CN114951954B - 一种搅拌摩擦焊增材装置及增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种搅拌摩擦焊增材装置，包括供料机构、送料机构和搅拌机构，送料机构包括主轴和第一驱动组件，搅拌机构包括第一电主轴、搅拌部和第二驱动组件，本发明进一步提供了一种搅拌摩擦焊增材装置的增材制造方法，通过设置供料机构装载棒材并将棒材输送到送料机构的主轴中，再利用第一驱动组件驱动主轴旋转，使得棒材与基材接触摩擦，棒材受热软化产生塑性变形形成增材层，再通过第一电主轴驱动搅拌部旋转，同时第二驱动组件驱动搅拌部下降，搅拌部在旋转下降的过程中将增材层搅拌分散并深入基材，进而将增材层和基材充分搅拌混合，大大加强了增材层和基材的层间结合力，从而大幅度提升了增材件的使用强度。

Description

一种搅拌摩擦焊增材装置及增材制造方法

技术领域

本发明涉及固相增材技术领域，尤其是指一种搅拌摩擦焊增材装置及增材制造方法。

背景技术

搅拌摩擦焊增材是固相增材的一种主流方式，是基于摩擦焊接原理的一种增材制造技术，搅拌摩擦焊增材技术的工作原理是通过可消耗的棒材通过搅拌工具旋转与基材接触摩擦，摩擦产生的热能会使棒材的端部软化，并在轴向力的挤压作用下由搅拌工具的出口端流出沉积于基材上，随着棒材的横向移动和逐渐下压，在基材上形成单道增材层，且摩擦产热和摩擦变形做功会使得增材层在温度场和塑性变形作用下形成细小均匀的晶粒，在摩擦沉积过程中材料不会熔化，使得基材与增材层之间的不匹配性影响较小，进而能够较好地实现异种材料之间的结合，且增材层的晶粒细小均匀，力学性能好。

然而在搅拌摩擦焊增材制造过程中，现有的搅拌摩擦焊增材装置中的搅拌工具和棒材均固定于同一个旋转部件，下降同样的高度后同时进行旋转，由于棒材和基材旋转挤压变形的深度有限，因此搅拌工具只会对增材层进行搅拌，导致基材和增材层之间不能进行有效的搅拌混合，从而使得增材层与基材之间的层间结合力较低，降低了增材件的使用强度。

因此，如何提高增材层和基材之间的强度成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题和研究重点。

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增材层与基材之间的层间结合力低，导致增材件强度低的问题，因此有必要提供一种可增强增材层和基材之间的层间结合力的搅拌摩擦焊增材装置及增材制造方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种搅拌摩擦焊增材装置,包括：

供料机构，其用于装载并输送棒材；

送料机构，其用于接取所述供料机构输送的棒材，所述送料机构包括主轴和第一驱动组件，所述主轴中空用于容纳棒材，所述主轴连接所述第一驱动组件，所述第一驱动组件驱动所述主轴旋转，带动所述主轴内的棒材旋转，并与基材摩擦形成增材层；

搅拌机构，所述搅拌机构包括第一电主轴、搅拌部和第二驱动组件，所述第一电主轴中空设置且与所述主轴连通，所述搅拌部套设于所述第一电主轴内，所述第一电主轴驱动所述搅拌部旋转，所述搅拌部连接所述第二驱动组件，所述第二驱动组件驱动所述搅拌部升降，所述搅拌部在旋转升降的过程中搅拌分散增材层，并将增材层和基材搅拌混合，完成增材制造。

在本发明的一个实施例中，所述搅拌部的搅拌端呈倒锥形，且所述搅拌部的内部设置有螺旋槽。

在本发明的一个实施例中，所述供料机构包括皮带驱动组件和多个弧形卡槽，所述弧形卡槽用于装载棒材，多个所述弧形卡槽设置于所述皮带驱动组件上。

在本发明的一个实施例中，所述供料机构还包括第一夹紧机构，其用于将所述弧形卡槽中的棒材输送至所述主轴中，所述第一夹紧机构包括第二电主轴、支撑盘和多个卡爪，所述第二电主轴中空设置，所述支撑盘套设于所述第二电主轴外，多个所述卡爪均与所述支撑盘啮合，所述第二电主轴驱动所述支撑盘旋转，带动多个所述卡爪沿所述第二电主轴径向运动，夹紧或释放棒材。

在本发明的一个实施例中，所述供料机构还包括第三驱动组件，其连接所述第一夹紧机构，所述第三驱动组件用于驱动所述第一夹紧机构升降。

在本发明的一个实施例中，所述供料机构还包括压力传感器，其设置于所述第三驱动组件上。

在本发明的一个实施例中，所述送料机构还包括第二夹紧机构，其夹设于所述主轴和所述搅拌机构之间，所述第二夹紧机构用于配合所述第一夹紧机构进行棒材的定心输送，且所述第二夹紧机构与所述第一夹紧机构的结构一致。

在本发明的一个实施例中，所述弧形卡槽为弹性件。

为实现发明目的，本发明进一步提供了一种搅拌摩擦焊增材装置的增材制造方法，其技术方案是：

一种搅拌摩擦焊增材装置的增材制造方法，利用上述搅拌摩擦焊增材装置制造增材，包括以下步骤：

S10:装载棒材后将棒材输送到送料机构的主轴中；

S20:旋转主轴内的棒材，使得棒材在高速旋转的状态下与基材接触摩擦形成塑性流动状态的增材层；

S30:旋转搅拌部的同时驱动搅拌部升降，搅拌部在旋转升降的过程中搅拌分散增材层，并将增材层和基材充分搅拌混合，完成增材制造。

在本发明的一个实施例中，主轴与搅拌部差速旋转运行。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的搅拌摩擦焊增材装置及增材制造方法，通过设置供料机构装载棒材并将棒材输送到送料机构的主轴中，再利用第一驱动组件驱动主轴旋转，使得棒材与基材接触摩擦，棒材受热软化产生塑性变形形成增材层，再通过第一电主轴驱动搅拌部旋转，同时第二驱动组件驱动搅拌部下降，搅拌部在旋转下降的过程中将增材层搅拌分散并深入基材，进而将增材层和基材充分搅拌混合，大大加强了增材层和基材的层间结合力，从而大幅度提升了增材件的使用强度。

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是本发明优选实施例中搅拌摩擦焊增材装置的剖视图；

图2是图1中搅拌摩擦焊增材装置的结构示意图；

图3是图1中搅拌机构的结构示意图；

图4是图1中第一夹紧机构的结构示意图。

说明书附图标记说明：1、供料机构；2、送料机构；3、搅拌机构；4、棒材；5、基材；11、皮带驱动组件；12、弧形卡槽；13、第一夹紧机构；14、第三驱动组件；15、压力传感器；21、主轴；22、第一驱动组件；23、第二夹紧机构；31、第一电主轴；32、搅拌部；33、第二驱动组件；131、第二电主轴；132、支撑盘；133、卡爪。

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。

本发明的一种搅拌摩擦焊增材装置优选的一实施例。

参照图1至图4所示，本发明的一种搅拌摩擦焊增材装置，包括：

供料机构1，供料机构1用于装载并输送棒材4。

送料机构2，送料机构2用于接取供料机构1输送的棒材，送料机构2包括主轴21和第一驱动组件22，主轴21中空形成容纳棒材4的腔体，且该腔体直径大于棒材4的直径，有利于棒材4的下料，第一驱动组件22可为带传动结构，主轴21连接第一驱动组件22，利用第一驱动组件22驱动主轴21旋转，进而带动主轴21内的棒材4旋转，使得棒材4的端面与基材5摩擦，当需要对基材5进行增材时，可利用供料机构1装载棒材4，并将棒材4运输到送料机构2中的主轴21中，再利用第一驱动组件22驱动主轴21旋转，进而带动主轴21内的棒材4旋转，使得棒材4的端面与基材5接触摩擦，棒材4受热软化产生塑性变形形成塑性流动状态的增材层。

搅拌机构3，搅拌机构3包括第一电主轴31、搅拌部32和第二驱动组件33，第一电主轴31中空设置且与主轴21连通，主轴21中的棒材4可经过第一电主轴31抵接基材5，搅拌部32套设于第一电主轴31内，可利用第一电主轴31自身旋转驱动搅拌部32旋转，第二驱动组件33可为丝杠螺母传动结构，搅拌部32连接第二驱动组件33，第二驱动组件33驱动搅拌部32升降，使得搅拌部32可下降至基材5，搅拌部32在旋转升降的过程中搅拌分散增材层，将增材层和基材5充分搅拌混合，完成增材制造，当需要对基材5进行增材时，可利用供料机构1装载棒材4，并将棒材4运输到送料机构2中的主轴21中，再利用第一驱动组件22驱动主轴21旋转，进而带动主轴21内的棒材4旋转，使得棒材4的端面与基材5接触摩擦，棒材4受热软化产生塑性变形形成塑性流动状态的增材层，再通过第一电主轴31驱动搅拌部32旋转，同时第二驱动组件33驱动搅拌部32下降，搅拌部32在旋转下降的过程中将增材层搅拌分散，并将增材层和基材5充分搅拌混合，大大加强了增材层和基材5的层间结合力，从而大幅度提升了增材件的使用强度。

具体的，搅拌部32的搅拌端呈倒锥形，有利于搅拌端伸入增材层和基材5，搅拌部32的内部设置有螺旋槽，可通过搅拌部32和棒材4的差速旋转，通过螺旋槽调控塑性棒材4的流动方向，进而使得增材层可以在搅拌部32的搅拌下与基材5充分混合，进一步提升了搅拌部32的搅拌效率。

具体的，供料机构1包括皮带驱动组件11和多个弧形卡槽12，弧形卡槽12用于装载棒材4，多个弧形卡槽12设置于皮带驱动组件11上，利用皮带驱动组件11带动弧形卡槽12移动，当任一弧形卡槽12运动至第一夹紧机构13上方时，该弧形卡槽12中的棒材4与第一夹紧机构13的第二电主轴131同轴，再通过第一夹紧机构13的夹持递送，将棒材4源源不断地输送到主轴21中。

具体的，供料机构1还包括第一夹紧机构13，第一夹紧机构13用于将弧形卡槽12中的棒材输送至主轴21中，第一夹紧机构13包括第二电主轴131、支撑盘132和多个卡爪133，第二电主轴131中空设置形成供棒材4经过的腔体，支撑盘132套设于第二电主轴131外，且端面上设置有螺旋槽，卡爪133上也设置有与支撑盘132的螺旋槽相啮合的齿条，第二电主轴131驱动支撑盘132旋转，进而驱动多个卡爪133沿第二电主轴131径向运动夹紧或释放棒材4，实现棒材4的夹持定心，进而保证棒材4在输送过程中不会产生偏差，从而保证增材件的品质控制。

具体的，供料机构1还包括第三驱动组件14，第三驱动组件14连接第一夹紧机构13，第三驱动组件14用于驱动第一夹紧机构13升降，当皮带驱动组件11带动弧形卡槽12将棒材4输送到第一夹紧机构13上方时，第二电主轴131驱动支撑盘132旋转，进而驱动多个卡爪133放松，第三驱动组件14驱动第一夹紧机构13上升，当棒材4位于第二电主轴131内时，第二电主轴131驱动支撑盘132旋转，进而驱动多个卡爪133夹紧棒材4，第三驱动组件14驱动第一夹紧机构13下降，进而使得第二电主轴131内的棒材4进入主轴21内，并挤压已位于主轴21内的另一棒材4，如此不断往复，实现棒材4的不间断供应，从而提高增材效率。

具体的，供料机构1还包括压力传感器15，压力传感器15设置于第三驱动组件14上，第三驱动组件14为丝杠螺母传动结构，压力传感器15位于丝杠与螺母之间，当第三驱动组件14驱动夹紧棒料的第一夹紧机构13向下运动时，压力传感器15可采集预压压力值，并可以实时检测实时监测摩擦压力的变化，当压力传感器15监测到压力下降时，此时第一夹紧机构13的夹爪放松，第三驱动组件14驱动第一夹紧机构13上升夹取棒材4，实现了闭环控制，保证了棒材4的连续供应。

具体的，送料机构2还包括第二夹紧机构23，第二夹紧机构23与第一夹紧机构13的结构一致，第二夹紧机构23夹设于主轴21和搅拌机构3之间，并跟随主轴21旋转，第二夹紧机构23用于配合第一夹紧机构13进行棒材4的定心输送，且与第一夹紧机构13的工作过程一致，实现棒材4的递送，在保证棒材4输送不产生偏差的同时，还保证了棒材4的连续供应。

具体的，弧形卡槽12为弹性件，弧形卡槽12可放置任意形状的棒材4，且可放置的棒材4的截面尺寸范围为10-50mm，长度范围为200-700mm，有利于实现多规格多形状的棒材4增材，增强装置的使用普适性。

本发明的一种搅拌摩擦焊增材装置的增材制造方法：

S10:装载棒材后将棒材输送到送料机构2的主轴21中；

S20:旋转主轴21内的棒材，使得棒材在高速旋转的状态下与基材5接触摩擦形成塑性流动状态的增材层；

S30:旋转搅拌部32的同时驱动搅拌部32升降，搅拌部32在旋转升降的过程中搅拌分散增材层，并将增材层和基材充分搅拌混合，完成增材制造。

具体的，在进行增材时，棒材4的焊接倾角为0-5°，有利于形成致密焊缝，以提高增材焊缝的质量，主轴21的旋转速度≥4000rpm，基材5的移动速度≥1000mm/min，其中，主轴21与搅拌部32进行差速旋转运行，以使得棒材4与搅拌部32差速旋转，有利于实现搅拌部32对增材层和基材5的充分搅拌混合。

具体的，当需要对基材5进行增材时，首先将基材5安装在工作台夹具上，将多根棒材4装载在供料机构1的弧形卡槽12内，然后皮带驱动组件11运动使得弧形卡槽12位于供料机构1的第一夹紧机构13上方，第二电主轴131驱动支撑盘132旋转，进而驱动多个卡爪133放松，第三驱动组件14驱动第一夹紧机构13上升，当棒材4位于第二电主轴131内时，第二电主轴131驱动支撑盘132旋转，进而驱动多个卡爪133夹紧棒材4，第三驱动组件14驱动第一夹紧机构13下降，进而使得第二电主轴131内的棒材4进入送料机构2的主轴21内，重复上述步骤，第一夹紧机构13将下一根棒材4输送到主轴21内，此时第二夹紧机构23夹紧上一根棒材4，当两根棒材4抵接后，压力传感器15采集预压压力值，第三驱动组件14继续驱动第一夹紧机构13下降，带动第一夹紧机构13中的的棒材4挤压主轴21内的棒材4下降，使得主轴21内的棒材4从搅拌机构3的第一电主轴31内伸出，并与基材5接触，接着第一驱动组件22驱动主轴21旋转，进而带动主轴21内的棒材4旋转，棒材4与基材5接触摩擦形成塑性流动状态的增材层，此时，第一电主轴31驱动搅拌部32旋转，同时第二驱动组件33驱动搅拌部32下降，搅拌部32在旋转下降的过程中将增材层搅拌分散并深入基材5，进而将增材层和基材5充分搅拌混合，棒材4持续进行消耗增材，压力传感器15实时监测摩擦压力的变化，当监测到压力下降时，第三驱动组件14驱动第一夹紧机构13上升夹取棒材4后，继续驱动第一夹紧机构13下降，并与第二夹紧机构23配合完成棒材4的递送，使得棒材4可以连续供料，进而完成基材5的不间断增材的过程。

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 (10)

1.一种搅拌摩擦焊增材装置，其特征在于，包括：

供料机构，其用于装载并输送棒材；

送料机构，其用于接取所述供料机构输送的棒材，所述送料机构包括主轴和第一驱动组件，所述主轴中空用于容纳棒材，所述主轴连接所述第一驱动组件，所述第一驱动组件驱动所述主轴旋转，带动所述主轴内的棒材旋转，并与基材摩擦形成增材层；

搅拌机构，所述搅拌机构包括第一电主轴、搅拌部和第二驱动组件，所述第一电主轴中空设置且与所述主轴连通，所述主轴中的棒材经过所述第一电主轴抵接所述基材，所述搅拌部套设于所述第一电主轴内，所述第一电主轴驱动所述搅拌部旋转，所述搅拌部连接所述第二驱动组件，所述第二驱动组件驱动所述搅拌部升降，所述搅拌部在旋转升降的过程中搅拌分散增材层，并将增材层和基材搅拌混合，完成增材制造。

2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊增材装置，其特征在于，所述搅拌部的搅拌端呈倒锥形，且所述搅拌部的内部设置有螺旋槽。

3.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊增材装置，其特征在于，所述供料机构包括皮带驱动组件和多个弧形卡槽，所述弧形卡槽用于装载棒材，多个所述弧形卡槽设置于所述皮带驱动组件上。

4.根据权利要求3所述的搅拌摩擦焊增材装置，其特征在于，所述供料机构还包括第一夹紧机构，其用于将所述弧形卡槽中的棒材输送至所述主轴中，所述第一夹紧机构包括第二电主轴、支撑盘和多个卡爪，所述第二电主轴中空设置，所述支撑盘套设于所述第二电主轴外，多个所述卡爪均与所述支撑盘啮合，所述第二电主轴驱动所述支撑盘旋转，带动多个所述卡爪沿所述第二电主轴径向运动，夹紧或释放棒材。

5.根据权利要求4所述的搅拌摩擦焊增材装置，其特征在于，所述供料机构还包括第三驱动组件，其连接所述第一夹紧机构，所述第三驱动组件用于驱动所述第一夹紧机构升降。

6.根据权利要求5所述的搅拌摩擦焊增材装置，其特征在于，所述供料机构还包括压力传感器，其设置于所述第三驱动组件上。

7.根据权利要求4所述的搅拌摩擦焊增材装置，其特征在于，所述送料机构还包括第二夹紧机构，其夹设于所述主轴和所述搅拌机构之间，所述第二夹紧机构用于配合所述第一夹紧机构进行棒材的定心输送，且所述第二夹紧机构与所述第一夹紧机构的结构一致。

8.根据权利要求3所述的搅拌摩擦焊增材装置，其特征在于，所述弧形卡槽为弹性件。

9.一种搅拌摩擦焊增材装置的增材制造方法，利用权利要求1-8任一项所述的搅拌摩擦焊增材装置制造增材，其特征在于，包括以下步骤：

S10：装载棒材后将棒材输送到送料机构的主轴中；

S20:旋转主轴内的棒材，使得棒材在高速旋转的状态下与基材接触摩擦形成塑性流动状态的增材层；

S30:旋转搅拌部的同时驱动搅拌部升降，搅拌部在旋转升降的过程中搅拌分散增材层，并将增材层和基材充分搅拌混合，完成增材制造。

10.根据权利要求9所述的搅拌摩擦焊增材装置的增材制造方法，其特征在于，主轴与搅拌部差速旋转运行。