CN115091025A - 差速摩擦挤压沉积固态增材制造机头、固态制造装置 - Google Patents

差速摩擦挤压沉积固态增材制造机头、固态制造装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种差速摩擦挤压沉积固态增材制造机头、固态制造装置，其中的固态增材制造机头包括：内旋转套筒，能够被驱动以第一转速旋转，内旋转套筒的第一通孔用于容置增材原料，且增材原料能够伴随内旋转套筒同步旋转；外旋转套筒，套装于内旋转套筒的外圆周侧，能够被驱动以第二转速旋转，第一转速与第二转速不相等；摩擦模具，连接于外旋转套筒的轴向第一端上。本发明增材原料跟随内旋转套筒同步旋转进而带动挤出孔挤出的软化材料相对于已沉积的沉积层或者待增材工件产生相对运动，增大了挤出材料的心部变形量，对所沉积材料的微观组织调控能力增强，被沉积材料外围和内部微观组织均匀、性能均匀，所制备工件能满足更苛刻的工业需求。

Description

差速摩擦挤压沉积固态增材制造机头、固态制造装置
技术领域
本发明属于材料固态制造装备设计技术领域，具体涉及一种差速摩擦挤压沉积固态增材制造机头、固态制造装置。
背景技术
搅拌摩擦沉积增材制造技术是基于搅拌摩擦焊接和加工原理拓展而来的一项新型增材制造技术。在搅拌摩擦沉积增材制造过程中，材料不熔化，在低于熔点的温度下经历剧烈塑性变形，实现材料的逐层沉积、连接，因此增材零件内部无凝固缺陷、微观组织细小、均匀。与基于材料熔化、凝固的增材制造方法所制备的金属构件相比，性能优势十分明显。因而该新技术一经问世，立即在航天、船舶、特种车辆等领域获得了应用。
现有的搅拌摩擦沉积增材制造技术包括摩擦堆焊(Friction Surfacing，FS)、复合金属挤压与连接增材(HybridMetal Extrusion&Bonding,HYB)及增材摩擦搅拌沉积(Additive Friction Stir Deposition,AFSD)工艺等。这些技术沉积过程中均需要对下层金属施加较大的压力，需要等待已经沉积的金属冷却、坚固后再沉积下一层金属，一般层与层之间的等待时间大于15分钟，降低了实际沉积(增材)效率。
为了降低对下层金属施加的压力、缩短等待时间、提高实际沉积效率，发明人提出了一种新系统和工艺(对应的专利申请号为CN114423588 A)，适合于将材料在沉积前就进行软化，软化后的材料不需要对已沉积金属施加很大压力，可大幅缩短层与层之间的沉积等待时间，提高了沉积效率。但是发明人在实际应用中发现，当挤出孔尺寸过大时，挤出材料的心部变形量小，所制备的材料微观组织和性能很不均匀，造成被沉积材料外围和内部微观组织差异大，无法完全满足某些对工件组织、性能要求非常苛刻的工业需求。
发明内容
因此，本发明提供一种差速摩擦挤压沉积固态增材制造机头、固态制造装置，能够解决现有技术中摩擦挤压沉积增材固态制造设备中的挤出孔尺寸过大时，挤出材料的心部变形量小，沉积材料外围和内部微观组织差异大，无法完全满足某些对工件组织、性能要求非常苛刻的工业需求的技术问题。
为了解决上述问题，本发明提供一种差速摩擦挤压沉积固态增材制造机头，包括：
内旋转套筒，能够被驱动以第一转速旋转，所述内旋转套筒构造有沿其轴向贯通其两端的第一通孔，所述第一通孔用于容置增材原料，且所述增材原料能够伴随所述内旋转套筒同步旋转；
外旋转套筒，套装于所述内旋转套筒的外圆周侧，能够被驱动以第二转速旋转，所述第一转速与所述第二转速不相等；
摩擦模具，连接于所述外旋转套筒的轴向第一端上，其具有与所述内旋转套筒的轴向第一端对应的挤出孔以及围绕所述挤出孔的孔口的摩擦面，所述摩擦面能够与所述增材原料接触。
在一些实施方式中，
所述第一转速高于所述第二转速。
在一些实施方式中，
所述内旋转套筒的所述轴向第一端上可拆卸地连接有耐热头。
在一些实施方式中，
所述内旋转套筒与所述外旋转套筒之间通过第一轴承可旋转地连接，所述内旋转套筒的外周侧套装有第一保护套筒，所述第一轴承的内圈套装于所述第一保护套筒的外周壁上。
在一些实施方式中，
所述差速摩擦挤压沉积固态增材制造机头还包括机头外壳，所述机头外壳与所述外旋转套筒之间通过第二轴承可旋转地连接，所述外旋转套筒的外周侧套装有第二保护套筒，所述第二轴承的内圈套装于所述第二保护套筒的外周壁上。
在一些实施方式中，
所述第一保护套筒与所述内旋转套筒之间形成冷却流道；和/或，所述第二保护套筒与所述外旋转套筒之间形成冷却流道。
在一些实施方式中，
所述差速摩擦挤压沉积固态增材制造机头还包括第一驱动部件，用于驱动所述内旋转套筒以所述第一转速旋转；第二驱动部件，用于驱动所述外旋转套筒以所述第二转速旋转；还包括增材原料的进给部件，所述第一驱动部件还驱动所述进给部件以所述第一转速旋转。
在一些实施方式中，
所述增材原料为铝镁合金棒材，所述挤出孔的直径为d1，所述铝镁合金棒材的直径为d2，所述第一转速为R1，所述第二转速为R2，R1>R2且同向，
Figure BDA0003770001580000031
本发明还提供一种固态制造装置，包括固态制造机头，所述固态制造机头为上述的摩擦沉积增材固态制造机头。
在一些实施方式中，所述固态制造装置还包括工作台以及升降组件，其中所述工作台用于放置待增材工件，所述升降组件与所述摩擦沉积增材固态制造机头连接，以控制所述摩擦沉积增材固态制造机头升降。
本发明提供的一种差速摩擦挤压沉积固态增材制造机头、固态制造装置，一方面，内旋转套筒与外旋转套筒之间形成差速能够使增材原料与摩擦模具之间摩擦生热进而使增材原料软化形成延展性状态后经由挤出孔挤出至其下方的待增材工件上形成沉积层，实现摩擦增材固态制造的目的，另一方面，增材原料跟随内旋转套筒同步旋转进而带动挤出孔挤出的软化材料相对于已沉积的沉积层或者待增材工件产生相对旋转摩擦运动，也即对挤出的软化材料形成搅拌摩擦作用，从而增大了挤出材料的心部变形量，对所沉积材料的微观组织调控能力增强，被沉积材料外围和内部微观组织均匀、性能均匀，所制备工件能满足更苛刻的工业需求。
附图说明
图1为本发明实施例的差速摩擦挤压沉积固态增材制造机头的原理结构示意图；
图2为本发明实施例的差速摩擦挤压沉积固态增材制造机头的内部结构示意图；
图3为本发明实施例的差速摩擦挤压沉积固态增材制造机头的外观结构示意图；
图4为本发明实施例的固态制造装置的结构示意图。
附图标记表示为：
1、内旋转套筒；11、第一通孔；12、耐热头；2、外旋转套筒；3、摩擦模具；31、挤出孔；32、摩擦面；41、第一轴承；42、第二轴承；51、第一保护套筒；52、第二保护套筒；6、机头外壳；71、第一驱动部件；72、第二驱动部件；73、进给部件；8、安装板；100、增材原料；101、工作台；102、升降组件；103、待增材工件；104、沉积层；105、立柱；106、底座；200、固态制造机头。
具体实施方式
结合参见图1至图4所示，根据本发明的实施例，提供一种差速摩擦挤压沉积固态增材制造机头，包括：内旋转套筒1，能够被驱动以第一转速旋转，内旋转套筒1构造有沿其轴向贯通其两端的第一通孔11，第一通孔11用于容置增材原料100，且增材原料100能够伴随内旋转套筒1同步旋转；外旋转套筒2，套装于内旋转套筒1的外圆周侧，能够被驱动以第二转速旋转，第一转速与第二转速不相等，也即内旋转套筒1与外旋转套筒2之间形成差速；摩擦模具3，连接(具体可以通过螺栓连接)于外旋转套筒2的轴向第一端上，其具有与内旋转套筒1的轴向第一端对应的挤出孔31以及围绕挤出孔31的孔口的摩擦面32，摩擦面32能够与增材原料100接触。该技术方案中，一方面，内旋转套筒1与外旋转套筒2之间形成差速能够使增材原料100与摩擦模具3之间摩擦生热进而使增材原料100软化形成延展性状态后经由挤出孔31挤出至其下方的待增材工件103上形成沉积层104，实现摩擦增材固态制造的目的，另一方面，增材原料100跟随内旋转套筒1同步旋转进而带动挤出孔31挤出的软化材料相对于已沉积的沉积层104或者待增材工件103产生相对旋转摩擦运动，也即对挤出的软化材料形成搅拌摩擦作用，从而增大了挤出材料的心部变形量，对所沉积材料的微观组织调控能力增强，被沉积材料外围和内部(也即心部)微观组织均匀、性能均匀，所制备工件能满足更苛刻的工业需求。理想状态下，内旋转套筒1与外旋转套筒2的旋转轴线应共轴，而能够理解的，在一些情况下，两者的旋转轴线可能会由于加工精度的不利影响存在一定的偏离。
理论上，内旋转套筒1与外旋转套筒2两者之间不同步也即形成差速即可，当然，根据具体的增材原料100的不同，差速的大小合理选择即可，此处的差速例如可以是同一旋向的两个不同的速度值，在一些情况下，此处的差速还可以是旋转不同的两个速度，在一个具体的实施例中，第一转速与第二转速的旋向相同，例如同为顺时针或者同为逆时针，第一转速高于第二转速具体为第一转速的速度值高于第二转速的速度值，如此，能够保证挤出孔31挤出材料的心部相对于外周具有更大的搅拌扰动能力，从而进一步利于沉积材料的外围与内部(也即心部)微观组织与性能的均匀。前述的第一转速以及第二转速的旋转速度例如为100-3000rpm。
在一些实施方式中，内旋转套筒1的轴向第一端上可拆卸地连接有耐热头12，能够理解的是，该耐热头12的具体材料根据不同的材料选择匹配即可，因为不同的材料其软化温度不尽相同，对应转速也就有所差异，耐热头12可拆卸地连接于内旋转套筒1的轴向第一端能够实现不同材质的增材原料100对应不同材质的耐热头12的同时，还能够在耐热头12有损坏的时候无需整体更换内旋转套筒1，仅更换耐热头12即可，极大的降低了机头的维护成本。需要特别说明的是，为了保证增材原料100的利用率以及进给顺畅性，优选地，耐热头12的穿孔孔口与摩擦模具3之间的间隙应足够小，防止增材原料100在软化后经由这一间隙横向延展于摩擦模具3朝向内旋转套筒1的一侧，在一个具体的实施例中，该间隙为δ，δ范围为0.01mm-1mm,在某些实施例中δ范围为0.05mm-0.3mm。
具体参见图2所示，内旋转套筒1与外旋转套筒2之间通过至少两个第一轴承41可旋转地连接，内旋转套筒1的外周侧套装有第一保护套筒51，第一轴承41的内圈套装于第一保护套筒51的外周壁上，如此，通过第一保护套筒51的设置能够在第一轴承41发生损坏时防止其进一步对处于其内侧的内旋转套筒1造成损坏；同样道理的，摩擦沉积增材固态制造机头还包括机头外壳6，机头外壳6与外旋转套筒2之间通过至少两个第二轴承42可旋转地连接，外旋转套筒2的外周侧套装有第二保护套筒52，第二轴承42的内圈套装于第二保护套筒52的外周壁上。机头外壳6将旋转件封装于其内形成一个相对密封的空间，防止外部灰尘等对内部轴承的不利，同时，第二保护套筒52的设置能够在第二轴承42发生损坏时防止其进一步对处于其内侧的外旋转套筒2造成损坏。在另一个优选地实施例中，第一保护套筒51与内旋转套筒1之间形成冷却流道(图中未示出)；和/或，第二保护套筒52与外旋转套筒2之间形成冷却流道(图中未示出)，该冷却流道中可以通入对应的冷却介质，从而能够对内旋转套筒1及外旋转套筒2形成有效冷却，防止摩擦生热从摩擦面32处内旋转套筒1及外旋转套筒2的其他区域的热辐射、热传导，提高轴承的使用寿命，有效降低内旋转套筒1及外旋转套筒2的整体热变形。
在一个具体的实施例中，摩擦沉积增材固态制造机头还包括第一驱动部件71，用于驱动内旋转套筒1以第一转速旋转；第二驱动部件72，用于驱动外旋转套筒2以第二转速旋转，如此将第一驱动部件71以及第二驱动部件72皆集成于摩擦沉积增材固态制造机头中，能够便于其与相应的固态制造装置的组装过程。第一驱动部件71及第二驱动部件72具体可以为回转电机，回转电机通过皮带轮与相应的内旋转套筒1及外旋转套筒2传动连接。在一个具体的实施例中，如图3所示，摩擦沉积增材固态制造机头还包括一安装板8，第一驱动部件71与第二驱动部件72皆固定连接于该安装板8上，通过该安装板8将摩擦沉积增材固态制造机头内的各个部件形成为一个有机整体。进一步的，摩擦沉积增材固态制造机头还包括增材原料100的进给部件73，第一驱动部件71还驱动进给部件73以第一转速旋转，具体而言，进给部件73可以为一个伸缩杆组件(例如气缸或者电动推杆等)，还可以是夹送辊(针对于增材原料为棒材时)、旋转螺杆(针对于增材原料为粉料或碎屑时)该进给部件73通过相应的安装座固定连接于安装板8上。在另一个具体的实施方式中，增材原料100具体为棒材，棒材的外周壁上与内旋转套筒1之间具有第二凹凸定位结构(限定周向位移)，以保证棒材与内旋转套筒1之间的周向位置相对固定，保证棒料与内旋转套筒1的旋转同步性以及棒材进给的可靠稳定。在另一个优选的实施例中，进给部件73的推杆具有与可相对该推杆旋转的推料头，该推料头与棒材的端部之间通过相应的第一凹凸定位结构连接，以保证棒材与推料头之间的周向位置相对固定。
在一个具体的实施例中，当增材原料100为铝镁合金棒材时，挤出孔31的直径为d1，铝镁合金棒材的直径为d2，第一转速为R1，第二转速为R2，R1>R2且同向，
Figure BDA0003770001580000061
如此差速软接触增材与其他固态增材制造技术相比，微观组织均匀性和增材效率综合优势明显。
具体参见图4所示，本发明还提供一种固态制造装置，包括固态制造机头200，所述固态制造机头200为上述的差速摩擦挤压沉积固态增材制造机头。具体而言，固态制造装置底座106以及固定连接于该底座106上的立柱105，底座106的顶面上设置有工作台101、立柱105上则具有升降组件102，其中工作台101用于放置待增材工件103，升降组件102与差速摩擦挤压沉积固态增材制造机头连接，以控制差速摩擦挤压沉积固态增材制造机头升降。前述的工作台101在一些工况下可以被配置为能够平移的结构，以能够带动其上的待增材工件103平移，实现沉积层104按照沉积规划路径增材。前述的升降组件102具体可以为一种能够上下滑动的滑枕部件，固态制造机头200通过其安装板8与滑枕部件中的滑动件固定连接，实现固态制造机头200的高度位置的调整。
以下结合一个具体的实施例对本发明的技术方案进一步阐述：
采用直径6-12mm铝合金棒料为原材料，将铝合金棒料放入内旋转套筒1内，铝合金棒料底部与摩擦模具3内表面(也即前述的摩擦面32)接触，铝合金棒料顶部与推杆(也即前述的进给部件73)通过防旋转凹槽(也即前述的第一凹凸定位结构)相连，铝合金棒料、推杆和内旋转套筒1均同速高速旋转，转速为1000-1500rpm，外旋转套2与摩擦模具3相连，转速为400-800rpm。在驱动系统的作用下，推杆以20-200mm/min的速率将棒料推向摩擦模具3。挤出孔31直径建议为棒料直径的1/3至2/3。被挤出的铝合金被沉积模具外表面逐层涂抹到基板(也即前述的待增材工件103)上，沉积厚度为1-3mm，机头相对基板的行进速度(由前述的工作台101驱动)为50-500mm/min。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各方式的有利技术特征可以自由地组合、叠加。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种差速摩擦挤压沉积固态增材制造机头，其特征在于，包括：
内旋转套筒(1)，能够被驱动以第一转速旋转，所述内旋转套筒(1)构造有沿其轴向贯通其两端的第一通孔(11)，所述第一通孔(11)用于容置增材原料(100)，且所述增材原料(100)能够伴随所述内旋转套筒(1)同步旋转；
外旋转套筒(2)，套装于所述内旋转套筒(1)的外圆周侧，能够被驱动以第二转速旋转，所述第一转速与所述第二转速不相等；
摩擦模具(3)，连接于所述外旋转套筒(2)的轴向第一端上，其具有与所述内旋转套筒(1)的轴向第一端对应的挤出孔(31)以及围绕所述挤出孔(31)的孔口的摩擦面(32)，所述摩擦面(32)能够与所述增材原料(100)接触。
2.根据权利要求1所述的差速摩擦挤压沉积固态增材制造机头，其特征在于，所述第一转速高于所述第二转速。
3.根据权利要求1或2所述的差速摩擦挤压沉积固态增材制造机头，其特征在于，所述内旋转套筒(1)的所述轴向第一端上可拆卸地连接有耐热头(12)。
4.根据权利要求1所述的差速摩擦挤压沉积固态增材制造机头，其特征在于，
所述内旋转套筒(1)与所述外旋转套筒(2)之间通过第一轴承(41)可旋转地连接，所述内旋转套筒(1)的外周侧套装有第一保护套筒(51)，所述第一轴承(41)的内圈套装于所述第一保护套筒(51)的外周壁上。
5.根据权利要求4所述的差速摩擦挤压沉积固态增材制造机头，其特征在于，
还包括机头外壳(6)，所述机头外壳(6)与所述外旋转套筒(2)之间通过第二轴承(42)可旋转地连接，所述外旋转套筒(2)的外周侧套装有第二保护套筒(52)，所述第二轴承(42)的内圈套装于所述第二保护套筒(52)的外周壁上。
6.根据权利要求5所述的差速摩擦挤压沉积固态增材制造机头，其特征在于，
所述第一保护套筒(51)与所述内旋转套筒(1)之间形成冷却流道；和/或，所述第二保护套筒(52)与所述外旋转套筒(2)之间形成冷却流道。
7.根据权利要求1所述的差速摩擦挤压沉积固态增材制造机头，其特征在于，还包括第一驱动部件(71)，用于驱动所述内旋转套筒(1)以所述第一转速旋转；第二驱动部件(72)，用于驱动所述外旋转套筒(2)以所述第二转速旋转；还包括增材原料(100)的进给部件(73)，所述第一驱动部件(71)还驱动所述进给部件(73)以所述第一转速旋转。
8.根据权利要求1所述的差速摩擦挤压沉积固态增材制造机头，其特征在于，所述增材原料(100)为铝镁合金棒材，所述挤出孔(31)的直径为d1，所述铝镁合金棒材的直径为d2，所述第一转速为R1，所述第二转速为R2，R1>R2且同向，
Figure FDA0003770001570000021
9.一种固态制造装置，包括固态制造机头(200)，其特征在于，所述固态制造机头(200)为权利要求1至8中任一项所述的差速摩擦挤压沉积固态增材制造机头。
10.根据权利要求9所述的固态制造装置，其特征在于，还包括工作台(101)以及升降组件(102)，其中所述工作台(101)用于放置待增材工件(103)，所述升降组件(102)与所述摩擦沉积增材固态制造机头连接，以控制所述摩擦沉积增材固态制造机头升降。
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