CN114523189A - 一种棒料搅拌摩擦增材制造装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种棒料搅拌摩擦增材制造装置及方法，包括框架；搅拌摩擦组件包括传动机构、中空转轴机构和锻压套，中空转轴机构内设置有贯穿的轴孔，传动机构和中空转轴机构安装在框架上，传动机构驱动中空转轴机构相对框架旋转，中空转轴机构伸出框架的一端连接锻压套；供料组件包括顶杆机构和装料机构，顶杆机构相对中空转轴机构安装于框架上，装料机构设置于顶杆机构与中空转轴机构之间，装料机构上设置有贯穿的出料口，装料机构包括对应出料口设置的推料部，顶杆机构、出料口和轴孔同轴设置。本发明以棒料作为增材介质，塑化快、塑化后的材料易于控制，且实现了棒料的持续供料，操作简便、可靠性高，增材效率高、效果好。

Description

一种棒料搅拌摩擦增材制造装置及方法

技术领域

本发明涉及摩擦增材技术领域，尤其是指一种棒料搅拌摩擦增材制造装置及方法。

背景技术

增材制造技术是利用连续的分层打印和自下而上的层层堆叠，最终形成三维实体的技术，相对于传统的车铣刨磨等减材加工技术，具有减少材料浪费、缩短加工工序、提高加工效率等优点，并且增材获得的金属零件具有更好的机械性能，因此金属增材制造技术具有广阔的应用前景，是智能制造领域的关键技术之一。

搅拌摩擦沉积增材(additive friction stir deposition,AFSD)制造技术是基于搅拌摩擦焊接技术发展而来的一种新兴金属增材技术，该技术的工作原理是金属棒料或粉末通过旋转的中空主轴内部输送到基板表面，金属棒料或粉末与基板发生剧烈摩擦，产生摩擦热，摩擦热将金属材料进行塑性软化，塑化材料在轴肩的锻压力作用下与基板结合形成第一层沉积层，随着空心轴的移动，在初始层上不断添加后续层，最终形成三维实体零件。与基于熔覆的金属增材制造技术相比，搅拌摩擦沉积增材技术由于是固相沉积，摩擦热量未达到材料熔点，材料无孔隙、收缩、稀释、元素偏析、热裂纹等熔化和凝固缺陷，并且增材效率高，残余应力小，零件致密度均匀性好。该技术可用于制造金属涂层、零件修复以及制造用于航空航天、医学、军事等领域的功能梯度材料。

搅拌摩擦沉积增材技术的供给材料可为丝材、粉材和棒料等，丝材不能与基板充分摩擦，产生的摩擦热量较少，材料不能充分塑化，常出现沉积层不连续等缺陷，粉材在主轴旋转时，不易控制其沉积方向，沉积层厚度不均匀，同时容易堵塞出料口。

公开号为CN112496522A的发明专利文件公开了一种以丝材为进料的搅拌摩擦增材装置和增材制造方法，该方法通过送丝机将丝材送入中空主轴腔体内部，通过挤压件将丝材挤压为棒状丝材，棒状丝材随搅拌头旋转，并与基板摩擦产生热量，塑化后沉积在基板上，但是棒状丝材与棒料相比致密度很差，塑化后形成的沉积层也无法均匀连续。

公开号为CN113118612A的发明专利申请文件公开了一种以颗粒物为进料的搅拌摩擦增材装置和方法，该装置包含有剪丝机构，将丝材裁剪为颗粒物输入旋转的中空主轴中，裁剪后的颗粒物在主轴腔体内的流动方向无法控制，无法按照理想状态由螺旋槽流出，沉积在基板表面，同时颗粒物不能与基板进行充分摩擦，无法获得充分的塑化热量，材料塑化程度不足。

以金属棒料作为供给材料时，高速旋转的棒料与基板摩擦能够产生大量的热量，足以将金属材料塑化，同时塑化后的材料更易控制，成型效果更好。但是金属棒料相对于丝材和粉材，不易实现上料，无法实现自动化的连续供给，这将造成增材过程不连续，沉积层层间分层等问题，严重制约搅拌摩擦沉积增材的增材效率和增材质量。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中棒料无法实现自动化连续供给的缺陷，设计一种棒料连续自动化供给的搅拌摩擦增加制造装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种棒料搅拌摩擦增材制造装置，包括：

框架；

搅拌摩擦组件，所述搅拌摩擦组件包括传动机构、中空转轴机构和锻压套，所述中空转轴机构内设置有贯穿的轴孔，所述传动机构和中空转轴机构安装在所述框架上，所述传动机构驱动所述中空转轴机构相对所述框架旋转，所述中空转轴机构伸出所述框架的一端连接所述锻压套；

供料组件，所述供料组件包括顶杆机构和装料机构，所述顶杆机构相对所述中空转轴机构安装于所述框架上，所述装料机构设置于所述顶杆机构与中空转轴机构之间，所述装料机构上设置有贯穿的出料口，所述装料机构包括对应所述出料口设置的推料部，所述顶杆机构、出料口和轴孔同轴设置。

在本发明的一个实施例中，所述中空转轴机构包括壳体和中空芯轴，所述轴孔贯穿所述中空芯轴，所述壳体与所述框架固定连接，所述中空芯轴通过第一轴承与所述壳体转动连接，所述传动机构驱动所述中空芯轴旋转。

在本发明的一个实施例中，所述第一轴承分别设置于所述中空芯轴两端，两所述第一轴承之间的中空轴心和壳体上分别连接有内环和外环，两所述轴承外侧分别罩设有上端盖和下端盖。

在本发明的一个实施例中，所述轴孔为锥度孔，所述轴孔靠近所述装料机构一端的尺寸大于所述轴孔连接所述锻压套一端的尺寸。

在本发明的一个实施例中，所述传动机构包括电机，所述电机安装于所述框架上，所述电机的输出轴上依次连接有大带轮和挡圈，所述中空转轴机构连接有小带轮，所述大带轮通过同步带连接所述小带轮。

在本发明的一个实施例中，所述顶杆机构包括电缸和伸缩式顶杆，所述伸缩式顶杆通过顶杆连接套与所述电缸相连，所述顶杆连接套内两端设置有推力球轴承，所述伸缩式顶杆通过所述推力球轴承连接所述顶杆连接套。

在本发明的一个实施例中，所述伸缩式顶杆的头部为球头状。

在本发明的一个实施例中，所述装料机构包括料盒，所述装料机构包括料盒，所述料盒内设置有料道，所述出料口和推料部分别设置于所述料道两端，所述推料部包括第一弹性体，所述第一弹性体与所述料道末端相接。

在本发明的一个实施例中，所述料道为环道，所述出料口对应所述料盒的中线设置。

在本发明的一个实施例中，所述锻压套一端与所述中空转轴机构相连，另一端设置有涡状螺旋凸起，所述锻压套中心贯通有锻压孔，所述锻压孔对应所述轴孔设置。

在本发明的一个实施例中，所述中空转轴机构靠近所述装料机构的一端连接有夹持机构，所述夹持机构包括支撑盘、支撑座、支撑架、滚轮和第二弹性件，所述支撑盘与所述中空转轴机构转动连接，所述支撑座相对安装在所述支撑盘上，所述滚轮通过支撑架与所述支撑座相连，所述第二弹性件安装于所述支撑座与支撑架之间推动两只滚轮相互夹紧。

一种增材制造方法，采用上述的棒料搅拌摩擦增材制造装置，包括如下步骤：

在装料机构内装满棒料后安装在框架上，调整顶杆机构、出料口和轴孔同轴对正；

启动顶杆机构将位于出料口的棒料顶入中空转轴机构；

启动传动机构，带动中空转轴机构和棒料旋转；

顶杆机构持续推顶棒料，使得棒料与基板摩擦塑化在锻压套的作用下形成沉积层；

当一根棒料沉积结束后，顶杆机构收回，调整轴孔和出料口同轴对正，推料部将下一根棒料推至出料口；

再次启动顶杆机构、传动机构，重复进行棒料沉积，实现连续增材制造。

在本发明的一个实施例中，轴孔为锥度孔，则包括如下步骤：

在装料机构内装满棒料后安装在框架上，调整顶杆机构、出料口和轴孔同轴；

启动传动机构，使中空转轴机构持续旋转；

启动顶杆机构，将位于出料口的棒料顶入中空转轴机构，棒料脱离装料机构后接触轴孔内壁，随中空转轴机构一同旋转；

当一根棒料消耗完后，顶杆机构收回，推料部将下一根棒料推至出料口；

再次启动顶杆机构，重复进行棒料沉积，实现连续增材制造。

在本发明的一个实施例中，中空转轴机构靠近装料机构的一端转动连接有夹持机构，则包括如下步骤：

在装料机构内装满棒料后安装在框架上，调整顶杆机构、出料口和轴孔同轴；

启动传动机构，使中空转轴机构持续旋转；

启动顶杆机构，将位于出料口的棒料顶入夹持机构，棒料脱离装料机构后接触轴孔内壁，随中空转轴机构一同旋转；

当一根棒料消耗完后，顶杆机构收回，推料部将下一根棒料推至出料口；

再次启动顶杆机构，重复进行棒料沉积，实现连续增材制造。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的增材制造装置及方法，适用范围广，可实现对不同强度的各型金属材料的搅拌摩擦沉积增材制造；

采用

棒料作为增材介质，增材效率高、零件成型质量好，无残余应力、孔隙等熔化凝固缺陷；

棒料与基板摩擦能够产生足够的热量，快速塑化金属棒料，并且棒材塑化后形成的塑化材料更易控制，不会阻塞出料口；

在轴孔为锥度孔和/或设置夹持机构的基础上，实现了在主轴不停机的情况下，棒材的连续送料，提高了增材效率，降低了增材缺陷产生的几率。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1为本发明的增材制造装置总体结构示意图；

图2为本发明的传动机构示意图；

图3为本发明的顶杆机构示意图；

图4为本发明的装料机构内部结构透视图；

图5为本发明的夹持机构示意图；

图6为本发明的中空转轴机构剖视图；

图7为本发明的锻压套仰视图；

图8为本发明的中空芯轴线架图。

说明书附图标记说明：1、增材区；101、基板；102、第一沉积层；103、第二沉积层；

2、框架；

3、传动机构；301、大带轮；302、电机；303、小带轮；304、同步带；305、挡圈；

4、顶杆机构；401、电缸；402、推力球轴承；403、伸缩式顶杆；404、顶杆连接套；405、球头；

5、装料机构；501、棒料；502、料盒；503、第一弹性件；

6、夹持机构；601、支撑盘；602、支撑座；603、支撑架；604、滚轮；605、第二弹性件；

7、中空转轴机构；701、第一轴承；702、平键；703、壳体；704、中空芯轴；70401、大方孔；70402、小方孔；705、定位块；707、内环；708、外环；709、上端盖；710、下端盖；

8、锻压套；801、定位槽；802、涡状螺旋凸起；803、锻压孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参照图1-图8所示，本发明的一种棒料501搅拌摩擦增材制造装置，包括：

框架2；框架2用于将各部分集成在一起，方便与机床相连，机床控制增材制造装置与基板101之间的距离及其横向移动。

搅拌摩擦组件，所述搅拌摩擦组件包括传动机构3、中空转轴机构7和锻压套8，所述中空转轴机构7内设置有贯穿的轴孔，所述传动机构3和中空转轴机构7安装在所述框架2上，所述传动机构3驱动所述中空转轴机构7相对所述框架2旋转，所述中空转轴机构7伸出所述框架2的一端连接所述锻压套8；棒料501插入轴孔中，中空转轴机构7受传动机构3驱动旋转，带动棒料501旋转，实现棒料501与基板101摩擦塑化，塑化的材料在锻压套8的锻压、约束、搅拌作用下均匀沉积在基板101上，从而实现搅拌摩擦增材制造，机床带动框架2横移，实现材料的铺展，满足制造需求。

为实现棒料501的连续供应，本发明的实施例还包括供料组件。具体的，所述供料组件包括顶杆机构4和装料机构5，所述顶杆机构4相对所述中空转轴机构7安装于所述框架2上，所述装料机构5设置于所述顶杆机构4与中空转轴机构7之间，所述装料机构5上设置有贯穿的出料口，所述装料机构5包括对应所述出料口设置的推料部，所述顶杆机构4、出料口和轴孔同轴设置。装料机构5装满棒料501，顶杆机构4伸出，将与其同轴设置的出料口处的棒料501顶出，插入同样同轴设置的轴孔内，此时由于顶杆机构4穿过出料口，因此无新的棒料501进入出料口。顶杆机构4持续推挤棒料501穿过轴孔接触基板101，中空转轴机构7带动轴孔中的棒料501一同旋转，实现搅拌摩擦增材制造。一根棒料501加工结束后，顶杆机构4收回，出料口空出，推料部将下一根棒料501推至出料口，而后顶杆机构4再次伸出将出料口的棒料501推入轴孔，继续进行增材制造。

本发明以棒料501作为增材介质，塑化快、塑化后的材料易于控制，且实现了棒料501的持续供料，操作简便、可靠性高，增材效率高、效果好。

参照图6所示，在本发明的一个实施例中，为保证中空转轴机构7与框架2连接稳定的同时能够实现旋转，所述中空转轴机构7设置为包括壳体703和中空芯轴704，所述轴孔贯穿所述中空芯轴704，所述壳体703与所述框架2固定连接，所述中空芯轴704通过第一轴承701与所述壳体703转动连接，所述传动机构3驱动所述中空芯轴704旋转。由于第一轴承701的设置，中空芯轴704能够相对壳体703转动，壳体703方便与框架2相连，不影响中空芯轴704的转动。由于中空芯轴704旋转，同时棒料501在中空芯轴704内下压与基板101摩擦，因此中空芯轴704同时承受径向负荷和轴向负荷，故本实施例中第一轴承701优选角接触球轴承。进一步的，所述第一轴承701分别设置于所述中空芯轴704两端，再次提高中空芯轴704运动时的稳定性。由于两第一轴承701位于壳体703和中空芯轴704之间，因此壳体703和中空芯轴704在两个轴承之间形成空腔，影响了中空转轴机构7的强度，因此在两所述轴承之间的中空轴心和壳体703上分别连接有内环707和外环708，以增强中空转轴机构7的强度。更进一步的，为实现对第一轴承701的密封，两所述轴承外侧分别罩设有上端盖709和下端盖710。防止外界粉尘等进入第一轴承701，影响第一轴承701的工作效果。当然，在本发明的其他实施例中，中空转轴机构7也可以直接通过轴承与框架2相连，但此种结构可能不够稳定。

参照图8所示，工作时，为提高工作效率，中空转轴机构7持续旋转，顶杆机构4在中空转轴机构7旋转的过程中将棒料501从出料口顶出插入轴孔，由于棒料501需要随中空转轴机构7旋转，因此棒料501通常为多边形结构，若棒料501一端插入轴孔而另一端仍位于装料机构5内时，棒料501一端随中空转轴机构7旋转，另一端无法旋转，则容易损坏制造装置或损伤棒料501。在本发明的一实施例中，所述轴孔为锥度孔，所述轴孔靠近所述装料机构5一端的尺寸大于所述轴孔连接所述锻压套8一端的尺寸。具体的，以棒料501截面为方形为例，轴孔靠近装料机构5的一端为大方孔70401，大方孔70401的内接圆直径大于方形棒料501的外接圆直径，可以保证中空芯轴704旋转时，方形棒料501进入轴孔中。轴孔靠近锻压套8的一端为小方孔70402，小方孔70402的尺寸略大于方形棒料501的尺寸，保证方形棒料501能够从轴孔中穿过的同时确保棒料501随中空转轴机构7旋转时不会产生晃动。本实施例中，方形棒料501的尺寸为10mm×10mm，大方孔70401的尺寸为15mm×15mm，小方孔70402的尺寸为10.5mm×10.5mm。

参照图2所示，在本发明的一实施例中，为实现传动机构3驱动中空转轴机构7旋转，所述传动机构3包括电机302，所述电机302安装于所述框架2上，所述电机302的输出轴上依次连接有大带轮301和挡圈305，所述中空转轴机构7连接有小带轮303，所述大带轮301通过同步带304连接所述小带轮303。传动机构3立式布置，方便在框架2内安装。大带轮301和电机302通过平键702传动，挡圈305安装在电机302的输出轴端部，防止大带轮301从输出轴上脱出。小带轮303与中空转轴机构7固定连接，具体的，由于中空转轴机构7包括壳体703和中空芯轴704，壳体703与框架2固定连接，中空芯轴704转动，因此小带轮303通过平键702与中空芯轴704传动，小带轮303下端面靠止在中空芯轴704的轴肩处，保证连接的稳定。电机302启动，大带轮301旋转，通过同步带304带动小带轮303旋转，与小带轮303相连的中空芯轴704转动，带动其轴孔内的棒料501旋转，与基材产生摩擦，实现增材制造。在本发明的其他实施例中，传动机构3还可以为链条传动、蜗轮蜗杆传动等其他传动方式。

参照图3所示，在本发明的一实施例中，所述顶杆机构4包括电缸401和伸缩式顶杆403，所述伸缩式顶杆403通过顶杆连接套404与所述电缸401相连，所述顶杆连接套404内两端设置有推力球轴承402，所述伸缩式顶杆403通过所述推力球轴承402连接所述顶杆连接套404。当伸缩式顶杆403发生轻微偏转时，电缸401伸出轴不受影响，依然能够传递向下的推力。同时两个推力球轴承402能够保证伸缩式顶杆403下行时无径向窜动。电缸401的伸出轴端部有螺纹，可旋入顶杆连接套404的上端盖709，伸出轴进给速率可调。电缸401连接有压力传感器，可以检测增材过程中伸缩式顶杆403施加在棒料501上的锻压力。进一步的，伸缩式顶杆403的头部设置为球头405状。从而伸缩式顶杆403与棒料501之间为点面接触，充分减小棒料501旋转时伸缩式顶杆403与棒料501接触面之间的摩擦力。

参照图4所示，为实现棒料501的持续推出，所述装料机构5包括料盒502，料盒502内盛装有多根棒料501，所述料盒502内设置有料道，所述出料口和推料部分别设置于所述料道两端，所述推料部包括第一弹性体503，所述第一弹性体503与所述料道末端相接。第一弹性件的压缩力和长度满足将料盒502中最后一根棒料推至出料口，出料口与棒料501过渡配合，棒料501与出料口侧壁之间的摩擦能够防止棒料501从出料口自由掉落。当轴孔内的棒料501消耗完，顶杆机构4缩回，出料口位置空出，料盒中的棒料501沿料道向出料口位置挤入，进入出料口，进而被顶杆机构4推入轴孔。进一步的，为了承载更多的棒料501，同时保证料盒502与框架2连接的稳定，以及顶杆机构4、出料口和轴孔的同轴，所述料道为环道，所述出料口对应所述料盒502的中线设置。

参照图7所示，在本发明的一实施例中，棒料501穿过中空转轴机构7和锻压套8，中空转轴机构7带动锻压套8和棒料501旋转，棒料501与基板101进行摩擦，摩擦热量将棒料501塑化，为提高塑化材料的均匀性，所述锻压套8一端与所述中空转轴机构7相连，另一端设置有涡状螺旋凸起802，通过涡状螺旋凸起802的锻压、约束、搅拌作用，提高塑化材料铺展的均匀性，形成厚度均匀的沉积层。同时，棒料501与基材摩擦塑化后，增材装置在机床的驱动下横向进给，将塑化后的材料均匀铺展在基板101上，形成第一沉积层102。而后棒料501与第一沉积层102摩擦塑化，同时涡状螺旋凸起802扎入第一沉积层102，对第一沉积层102进行搅拌，塑料材料与经搅拌后的第一沉积层102粘接，随着机床对中空转轴机构7的横向进给，形成第二沉积层103，如此重复，保证沉积效果好。

所述锻压套8中心贯通有锻压孔803，为确保棒料501在增材制造过程中的稳定，所述锻压孔803对应所述轴孔设置。具体的，以棒料501为方形棒料501为例，锻压孔803和轴孔均为方孔，两方孔对正，且尺寸相同。为实现两方孔的对正，锻压套8上设置有定位槽801，定位槽801与中空转轴机构7，具体的，中空芯轴704上的定位块705匹配。进一步的，在轴孔为锥度孔的情况下，锻压孔803的尺寸与小方孔70402的尺寸相同。

参照图5所示，在本发明的一实施例中，在棒料501脱离装料机构5进入中空转轴机构7一同旋转时，为保证棒料501的稳定，所述中空转轴机构7靠近所述装料机构5的一端连接有夹持机构6。所述夹持机构6包括支撑盘601、支撑座602、支撑架603、滚轮604和第二弹性件605，所述支撑盘601与所述中空转轴机构7转动连接，所述支撑座602相对安装在所述支撑盘601上，所述滚轮604通过支撑架603与所述支撑座602相连，所述第二弹性件605安装于所述支撑座602与支撑架603之间推动两只滚轮604相互夹紧。工作时，顶杆机构4将出料口的棒料501顶出，棒料501下端插入两个滚轮604之间，第二弹性件605推动支撑架603远离支撑座602，使得两支撑架603相互靠近，从而将棒料501夹持在两滚轮604之间。为保证滚轮604对棒料501的夹紧，滚轮604之间的间隙小于棒料501截面尺寸。随着顶杆机构4继续下压棒料501，滚轮604转动，滚轮604与棒料501之间摩擦力小，不会影响棒料501的移动。工作时，传动机构3持续带动中空转轴机构7旋转，此时夹持机构6随中空转轴机构7一同旋转，顶杆机构4启动，将出料口的棒料501顶出棒料501下端首先插入两滚轮604之间。即使棒料501与滚轮604接触时两者不对正，由于滚轮604表面为弧面，且夹持机构6旋转，因此棒料501能够顺利被滚轮604夹持。此时棒料501一端位于装料机构5，具体的，料盒502内，另一端被滚轮604夹持，由于棒料501在料盒502内不能旋转，因此夹持机构6此时相对料盒502静止，而中空转轴机构7依然旋转，即中空芯轴704相对夹持机构6旋转。当棒料501上端脱离料盒502，棒料501上端与顶杆机构4接触，下端被夹持机构6夹持，因此棒料501的位置能够保持稳定。同时由于棒料501与顶杆机构4之间的摩擦力小，因此夹持机构6再次随中空转轴机构7旋转，随着定杆的继续下压，棒料501被推入轴孔内。当轴孔为锥度孔，棒料501能够顺利插入轴孔。当轴孔上下尺寸一致，由于夹持机构6能够相对中空转轴机构7旋转，当中空转轴机构7转至与棒料501匹配，棒料501能够顺利插入轴孔。

本发明还提供一种增材制造方法，采用上述的棒料501搅拌摩擦增材制造装置，增材制造装置组装在三轴数控机床上，具体的，框架2安装在三轴数控机床上，框架2相对于增材区1可实现X/Y/Z三个方向的移动，移动速率和步进精度由数控机床本身参数决定，具体包括如下步骤：

在装料机构5内装满棒料501后安装在框架2上，调整顶杆机构4、出料口和轴孔同轴对正；保证棒料501能够插入轴孔内。机床驱动中空转轴机构7移动至基板101正上方10mm处。

为确保中空转轴机构7能够带动棒料501旋转，且棒料501不会在旋转过程中产生晃动，轴孔的尺寸与棒料501尺寸相当，故此时先启动顶杆机构4将位于出料口的棒料501顶入中空转轴机构7的轴孔内。具体的，启动电缸401，电缸401伸出轴以预设的进给速率向下移动，伸缩式顶杆403与盒式装料装置中出料口的棒材接触，推动棒材向下移动，此时棒料501不旋转。

随着伸缩式顶杆403继续伸出，棒料501脱离装料机构5，伸缩式顶杆403占据送料口位置，料盒502中的金属棒料501不能补充至送料口。此时装料机构5不会限制棒料501的旋转，启动传动机构3，带动中空转轴机构7和棒料501旋转。同时机床驱动中空转轴机构7到达基板101上方2mm处。

顶杆机构4持续推顶棒料501，使得棒料501与基板101摩擦塑化，在锻压套8的作用下沉积在基板101上。机床驱动中空转轴机构7横向进给，使得塑化后的材料在基板101上形成沉积层。

当一根棒料501沉积结束后，顶杆机构4收回，退回至装料机构5上方，调整轴孔和出料口同轴对正，此时由于伸缩式顶杆403离开出料口，出料口空出，因此推料部能够将下一根棒料501推至出料口。顶杆机构4的回抽速度快，尽量减少两根棒材之间的衔接时间。

再次启动顶杆机构4、传动机构3，重复进行棒料501沉积，实现连续增材制造。

在本发明的一实施例中，为进一步提高工作效率，轴孔设置为锥度孔，锥度孔上端的尺寸大于下端的尺寸。此时当棒料501刚插入轴孔时，棒料501未接触轴孔的内壁，棒料501不随中空转轴机构7旋转。因此与上述制造方法不同之处在于：调整顶杆机构4、出料口和轴孔同轴，无需确保轴孔与出料口对正。先启动传动机构3，使其持续旋转；顶杆机构4同时或随后启动，将位于出料口的棒料501顶入中空转轴机构7，棒料501脱离装料机构5后随中空转轴机构7一同旋转；当一根棒料501消耗完后，传动机构3持续驱动中空转轴机构7旋转，顶杆机构4重复顶出出料口的棒料501，实现连续增材制造。

在本发明的另一实施例中，为进一步提高工作效率，中空转轴机构7转动连接有夹持机构6，此时即使轴孔与出料口部对正，也可以通过夹持机构6与中空转轴机构7的相对转动实现将棒料501插入轴孔。因此与上述制造方法不同之处在于：调整顶杆机构4、出料口和轴孔同轴，无需确保轴孔与出料口对正。先启动传动机构3，使中空转轴机构7持续旋转，在夹持机构6未夹持棒料501时，夹持机构6与中空转轴机构7同步转动；顶杆机构4同时或随后启动，将位于出料口的棒料501顶入夹持机构6，此时夹持机构6不再转动；棒料501脱离装料机构5后，夹持机构6再次随中空转轴机构7一同旋转，顶杆机构4持续将棒料501顶入中空转轴机构7；当一根棒料501消耗完后，传动机构3持续驱动中空转轴机构7旋转，顶杆机构4重复顶出出料口的棒料501，实现连续增材制造。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，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 (14)

1.一种棒料搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于，包括：

框架；

搅拌摩擦组件，所述搅拌摩擦组件包括传动机构、中空转轴机构和锻压套，所述中空转轴机构内设置有贯穿的轴孔，所述传动机构和中空转轴机构安装在所述框架上，所述传动机构驱动所述中空转轴机构相对所述框架旋转，所述中空转轴机构伸出所述框架的一端连接所述锻压套；

供料组件，所述供料组件包括顶杆机构和装料机构，所述顶杆机构相对所述中空转轴机构安装于所述框架上，所述装料机构设置于所述顶杆机构与中空转轴机构之间，所述装料机构上设置有贯穿的出料口，所述装料机构包括对应所述出料口设置的推料部，所述顶杆机构、出料口和轴孔同轴设置。

2.根据权利要求1所述的一种棒料搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于，所述中空转轴机构包括壳体和中空芯轴，所述轴孔贯穿所述中空芯轴，所述壳体与所述框架固定连接，所述中空芯轴通过第一轴承与所述壳体转动连接，所述传动机构驱动所述中空芯轴旋转。

3.根据权利要求2所述的一种棒料搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于，所述第一轴承分别设置于所述中空芯轴两端，两所述第一轴承之间的中空轴心和壳体上分别连接有内环和外环，两所述轴承外侧分别罩设有上端盖和下端盖。

4.根据权利要求1所述的一种棒料搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于，所述轴孔为锥度孔，所述轴孔靠近所述装料机构一端的尺寸大于所述轴孔连接所述锻压套一端的尺寸。

5.根据权利要求1所述的一种棒料搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于，所述传动机构包括电机，所述电机安装于所述框架上，所述电机的输出轴上依次连接有大带轮和挡圈，所述中空转轴机构连接有小带轮，所述大带轮通过同步带连接所述小带轮。

6.根据权利要求1所述的一种棒料搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于，所述顶杆机构包括电缸和伸缩式顶杆，所述伸缩式顶杆通过顶杆连接套与所述电缸相连，所述顶杆连接套内两端设置有推力球轴承，所述伸缩式顶杆通过所述推力球轴承连接所述顶杆连接套。

7.根据权利要求6所述的一种棒料搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于，所述伸缩式顶杆的头部为球头状。

8.根据权利要求1所述的一种棒料搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于，所述装料机构包括料盒，所述装料机构包括料盒，所述料盒内设置有料道，所述出料口和推料部分别设置于所述料道两端，所述推料部包括第一弹性体，所述第一弹性体与所述料道末端相接。

9.根据权利要求8所述的一种棒料搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于，所述料道为环道，所述出料口对应所述料盒的中线设置。

10.根据权利要求1所述的一种棒料搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于，所述锻压套一端与所述中空转轴机构相连，另一端设置有涡状螺旋凸起，所述锻压套中心贯通有锻压孔，所述锻压孔对应所述轴孔设置。

11.根据权利要求1所述的一种棒料搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于，所述中空转轴机构靠近所述装料机构的一端连接有夹持机构，所述夹持机构包括支撑盘、支撑座、支撑架、滚轮和第二弹性件，所述支撑盘与所述中空转轴机构转动连接，所述支撑座相对安装在所述支撑盘上，所述滚轮通过支撑架与所述支撑座相连，所述第二弹性件安装于所述支撑座与支撑架之间推动两只滚轮相互夹紧。

12.一种增材制造方法，采用如权利要求1-11任一项所述的棒料搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于，包括如下步骤：

在装料机构内装满棒料后安装在框架上，调整顶杆机构、出料口和轴孔同轴对正；

启动顶杆机构将位于出料口的棒料顶入中空转轴机构；

启动传动机构，带动中空转轴机构和棒料旋转；

顶杆机构持续推顶棒料，使得棒料与基板摩擦塑化在锻压套的作用下形成沉积层；

当一根棒料沉积结束后，顶杆机构收回，调整轴孔和出料口同轴对正，推料部将下一根棒料推至出料口；

再次启动顶杆机构、传动机构，重复进行棒料沉积，实现连续增材制造。

13.根据权利要求12所述的一种增材制造方法，其特征在于，轴孔为锥度孔，则包括如下步骤：

在装料机构内装满棒料后安装在框架上，调整顶杆机构、出料口和轴孔同轴；

启动传动机构，使中空转轴机构持续旋转；

启动顶杆机构，将位于出料口的棒料顶入中空转轴机构，棒料脱离装料机构后接触轴孔内壁，随中空转轴机构一同旋转；

当一根棒料消耗完后，顶杆机构收回，推料部将下一根棒料推至出料口；

再次启动顶杆机构，重复进行棒料沉积，实现连续增材制造。

14.根据权利要求12所述的一种增材制造方法，其特征在于，中空转轴机构靠近装料机构的一端转动连接有夹持机构，则包括如下步骤：

在装料机构内装满棒料后安装在框架上，调整顶杆机构、出料口和轴孔同轴；

启动传动机构，使中空转轴机构持续旋转；

启动顶杆机构，将位于出料口的棒料顶入夹持机构，棒料脱离装料机构后接触轴孔内壁，随中空转轴机构一同旋转；

当一根棒料消耗完后，顶杆机构收回，推料部将下一根棒料推至出料口；

再次启动顶杆机构，重复进行棒料沉积，实现连续增材制造。

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