CN112496522A - 一种搅拌摩擦增材装置及增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及搅拌摩擦焊接的技术领域，具体涉及一种搅拌摩擦增材装置及增材制造方法。其中的搅拌摩擦增材装置，在搅拌头和刀柄内设有互相连通的中空腔体，所述中空腔体在所述搅拌头的工作端具有开口；通过送丝机向中空腔体内提供丝材；通过挤压件在中空腔体内运动以挤压丝材，将丝材挤压成形为棒材实现摩擦产热，从而实现搅拌摩擦增材制造，并可实现进料时材料的连续供应。通过设置引导支架，以承载挤压件，及为辅助板提供滑动支撑，辅助板可与活塞导杆卡接，限制活塞导杆的周向转动，从而避免活塞及活塞导杆在挤压中空腔体内的随动，提高稳定性。

Description

一种搅拌摩擦增材装置及增材制造方法

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊接的技术领域，具体涉及一种搅拌摩擦增材装置及增材制造方法。

背景技术

随着工程技术的发展，传统车铣刨磨等减材加工不再满足工程需求，为此，增材加工提供了新的加工思路。目前金属增材方式有很多，包括激光烧结，电火花堆积等，但是这些方法需要材料熔化后凝固成型，增加材料二次缺陷产生几率，降低材料力学性能。为此提出固态增材技术-搅拌摩擦增材。

采用搅拌摩擦增材时，原材料通常为丝材或颗粒材料。但是这些原材料不能参与摩擦产热，因此通常会出现未连接等缺陷。采用棒材进行增材制造时，材料与基材可以摩擦产生摩擦热，进而实现材料的软化与连接，达到增材制造的目的，但是由于棒材强度较高，不能像丝材一样盘在一起实现连供，所以通常为断续供应，这降低了成形效率，不能高效生产。

中国发明专利CN201810235551.4中公开了一种填丝搅拌摩擦增材制造装置及增材制造方法。该方法通过搅拌头中心填入丝材进行增材，但是丝材较软不能产生较大的摩擦热，同时丝材直径较小，需要较大的送丝速度才能满足搅拌头底部材料的铺展。

另外，中国发明专利CN201810234931.6公开了一种流动摩擦增材制造装置及增材制造方法。该方法通过棒材摩擦塑化，塑化的材料通过模具的小孔流向基材表面实现增材。但是对于棒材，不能实现自动化的连续供应，对增材效率具有很大的影响。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中搅拌摩擦增材过程中断续供应效率低下的缺陷，从而提供一种搅拌摩擦增材装置及增材制造方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种搅拌摩擦增材装置，其包括，搅拌头和刀柄，所述搅拌头固定在所述刀柄上，且所述搅拌头和刀柄内具有互相连通的中空腔体；其中，所述中空腔体在所述搅拌头的工作端具有开口；送丝机，其适于向所述中空腔体内提供丝材；挤压件，其可受驱动而在所述中空腔体内上下运动。

上述搅拌摩擦增材装置中，所述中空腔体为通孔结构；所述通孔结构从所述搅拌头的工作端延伸至所述刀柄。

上述搅拌摩擦增材装置中，所述挤压件包括，活塞，其适于伸入所述中空腔体内，并受驱动挤压所述中空腔体内的丝材；直线动力装置，所述直线动力装置通过活塞导杆与所述活塞驱动连接。

上述搅拌摩擦增材装置中，所述直线动力装置为气缸、电缸或液压缸。

上述搅拌摩擦增材装置中，所述搅拌头和刀柄外具有轴套，所述轴套内靠近所述搅拌头的一端设有加热线圈。

上述搅拌摩擦增材装置中，所述轴套靠近所述刀柄的一端设有水冷板，所述水冷板位于所述轴套内侧，并且环绕所述刀柄设置。

上述搅拌摩擦增材装置中，所述水冷板通过进水管和出水管与外界连通，其中，所述进水管和出水管分别穿过所述轴套与外界连通。

上述搅拌摩擦增材装置中，还包括引导支架，所述引导支架包括上板和下板，所述上板和下板之间设有至少一条第一导轨；其中，所述气缸固定在所述上板上。

上述搅拌摩擦增材装置中，还包括辅助板，其设于所述上板和下板之间，所述辅助板与所述第一导轨滑动配合；并且，所述辅助板与所述活塞导杆卡接，限制所述活塞导杆的周向转动。

上述搅拌摩擦增材装置中，所述辅助板的中间设有挡板，所述挡板具有花键套结构；所述活塞导杆的至少一部分为花键轴结构；所述花键套结构和花键轴结构滑动配合。

上述搅拌摩擦增材装置中，所述活塞导杆上设有凸起结构，所述凸起结构与所述辅助板的底面抵接限位，以限制所述辅助板在初始位置时相对于所述活塞导杆向下运动。

上述搅拌摩擦增材装置中，还包括，上顶板，其设置在所述辅助板与所述上板之间，所述上顶板的上、下两端分别与所述气缸的活动端和活塞导杆固定连接；所述辅助板上设有至少一条第二导轨，所述第二导轨位于所述第一导轨的内侧；所述上顶板分别与所述第一导轨和第二导轨滑动配合。

上述搅拌摩擦增材装置中，所述辅助板可在所述上顶板与所述下板之间的初始位置和终点位置之间运动；在终点位置，所述辅助板位于所述下板之上。

上述搅拌摩擦增材装置中，所述辅助板运动至终点位置之后，所述上顶板可驱动所述活塞导杆继续向下移动，实现下压增程。

上述搅拌摩擦增材装置中，述送丝机设置在所述下板之下。

上述搅拌摩擦增材装置中，所述气缸与活塞导杆之间设有轴承。

本发明还提供一种增材制造方法，采用上述的搅拌摩擦增材装置，包括以下步骤：

向中空腔体内送入增材介质，当增材介质堆积到预定程度时，停止送料；

挤压所述中空腔体内的增材介质，所述增材介质为丝材，将丝材挤压成形为棒材；

启动搅拌头，中空腔体内受挤压的丝材与搅拌头一起旋转，并与待增材基质摩擦生热实现增材。

优选地，上述增材介质为丝材。

本发明技术方案，具有如下优点：

1、本发明提供的搅拌摩擦增材装置，在搅拌头和刀柄内设有互相连通的中空腔体，所述中空腔体在所述搅拌头的工作端具有开口；通过送丝机向中空腔体内提供丝材；通过挤压件在中空腔体内运动以挤压丝材，将丝材挤压成形为棒材实现摩擦产热，从而实现搅拌摩擦增材制造，并可实现进料时材料的连续供应。

2、本发明提供的搅拌摩擦增材装置，通过设置引导支架，以承载挤压件，并为辅助板提供滑动支撑，所述辅助板可与活塞导杆卡接，限制活塞导杆的周向转动，从而可以避免活塞及活塞导杆在挤压中空腔体内的随动，提高稳定性。

3、本发明提供的搅拌摩擦增材装置，还包括设置在辅助板与上板之间的上顶板，所述上顶板的上、下两端分别与所述气缸的活动端和活塞导杆固定连接；辅助板上设有至少一条位于第一导轨内侧的第二导轨，上顶板分别与所述第一导轨和第二导轨滑动配合，在所述辅助板运动至终点位置之后，上顶板可继续驱动活塞导杆继续向下移动，实现下压增程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例提供的搅拌摩擦增材装置结构示意图。

附图标记说明：

1、气缸，2、上顶板，3、辅助板，4、下板，5、送丝机，6、活塞导杆，7、活塞，8、出水管，9、进水管，10、加热线圈，11、搅拌头，12、丝材，13、轴套，14、水冷板，15、刀柄，16、第一导轨，17、挡板，18、第二导轨，19、上板。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种搅拌摩擦增材装置，该增材装置适于向待增材基质提供增材结构，其包括搅拌头11和刀柄15，以及套设于所述搅拌头11和刀柄15外的轴套13，其中，所述搅拌头11固定在所述刀柄15上，所述刀柄15受搅拌摩擦增材装置的主轴（未图示）驱动以带动搅拌头11旋转，所述搅拌头、刀柄以及与主轴的连接方式均采用本领域中常规的连接方式；所述搅拌头11和刀柄15内具有互相连通的中空腔体；具体地，所述中空腔体在所述搅拌头11的工作端具有开口，其中，所述工作端是指搅拌头11与待增材基质接触的一端，即图1中所示的搅拌头11的底部；该增材装置还包括送丝机5，其适于向所述中空腔体内提供丝材12，以及挤压件，其可受驱动而在所述中空腔体内上下运动，通过挤压件在中空腔体内运动以挤压丝材，将丝材挤压成形为棒材实现摩擦产热，从而实现搅拌摩擦增材制造，并可实现进料时材料的连续供应。成形的该棒状的丝材可以在搅拌摩擦焊具的带动下，增大其内部丝材间的摩擦热，满足搅拌头底部材料的铺展。

优选地，上述搅拌摩擦增材装置中，所述中空腔体为通孔结构；所述通孔结构从搅拌头11的工作端延伸至刀柄15，如图1所示，从工作端延伸至刀柄优选为整个搅拌头和刀柄均具有贯穿孔，并且上述两个贯穿孔同轴互连，以实现中空腔体容纳丝材的最大化。

另外，作为可替换的实施方式，上述搅拌摩擦增材装置中，刀柄15的侧壁可开设与中空腔体连通的过孔；所述过孔可允许送丝机5提供的丝材的通过，以供应至中空腔体内。

可选择地，上述搅拌摩擦增材装置中，所述挤压件包括，活塞7，其适于伸入上述的中空腔体内，并受驱动从而可挤压所述中空腔体内的丝材；以及作为直线动力装置的气缸1，所述气缸1通过活塞导杆6与所述活塞7驱动连接，在气缸的压力作用下，实现活塞的上下运动与压力控制，气缸推动活塞下压使得中空腔体内的丝材不断压缩并形成一个圆柱体，此时启动搅拌头旋转，在气缸压力作用下，使得空腔内丝材与材料摩擦产热并软化实现增材；优选地，为了方便中空腔体内丝材的旋转，可在气缸1与活塞导杆6上装有轴承。

另外，作为可替换的实施方式，直线动力装置也可选择为电缸或液压缸等驱动结构。

可选择地，上述搅拌摩擦增材装置中，所述轴套13内靠近搅拌头11的一端设有加热线圈10，该加热线圈10可在搅拌摩擦增材过程中通电加热，可以进一步地促进中空腔体内位于工作端一侧内的丝材的软件，提高增材质量和工作效率。另外，可选择地，在轴套13靠近刀柄15的一端设有水冷板14，所述水冷板14位于所述轴套13的内侧，并且环绕所述刀柄15设置，该水冷板14的水冷装置可保持刀柄的冷却，确保刀柄不受热软化，增加刀柄寿命。具体地，所述水冷板14可通过进水管9和出水管8与外界连通，其中，所述进水管9和出水管8分别穿过轴套13与外界的冷却液提供装置连通。

作为优选的实施方式，为了保证作为直线动力装置的气缸1的稳定驱动，上述搅拌摩擦增材装置中，还设有引导支架，该引导支架包括上板19和下板4，以及设于所述上板19和下板4之间的辅助板3，上板19和下板4之间设有两条第一导轨16，两条第一导轨分列于活塞导杆6两侧，其中，气缸1固定在上板19之上，所述辅助板3与第一导轨16滑动配合，该辅助板可与活塞导杆6卡接，以限制活塞导杆6的周向转动，从而防止在增材制造活塞下压过程中所述活塞导杆6的跟转，并且在挡板17和活塞导杆6之间具有一定的摩擦力，例如所述挡板可以抵接至活塞导杆上，以保证所述活塞导杆受驱动下移的过程中可以带动辅助板3下移；具体地，所述辅助板3的中间设有挡板17，所述挡板17优选地具有花键套结构，所述活塞导杆6的至少一部分为花键轴结构，所述花键套结构和花键轴结构滑动配合。作为可替换的实施方式，上述第一导轨16也可以设置为一条，或更多条；另外，所述送丝机5可设置在下板4之下，以方便为所述刀柄和搅拌头内的中空腔体提供丝材。

另外，可选择地，上述搅拌摩擦增材装置中，所述活塞导杆6上设有凸起结构，所述凸起结构与所述辅助板的底面抵接限位，以限制所述辅助板在初始位置时相对于所述活塞导杆向下运动。其中，所述辅助板3可在所述上板19与所述下板4之间的初始位置和终点位置之间运动；在初始位置，如图1所示，所述辅助板3位于上顶板与下板之间的大致中间的位置，在终点位置，所述辅助板位于所述下板之上。

可选择地，上述搅拌摩擦增材装置中，还可包括上顶板2，其设置在所述辅助板3与所述上板19之间，所述上顶板2的上、下两端分别与所述气缸1的活动端和活塞导杆6固定连接，以均匀传递气缸1的驱动力；所述辅助板3上设有两条第二导轨18，所述第二导轨18位于所述第一导轨16的内侧；所述上顶板分别与所述第一导轨和第二导轨滑动配合。在活塞7受驱动下压的增材制造过程中，辅助板3可随着活塞导杆6一起下移，当辅助板3的下沿抵接至下板4的上沿后，所述辅助板3到达终点位置，停止跟随活塞导杆6的下移，在辅助板3运动至终点位置之后，上顶板2可驱动活塞导杆6继续向下移动，此时，可实现下压增程，使中空腔体内的丝材从工作端排出，以提高整个增材过程中的材料利用率。

实施例2

本实施例还提供一种增材制造方法，采用实施例1所述的搅拌摩擦增材装置，该增材制造方法包括以下步骤：

送丝机向中空腔体内送入丝材，使得丝材不断积累，当丝材堆积到预定程度时，停止送丝；

然后气缸推动活塞导杆下压使得空腔内的丝材不断压缩并形成一个圆柱体；此时启动搅拌头旋转，在气缸压力作用下，被压实的丝材与搅拌头空腔内壁紧紧结合在一起，在搅拌头旋转时被压实的丝材可以一起旋转，此时空腔内被压实的丝材与材料摩擦产热并软化实现增材；

当空腔内丝材使用完时，气缸回抽，送丝机送入丝材并重复上述操作。

另外，上述增材制造过程中，停止送丝后可剪断丝材，也可不剪断丝材，不剪断丝材，送丝机采用现有的送丝机结构，其仅负责送丝，可以在送丝机末端加上刃口来剪断丝材；送丝机末端的刃口不动作或者送丝机末端不增加刃口可以不剪断丝材。其中，在不剪断丝材时，所述活塞伸入中空腔体时，可以通过活塞的外壁与中空腔体的内壁挤压剪切作用实现丝材的切断。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (16)

1.一种搅拌摩擦增材装置，其特征在于，包括，

搅拌头和刀柄，所述搅拌头固定在所述刀柄上，且所述搅拌头和刀柄内具有互相连通的中空腔体；其中，所述中空腔体在所述搅拌头的工作端具有开口；

送丝机，其适于向所述中空腔体内提供丝材；

挤压件，其可受驱动而在所述中空腔体内上下运动；

所述挤压件包括，活塞，其适于伸入所述中空腔体内，并受驱动挤压所述中空腔体内的丝材；直线动力装置，所述直线动力装置通过活塞导杆与所述活塞驱动连接；

通过挤压件在中空腔体内运动以挤压丝材，将丝材挤压成形为棒材实现摩擦产热，从而实现搅拌摩擦增材制造。

2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦增材装置，其特征在于，所述中空腔体为通孔结构；所述通孔结构从所述搅拌头的工作端延伸至所述刀柄。

3.根据权利要求2所述的搅拌摩擦增材装置，其特征在于，所述直线动力装置为气缸、电缸或液压缸。

4.根据权利要求1-3任一项所述的搅拌摩擦增材装置，其特征在于，所述搅拌头和刀柄外具有轴套，所述轴套内靠近所述搅拌头的一端设有加热线圈。

5.根据权利要求4所述的搅拌摩擦增材装置，其特征在于，所述轴套靠近所述刀柄的一端设有水冷板，所述水冷板位于所述轴套内侧，并且环绕所述刀柄设置。

6.根据权利要求5所述的搅拌摩擦增材装置，其特征在于，所述水冷板通过进水管和出水管与外界连通，其中，所述进水管和出水管分别穿过所述轴套与外界连通。

7.根据权利要求3所述的搅拌摩擦增材装置，其特征在于，还包括引导支架，所述引导支架包括上板和下板，所述上板和下板之间设有至少一条第一导轨；其中，所述气缸固定在所述上板上。

8.根据权利要求7所述的搅拌摩擦增材装置，其特征在于，还包括辅助板，其设于所述上板和下板之间，所述辅助板与所述第一导轨滑动配合；并且，所述辅助板与所述活塞导杆卡接，限制所述活塞导杆的周向转动。

9.根据权利要求8所述的搅拌摩擦增材装置，其特征在于，所述辅助板的中间设有挡板，所述挡板具有花键套结构；所述活塞导杆的至少一部分为花键轴结构；所述花键套结构和花键轴结构滑动配合。

10.根据权利要求9所述的搅拌摩擦增材装置，其特征在于，所述活塞导杆上设有凸起结构，所述凸起结构与所述辅助板的底面抵接限位，以限制所述辅助板在初始位置时相对于所述活塞导杆向下运动。

11.根据权利要求10所述的搅拌摩擦增材装置，其特征在于，还包括，上顶板，其设置在所述辅助板与所述上板之间，所述上顶板的上、下两端分别与所述气缸的活动端和活塞导杆固定连接；所述辅助板上设有至少一条第二导轨，所述第二导轨位于所述第一导轨的内侧；所述上顶板分别与所述第一导轨和第二导轨滑动配合。

12.根据权利要求11所述的搅拌摩擦增材装置，其特征在于，所述辅助板可在所述上顶板与所述下板之间的初始位置和终点位置之间运动；在终点位置，所述辅助板位于所述下板之上。

13.根据权利要求12所述的搅拌摩擦增材装置，其特征在于，所述辅助板运动至终点位置之后，所述上顶板可驱动所述活塞导杆继续向下移动，实现下压增程。

14.根据权利要求7所述的搅拌摩擦增材装置，其特征在于，所述送丝机设置在所述下板之下。

15.根据权利要求7所述的搅拌摩擦增材装置，其特征在于，所述气缸与活塞导杆之间设有轴承。

16.一种增材制造方法，采用如权利要求1-15任一项所述的搅拌摩擦增材装置，其特征在于，包括以下步骤：

向中空腔体内送入增材介质，当增材介质堆积到预定程度时，停止送料；

挤压所述中空腔体内的增材介质，所述增材介质为丝材，将丝材挤压成形为棒材；

启动搅拌头，中空腔体内受挤压的丝材与搅拌头一起旋转，并与待增材基质摩擦生热实现增材。

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