CN109202274A - 一种高速旋转耗材摩擦增材制造方法及散热成型工装 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速旋转耗材摩擦增材制造方法及散热成型工装。该方法包括：将金属耗材棒固定在数控旋转加工设备上，输入增材制造参数，将金属耗材棒调至预定轨迹的起始点；将散热成型工装安装在金属耗材棒的外周，用于对增材制造区域进行散热，调整金属耗材棒，使其下端面超过散热成型工装的下表面；金属耗材棒高速旋转并以设定的增材制造参数运动，其下端面与待增材的零件表面摩擦熔融，金属耗材棒沿预定轨迹运动，使得熔融金属涂覆在接触的待增材的零件的表面，形成涂覆层，直至到达预定轨迹的终点；重复形成金属涂覆层步骤的方法，逐层堆积成预定厚度的金属结构毛坯，对金属结构毛坯进行机加工，获得金属结构的成品。

Description

一种高速旋转耗材摩擦增材制造方法及散热成型工装

技术领域

本发明涉及金属材料增材制造领域，特别是涉及一种高速旋转耗材摩擦增材制造方法及散热成型工装。

背景技术

金属增材制造技术是采用金属材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除-切削加工技术，可以明显提高材料利用率和加工效率。目前普遍采用的金属结构增材制造技术主要应用于不锈钢、高温合金和钛合金材料结构的增材制造，具有较大应用前景。

现有技术中，金属增材制造方法主要采用以激光束、电子束和电弧为热源的增材制造技术，在钛合金、铝合金和高温合金成形和精密部件制造等领域获得应用。采用这些增材制造工艺制备增材结构时，由于存在金属材料受热熔化和快速凝固，导致增材区域易出现存在裂纹、群孔等缺陷，增材区组织为铸造组织，降低了构件的整体性能。

因此，需要提供一种高速旋转耗材摩擦增材制造方法及散热成型工装。

发明内容

本发明实施例提供了一种高速旋转耗材摩擦增材制造方法及散热成型工装，能够通过高速旋转摩擦产热获得高温热塑性金属，逐层涂覆累积，同时可以实现二维运动轨迹，在原零件上增材制造加强筋和凸台等特征结构，获得细晶锻造组织，并且消除裂纹、群孔等缺陷。

第一方面，本发明的实施例提出了一种高速旋转耗材摩擦增材制造方法，该方法包括：

安装金属耗材棒步骤，将金属耗材棒固定在数控旋转加工设备上，输入增材制造参数，将所述金属耗材棒调至预定轨迹的起始点；

安装散热成型工装步骤，将散热成型工装安装在所述金属耗材棒的外周，用于对增材制造区域进行散热，调整所述金属耗材棒，使其下端面超过所述散热成型工装的下表面；

形成金属涂覆层步骤，所述金属耗材棒高速旋转并以设定的所述增材制造参数运动，其下端面与待增材的零件表面摩擦熔融，所述金属耗材棒沿预定轨迹运动，使得熔融金属涂覆在接触的所述待增材的零件的表面，形成涂覆层，直至到达预定轨迹的终点；

形成金属结构步骤，重复所述形成金属涂覆层步骤的方法，逐层堆积成预定厚度的金属结构毛坯，对所述金属结构毛坯进行机加工，获得金属结构的成品。

在第一种可能的实现方式中，在所述安装金属耗材棒步骤之前还包括，

将金属材料加工成圆柱形的金属耗材棒，所述金属耗材棒的直径为10 mm -50mm，长度为50 mm -200mm；

将所述金属耗材棒的表面打磨干净，再在丙酮中进行超声清洗，然后风干备用；

将待增材的零件表面加工成规则平整的表面，用砂纸将表面打磨干净，并在丙酮中进行超声清洗，然后风干备用；

制备用于固定所述待增材的零件的工装夹具，所述工装夹具使固定的所述零件的待增材表面区域保持稳定的水平状态，所述工装夹具能够安装在数控加工设备平台上。

结合上述可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述安装散热成型工装步骤包括：

将所述散热成型工装与所述金属耗材棒同轴安装，使所述散热成型工装的内侧凸台与所述金属耗材棒的间隙控制在2mm-5mm范围之间，且所述金属耗材棒的下端面超过所述散热成型工装的下表面0-2mm；

通过散热成型工装的两个通气孔向摩擦产热区域通入保护气体，用于防止增材区域的材料发生氧化。

结合上述可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述形成金属涂覆层步骤包括：

所述金属耗材棒的增材制造参数包括旋转速度、进给速度、行进速度和压力载荷，所述金属耗材棒的旋转速度不低于1000r/min，进给速度范围为0-200mm/min，耗材棒的X方向的行进速度的范围为0-100mm/s，Y方向的行进速度的范围为0-100mm/s；压力载荷的范围为0-100KN。

在所述待增材的零件的表面形成的所述金属涂覆层的单层厚度为0.5mm-2mm。

结合上述可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述形成金属结构步骤包括：

所述金属耗材棒和所述待增材的零件均为钛合金材料，所述金属结构为钛合金加强筋；

对所述钛合金加强筋毛坯的上表面和两个侧面进行机加工，获得最终尺寸的钛合金加强筋成品；

或者，所述金属耗材棒和所述待增材的零件均为铝合金材料或高温合金材料或不锈钢材料，相应的，所述金属结构为铝合金或高温合金材料或不锈钢材料的加强筋。

第二方面，本发明的实施例提供了一种散热成型工装，用于第一方面的高速旋转耗材摩擦增材制造方法中，散热成型工装包括具有对称结构的第一部件和第二部件，所述第一部件和所述第二部件在对称平面处拼装，在所述对称平面的拼装处设有通气孔和所述金属耗材棒的安装通孔，所述通气孔用于通入保护气体，所述安装通孔的孔径大于所述金属耗材棒的外径。

在第一种可能的实现方式中，所述第一部件和所述第二部件拼装形成的上表面为平面结构，下表面的中间沿拼装线方向为凹槽结构，所述凹槽结构的槽宽大于所述金属耗材棒的最大外径，在所述凹槽结构的两侧设有限形凸台，两侧的所述限形凸台朝向所述安装通孔方向相对凸出，使所述凹槽结构在所述安装通孔部位的槽口收窄。

结合上述可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，多个所述通气孔对称设在所述金属耗材棒的安装通孔的两侧，且所述通气孔与所述安装通孔的孔心均在同一拼装直线上。

结合上述可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，，所述第一部件和所述第二部件均采用高散热系数的紫铜或黄铜材料。

结合上述可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述散热成型工装还包括具有对称结构的第三部件和第四部件，所述第三部件和第四部件分别安装在所述第一部件和所述第二部件的两侧，所述第三部件和第四部件均为采用耐热钢材或陶瓷制成的具有安装孔的安装板。

综上，通过高速旋转摩擦产热获得高温热塑性金属，逐层涂覆累积，在原零件上增材制造加强筋和凸台等特征结构，获得细晶锻造组织，并且消除裂纹、群孔等缺陷，通过散热成型工装可以限制耗材棒在旋转过程中的飞边挤出量，获得可控的增材宽度尺寸，同时可以实现二维运动轨迹制造增材结构。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的高速旋转耗材摩擦增材制造方法的应用场景示意图。

图2是本发明实施例的高速旋转耗材摩擦增材制造方法的流程示意图。

图3是本发明实施例的一种散热成型工装整体结构示意图。

图4是本发明实施例的一种散热成型工装的俯视示意图。

图5是本发明实施例的一种散热成型工装中第一部件的结构示意图。

图6是本发明实施例的一种散热成型工装中第二部件的结构示意图。

图中：

1：金属耗材棒；2：散热成型工装；21：第一部件；22：第二部件；23：第三部件；24：第四部件；25：通气孔；26：安装通孔；27：限形凸台；3：待增材的零件；4：工装夹具。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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作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。

图1是本发明实施例的高速旋转耗材摩擦增材制造方法的应用场景示意图。

如图1所示，在钛合金平板零件上采用本发明的高速旋转耗材摩擦增材制造方法制备钛合金加强筋。图中，以在平板的TC4钛合金的待增材的零件3上制备钛合金的加强筋为例，通过工装夹具4将待增材的零件3固定在数控钻床工作台上，压紧后使得待增材的零件3的待增材表面状态稳定，保证在增材制造过程中不会发生变形；采用相同材料的TC4钛合金的金属耗材棒1，将其一端安装在数控钻床的加持机构，另一端用于与待增材的零件3进行高速旋转摩擦生热，使端部熔融并涂覆在增材表面。此外，在金属耗材棒1的外周还有散热成型工装2，用于对摩擦产热区域进行降温，同时还能限制金属耗材棒1在旋转过程中的飞边挤出量，从而获得可控的增材宽度尺寸，并且可以实现二位运动轨迹制造增材结构。

图2是本发明的一种高速旋转耗材摩擦增材制造方法的流程示意图。下面将结合图1的应用场景对采用本发明的方法进行说明，该方法包括步骤S210—步骤S240：

S210安装金属耗材棒步骤：将TC4钛合金的金属耗材棒1固定在数控旋转加工设备上（如：铣床、钻床等数控车床），输入增材制造参数，将TC4钛合金的金属耗材棒1调至预定轨迹的起始点。

在本步骤之前还包括，将TC4钛合金的金属材料加工成圆柱形的金属耗材棒1，该金属耗材棒1的直径为10 mm -50mm，长度为50 mm -200mm；将该金属耗材棒1的表面打磨干净，再在丙酮中进行超声清洗，然后风干备用；将待增材的零件3表面加工成规则平整的表面，用砂纸将表面打磨干净，并在丙酮中进行超声清洗，然后风干备用；制备用于固定该待增材的零件3的工装夹具4，工装夹具4使固定的零件3的待增材表面区域保持稳定的水平状态，并且该工装夹具4能够安装在数控加工设备平台上。

需要说明的是，该金属耗材棒1、待增材的零件3以及工装夹具4的制备顺序不做限制，可以根据实际需要进行合理的加工制备。

S220安装散热成型工装步骤：将散热成型工装2安装在金属耗材棒1的外周，用于对增材制造区域进行散热，调整该金属耗材棒1，使其下端面超过散热成型工装2的下表面。

在本步骤中，将散热成型工装2与金属耗材棒1同轴安装，使该散热成型工装2的内侧限形凸台与金属耗材棒1的间隙控制在2mm-5mm范围之间，且金属耗材棒1的下端面超过该散热成型工装2的下表面0mm-2mm；通过散热成型工装2的两个通气孔向摩擦产热区域通入氩气等保护气体，用于防止增材区域的材料发生氧化。

S230形成金属涂覆层步骤：金属耗材棒1高速旋转并以设定的增材制造参数运动，其下端面与待增材的零件3的表面摩擦熔融，金属耗材棒1沿预定轨迹运动，使得熔融金属涂覆在接触的所述待增材的零件3的表面，形成涂覆层，直至到达预定轨迹的终点。

在本步骤中，金属耗材棒1的增材制造参数包括旋转速度、进给速度、行进速度和压力载荷等，一般地，金属耗材棒1的旋转速度不低于1000r/min，进给速度范围为0-200mm/min，耗材棒的X方向的行进速度的范围为0-100mm/s，Y方向的行进速度的范围为0-100mm/s；压力载荷的范围为0-100KN。在待增材的零件3的表面形成的金属涂覆层的单层厚度为0.5mm-2mm。

需要说明的是，具体在本实施例中，金属耗材棒1的转速为3000r/min，金属耗材棒1的进给速度为1.5mm/min，金属耗材棒1的行进速度为10mm/s，摩擦的端部承受10KN的压力载荷。

S240形成金属结构步骤：重复以上S230形成金属涂覆层步骤的方法，逐层堆积成预定厚度的金属结构毛坯，对该金属结构毛坯进行机加工，获得金属结构的成品。具体在本实施例中，通过10层堆积制备一定厚度的金属结构毛坯，最终要制备的是150mm长×6mm高×5mm宽的钛合金加强筋。

在本步骤中，金属耗材棒1和待增材的零件3均为钛合金材料，并且要制备的该金属结构为钛合金加强筋；对该钛合金加强筋毛坯的上表面和两个侧面进行机加工，获得最终尺寸的钛合金加强筋成品。

图3是本发明实施例的一种散热成型工装结构示意图。

如图3所示，该散热成型工装用于本发明的高速旋转耗材摩擦增材制造方法中，结合图5和图6所示，散热成型工装2包括具有对称结构的第一部件21和第二部件22，该第一部件21和第二部件22在对称平面处拼装，在对称平面的拼装处设有通气孔25和金属耗材棒1的安装通孔26，通气孔25用于通入保护气体，该安装通孔26的孔径大于金属耗材棒1的外径。

具体地，如图5和图6所示第一部件21和第二部件22均采用高散热系数的材料，优选地，可以采用紫铜或黄铜材料。第一部件21和第二部件22拼装形成的上表面为平面结构，下表面的中间沿拼装线方向为凹槽结构，该凹槽结构的槽宽大于金属耗材棒1的最大外径，结合图4所示，在凹槽结构的两侧设有限形凸台27，并且两侧的限形凸台27朝向安装通孔方向相对凸出，使该凹槽结构在安装通孔部位的槽口收窄，通过限形凸台27使槽口收窄可以限制耗材棒旋转过程中的飞边挤出量，从而获得可控的增材宽度尺寸，此外，通过限形凸台27的弧度变化还可以实现二维运动轨迹制造相应的增材结构。

优选地，多个通气孔对称设在金属耗材棒1的安装通孔的两侧，且通气孔与安装通孔的孔心均在同一拼装直线上。具体的，可根据实际增材制造情况设计相应数量的通气孔，可以是在金属耗材棒1的两侧均布间隔一个或一个以上的多个通气孔。

此外，散热成型工装2还包括具有对称结构的第三部件23和第四部件24，该第三部件23和第四部件24分别安装在第一部件21和第二部件22的两侧，第三部件23和第四部件24均为采用耐热钢材或陶瓷类制成的具有安装孔的安装板。

需要说明的是，金属耗材棒1和待增材的零件3不限制是钛合金，还可以是铝合金或高温合金材料或不锈钢材料等，相应的，增材制造的金属结构为铝合金或高温合金材料或不锈钢材料的加强筋，增材制造的金属结构也可以是相应金属材料的凸台等结构。

作为另一种实施例，还可以在铝合金的平板零件上制备S形行走轨迹的2024铝合金的加强筋。具体的增材制造方法与以上实施例类似，根据实际增材的加强筋的规格选择相适应的铝合金耗材棒，具体的增材制造参数也根据实际加工需求相应设定，本发明不做具体阐述。

此外，还可以在待增材的金属零件上增材制造预定要求的工艺凸台，具体的增材制造方法与以上实施例相类似，在此不做赘述。同样，需根据实际增材的加强筋规格选择相适应的金属耗材棒，具体的增材制造参数也需根据实际加工需求做相应设定。

综上所述，与采用激光、电子束和电弧等热源的增材制造常规工艺相比，本发明的高速旋转耗材摩擦增材制造方法及散热成型工装，通过高速旋转摩擦产生热，获得高温热塑性金属，逐层涂覆累积，在原零件上增材制造加强筋或凸台等特征结构，获得细晶锻造组织。此外，通过散热成型工装，既能对摩擦产热区域通入保护气防止材料氧化，又能进行散热，消除了裂纹、群孔等缺陷；散热成型工装的特殊结构还能限制金属耗材棒在高速旋转过程中的飞边挤出量，获得可控的宽度尺寸，并能实现二维运动轨迹制造增材结构。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种高速旋转耗材摩擦增材制造方法，其特征在于，所述方法包括：

安装金属耗材棒步骤，将金属耗材棒固定在数控旋转加工设备上，输入增材制造参数，将所述金属耗材棒调至预定轨迹的起始点；

安装散热成型工装步骤，将散热成型工装安装在所述金属耗材棒的外周，用于对增材制造区域进行散热，调整所述金属耗材棒，使其下端面超过所述散热成型工装的下表面；

形成金属涂覆层步骤，所述金属耗材棒高速旋转并以设定的所述增材制造参数运动，其下端面与待增材的零件表面摩擦熔融，所述金属耗材棒沿预定轨迹运动，使得熔融金属涂覆在接触的所述待增材的零件的表面，形成涂覆层，直至到达预定轨迹的终点；

形成金属结构步骤，重复所述形成金属涂覆层步骤的方法，逐层堆积成预定厚度的金属结构毛坯，对所述金属结构毛坯进行机加工，获得金属结构的成品。

2.根据权利要求1所述的高速旋转耗材摩擦增材制造方法，其特征在于，在所述安装金属耗材棒步骤之前还包括，

将金属材料加工成圆柱形的金属耗材棒，所述金属耗材棒的直径为10 mm -50mm，长度为50 mm -200mm；

将所述金属耗材棒的表面打磨干净，再在丙酮中进行超声清洗，然后风干备用；

将待增材的零件表面加工成规则平整的表面，用砂纸将表面打磨干净，并在丙酮中进行超声清洗，然后风干备用；

制备用于固定所述待增材的零件的工装夹具，所述工装夹具使固定的所述零件的待增材表面区域保持稳定的水平状态，所述工装夹具能够安装在数控加工设备平台上。

3.根据权利要求1所述的高速旋转耗材摩擦增材制造方法，其特征在于，所述安装散热成型工装步骤包括：

将所述散热成型工装与所述金属耗材棒同轴安装，使所述散热成型工装的内侧限形凸台与所述金属耗材棒的间隙控制在2mm-5mm范围之间，且所述金属耗材棒的下端面超过所述散热成型工装的下表面0-2mm；

通过散热成型工装的两个通气孔向摩擦产热区域通入保护气体，用于防止增材区域的材料发生氧化。

4.根据权利要求1所述的高速旋转耗材摩擦增材制造方法，其特征在于，所述形成金属涂覆层步骤包括：

所述金属耗材棒的增材制造参数包括旋转速度、进给速度、行进速度和压力载荷，所述金属耗材棒的旋转速度不低于1000r/min，进给速度范围为0-200mm/min，耗材棒的X方向的行进速度的范围为0-100mm/s，Y方向的行进速度的范围为0-100mm/s；压力载荷的范围为0-100KN；

在所述待增材的零件的表面形成的所述金属涂覆层的单层厚度为0.5mm-2mm。

5.根据权利要求1所述的高速旋转耗材摩擦增材制造方法，其特征在于，所述形成金属结构步骤包括：

所述金属耗材棒和所述待增材的零件均为钛合金材料，所述金属结构为钛合金加强筋/凸台；

对所述钛合金加强筋/凸台毛坯的上表面和两个侧面进行机加工，获得最终尺寸的钛合金加强筋/凸台成品；

或者，所述金属耗材棒和所述待增材的零件均为铝合金材料或高温合金材料或不锈钢材料，相应的，所述金属结构为铝合金或高温合金材料或不锈钢材料的加强筋/凸台。

6.一种散热成型工装，其特征在于，用于权利要求1所述的高速旋转耗材摩擦增材制造方法，所述散热成型工装包括具有对称结构的第一部件和第二部件，所述第一部件和所述第二部件在对称平面处拼装，在所述对称平面的拼装处设有通气孔和所述金属耗材棒的安装通孔，所述通气孔用于通入保护气体，所述安装通孔的孔径大于所述金属耗材棒的外径。

7.根据权利要求6所述的散热成型工装，其特征在于，所述第一部件和所述第二部件拼装形成的上表面为平面结构，下表面的中间沿拼装线方向为凹槽结构，所述凹槽结构的槽宽大于所述金属耗材棒的最大外径，在所述凹槽结构的两侧设有限形凸台，两侧的所述限形凸台朝向所述安装通孔方向相对凸出，使所述凹槽结构在所述安装通孔部位的槽口收窄。

8.根据权利要求6所述的散热成型工装，其特征在于，多个所述通气孔对称设在所述金属耗材棒的安装通孔的两侧，且所述通气孔与所述安装通孔的孔心均在同一拼装直线上。

9.根据权利要求6所述的散热成型工装，其特征在于，所述第一部件和所述第二部件均采用高散热系数的紫铜或黄铜材料。

10.根据权利要求6所述的散热成型工装，其特征在于，所述散热成型工装还包括具有对称结构的第三部件和第四部件，所述第三部件和第四部件分别安装在所述第一部件和所述第二部件的两侧，所述第三部件和第四部件均为采用耐热钢材或陶瓷制成的具有安装孔的安装板。