CN114871564B - 一种增材装置及增材方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增材装置及增材方法，增材装置包括主轴，主轴下方设有用于搅拌以促进软化状金属融合的搅拌头，搅拌头和主轴成型有相互连通的喉道，喉道下端开口且装填有增材棒，增材棒经挤压件驱动凸出喉道下端开口与基板摩擦、生热并在该热量作用下使摩擦区域软化；主轴、搅拌头、喉道和增材棒同轴，主轴、搅拌头、增材棒和挤压件同步旋转；增材方法应用该增材装置。挤压件也与增材棒同步旋转，且二者沿径向同步移动，故二者相对静止，仅存在压力而未产生相对位移，即挤压件与增材棒间无摩擦，也就不会生热、软化、融合形成整体。

Description

一种增材装置及增材方法

技术领域

本发明主要涉及摩擦增材技术领域，尤其涉及一种增材装置及方法。

背景技术

摩擦增材作为金属增材技术的形式之一，其主要用于制造和修补，是采用金属材料逐渐累加的方法制造实体零件或填补空缺的技术，相对于传统的材料去除-切削加工技术，可以明显提高材料利用率和加工效率，而对于传统的熔融焊接，可以避免产生气孔、热裂纹、夹杂等缺陷而明显提高修补质量。

现有的摩擦增材装置的增材棒不仅与基板发生挤压，同时进行旋转，而用于推动增材棒移动的挤压件仅能沿轴向移动却不同步旋转。因此，在挤压件与增材棒的接触面上，二者发生摩擦并产生热量，当温度升高到一定程度，挤压件和增材棒均受热软化，在压力和搅动作用下二者软化部位的材料结合，形成焊接。正常情况下，增材棒作为耗材在完成增材作业后，其剩余部分将被取出废弃或留待下次使用，而当上述焊接发生时，将导致增材棒的剩余部分跟随挤压件残留于喉道中无法取出，从而挤占喉道空间、影响装填新的增材棒。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种挤压件与增材棒同步旋转的增材装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种增材装置，包括主轴，所述主轴下方设有用于搅拌以促进软化状金属融合的搅拌头，所述搅拌头和所述主轴成型有相互连通的喉道，所述喉道下端开口且装填有增材棒，所述增材棒经挤压件驱动凸出喉道下端开口与一基板摩擦、生热并在该热量作用下使摩擦区域软化；所述主轴、所述搅拌头、所述喉道和所述增材棒同轴，所述主轴、所述搅拌头、所述增材棒和所述挤压件同步旋转。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述搅拌头的底端成型有若干凸节。

所述喉道呈非圆形截面，且增材棒的截面形状与喉道的截面形状相同。

所述挤压件设为杆件；所述喉道上端开口，所述挤压件下端伸入喉道抵接增材棒、上端经轴承与一直线驱动器相连。

所述挤压件的截面形状与喉道的截面形状相同。

所述挤压件设为对辊；所述主轴成型有连通喉道的容置腔，所述挤压件沿喉道对称安装于容置腔内并与增材棒的侧壁抵接。

所述喉道上端开口，于该开口上方同轴设有可受驱动变速绕轴旋转的转轴；所述转轴沿轴开设有与喉道对齐且形状相同、用于穿过并驱使增材棒同步旋转的通道。

所述主轴与所述搅拌头经升降件连接；所述升降件的固定端与主轴相连、活动端与搅拌头相连，所述升降件单独驱动搅拌头沿轴向移动。

然后，本发明公开了一种增材方法，所述增材方法应用于上述的摩擦增材装置，并包括以下步骤：

步骤S1，挤压件与增材棒同轴同步旋转。

为了实现搅拌以促进融合，需要采用上述的具有升降件的摩擦增材装置，并包括以下步骤：

步骤S2，增材棒受挤压件驱动凸出喉道，并与基板摩擦生热；

步骤S3，所述增材棒与所述基板于接触部位周边受热软化；

步骤S4，搅拌头受升降件驱动下移，并对增材棒和基板的软化部位进行搅拌。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

通过设置挤压件推动增材棒，能够使增材棒先于搅拌头抵达基板表面，通过增材棒与基板之间的摩擦产生热量，该热量促使增材棒和基板在摩擦区域处于软化状态，从而能够实现融合。也就是说，增材棒和基板软化的能量来源为二者之间的摩擦，而非第三者提供。待增材棒和基板的摩擦区域均达到软化状态后，搅拌头深入该区域进行挤压、搅拌，从而能够促进软化材料间的融合。在现有的摩擦增材装置中，用于推动增材棒移动的挤压件仅能沿轴向运动，而增材棒在工作过程中为产生摩擦将发生旋转。挤压件与增材棒在接触面因同时产生压力和相对运动而造成摩擦，从而生热，而当温度上升至一定程度后，挤压件和增材棒的接触点附近的材料发生软化并相互融合，进而将挤压件和增材棒焊接成为整体。本发明公开的技术方案中，主轴、搅拌头和增材棒同轴且同步旋转，从而有效保证了增材棒与喉道内壁仅存在沿增材棒轴线方向的摩擦。在增材制造或修复过程中，增材棒以较低速度进给，且增材棒与喉道粗细一致或增材棒略细于喉道，二者也无外界施加的径向压力，因此增材棒与喉道间的摩擦微弱、温升较小，不足以引起材料软化，故不会形成焊接。而挤压件也与增材棒同步旋转，且二者沿径向同步移动，故二者相对静止，仅存在压力而未产生相对位移，即挤压件与增材棒间无摩擦，也就不会生热、软化、融合形成整体。

附图说明

图1是实施例1中增材装置的结构示意图；

图2是实施例2中增材装置的结构示意图；

图3是实施例3中增材装置的结构示意图；

图4是实施例4中增材装置的结构示意图；

图5是增材棒与基板结合的过程示意图。

图中各标号表示：1、主轴；11、容置腔；2、搅拌头；21、凸节；3、喉道；4、增材棒；5、挤压件；6、轴承；7、直线驱动器；8、转轴；81、通道；9、升降件；10、基板。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1

如图1所示，本实施例的增材装置，包括主轴1，主轴1下方设有用于搅拌以促进软化状金属融合的搅拌头2，搅拌头2和主轴1成型有相互连通的喉道3，喉道3下端开口且装填有增材棒4，增材棒4经挤压件5驱动凸出喉道3下端开口与一基板10摩擦、生热并在该热量作用下使摩擦区域软化；主轴1、搅拌头2、喉道3和增材棒4同轴，主轴1、搅拌头2、增材棒4和挤压件5同步旋转。通过设置挤压件5推动增材棒4，能够使增材棒4先于搅拌头2抵达基板10表面，通过增材棒4与基板10之间的摩擦产生热量，该热量促使增材棒4和基板10在摩擦区域处于软化状态，从而能够实现融合。也就是说，增材棒4和基板10软化的能量来源为二者之间的摩擦，而非第三者提供。待增材棒4和基板10的摩擦区域均达到软化状态后，搅拌头2深入该区域进行挤压、搅拌，从而能够促进软化材料间的融合。在现有的摩擦增材装置中，用于推动增材棒4移动的挤压件5仅能沿轴向运动，而增材棒4在工作过程中为产生摩擦将发生旋转。挤压件5与增材棒4在接触面因同时产生压力和相对运动而造成摩擦，从而生热，而当温度上升至一定程度后，挤压件5和增材棒4的接触点附近的材料发生软化并相互融合，进而将挤压件5和增材棒4焊接成为整体。本发明公开的技术方案中，主轴1、搅拌头2和增材棒4同轴且同步旋转，从而有效保证了增材棒4与喉道3内壁仅存在沿增材棒4轴线方向的摩擦。在增材制造或修复过程中，增材棒4以较低速度进给，且增材棒4与喉道3粗细一致或增材棒4略细于喉道3，二者也无外界施加的径向压力，因此增材棒4与喉道3间的摩擦微弱、温升较小，不足以引起材料软化，故不会形成焊接。而挤压件5也与增材棒4同步旋转，且二者沿径向同步移动，故二者相对静止，仅存在压力而未产生相对位移，即挤压件5与增材棒4间无摩擦，也就不会生热、软化、融合形成整体。

本实施例中，搅拌头2的底端成型有若干凸节21，凸节21在增材棒4和基板10摩擦软化后插入二者的结合部位对已经软化的材料进行搅拌，以促进融合。在增材棒4与基板10摩擦生热软化后，由于接触部位均为柔软状态，故难以深入对方材料产生有效搅拌，从而导致增材棒4与基板10的软化部位结合不够充分。现有技术中搅拌头2的底端多设为平面，这种平面形式的搅拌头2虽能向下挤压增材棒4的软化部位，帮助其深入基板10的软化区，但搅拌效果有限。而现有技术中在搅拌头2的底端设有凸节21的方案中，凸节21均用以与未软化的基板10进行直接摩擦，从而生热使基板10软化，同时，凸节21摩擦产生的热量还将经搅拌头2传递至增材棒4以实现升温目的。而本发明设置凸节21，是为了实现搅拌功能，利用凸节21探入增材棒4和基板10已经软化的结合部位，以旋转的形式对软化的材料施加横向力，从而产生搅动效果、促进材料融合。

本实施例中，喉道3呈非圆形截面，且增材棒4的截面形状与喉道3的截面形状相同。通过将喉道3设置成非圆形截面状，且增材棒4的形状与之匹配，当喉道3发生旋转时，其内壁沿切线方向对增材棒4产生推力，从而能够带动增材棒4同步旋转。

本实施例中，挤压件5设为杆件；喉道3上端开口，挤压件5下端伸入喉道3抵接增材棒4、上端经轴承6与一直线驱动器7相连。挤压件5的截面形状与喉道3的截面形状相同。喉道3上下两端均为开口状，杆状挤压件5可由上端开口插入喉道3，向下移动对装填于喉道3中的增材棒4形成向下的推力，增材棒4在该推力作用下向下移动，并与基板10接触、摩擦。挤压件5对增材棒4的推力持续施加，当增材棒4底端软化、扩散到基板10表面而缩短时，挤压件5的持续施力能够确保增材棒4与基板10之间始终存在压力，从而能够持续摩擦、软化、扩散、增材。挤压件5沿轴向移动的动力来源于直线驱动器7(直线驱动器7可选用直线电机、直线气缸或直线油缸等)，直线驱动器7的主体固定、活动端与挤压件5相连。由于在增材过程中挤压件5需持续旋转，而直线驱动器7的活动端仅沿轴向运动而不旋转，为了避免二者摩擦损坏，通过设置轴承6进行连接。不仅如此，为了使挤压件5能够与增材棒4同步旋转，将挤压件5的截面形状设置成与喉道3的截面形状一致，在喉道3发生旋转时，其内壁沿切线方向对挤压件5产生推力，从而能够带动挤压件5同步旋转。

实施例2

如图2所示，本发明增材装置的第二实施例，该装置与实施例1基本相同，区别在于：本实施例中，挤压件5设为对辊；主轴1成型有连通喉道3的容置腔11，挤压件5沿喉道3对称安装于容置腔11内并与增材棒4的侧壁抵接。主轴1中开设的容置腔11沿喉道3对称，且均与喉道3相连通。对辊沿喉道3对称设置在容置腔11内，其分别与增材棒4的对侧形成挤压。当对辊旋转时，能够通过摩擦力推动增材棒4向下移动以与基板10发生摩擦。对辊的固定方式、电路连接，以及驱动形式均以常规技术实现，在此不做赘述。

实施例3

如图3所示，本发明增材装置的第三实施例，该装置与实施例2基本相同，区别在于：本实施例中，喉道3上端开口，于该开口上方同轴设有可受驱动变速绕轴旋转的转轴8；转轴8沿轴开设有与喉道3对齐且形状相同、用于穿过并驱使增材棒4同步旋转的通道81。喉道3上下两端均为开口状，增材棒4可由其上端进入、由其下端排出。为了实现持续供料，后一根增材棒4可由喉道3上端开口进入、在重力作用或外力作用下下移，与前一根增材棒4相接，从而实现增材作业的持续供料。但该过程中存在喉道3旋转，且喉道3截面为非圆形而导致增材棒4难以对准并插入喉道3的问题。为此，本发明在喉道3的上端开口上方设有转轴8，其中部开设有与喉道3对齐且形状一致的通道81，该转轴8受驱动控制可以发生变速旋转。续料时，转轴8静止或慢速旋转，操作人员将增材棒4对准通道81插入其中，而后控制转轴8加速旋转使通道81与喉道3上端入口对齐并保持同速旋转，增材棒4在重力作用下落入喉道3，实现填料。

实施例4

如图4所示，本发明增材装置的第四实施例，该装置与实施例2、实施例3和实施例4基本相同，区别在于：本实施例中，主轴1与搅拌头2经升降件9连接；升降件9的固定端与主轴1相连、活动端与搅拌头2相连，升降件9单独驱动搅拌头2沿轴向移动。通过设置升降件9用以分别连接主轴1和搅拌头2，在主轴1高度不变的情况下，可通过改变升降件9活动端的伸出长度调节搅拌头2的高度，从而实现竖向移动。现有技术中，搅拌头2与主轴1往往固定相连，只能同时调整主轴1与搅拌头2的高度。而当挤压件5为实施例2中的对辊形式时，在改变主轴1的同时也会带动增材棒4移动，从而导致增材棒4与基板10压力的变化、影响摩擦的稳定性。通过设置升降件9，可以在主轴1高度不变的情况下单独驱动搅拌头2沿竖向移动，从而消减了对增材棒4的影响。

然后，本发明还公开了增材方法，在其一实施例中，增材方法应用于上述的摩擦增材装置，并包括以下步骤：

步骤S1，挤压件5与增材棒4同轴同步旋转。

通过将挤压件5设置成与增材棒4同轴同步旋转，可以消减二者之间的摩擦，从而避免生热。

请参看图5，在又一实施例中，还包括以下步骤：

步骤S2，增材棒4受挤压件5驱动凸出喉道3，并与基板10摩擦生热；

步骤S3，增材棒4与基板10于接触部位周边受热软化；

步骤S4，搅拌头2受升降件9驱动下移，并对增材棒4和基板10的软化部位进行搅拌。

将增材棒4与基板10摩擦产生的热量作为增材棒4与基板10软化的热源，能够避免如现有技术中利用搅拌头2与基板10摩擦生热后将热量传递至增材棒4的过程中因存在热量传递而降低生热效率。而通过设置搅拌头2并利用其搅动软化后的材料能够促进增材棒4与基板10的软化部位的更好交融，提升结合效果。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (4)

1.一种增材方法，应用于增材装置，其特征在于：所述增材装置包括主轴（1），所述主轴（1）下方设有用于搅拌以促进软化状金属融合的搅拌头（2），所述搅拌头（2）和所述主轴（1）成型有相互连通的喉道（3），所述喉道（3）下端开口且装填有增材棒（4），所述增材棒（4）经挤压件（5）驱动凸出喉道（3）下端开口与一基板（10）摩擦、生热并在该热量作用下使摩擦区域软化；所述主轴（1）、所述搅拌头（2）、所述喉道（3）和所述增材棒（4）同轴，所述主轴（1）、所述搅拌头（2）、所述增材棒（4）和所述挤压件（5）同步旋转；所述喉道（3）呈非圆形截面，且增材棒（4）的截面形状与喉道（3）的截面形状相同；所述挤压件（5）设为对辊，当对辊旋转时，能够通过摩擦力推动增材棒（4）向下移动以与基板（10）发生摩擦；所述主轴（1）成型有连通喉道（3）的容置腔（11），所述挤压件（5）沿喉道（3）对称安装于容置腔（11）内并与增材棒（4）的侧壁抵接；所述喉道（3）上端开口，于该开口上方同轴设有可受驱动变速绕轴旋转的转轴（8）；所述转轴（8）沿轴开设有与喉道（3）对齐且形状相同、用于穿过并驱使增材棒（4）同步旋转的通道（81）；所述主轴（1）与所述搅拌头（2）经升降件（9）连接；所述升降件（9）的固定端与主轴（1）相连、活动端与搅拌头（2）相连，所述升降件（9）单独驱动搅拌头（2）沿轴向移动；

所述增材方法包括以下步骤：

步骤S1，挤压件（5）与增材棒（4）同轴同步旋转；

步骤S2，增材棒（4）受挤压件（5）驱动凸出喉道（3），并与基板（10）摩擦生热；

步骤S3，所述增材棒（4）与所述基板（10）于接触部位周边受热软化；

步骤S4，搅拌头（2）受升降件（9）驱动下移，并对增材棒（4）和基板（10）的软化部位进行搅拌。

2.根据权利要求1所述的增材方法，其特征在于：所述搅拌头（2）的底端成型有若干凸节（21）。

3.根据权利要求1所述的增材方法，其特征在于：所述挤压件（5）设为杆件；所述喉道（3）上端开口，所述挤压件（5）下端伸入喉道（3）抵接增材棒（4）、上端经轴承（6）与一直线驱动器（7）相连。

4.根据权利要求3所述的增材方法，其特征在于：所述挤压件（5）的截面形状与喉道（3）的截面形状相同。