CN112620917A - 一种用于摩擦增材制造的双轴肩工具头 - Google Patents

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谢瑞山
刘海滨
李佳松
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    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
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Abstract

本发明涉及一种用于摩擦增材制造的双轴肩工具头，属于增材制造领域，用于解决产热不足，层间缺陷严重的问题。本发明基于夹持柄，还包括内轴肩，搅拌针，外轴肩，环槽螺母，开口销、引流槽；夹持柄依次贯穿内轴肩，搅拌针，外轴肩，环槽螺母，其中，内轴肩与夹持柄做成一体的结构，内轴肩与搅拌针相邻端面上开有多个引流槽；搅拌针为一带有螺纹花样的圆柱轴段；外轴肩通过螺纹连接安装在夹持柄上，外轴肩上开有多个引流槽，紧邻搅拌针；环槽螺母和开口销构成紧固件，用于防止外轴肩因为随夹持柄旋转而松动；本发明通过内、外双轴肩的形式同时与工件摩擦，可以显著提高产热量，从而有效避免层间结合不足等缺陷。

Description

一种用于摩擦增材制造的双轴肩工具头
技术领域
本发明属于增材制造领域，涉及一种用于摩擦增材制造的工具头，主要用于改善摩擦增材制造的加工效果，提高加工效率。
背景技术
摩擦增材制造是一种固态增材制造技术，能够避免传统增材制造技术(如激光、电子束及电弧)中出现组织和性能不均、产品合格率低、成本高等问题，在航空航天领域具有广阔的应用前景。
目前摩擦增材制造常用的工具头为无轴肩或单轴肩的形式，这两种形式的工具头存在以下不足：(1)产热不足，容易产生相邻层间出现弱结合等缺陷，严重影响成形零件的力学性能；(2)软化材料容易向外侧流淌，导致成形零件的表面粗糙、成形质量差；(3)由于产热效率较低，每层沉积的厚度非常有限，成形效率较低。
因此，急需改进摩擦增材制造的工具头形式，从而增加产热，减少层间缺陷，进而提高成形零件的性能、成形精度和成形效率。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在通过设计一种双轴肩的摩擦增材制造工具头，从而改变摩擦增材制造过程产热量相对较少、加工效率低下、工件侧面比较粗糙、材料向外溢出导致增材缺陷的现状。本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
双轴肩摩擦增材制造工具头基于夹持柄本体进行设计来实现增材制造；
进一步地，在本体上设计了内外两个轴肩，内轴肩与本体做成一体，外轴肩与本体通过螺纹连接结合在一起，并且在内外两个轴肩上均开有引流槽，使得增材制造过程中产生更多的热量，并且引流槽能促进材料流动，从而避免缺陷的产生；
进一步地，在本体上设计了搅拌针工具头，工具头的形状以及螺纹花样均不做限定。优选的，工具头可以选择圆柱形，而螺纹形状可选择普通圆柱螺纹、锥形螺纹、大沟槽螺纹、带螺旋流动槽的螺纹等等。搅拌针是摩擦增材产热的主体部分，螺纹设计可以促进材料的流动；
进一步地，轴肩直径(Rs)、搅拌针直径(Rp)以及每层打印厚度(D)推荐满足以下公式：Rs＝Rp+(4～10)×D。所述工具头(搅拌针与轴肩)的材料硬度比所加工材料的硬度高，且工具头的材料熔点比所加工材料的熔点高。作为本发明的一种优选方案，加工不同的材料时，所推荐的工具头材料见表1所示。
进一步地，在本体上还设计了环槽螺母和开口销，其中环槽螺母通过螺纹连接压紧在外轴肩的端面上，开口销则穿过本体上的小孔和环槽螺母的槽口而固定住环槽螺母，防止其因随着本体一块转动而导致松动。而且环槽螺母的厚度可以根据增材零件的厚度进行自由调整，通过改变环槽螺母的厚度，可以用于打印不同宽度的增材零件。
表1对于不同打印材料所推荐的工具头材料
Figure BDA0002868039620000021
有益效果
本发明的有益效果：本技术方案提供一种用于摩擦增材制造的工具头，其中，轴肩上带有引流槽，引流槽可以有效防止软化的材料被挤出，提高成形零件的表面质量；搅拌针为圆柱形，其上面还带有螺纹，能更好的压入工件，促进金属材料的流动；通过内、外双轴肩的形式同时与工件摩擦，可以显著提高产热量，从而有效避免层间结合不足等缺陷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或技术中的技术方案，下面将通过附图作简单地介绍。
图1为本发明主视图；
图2为本发明的右视图；
图3(a)为外轴肩的剖视图
图3(b)为外轴肩的左视图；
图4本发明工作状态示意图；
图5传统摩擦增材制造工具头的工作状态示意图；
图中标号说明：1夹持柄、2内轴肩、3搅拌针、4外轴肩、5环槽螺母、6开口销、7、引流槽。
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。
图1为本实施例的正视图，一种用于摩擦增材制造的双轴肩工具头，包括夹持柄，内轴肩，搅拌针，外轴肩，环槽螺母，开口销，引流槽。夹持柄依次贯穿内轴肩，搅拌针，外轴肩，内轴肩与夹持柄做成一体，外轴肩与夹持柄通过螺纹连接结合在一起，内轴肩与搅拌针的相邻面上开有引流槽，外轴肩与搅拌针的相邻面上开有引流槽。所述搅拌针为圆柱形，外部带有螺纹。搅拌针为圆柱形，可以相对减小自身体积从而更好的搅拌摩擦产热，且其上面还带有螺纹，能更好的压入工件，促进金属材料的流动，可以到达更好的增材效果。
图2为本实施例的右视图，为了压紧外轴肩，使得其贴紧工件，更好的摩擦产热及防止材料溢出，如图2所示，增加了一种机械防松装置，即环槽螺母和开口销。使用时，将环槽螺母套在夹持柄上，使其紧压在外轴肩外侧，调整好位置后，将开口销插入环槽螺母的空隙中并贯穿夹持柄，之后掰开开口销两脚，从而卡紧。此外，夹持柄(1)本体上通孔位置固定，通过改变环槽螺母(5)的厚度，进而改变外轴肩(4)和内轴肩(2)之间的距离，从而达到打印不同宽度增材零件的目的。
图3(b)(a)分别为外轴肩的左视图及剖视图，其中，所述外轴肩为圆柱形，外轴肩与搅拌针的相邻面上开有4个引流槽。引流槽可以有效防止软化的材料被挤出，当工件发生塑性变形后，沿着引流槽向搅拌部分移动，从而有利于形成良好的表面。内轴肩与搅拌针的相邻面上同样开有4个引流槽，作用与外轴肩上的引流槽相同。
如图4所示为双轴肩摩擦增材工具头进行工件加工时的情形。在工作时，被增材工件放在搅拌针的下方，夹持柄高速旋转，带动整个工具头高速旋转，使得内、外轴肩及搅拌针同时与材料之间摩擦产热，使材料塑化，并在压力的作用下与先前成形的材料形成固相连接。内、外轴肩的存在可以显著增加摩擦面积并提供摩擦产热量，而且可以有效的防止软化材料向侧面外溢出。内外轴肩随搅拌针一起高速旋转同时按照设定轨迹移动，最终完成工件的摩擦增材。
图5所示为传统摩擦增材制造的工具头进行加工时的情形。通过对比图4和图5可知，通过本发明设计的双轴肩的摩擦增材制造工具头，可以有效防止摩擦增材制造过程产热少、加工效率低下、材料向外溢出、工件侧面粗糙等不良情况的产生。

Claims (6)

1.一种用于摩擦增材制造的双轴肩工具头，基于夹持柄(1)，其特征在于还包括：内轴肩(2)，搅拌针(3)，外轴肩(4)，环槽螺母(5)，开口销(6)、引流槽(7)；夹持柄(1)依次贯穿内轴肩(2)，搅拌针(3)，外轴肩(4)，环槽螺母(5)，其中，内轴肩(2)与夹持柄(1)做成一体的结构，内轴肩(2)与搅拌针(3)相邻端面上开有多个引流槽；搅拌针(3)为一带有螺纹花样的圆柱轴段；外轴肩(4)通过螺纹连接安装在夹持柄(1)上，外轴肩上开有多个引流槽，紧邻搅拌针(3)；环槽螺母(5)和开口销(6)构成紧固件，用于防止外轴肩(4)因为随夹持柄(1)旋转而松动；具体的，环槽螺母(5)通过螺纹连接安装在夹持柄(1)上，紧贴外轴肩(4)；在夹持柄(1)本体上开有通孔，开口销(6)穿过该通孔和环槽螺母(5)的槽口，再掰开两只脚，使得环槽螺母(5)压紧外轴肩(4)。
2.根据权利要求1所述的一种用于摩擦增材制造的双轴肩工具头，其特征在于：所述工具头(搅拌针与轴肩)的材料硬度比所加工材料的硬度高，且工具头的材料熔点比所加工材料的熔点高。
3.根据权利要求1所述的一种用于摩擦增材制造的双轴肩工具头，其特征在于：所述夹持柄(1)和轴肩(2)、(4)由耐热材料构成。
4.根据权利要求1所述的一种用于摩擦增材制造的双轴肩工具头，其特征在于：所述环槽螺母(5)的厚度可调，用于达到自由调整增材零件宽度的目的。
5.根据权利要求1所述的一种用于摩擦增材制造的双轴肩工具头，其特征在于：所述的搅拌针(3)上有螺纹，工具头的形状以及螺纹花样均不做限定。优选的，工具头可以选择圆柱形，而螺纹形状可选择普通圆柱螺纹、锥形螺纹、大沟槽螺纹、带螺旋流动槽的螺纹等等。
6.根据权利要求1所述的一种用于摩擦增材制造的双轴肩工具头，其特征在于：所述的内轴肩(2)和外轴肩(4)的轴肩直径相同，记为Rs；
所述轴肩直径Rs、搅拌针直径Rp以及每层打印厚度D满足以下公式：
Rs＝Rp+(4～10)×D；
所述搅拌针(3)、内轴肩(2)、以及外轴肩(4)的材料硬度比所加工材料的硬度高，且搅拌针(3)、内轴肩(2)、以及外轴肩(4)的材料熔点比所加工材料的熔点高。
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