量为L0；

[0017] 步骤九：重复步骤五、步骤六，完成第二道次的搅拌摩擦加工工序；

[0018] 步骤十：重复步骤五、步骤六及步骤八，完成第n道次(n≥3)的搅拌摩擦加工工序；

[0019] 步骤十一：通过机床或剪板机将板材的非搅拌区去除，即可得到超细晶板材成品。

[0020] 步骤五中的正搅拌头及反搅拌头迁入板材的方式有以下两种：

[0021] ①将正搅拌头与反搅拌头之间的轴向中心线距离L1及L2均调整到位后，正搅拌头和反搅拌头同时迁入板材；

[0022] ②将正搅拌头与反搅拌头之间的轴向中心线距离L2调整到位后，且L1＝0时，正搅拌头先迁入板材，并沿着搅拌摩擦加工方向匀速行进，当正搅拌头的行进距离大于搅拌头的轴肩直径DS后，此时反搅拌头开始迁入板材。

[0023] 步骤六中的正搅拌头及反搅拌头迁出板材的方式有以下两种：

[0024] ①维持正搅拌头与反搅拌头之间的轴向中心线距离L1及L2固定不变，正搅拌头和反搅拌头同时迁出板材；

[0025] ②正搅拌头先迁出板材，反搅拌头继续行进，直到L1＝0时，反搅拌头再迁出板材。

[0026] 单一道次的搅拌区的宽度为Lk还可通过公式Lk＝2DP-L2计算得出，式中，DP为搅拌头的搅拌针根部直径，L2为正搅拌头与反搅拌头之间的轴向中心线在垂直于搅拌摩擦加工方向上的距离。

[0027] 完成第n道次(n≥3)后搅拌区的总宽度为LD，LD可由公式LD＝nLk-(n-1)L0计算得出，式中，Lk为单一道次的搅拌区的宽度，L0为相邻道次之间的搅拌区搭接量，n为加工道次。

[0028] 当原始的待加工板材宽度为LY时，可通过公式n＝[(LY-L0)/(Lk-L0)]计算获得所能加工的最大道次数n，而计算出的n值为取整后数值，式中，LY为原始的待加工板材的宽度，L0为相邻道次之间的搅拌区搭接量，Lk为单一道次的搅拌区的宽度。

[0029] 本发明的有益效果：

[0030] 本发明克服了现有技术存在的不足，能够有效消除相邻搅拌区之间的热机影响区及热影响区，及避免了力学性能薄弱区的出现，有效提高超细晶板材的力学性能。附图说明

[0031] 图1为正搅拌头与反搅拌头之间的相对位置关系图；

[0032] 图2为图1的俯视图；

[0033] 图3为各道次搅拌区之间的位置关系示意图；

[0034] 图中，1—板材，2—正搅拌头，3—反搅拌头，4—搅拌区，L1—正搅拌头与反搅拌头之间的轴向中心线在搅拌摩擦加工方向上的距离，L2—正搅拌头与反搅拌头之间的轴向中心线在垂直于搅拌摩擦加工方向上的距离，DS—搅拌头的轴肩直径，D0—搅拌头的搅拌针端部直径，DP—搅拌头的搅拌针根部直径，L0—相邻道次之间的搅拌区搭接量，Lk—单一道次的搅拌区的宽度，LD—完成所有道次后的搅拌区总宽度，LY—原始的待加工板材的宽度。

具体实施方式

[0035] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

[0036] 本实施例中，原始的待加工的板材1选用7050 铝合金板，其厚度为6.5mm，所要制备的为超细晶铝合金板。

[0037] 一种双面搅拌摩擦加工超细晶板材设备，包括两个搅拌头，一个搅拌头设为正搅拌头2，另一个搅拌头设为反搅拌头3，所述正搅拌头2和反搅拌头3的尺寸规格相同，均由轴肩和搅拌针构成，本实施例中，搅拌头具体参数为：轴肩直径为15mm，搅拌针端部直径为4.5mm，搅拌针根部直径为6.5mm；所述正搅拌头2位于板材1上方，所述反搅拌头3位于板材1下方。

[0038] 采用所述的双面搅拌摩擦加工超细晶板材设备的加工方法，包括如下步骤：

[0039] 步骤一：选取待加工的板材1，并对板材1进行装夹固定；

[0040] 步骤二：将正搅拌头2和反搅拌头3分别调整到板材1的上方和下方；

[0041] 步骤三：确定正搅拌头2与反搅拌头3之间在搅拌摩擦加工时的相对位置；

[0042] ①在搅拌摩擦加工方向上，正搅拌头2与反搅拌头3之间的轴向中心线距离为L1，且DS＜L1＜4DS，其中，DS为搅拌头的轴肩直径；本实施例中L1取30mm；

[0043] ②在垂直于搅拌摩擦加工方向上，正搅拌头2与反搅拌头3之间的轴向中心线距离为L2，且0.5D0＜L2≤DP，其中，D0为搅拌头的搅拌针端部直径，DP为搅拌头的搅拌针根部直径；本实施例中L2取7.5mm；

[0044] 步骤四：将正搅拌头2与反搅拌头3移至板材1一侧边缘，并控制正搅拌头2及反搅拌头3实现高速旋转，实际转速为600rpm；

[0045] 步骤五：控制高速旋转的正搅拌头2及反搅拌头3迁入板材1，正搅拌头2与反搅拌头3之间的相对位置按照步骤三确定的数值进行设定，当正搅拌头2及反搅拌头3均迁入板材1后，再控制高速旋转的正搅拌头2及反搅拌头3沿着搅拌摩擦加工方向匀速行进，行进速度为100mm/min；

[0046] 步骤六：当高速旋转的正搅拌头2及反搅拌头3行进到板材1另一侧边缘位置后，停止正搅拌头2及反搅拌头3的行进动作，然后控制正搅拌头2及反搅拌头3迁出板材1；

[0047] 步骤七：当正搅拌头2及反搅拌头3从板材1中完成迁出后，第一道次的搅拌摩擦加工工序完成，此时单一道次的搅拌区的宽度为Lk，Lk实际值为22.5mm；

[0048] 步骤八：控制正搅拌头2及反搅拌头3回到板材1位于上一道次的初始加工位置，并在垂直于搅拌摩擦加工方向上控制正搅拌头2及反搅拌头3进行移动，移动距离小于搅拌头的轴肩直径DS，保证相邻道次之间的搅拌区具有的搭接量为L0，L0实际值为7.5mm；

[0049] 步骤九：重复步骤五、步骤六，完成第二道次的搅拌摩擦加工工序；

[0050] 步骤十：重复步骤五、步骤六及步骤八，完成第n道次(n≥3)的搅拌摩擦加工工序；

[0051] 步骤十一：通过机床或剪板机将板材1的非搅拌区去除，即可得到超细晶板材成品。

[0052] 步骤五中的正搅拌头2及反搅拌头3迁入板材1的方式有以下两种：

[0053] ①将正搅拌头2与反搅拌头3之间的轴向中心线距离L1及L2均调整到位后，正搅拌头2和反搅拌头3同时迁入板材1；

[0054] ②将正搅拌头2与反搅拌头3之间的轴向中心线距离L2调整到位后，且L1＝0时，正搅拌头2先迁入板材1，并沿着搅拌摩擦加工方向匀速行进，当正搅拌头2的行进距离大于搅拌头的轴肩直径DS后，此时反搅拌头3开始迁入板材1。

[0055] 步骤六中的正搅拌头2及反搅拌头3迁出板材1的方式有以下两种：

[0056] ①维持正搅拌头2与反搅拌头3之间的轴向中心线距离L1及L2固定不变，正搅拌头2和反搅拌头3同时迁出板材1；

[0057] ②正搅拌头2先迁出板材1，反搅拌头3继续行进，直到L1＝0时，反搅拌头3再迁出板材1。

[0058] 单一道次的搅拌区的宽度为Lk还可通过公式Lk＝2DP-L2计算得出，式中，DP为搅拌头的搅拌针根部直径，L2为正搅拌头2与反搅拌头3之间的轴向中心线在垂直于搅拌摩擦加工方向上的距离。

[0059] 完成第n道次(n≥3)后搅拌区的总宽度为LD，LD可由公式LD＝nLk-(n-1)L0计算得出，式中，Lk为单一道次的搅拌区的宽度，L0为相邻道次之间的搅拌区搭接量，n为加工道次。

[0060] 当原始的待加工板材1宽度为LY时，可通过公式n＝[(LY-L0)/(Lk-L0)]计算获得所能加工的最大道次数n，而计算出的n值为取整后数值，式中，LY为原始的待加工板材1的宽度，L0为相邻道次之间的搅拌区搭接量，Lk为单一道次的搅拌区的宽度。

[0061] 实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

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