CN107378229A - 一种用于复合材料搅拌摩擦近净成形增材的制造方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于复合材料搅拌摩擦近净成形增材的制造方法及装置，装置包括模具基座、形腔板和盖板，模具基座的两端安装有端头挡板，模具基座的腔内放置有垫块，且垫块两端与端头挡板相抵，垫块的侧面安装有侧向挡板，垫块上部设置有形腔板，形腔板为左右分体设置且中部预留有矩形间隙，盖板与模具基座上部连接，盖板中部开有矩形槽孔；增材制造过程中通过增加形腔板实现了复合增材制造过程中增加待搅拌材料的连续高效操作，该装置可在固态下实现复合材料的近净成型增材制造，装置简单、操作简便，材料利用率高，无熔化方法所产生的气孔等缺陷。

Description

一种用于复合材料搅拌摩擦近净成形增材的制造方法及装置

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦增材制造技术领域，特别是涉及一种用于复合材料搅拌摩擦近净成形增材的制造方法及装置。

背景技术

搅拌摩擦加工技术是基于搅拌摩擦焊思想，利用搅拌头所造成加工区域材料的剧烈塑性变形、混合和破碎，实现材料微观组织的细化、均匀化和致密化的一种材料加工制备技术。其作业模式为：由轴肩和搅拌针组成的搅拌工具高速旋转，将搅拌针插入工件，当轴肩与工件表面接触后，搅拌工具在工件上沿预定方向运动，旋转的轴肩与工件表面摩擦将金属局部加热、软化，搅拌针周围的金属被搅拌针高速旋转带动，经历剧烈的塑性变形、混合并发生再结晶，从而在搅拌过的区域形成致密的细晶结构。搅拌摩擦加工可用于材料微观组织改性，制备细晶超塑性材料和金属基复合材料，提高材料性能，具有广阔的应用前景。

搅拌摩擦增材制造是搅拌摩擦焊衍变而来的一种增材方法，可用于解决高能束增材制造(激光、电子束增材制造)铝合金及其复合材料过程中易产生的气孔缺陷及强度损失大等问题。搅拌摩擦增材制造继承了搅拌摩擦焊的优点，具有晶粒细小，变形小等优点，已应用于增材制造领域。与传统搅拌摩擦焊一样，搅拌摩擦增材制造对工件装夹要求高，拆装复杂，后续加工耗时较长，因此，寻求一种工件装夹简单、后续加工少的搅拌摩擦增材制造的装置及方法是很有必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于复合材料搅拌摩擦近净成形增材的制造方法及装置，解决现有技术中搅拌摩擦增材制造对工件装夹要求高，拆装复杂，后续加工耗时较长的问题，本发明的装置在固态下能够实现复合材料的近净成形增材制造，装置简单、操作简便，材料利用率高，无熔化方法所产生的气孔等缺陷。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

本发明提供了一种用于复合材料搅拌摩擦近净成形增材的装置，包括模具基座、形腔板和盖板，所述模具基座的两端安装有端头挡板，所述模具基座的腔内放置有垫块，且所述垫块两端与所述端头挡板相抵，所述垫块的侧面安装有侧向挡板，所述垫块上部设置有形腔板，所述形腔板为左右分体设置且中部预留有矩形间隙，所述盖板与模具基座上部连接，所述盖板中部开有矩形槽孔。

优选的，所述形腔板包括上形腔板和下形腔板，所述下形腔板放置在所述垫块上表面，所述上形腔板设置在所述下形腔板上，所述形腔板中部矩形间隙内设有塞块；

优选的，所述上形腔板包括左右对称设置的两个相同的第一板状体，所述第一板状体截面为阶梯状，所述第一板状体内侧台阶高度低于外侧台阶高度；所述下形腔板包括左右对称设置的两个相同的第二板状体，所述第二板状体为两个矩形板，所述第二板状体间的距离与所述第一板状体间的距离相等；

优选的，两个所述第一板状体内侧台阶之间的宽度比搅拌头轴肩直径大6～8mm；

优选的，所述盖板与所述上形腔板的第一板状体外侧台阶之间还设置有辅助压板；

优选的，所述形腔板、塞块、垫块和辅助压板均为TC4钛合金制成；

本发明还提供了一种用于复合材料搅拌摩擦近净成形增材的制造方法，包括以下步骤：

(1)安装所述装置并放入待搅拌材料；

先将模具底座安装在工作台上，用紧定螺钉将一端端头挡板固定安装在所述模具底座上，将垫块放置在所述模具底座的腔内，接着将侧向挡板放置在带有侧向螺孔一侧进行预紧；然后将下形腔板放置于所述垫块上表面，将塞块放置于所述下形腔板的第二板状体中间，留出材料放置空间，用于放置待搅拌材料；再将上形腔板放置在下形腔板上表面，同样将塞块放置在所述上形腔板的第一板状体中间两板中间，在塞块之间的放置空间内放入待搅拌材料，然后，将辅助压板放置于所述上形腔板上表面的外侧台阶，最后将模具底座另一端端头挡板装上，将盖板盖上，并用紧定螺钉预固定；

(2)制造增材材料；

开启搅拌头，所述搅拌头穿过所述盖板的矩形槽孔，然后所述搅拌头的搅拌针进入形腔板的矩形间隙并与待搅拌材料相抵，所述搅拌针开始对待搅拌材料进行单层增材；接着依次将盖板、辅助压板和上形腔板拆开，增加一层上形腔板和待增材材料，然后依次将上形腔板、辅助压板和盖板固定安装，采用第一层增材参数进行增材制造，重复上述步骤，最终获得成形良好，无缺陷的块体增材材料。

优选的，在步骤2中，采用搅拌头的搅拌针为锥形搅拌针，所述搅拌针的直径不大于8mm，所述搅拌针的长4.5mm，搅拌头轴肩直径为20mm；

优选的，在步骤2中，塞块宽度为9mm，材料厚度4mm，旋转速度600rpm，焊接速度45mm/min，搅拌头倾角2°，搅拌针至少搅拌5次；

优选的，在步骤2中，塞块宽度为10.5mm，材料厚度4mm，旋转速度750rpm，焊接速度30mm/min，搅拌头倾角2°，搅拌针至少搅拌5次。

本发明相对于现有技术而言取得了以下技术效果：

1、本发明装置结构简单，材料装夹快速、方便，可用于搅拌摩擦加工制备金属基复合材料，材料利用率高。

2、本发明装置可用于无余量搅拌摩擦增材制造，提高搅拌摩擦增材制造材料利用率，提高增材效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例用于复合材料搅拌摩擦近净成形增材的装置剖视图；

图2为本发明实施例用于复合材料搅拌摩擦近净成形增材的装置爆炸图；

图3为本发明实施例用于复合材料搅拌摩擦近净成形增材的装置制备复合材料的示意图；

其中，1-盖板、1-1-螺栓孔、2-模具基座、2-1-第一螺纹孔、2-2-第二螺纹孔、2-3-第三螺纹孔、2-4-第四螺纹孔、3-端头挡板、4-辅助压板、5-上形腔板、6-塞块、7-下形腔板、8-垫块、9-侧向挡板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种用于复合材料搅拌摩擦近净成形增材的制造方法及装置，解决现有技术中搅拌摩擦增材制造对工件装夹要求高，拆装复杂，后续加工耗时较长的问题，本发明的装置在固态下能够实现复合材料的近净成形增材制造，装置简单、操作简便，材料利用率高，无熔化方法所产生的气孔等缺陷。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

如图1-3所示，本实施例对本发明一种用于复合材料搅拌摩擦近净成形增材的制造方法及装置进行详细说明。

如图1和2所示，本实施例提供了一种用于复合材料搅拌摩擦近净成形增材的装置，包括模具基座2、形腔板和盖板1，模具基座2的两端安装有端头挡板3，模具基座2的腔内放置有垫块8，且垫块8两端与端头挡板3相抵，垫块8的侧面安装有侧向挡板9，侧向挡板9与两个端头挡板能够更好的稳固垫块8，垫块8上部设置有形腔板，形腔板为左右分体设置且中部预留有矩形间隙，盖板1与模具基座2上部连接，盖板1中部开有矩形槽孔，盖板1的矩形槽孔宽度大于搅拌头轴肩直径5mm。

具体的，形腔板包括上形腔板5和下形腔板7，下形腔板7放置在垫块8上表面，上形腔板5设置在下形腔板7上，上形腔板5包括左右对称设置的两个相同的第一板状体，第一板状体截面为阶梯状，第一板状体内侧台阶高度低于外侧台阶高度；下形腔板7包括左右对称设置的两个相同的第二板状体，第二板状体为两个矩形板，第二板状体间的距离与第一板状体间的距离相等；形腔板中部矩形间隙内设有塞块6，塞块6放置在矩形间隙的两端，本实施例中塞块6有多种规格，可根据具体需要加工，本装置采用的塞块6长度与厚度一定，对宽度精度要求较高，具体的，塞块6有三种规格可供选择，分别为9±0.01、10.5±0.01、12±0.01mm。

本实施例中，形腔板分为上下两部分，在复合材料增材过程中，通过不断增加上形腔板5和塞块6，能够做出多种梯度功能的复合材料，两个第一板状体内侧台阶之间的宽度比搅拌头轴肩直径大8mm，方便搅拌头轴肩的顺利进入形腔板的矩形间隙，方便对待搅拌材料进行增材制造；盖板1与上形腔板5的第一板状体外侧台阶之间还设置有辅助压板4，辅助压板4根据复合材料的增加，上形腔板5不断增加，而辅助压板4会不断减小，起到动态稳固形腔板的作用。

本实施例的形腔板、塞块6、垫块8和辅助压板4均为TC4钛合金制成，TC4钛合金导热系数小，表面光洁度高。

如图2所示，本实施例在模具基座2上设置有8个第一螺纹孔2-1、4个第二螺纹孔2-2、6个第三螺纹孔2-3和4个第四螺纹孔2-4；第一螺纹孔2-1用于通过螺栓旋紧端头挡板3，每个端头挡板3开有4个螺纹孔，第二螺纹孔2-2用于通过螺栓旋紧侧向挡板9，盖板1上设置有与第三螺纹孔2-3对应的螺栓孔1-1，螺栓穿过盖板1的螺栓孔1-1旋紧模具基座2的第三螺纹孔2-3内从而实现盖板1在模具基座2上的固定，第四螺纹孔2-4为通孔，方便材料取出和模具的拆卸。

如图3所示，本实施例还提供了一种用于复合材料搅拌摩擦近净成形增材的制造方法，包括以下步骤：

(1)安装装置并放入待搅拌材料；

先将模具底座安装在工作台上，用紧定螺钉将一端端头挡板3固定安装在模具底座上，将垫块8放置在模具底座的腔内，接着将侧向挡板9放置在带有侧向螺孔一侧进行预紧；然后将下形腔板7放置于垫块8上表面，将塞块6放置于下形腔板7的第二板状体中间，留出材料放置空间，用于放置待搅拌材料；再将上形腔板5放置在下形腔板7上表面，同样将塞块6放置在上形腔板5的第一板状体中间两板中间，在塞块6之间的放置空间内放入待搅拌材料，然后，将辅助压板4放置于上形腔板5上表面的外侧台阶，最后将模具底座另一端端头挡板3装上，将盖板1盖上，并用紧定螺钉预固定；

(2)制造增材材料；

开启搅拌头，搅拌头穿过盖板1的矩形槽孔，然后搅拌头的搅拌针进入形腔板的矩形间隙并与待搅拌材料相抵，搅拌针开始对待搅拌材料进行单层增材；接着依次将盖板1、辅助压板4和上形腔板5拆开，增加一层上形腔板5和待增材材料，然后依次将上形腔板5、辅助压板4和盖板1固定安装，采用第一层增材参数进行增材制造，重复上述步骤，最终获得成形良好，无缺陷的块体增材材料。

在步骤2中，采用搅拌头的搅拌针为锥形搅拌针，搅拌针的直径不大于8mm，搅拌针的长4.5mm，搅拌头轴肩直径为20mm，搅拌针的材料为定向凝固高温合金。

在实施例1的基础上，对于实施例1提供的一种用于复合材料搅拌摩擦近净成形增材的制造方法，在步骤2中有以下优选的不同实施例：

实施例2，在步骤2中，塞块6宽度为9mm±0.01，材料厚度4mm，旋转速度600rpm，焊接速度45mm/min，搅拌头倾角2°，搅拌针至少搅拌5次；其他步骤与实施例相同。

实施例3，在步骤2中，塞块6宽度为10.5±0.01mm，材料厚度4mm，旋转速度750rpm，焊接速度30mm/min，搅拌头倾角2°，搅拌针至少搅拌5次；其他步骤与实施例相同。

需要说明的是，上述实施例并不限制本发明，本发明的下形腔板的厚度与待搅拌材料厚度相同，上形腔板与下形腔板的结构可以根据实际情况设计，只要能够实现分体放置，在中间预留间隙用于放置待搅拌材料即可。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种用于复合材料搅拌摩擦近净成形增材的装置，其特征在于，包括模具基座、形腔板和盖板，所述模具基座的两端安装有端头挡板，所述模具基座的腔内放置有垫块，且所述垫块两端与所述端头挡板相抵，所述垫块的侧面安装有侧向挡板，所述垫块上部设置有形腔板，所述形腔板为左右分体设置且中部预留有矩形间隙，所述盖板与模具基座上部连接，所述盖板中部开有矩形槽孔。

2.根据权利要求1所述的用于复合材料搅拌摩擦近净成形增材的装置，其特征在于，所述形腔板包括上形腔板和下形腔板，所述下形腔板放置在所述垫块上表面，所述上形腔板设置在所述下形腔板上，所述形腔板中部矩形间隙内设有塞块。

3.根据权利要求2所述的用于复合材料搅拌摩擦近净成形增材的装置，其特征在于，所述上形腔板包括左右对称设置的两个相同的第一板状体，所述第一板状体截面为阶梯状，所述第一板状体内侧台阶高度低于外侧台阶高度；所述下形腔板包括左右对称设置的两个相同的第二板状体，所述第二板状体为两个矩形板，所述第二板状体间的距离与所述第一板状体间的距离相等。

4.根据权利要求3所述的用于复合材料搅拌摩擦近净成形增材的装置，其特征在于，两个所述第一板状体内侧台阶之间的宽度比搅拌头轴肩直径大6～8mm。

5.根据权利要求3所述的用于复合材料搅拌摩擦近净成形增材的装置，其特征在于，所述盖板与所述上形腔板的第一板状体外侧台阶之间还设置有辅助压板。

6.根据权利要求5所述的用于复合材料搅拌摩擦近净成形增材的装置，其特征在于，所述形腔板、塞块、垫块和辅助压板均为TC4钛合金制成。

7.一种用于复合材料搅拌摩擦近净成形增材的制造方法，其特征在于，使用如权利要求1所述的装置，包括以下步骤：

(1)安装所述装置并放入待搅拌材料；

先将模具底座安装在工作台上，用紧定螺钉将一端端头挡板固定安装在所述模具底座上，将垫块放置在所述模具底座的腔内，接着将侧向挡板放置在带有侧向螺孔一侧进行预紧；然后将下形腔板放置于所述垫块上表面，将塞块放置于所述下形腔板的第二板状体中间，留出材料放置空间，用于放置待搅拌材料；再将上形腔板放置在下形腔板上表面，同样将塞块放置在所述上形腔板的第一板状体中间两板中间，在塞块之间的放置空间内放入待搅拌材料，然后，将辅助压板放置于所述上形腔板上表面的外侧台阶，最后将模具底座另一端端头挡板装上，将盖板盖上，并用紧定螺钉预固定；

(2)制造增材材料；

开启搅拌头，所述搅拌头穿过所述盖板的矩形槽孔，然后所述搅拌头的搅拌针进入形腔板的矩形间隙并与待搅拌材料相抵，所述搅拌针开始对待搅拌材料进行单层增材；接着依次将盖板、辅助压板和上形腔板拆开，增加一层上形腔板和待增材材料，然后依次将上形腔板、辅助压板和盖板固定安装，采用第一层增材参数进行增材制造，重复上述步骤，最终获得成形良好，无缺陷的块体增材材料。

8.根据权利要求7所述的用于复合材料搅拌摩擦近净成形增材的制造方法，其特征在于，在步骤2中，采用搅拌头的搅拌针为锥形搅拌针，所述搅拌针的直径不大于8mm，所述搅拌针的长4.5mm，搅拌头轴肩直径为20mm。

9.根据权利要求8所述的用于复合材料搅拌摩擦近净成形增材的制造方法，其特征在于，在步骤2中，塞块宽度为9mm，材料厚度4mm，旋转速度600rpm，焊接速度45mm/min，搅拌头倾角2°，搅拌针至少搅拌5次。

10.根据权利要求8所述的用于复合材料搅拌摩擦近净成形增材的制造方法，其特征在于，在步骤2中，塞块宽度为10.5mm，材料厚度4mm，旋转速度750rpm，焊接速度30mm/min，搅拌头倾角2°，搅拌针至少搅拌5次。