CN113145862A - 一种合金材料增材制造装置及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种合金材料增材制造装置及制造方法，所述合金材料增材制造装置包括：设有入料口的壳体，设于壳体内部的能够相对所述壳体在驱动装置的作用力下旋转的主轴，设于主轴内部轴向方向上的料道，多根料材可从进料口喂入料道中，设于多根喂入材料上部的压紧送料机构，用于对多根料材进行握持压紧并向下游输送，以及搅拌机构包括搅拌头，设置于主轴的下方，用于随主轴同步转动以通过扭转力使所述多根不同材料拧合成螺旋状的合金材料，并对所述合金材料进行增材制造。本发明的增材制造装置及制造方法能够直接以多种单一材质的金属材料为原料进行合金材料增材制造，本发明结构简单、制造时间缩短，成本降低，且制造的合金增材，材料结构均匀。

Description

一种合金材料增材制造装置及制造方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体为一种合金材料增材制造装置及制造方法。

背景技术

随着工业的快速发展，传统的纯铝、铜等原始态合金性能不再满足工业要求。为实现材料质量的提升，人们制造出各种合金材料。传统合金材料制造方法为先熔炼、添加合金、铸造、锻造等流程，流程较为复杂；现有采用搅拌摩擦焊增材制造中，当需要采用合金材料进行增材制造时，也是先通过上述复杂的工艺制造出合金材料或购合金材料使用，如此使得增材制造工艺整体复杂、耗时且成本增加，并且合金材料容易产生偏析问题。

发明内容

基于上述问题，本发明提供一种无需预制备合金材料，能够直接以多根不同材料为原料进行合金材料增材制造的装置及方法，本发明的合金增材制造装置使得合金材料增材制造变的工艺简化，制造时间缩短，成本降低，且制造的合金增材材料结构均匀，避免了传统合金材料增材制造所产生的偏析问题。本发明所提供如下技术方案：

一种合金材料增材制造装置，包括：

壳体，所述壳体上设有入料口；

主轴，设于所述壳体内部，并能够相对所述壳体在驱动装置的作用力下旋转；

料道，设于所述主轴内部的轴向方向上，多根不同料材可从所述入料口喂入所述料道中；

压紧送料机构，设于所述入料口的下方，用于对多根不同料材进行握持压紧并向下游输送；

搅拌机构，包括搅拌头，所述搅拌头上设有与料道相连通的搅拌头出料孔，设置于所述主轴的下方，用于随所述主轴同步旋转以通过扭转力使所述多根不同材料拧合成螺旋状，进行合金材料增材制造。

优选地，所述压紧送料装置设于所述主轴的上方，所述压紧送料装置具有多个，每个所述压紧装置包括驱动缸体、活塞杆、压紧轮及送料电机，所述压紧轮与所述活塞杆安装连接，同时所述送料电机驱动所述压紧轮旋转。

优选地，所述主轴和壳体之间设有多个轴承。

优选地，所述活塞杆的端部具有U形槽，所述压紧轮安装于所述U形槽内；优选地，所述压紧轮为压紧齿轮。

优选地，所述U形槽的一侧壁上设有安装座，所述送料电机35安装于所述安装座上。

优选地，在所述料道中设有支承单元，所述支承单元安装于所述主轴的内侧壁上，用于支承受扭转力作用的所述多根不同料材并向下游输送。

优选地，所述驱动装置包括固定于所述壳体上的主电机、与所述主电机连接的电机转轴、固定安装于所述电机转轴端部的带轮及传送带，通过所述传动带带动所述主轴旋转。

优选地，所述搅拌机构还包括刀柄，所述刀柄上设有与所述料道相连接的刀柄出料孔，所述刀柄固定安装于所述主轴上，所述搅拌头安装于所述刀柄的下方，所述刀柄出料孔和所述搅拌头出料孔相对应。

优选地，所述搅拌头及刀柄的截面形状与所述多根不同材料合并的截面形状相同。

本发明合金材料增材制造装置的有益效果在于：

本发明的合金增材制造装置包括旋转的主轴及设于主轴内部轴线方向上的料道、用于对喂入的多根不同材料进行压紧的压紧送料机构以及搅拌机构，多根不同材料通过压紧送料机构压紧并向下游输送，通过主轴及搅拌机构的旋转，实现对多根不同材料在喂料过程中，通过扭转力使其拧合成螺旋状，实现材料的充分混合，进行合金材料增材制造。

本发明合金材料增材制造装置，结构简单，缩短了使用传统合金制造合金增材的流程，降低了生产成本，且制造的合金增材结构均匀，避免了采用传统合金材料容易产生偏析问题。

另外，本发明还提供一种合金材料增材制造的方法，采用前述的合金材料增材制造装置实施，所述方法包括如下步骤：

将所述多根不同材料合并喂入所述入料口；

通过所述压紧送料机构使所述多根不同材料通过所述压紧轮压紧；

开启主电机使所述主轴旋转；

开启送料电机使所述材料向下游输送并在扭转力的作用下拧合形成螺旋状；

搅拌头单元对所述拧合后的材料进行搅拌摩擦使其熔化，进行合金材料增材制造。

优选地，所述多根不同材料选自镁、铝、铜、锡、锌中的两种以上。

本发明合金材料增材制造方法的有益效果在于：

采用本发明的上述合金材料增材制造方法，可以使多根不同的材料在增材制造前通过本发明的装置在扭转力的作用下先扭转为螺旋状，如此在增材制造中不同材料更容易被均匀的分布于合金中，避免偏析问题的产生；另外，通过改变不同材料的尺寸(例如粗细)，可制备出不同合金比例的合金增材，本发明的方法简化了合金增材的制备流程，可实现合金增材的快速制备，可实现不同形貌材料的制备，避免后期加工，也可实现锻态材料制备，避免后期锻造。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明一实施例的合金材料增材制造装置剖视图。

图2为本发明图1所示的A处局部放大图；

图3为本发明一实施例中压紧送料装置的结构示意图；

图4A为本发明一实施例中三种不同材质及粗细的单材扭转后的合金材料示意图；

图4B为本发明另一实施例中三种不同材质等同粗细的单材扭转后的合金材料示意图；

图中标记说明：

主电机1，电机转轴11，带轮12，传送带13；

壳体2，入料口21；

驱动缸体31，活塞杆32,压紧轮33,U形槽34，送料电机35，安装座36；

搅拌头4，股材5，单材5’，刀柄6，主轴7，轴承71，支撑单元8

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分优选实施例，而不是全部的实施例。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特定细节仅仅是为了帮助全面理解本申请的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本申请的范围和精神。另外，为了清除和简洁，实施例中省略了对已知功能和构造的描述。

应该理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“本实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“一个实施例”或“本实施例”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中；而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含。

实施例1

参见图1所示，本发明提供一种合金材料增材制造装置，该装置包括上方设有入料口21的壳体2，设于壳体2内部的主轴7，该主轴7能够相对于壳体2在驱动装置的作用下进行旋转，在主轴7内并沿主轴7轴向方向设置的料道，多根不同材料可从入料口21喂入料道内，压紧送料机构，设于入料口21的下方，用于对多根不同材料进行握持压紧并向下游输送，以及搅拌机构，该搅拌机构包括设于主轴7下方的搅拌头4，搅拌头4上设有与料道相连通的搅拌头出料孔，搅拌头4随主轴7同步旋转以通过扭转力使多根不同材料拧合成螺旋状的股材5，并进行合金材料增材制造。

上述合金材料增材制造装置，可从入料口21喂入多根不同材料通过压紧送料机构压紧并向下游输送，同时通过主轴及搅拌机构的旋转，实现对多根不同材料在喂料过程中，产生扭转力使其拧合成螺旋状，实现材料的充分混合，以进行合金材料增材制造；该金材料增材制造装置结构简单，缩短了使用传统合金制造合金增材的流程，降低了生产成本，且制造的合金增材结构均匀，避免了采用传统合金材料容易产生偏析问题。

参见图2-3所示，压紧送料装置包括驱动缸体31、活塞杆32、压紧轮33及送料电机35，压紧送料装置需要对多根不同的材料并和压紧，同时还需要提供向下的输送力，压紧送料装置设于入料口21下主轴7的上方。所述压紧送料装置的结构也不限于此，只有可实现上述功能均可适用于本发明，例如驱动缸体31也可以采用涡轮蜗杆或电机丝杆驱动实现，驱动缸体31不限于气缸或液压缸，本实施例中所述驱动缸体采用气缸实现，压紧轮33与气缸的活塞杆32连接在一起，同时使压紧轮33可通过送料电机35驱动旋转，至于压紧轮33与活塞杆32的连接方式，由于压紧轮33还需旋转，本实施例中在活塞杆的端部的开设U型槽34，压紧轮33可通过转动轴承安装于U型槽34内，在U形槽34的一侧壁上设送料电机35的安装座36，送料电机35固定或可拆卸地安装于安装座36上，为了使压紧轮33和材料直接具有一定的摩擦，减少相对滑动，优选地所述压紧轮采用具有短齿的压紧齿轮。进一步地，为了使送料电机35和压紧轮33能够更换和维修，或者根据不同粗细或材质的材料加工需求，可调整更换，送料电机35和压紧轮33更优选采用可拆卸安装方式，具体的可拆卸安装方式为常规技术，此处不再赘述。

进一步地，为了更好地对多根不同材料进行合并压紧，所述材料应尽可能的有足够大的相互接触面或者呈规则形状，能够容易合并在一起，例如本实施例中采用三根截面均为方形的材料进行一起加工，由于需要对多根不同材料进行并和压紧，因此至少需要两个不同方向的挤压力实现压紧，因此本发明中所述压紧送料装置至少为两个以上，当需要一起并和喂入的材料根数越多，则需要从多个方向作用压紧力，因此所述压紧装置的数量应当大于所述一起喂入的材料的根数，优选地，所述多个压紧装置的压紧轮还应当尽可能地均匀分布或对称分布，示例性地，本实施例中采用4个气缸从四个方向驱动压紧齿轮对3根不同并合的料材进行压紧，并向下游输送。

在本实施例中，所述压紧送料装置设于入料口21和主轴7之间，当然，在本发明另外可行的实施例中，也可以在主轴7上根据压紧装置的需要数量开设多个安装工位，使得所述压紧送料装置可以的压紧轮33可从侧面穿过主轴7进行压紧和送料，但这种方式需要在主轴上开设安装孔，且不亦在主轴7上开设较多的安装孔而影响主轴的强度，这种方式所采用的送料电机35的电源最好采用无线的充电电池驱动或者也可以在电机供电端设置电刷，并在壳体2的内侧壁设置通电线圈，这样，送料电机35的电刷在旋转过程中可一直与通电线圈接触，可以使送料电机35持续通电工作。

另外地，为了减少主轴7和壳体2之间的摩擦，主轴7和壳体2之间通过多个轴承71相连，轴承71起到支撑的作用，可以有效减小主轴7旋转过程中的摩擦力，示例性地，本实施例中在主轴的两侧分别上下均设有有轴承71，主轴7旋转的驱动装置包括固定于壳体2上的主电机1、与主电机1连接的电机转轴11、固定安装于电机转轴11端部的带轮12及传送带13，通过传动带13带动主轴7旋转，当然主轴的传动方式也不限于皮带传动，可以为链轮或其它传动方式驱动转动。

搅拌机构还包括刀柄6，刀柄6固定安装于主轴7上，搅拌头4安装于刀柄6的下方，刀柄6设有与料道相连接的刀柄出料孔，该刀柄出料孔和搅拌头出料孔相对应，为了使搅拌机构的刀柄6和搅拌头4能够将多根并合的材料卡紧，优选地，刀柄出料孔和搅拌头出料孔的截面形状与所述多根不同材料合并的截面形状相同；另外，为了使本合金材料增材制造装置能够适应制造不同的合金增材，所述刀柄6和搅拌头4均采用可拆卸的固定方式安装，以便能够根据不同合金材料加工需要而更换。

在本实施例中，作为优选方式，为了避免多根不同材料在加工过程中由于扭转力的作用而弯曲或折弯，在料道中设有支承单元8，支承单元8安装于主轴7的内侧壁上，用于支承受扭转力作用的多根不同料材并向下游输送。至于支撑单元8的具体结构，可以为设于主轴7内侧壁的刚性的具有下料孔的圆盘或轴承，或具有下料通道的其它刚性元件。

实施例2

基于本发明的上述合金材料增材制造装置，本发明还提供一种通过该装置进行合金增材制造的方法，该方法包括如下步骤：

将多根不同材料合并喂入入料口21；通过压紧送料机构使所述多根不同材料通过压紧轮33压紧；开启主电机1使主轴7旋转；然后开启送料电机35使多根不同材料一起向下游输送并在扭转力的作用下拧合形成螺旋状的股材5；搅拌头单元对拧合后的股材进行搅拌摩擦使其熔化，进行合金材料增材制造；

采用本发明的上述合金材料增材制造方法，可以使多根不同的材料在增材制造前通过本发明的装置在扭转力的作用下先扭转为螺旋状，如此在增材制造中不同材料更容易被均匀的分布于合金中，避免偏析问题的产生；本发明的方法简化了合金增材的制备流程，可实现合金增材的快速制备，可实现不同形貌材料的制备，避免后期加工，也可实现锻态材料制备，避免后期锻造。

对于压紧轮33对喂入材料的压紧，当材料为连续条材时，压紧送料装置可连续的进行工作，当所喂入材料为多根具有一定长度的不同材料时，在一组材料加工完成，需要重新喂入时，需要人工操作使所述压紧轮松开，当喂入材料后再调整驱动缸31的驱动力及行程，实现压紧和送料操作；当然在本发明的其它可行的实施例中，所述压紧送料机构具有控制压紧和松开状态的控制系统，所述控制系统可以根据喂入材料的长度及送料电机35转动一圈材料的进给量来判断和控制压紧轮33的压紧和开松状态，在其它可行的实施例中压紧送料装置上还安装有红外探测器或测距传感器来监测喂料状态，并将喂料状态反馈给控制系统，通过控制系统控制压紧轮33的压紧和开松。在其它一些实施例中，控制系统还包括对压紧轮压力的控制和设置，可以使得用户根据不同的加工材料控制压紧装置的压紧力。

在将多根不同的材料喂入时，该多根不同的材料可以为至少两种不同材质的单材5’，参见附图2所示，本实施例中采用了三种不同的单材5’，该三种单材分别为镁、铝和锡，当然根据实际产品需要也可以采用多根合金材料作为原料喂入，如此以实现更均匀的合金增材。另外地，为了控制合金增材中不同金属的比例，在本发明的上述方法中，可以控制所喂入的不同材料的细度，通过改变不同材料的细度尺寸，可制备出不同合金比例的合金增材，示例性地，例如本发明一实施例中采用三种不同材质及粗细的单材扭转后的合金材料，如图4A所示。另外，为了使本发明的合金材料增材制造装置能够保证较好的材料成型，通过扭转力使多根不同材料可以更好地被拧合成螺旋状的股材5，优选,所述多根不同材料选自镁、铝、铜、锡、锌中的两种以上。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种合金材料增材制造装置，其特征在于，包括：

壳体，所述壳体上设有入料口；

主轴，设于所述壳体内部，并能够相对所述壳体在驱动装置的作用力下旋转；

料道，设于所述主轴内部的轴向方向上，多根不同料材可从所述入料口喂入所述料道中；

压紧送料机构，设于所述入料口的下方，用于对多根不同料材进行握持压紧并向下游输送；

搅拌机构，包括搅拌头，所述搅拌头上设有与料道相连通的搅拌头出料孔，设置于所述主轴的下方，用于随所述主轴同步旋转以通过扭转力使所述多根不同材料拧合成螺旋状，进行合金材料增材制造。

2.根据权利要求1所述的增材制造装置，其特征在于，所述压紧送料装置设于所述主轴的上方，所述压紧送料装置具有多个，每个所述压紧装置包括驱动缸体、活塞杆、压紧轮及送料电机，所述压紧轮与所述活塞杆安装连接，同时所述送料电机驱动所述压紧轮旋转。

3.根据权利要求1所述的增材制造装置，其特征在于，所述主轴和壳体之间设有多个轴承。

4.根据权利要求2所述的增材制造装置，其特征在于，所述活塞杆的端部具有U形槽，所述压紧轮安装于所述U形槽内；优选地，所述压紧轮为压紧齿轮。

5.根据权利要求4所述的增材制造机构，其特征在于，所述U形槽的一侧壁上设有安装座，所述送料电机35安装于所述安装座上。

6.根据权利要求1-5任一项所述的增材制造装置，其特征在于，在所述料道中设有支承单元，所述支承单元安装于所述主轴的内侧壁上，用于支承受扭转力作用的所述多根不同料材并向下游输送。

7.根据权利要求1-5任一项所述的增材制造装置，其特征在于，所述驱动装置包括固定于所述壳体上的主电机、与所述主电机连接的电机转轴、固定安装于所述电机转轴端部的带轮及传送带，通过所述传动带带动所述主轴旋转。

8.根据权利要求1-5任一项所述的增材制造装置，其特征在于，所述搅拌机构还包括刀柄，所述刀柄上设有与所述料道相连接的刀柄出料孔，所述刀柄固定安装于所述主轴上，所述搅拌头安装于所述刀柄的下方，所述刀柄出料孔和所述搅拌头出料孔相对应。

9.根据权利要求1-5任一项所述的增材制造装置，其特征在于，所述搅拌头及刀柄的截面形状与所述多根不同材料合并的截面形状相同。

10.一种合金材料增材制造方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的合金材料增材制造装置实施，所述增材制造方法包括如下步骤：

将所述多根不同材料合并喂入所述入料口；

通过所述压紧送料机构使所述多根不同材料通过所述压紧轮压紧；

开启主电机使所述主轴旋转；

开启送料电机使所述材料向下游输送并在扭转力的作用下拧合形成螺旋状；

搅拌头单元对所述拧合后的材料进行搅拌摩擦使其熔化，进行合金材料增材制造；优选地，所述多根不同材料选自镁、铝、铜、锡、锌中的两种以上。

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