一种磨损轴类零件搅拌摩擦加工再制造方法

摘要

本发明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。

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

(1)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0.5mm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发明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。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种磨损轴类零件搅拌摩擦加工再制造方法，本发明 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。本发明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。本发明 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，本发明一种磨损轴类零件搅拌摩擦加工再制造方法，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。

为完成轴类零件的搅拌摩擦加工过程，本发明中使用的偏心搅拌头可以用于高温钢铁 材料的搅拌摩擦搭接焊加工，所述磨损轴类零件为钢铁材料，用于驱动偏心搅拌工具的电 机的功率为22kW以上，偏心搅拌工具轴向移动为位移控制方式，偏心搅拌工具的最大轴 向压力为100kN、最大侧向力为50kN。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1）工艺过程为固相焊接过程、填充材料与轴基体母材为冶金结合，连接区域组织晶 粒细小、致密性及结合强度高，具有优异的综合力学性能。避免了传统熔焊(如熔化堆焊、 激光熔敷等)工艺可能出现的各种熔化和结晶缺陷。

2）采用与母材性能相同的填充材料实现磨损区域修复加工，工艺过程加热温度低、 热影响区窄，对基体母材的力学性能影响小，焊接残余应力与变形小。

3）采用非消耗偏心搅拌工具既实现填充堆焊材料与基体母材的冶金连接，又实现填 充材料与局部母材的搅拌摩擦改性加工过程，可以实现固相搅拌摩擦堆焊连续加工过程， 与传统耗材摩擦焊工艺比较具有明显不同的特点。

4）由于采用非消耗偏心搅拌工具，可实现较宽连接区域材料的搅拌摩擦改性加工， 连接加工效率高，连接区域晶粒细小，冶金组织均匀，与传统搅拌摩擦加工采用轴对称搅 拌工具比较具有明显不同。

5）工艺过程是一种绿色环保的机械加工过程，不需要冷却介质、无电弧及烟雾污染， 一般不需要保护气体，加工过程成本低、易于实现自动化、效率高。

附图说明

图1是本发明磨损轴类零件搅拌摩擦加工再制造原理示意图；

图2是图1中AA剖面的剖面图；

图3是图1中B-B剖面的剖面图；

图4是本发明磨损轴类零件搅拌摩擦加工再制造专用的搅拌工具示意图

图5是本发明磨损轴类零件搅拌摩擦加工再制造工艺流程图；

图中，1-电机，2-减速器，3-卡盘，4、10-环形夹具，5-引入金属带，6-填充金属带， 7-偏心搅拌头，8-轴肩，9-摩擦塞焊点焊焊缝，11-磨损轴类零件，12-引出金属带，13- 轴承，14-支撑板，15-底座，16-工作台，17-螺栓连接件。

具体实施方式

本发明提出一种表面磨损轴类零件的搅拌摩擦加工再制造方法，采用非消耗带有偏心 搅拌头的偏心搅拌工具，来实现填充金属带与被修复轴表面冶金搭接连接。由于采用偏心 搅拌头，在一道搅拌摩擦加工过程中，可实现更宽范围的连接区域内材料搅拌摩擦加工处 理。

本发明一种磨损轴类零件搅拌摩擦加工再制造方法，如图5所示，主要包括：预处理、 配件加工、装夹固定、搅拌摩擦加工处理和后续处理。加工再制造完成后进行性能检测， 最后交付使用。

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述本发明一种磨损轴类零件搅拌 摩擦加工再制造方法：

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,所述凹槽的 深度为d，轴类零件磨损区域的最大深度为d₁，当d₁≤1mm时，d取1mm；当d>1时，d 取d₁+0.5mm.

步骤二：制作填充金属带6：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6的内径等于所述凹槽底部轴段处的外径；所述填充金属带的宽度与所述凹槽 宽度之间的尺寸关系为过盈配合，所述填充金属带的厚度为d₂=d₁+2mm。

制作引入金属带5和引出金属带12：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：如图1、图3和图4所示，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8的直径是偏心设置的偏心搅拌头7直 径的3倍，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7为圆柱 形或圆锥台，所述偏心搅拌头7的外回转表面上设有螺旋形沟槽；所述偏心搅拌头与轴肩 之间的偏心尺寸△d在0～5mm范围，具体尺寸由一次搅拌摩擦加工焊道宽度决定。

制作旋转装置：如图1所示，旋转装置包括底座15，底座15上一端安装有电机1、 减速器2和卡盘3，底座15上的另一端固定支撑14，支撑14上设有与卡盘3同轴心的轴承13。

制作两个环形卡具：如图1和图2所示，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6套在、并固定在轴类零件 的凹槽中，先用一个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5和引出金属带12放置于所述填充金 属带6的两边，用摩擦塞焊将填充金属带6和与之相邻的引入金属带5及引出金属带12 点焊在一起（分别沿摩擦塞焊点焊焊缝9的径向点焊4~6个点）；再用两个环形夹具4、10 分别固定引入金属带4和引出金属带10的外端，从而将填充金属带6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16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16的行走速度为0.5-5mm/min，减速器2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5中，待偏心搅拌工具轴肩8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1，卡盘3带动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5上留下一条环形焊缝，此时，让搅拌摩擦 焊机的工作台16带动旋转装置移动，使偏心搅拌工具由引入金属带5进入填充金属带6， 在偏心搅拌工具与填充金属带6和轴类零件基体材料的搅拌摩擦作用下，填充金属带6与 基体焊合在一起，随着工作台16的向前移动，偏心搅拌工具在填充金属带6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6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12上退出；最后停止搅拌摩擦焊焊机和旋转装置的电机1；

步骤五：将轴类零件从卡盘3上卸下来，卸掉环形夹具4、10，去除引入金属带5和 引出金属带12，按照轴类零件的原始外径尺寸进行加工。

对再制造轴类零件进行耐磨性、填充金属与轴基体结合强度等综合性能的检测和评 估。用搅拌摩擦焊加工方法再制造的轴类零件装入相关设备，投入使用。

实例：

平地机上用的双排链轮轴，长期使用后发生磨损失效，经检测轴颈与轴承配合的位置 磨损深度约为0.50mm，采用搅拌摩擦加工的方法对其进行再制造。

首先将磨损部位清洗干净，再机加工出深度为1mm的凹槽，然后加工厚度为3mm的填 充金属带和厚度为2mm的引入金属带和引出金属带及专用环形夹具和搅拌工具。如图1所 示，将磨损双排链轮轴安装底座13上，用卡盘3和轴承13固定该轴，将填充金属带6嵌 入凹槽中，用手工电弧焊在填充金属带6的纵向接合线处点焊4个点，再在填充金属带6 的两侧装上引入金属带5和引出金属带12，并将它们在两边的摩擦塞焊点焊焊缝9处点焊 在一起，最后装上环形夹具4、10，拧紧固定螺栓连接件17，完成填充金属带6、引入金 属带5和引出金属带12的装夹固定。将装有双排链轮轴的底座15安装在搅拌摩擦焊机的 工作台16上，在焊机控制面板上设置偏心搅拌工具的转速为1500r/min，工作台16行走 速度为1mm/min，调整电机1的转速和减速器2的减速比，使减速器2的输出轴转速为 1r/min。

开启焊机，待转速达到1500r/min稳定后，将偏心搅拌工具移动至引入带靠近填充金 属带6的位置，使偏心搅拌工具向下移动，手动调节焊机控制手柄，使偏心搅拌工具缓慢 插入引入金属带5中，待偏心搅拌工具的轴肩8的端面压入引入金属带5的0.15mm时， 停止偏心搅拌工具的向下移动，启动电机1，卡盘3带动轴开始旋转，搅拌摩擦焊加工完 一周后，启动焊机工作台16沿X轴（即轴的轴向）方向运动，偏心搅拌工具即开始不断 向前进行搅拌摩擦加工，进入填充金属带6，将填充金属带6和轴基体材料焊合在一起， 待偏心搅拌工具移动至填充金属带6端部开始进入引出金属带12时，将偏心搅拌工具缓 慢抬起，最后从引出金属带12上退出，即完成了磨损部位的搅拌摩擦加工。

卸掉引入和引出金属带5、12上的环形夹具4、10，去除引入金属带5和引出金属带 12，加工掉多余的填充金属，至此完成了磨损轴搅拌摩擦加工再制造的过程。

经检测，填充金属与轴基体材料实现了固相冶金连接，结合强度高，经搅拌摩擦加工 的轴表面区域的组织晶粒非常细小，耐磨性大大提高，该方法成功完成了磨损双排链轮轴 的再制造，可以用来对磨损双排链轴进行批量再制造加工。

上述说明的应用实例不局限于磨损双排链轴的再制造，也可以应用于其他各类废旧轴 类零件的批量化加工再制造过程。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式， 上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明 的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保 护之内。