CN109604808B - 一种施加冷却的搅拌摩擦增材制造装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属材料增材制造技术领域，公开了一种施加冷却的搅拌摩擦增材制造装置，包括底板，底板顶部分别固定装配有第一基座和第二基座，第一基座和第二基座之间留有间隙，间隙内放置有增材用试板，增材用试板底部设置有垫板，第一基座和第二基座与增材用试板接触的面分别开设有凹槽，凹槽内插接有水冷块，第二基座设置有用于夹紧增材用试板的气缸，气缸推杆垂直于增材用试板的侧面设置，增材用试板顶部还设置有压轮和搅拌头；本发明在现有的搅拌摩擦增材制造技术上加入冷却，有效地降低了搅拌摩擦加工热循环对已完成增材部分的热影响，抑制增材区细小均匀的等轴晶组织及基体中的第二相粒子发生粗化，获得组织均匀、性能优良的增材构件。

Description

一种施加冷却的搅拌摩擦增材制造装置及方法

技术领域

本发明属于金属材料增材制造技术领域，具体涉及一种施加冷却的搅拌摩擦增材制造装置及方法。

背景技术

搅拌摩擦增材制造(FSAM)技术是基于搅拌摩擦原理发展而来的高效率、低成本、小变形的固态增材方法。该方法是基于增材制造“逐层”堆积的技术原理，由搅拌头旋转摩擦使两层金属发生塑化连接在一起，再逐层搅拌连接堆积成形。与高能束金属增材制造技术相比，其在增材过程中不发生金属的熔化和凝固，不会出现气孔、裂纹、熔合不良等缺陷，构件变形小，残余应力低，并且能够获得尺寸细小的等轴晶组织，有利于提高结构件的综合力学性能。因此，搅拌摩擦增材制造技术有望实现大型整体金属构件的低成本快速制造。然而，该技术也存在一些问题，如金属材料在进行逐层搅拌摩擦增材制造过程中，后一道增材会对前一道增材产生热影响，随着增材道次的增加，越靠近金属构件底部的增材体所受热循环影响的次数越多，易造成晶粒尺寸粗大，合金中第二相粒子粗化等问题，导致金属构件自下而上的显微组织不均匀，从而降低了构件整体的力学性能。

发明内容

为了解决搅拌摩擦增材过程中由于热影响导致的晶粒及第二相粒子粗化、组织不均匀、增材构件性能下降等问题，本发明提供一种施加冷却的搅拌摩擦增材制造装置及方法，技术方案如下：

一种施加冷却的搅拌摩擦增材制造装置，包括底板，所述底板顶部分别固定装配有第一基座和第二基座，第一基座和第二基座之间留有间隙，间隙内放置有增材用试板，增材用试板底部设置有垫板，增材用试板的顶部与第一基座和第二基座的上表面基本平齐，增材用试板的两侧面分别与第一基座和第二基座侧面接触，第一基座和第二基座与增材用试板接触的面分别开设有凹槽，所述凹槽靠近第一基座和第二基座的上表面设置，凹槽内插接有水冷块，所述第二基座设置有用于夹紧增材用试板的气缸，气缸推杆垂直于增材用试板的侧面设置，增材用试板顶部还设置有压轮和搅拌头。

所述水冷块采用导热良好的材质制成，其内设置有空腔，外部设置有入水口和排水口，入水口和排水口均与空腔连通，所述入水口和排水口分别与外部冷水机的出水端和回流端连接。

所述间隙大小可调，所述第一基座和第二基座通过螺栓固定装配在底板上，第一基座和第二基座均开设有长圆孔，底座开设有螺纹孔，螺栓的螺杆穿过长圆孔后与螺纹孔螺接。

一种施加冷却的搅拌摩擦增材制造方法，采用前述的一种施加冷却的搅拌摩擦增材制造装置，包括以下步骤：

步骤一、准备增材用试板：选取试板，采用线切割截取若干厚度均匀的增材用试板，然后对增材用试板进行打磨至露出金属光泽，并用丙酮擦除其表面油污、灰尘等杂质；

步骤二、选取搅拌头：根据增材用试板的厚度及宽度选取相对应的搅拌头，定义搅拌头的搅拌针的长度为L，增材用试板的厚度为H，搅拌头的轴肩直径为D，增材用试板的宽度为B，选取原则为L＝1.2H～1.5H，D＝B减1～2mm；

步骤三、装夹增材用试板：安装好搅拌头，将两层增材用试板上下叠加放入所述间隙中，在增材用试板底部放置垫块，调节增材用试板高度与基座上表面基本平齐，并调节气缸外接的气泵的输出气压为0.6MPa，然后将水冷块插入第一基座和第二基座的凹槽中，水冷块上端面略低于搅拌头端部，打开用于控制气缸的气阀，气缸驱动推杆对增材用试板进行夹紧，同时使水冷块紧贴增材用试板，调节压轮高度，使压轮压住增材用试板；

步骤四、施加冷却：水冷块与冷水机连接，两个水冷块之间并联，增材过程中向水冷块通入冷却水，对增材用试板进行冷却，冷却水温度根据工艺要求进行调节；

步骤五、规划增材路径并设定增材参数进行增材：搅拌头转速为300～2000r/min，行进速度为20～300mm/min，搅拌头的搅拌针倾斜角度为0～3°，搅拌头高速旋转并插入装夹好的增材用试板中，将两层金属板材固态连接，连续部分形成金属零件的单层形貌；

步骤六、铣削加工：每完成一层增材实验后，切换搅拌头为铣削刀具，清除增材过程中产生的飞边，使加工层表面平整，以便下一层增材用试板的夹紧固定，预防缺陷的形成；

步骤七、逐层进行增材叠加，重复执行步骤三、四、五、六，直至达到设定的增材高度；

步骤八、去除非搅拌摩擦增材区：待完成构件的增材制造后，切换铣削刀具，将未经搅拌摩擦加工处理的区域去除，获得组织与性能优良的增材构件。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明在现有的搅拌摩擦增材制造技术上加入冷却，有效地降低了搅拌摩擦加工热循环对已完成增材部分的热影响，抑制增材区细小均匀的等轴晶组织及基体中的第二相粒子发生粗化，获得组织均匀、性能优良的增材构件。本发明处理工序简单，实施容易，尤其适用于大型整体铝合金等金属构件的增材制造，实现高性能大型金属构件的低成本快速制造。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的立体装配结构示意图；

图3为本发明水冷块与带增材试板的装配示意图；

图4为本发明搅拌头的选取原则示意图。

其中：底板1；第一基座2；第二基座3；间隙4；增材用试板5；垫板6；凹槽7；水冷块8；入水口81；排水口82；长圆孔9；气缸10；压轮11；搅拌头12。

具体实施方式

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

如图1至图4所示，本发明提供了一种施加冷却的搅拌摩擦增材制造装置，包括底板1，底板1顶部分别固定装配有第一基座2和第二基座3，第一基座2和第二基座3之间留有长方体形的间隙4，间隙4内放置有增材用试板5，增材用试板5底部设置有垫板6，增材用试板5的顶部与第一基座2和第二基座3的上表面基本平齐，增材用试板5的两侧面分别与第一基座2和第二基座3侧面接触，第一基座2和第二基座3与增材用试板5接触的面分别开设有凹槽7，凹槽7靠近第一基座2和第二基座3的上表面设置，凹槽7内插接有水冷块8，第二基座3设置有用于夹紧增材用试板5的气缸10，气缸10推杆垂直于增材用试板5的侧面设置，增材用试板5顶部还设置有压轮11和搅拌头12。

在增材过程中，需要对增材用试板5夹紧固定，调节好增材用试板5高度后，通过气泵向气缸10充气，气缸10驱动推杆对增材用试板5进行夹紧。此外，为防止顶层增材用试板5翘起影响增材成型质量，在搅拌头12前方设置压轮11压紧增材用试板5，压轮11随搅拌头12一起行走。

具体的，垫板6为多层相互叠加结构，根据增材用试板5和基座的高度确定具体使用几层垫板6，以达到使增材用试板5的顶部与第一基座2和第二基座3的上表面基本平齐的目的。

水冷块8呈长方体形，水冷块8的水平方向宽度与凹槽7的水平方向宽度相等，以确保水冷块8与增材用试板5紧密接触。

水冷块8采用导热良好的材质制成，如铜、铝等导热性能较好的金属，其内设置有空腔，外部设置有入水口81和排水口82，入水口81和排水口82均与空腔连通，入水口81和排水口82分别与外部冷水机的出水端和回流端连接。

具体的，冷水机温度可调，在增材前调节好冷水机温度。增材过程中，主要针对增材用试板5已完成增材部分进行冷却，因此水冷块8上端面略低于增材过程中的搅拌头12作用区域。由于水冷块8直接插入基座的凹槽7中，位置固定，所以调节垫板6的高度来实现对已完成连接的构件的冷却，增材用试板5的高度随增材层数的增加而升高，通过在增材用试板5底部放置不同厚底的垫板6，来保证增材用试板5上表面与基座上表面基本平齐，即实现了水冷块8上端面略低于增材过程中的搅拌头12作用区域。

间隙4大小可调，第一基座2和第二基座3通过螺栓固定装配在底板1上，第一基座2和第二基座3均开设有长圆孔9，底座1开设有螺纹孔，螺栓的螺杆穿过长圆孔9后与螺纹孔螺接，通过螺栓的螺杆在长圆孔9中位置的移动，来实现第一基座2和第二基座3之间间隙4大小的调节，以适应不同宽度的增材用试板5。

一种施加冷却的搅拌摩擦增材制造方法，采用前述的一种施加冷却的搅拌摩擦增材制造装置，包括以下步骤：

步骤一、准备增材用试板5：选取试板，采用线切割截取若干厚度均匀的增材用试板5，然后对增材用试板5进行打磨至露出金属光泽，并用丙酮擦除其表面油污、灰尘等杂质；防止在进行搅拌摩擦增材时，增材用试板5表面的油污，氧化物等进入增材构件中。

步骤二、选取搅拌头12：根据增材用试板5的厚度及宽度选取相对应的搅拌头12，定义搅拌头12的搅拌针的长度为L，增材用试板5的厚度为H，搅拌头12的轴肩直径为D，增材用试板5的宽度为B，选取原则为L＝1.2H～1.5H，D＝B减1～2mm；

步骤三、装夹增材用试板5：安装好搅拌头12，将两层增材用试板5上下叠加放入间隙4中，在增材用试板5底部放置垫块，调节增材用试板5高度与基座上表面基本平齐，并调节气缸10外接的气泵的输出气压为0.6MPa，然后将水冷块8插入第一基座2和第二基座3的凹槽7中，水冷块8上端面略低于搅拌头12端部，打开用于控制气缸10的气阀，气缸10驱动推杆对增材用试板5进行夹紧，防止增材过程中试板晃动，形成缺陷，同时使水冷块8紧贴增材用试板5，调节压轮11高度，使压轮11压住增材用试板5；为了防止搅拌摩擦增材开始阶段不稳定造成增材效果不理想，可加入引入板；为了防止增材后在增材体表面留下匙孔，可加入引出板。

步骤四、施加冷却：水冷块8与冷水机连接，两个水冷块8之间并联，增材过程中向水冷块通入冷却水，对增材用试板5进行冷却，冷却水温度根据工艺要求进行调节，减小增材过程中产生的热量对已完成增材部分产生的热影响。

步骤五、规划增材路径并设定增材参数进行增材：搅拌头12转速为300～2000r/min，行进速度为20～300mm/min，搅拌头12的搅拌针倾斜角度为0～3°，搅拌头12高速旋转并插入装夹好的增材用试板5中，将两层金属板材固态连接，连续部分形成金属零件的单层形貌；

步骤六、铣削加工：每完成一层增材实验后，切换搅拌头12为铣削刀具，清除增材过程中产生的飞边，使加工层表面平整，以便下一层增材用试板5的夹紧固定，预防缺陷的形成；

步骤七、逐层进行增材叠加，重复执行步骤三、四、五、六，直至达到设定的增材高度；

步骤八、去除非搅拌摩擦增材区：待完成构件的增材制造后，切换铣削刀具，将未经搅拌摩擦加工处理的区域去除，获得组织与性能优良的增材构件。

本发明的优异之处在于，本发明通过搅拌摩擦增材制造的方法实现对金属构件的固相增材制造，并在增材过程中加入冷却防止增材构件晶粒及第二相粒子粗化，从而获得组织和性能优良的金属增材构件。该过程首先截取相同厚度，尺寸均一的试板，并对增材用试板5进行清洗，去除表面油污及氧化物等杂质。然后，根据单层增材试板的厚度，选取搅拌头12。将两层增材用试板5叠加在一起，并用夹具夹紧固定。水冷块8紧贴增材试板侧壁，且水冷块8上端面低于搅拌头12端部，保证上部增材体在增材过程中的固溶度；水冷块8与水冷机相连，增材过程中通入冷却水，冷却水温度可根据工艺要求进行调节。采用搅拌头12转速为300～2000r/min，行进速度为20～300mm/min，搅拌针倾斜角度为0～3°的工艺参数进行搅拌摩擦增材制造，使搅拌头12高速旋转并插入固定好的增材试板中，按照已规划截面扫描路径将两层金属板材固态连接。每完成一层增材后，使用铣削刀具将增材体表面铣平，以便下一层增材试板的夹紧固定。按上述过程逐层进行增材成形，最后使用铣削工具去除非搅拌摩擦加工区，获得组织及性能优良的增材构件。

Claims (4)

1.一种施加冷却的搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于，包括底板，所述底板顶部分别固定装配有第一基座和第二基座，第一基座和第二基座之间留有间隙，间隙内放置有增材用试板，增材用试板底部设置有垫板，增材用试板的顶部与第一基座和第二基座的上表面基本平齐，增材用试板的两侧面分别与第一基座和第二基座侧面接触，第一基座和第二基座与增材用试板接触的面分别开设有凹槽，所述凹槽靠近第一基座和第二基座的上表面设置，凹槽内插接有水冷块，所述第二基座设置有用于夹紧增材用试板的气缸，气缸推杆垂直于增材用试板的侧面设置，增材用试板顶部还设置有压轮和搅拌头。

2.根据权利要求1所述的一种施加冷却的搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于，所述水冷块采用导热良好的材质制成，其内设置有空腔，外部设置有入水口和排水口，入水口和排水口均与空腔连通，所述入水口和排水口分别与外部冷水机的出水端和回流端连接。

3.根据权利要求1所述的一种施加冷却的搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于，所述间隙大小可调，所述第一基座和第二基座通过螺栓固定装配在底板上，第一基座和第二基座均开设有长圆孔，底座开设有螺纹孔，螺栓的螺杆穿过长圆孔后与螺纹孔螺接。

4.一种施加冷却的搅拌摩擦增材制造方法，采用如权利要求1所述的一种施加冷却的搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、准备增材用试板：选取试板，采用线切割截取若干厚度均匀的增材用试板，然后对增材用试板进行打磨至露出金属光泽，并用丙酮擦除其表面油污、灰尘等杂质；

步骤二、选取搅拌头：根据增材用试板的厚度及宽度选取相对应的搅拌头，定义搅拌头的搅拌针的长度为L，增材用试板的厚度为H，搅拌头的轴肩直径为D，增材用试板的宽度为B，选取原则为L＝1.2H～1.5H，D＝B减1～2mm；

步骤三、装夹增材用试板：安装好搅拌头；将两层增材用试板上下叠加放入所述间隙中，在增材用试板底部放置垫块，调节增材用试板高度与基座上表面基本平齐，并调节气缸外接的气泵的输出气压为0.6MPa，然后将水冷块插入第一基座和第二基座的凹槽中，水冷块上端面略低于搅拌头端部，打开用于控制气缸的气阀，气缸驱动推杆对增材用试板进行夹紧，同时使水冷块紧贴增材用试板，调节压轮高度,使压轮压住增材用试板；

步骤四、施加冷却：水冷块与冷水机连接，两个水冷块之间并联，增材过程中向水冷块通入冷却水，对增材用试板进行冷却，冷却水温度根据工艺要求进行调节；

步骤五、规划增材路径并设定增材参数进行增材：搅拌头转速为300～2000r/min，行进速度为20～300mm/min，搅拌头的搅拌针倾斜角度为0～3°，搅拌头高速旋转并插入装夹好的增材用试板中，将两层金属板材固态连接，连续部分形成金属零件的单层形貌；

步骤六、铣削加工：每完成一层增材实验后，切换搅拌头为铣削刀具，清除增材过程中产生的飞边，使加工层表面平整，以便下一层增材用试板的夹紧固定，预防缺陷的形成；

步骤七、逐层进行增材叠加，重复执行步骤三、四、五、六，直至达到设定的增材高度；

步骤八、去除非搅拌摩擦增材区：待完成构件的增材制造后，切换铣削刀具，将未经搅拌摩擦加工处理的区域去除，获得组织与性能优良的增材构件。

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