CN114131176B - 一种固相摩擦挤压增材制造用主轴系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种固相摩擦挤压增材制造主轴系统，包括主轴外壳体和固设在其底部的第一固定法兰，所述主轴外壳体内从外向内同轴的套设有主轴中空旋转轴和送料旋转轴；所述主轴中空旋转轴的底部刚性连接一同轴设置的安装基座，所述安装基座底部刚性连接一带偏心通道的摩擦挤压轴肩；所述送料旋转轴内设置有第一偏心通道用于放置圆棒耗材；所述送料旋转轴和主轴中空旋转轴形成双层独立旋转轴结构形式。本发明的主轴系统中采用两种摩擦挤压原理，实现单根或两根圆棒耗材填充材料的摩擦挤压增材制造过程，圆棒耗材利用率更高、摩擦挤压界面结合强度及宽度更大，同时可实现断续或连续的圆棒耗材送料过程，为开发工业化固相摩擦挤压增材制造设备提供重要基础。

Description

一种固相摩擦挤压增材制造用主轴系统

技术领域

本发明属于固相摩擦焊接与增材制造技术领域，具体涉及一种固相摩擦挤压增材制造用主轴系统，用于实现各种金属棒料的摩擦挤压增材制造工艺过程。

背景技术

目前采用熔焊工艺的激光、电子束及电弧的金属增材制造工艺获得很大发展，如钛合金及镍基合金等激光与电子束增材制造的零部件已在航空航天结构制造中获得广泛应用。但在高性能及高承载增材构件制造方面仍面临许多挑战，由于熔焊工艺产生的金属熔化与凝固冶金现象，使得采用金属粉末增材制造的构件内部不可避免会产生局部未熔合、孔洞及微裂纹等凝固冶金缺陷，尤其是将基于熔焊工艺的激光、电子束及电弧增材制造技术应用于铝镁合金时，很难获得完全致密、无孔洞及裂纹缺陷的增材制造构件。而基于摩擦焊原理的金属增材制造技术属于固相焊接过程，在焊接过程中不存在金属熔化及凝固现象可获得完全致密的细小等轴晶焊缝组织特征，尤其适合于铝镁合金的焊接过程可消除各种孔洞及裂纹冶金缺陷，这为开发一种新型金属增材制造工艺提供新途径。

目前基于摩擦焊原理的固相增材制造工艺已在实验室中进行了许多研究，其中基于摩擦堆焊及搅拌摩擦焊的金属固相增材制造工艺、尤其是近年来美国MELD公司提出的MELD金属固相增材工艺受到研究者的普遍关注。基于摩擦堆焊的增材制造是一种先进金属固相增材制造工艺，它是采用一种可消耗金属圆棒在高速旋转的同时摩擦顶锻金属基板表面，实现消耗金属圆棒材料沉积的一种摩擦焊工艺方法，通过单道多层堆焊或多道多层堆焊就可以实现金属材料的固相增材制造工艺。国内发明专利CN 107052560 A公开了一种实现带轴肩的摩擦堆焊的主轴系统，采用该发明研制开发的主轴头系统及装置可实现非消耗轴肩辅助的摩擦堆焊涂层及增材制造过程，提高传统摩擦堆焊材料利用效率及改善摩擦界面结合强度，但也有圆棒耗材安装固定繁琐不能实现连续送料其堆焊长度有限的局限性。

基于搅拌摩擦焊的金属固相增材制造工艺建立在搅拌摩擦搭接焊原理基础上，它是采用非消耗搅拌工具通过搭接焊将刚性固定的不同宽度的多层叠板焊接在一起实现基板表面的单道多层或多道多层增材制造，这种固相增材制造工艺虽然在实验室已进行了许多研究，但由于每层板条搭接焊时都需要繁琐的刚性夹具固定及表面处理，不能实现填充材料自主送料的单道多层或多道多层增材制造过程，而且增材后还需要加工去掉多余的未连接板条材料(实际上是一种增减材结合固相增材制造工艺)，因而在工业应用中有明显的局限性。如国内专利CN 108161448 A公开的《一种新型的搅拌摩擦增材制造机》、专利CN108481744 A公开的《一种半固态增材制造装置及其制造方法》、专利CN 109604808 A公开的《一种施加冷却的搅拌摩擦增材制造装置及方法》等基于类似搅拌摩擦焊非消耗工具的增材制造过程均具有上述局限性。

近年来美国MELD公司提出的MELD固相增材制造中公开的原理是：在垂直基板的平面上通过中空摩擦工具给进方形填充棒料，对摩擦工具施加高速旋转并沿其轴向挤压方形填充棒料接触基板表面，由于中空摩擦工具的方孔对方形棒料施加扭矩，使得方形填充棒料与摩擦工具同时高速旋转，在轴向压力挤压下方形棒料端部与基板接触产生摩擦热同时沿基板平面横向移动，从而使得方形填充棒料在摩擦加热挤压软化后沉积在基板表面形成单道单层增材，重复上述操作即可获得单道多层及多道多层增材构件。实际上MELD工艺原理其本质为非消耗轴肩辅助的摩擦堆焊过程，而带轴肩的摩擦堆焊概念已包括在2017年国内申请的发明专利CN 107052560 A中。非消耗轴肩辅助的摩擦堆焊原理相对简单并容易理解，但在工程实际中如何实现这种工艺原理的具体主轴系统及设备就是该技术发明的关键内容。美国MELD公司首次在国内外研制开发了基于轴肩辅助摩擦堆焊工艺原理的固相增材制造设备-即MELD增材制造3D打印设备，并在2018年国内申请公开的专利CN111655403A《固态增材制造系统和材料的组成与结构》中，对固态增材设备控制系统及使用的材料类型范围等进行了详细介绍，但对其增材设备中采用的详细主轴头机构没有公开说明。

发明内容

为了克服现有技术中基于摩擦堆焊原理增材制造的主轴头机构的结构缺陷及局限性，本发明提出一种固相摩擦挤压增材制造用主轴系统。所提出的主轴系统是基于国内发明专利CN 107052560 A的轴肩辅助摩擦堆焊原理基础上，采用了完全不同的主轴头结构及填充棒料方式。本发明的主轴系统中采用两种摩擦挤压原理，实现单根或两根圆棒耗材填充材料的摩擦挤压增材制造过程，圆棒耗材利用率更高、摩擦挤压界面结合强度及宽度更大，同时可实现断续或连续的圆棒耗材送料过程，为开发工业化固相摩擦挤压增材制造设备提供重要基础。

一种固相摩擦挤压增材制造主轴系统，包括主轴外壳体和固设在其底部的第一固定法兰，所述主轴外壳体内从外向内同轴的套设有主轴中空旋转轴和送料旋转轴；所述主轴中空旋转轴的底部刚性连接一同轴设置的安装基座，所述安装基座底部刚性连接一带偏心通道的摩擦挤压轴肩；所述送料旋转轴内设置有第一偏心通道用于放置圆棒耗材，且所述送料旋转轴的两端伸出所述主轴外壳体的两端；所述送料旋转轴靠近所述安装基座的一端具有一个向所述安装基座延伸的摩擦凸出部，所述摩擦凸出部用于插入所述安装基座中；

其中，所述送料旋转轴通过第二承载轴承及送料旋转轴固定套与主轴中空旋转轴刚性连接；所述主轴中空旋转轴通过第一承载轴承及支撑钢套与主轴外壳体及第一固定法兰刚性连接，所述送料旋转轴和主轴中空旋转轴形成双层独立旋转轴结构形式；

所述第二承载轴承设置在所述主轴中空旋转轴与所述送料旋转轴之间，所述第一承载轴承设置在所述主轴外壳体与主轴中空旋转轴之间。

进一步的，所述安装基座包括基座本体、基座凸台、基座圆形凹槽、基座偏心通道和第二法兰盘，所述基座本体的一端设置有向外延伸的所述第二法兰盘，沿所述基座本体的轴心开有所述基座圆形凹槽，沿所述基座本体轴向偏心的开有贯通的所述基座偏心通道，所述基座本体远离第二法兰盘的另一端部设置有所述基座凸台；所述基座圆形凹槽用于插入所述送料旋转轴的摩擦凸出部，且所述送料旋转轴的摩擦凸出部与所述基座圆形凹槽的侧壁与底面均保持小于1mm的间隙，即，所述基座圆形凹槽的直径和深度与所述摩擦凸出部的直径和深度差小于1mm，从而在主轴中空旋转轴内部形成摩擦挤压空腔。

进一步的，所述摩擦挤压轴肩包括轴肩本体、第三法兰盘、摩擦挤压轴肩凹槽和第二偏心通道；其中所述轴肩本体的一端设置有向外延伸的所述第三法兰盘，沿所述轴肩本体轴向偏心的开有贯通的所述第二偏心通道，在所述第三法兰盘的上端面开有摩擦挤压轴肩凹槽，所述摩擦挤压轴肩凹槽的尺寸与所述基座凸台的轮廓适配，用于将所述安装基座的基座凸台压入第三法兰盘上的摩擦挤压轴肩凹槽从而将所述单偏心通道摩擦挤压轴肩和所述安装基座刚性连接。

进一步的，所述第一偏心通道和所述第二偏心通道结构相同且位置对应，用于使圆棒耗材通过第一单偏心通道和第二单偏心通道进入摩擦挤压轴肩；所述第一偏心通道和所述第二偏心通道为单偏心通道或双偏心通道。

进一步的，所述第一偏心通道和所述第二偏心通道的内轮廓与所述圆棒耗材适配。

进一步的，所述主轴中空旋转轴的长度小于所述送料旋转轴的长度，保证所述送料旋转轴的摩擦凸出部凸出中空旋转轴至少40mm以上。

进一步的，当所述第一单偏心通道为单通道时，所述送料旋转轴与所述第一单偏心通道的偏心距在1-5mm范围内；当所述第一单偏心通道为双通道时，所述送料旋转轴与所述第一双偏心通道的偏心距在6-10mm范围内。

与现有技术相比，本发明有益效果及显著进步在于：

本发明提出的主轴系统是实现固相摩擦挤压增材制造工艺、建造固相摩擦挤压增材制造设备的关键机构。采用该主轴系统具有以下有益效果：

(1)、所述主轴系统可实现高效率的单道多层或多道多层固相摩擦挤压增材制造工艺；单道单层增材厚度可达4mm对应增材宽度可达40mm以上；增材内部完全致密具有明显细化等轴晶组织特征。与美国MELD工艺公开的固相增材试验结果比较，其固相摩擦挤压增材效率及材料利用率明显提高。

(2)、本发明主轴系统可实现多种固相摩擦挤压增材工艺过程；可实现轴肩辅助的摩擦堆焊工艺、也可实现单道单层及单道多层的摩擦挤压增材制造工艺；采用多偏心通道送料旋转轴设计的主轴系统，即可实现同种材料的固相摩擦挤压增材制造工艺，也可实现异种材料混合即合金化的固相摩擦挤压增材制造工艺；采用异种分段圆棒耗材材料还可实现异种材料不同层之间的固相摩擦挤压增材制造工艺等，为制备异种材料合金化及功能梯度化复合金属构件提供一种创新的固相摩擦挤压热加工工艺方法。

(3)、本发明主轴系统通过主轴头内部的连续摩擦挤压成形原理，实现圆棒耗材从静止不旋转到动态旋转的连续过渡，由于圆棒耗材在插入偏心通道送料旋转轴时保持静止不旋转，这为开发一种连续给进圆棒耗材的固相摩擦挤压增材制造工艺提供关键基础。与目前已有的安装有限长度圆棒耗材的摩擦堆焊主轴头机构比较有明显摩擦加工优势。

(4)、双层独立旋转轴结构使得本发明能够实现：

当主轴中空旋转轴和送料旋转轴形成的两层旋转轴同步按相同角速度旋转时，圆棒耗材通过第一偏心通道、再经过基座偏心通道和第二偏心通道直接通过摩擦挤压轴肩与基板表面接触产生摩擦加热，圆棒耗材在主轴头内部没有经历摩擦挤压作用；

当送料旋转轴保持静止、只有主轴中空旋转轴进行旋转时，圆棒耗材在插入偏心通道时是静止不旋转的；此时圆棒耗材通过第一偏心通道首先与主轴中空旋转轴内部形成的摩擦挤压空腔相接触，在此产生摩擦挤压作用使得圆棒耗材发生软化，然后通过摩擦挤压将被软化材料再挤压进入基座偏心通道和摩擦挤压轴肩的第二偏心通道中、并在轴肩摩擦挤压作用下沉积到基板表面形成增材层。

附图说明

图1是现有技术摩擦堆焊增材制造过程示意图；

图2是本发明基于带轴肩摩擦堆焊的增材制造工艺原理图；其中，(a)示出带单偏心通道摩擦挤压轴肩的增材制造工艺原理图，(b)示出带双偏心通道摩擦挤压轴肩的增材制造工艺原理图；

图3是实施例的主轴系统的整体外观结构图；

图4示出两种实施例的主轴系统剖面图；其中，图4(a)是带单偏心通道的主轴系统剖面图；

图4(b)是带双偏心通道的主轴系统剖面图；

图5表示两种实施例的带偏心通道送料旋转轴剖视图；其中，图5(a)是根据实施例1所示的带单偏心通道的送料旋转轴；图5(b)示出在图5(a)所示的送料旋转轴中插入圆棒耗材；图5(c)是根据实施例2所示的带双偏心通道的送料旋转轴；图5(d)示出在图5(c)所示的送料旋转轴中插入2根圆棒耗材；

图6是实施例1的单偏心通道安装摩擦挤压轴肩的安装基座；其中图6(a)、图6(b)、图6(c)分别是主视图、剖视图和立体图；

图7是实施例2的双偏心通道安装摩擦挤压轴肩的固定法兰基座；其中图7(a)、图7(b)、图7(c)分别是主视图、剖视图和立体图；

图8是实施例1的单偏心通道摩擦挤压轴肩示意图；其中图8(a)、图8(b)、图8(c)分别是主视图、剖视图和立体图；

图9是实施例2的双偏心通道摩擦挤压轴肩示意图；其中图9(a)、图9(b)、图9(c)分别是主视图、剖视图和立体图。

图中：

1：基板表面 2,6,1701,1702：圆棒耗材

3：耗材飞边 4：增材层

5：刚性轴肩 7,701,702：送料旋转轴

703：摩擦凸出部 8：送料旋转轴固定套

9：主轴同步轮 10：主轴外壳体

11：第一固定法兰 12：主轴中空旋转轴

1301,1302：安装基座

1303：基座本体 1401：单偏心通道摩擦挤压轴肩

1402：双偏心通道摩擦挤压轴肩 1403：轴肩本体

15：第一承载轴承 1501：支撑钢套

16：第二承载轴承 18：第一单偏心通道

19：第一双偏心通道 20：第二法兰盘

2101：基座单偏心通道 2102：基座双偏心通道

2201,2202：基座圆形凹槽 23：基座凸台

24：第三法兰盘 2501：第二单偏心通道

2502：第二双偏心通道 26：摩擦挤压轴肩凹槽

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案、有益效果及显著进步更加清楚，下面，将结合本发明实施例中所提供的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所有描述的这些实施例仅是本发明的部分实施例，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。

必须指出目前在国内基于摩擦焊原理申请公开的固相摩擦增材制造发明专利中，没有严格区分“搅拌摩擦焊”与“摩擦堆焊”工艺过程从而产生明显的物理概念混乱。实际上“搅拌摩擦焊”与“摩擦堆焊”是两种本质上完全不同的摩擦焊工艺过程：搅拌摩擦焊是采用非消耗搅拌工具“摩擦挤压搅拌”被加工材料，其摩擦热源是非消耗搅拌工具与被连接材料的“摩擦挤压搅拌”而产生的，非消耗搅拌工具只是摩擦加热作用不是被连接材料，这样为产生摩擦热源必须对被连接材料施加刚性夹具固定才能实现其搅拌摩擦焊过程；而摩擦堆焊是采用消耗棒料“摩擦挤压”被加工材料，其摩擦热源是由消耗棒料与连接材料“摩擦挤压”而产生的，消耗棒料本身既是摩擦热源也是被连接材料，圆棒耗材被摩擦挤压软化后就直接沉积到被连接基板上形成堆焊焊缝(不需要刚性夹具固定焊道)，消耗棒料的堆焊过程中没有对被连接材料的搅拌作用。与搅拌摩擦增材工艺比较，基于摩擦堆焊原理的固相增材制造工艺具有更广泛普遍适用性，其中“摩擦与挤压”是表示摩擦堆焊过程的关键特征，因此本发明中采用“固相摩擦挤压增材制造”术语表示基于摩擦堆焊的固相增材制造工艺。

本发明建立在国内发明专利CN 107052560 A提出的轴肩辅助摩擦堆焊原理基础上，但与CN 107052560 A主轴头结构有显著差异、是一种创新的主轴系统。图1示出传统摩擦堆焊增材制造过程，增材过程中圆棒耗材2在高速旋转的同时，施加轴向压力顶锻挤压基材表面1并沿基材表面1横向移动，由于旋转摩擦加热和顶锻压力作用在摩擦界处面形成耗材飞边3同时，圆棒耗材2逐步过渡到基材表面1形成增材层4。为实现摩擦堆焊增材过程，在圆棒耗材2的顶部必须由主轴头机构施加旋转扭矩和轴向挤压作用，由于圆棒耗材2摩擦界面附近没有非消耗轴肩限制约束，圆棒耗材2不仅承受轴向压力作用还要承受扭矩作用，因此圆棒耗材直径不能过小、长度也不能太长，否则很难完成摩擦堆焊工艺过程。在堆焊过程所形成的耗材飞边3不断增加不能完全过渡沉积在基材表面1形成单道增材层4，圆棒耗材2利用率低、增材界面结合强度低，也很难制备较长的摩擦堆焊增材层4。

图2为本发明基于带轴肩摩擦堆焊的增材制造工艺原理，与原有轴肩辅助摩擦堆焊原理不同是采用一种带有单个或多个偏心通道的非消耗刚性轴肩5，所述刚性轴肩5与圆棒耗材2，6是偏心非同轴的，其目的是为了通过刚性轴肩5的偏心通道对整个长度圆棒耗材2施加扭矩作用。专利CN 107052560 A中轴肩与圆棒耗材是同轴的，无法通过轴肩对圆棒耗材施加扭矩作用，必须在主轴系统中采用特殊夹持机构施加扭矩才能实现摩擦堆焊工艺；而美国MELD工艺是通过非偏心同轴的方形或异形通道实现施加扭矩作用的。本实施例在摩擦堆焊过程中利用带偏心通道的刚性轴肩5带动圆棒耗材2，6同时高速旋转并沿基材表面横向移动，同时轴肩5端面与基材表面控制在1-4mm距离(增材厚度)。这样只需要对圆棒耗材沿轴向施加顶锻压力，偏心通道轴肩对圆棒耗材施加扭矩作用并高速旋转，圆棒耗材与基板表面摩擦软化产生摩擦挤压飞边，在偏心通道轴肩的限制约束下圆棒耗材完全过渡沉积到基板表面形成单道增材层。偏心通道轴肩不仅限制飞边还对沉积增材层施加摩擦挤压作用，使得增材层界面结合宽度和强度明显改善，重复上述工艺过程可获得完全致密及力学性能优异的单道多层和多道多层金属摩擦挤压增材构件。

实施例1

为了实现上述工艺过程，本实施例示出一种固相摩擦挤压主轴系统，该主轴系统是实现固相摩擦挤压增材制造工艺原理的关键机构系统。如图3和图4(a)所示，一种固相摩擦挤压增材制造主轴系统，包括主轴外壳体10和固设在其底部的第一固定法兰11，所述主轴外壳体10内从外向内同轴的套设有主轴中空旋转轴12和送料旋转轴701；如图5(a)和5(b)所示，所述送料旋转轴701内设置有第一单偏心通道18用于放置圆棒耗材1701，且所述送料旋转轴701的两端伸出所述主轴外壳体10的两端；所述送料旋转轴701的外周靠近两个端部分别设置有送料旋转轴固定套8和第二承载轴承16；在所述主轴中空旋转轴12的底部刚性连接一安装基座1301，所述安装基座1301底部刚性连接一单偏心通道摩擦挤压轴肩1401；所述送料旋转轴701靠近所述安装基座1301的一端具有一向所述安装基座延伸的摩擦凸出部703，所述摩擦凸出部插入所述安装基座1301中，且所述送料旋转轴701的直径大于所述摩擦凸出部703的直径。可选的，所述安装基座1301和单偏心通道摩擦挤压轴肩1401可以是一体式结构，本文中的所述安装基座1301和单偏心通道摩擦挤压轴肩1401可拆卸连接是由于所述摩擦挤压轴肩为易耗品，需要经常更换，所以采取可拆卸的形式。

所述送料旋转轴701决定了圆棒耗材1701的装料数量和整体主轴系统的外观尺寸，所述送料旋转轴701的长度是600mm，直径40mm，第一单偏心通道18直径为20mm、对应的圆棒耗材直径与其相匹配也为20mm，所述送料旋转轴701与所述第一单偏心通道18的偏心距为4mm，优选在1-5mm范围内。第一单偏心通道内部的送料圆棒耗材1701是分段填充的，每段送料长度为200-300mm应与偏心通道长度相匹配。为保证带偏心通道的送料旋转轴701的强度其直径应不小于40mm。根据实际应用，所述送料旋转轴701根据摩擦挤压增材制造设备的驱动功率可选择更长尺寸，且偏心通道内填充的圆棒耗材直径应与偏心通道为负公差配合，以便圆棒耗材在轴向压力作用下沿偏心通道无摩擦或很小摩擦上下滑动。偏心通道可对圆棒耗材施加扭矩作用，而不需要加工方形或异种等特殊形状消耗棒料，采用圆棒材料容易对中和插入圆形截面送料通道、不需要加工特殊形状送料孔(棒料和送料通道对中很难处理)、降低送料旋转轴及消耗棒料的加工成本。圆棒耗材材料为同种或异种铝镁合金或其它金属材料，异种材料组合为制备复杂合金化金属复合材料增材构件提供关键基础。

其中，所述送料旋转轴701通过第二承载轴承16及送料旋转轴固定套8与主轴中空旋转轴12刚性连接，所述送料旋转轴701的外周靠近两个端部分别设置有所述第二承载轴承16及送料旋转轴固定套8；所述主轴中空旋转轴12通过第一承载轴承15及支撑钢套1501与主轴外壳体10及第一固定法兰11刚性连接，送料旋转轴7和主轴中空旋转轴12形成双层独立旋转轴结构形式。

所述第二承载轴承16设置在所述主轴中空旋转轴12与所述送料旋转轴701之间，所述第一承载轴承15设置在所述主轴外壳体10与主轴中空旋转轴12之间。

其中，所述主轴中空旋转轴12的长度小于所述送料旋转轴7的长度，保证所述送料旋转轴701的摩擦凸出部703凸出中空旋转轴12至少40mm以上。主轴中空旋转轴12是主轴系统的主要承载部件，承受固相摩擦挤压过程中的大轴向顶锻压力和扭转作用。

如图6所示，所述安装基座1301为一体加工而成的法兰轴承，包括基座本体1303、基座凸台23、基座圆形凹槽2201、基座单偏心通道2101和第二法兰盘20，所述基座本体1303的一端设置有向外延伸的所述第二法兰盘20，沿所述基座本体1303的轴心开有所述基座圆形凹槽2201，沿所述基座本体1303轴向偏心的开有贯通的所述基座单偏心通道2101，所述基座本体1303远离第二法兰盘20的另一端部设置有所述基座凸台23。所述主轴中空旋转轴12底部端面加工有法兰连接面，通过高强螺栓刚性连接所述安装基座1301的第二法兰盘20。其中，所述基座单偏心通道2101的内轮廓与所述圆棒耗材1701适配用于放置所述圆棒耗材1701；所述基座圆形凹槽2201用于插入所述送料旋转轴701的摩擦凸出部703，且所述送料旋转轴701的摩擦凸出部703与所述基座圆形凹槽2201的侧壁与底面均保持小于1mm的间隙。即，所述基座圆形凹槽2201的直径和深度与所述摩擦凸出部703的直径和深度差小于1mm，从而在主轴中空旋转轴内部形成摩擦挤压空腔。

所述送料旋转轴701同轴安装在主轴中空旋转轴12内部，且所述中空旋转轴12下部同轴安装有安装基座，在这种同轴设置的基础上通过尺寸控制保证间隙；如安装基座1301中的所述基座圆形凹槽直径是40.5mm,深度是40.5mm；这样摩擦凸出部的直径是40mm，凸出长度尺寸是40mm，插入凹槽后与圆柱侧壁间隙为0.5/2＝0.25mm；与圆形凹槽底面的间隙就为0.5mm。所述安装基座随中空旋转轴旋转，而送料轴保持静止不旋转，就形成摩擦挤压空腔。设置这样的间隙从而在主轴中空旋转轴12内部形成一种摩擦挤压空腔。圆棒耗材1701首先在在该空腔中摩擦挤压软化，再通过所述安装基座1301上的基座单偏心通道2101挤压进入最底部的单偏心通道摩擦挤压轴肩1401第二次摩擦挤压到基板表面沉积形成增材层。设计为与主轴中空旋转轴12相互分离的独立基座13结构形式，是为了防止圆棒耗材在该空腔中产生堵塞便于拆装和更换。所述主轴中空旋转轴12通过主轴同步轮9由主电机驱动高速旋转，是该主轴系统的主要驱动旋转动作；而内部的带偏心通道送料旋转轴701可保持静止或由另外独立辅助电机驱动高速旋转，是主轴头内部的辅助旋转动作。

如图8所示，单偏心通道摩擦挤压轴肩1401为一体加工而成，包括轴肩本体1403、第三法兰盘24、摩擦挤压轴肩凹槽26和第二单偏心通道2501；其中所述轴肩本体1403的一端设置有向外延伸的所述第三法兰盘24，沿所述轴肩本体1403轴向偏心的开有贯通的所述第二单偏心通道2501，在所述第三法兰盘24的上端面开有摩擦挤压轴肩凹槽26，所述摩擦挤压轴肩凹槽26的尺寸与所述基座凸台23的轮廓适配，用于将所述安装基座1301的基座凸台23压入第三法兰盘24上的摩擦挤压轴肩凹槽26从而将所述单偏心通道摩擦挤压轴肩1401和所述安装基座1301刚性连接；所述第二单偏心通道2501内轮廓与所述圆棒耗材1701适配用于放置所述圆棒耗材1701，且第一单偏心通道18和第二单偏心通道2501位置对应，用于使圆棒耗材1701通过第一单偏心通道18和第二单偏心通道2501进入单偏心通道摩擦挤压轴肩1401。其中，所述摩擦挤压轴肩凹槽26与基座凸台23的配合是保证偏心通道对准的关键结构形式。单偏心通道摩擦挤压轴肩1401上带有单偏心通道2501，以便在主轴内部经过连续摩擦挤压后的软化塑性流动材料、再通过单偏心通道2501摩擦挤压到基材表面沉积为增材层。

本实施例所选择的圆棒耗材轴向载荷施加方式可以是压力控制或位移控制模式；压力控制模式采用液压缸施加其载荷在0-100kN范围；位移控制模式采用电动缸施加恒定的送料速率在0-5mm/sec范围。当主轴中空旋转轴12和送料旋转轴701形成的两层旋转轴同步按相同角速度旋转时，圆棒耗材1701通过第一单偏心通道18、再经过基座单偏心通道2101和第二单偏心通道2501直接通过摩擦挤压轴肩与基板表面接触产生摩擦加热，此时可实现轴肩辅助摩擦堆焊增材制造工艺过程，圆棒耗材在主轴头内部没有经历摩擦挤压作用。当带偏心通道的送料旋转轴701保持静止、只有主轴中空旋转轴进行旋转时，圆棒耗材在插入偏心通道时是静止不旋转的；此时圆棒耗材通过第一单偏心通道18首先与主轴中空旋转轴内部形成的摩擦挤压空腔相接触，在此产生摩擦挤压作用使得圆棒耗材发生软化，然后通过摩擦挤压将被软化材料再挤压进入基座单偏心通道2101和摩擦挤压轴肩的第二单偏心通道2501中、并在轴肩摩擦挤压作用下沉积到基板表面形成增材层。由于圆棒耗材在插入送料偏心通道时是不旋转的，因而采用类似辊压轮送丝机构很容易实现圆棒耗材的连续送料过程。这是本发明主轴系统通过主轴头内部的连续摩擦挤压作用，可实现圆棒耗材从静止不旋转到动态旋转连续过渡的另一个关键技术特征。当圆棒耗材静止不旋转只受到轴向压力作用而上下移动时，采用类似焊接送丝设备的成对辊压轮机构可实现圆棒耗材的连续送料过程。其中圆棒耗材的送料速度与焊接横向移动速度之间应具有以下关系：

V_F/V_T＝2W×t/(π×d²)

其中；V_F(mm/sec)为送料速度；V_T(mm/sec)为焊接横向移动速度；W(mm)为单道单层增材宽度；t(mm)为单道单层增材厚度；d(mm)为送料圆棒直径。

本发明主轴系统可实现多种形式固相摩擦挤压增材工艺，其工作过程是由伺服电机通过同步带驱动主轴同步轮9带动主轴中空旋转轴12及安装基座1301和单偏心通道摩擦挤压轴肩1401同时高速旋转运动，其次是带偏心通道的送料旋转轴701保持静止通过第一单偏心通道18在轴向压力推动下圆棒耗材1701进入安装基座1301的基座圆形凹槽2201中经历摩擦挤压形成软化塑性流动材料，再通过基安装基座1301的基座单偏心通道2101和单偏心通道摩擦挤压轴肩1401的第二单偏心通道2501挤压向基板表面，在单偏心通道摩擦挤压轴肩1401共同作用下形成增材层，实现固相摩擦加增材制造工艺的全部操作过程。

本发明主轴系统具有整体结构刚度大、摩擦挤压增材制造过程可靠稳定、摩擦挤压增材寿命长等突出优势，是建造固相摩擦挤压增材制造设备关键主轴系统。采用该主轴系统的摩擦挤压增材制造工艺参数范围为：主轴旋转速度在100-1000rpm、圆棒耗材轴向顶锻压力在5-100kN、焊接横向移动速度在30-400mm/min范围、单道单层增材厚度为1-4mm范围及增材宽度为20-40mm范围。针对不同的铝镁合金圆棒耗材可在上述增材工艺范围内获得优化的增材工艺参数，获得完全致密具有细小等轴晶组织特征的增材构件。

如采用6061铝合金棒料直径为20mm的在同种铝合金板表面进行摩擦挤压增材制造，在400rpm主轴转速及18kN顶锻压力及300mm/min焊接横向移动速度下，可获得厚度为4mm、宽度约为35mm单道单层增材。重复上述工艺参数可获得单道多层或多道多层增材构件。

如采用5083铝合金棒料直径为20mm的在同种铝合金板表面进行摩擦挤压增材制造，在600rpm主轴转速及16kN顶锻压力及150mm/min焊接横向移动速度下，可获得厚度为3mm、宽度约为32mm单道单层增材。重复上述工艺参数可获得单道多层或多道多层增材构件。

实施例2

如图3和图4(b)所示，实施例2示出一种带双偏心通道的固相摩擦挤压主轴系统，与实施例1类似的内容不再赘述，以下只描述不同的地方。所述主轴系统包括送料旋转轴702；如图5(c)和5(d)所示，所述送料旋转轴702内设置有第一双偏心通道19用于放置圆棒耗材1702。在所述主轴中空旋转轴12的底部刚性连接一安装基座1302，所述安装基座1302底部刚性连接一双偏心通道摩擦挤压轴肩1402。

所述送料旋转轴702决定了圆棒耗材1702的装料数量和整体主轴系统的外观尺寸，所述送料旋转轴702的长度是600mm，直径40mm，第一双偏心通道19中每个通道直径为10mm、对应的每个圆棒耗材直径为10mm，所述送料旋转轴702与所述第一双偏心通道19的偏心距为7mm、选择范围为6-10mm。

如图7所示，所述安装基座1302为一体加工而成的法兰轴承，包括基座本体1303、基座凸台23、基座圆形凹槽2202、基座双偏心通道2102和第二法兰盘20，所述基座本体1303的一端设置有向外延伸的所述第二法兰盘20，沿所述基座本体1303的轴心开有所述基座圆形凹槽2202，沿所述基座本体1303轴向偏心的开有贯通的所述基座双偏心通道2102，所述基座本体1303远离第二法兰盘20的另一端部设置有所述基座凸台23。

如图9所示，双偏心通道摩擦挤压轴肩1402为一体加工而成，包括轴肩本体1403、第三法兰盘24、摩擦挤压轴肩凹槽26和第二双偏心通道2502；其中所述轴肩本体1403的一端设置有向外延伸的所述第三法兰盘24，沿所述轴肩本体1403轴向偏心的开有贯通的所述第二双偏心通道2502。在所述第三法兰盘24的上端面开有摩擦挤压轴肩凹槽26，所述摩擦挤压轴肩凹槽26的尺寸与所述基座凸台23的轮廓适配，用于将所述安装基座1302的基座凸台23压入第三法兰盘24上的摩擦挤压轴肩凹槽26从而将所述双偏心通道摩擦挤压轴肩1402和所述安装基座1301刚性连接；所述第二单偏心通道2502内轮廓与所述圆棒耗材1702适配用于放置所述圆棒耗材1702，且第一双偏心通道19和第二双偏心通道2502位置对应，用于使圆棒耗材1702通过第一双偏心通道19和第二双偏心通道2502进入双偏心通道摩擦挤压轴肩1402。

以上各实施例和具体案例仅用以说明本发明的技术方案，而非是对其的限制，尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，本领域技术人员根据本说明书内容所做出的非本质改进和调整或者替换，均属本发明所要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种固相摩擦挤压增材制造主轴系统，包括主轴外壳体(10)和固设在其底部的第一固定法兰(11)，其特征在于，所述主轴外壳体(10)内从外向内同轴的套设有主轴中空旋转轴(12)和送料旋转轴(7,701,702)；所述主轴中空旋转轴(12)的底部刚性连接一同轴设置的安装基座(1301,1302)，所述安装基座(1301,1302)底部刚性连接一带偏心通道的摩擦挤压轴肩(1401,1402)；所述送料旋转轴(7,701,702)内设置有第一偏心通道用于放置圆棒耗材(2,6,1701,1702)，且所述送料旋转轴(7,701,702)的两端伸出所述主轴外壳体(10)的两端；所述送料旋转轴(7,701,702)靠近所述安装基座(1301,1302)的一端具有一个向所述安装基座延伸的摩擦凸出部703，所述摩擦凸出部插入所述安装基座中；

其中，所述送料旋转轴(7,701,702)通过第二承载轴承(16)及送料旋转轴固定套(8)与主轴中空旋转轴(12)刚性连接；所述主轴中空旋转轴(12)通过第一承载轴承(15)及支撑钢套(1501)与主轴外壳体(10)及第一固定法兰(11)刚性连接，所述送料旋转轴(7,701,702)和主轴中空旋转轴(12)形成双层独立旋转轴结构形式；

所述第二承载轴承(16)设置在所述主轴中空旋转轴(12)与所述送料旋转轴(7,701,702)之间，所述第一承载轴承(15)设置在所述主轴外壳体(10)与主轴中空旋转轴(12)之间。

2.根据权利要求1所述的固相摩擦挤压增材制造主轴系统，其特征在于，所述安装基座(1301,1302)包括基座本体(1303)、基座凸台(23)、基座圆形凹槽(2201)、基座偏心通道和第二法兰盘(20)，所述基座本体(1303)的一端设置有向外延伸的所述第二法兰盘(20)，沿所述基座本体(1303)的轴心开有所述基座圆形凹槽(2201,2202)，沿所述基座本体(1303)轴向偏心的开有贯通的所述基座偏心通道，所述基座本体(1303)远离第二法兰盘(20)的另一端部设置有所述基座凸台(23)；所述基座圆形凹槽(2201,2202)用于插入所述送料旋转轴(7,701,702)的摩擦凸出部(703)，且所述送料旋转轴(7,701,702)的摩擦凸出部(703)与所述基座圆形凹槽(2201,2202)的侧壁与底面均保持小于1mm的间隙，从而在主轴中空旋转轴(12)内部形成摩擦挤压空腔。

3.根据权利要求2所述的固相摩擦挤压增材制造主轴系统，其特征在于，所述摩擦挤压轴肩(1401,1402)包括轴肩本体(1403)、第三法兰盘(24)、摩擦挤压轴肩凹槽(26)和第二偏心通道(2501,2502)；其中所述轴肩本体(1403)的一端设置有向外延伸的所述第三法兰盘24，沿所述轴肩本体(1403)轴向偏心的开有贯通的所述第二偏心通道(2501,2502)，在所述第三法兰盘(24)的上端面开有摩擦挤压轴肩凹槽(26)，所述摩擦挤压轴肩凹槽(26)的尺寸与所述基座凸台(23)的轮廓适配，用于将所述安装基座(1301,1302)的基座凸台(23)压入第三法兰盘(24)上的摩擦挤压轴肩凹槽(26)从而将所述单偏心通道摩擦挤压轴肩(1401,1402)和所述安装基座(1301,1302)刚性连接。

4.根据权利要求3所述的固相摩擦挤压增材制造主轴系统，其特征在于，所述第一偏心通道和所述第二偏心通道结构相同且位置对应，所述第一偏心通道和所述第二偏心通道为单偏心通道或双偏心通道。

5.根据权利要求4所述的固相摩擦挤压增材制造主轴系统，其特征在于，所述第一偏心通道和所述第二偏心通道的内轮廓与所述圆棒耗材(2,6,1701,1702)适配。

6.根据权利要求1所述的固相摩擦挤压增材制造主轴系统，其特征在于，所述主轴中空旋转轴(12)的长度小于所述送料旋转轴(7,701,702)的长度，保证所述送料旋转轴(7,701,702)的摩擦凸出部(703)凸出主轴中空旋转轴(12)至少40mm以上。

7.根据权利要求1所述的固相摩擦挤压增材制造主轴系统，其特征在于，当所述第一单偏心通道为单通道时，所述送料旋转轴(701)与所述第一单偏心通道(18)的偏心距在1-5mm范围内；当所述第一单偏心通道为双通道时，所述送料旋转轴(702)与所述第一双偏心通道(19)的偏心距在6-10mm范围内。

Images