CN114769922A - 一种搅拌摩擦复合放电增减材装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种搅拌摩擦复合放电增减材装置，包括可旋转的搅拌头，搅拌头下方设置有基板，基板上覆盖有熔覆层，碾压部，套设在搅拌头上，碾压部与搅拌头可拆卸连接，碾压部与熔覆层接触并对熔覆层进行碾压搅拌，熔覆层被碾压搅拌后形成增材层；供介质件，开设在搅拌头内，供介质件出料端与基板对应设置，供介质件内流通有第一介质或第二介质，基板通过第一介质增材，基板通过第二介质减材。本发明能够实现对利用增材获得后的表面进行碾压搅拌，去除其表面由于凹凸不平造成的影响，最终提高增材质量，同时本装置既可以对基板进行增材加工，又可以对基板进行减材加工，不需要额外更换设备，因此降低了加工成本，提高了加工效率。

Description

一种搅拌摩擦复合放电增减材装置及方法

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊接领域，特别是涉及一种搅拌摩擦复合放电增减材装置及方法。

背景技术

电火花沉积技术是表面工程技术中的一种重要工艺，它是利用电源中储存的电能，使旋转电极在接触工件瞬间产生高频火花放电，在放电区域内产生10000℃以上的高温，将作为沉积材料的电极熔化，沉积过渡到工件表面，形成合金化的表面覆盖层，形成沉积层，从而获得特殊涂层，提高工件表面性能或实现损伤零件的修复再制造等。

搅拌摩擦增材是一种新型固相增材制造技术，以搅拌摩擦焊为基础，通过搅拌头的摩擦产热和塑性变形做功，使得待增材金属与已增材金属堆积，如此反复使材料按设计要求逐层堆积，从而获得增材构件。然而现有的利用电火花增材后获得的表面容易凹凸不平，最终影响增材质量。此外，现有的增材构件仅能对基板表面进行增材操作，当需要对基材表面进行减材加工时，其增材构件并不适用于减材加工，在此基础上需要更换减材设备，从而提高了加工成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种搅拌摩擦复合放电增减材装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现对利用增材获得后的表面进行碾压搅拌，去除其表面由于凹凸不平造成的影响，最终提高增材质量，同时本装置既可以对基板进行增材加工，又可以对基板进行减材加工，不需要额外更换设备，因此降低了加工成本，提高了加工效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种搅拌摩擦复合放电增减材装置，包括可旋转的搅拌头，所述搅拌头下方设置有基板，所述基板上覆盖有熔覆层，

碾压部，套设在所述搅拌头上，所述碾压部与所述搅拌头可拆卸连接，所述碾压部与所述熔覆层接触并对所述熔覆层进行碾压搅拌，所述熔覆层被碾压搅拌后形成增材层；

供介质件，开设在所述搅拌头内，所述供介质件出料端与所述基板对应设置，所述供介质件内流通有第一介质或第二介质，所述基板通过所述第一介质增材，所述基板通过所述第二介质减材；

升温部，设置在所述搅拌头上，所述升温部通过放电或加热熔融所述第一介质或或通过放电熔融待刻蚀材料。

优选的，所述碾压部包括裙摆式轴肩，所述裙摆式轴肩为锥形结构，所述裙摆式轴肩靠近所述搅拌头进料端的直径小于所述裙摆式轴肩靠近所述搅拌头出料端的直径，所述裙摆式轴肩靠近所述搅拌头出料端的端面上开设有弧形凹槽，所述弧形凹槽与所述熔覆层对应设置。

优选的，所述搅拌头外壁固接有螺纹，所述搅拌头通过所述螺纹与所述裙摆式轴肩可拆卸连接。

优选的，所述搅拌头外套设有绝缘层，所述绝缘层位于所述搅拌头与所述裙摆式轴肩之间。

优选的，所述供介质件为介质通道，所述介质通道内为所述第一介质时，所述搅拌头对所述基板进行增材，所述介质通道内为所述第二介质时，所述搅拌头对所述增材层进行减材。

优选的，所述搅拌头靠近所述基板的一端开设有放置槽，所述升温部包括设置在所述放置槽内的电极，所述电极与所述搅拌头固接，所述搅拌头外设置有电源，所述电源的第一输出线与所述基板电性连接，所述电源的第二输出线与所述搅拌头电性连接。

优选的，所述第二输出线上连接有电刷，所述搅拌头外壁开设有电刷接触面，所述第二输出线通过所述电刷和所述电刷接触面与所述搅拌头电性连接。

一种搅拌摩擦复合放电增减材装置的使用方法，操作步骤包括：

S1、向基板表面增材：向介质通道进料端通入第一介质；

S2、获取熔覆层：启动电源，对第一介质进行升温，第一介质熔化并覆盖在基板表面；

S3、获取增材层：驱动搅拌头带动碾压部旋转，碾压部对碾压部与熔覆层接触处进行碾压搅拌，碾压搅拌完毕后，获取最终增材层。

优选的，步骤S1中，向介质通道进料端通入第二介质，随后启动电源对增材层进行升温，第二介质对增材层表面进行降温并蚀除增材层表面材料。

本发明公开了以下技术效果：

1.本技术方案中的碾压部相对于现有技术存在不同，使其在搅拌摩擦焊接过程中可对熔覆层进行碾压搅拌，通过对增材表面凹凸不平的形貌进一步碾压搅拌消除缺陷，从而提高增材质量。

2.通过更换供介质件内的介质，使得本装置既可以实现对基板的增材处理，也可以实现对基板的减材处理，其适用范围大，且其使用成本较低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为搅拌摩擦复合放电增减材装置增材状态的结构示意图；

图2为搅拌摩擦复合放电增减材装置减材状态的结构示意图；

图3为去除裙摆式轴肩时减材状态的结构示意图；

图4为搅拌头轴测剖视图；

图5为实施例2的结构示意图；

其中，1-搅拌头，2-基板，3-熔覆层，4-裙摆式轴肩，5-增材层，6-介质通道，7-第一介质，8-第二介质，9-弧形凹槽，10-螺纹，11-绝缘层，12-电极，13-电源，14-第一输出线，15-第二输出线，16-电刷，17-电刷接触面，18-工件，19-凸起，20-加热线圈，21-加热线圈第一输出线，22-加热线圈电源，23-加热线圈第二输出线。

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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-5，本发明提供一种搅拌摩擦复合放电增减材装置，包括可旋转的搅拌头1，搅拌头1下方设置有基板2，基板2上覆盖有熔覆层3，碾压部，套设在搅拌头1上，碾压部与搅拌头1可拆卸连接，碾压部与熔覆层3接触并对熔覆层3进行碾压搅拌，熔覆层3被碾压搅拌后形成增材层5；供介质件，开设在搅拌头1内，供介质件出料端与基板2对应设置，供介质件内流通有第一介质7或第二介质8，基板2通过第一介质7增材，基板2通过第二介质8减材；升温部，设置在搅拌头1上，升温部通过放电或加热熔融所述第一介质7或待刻蚀材料。通过升温部在基板2与搅拌头1之间施加脉冲电压，极间形成电场，基板2和搅拌头1之间微观表面凹凸不平，距离最近处先发生电离，形成等离子放电通道，使放电通道内温度最高可达10000℃以上，产生的热能迅速熔化甚至气化基板2材料，此时，当第一介质7通过供介质件送入放电区域，高温条件使得第一介质熔化并层积形成熔覆层3，从而完成增材处理，在此过程中，不断移动搅拌头1，使得搅拌头1与基板2的相对位置发生变化，同时碾压部碾压搅拌熔覆层3，去除其表面的凹凸不平后形成增材层5。而当更换第一介质7，使得供介质件内流通的为第二介质8时，升温部对基板2表面进行升温，对基板2表面的材料进行熔化，而第二介质8由供介质件高压高速喷塑，在冲刷和冷却作用下去除基板2表面的熔融物质，从而实现蚀除基板2表面材料的目的，从而实现减材加工。

进一步优化方案，碾压部包括裙摆式轴肩4，裙摆式轴肩4为锥形结构，裙摆式轴肩4靠近搅拌头1进料端的直径小于裙摆式轴肩4靠近搅拌头1出料端的直径，裙摆式轴肩4靠近搅拌头1出料端的端面上开设有弧形凹槽9，弧形凹槽9与熔覆层3对应设置。第一介质7熔化后覆盖在基板2表面，由于弧形凹槽9的存在，使得熔化的第一介质7位于弧形凹槽9内，在通过搅拌头1移动裙摆式轴肩4的过程中，同时弧形凹槽9对熔化的第一介质进行限定，同时使得裙摆式轴肩4的外边对熔覆层3进行碾压搅拌，从而提高增材层5的质量。

本技术方案中的裙摆式轴肩4与常规搅拌头轴肩具有较大区别，传统的搅拌头轴肩通常位于搅拌头底部、搅拌针的周围，其目的是在搅拌摩擦焊接过程中起到将轴肩下方的塑化金属驱动到搅拌针根部的作用，而本技术方案中的裙摆式轴肩4为裙式结构，且由于升温部的存在，使得裙摆式轴肩4套设在搅拌头1外壁上，并使得裙摆式轴肩4与搅拌头1可拆卸连接，该种设置一方面保证了对基板2表面的正常增材，另一方面使得裙摆式轴肩4更换较为容易，提高了加工效率，此外，裙摆式轴肩4可以根据使用需要安装或者拆卸，例如当对加工表面要求不高的零件时，裙摆式轴肩4可由搅拌头1拆卸，从而提高加工的灵活性。

进一步优化方案，搅拌头1外壁固接有螺纹10，搅拌头1通过螺纹10与裙摆式轴肩4可拆卸连接。通过搅拌头1与裙摆式轴肩4螺纹连接，从而实现裙摆式轴肩4与搅拌头1拆卸安装方便，且两者采用螺纹连接，其连接效果较好，实用性高。

进一步优化方案，搅拌头1外套设有绝缘层11，绝缘层11位于搅拌头1与裙摆式轴肩4之间。绝缘层11的存在是使得搅拌头1与裙摆式轴肩4绝缘，使得裙摆式轴肩4正常工作。

本发明的一个实施例中，绝缘层11套设在搅拌头1上，且当裙摆式轴肩4与搅拌头1螺纹连接时，使得绝缘层11被锁止固定。

本发明的一个实施例中，绝缘层11的材料采用现有材料即可。

进一步优化方案，供介质件为介质通道6，介质通道6内为第一介质7时，搅拌头1对基板2进行增材，介质通道6内为第二介质8时，搅拌头1对增材层5进行减材。当介质通道6为第二介质8时，其可以对基板2表面上的工件18进行去除，也可以根据实际使用需求对增材层5进行去除，例如，对增材层5的厚度进行打薄处理。当对基板2表面的工件18去除时，升温部对工件18进行升温，使得工件18表面熔化，通过第二介质8对熔化表面进行冲刷，去除大部分工件18表面材料，剩余材料会在工件18表面形成凹凸不平的凸起19，随后通过裙摆式轴肩4作用在工件18表面，对凸起19进行去除。

本发明的一个实施例中，第一介质7为气粉混合物，第二介质8为气液混合物。气粉混合物内含有增材所需金属，以对基板2表面进行增材处理，而第二介质8中混合有液体，将告诉高压的气液混合物喷射至工件18表面，一方面起到了对工件18表面冲刷的效果，以去除大部分材料，另一方面对工件18表面进行冷却，使得可以快速进入下一处理步骤。

本发明的一个实施例中，气粉混合物为压缩气体与增材粉体的混合物。

本发明的一个实施例中，气液混合物为压缩气体与冷却液的混合物。

进一步优化方案，搅拌头1靠近基板2的一端开设有放置槽，升温部包括设置在放置槽内的电极12，电极12与搅拌头1固接，搅拌头1外设置有电源13，电源13的第一输出线14与基板2电性连接，电源13的第二输出线15与搅拌头1电性连接。电源13供电，使得电极12与基板2之间形成电场，从而使得两者间温度升高。

本发明的一个实施例中，电极12与搅拌头1之间不应当存在间隙，以防止熔化后的材料进入两者间隙，影响搅拌头1的正常工作。

本发明的一个实施例中，电极12的端面优选与搅拌头1的端面平齐，以提高其加工效果。

进一步优化方案，升温部包括设置在搅拌头1端部的加热线圈20，加热线圈20与搅拌头1固接，搅拌头1外设置有加热线圈电源22，加热线圈电源22通过加热线圈第一输出线21和加热线圈第二输出线23与所述加热线圈20电性连接。将电极12更换为加热线圈20，通过加热线圈20提供高温，从而使得第一介质7熔化形成熔覆层3，随后在裙摆式轴肩4的碾压搅拌下形成增材层5。该种设置不需要对基板2进行通电，从而提高使用安全性。

进一步优化方案，第二输出线15上连接有电刷16，搅拌头1外壁开设有电刷接触面17，第二输出线15通过电刷16和电刷接触面17与搅拌头1电性连接。电极12通过设置在搅拌头内部的导线(图中未示出)与电刷16连接，从而保证搅拌头1在高速旋转过程中不断电。

一种搅拌摩擦复合放电增减材装置的使用方法，操作步骤包括：

S1、向基板2表面增材：向介质通道6进料端通入第一介质7。根据实际需要向介质通道6内通入气粉混合物。使得气粉混合物经过介质通道6向基板2表面喷射。

S2、获取熔覆层3：启动电源13，对第一介质7进行升温，第一介质7熔化并覆盖在基板2表面。接通电源13，在电极12与基板2之间形成电场，使得电极12与基板2之间的温度升高，从而使得增材粉体熔化。

S3、获取增材层5：驱动搅拌头1带动碾压部旋转，碾压部对碾压部与熔覆层3接触处进行碾压搅拌，碾压搅拌完毕后，获取最终增材层5。在外部驱动件(图中未示出)的作用下驱动搅拌头1旋转，使得裙摆式轴肩4与搅拌头1共同转动，在基板2表面水平移动搅拌头1，使得增材粉体熔化形成熔覆层3，并通过裙摆式轴肩4对熔覆层3碾压搅拌形成增材层5。

本发明的一个实施例中，外部驱动件采用现有技术即可，在此不做过多赘述。

进一步优化方案，步骤S1中，向介质通道6进料端通入第二介质8，随后启动电源13对增材层5进行升温，第二介质8对增材层5表面进行降温并蚀除增材层5表面材料。根据实际需要，可向介质通道6通入气液混合物，从而实现对基板2表面增材层5或工件18的去除。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种搅拌摩擦复合放电增减材装置，包括可旋转的搅拌头(1)，所述搅拌头(1)下方设置有基板(2)，所述基板(2)上覆盖有熔覆层(3)，其特征在于：

碾压部，套设在所述搅拌头(1)上，所述碾压部与所述搅拌头(1)可拆卸连接，所述碾压部与所述熔覆层(3)接触并对所述熔覆层(3)进行碾压搅拌，所述熔覆层(3)被碾压搅拌后形成增材层(5)；

供介质件，开设在所述搅拌头(1)内，所述供介质件出料端与所述基板(2)对应设置，所述供介质件内流通有第一介质(7)或第二介质(8)，所述基板(2)通过所述第一介质(7)增材，所述基板(2)通过所述第二介质(8)减材；

升温部，设置在所述搅拌头(1)上，所述升温部通过放电或加热熔融所述第一介质(7)或通过放电熔融待刻蚀材料。

2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦复合放电增减材装置，其特征在于：所述碾压部包括裙摆式轴肩(4)，所述裙摆式轴肩(4)为锥形结构，所述裙摆式轴肩(4)靠近所述搅拌头(1)进料端的直径小于所述裙摆式轴肩(4)靠近所述搅拌头(1)出料端的直径，所述裙摆式轴肩(4)靠近所述搅拌头(1)出料端的端面上开设有弧形凹槽(9)，所述弧形凹槽(9)与所述熔覆层(3)对应设置。

3.根据权利要求2所述的搅拌摩擦复合放电增减材装置，其特征在于：所述搅拌头(1)外壁固接有螺纹(10)，所述搅拌头(1)通过所述螺纹(10)与所述裙摆式轴肩(4)可拆卸连接。

4.根据权利要求2所述的搅拌摩擦复合放电增减材装置，其特征在于：所述搅拌头(1)外套设有绝缘层(11)，所述绝缘层(11)位于所述搅拌头(1)与所述裙摆式轴肩(4)之间。

5.根据权利要求1所述的搅拌摩擦复合放电增减材装置，其特征在于：所述供介质件为介质通道(6)，所述介质通道(6)内为所述第一介质(7)时，所述搅拌头(1)对所述基板(2)进行增材，所述介质通道(6)内为所述第二介质(8)时，所述搅拌头(1)对所述增材层(5)进行减材。

6.根据权利要求5所述的搅拌摩擦复合放电增减材装置，其特征在于：所述搅拌头(1)靠近所述基板(2)的一端开设有放置槽，所述升温部包括设置在所述放置槽内的电极(12)，所述电极(12)与所述搅拌头(1)固接，所述搅拌头(1)外设置有电源(13)，所述电源(13)的第一输出线(14)与所述基板(2)电性连接，所述电源(13)的第二输出线(15)与所述搅拌头(1)电性连接。

7.根据权利要求1所述的搅拌摩擦复合放电增减材装置，其特征在于：所述升温部包括设置在所述搅拌头(1)端部的加热线圈(20)，所述加热线圈(20)与所述搅拌头(1)固接，所述搅拌头(1)外设置有加热线圈电源(22)，所述加热线圈电源(22)通过加热线圈第一输出线(21)和加热线圈第二输出线(23)与所述加热线圈(20)电性连接。

8.根据权利要求5所述的搅拌摩擦复合放电增减材装置，其特征在于：所述第二输出线(15)上连接有电刷(16)，所述搅拌头(1)外壁开设有电刷接触面(17)，所述第二输出线(15)通过所述电刷(16)和所述电刷接触面(17)与所述搅拌头(1)电性连接。

9.一种搅拌摩擦复合放电增减材装置的使用方法，基于权利要求6所述的搅拌摩擦复合放电增减材装置，其特征在于：操作步骤包括：

S1、向基板(2)表面增材：向介质通道(6)进料端通入第一介质(7)；

S2、获取熔覆层(3)：启动电源(13)，对第一介质(7)进行升温，第一介质(7)熔化并覆盖在基板(2)表面；

S3、获取增材层(5)：驱动搅拌头(1)带动碾压部旋转，碾压部对碾压部与熔覆层(3)接触处进行碾压搅拌，碾压搅拌完毕后，获取最终增材层(5)。

10.根据权利要求9所述的搅拌摩擦复合放电增减材装置的使用方法，其特征在于：步骤S1中，向介质通道(6)进料端通入第二介质(8)，随后启动电源(13)对增材层(5)进行升温，第二介质(8)对增材层(5)表面进行降温并蚀除增材层(5)表面材料。

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