CN115007881A - 旋转挤压装置、复合增材制造系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种旋转挤压装置、复合增材制造系统及方法，涉及机械加工技术领域，该装置包括旋转挤压头和与旋转挤压头连接的驱动机构，旋转挤压头包括连接轴、轴座和挤压头，连接轴的一端与挤压头相连接，轴座环绕连接轴的周向向外延伸设置，连接轴上设有阶梯段，阶梯段靠近挤压头设置，且阶梯段的端面与挤压头向外延伸的展宽部相连接；驱动机构包括旋转驱动单元，旋转驱动单元与连接轴相连接以驱动挤压头对材料进行旋转挤压。本发明避免了采用大变形量后破坏材料结构和尺寸的问题，工艺简单，成本低，通过旋转挤压装置消除了材料的择优取向，使得到的增材制造材料及相应构件具有晶粒细小、组织均匀、无各向异性、材料力学性能优异的特点。

Description

旋转挤压装置、复合增材制造系统及方法

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，具体而言，涉及一种旋转挤压装置、复合增材制造系统及方法。

背景技术

增材制造技术由于能够采用不同的能量源熔化材料，不受材料熔点等因素的限制，因此，在制备异形材料领域具有较高的优势。大部分增材制造技术采用逐层沉积材料的方式，材料成形后微观组织会形成沿着沉积方向的择优取向，导致材料具有各向异性，影响材料的使用性能。传统制备技术中，为了减少或消除材料的各向异性，主要通过对材料进行轧制、热处理等后处理手段。轧制的后处理方式采用大变形量能够破坏材料内部组织，消除择优取向，配合合适的热处理工艺往往能够提高材料的性能。但是，对于增材制造技术制备的异形材料，采用大变形量的后处理会破坏异形材料的结构、尺寸等，该后处理方式不适宜增材制造材料。针对增材制造技术特点，现有技术中的微锻造技术采用特制的加工装备对沉积材料进行随形微区锻造，从而改善材料的性能。虽然该项技术对增材制造材料的组织、性能的提升具有明显的作用，但该技术对设备要求高，加工过程条件复杂，具有较高的制造成本，且难以规模化推广使用。

发明内容

本发明解决的问题是针对增材制造异形材料改性时制备工艺复杂，制造设备昂贵、成本高的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种旋转挤压装置，用于复合增材制造，包括旋转挤压头和与所述旋转挤压头连接的驱动机构，所述旋转挤压头包括连接轴、轴座和挤压头，所述连接轴的一端与所述挤压头相连接，所述轴座环绕所述连接轴的周向向外延伸设置，所述连接轴上设有阶梯段，所述阶梯段靠近所述挤压头设置，且所述阶梯段的端面与所述挤压头向外延伸的展宽部相连接；所述驱动机构包括旋转驱动单元，所述旋转驱动单元与所述连接轴相连接以驱动所述挤压头对材料进行旋转挤压。

进一步地，所述挤压头包括挤压端部，所述挤压端部为光面。

进一步地，所述挤压端部上设有导向槽，所述导向槽与所述旋转驱动单元相配合，用于旋转时驱动所述导向槽将所述材料导向所述挤压端部的中心。

进一步地，所述导向槽包括螺纹状沟槽和/或十字沟槽。

本发明所述的旋转挤压装置相对于现有技术的优势在于，本发明通过连接轴连接驱动机构和挤压头，对挤压头的进行驱动，并通过轴座实现连接轴的连接定位，提升连接轴与驱动机构的连接稳定性；阶梯段靠近挤压头设置，且阶梯段的端面与挤压头向外延伸的展宽部相连接，有利于从驱动机构经过连接轴到达挤压头的挤压力的传导，提高装置的稳定性；旋转驱动单元与连接轴相连接驱动所述挤压头实现对复合增材制造过程中的材料进行旋转挤压，实现复合增材制造过程中小变形量加工，有利于消除材料及相应构件的择优取向，细化材料及相应构件的组织结构，提高材料及相应构件的力学性能。

本发明还提供一种复合增材制造系统，包括所述的旋转挤压装置，还包括材料熔化装置，所述材料熔化装置包括熔覆头和材料供给机构，所述熔覆头用于熔化所述材料供给机构供给的材料，所述旋转挤压装置的旋转挤压头用于对熔化的所述材料进行旋转挤压。

进一步地，所述材料包括纯金属、合金及含有强化材料的金属基复合材料中的至少一种。

进一步地，所述复合增材制造系统还包括数控机床和铣削头，所述数控机床分别与所述旋转挤压装置、所述熔覆头和/或所述铣削头相连接；或者还包括单/双机器人，所述单/双机器人分别与所述旋转挤压装置、所述熔覆头和/或所述铣削头相连接。

本发明所述的复合增材制造系统相对于现有技术的优势在于，本发明通过在复合增材制造系统中引进旋转挤压装置，并与材料熔化装置相配合，通过熔覆头熔化材料供给机构供给的材料，旋转挤压装置的旋转挤压头对熔化的材料进行旋转挤压，实现增材制造，保证了复合增材制造过程一次近净成形，避免了采用大变形量后破坏材料结构和尺寸的问题，且本发明的设备结构简单，加工方便、成本低。由复合增材制造系统加工的材料，有利于消除材料的择优取向，并使材料及相应构件具有晶粒细小、组织均匀、无各向异性、材料力学性能优异的特点。

本发明还提供一种复合增材制造方法，根据所述的复合增材制造系统进行复合增材制造，包括如下步骤：

采用材料熔化装置将材料熔化并沉积；

通过旋转挤压装置对所述材料的沉积层进行旋转挤压处理；

重复上述步骤直至得到复合增材制造材料。

进一步地，所述对所述材料的沉积层进行旋转挤压处理包括：

对所述材料的沉积层表面进行平整化处理后，再采用具有光面挤压端部的旋转挤压头进行旋转挤压；

或者，直接采用具有导向槽结构的旋转挤压头对所述材料的沉积层表面进行旋转挤压。

进一步地，所述旋转挤压时的压力范围为200-12000N，旋转速度为1000-20000r/min。

本发明所述的复合增材制造方法相对于现有技术的优势在于，本发明通过在复合增材制造的沉积过程中对材料的沉积层进行旋转挤压，实现小变形量多维度的材料组织调整，保留了复合增材制造材料的一次近净成形，避免了传统制造方法中采用大变形量后破坏材料结构和尺寸的问题，工艺简单，成本低，本发明通过在增材制造过程中沿沉积层进行旋转挤压，消除了材料的择优取向，使得到的增材制造材料及相应构件具有晶粒细小、组织均匀、无各向异性、材料力学性能优异的特点。

附图说明

图1为本发明实施例中复合增材制造系统包括双机器人的结构示意图；

图2为本发明实施例中光面旋转挤压头结构示意图；

图3为本发明实施例中具有导向槽的旋转挤压头结构示意图一；

图4为本发明实施例中具有导向槽的旋转挤压头结构示意图二；

图5为本发明实施例中具有导向槽的旋转挤压头结构示意图三；

图6为本发明实施例中具有导向槽的旋转挤压头立体结构图；

图7为本发明实施例1中挤压样品的EBSD图；

图8为本发明实施例1中未挤压样品的EBSD图；

图9为本发明实施例2中挤压样品的SEM图；

图10为本发明实施例2中未挤压样品的SEM图；

图11为本发明实施例中的复合增材制造系统包括数控机床的结构示意图；

图12为本发明实施例中的复合增材制造系统包括单机器人的结构示意图。

附图标记说明：

1-旋转挤压头；11-连接轴；12-轴座；13-挤压头；131-挤压端部；132-螺纹状沟槽；133-十字沟槽；14-阶梯段；2-熔覆头；3-增材制造材料；4-机器人；5-数控机床。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

需要说明的是，在本申请实施例的描述中，术语“一些具体的实施例”的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

如图1至图5所示，本发明实施例提供一种旋转挤压装置，用于复合增材制造，包括旋转挤压头和与旋转挤压头连接的驱动机构，旋转挤压头包括连接轴、轴座和挤压头，连接轴的一端与挤压头相连接，轴座环绕连接轴的周向向外延伸设置，连接轴上设有阶梯段，阶梯段靠近挤压头设置，且阶梯段的端面与挤压头向外延伸的展宽部相连接；驱动机构包括旋转驱动单元，旋转驱动单元与连接轴相连接以驱动挤压头对材料进行旋转挤压。

本发明实施例通过连接轴连接驱动机构和挤压头，对挤压头的进行驱动，并通过轴座实现连接轴的连接定位，提升连接轴与驱动机构的连接稳定性；阶梯段靠近挤压头设置，且阶梯段的端面与挤压头向外延伸的展宽部相连接，有利于从驱动机构经过连接轴到达挤压头的挤压力的传导，提高装置的稳定性；旋转驱动单元与连接轴相连接驱动所述挤压头实现对复合增材制造过程中的材料进行旋转挤压，实现复合增材制造过程中小变形量加工，有利于消除材料及相应构件的择优取向，细化材料及相应构件的组织结构，提高材料及相应构件的力学性能。

具体地，如图1所示，旋转驱动单元包括高速旋转主轴，高速旋转主轴与连接轴相连接，连接轴为靠近高速旋转主轴的一端的端面直径小于靠近轴座的一端的端面直径，方面与高速旋转主轴插接。轴座的设置为高速旋转主轴与连接轴的连接位置进行了限定。本实施例中的阶梯段环绕连接轴靠近挤压头的端部设置，阶梯段包括锥形段，本实施例中挤压头向外延伸的展宽部是指挤压头沿着与连接轴连接处向外延伸的部分，如图2至图5所示，阶梯段与展宽部连接有利于连接轴端部与挤压头之间力的传导的稳定性。

在一些具体的实施例中，如图2所示，挤压头包括挤压端部，挤压端部为光面。由此，对材料进行旋转挤压时，光面有利于材料的均匀搅动。减少摩擦阻力。可选地挤压端部的形状可以为平面或弧形面，由此，根据材料形变需求，选取具有平面或弧形面的旋转挤压头，实现灵活挤压。

在一些具体的实施例中，挤压端部上设有导向槽，导向槽与旋转驱动单元相配合，用于旋转时驱动导向槽将材料导向挤压端部的中心。

具体地，如图3至图5所示，本实施例中的导向槽的结构不做具体的限定，凡是具有材料导向功能的结构均可以加以利用，结合旋转方向，实现材料向挤压端部移动，得到充分的挤压，有利于材料组织的均匀化。在一些较佳的实施例中，导向槽包括螺纹状沟槽或十字沟槽或螺纹状沟槽与十字沟槽相结合，结构简单清晰，易于加工，且材料导向效果好。

在一些具体的实施例中，旋转挤压头采用的材料包括金属、陶瓷和复合材料中的一种。由此，对旋转挤压头的材质不进行具体的限制，根据具体需要可进行更换，有利于匹配对应的增材制造材料，提高旋转挤压效率。

本发明实施例还提供一种复合增材制造系统，包括旋转挤压装置，还包括材料熔化装置，材料熔化装置包括熔覆头和材料供给机构，熔覆头用于熔化材料供给机构供给的材料，旋转挤压装置的旋转挤压头用于对熔化的材料进行旋转挤压。

如图1所示，本发明实施例通过在复合增材制造系统中引进旋转挤压装置，并与材料熔化装置相配合，通过熔覆头熔化材料供给机构供给的材料，旋转挤压装置的旋转挤压头对熔化的材料进行旋转挤压，实现增材制造，保证了复合增材制造过程一次近净成形，避免了采用大变形量后破坏材料结构和尺寸的问题，且本发明的设备结构简单，加工方便、成本低。由复合增材制造系统加工的材料，有利于消除材料及相应构件的择优取向，并使材料及相应构件具有晶粒细小、组织均匀、无各向异性、材料力学性能优异的特点。

具体地，本实施例中的熔覆头与能量源相结合，能量源可以是激光、电子束、等离子体、电弧中的一种或任意几种组合，对材料进行熔覆。材料供给机构的供给方式包括送粉式或铺粉式。

本实施例将增材制造装置与材料变形类装置进行了简化，省去专门的材料变形类装置，例如：锻造类、轧制类等较大型装置，节约了成本。将旋转挤压装置与复合增材制造用的材料熔化装置配合，可实现制备过程到制备结束后全过程的材料组织的调整，不同于传统设备只能对增材制造结束后的材料进行材料组织调整，相对于现有技术增材制造后的被动调整，本发明实施例在过程中的材料组织调整具有绝对的优势。因此，本发明实施例所述的复合增材制造系统在不影响一次净成型优势的前提下，不破坏材料的结构和尺寸，同时还消除材料的择优取向，并使材料具有晶粒细小、组织均匀、无各向异性，极大地提高了材料力学性能。

在一些具体的实施例中，材料包括纯金属、合金及含有强化材料的金属基复合材料中的至少一种。其中强化材料又包括碳化物、氮化物、硼化物和氧化物中的至少一种。由于，能量源的选取广泛，有利于材料的加工，由此适用的材料较为广泛，有利于进行制造各种复合增材制造材料。

在一些具体的实施例中，复合增材制造系统还包括数控机床5和铣削头，数控机床5分别与旋转挤压装置、熔覆头和/或铣削头相连接；或者还包括单/双机器人，单/双机器人分别与旋转挤压装置、熔覆头和/或铣削头相连接。

如图1所示，本实施例中的复合增材制造系统采用将旋转挤压装置、熔覆头安装在数控机床5或单/双机器人的机械臂上，如图1所示，实现复合增材制造。当安装在单/双机器人的机械臂上时，控制旋转挤压头移动速度，使移动速度范围在1-100mm/s，也可根据材料需求调整移动速度。本实施例通过与现有装置结合降低复合增材制造系统的制造成本，扩大复合增材制造系统的应用场景，有利于复合增材制造过程智能化、规模化。

本发明实施例还提供一种复合增材制造方法，根据复合增材制造系统进行复合增材制造，包括如下步骤：

采用材料熔化装置将材料熔化并沉积；

通过旋转挤压装置对材料的沉积层进行旋转挤压处理；

重复上述步骤直至得到复合增材制造材料。

本发明实施例利用复合增材制造系统在复合增材制造的沉积过程中对材料的沉积层进行旋转挤压，实现小变形量多维度的材料组织调整，保留了复合增材制造材料的一次近净成形，避免了传统制造方法中采用大变形量后破坏材料结构和尺寸的问题，工艺简单，成本低，本发明通过在增材制造过程中沿沉积层进行旋转挤压，消除了材料及相应构件的择优取向，使得到的增材制造材料及相应构件具有晶粒细小、组织均匀、无各向异性、材料力学性能优异的特点。

具体地，本实施例中的材料指的是可用于增材制造的材料，材料的形式包括粉末、丝材、浆料和膏状材料中的至少一种。将上述材料熔化并沉积，其中，熔化采用的能量源包括激光、电子束、等离子体和电弧中的至少一种，再对材料的沉积层进行旋转挤压处理，此处的沉积层可为一层也可为多层，可以沉积一层材料后即进行旋转挤压处理，或沉积多层后再进行旋转挤压处理，根据材料的性能需求进行旋转挤压操作。由此，细致地对材料逐层进行旋转挤压处理，有利于细化晶粒，消除各向异性，提高复合增材制造过程中材料性能的可控性。

在一些具体的实施例中，对材料的沉积层进行旋转挤压处理包括：

对材料的沉积层表面进行平整化处理后，再采用具有光面挤压端部的旋转挤压头进行旋转挤压；

或者，直接采用具有导向槽结构的旋转挤压头对材料的沉积层表面进行旋转挤压。

本实施例中，针对所需增材制造材料的特性及沉积情况进行旋转挤压处理，具体地，先通过整平工具对沉积层表面进行平整化处理，再通过旋转挤压头进行旋转挤压即可，其中，平整化处理可为通过铣削头或切削刀对沉积层表面进行铣削或切削，使沉积层表面达到旋转挤压前的平整化要求。或者，针对需要细化处理的，直接采用具有微切削结构的旋转挤压头对材料的沉积层表面进行旋转挤压，减少了加工步骤，利用挤压面的微切削结构，使旋转挤压时材料向着被挤压的方向流动，增加材料塑性变形，同时有利于细化晶粒，改变增材制造择优取向，使材料具备更加优异的力学性能。

在一些具体的实施例中，旋转挤压时的压力范围为200-12000N，旋转速度为1000-20000r/min。

具体地，本实施例中的旋转挤压时的压力和旋转速度可针对材料进行调整。对于铝、铜、镁等轻质材料，采用较小的挤压压力和旋转速度即可达到预定的挤压效果；而针对铁基、镍基、钴基等硬质材料，需要较大的挤压压力和旋转速度才可以实现预定的挤压效果。由此，旋转转速与挤压压力相配合，针对材料特性，优选合适的旋转挤压参数高效实现材料的挤压形变，达到所需的预定挤压效果。

实施例1

本实施例利用复合增材制造系统及方法进行增材制造，具体如下：

（1）结合图1和图3所示，采用双机器人中的一台机器人连接熔覆头，并结合材料供给机构进行激光增材制造316L不锈钢，并沉积材料1mm；（2）在另一台机器人上安装切削头对增材制造样品表面进行平整化处理；（3）取下切削头，更换上具有光滑挤压面的旋转挤压头，并对增材制造样品表面进行旋转挤压；（4）在挤压后的样品表面重复上述步骤，直至样品沉积高度达到5mm，得到所需的增材制造材料。其中，旋转挤压头的旋转转速为4000r/min，旋转挤压头的压力值为400N；材料的供给方式采用送粉式，熔覆头熔化材料的能量源为激光。

与未采用复合增材制造系统进行旋转挤压的增材制造样品进行对比，在微结构和力学性能方面，如图7和图8所示，挤压后的样品不具有明显的择优取向，与未挤压样品相比，挤压后的样品结构组织更均匀。未挤压样品沿XY方向屈服强度428MPa，XZ方向屈服强度356MPa；挤压后的样品沿XY方向屈服强度457MPa，XZ方向屈服强度435MPa，各向异性明显改善。

实施例2

本实施例利用复合增材制造系统及方法进行增材制造，具体如下：

（1）结合图4至图6及图12所示，通过连接在机器人上的熔覆头增材制造AlCrFeNiV高熵合金，沉积高度约1mm；（2）取下熔覆头，安装电主轴并在电主轴顶端安装具有导向槽的旋转挤压头；（3）对增材制造样品表面进行旋转挤压；（4）在挤压后的样品表面重复上述步骤，直至样品沉积高度达到5mm，得到所需的AlCrFeNiV高熵合金。其中，旋转挤压头的旋转转速为7000r/min，旋转挤压头的压力值为800N；材料的供给方式采用送粉式，熔覆头熔化材料的能量源为激光。

与未采用复合增材制造系统进行旋转挤压的增材制造样品进行对比，在微结构和力学性能方面，如图9和图10所示，挤压后的样品与未挤压样品相比，胞状结构明显变得细小，未挤压样品沿XY方向屈服强度352MPa，挤压后的样品沿XY方向屈服强度405MPa，强度明显提升。

实施例3

本实施例利用复合增材制造系统及方法进行增材制造，具体如下：

（1）结合图4至图6及图11所示，将熔覆头安装在数控机床5上进行增材制造，沉积高度约1mm；（2）取下熔覆头，安装电主轴并在电主轴顶端安装具有导向槽的旋转挤压头；（3）对增材制造样品表面进行旋转挤压；（4）在挤压后的样品表面重复上述步骤，直至样品沉积高度达到5mm，得到CoCrNi中熵合金样品。其中，旋转挤压头的旋转转速为10000r/min，旋转挤压头的压力值为900N；材料的供给方式采用送粉式，熔覆头熔化材料的能量源为激光。通过该方法制备的CoCrNi中熵合金沿XY方向屈服强度为655MPa，处于现有技术中的CoCrNi合金强度的优值范围。

虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种旋转挤压装置，用于复合增材制造，其特征在于，包括旋转挤压头（1）和与所述旋转挤压头（1）连接的驱动机构，所述旋转挤压头（1）包括连接轴（11）、轴座（12）和挤压头（13），所述连接轴（11）的一端与所述挤压头（13）相连接，所述轴座（12）环绕所述连接轴（11）的周向向外延伸设置，所述连接轴（11）上设有阶梯段（14），所述阶梯段（14）靠近所述挤压头（13）设置，且所述阶梯段（14）的端面与所述挤压头（13）向外延伸的展宽部相连接；所述驱动机构包括旋转驱动单元，所述旋转驱动单元与所述连接轴（11）相连接以驱动所述挤压头（13）对材料进行旋转挤压。

2.根据权利要求1所述的旋转挤压装置，其特征在于，所述挤压头（13）包括挤压端部（131），所述挤压端部（131）为光面。

3.根据权利要求2所述的旋转挤压装置，其特征在于，所述挤压端部（131）上设有导向槽，所述导向槽与所述旋转驱动单元相配合，用于旋转时驱动所述导向槽将所述材料导向所述挤压端部（131）的中心。

4.根据权利要求3所述的旋转挤压装置，其特征在于，所述导向槽包括螺纹状沟槽（132）和/或十字沟槽（133）。

5.一种复合增材制造系统，其特征在于，包括如权利要求1至4中任一项所述的旋转挤压装置，还包括材料熔化装置，所述材料熔化装置包括熔覆头（2）和材料供给机构，所述熔覆头（2）用于熔化所述材料供给机构供给的材料，所述旋转挤压装置的旋转挤压头（1）用于对熔化的所述材料进行旋转挤压。

6.根据权利要求5所述的复合增材制造系统，其特征在于，所述材料包括纯金属、合金及含有强化材料的金属基复合材料中的至少一种。

7.根据权利要求5所述的复合增材制造系统，其特征在于，还包括数控机床（5）和铣削头，所述数控机床（5）分别与所述旋转挤压装置、所述熔覆头（2）和/或所述铣削头相连接；或者还包括单/双机器人（4），所述单/双机器人（4）分别与所述旋转挤压装置、所述熔覆头（2）和/或所述铣削头相连接。

8.一种复合增材制造方法，其特征在于，根据权利要求5至7中任一项所述的复合增材制造系统进行复合增材制造，包括如下步骤：

采用材料熔化装置将材料熔化并沉积；

通过旋转挤压装置对所述材料的沉积层进行旋转挤压处理；

重复上述步骤直至得到复合增材制造材料。

9.根据权利要求8所述的复合增材制造方法，其特征在于，所述对所述材料的沉积层进行旋转挤压处理包括：

对所述材料的沉积层表面进行平整化处理后，再采用具有光面挤压端部（131）的旋转挤压头（1）进行旋转挤压；

或者，直接采用具有导向槽结构的旋转挤压头（1）对所述材料的沉积层表面进行旋转挤压。

10.根据权利要求9所述的复合增材制造方法，其特征在于，所述旋转挤压时的压力范围为200-12000N，旋转速度为1000-20000r/min。

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