CN115156523B - 一种可制备纳米颗粒增强金属基复合材料的搅拌摩擦增材制造装置 - Google Patents

Abstract

一种可制备纳米颗粒增强金属基复合材料的搅拌摩擦增材制造装置，属于搅拌摩擦增材领域。颗粒输送机构固定装配在支架上。混合挤出机构的复合材料出料桶的小端口与搅拌摩擦增材主轴的进料口密封相连接。支架固定连接在搅拌摩擦主轴的主轴箱体下部。棒料输送机构固定在搅拌摩擦主轴的主轴箱体侧壁。颗粒输送机构的出粉口的小端口与棒料输送机构的出料桶上的小孔连接。棒料输送机构的出料桶的小端口与和混合挤出机构的接口连接。本发明兼顾纳米增强技术和增材制造技术的优势，实现了金属基增强颗粒的均匀混合，能够获得成形效果好、机械性能优良的增材制造成型零件，并且此装置自动化水平高，能够实现轻合金高效高质量增材制造。

Description

一种可制备纳米颗粒增强金属基复合材料的搅拌摩擦增材制 造装置

技术领域

本发明属于搅拌摩擦增材领域，尤其涉及一种可制备纳米颗粒增强金属基复合材料的搅拌摩擦增材制造装置。

背景技术

增材制造是通过可控热源逐层将材料熔化、叠加以快速形成结构件或者功能件的技术。该技术设计自由度高，能够减少材料浪费，有效提高复杂零件的设计周期和生产效率，具有数字制造、降维制造、堆积制造、直接制造、快速制造等特点，给传统制造业带来一系列深刻变革，被誉为引领“第三次工业革命”的关键技术，目前已经被广泛应用于航空航天、国防、医疗、建筑设计等领域。因此该技术受到全球的广泛关注，是国内外相关学者的研究热点。

常用的金属增材制造方法有激光增材制造、电子束增材制造和电弧增材制造。由于轻合金线(铝合金、镁合金膨胀系数大、导热率高等原因，这三种方法均不适用于轻合金的增材制造。在使用激光增材时会产生成型速率慢、光反射率高、能量利用率低、变形大等问题；在使用电子束对轻合金进行增材制造时，零件的尺寸受到限制，且会发生较大变形；在使用电弧增材制造时，零件变形严重，尺寸难以控制。而摩擦增材制造作为一种新型增材制造方法，在轻合金增材制造方面具有独特的优势。

搅拌摩擦增材制造是一种利用摩擦和压力将金属粉末材料或者棒料进行沉积的增材制造技术，为了使增材制造的零件具有更优越的机械性能和成型性，通常的做法是在增材过程中添加特殊的纳米陶瓷颗粒(如TiN、TiC及Al2O3等，纳米陶瓷颗粒可以充当增强基，能够提高增材制造零件的机械性能和成型行。在金属增材制造过程中，添加了纳米陶瓷颗粒的材料称为金属基复合材料。使用金属基复合材料制备的构件具有更长的服役寿命，能够适应更加恶劣的工作环境。

目前，在搅拌摩擦增材制造中，金属基复合材料的制备技术存在不足之处：1、纳米陶瓷颗粒的混入大多采用在母材表面加工小槽(或小孔再填充粉料的方法。开槽或开孔会损坏母材的完整性，甚至会影响最终制造件的力学性能；开槽或者开孔增加了搅拌摩擦增材制造的工艺复杂性，严重影响了制造过程的自动化水平，增加生产成本，降低生产效率，阻碍了此技术的推广。2、增强基颗粒分散均匀。分散不均匀将直接影响增材制造零件的机械性能，严重影响其质量。

本发明的意义在于提供一种可制备纳米颗粒增强金属基复合材料的搅拌摩擦增材制造装置，能够克服上述现有技术的缺点。本发明兼顾纳米增强技术和增材制造技术的优势，实现了金属基增强颗粒的均匀混合，能够获得成型效果好、机械性能优良的增材制造零件，并且此装置自动化水平高，能够实现轻合金高效高质量增材制造。本发明原理简单，在技术上容易实现，将在很大程度上拓宽搅拌摩擦增材制造技术的应用广度和深度。

发明内容

本发明的目的是提供一种可制备纳米颗粒增强金属基复合材料的搅拌摩擦增材制造装置，能够改变增材制造中制备纳米颗粒增强金属基复合材料的方法，在制备过程中无需在母材上开槽或者开孔，并且在制备过程中纳米颗粒与金属基能够混合均匀。

本发明实现上述功能的技术方案是：

一种可制备纳米颗粒增强金属基复合材料的搅拌摩擦增材制造装置，包括搅拌摩擦增材主轴1、棒料输送机构2、颗粒输送机构3、混合挤出机构4、支架5和固定台7，所述搅拌摩擦增材主轴1包括主轴箱体101、螺钉A102、下搅拌头103、电阻丝A104、上搅拌头106、进料口107、螺旋槽108。所述棒料输送机构2包括推力液压缸201、固定架A202、固定架B203、出料桶204、棒料容器206、连接器A207、电阻丝B208和保温层A212。所述颗粒输送机构3包括颗粒容器301、电机A302、出粉口303、连接器B305、联轴器A306、螺杆A307、连接器C308、空腔A309和空腔C311。所述混合挤出机构4包括电机B401、联轴器B402、螺钉B403、电阻丝C404、电阻丝D406、复合材料出料桶406、接口408、空腔B409、保温层B410和螺杆B411。支架5包括吊环501、通口502和电机支撑台503。

所述的棒料输送机构2中，连接器A207的两端分别可拆装连接推力液压缸201和出料桶204，连接器A207内设空腔，用于放置即将要加工的棒料，空腔与推力液压缸201和出料桶204相通；且连接器A207的两端外围分别固定连接固定架A202和固定架B203，用于将棒料输送机构2固定连接在搅拌摩擦主轴1的主轴箱体101侧壁。出料桶204为中空状，内部直径不一致，靠近连接器A207的一段直径大，中间为直径渐变段，直径小的一端为出料口的小端口213。出料桶204外壁缠绕电阻丝B208，内壁有保温层A212。出料桶204上有小孔205。推力液压缸201的推力液压缸活塞211与出料桶204同轴心装配。待加工的棒料放置于棒料容器206中，棒料容器206内所有棒料的规格一致。棒料容器206并排可拆装连接于连接器A207一侧，棒料容器206内部、远离连接器A207的一侧面上垂直于棒料长度方向固定放置弹簧，通过弹簧的弹力依次将棒料容器206中待加工的棒料推至连接器A207空腔中。电阻丝B208有独立的供电电源，电阻丝B208的加热温度可以调节。

所述颗粒输送机构3中，连接器B305为中空，两端分别与电机A302的外壳、连接器C308的一端固定连接。连接器C308内部有空腔A309，空腔A309的轴心与电机A302的转轴同轴心装配。电机A302的转轴与螺杆A307通过联轴器A306可拆装连接。螺杆A307的直径小于空腔A309的直径。电机A302配置有独立的电源，其转速可调。出粉口303与连接器C308的另一端固定连接。出粉口303为圆锥状，内部中空，出粉口303与连接器C308的空腔A309同轴心装配；出粉口303最细的端口为出粉口的小端口304。垂直于空腔A309的连接器C308上开设空腔C311，颗粒容器301的下端为颗粒容器的下端口310，颗粒容器的下端口310呈锥状，颗粒容器的下端口310通过空腔C311与空腔A309相通，且颗粒容器的下端口310与空腔C311之间密封性良好。空腔A309与空腔C311之间连通。

所述混合挤出机构4中，螺杆B411通过联轴器B402与电机B401的转轴连接。电机B401配置由独立的电源，其转速可以调节。复合材料出料桶406内部中空，为空腔B409，螺杆B411位于空腔B409内；空腔B409直径不一致，包括直筒段和圆锥段，圆锥段远离电机B401的一端，圆锥段端部为复合材料出料桶的小端口407；电机B401转轴、联轴器B402、螺杆B411和复合材料出料桶406同轴心装配。复合材料出料桶406的空腔B409内壁有保温层B410，复合材料出料桶406的外壁缠绕电阻丝C404、电阻丝D405。复合材料出料桶406开有接口408。

所述支架5中，吊环501与电机支撑台503固定在支撑板下方，支撑板上开设通口502；吊环501用于固定连接混合挤出机构4的复合材料出料桶406。接混合挤出机构4的电机B401固定连接在电机支撑台503。棒料输送机构2的出料桶的小端口213穿过通口502和接口408，从而将复合材料送入复合材料出料桶406。

所述搅拌摩擦增材主轴1中，上搅拌头106与主轴箱体101固定连接。下搅拌头103固定在主轴箱体101的下端，下搅拌头103同轴心装配在上搅拌头106外周，形状与上搅拌头106适配。下搅拌头103内径大于上搅拌头106直径，下搅拌头103内壁与上搅拌头106外壁之间预留空隙110。在工作过程中，上搅拌头106高速旋转，下搅拌头103固定不动。下搅拌头103内壁开螺旋槽108，外壁缠绕电阻丝A104，垂直于下搅拌头103上有进料口107，螺旋槽108、电阻丝A104均位于进料口107下方。

拌摩擦增材主轴1的主轴箱体101配置有控制系统、滑动导轨和升降导轨，主轴箱体101可以沿X、Y、Z轴三个方向移动，进而带动整个系统移动。

3固定装配在支架5上方。混合挤出机构4的复合材料出料桶的小端口407与搅拌摩擦增材主轴1的进料口107相连接，且连接处密封性良好。支架5固定连接在搅拌摩擦主轴1的主轴箱体101下部。颗粒输送机构3的出粉口的小端口304与棒料输送机构2的出料桶204上的小孔205连接，连接处密封性良好。棒料输送机构2的出料桶的小端口213与和混合挤出机构4的接口408连接，连接处密封性良好。

进一步地，搅拌摩擦增材主轴1的上搅拌头106、下搅拌头103，棒料输送机构2的出料桶204，颗粒输送机构3的出粉口303，支架5的吊环501，混合挤出机构4的螺杆B403、复合材料出料桶406均为耐高温机构，性能不受电阻丝加热影响。

所述颗粒输送机构3的工作原理是：接通电源，电机A302带动螺杆A307旋转；颗粒容器301内盛放纳米陶瓷颗粒(如TiN、TiC及Al2O3等，纳米陶瓷颗粒由颗粒容器的下端口310进入空腔C311，进而进入空腔A309中；在空腔A309中，螺杆螺杆A307旋转进而带动纳米陶瓷颗粒向出粉口303移动；纳米陶瓷颗粒由出粉口的小端口304流出，从而进入棒料输送机构2的出料桶204中。

所述棒料输送机构2的工作原理是：电阻丝B208接通电源，将出料桶204加热到合适温度；推力液压缸201通过推力液压缸活塞211将棒料A209推入出料桶204，由于较高的温度，棒料A209在出料桶204中进入塑性状态；进入塑性状态的棒料A209与纳米陶瓷颗粒初步混合；推力液压缸活塞211退回到初始位置，弹簧210将棒料容器206中剩余棒料向上移动距离h，此时棒料B214位于棒料A209所在位置；推力液压缸活塞211将棒料B214推入出料桶204，进行下一个工作流程。

所述混合挤出机构4的工作原理是：塑性状态的棒料与纳米陶瓷颗粒初步混合后，由出料桶的小端口213进入复合材料出料桶406；在复合材料出料桶406中，通过螺杆B403的旋转，塑性状态的棒料与纳米陶瓷颗粒进一步混合，形成复合材料，并且从复合材料出料桶的小端口407进入上搅拌头106与下搅拌头103之间的空隙110中。

所述搅拌摩擦增材主轴1的工作原理是：上搅拌头106高速旋转；复合材料进入空隙110后，沿螺旋槽108向下流动；复合材料由搅拌头下端111流出，以进行叠层增材制造。

与现有的技术相比，本发明的优点在于：提出一种可制备纳米颗粒增强金属基复合材料的搅拌摩擦增材制造装置，该装置工作原理简单，在技术上容易实现。棒料在棒料输送机构的出料桶内进入塑性状态；颗粒输送机构将纳米陶瓷颗粒输送进出料桶内，颗粒与棒料混合；颗粒与棒料在复合材料出料桶内进一步混合均匀，形成复合材料；复合材料从搅拌头下端流出，以进行叠层增材制造。

与现有的技术相比，本发明的优点在于：

(1)提出一种可制备纳米颗粒增强金属基复合材料的搅拌摩擦增材制造装置，该装置中电阻丝A、电阻丝B、电阻丝C、电阻丝D产生的热量可调，可以根据不同棒料和不同环境调节出料桶、空隙和复合材料出料桶的温度，满足各种工作条件；该装置可随时补充棒料，可以多种类型的纳米颗粒，可随时添加纳米陶瓷颗粒；该装置的电机A和电机B的转速可以调节，棒料与纳米陶瓷颗粒的配比可以灵活调节，以满足不同的工艺要求。

(2)提出一种可制备纳米颗粒增强金属基复合材料的搅拌摩擦增材制造装置，该装置结构简单，操作简便可靠，维修方便，便于修理保养；该装置兼顾纳米增强技术和增材制造技术的优势，实现了金属基增强颗粒的均匀混合，能够获得成型效果好、机械性能优良的增材制造成型零件，并且此装置自动化水平高，能够实现轻合金高效高质量增材制造。该装置降低了生产成本，提高了生产效率，因此具有使用价值。

附图说明

下面将结合附图对本发明做进一步说明，附图中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的搅拌摩擦增材主轴的结构示意图；

图3为搅拌摩擦增材主轴的上搅拌头和下搅拌头的结构示意图；其中，其中，(a)为上搅拌头和下搅拌头整体结构图，(b)为上搅拌头和下搅拌头沿A-A面剖视图；

图4为本发明的棒料输送机构的结构示意图；

图5为本发明的棒料输送机构的工作原理图；

图6为棒料输送机构的出料桶的结构示意图；其中，(a)为出料桶整体结构图，(b)为出料桶沿C-C面剖视图；

图7为本发明的颗粒输送机构的结构示意图；

图8为本发明的颗粒输送机构的工作原理图；

图9为本发明的混合挤出机构和支架的结构示意图；

图10为混合挤出机构的复合材料出料桶的内部结构示意图；

图11为本发明的一种工作过程的示意图；

图中：1-搅拌摩擦增材主轴，101-主轴箱体，102-螺钉A，103-下搅拌头，104-电阻丝A，106-上搅拌头，107-进料口，108-螺旋槽，110-空隙，111-搅拌头下端，2-棒料输送机构，201-推力液压缸，202-固定架A，203-固定架B，204-出料桶，205-小孔，206-棒料容器，207-连接器A，208-电阻丝B，209-棒料A，210-弹簧，211-推力液压缸活塞，212-保温层A，213-出料口的小端口，214-棒料B，3-颗粒输送机构，301-颗粒容器，302-电机A，303-出粉口，304-出粉口的小端口，305-连接器B，306-联轴器A，307-螺杆A，308-连接器C，309-空腔A，310-颗粒容器的下端口，311-空腔C，4-混合挤出机构，401-电机B，402-联轴器B，403-螺钉B，404-电阻丝C，405-电阻丝D，406-复合材料出料桶，407-复合材料出料桶的小端口，408-接口，409-空腔B，410-保温层B，411-螺杆B，5-支架，501-吊环，502-通口，503-电机支撑台，6-待加工件，7-固定台，8-增材制造零件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明进行清楚、完整地描述，但要求保护的范围并不局限于所述。

如图1-11所示，一种可制备纳米颗粒增强金属基复合材料的搅拌摩擦增材制造装置，包括搅拌摩擦增材主轴1、棒料输送机构2、颗粒输送机构3、混合挤出机构4、支架5和固定台7，所述搅拌摩擦增材主轴1由主轴箱体101、螺钉A102、下搅拌头103、电阻丝A104、上搅拌头106、进料口107、螺旋槽108组成。所述棒料输送机构由推力液压缸201、固定架A202、固定架B203、出料桶204、棒料容器206、连接器A207、电阻丝B208、保温层A212组成。保温层A212的作用在于维持出料桶204内温度恒定。所述颗粒输送机构由颗粒容器301、电机A302、出粉口303、连接器B305、联轴器A306、螺杆A307、连接器C308、空腔A309和空腔C311组成。所述混合挤出机构4由电机B401、联轴器B402、螺钉B403、电阻丝C404、电阻丝D405、复合材料出料桶406、接口408、空腔B409、保温层B410、螺杆B411组成。支架5由吊环501、通口502、电机支撑台503组成。保温层B410的作用在于维持复合材料出料桶406内温度恒定。

本发明的一种可制备纳米颗粒增强金属基复合材料的搅拌摩擦增材制造装置，所述棒料输送机构2由推力液压缸201、固定架A202、固定架B203、出料桶204、棒料容器206、连接器A207、电阻丝B208、保温层A212组成。连接器A207用于可拆装连接推力液压缸201和出料桶204，且推力液压缸活塞211与出料桶204同轴心装配。连接器A207内部有空腔，用于放置棒料。出料桶204外壁缠绕电阻丝B208，内壁有保温层A209。出料桶204内部为中空状，内部直径不一致，直径小的一端为出料桶的小端口213，棒料从直径大的一段进入出料桶。出料桶上有小孔205。固定架A202和固定架B203固定连接在连接器A207上。棒料放置于棒料容器206中，棒料容器206与连接器A207可拆装连接，棒料容器206内部的底端固定放置弹簧210。弹簧210的作用在于给棒料提供向上的力，以维持最上端的棒料A209与推力液压缸活塞211的同轴心状态。棒料容器206内所有棒料规格一致。电阻丝B208有独立的供电电源，电阻丝B208产生的热量可以调节，以适应不同规格棒料对温度的要求。

本发明的一种可制备纳米颗粒增强金属基复合材料的搅拌摩擦增材制造装置，所述颗粒输送机构3由颗粒容器301、电机A302、出粉口303、连接器B305、联轴器A306、螺杆A307、连接器C308、空腔A309和空腔C311组成。连接器B305与电机A302固定连接。连接器B305与连接器C308固定连接。连接器C308内部有空腔A309，空腔A309的轴心与电机A302同轴心装配。电机A302与螺杆A307通过联轴器A306可拆装连接。螺杆A307的直径略小于空腔A309的直径，空腔A309的直径为螺杆A307的直径的4/3。电机A302配置有独立的电源，其转速可调，以调节纳米陶瓷颗粒的输送速率。出粉口303与连接器C308固定连接。出粉口303为圆锥状，内部中空，出粉口303与连接器C308的空腔同轴心装配。颗粒容器301通过空腔C311与连接器C308可拆装连接，颗粒容器301的下端口呈锥状，放置于空腔C311内，且颗粒容器下端口310与空腔C311之间密封性良好。空腔A309与空腔C311之间连通。

本发明的一种可制备纳米颗粒增强金属基复合材料的搅拌摩擦增材制造装置，所述混合挤出机构4由电机B401、联轴器B402、螺钉B403、电阻丝C404、电阻丝D405、复合材料出料桶406、接口408、空腔B409、保温层B410、螺杆B411组成。螺杆B411通过联轴器B402与电机B401的转轴连接。电机B401配置由独立的电源，其转速可以调节，为螺杆B411提供不同的转速，进而使得复合材料出料桶406内的料有不同的输送速率。复合材料出料桶406内部中空，空腔B409直径不一致，直筒段的空腔B09的半径为螺杆B411半径的3/2，电机B401转轴、联轴器B402、螺杆B411和复合材料出料桶406同轴心装配。复合材料出料桶406的空腔B409内壁有保温层B410，复合材料出料桶406的外壁缠绕电阻丝C404、电阻丝D405。电阻丝C404和电阻丝D405配置有独立的电源，其功率可以调节，以调节复合材料出料桶406内的温度，以适应不同类型材料的需求。复合材料出料桶406开有接口408。

本发明的一种可制备纳米颗粒增强金属基复合材料的搅拌摩擦增材制造装置，所述支架5由吊环501、通口502、电机支撑台503组成。吊环501用于固定连接混合挤出机构4的复合材料出料桶406。接混合挤出机构4的电机B401通过螺钉B403固定连接在电机支撑台503。支架5上有通口213，其作用在于为棒料输送机构2的出料桶204预留出空间。棒料输送机构2的出料桶的小端口213穿过通口，将料送入复合材料出料桶406。

本发明的一种可制备纳米颗粒增强金属基复合材料的搅拌摩擦增材制造装置，拌摩擦增材主轴1由主轴箱体101、螺钉A102、下搅拌头103、电阻丝A104、上搅拌头106、进料口107、螺旋槽108组成。上搅拌头106与主轴箱体101固定连接。下搅拌头103通过螺钉A102固定在主轴箱体101的下端，下搅拌头103与上搅拌头106同轴心装配。下搅拌头103内径略大于上搅拌头106直径，下搅拌头103内壁与上搅拌头106外壁之间有空隙110，空隙110为上搅拌头106半径的1/5。在工作过程中，上搅拌头106高速旋转，下搅拌头103固定不动。下搅拌头103内壁开螺旋槽108。外壁缠绕电阻丝A104。电阻丝A104配置有独立的电源，电源功率可以调节，其目的是使得上搅拌头106和下搅拌头103的温度满足不同类型材料的需求。下搅拌头103上有进料口107，进料口107与搅拌头下端111高度设置需要使得复合材料最终混合均匀，优选的搅拌头下端111与进料口107之间的距离为进料口107直径的2倍。进料口107用于连接混合挤出机构5的复合材料出料桶的小端口，连接处密封性良好。螺旋槽108的作用在于使得空隙110内的料更容易从搅拌头下端111流出。

本发明的一种可制备纳米颗粒增强金属基复合材料的搅拌摩擦增材制造装置，拌摩擦增材主轴1的主轴箱101体配置有控制系统，主轴箱体101可以沿X、Y、Z轴三个方向移动，进而带动整个系统移动，以在不同位置上进行叠层增材制造。

本发明的一种可制备纳米颗粒增强金属基复合材料的搅拌摩擦增材制造装置，包括搅拌摩擦增材主轴1、棒料输送机构2、颗粒输送机构3、混合挤出机构4、支架5和固定台6。颗粒输送机构3固定装配在支架5上。混合挤出机构4的复合材料出料桶的小端口407与搅拌摩擦增材主轴1的进料口107相连接，且连接处密封性良好。支架5固定连接在搅拌摩擦主轴1的主轴箱体101下部。棒料输送机构2通过固定架A202和固定架B203固定连接在搅拌摩擦主轴1的主轴箱体101侧壁。颗粒输送机构3的出粉口的小端口304与棒料输送机构2的出料桶204上的小孔205连接，连接处密封性良好。棒料输送机构2的出料桶的小端口213与和混合挤出机构4的接口408连接，连接处密封性良好。

本发明的一种可制备纳米颗粒增强金属基复合材料的搅拌摩擦增材制造装置，搅拌摩擦增材主轴1的上搅拌头106、下搅拌头103，棒料输送机构2的出料桶204，颗粒输送机构3的出粉口303，支架5的吊环501，混合挤出机构4的螺杆B411、复合材料出料桶406均为耐高温机构，性能不受电阻丝加热影响。

本发明的本发明的一种可制备纳米颗粒增强金属基复合材料的搅拌摩擦增材制造装置，所述颗粒输送机构3的工作原理是：接通电源，电机A302带动螺杆A307旋转；颗粒容器301内盛放纳米陶瓷颗粒(如TiN、TiC及Al2O3等，纳米陶瓷颗粒由颗粒容器的下端口310进入空腔C311，进而进入空腔A309中；在空腔A309中，螺杆A307旋转进而带动纳米陶瓷颗粒向出粉口303移动；纳米陶瓷颗粒由出粉口的小端口304流出，从而进入棒料输送机构2的出料桶204中。螺杆A307的转速可以根据实际需求进行调节。

本发明的本发明的一种可制备纳米颗粒增强金属基复合材料的搅拌摩擦增材制造装置，所述棒料输送机构2的工作原理是：电阻丝B208接通电源，将出料桶204加热到合适温度；推力液压缸201通过推力液压缸活塞211将棒料A209推入出料桶204，推力液压缸的推进速度可以根据实际工作需求进行调节，以在相同时间内提供不同量的料；由于较高的温度，棒料A209在出料桶中204进入塑性状态；进入塑性状态的棒料与纳米陶瓷颗粒初步混合；推力液压缸活塞211退回到初始位置，弹簧210将棒料容器206中剩余棒料向上移动距离h，此时棒料B214位于棒料A209所在位置；推力液压缸活塞211将棒料B214推入出料桶，进行下一个工作流程。

本发明的本发明的一种可制备纳米颗粒增强金属基复合材料的搅拌摩擦增材制造装置，所述混合挤出机构4的工作原理是：塑性状态的棒料与纳米陶瓷颗粒初步混合后，由出料桶的小端口213进入复合材料出料桶406；在复合材料出料桶中406，通过螺杆B411的旋转，塑性状态的棒料与纳米陶瓷颗粒进一步混合，形成复合材料，并且从复合材料出料桶的小端口407进入上搅拌头106与下搅拌头103之间的空隙110中。螺杆B411的转速可以调节，以满足不同工作条件下的出料量。

本发明的本发明的一种可制备纳米颗粒增强金属基复合材料的搅拌摩擦增材制造装置，所述搅拌摩擦增材主轴1的工作原理是：上搅拌头106高速旋转；复合材料由复合材料出料桶的小端口407进入空隙110后，沿螺旋槽108向下流动；复合材料由搅拌头下端111流出。主轴箱体101沿既定路线移动，复合材料被堆覆在目标位置，以在进行叠层增材制造。

本发明的本发明的一种可制备纳米颗粒增强金属基复合材料的搅拌摩擦增材制造装置，图11为本发明的一种工作过程中的示意图，以下是相应的步骤：

步骤一：启动颗粒输送机构3、棒料输送机构2、搅拌摩擦主轴1、混合挤出机构。上搅拌头106高速旋转，将待加工件6固定在固定台7上，调整搅拌摩擦主轴1的位置，使搅拌头下端111与待加工件6表面接触，并压紧。

步骤二：将电阻丝A104、电阻丝B208、电阻丝C404和电阻丝D405接通电源，使得出料桶204、复合材料出料桶407、上搅拌头106和下搅拌头103的温度维持在合适的范围。

步骤三：调整电机A302和电机B401的转速，使其达到预定值。调整推理液压缸201的推进速度，使其达到预定值。

步骤四：在颗粒容器301中放入合适类型的纳米陶瓷颗粒，纳米陶瓷颗粒由颗粒容器的下端口310进入空腔C311，进而进入空腔A309中；在空腔A309中，螺杆A307旋转进而带动纳米陶瓷颗粒向出粉口303移动。推力液压缸201通过推力液压缸活塞211将棒料A209推入出料桶204。棒料A209在出料桶中204进入塑性状态。纳米陶瓷颗粒从出粉口303进入出料桶204，在出料桶204内，热塑性状态的棒料与纳米陶瓷颗粒混合。

步骤五：热塑性状态的棒料与纳米陶瓷颗粒初步混合后，由出料桶的小端口213进入复合材料出料桶406；在复合材料出料桶中406，通过螺杆B411的旋转，塑性状态的棒料与纳米陶瓷颗粒进一步混合，形成复合材料。

步骤六：复合材料由复合材料出料桶的小端口407进入空隙110后，沿螺旋槽108向下流动；混合均匀的材料由搅拌头下端111流出。主轴箱体101沿图11箭头方向做往复移动，复合材料逐层被堆覆在目标位置，以在进行叠层增材制造，最终在待加工件6上形成增材制造零件8。

步骤七：制造完成后，将搅拌摩擦增材主轴1向上移动，消除增材制造零件8加工残留以及应力集中。

与现有的技术相比，本发明的优点在于：提出一种可制备纳米颗粒增强金属基复合材料的搅拌摩擦增材制造装置，该装置工作原理简单，在技术上容易实现。棒料在棒料输送机构2的出料桶内进入塑性状态；颗粒输送机构3将纳米陶瓷颗粒输送进出料桶内，颗粒与棒料混合；颗粒与棒料在复合材料出料桶406内进一步混合均匀，形成复合材料；复合材料从搅拌头下端111流出，以进行叠层增材制造。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是焊接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种可制备纳米颗粒增强金属基复合材料的搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于，包括搅拌摩擦增材主轴（1）、棒料输送机构（2）、颗粒输送机构（3）、混合挤出机构（4）、支架（5）和固定台（7），所述搅拌摩擦增材主轴（1）包括主轴箱体（101）、螺钉A（102）、下搅拌头（103）、电阻丝A（104）、上搅拌头（106）、进料口（107）、螺旋槽（108）；所述棒料输送机构（2）包括推力液压缸（201）、固定架A（202）、固定架B（203）、出料桶（204）、棒料容器（206）、连接器A（207）、电阻丝B（208）和保温层A（212）；所述颗粒输送机构（3）包括颗粒容器（301）、电机A（302）、出粉口（303）、连接器B（305）、联轴器A（306）、螺杆A（307）、连接器C（308）、空腔A（309）和空腔C（311）；所述混合挤出机构（4）包括电机B（401）、联轴器B（402）、螺钉B（403）、电阻丝C（404）、电阻丝D（406）、复合材料出料桶（406）、接口（408）、空腔B（409）、保温层B（410）和螺杆B（411）；支架（5）包括吊环（501）、通口（502）和电机支撑台（503）；

所述的棒料输送机构（2）中，连接器A（207）的两端分别可拆装连接推力液压缸（201）和出料桶（204），连接器A（207）内设空腔，用于放置即将要加工的棒料，空腔与推力液压缸（201）和出料桶（204）相通；且连接器A（207）的两端外围分别固定连接固定架A（202）和固定架B（203），用于将棒料输送机构（2）固定连接在搅拌摩擦增材主轴（1）的主轴箱体（101）侧壁；出料桶（204）为中空状，内部直径不一致，靠近连接器A（207）的一段直径大，中间为直径渐变段，直径小的一端为出料口的小端口（213）；出料桶（204）外壁缠绕电阻丝B（208），内壁有保温层A（212）；出料桶（204）上有小孔（205）；推力液压缸（201）的推力液压缸活塞（211）与出料桶（204）同轴心装配；待加工的棒料放置于棒料容器（206）中，棒料容器（206）内所有棒料的规格一致；棒料容器（206）并排可拆装连接于连接器A（207）一侧，棒料容器（206）内部、远离连接器A（207）的一侧面上垂直于棒料长度方向固定放置弹簧，通过弹簧的弹力依次将棒料容器（206）中待加工的棒料推至连接器A（207）空腔中；电阻丝B（208）有独立的供电电源，电阻丝B（208）的加热温度可以调节；

所述颗粒输送机构（3）中，连接器B（305）为中空，两端分别与电机A（302）的外壳、连接器C（308）的一端固定连接；连接器C（308）内部有空腔A（309），空腔A（309）的轴心与电机A（302）的转轴同轴心装配；电机A（302）的转轴与螺杆A（307）通过联轴器A（306）可拆装连接；螺杆A（307）的直径小于空腔A（309）的直径；电机A（302）配置有独立的电源，其转速可调；出粉口（303）与连接器C（308）的另一端固定连接；出粉口（303）为圆锥状，内部中空，出粉口（303）与连接器C（308）的空腔A（309）同轴心装配；出粉口（303）最细的端口为出粉口的小端口（304）；垂直于空腔A（309）的连接器C（308）上开设空腔C（311），颗粒容器（301）的下端为颗粒容器的下端口（310），颗粒容器的下端口（310）呈锥状，颗粒容器的下端口（310）通过空腔C（311）与空腔A（309）相通，且颗粒容器的下端口（310）与空腔C（311）之间密封性良好；空腔A（309）与空腔C（311）之间连通；

所述混合挤出机构（4）中，螺杆B（411）通过联轴器B（402）与电机B（401）的转轴连接；电机B（401）配置有独立的电源，其转速可以调节；复合材料出料桶（406）内部中空，为空腔B（409），螺杆B（411）位于空腔B（409）内；空腔B（409）直径不一致，包括直筒段和圆锥段，圆锥段远离电机B（401）的一端，圆锥段端部为复合材料出料桶的小端口（407）；电机B（401）转轴、联轴器B（402）、螺杆B（411）和复合材料出料桶（406）同轴心装配；复合材料出料桶（406）的空腔B（409）内壁有保温层B（410），复合材料出料桶（406）的外壁缠绕电阻丝C（404）、电阻丝D（405）；复合材料出料桶（406）开有接口（408）；

所述支架（5）中，吊环（501）与电机支撑台（503）固定在支撑板下方，支撑板上开设通口（502）；吊环（501）用于固定连接混合挤出机构（4）的复合材料出料桶（406）；混合挤出机构（4）的电机B（401）固定连接在电机支撑台（503）；棒料输送机构（2）的出料桶的小端口（213）穿过通口（502）和接口（408），从而将复合材料送入复合材料出料桶（406）；

所述搅拌摩擦增材主轴（1）中，上搅拌头（106）与主轴箱体（101）固定连接；下搅拌头（103）固定在主轴箱体（101）的下端，下搅拌头（103）同轴心装配在上搅拌头（106）外周，形状与上搅拌头（106）适配；下搅拌头（103）内径大于上搅拌头（106）直径，下搅拌头（103）内壁与上搅拌头（106）外壁之间预留空隙（110）；在工作过程中，上搅拌头（106）高速旋转，下搅拌头（103）固定不动；下搅拌头（103）内壁开螺旋槽（108），外壁缠绕电阻丝A（104），垂直于下搅拌头（103）上有进料口（107），螺旋槽（108）、电阻丝A（104）均位于进料口（107）下方；

搅拌摩擦增材主轴（1）的主轴箱体（101）配置有控制系统、滑动导轨和升降导轨，主轴箱体（101）可以沿X、Y、Z轴三个方向移动，进而带动整个系统移动；

颗粒输送机构（3）固定装配在支架（5）上方；混合挤出机构（4）的复合材料出料桶的小端口（407）与搅拌摩擦增材主轴（1）的进料口（107）相连接，且连接处密封性良好；支架（5）固定连接在搅拌摩擦增材主轴（1）的主轴箱体（101）下部；颗粒输送机构（3）的出粉口的小端口（304）与棒料输送机构（2）的出料桶（204）上的小孔（205）连接，连接处密封性良好；棒料输送机构（2）的出料桶的小端口（213）与混合挤出机构（4）的接口（408）连接，连接处密封性良好。

2.根据权利要求1所述的一种可制备纳米颗粒增强金属基复合材料的搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于，搅拌摩擦增材主轴（1）的上搅拌头（106）、下搅拌头（103），棒料输送机构（2）的出料桶（204），颗粒输送机构（3）的出粉口（303），支架（5）的吊环（501），混合挤出机构（4）的螺杆B（403）、复合材料出料桶（406）均为耐高温机构，性能不受电阻丝加热影响。