CN113977067A - 一种摩擦增材制坯的方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及摩擦制坯技术领域,公开了一种摩擦增材制坯的方法,包括以下步骤:将坯料沿浮动工具头的轴向送入浮动工具头下方模具的腔体内;然后坯料预压实;浮动工具头在沿轴向往下压同时旋转;浮动工具头沿轴向向上离开坯料,重复上述步骤一次或多次,浮动工具头总的压下量H2与预制坯高度H1的比值α(H2/H1)在0.35~0.85之间。制备出来的坯料内部组织致密度高、缺陷少。

Description

一种摩擦增材制坯的方法
技术领域
本发明涉及摩擦制坯技术领域,具体为一种摩擦增材制坯的方法。
背景技术
目前,文献CN201810235551.4公开了一种填丝搅拌摩擦增材制造装置及增材制造方法,该装置包括搅拌针、工具头、丝材和基体,工具头在基体待增材区表面旋转并移动,搅拌针推动丝材通过工具头的通孔进行填丝;具体步骤为:先将搅拌针插入工具头的轴向通孔内,并推动将丝材前端接触到工具头内壁为止,将工具头和搅拌针组成的搅拌头置于在基体待增材区表面,丝材端部在工具头内部的轴向通孔壁的摩擦作用下发生热塑化,待增材区单层材料堆覆或多层材料堆覆。在大载荷的加持下的工具头,工具头摩擦坯料,坯料会发生剧烈塑性变形,但无法得到组织致密性高、质量缺陷少的高性能坯料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种摩擦增材制坯的方法,以解决坯料的内部组织致密度低的问题。
为了达到上述目的,本发明提供了一种摩擦增材制坯的方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,将坯料沿浮动工具头的轴向送入浮动工具头下方模具的腔体内;
步骤2,将坯料预压实;
步骤3,所述浮动工具头在沿轴向往下压同时旋转;
步骤4,所述浮动工具头沿轴向向上离开坯料;
步骤5,重复一次或多次步骤1- 4。
优选的,步骤3中所述浮动工具头转速为100 rpm~3000rpm,下压速度为0.1 mm/min~5mm/min,预制坯高度为0.2mm~3mm。
在步骤2开始前,为防止坯料氧化,向所述浮动工具头中通入惰性气体保护直至制备完成。
为进一步提升制坯质量和成品率;本发明采用的增材制坯设备包括上模架、旋转机构、浮动工具头和浮动机构,所述旋转机构在上模架内孔中径向旋转,所述旋转机构通过传动轴驱动其下方的所述浮动工具头径向旋转,所述上模架不旋转,且所述旋转机构轴向固定,所述传动轴与所述旋转机构轴向分离且留有间隙,所述传动轴外侧套设有所述浮动机构,所述传动轴与浮动工具头在所述浮动机构的带动下在轴向相对滑动;
所述浮动机构包括液压缸和双向推力角接触轴承,所述双向推力角接触轴承套设所述传动轴外侧,其内圈随所述传动轴旋转,所述液压缸包括环形缸体和环形柱塞,所述环形缸体内侧固定连接所述双向推力角接触轴承外圈,所述环形柱塞一端与所述环形缸体滑动连接,另一端固定连接所述上模架,只有液压缸内设定的额定压力大于浮动工具头实际承载力时,所述环形缸体做轴向的相对滑动。
进一步的,摩擦增材制坯的方法具体包括以下步骤:
步骤1,将粉末粒径为100um~400 um的坯料,沿轴向的所述上模架、旋转机构、传动轴和浮动工具头内部通孔送料,将粉末输送到的钢板槽孔中,液压缸内设定的初始工作压力值;
步骤2,在所述浮动工具头中通入惰性气体保护,控制浮动工具头沿轴向对坯料进行轴向加载,促使材料预压实成形,并径向保压,得到预制坯的高度;
步骤3,控制所述浮动工具头沿轴向对坯料进行轴向加载,同时所述旋转机构驱动所述浮动工具头高速旋转,并径向保压,所述浮动工具头根据坯料厚度变化而实时调整轴向承载力和相对位置。
步骤4,所述浮动工具头沿轴向向上离开坯料;
步骤5,重复一次或多次步骤1- 4。
为进一步提高坯料的组织致密化,所述浮动工具头总的压下量H2与预制坯高度H1参数比值设置满足此公式:0.35<H2/H1<0.85 。
有益效果在于: 本发明提供一种摩擦增材制坯的方法,摩擦增材过程中坯料在轴向压力和旋转摩擦压力的共同作用,坯料发生剧烈塑性变形,保证坯料的组织致密化,且通过控制摩擦增材工具头总的压下量与预制坯高度的关系,能够获得组织致密性高、质量缺陷少的高性能坯料,在铝合金、镁合金、合金钢等材料中具有广泛的应用价值。传统的刚性工具头,当坯料厚度较大时,实时变形量大,容易发生刚性工具头压不动坯料的情况,工具头产生震颤,造成实际变形量达不到坯料设计的变形量,坯料内部压不结实,组织不致密、不塑化,内部容易发生孔洞、间隙等缺陷,影响成形性能;本发明设计了浮动工具头,浮动工具头能调节实时的下行位移,即实时调节变形量,若送料量多,浮动工具头压下量自行变小,保证变形量足够大,达到坯料塑化的效果;若送料量少,浮动工具头压下量自行变大,保证坯料内部压实致密且塑化,并减少内部缺陷、外部飞边,提升坯料整体质量;浮动工具头总的压下量H2与预制坯高度H1的比值α=H2/H1为0.35~0.85,在相同比值α的条件下,减小预制坯高度H1,有利于坯料组织致密化。
附图说明
图1为本实施例1中增材制坯设备的结构示意图;
图2为实施例1的铝合金坯料组织金相图;
图3为实施例2的铝合金坯料组织金相图;
图4为实施例1和实施例2中浮动工具头总的压下量H2与预制坯高度H1的示意图;
图5为制备多层坯料的示意图。
附图标记:1、上模架;2、旋转机构;3、浮动工具头;4、浮动机构;5、传动轴;6、螺钉;7、双向推力角接触轴承;8、环形缸体;9、环形柱塞;10、双头螺柱;11传动键。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明,但本发明并不局限于这些实施方式,在不脱离本发明原理的前提下,针对本发明进行的改进也落入本发明权利要求的保护范围内。
实施例1
如图1、2、4和5所示,一种摩擦增材制坯的方法采用的增材制坯设备包括上模架1、旋转机构2、浮动工具头3和浮动机构4,所述旋转机构2下端面镶嵌有对称分布的传动键11,所述传动键11通过螺钉6固定在所述旋转机构2上,且所述传动键11驱动所述传动轴5旋转,所述传动轴5与所述旋转机构2轴向分离且留有间隙,所述传动轴5下方连接所述浮动工具头3,所述旋转机构2在上模架1内孔中径向旋转,所述旋转机构2通过传动轴5驱动其下方的所述浮动工具头3径向旋转,所述上模架1不旋转,所述旋转机构2在外部旋转力和轴向运动的驱动下,沿着轴向旋转和轴向运动,所述传动轴5与浮动工具头3在浮动机构4的带动下做轴向的相对滑动;
进一步的,所述浮动机构4包括液压缸和双向推力角接触轴承7,所述双向推力角接触轴承7套设所述传动轴5外侧,其内圈随所述传动轴5旋转,所述液压缸包括环形缸体8、环形柱塞9和双头螺柱10,所述环形缸体8内侧固定连接双向推力角接触轴承7外圈,所述环形柱塞9一端与所述环形缸体8滑动连接,另一端通过双头螺柱10固定连接在所述上模架1上,只有液压缸内设定的额定压力大于浮动工具头3实际承载力时,所述动环形缸体8才做轴向的相对滑动,进而通过双向推力角接触轴承7带动所述浮动工具头3同时做轴向的相对滑动;当液压缸内设定的额定压力小于浮动工具头3实际承载力时,传动轴5与旋转机构2轴向紧密贴合,即所述浮动工具头3不发生轴向相对滑动。
一种摩擦增材制坯的方法具体步骤包括:
步骤1,将坯料(7A04铝合金粉末)沿所述上模架1、旋转机构2、传动轴5和浮动工具头3内部通孔轴向送料,将粉末输送到内孔直径为40mm的钢板槽孔中,坯料的粒径为300um左右,所述浮动工具头3内的环形缸体8、环形柱塞9、双头螺柱10组成液压缸,所述液压缸内设定的初始工作压力为4.8MPa;
步骤2,然后浮动工具头3以0.5mm/min的速度接触材料后沿轴向往下压料,将材料预压实,保压6秒,得到预制坯的高度H1为2.6mm;
步骤3,控制浮动工具头3以3mm/min的速度继续轴向加载,同时工具头以1000rpm的转速高速旋转,浮动工具头3总的压下量1.5mm,保压6秒,浮动工具头3总的压下量H2与预制坯高度H1的比值α(α=H2/H1)为0.58,制备得到第一层增材坯料;
步骤4,浮动工具头3沿轴向向上离开坯料;
步骤5,重复2次上述步骤1- 4,得到总厚度约为3.3mm的坯料。
坯料周边飞边很少,表面成形良好,且内部组织致密度高。
实施例2
如图1和3所示,参照实施例1的采用的增材制坯设备,不同点在于摩擦增材制坯的方法具体步骤包括:
步骤1,将坯料(40Cr合金钢粉末)沿所述上模架1、旋转机构2、传动轴5和浮动工具头3内部通孔轴向送料,将坯料输送到内孔直径为40mm的钢板槽孔中,坯料的粒径为100um左右,浮动工具头3内的环形缸体8、环形柱塞9、双头螺柱10组成液压缸,液压缸内设定的初始工作压力为5.7MPa;
步骤2,浮动工具头3中通入氩气气体保护,然后浮动工具头3以0.5mm/min的速度接触材料后沿轴向往下压料,将材料预压实,保压10秒,得到预制坯的高度H1为1.5mm;
步骤3:控制浮动工具头3以2mm/min的速度继续轴向加载,同时浮动工具头3以1200rpm的转速高速旋转,工具头总的压下量1mm,保压10秒后,浮动工具头3总的压下量H2与预制坯高度H1的比值α(α=H2/H1)为0.67,制备得到第一层增材坯料;
步骤4,浮动工具头3沿轴向向上离开坯料;
步骤5,重复2次上述步骤1- 4,得到总厚度约为3mm的坯料。
坯料周边飞边很少,表面成形良好,且内部组织致密度高。

Claims (6)

1.一种摩擦增材制坯的方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,将坯料沿浮动工具头(3)的轴向送入所述浮动工具头(3)下方模具的腔体内;
步骤2,将坯料预压实;
步骤3,所述浮动工具头(3)在沿轴向往下压同时旋转;
步骤4,所述浮动工具头(3)沿轴向向上离开坯料;
步骤5,重复一次或多次步骤1- 4。
2.根据权利要求1所述的摩擦增材制坯的方法,其特征在于:步骤3中所述浮动工具头(3)转速为100 rpm~3000rpm,下压速度为0.1 mm/min~5mm/min,预制坯高度为0.2mm~3mm。
3.根据权利要求1或2所述的摩擦增材制坯的方法,其特征在于:在步骤2开始前,向浮动工具头(3)中通入惰性气体保护直至制备完成。
4.根据权利要求3所述的摩擦增材制坯的方法,其特征在于:增材制坯设备包括上模架(1)、旋转机构(2)、浮动工具头(3)和浮动机构(4),所述旋转机构(2)在上模架(1)内孔中径向旋转,所述旋转机构(2)通过传动轴(5)驱动其下方的所述浮动工具头(3)径向旋转,所述上模架(1)不旋转,且所述旋转机构(2)轴向固定,所述传动轴(5)与所述旋转机构(2)轴向分离且留有间隙,所述传动轴(5)外侧套设有所述浮动机构(4),所述传动轴(5)与浮动工具头(3)在所述浮动机构(4)的带动下在轴向相对滑动;所述浮动机构(4)包括液压缸和双向推力角接触轴承(6),所述双向推力角接触轴承(6)套设所述传动轴(5)外侧,其内圈随所述传动轴(5)旋转,所述液压缸包括环形缸体(7)和环形柱塞(9),所述环形缸体(7)内侧固定连接双向推力角接触轴承(6)外圈,所述环形柱塞(9)一端与所述环形缸体(7)滑动连接,另一端固定连接所述上模架(1),只有液压缸内设定的额定压力大于所述浮动工具头(3)实际承载力时,所述环形缸体(7)才做轴向的相对滑动。
5.根据权利要求1、2或4所述的摩擦增材制坯的方法,其特征在于:
步骤1具体包括:将粉末粒径为100um~400 um的坯料,沿轴向的所述上模架(1)、旋转机构(2)、传动轴(5)和浮动工具头(3)内部通孔送料,将粉末输送到的钢板槽孔中,液压缸内设定的初始工作压力值;
步骤2具体包括:在所述浮动工具头(3)中通入惰性气体保护,控制所述浮动工具头(3)沿轴向对坯料进行轴向加载,促使材料预压实成形,并径向保压,得到预制坯的高度;
步骤3具体包括:控制所述浮动工具头(3)沿轴向对坯料进行轴向加载,同时所述旋转机构(2)驱动所述浮动工具头(3)高速旋转,并径向保压,所述浮动工具头(3)根据坯料厚度变化而实时调整轴向承载力和相对位置;
步骤4具体包括:所述浮动工具头(3)沿轴向向上离开坯料;
步骤5具体包括:重复一次或多次步骤1- 4。
6.根据权利要求5所述的摩擦增材制坯的方法,其特征在于:所述浮动工具头(3)总的压下量H2与预制坯高度H1参数设置满足此公式: 0.35<H2/H1<0.85。
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