一種磨損軸類零件攪拌摩擦加工再制造方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種磨損軸類零件攪拌摩擦加工再制造方法，是一種將攪拌摩擦搭接焊與攪拌摩擦加工相結(jié)合的一種復(fù)合加工工藝，利用非消耗的偏心攪拌摩擦工具將填充材料與磨損軸基體母材搭接焊在一起，并通過攪拌摩擦加工實(shí)現(xiàn)填充材料在軸表面的堆焊過程，通過一系列標(biāo)準(zhǔn)化的工藝過程，可實(shí)現(xiàn)磨損軸的批量再制造。具體工藝由預(yù)處理（軸類零件磨損區(qū)域清洗和加工凹槽）、配件加工（攪拌工具、填充金屬帶、引入引出金屬帶、環(huán)形夾具和旋轉(zhuǎn)裝置的加工）、裝夾固定、攪拌摩擦加工處理和后續(xù)處理等組成。本發(fā)明專利技術(shù)提出的磨損軸類再制造方法屬于固相加工，連接區(qū)域材料之間為冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高，綜合力學(xué)性能優(yōu)良，綠色環(huán)保，生產(chǎn)效率較高。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于廢舊工程機(jī)械零件再制造加工領(lǐng)域，具體是針對表面磨損軸類零件的一種攪拌摩擦加工再制造方法。
技術(shù)介紹
廢舊工程機(jī)械零部件再制造是再制造工程的重要組成部分，是提高資源利用率、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重要途徑之一。軸類零件是工程機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中廣泛使用的零部件之一，由于傳遞載荷大及反復(fù)加載經(jīng)常會(huì)發(fā)生各種磨損失效，直接廢棄局部磨損的軸類零件將造成材料及能源的嚴(yán)重浪費(fèi)，如何對磨損軸類零件進(jìn)行再制造后繼續(xù)使用是再制造工程迫切需要解決的課題。研究和開發(fā)先進(jìn)的再制造方法對磨損軸類零件進(jìn)行再制造加工，對工程機(jī)械再制造工程的發(fā)展有巨大促進(jìn)作用。目前，已應(yīng)用的軸類零件表面再制造加工方法有表面堆焊、熱噴涂、電刷鍍、激光熔覆及耗材摩擦焊等，它們在具有各自優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也具有工藝上的一些局限性。(I)表面堆焊是在金屬材料或零件表面熔焊上耐磨耐蝕等特殊性能金屬層的一種工藝方法，通過堆焊可以修復(fù)外形不合格的金屬零部件及產(chǎn)品或制造雙金屬零部件。用表面堆焊方法加工軸類零件時(shí)，加工面積較大，軸母材和金屬層之間為冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高；但采用熔焊方法難免會(huì)產(chǎn)生各種熔化冶金缺陷及結(jié)晶缺陷等，焊后焊縫組織粗大，尤其熱影響區(qū)韌性明顯降低，存在嚴(yán)重的焊接殘余應(yīng)力和變形，并可能產(chǎn)生各種裂紋等缺陷，導(dǎo)致該工藝在使用中具有明顯局限性。(2)熱噴涂技術(shù)是一種將涂層材料(粉末或絲材)送入某種熱源(電弧、燃燒火焰、等離子體等)中熔化，并利用高速氣流將其噴射到基體材料表面形成涂層的工藝。熱噴涂涂層具有耐磨損、耐腐蝕、耐高溫和隔熱等優(yōu)良性能，并能對磨損、腐蝕或加工超差引起的零件尺寸減小進(jìn)行局部修復(fù)加工，在航空航天、機(jī)械制造、石油化工等領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用。用熱噴涂技術(shù)修復(fù)軸類零件時(shí)修復(fù)速度快，適合復(fù)雜形狀及大面積加工；但涂層總存在一定空隙率、致密性低，涂層與母材之間存在殘余應(yīng)力，涂層結(jié)合一般為機(jī)械結(jié)合，其結(jié)合強(qiáng)度較低，在軸類零件表面長期磨損擠壓大載荷作用下很容易再次磨損剝落，雖后續(xù)發(fā)展了超音速噴涂工藝，其涂層致密性與結(jié)合強(qiáng)度有明顯改善，但涂層仍很難適合承受擠壓磨損沖擊載荷的作用。(3)電刷鍍的基本原理與電鍍相同，都屬于電化學(xué)結(jié)晶過程，刷鍍是在通電狀態(tài)下蘸鍍液的陽極與被鍍工件表面做相對接觸運(yùn)動(dòng)下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而施鍍的。電刷鍍技術(shù)修復(fù)軸類零件時(shí)為現(xiàn)場修復(fù)，易于操作，工期較短，修復(fù)寬面效率較高，鍍層與母體之間是金屬鍵結(jié)合，結(jié)合力高，熱輸入量低，不產(chǎn)生熱應(yīng)力；但鍍層大于O. 5_易脫落，刷鍍面積受鍍筆大小的限制，并且鍍液對現(xiàn)場環(huán)境有一定污染。(4)激光熔敷表面再制造加工技術(shù)是利用高能量、高密度的激光束，在缺陷的金屬材料表面處快速熔凝一層具有高機(jī)械性能及綜合性能的合金材料，提高工件的表面強(qiáng)度、耐磨性以及抗腐蝕性，融合零件表層裂紋及存在的微孔缺陷，再經(jīng)過一定機(jī)械加工使得熔敷層表面質(zhì)量符合要求。采用該工藝加工軸類零件時(shí)，熔敷材料與母材接近、耐磨損性能較好、冶金結(jié)合強(qiáng)度高、不易脫落，但激光熔敷仍是一種熔化焊接方法，類似于表面堆焊將存在熔化焊中不可避免的冶金組織及熔化缺陷特征，如熱影響區(qū)韌性降低及焊接殘余應(yīng)力，有設(shè)備操作比較復(fù)雜、成本高等局限性。(5)耗材摩擦焊工藝是常規(guī)摩擦焊熱效應(yīng)與普通電弧焊焊條作用及運(yùn)動(dòng)方式的有機(jī)結(jié)合，基本原理是消耗材料“焊條”旋轉(zhuǎn)并與被焊工件接觸，依靠接觸面摩擦所產(chǎn)生的熱，使結(jié)合面兩側(cè)的材料達(dá)到熱塑性狀態(tài)，并施加頂鍛壓力實(shí)現(xiàn)連接，與此同時(shí)耗材與工件沿所需焊接方向相對運(yùn)動(dòng)，在這個(gè)過程中，“焊條”不斷消耗，從而形成焊縫或焊敷層。用耗材摩擦焊加工時(shí)不熔化母材和耗材，為固相連接、溫度低、焊縫組織細(xì)小均勻，結(jié)合強(qiáng)度高；但由于目前設(shè)備及工藝局限性，耗材長度有限、很難實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工，該工藝目前主要處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，國內(nèi)尚未見到實(shí)際工程應(yīng)用。攪拌摩擦焊是由英國焊接研究所專利技術(shù)的一種新型固相連接技術(shù)，其基本原理是一個(gè)由軸肩和攪拌針組成的非消耗的焊接工具高速旋轉(zhuǎn)并插入被連接工件之間，通過工具的摩擦生熱使被焊金屬升溫并發(fā)生塑化，從而實(shí)現(xiàn)固相連接。攪拌摩擦加工是在攪拌摩擦焊技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)的一種用于材料改性和制備表面復(fù)合材料的加工工藝。該方法通過攪拌摩擦機(jī)械作用產(chǎn)生的熱塑性變形來細(xì)化被加工材料表面晶粒與微觀組織，從而改善材料表面綜合力學(xué)性能。但加工寬度受到攪拌工具的限制，加工效率不高，也未使用填充金屬，目前尚未見到攪拌摩擦加工應(yīng)用于廢舊工程機(jī)械軸類零件的再制造工程中。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本專利技術(shù)提供，本專利技術(shù)是將攪拌摩擦搭接焊與攪拌摩擦加工結(jié)合在一起的一種復(fù)合加工工藝，利用非消耗的偏心攪拌摩擦工具將填充材料與軸基體母材搭接焊在一起、并通過攪拌摩擦加工實(shí)現(xiàn)填充材料在磨損軸表面堆焊過程，通過一系列標(biāo)準(zhǔn)化的工藝過程，實(shí)現(xiàn)對磨損軸類零件表面的批量化加工再制造，而不是局部修復(fù)工藝。本專利技術(shù)采用攪拌摩擦焊接與加工方法對磨損軸類零件進(jìn)行再制造，能克服目前工藝的局限性，填充金屬和軸基體材料之間是固相冶金結(jié)合，組織晶粒細(xì)小，大大提高零件表面的耐磨性，殘余應(yīng)力和變形很小，無熔化缺陷。本專利技術(shù)加工方法不產(chǎn)生電弧和化學(xué)污染物質(zhì)，綠色無污染，節(jié)能環(huán)保。生產(chǎn)效率高，自動(dòng)化程度高，適合批量再制造生產(chǎn)。為了解決上述技術(shù)問題，本專利技術(shù)，包括以下步驟步驟一對軸類零件的磨損表面進(jìn)行清洗，并采用機(jī)加工方法，在軸類零件磨損區(qū)域的表面加工環(huán)形凹槽，該凹槽的底部深至到露出軸類零件完好的基體表面為止；步驟二 制作填充金屬帶選擇與軸類零件母材同材質(zhì)制作成環(huán)狀填充金屬帶，該填充金屬帶的內(nèi)徑等于所述凹槽底部軸段處的外徑；制作引入金屬帶和引出金屬帶選擇與軸類零件母材同材質(zhì)制作環(huán)狀的引入金屬帶和引出金屬帶，其厚度均為2_，其內(nèi)徑與軸類零件的原始外徑一致；制作攪拌摩擦焊機(jī)的偏心攪拌工具該偏心攪拌工具為一鎢基合金或立方氮化硼材料的偏心階梯軸，其軸肩的直徑是偏心設(shè)置的偏心攪拌頭直徑的3倍，所述偏心攪拌頭與軸肩之間的偏心尺寸Λ d在O 5_范圍，偏心攪拌頭的長度比填充金屬帶的厚度大O.5 1mm，所述偏心攪拌頭為圓柱形狀或圓臺(tái)形狀，所述偏心攪拌頭的外回轉(zhuǎn)表面上設(shè)有螺旋形溝槽；制作旋轉(zhuǎn)裝置旋轉(zhuǎn)裝置包括底座，底座上一端安裝有電機(jī)、減速器和卡盤，底座上的另一端固定支撐，所述支撐上設(shè)有與卡盤同軸心的軸承；制作兩 個(gè)環(huán)形卡具所述環(huán)形卡具為開口環(huán)結(jié)構(gòu)，在開口處設(shè)有緊固螺栓連接件；步驟三將軸類零件裝夾在旋轉(zhuǎn)裝置上后，將填充金屬帶套在、并固定在軸類零件的凹槽中，用環(huán)形夾具夾緊該填充金屬帶，用摩擦塞焊在填充金屬帶軸向接合線處點(diǎn)焊:Γ5個(gè)點(diǎn)，之后卸掉環(huán)形夾具；將引入金屬帶和引出金屬帶放置于所述填充金屬帶的兩邊，用摩擦塞焊將填充金屬帶和與之相鄰的引入金屬帶及引出金屬帶點(diǎn)焊在一起；再用兩個(gè)環(huán)形夾具分別固定引入金屬帶和引出金屬帶的外端，從而將填充金屬帶緊密地固定在凹槽中；將上述裝夾有軸類零件的旋轉(zhuǎn)裝置固定在攪拌摩擦焊機(jī)的工作臺(tái)上；步驟四在攪拌摩擦焊機(jī)上安裝上述偏心攪拌工具，設(shè)定偏心攪拌工具的轉(zhuǎn)速為1000-3500r/min，工作臺(tái)的行走速度為O. 5-5mm/min，減速器輸出軸的轉(zhuǎn)速為O. 5_2r/min ；啟動(dòng)攪拌摩擦焊機(jī)，待轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)設(shè)值后，使偏心攪拌工具沿其軸向豎直向下緩慢擠壓進(jìn)入引入金屬帶中，待偏心攪拌工具軸肩的端面壓入引入金屬帶O. 15-0. 20_時(shí)，本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種磨損軸類零件攪拌摩擦加工再制造方法，其特征在于：包括以下步驟：步驟一：對軸類零件的磨損表面進(jìn)行清洗，并采用機(jī)加工方法，在軸類零件磨損區(qū)域的表面加工環(huán)形凹槽，該凹槽的底部深至到露出軸類零件完好的基體表面為止；步驟二：制作填充金屬帶：選擇與軸類零件母材同材質(zhì)制作成環(huán)狀填充金屬帶，該填充金屬帶的內(nèi)徑等于所述凹槽底部軸段處的外徑；制作引入金屬帶和引出金屬帶：選擇與軸類零件母材同材質(zhì)制作環(huán)狀的引入金屬帶和引出金屬帶，其厚度均為2mm，其內(nèi)徑與軸類零件的原始外徑一致；制作攪拌摩擦焊機(jī)的偏心攪拌工具：該偏心攪拌工具為一鎢基合金或立方氮化硼材料的偏心階梯軸，其軸肩的直徑是偏心設(shè)置的偏心攪拌頭直徑的3倍，所述偏心攪拌頭與軸肩之間的偏心尺寸△d在0～5mm范圍，偏心攪拌頭的長度比填充金屬帶的厚度大0.5~1mm，所述偏心攪拌頭為圓柱形狀或圓臺(tái)形狀，所述偏心攪拌頭的外回轉(zhuǎn)表面上設(shè)有螺旋形溝槽；制作旋轉(zhuǎn)裝置：旋轉(zhuǎn)裝置包括底座，底座上一端安裝有電機(jī)、減速器和卡盤，底座上的另一端固定支撐，所述支撐上設(shè)有與卡盤同軸心的軸承；制作兩個(gè)環(huán)形卡具：所述環(huán)形卡具為開口環(huán)結(jié)構(gòu)，在開口處設(shè)有緊固螺栓連接件；步驟三：將軸類零件裝夾在旋轉(zhuǎn)裝置上后，將填充金屬帶套在、并固定在軸類零件的凹槽中，用環(huán)形夾具夾緊該填充金屬帶，用摩擦塞焊在填充金屬帶軸向接合線處點(diǎn)焊3~5個(gè)點(diǎn)，之后卸掉環(huán)形夾具；將引入金屬帶和引出金屬帶放置于所述填充金屬帶的兩邊，用摩擦塞焊將填充金屬帶和與之相鄰的引入金屬帶及引出金屬帶點(diǎn)焊在一起；再用兩個(gè)環(huán)形夾具分別固定引入金屬帶和引出金屬帶的外端，從而將填充金屬帶緊密地固定在凹槽中；將上述裝夾有軸類零件的旋轉(zhuǎn)裝置固定在攪拌摩擦焊機(jī)的工作臺(tái)上；步驟四：在攪拌摩擦焊機(jī)上安裝上述偏心攪拌工具，設(shè)定偏心攪拌工具的轉(zhuǎn)速為1000?3500r/min，工作臺(tái)的行走速度為0.5?5mm/min，減速器輸出軸的轉(zhuǎn)速為0.5?2r/min；啟動(dòng)攪拌摩擦焊機(jī)，待轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)設(shè)值后，使偏心攪拌工具沿其軸向豎直向下緩慢擠壓進(jìn)入引入金屬帶中，待偏心攪拌工具軸肩的端面壓入引入金屬帶0.15?0.20mm時(shí)，停止偏心攪拌工具向下運(yùn)動(dòng)，啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置中的電機(jī)，軸類零件開始緩慢旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)一周后，偏心攪拌工具在引入金屬帶上留下一條環(huán)形焊縫，此時(shí)，讓攪拌摩擦焊機(jī)的工作臺(tái)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置移動(dòng)，使偏心攪拌工具由引入金屬帶進(jìn)入填充金屬帶，在偏心攪拌工具與填充金屬帶和軸類零件基體材料的攪拌摩擦作用下，填充金屬帶與基體焊合在一起，隨著工作臺(tái)的向前移動(dòng)，偏心攪拌工具在填充金屬帶區(qū)域完成了攪拌摩擦加工，待偏心攪拌工具行走至 填充金屬帶的另一端部時(shí)，將偏心攪拌工具緩緩抬起，最后從引出金屬帶上退出；最后停止攪拌摩擦焊焊機(jī)和旋轉(zhuǎn)裝置的電機(jī)；步驟五：將軸類零件從卡盤上卸下來，卸掉環(huán)形夾具，去除引入金屬帶和引出金屬帶，按照軸類零件的原始外徑尺寸進(jìn)行加工。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種磨損軸類零件攪拌摩擦加工再制造方法，其特征在于包括以下步驟 步驟一對軸類零件的磨損表面進(jìn)行清洗，并采用機(jī)加工方法，在軸類零件磨損區(qū)域的表面加工環(huán)形凹槽，該凹槽的底部深至到露出軸類零件完好的基體表面為止； 步驟二 制作填充金屬帶選擇與軸類零件母材同材質(zhì)制作成環(huán)狀填充金屬帶，該填充金屬帶的內(nèi)徑等于所述凹槽底部軸段處的外徑； 制作引入金屬帶和引出金屬帶選擇與軸類零件母材同材質(zhì)制作環(huán)狀的引入金屬帶和引出金屬帶，其厚度均為2mm，其內(nèi)徑與軸類零件的原始外徑一致； 制作攪拌摩擦焊機(jī)的偏心攪拌工具該偏心攪拌工具為一鎢基合金或立方氮化硼材料的偏心階梯軸，其軸肩的直徑是偏心設(shè)置的偏心攪拌頭直徑的3倍，所述偏心攪拌頭與軸肩之間的偏心尺寸Λ d在O 5mm范圍，偏心攪拌頭的長度比填充金屬帶的厚度大O.5 lmm，所述偏心攪拌頭為圓柱形狀或圓臺(tái)形狀，所述偏心攪拌頭的外回轉(zhuǎn)表面上設(shè)有螺旋形溝槽； 制作旋轉(zhuǎn)裝置旋轉(zhuǎn)裝置包括底座，底座上一端安裝有電機(jī)、減速器和卡盤，底座上的另一端固定支撐，所述支撐上設(shè)有與卡盤同軸心的軸承； 制作兩個(gè)環(huán)形卡具所述環(huán)形卡具為開口環(huán)結(jié)構(gòu)，在開口處設(shè)有緊固螺栓連接件；步驟三將軸類零件裝夾在旋轉(zhuǎn)裝置上后，將填充金屬帶套在、并固定在軸類零件的凹槽中，用環(huán)形夾具夾緊該填充金屬帶，用摩擦塞焊在填充金屬帶軸向接合線處點(diǎn)焊:Γ5個(gè)點(diǎn)，之后卸掉環(huán)形夾具；將引入金屬帶和引出金屬帶放置于所述填充金屬帶的兩邊，用摩擦塞焊將填充金屬帶和與之相鄰的引入金屬帶及引出金屬帶點(diǎn)焊在一起；再用兩個(gè)環(huán)形夾具分別固定引入金屬帶和引出金屬帶的外端，從而將填充金屬帶緊密地固定在凹槽中；將上述裝夾有軸類零件的旋轉(zhuǎn)裝置固定在攪拌摩擦焊機(jī)的工作臺(tái)上； 步驟四在攪拌摩擦焊機(jī)...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：宋友寶，楊新岐，張國勝，
申請(專利權(quán))人：天津大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：