CN115502544B - 一种浮动式固相增材修复装置及方法 - Google Patents

一种浮动式固相增材修复装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种浮动式固相增材修复装置，包括旋转部和非旋转部，旋转部与非旋转部转动连接；非旋转部包括与旋转部转动连接的固定机构，固定机构可拆卸连接有弹性件，弹性件下方安装有浮动机构，浮动机构与固定机构固接；浮动机构的侧壁贯穿开设进料孔，丝材增材原料穿过进料孔并与旋转部抵接。本发明解决了金属零件深层缺陷固相再修复的难题，可实现在平整或非平整表面零件表面的增材式修复，适用于多种轻质合金材料，具有修复强度高、变形小、效率高等优点；显著提高了增材修复再制造零件的综合力学性能，大幅度延长了产品的使用寿命，具有突出的节能减排效益。

Description

一种浮动式固相增材修复装置及方法
技术领域
本发明涉及金属零件修复领域，特别是涉及一种浮动式固相增材修复装置及方法。
背景技术
零件产品的绿色循环再制造是当下装备制造领域的发展趋势。传统产品的使用寿命周期为“生产-使用-报废”的开环过程，而通过再制造修复技术实现产品的绿色循环利用后，产品的使用寿命周期可转变为“生产-使用-修复-使用”的闭环过程，这大幅度延长了产品的使用寿命，具有突出的节能减排效益。时下，传统电弧熔化修复、激光选区熔覆等技术手段是目前金属材料损伤修复的主要技术手段，然而，这些方法在针对铝合金、镁合金等轻质材料进行修复时，由于这一系列材料的高熔化潜热、高反应活性等本征特性，往往面临着严重的气孔、热裂纹、夹杂等冶金难题，很难适用于轻质合金的高质高效修复。
搅拌摩擦焊作为一种新型的固相连接技术，具有焊接温度低、残余应力小、接头质量高等特点，其固相非熔化焊接修复过程可以从本征上避免气孔、热裂纹、夹杂等冶金难题，在修复铝合金、镁合金等材质方面具有巨大应用潜力。然而，针对较深层的缺陷结构，简单的搅拌摩擦焊修复方法却由于其本身的焊具结构特性难以直接实现，因此亟需一种新型的固相修复方法针对该类深层缺陷结构进行有效的修复。
发明内容
本发明的目的是提供浮动式固相增材修复装置及方法，旨在解决或改善上述技术问题中的至少之一，实现轻质合金零件的高效高质修复。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种浮动式固相增材修复装置，包括旋转部和非旋转部，所述旋转部与所述非旋转部转动连接；
所述非旋转部包括与所述旋转部转动连接的固定机构，所述固定机构可拆卸连接有弹性件，所述弹性件下方安装有浮动机构，所述浮动机构与所述固定机构固接；
所述浮动机构的侧壁贯穿开设有进料孔，所述丝材增材原料穿过所述进料孔并与所述旋转部抵接。
优选的，所述旋转部包括传动组件，所述传动组件与所述固定机构内腔转动连接，所述传动组件底部设置有进给送料螺杆，所述进给送料螺杆与所述浮动机构滑动连接；所述进给送料螺杆底端设置有若干搅拌针。
优选的，所述固定机构包括与所述传动组件转动连接的第二夹持柄，所述第二夹持柄底端固接有定位件，所述定位件上安装所述弹性件，所述定位件底端固接有第一端面固定杆，所述第一端面固定杆与所述浮动机构固接。
优选的，所述传动组件包括与驱动机构传动连接的第一夹持柄，所述第一夹持柄底端固接有第一过渡杆，所述第一过渡杆与所述定位件内腔转动连接，所述第一过渡杆底端与所述进给送料螺杆顶端固接。
优选的，所述浮动机构包括与所述第一端面固定杆可拆卸连接的第二过渡杆，所述第二过渡杆顶端固接有第二端面固定杆，所述第二端面固定杆与所述第一端面固定杆固接，所述进料孔倾斜开设在所述第二过渡杆侧壁，所述进料孔底端固接有轴肩，所述轴肩与待修复零件抵接。
优选的，所述进给送料螺杆的底端与所述轴肩的底端平齐，所述搅拌针伸出所述轴肩，所述进给送料螺杆与所述轴肩转动连接。
优选的，所述弹性件的内径大于所述定位件的外径，所述弹性件套设在所述定位件的外壁。
优选的，所述丝材增材原料直径为1.6mm-2.4mm。
本发明还提供一种浮动式固相增材修复方法，包括以下步骤：
步骤一：将待修复零件的深层缺陷进行铣削，加工成圆弧槽口；
步骤二：将旋转部插入圆弧槽口中，旋转部与圆弧槽口底部接触，浮动机构与待修复零件表面抵接；
步骤三：将丝材增材原料从进料孔送入并接触旋转部，旋转部高速旋转，丝材增材原料在旋转部和浮动机构的相对旋转作用下发生热塑软化并在旋转部的搅拌摩擦热塑化作用下进一步软化并与前道次增材修复层结合形成固相增材修复层；
步骤四：旋转部沿圆弧槽口横向运动以逐层修复的方式填满槽口，并随着堆积方向逐渐抬起旋转部，实现多层固相增材修复层的叠加，最终实现深层缺陷的完整修复。
优选的，所述圆弧槽口直径与所述进给送料螺杆相适配,深度不大于所述弹性件的弹性行程。
本发明公开了以下技术效果：本发明公开了一种浮动式固相增材修复装置及方法，进料孔用于将丝材增材原料送入旋转部和非旋转部间隙处，并在旋转部的作用下向下挤压，由旋转部搅拌形成固相增材修复层；弹性件安装于固定机构上的部件，其可在压力作用下发生纵向弹性伸缩，为浮动机构的纵向移动提供弹性支撑，使得浮动机构可随待修复零件表面高低变化贴合浮动。本发明解决了金属零件深层缺陷固相再修复的难题，可实现在平整或非平整表面零件表面的增材式修复，适用于多种轻质合金材料，具有修复强度高、变形小、效率高等优点；且避免了传统熔焊材修复方式的气孔、裂纹及夹杂等冶金缺陷，显著提高了增材修复再制造零件的综合力学性能，大幅度延长了产品的使用寿命，具有突出的节能减排效益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明浮动式固相增材修复装置的工作示意图；
图2为本发明浮动式固相增材修复装置的结构示意图；
图中：1、旋转部；2、固定机构；3、浮动机构；4、弹性件；101、第一夹持柄；102、第一过渡杆；103、进给送料螺杆；104、搅拌针；201、第二夹持柄；202、定位件；203、第一端面固定杆；301、第二过渡杆；302、进料孔；303、轴肩；304、第二端面固定杆；5、丝材增材原料；6、待修复零件；601、圆弧槽口；602、固相增材修复层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1-2，本实施例提供一种浮动式固相增材修复装置，包括旋转部1和非旋转部，旋转部1与非旋转部转动连接；
非旋转部包括与旋转部转动连接的固定机构2，固定机构2可拆卸连接有弹性件4，弹性件4下方安装有浮动机构3，浮动机构3与固定机构2固接；
浮动机构3的侧壁贯穿开设有进料孔302，丝材增材原料5穿过进料孔302并与旋转部1抵接。
进料孔302用于将丝材增材原料5送入旋转部1和非旋转部间隙处，并在旋转部1的作用下向下挤压，由旋转部1搅拌形成固相增材修复层。弹性件4为数个弹性件4串联或并联而成的安装于固定机构2上的部件，其可在压力作用下发生纵向弹性伸缩，为浮动机构3的纵向移动提供弹性支撑，使得浮动机构3可随待修复零件6表面高低变化贴合浮动。
进一步的，丝材增材原料5材质可选但不限于铝及铝合金、镁及镁合金、铜及铜合金，旋转部1和非旋转部的材质选用但不限于热作模具钢、高速工具钢等，其热处理硬度应不低于48HRC；弹性件4可选用但不限于弹簧、碟簧等。
进一步优化方案，旋转部1包括传动组件，传动组件与固定机构2内腔转动连接，传动组件底部设置有进给送料螺杆103，进给送料螺杆103与浮动机构3滑动连接；进给送料螺杆103底端设置有若干搅拌针104。进料孔302用于将丝材增材原料5送入旋转部1和非旋转部间隙处，并在进给送料螺杆103的作用下向下挤压，由搅拌针104搅拌形成固相增材修复层。搅拌针104结构为分布于进给送料螺杆103端面上的数个圆台状凸起；
进一步优化方案，固定机构2包括与传动组件转动连接的第二夹持柄201，第二夹持柄201底端固接有定位件202，定位件202上安装弹性件4，定位件202底端固接有第一端面固定杆203，第一端面固定杆203与浮动机构3固接。第二夹持柄201用于与包括但不限于搅拌摩擦焊机、数控铣床、数控加工中心等机加工设备的主轴非旋转定子部分相连，上设有圆周均布的数个通孔用于定位装夹；定位件202用于安装数个弹性件4，为浮动机构纵向移动提供弹性支撑；第一端面固定杆与定位件202采用螺栓进行连接，用于浮动机构3的安装。
进一步优化方案，传动组件包括与驱动机构传动连接的第一夹持柄101，第一夹持柄101底端固接有第一过渡杆102，第一过渡杆102与定位件202内腔转动连接，第一过渡杆102底端与进给送料螺杆103顶端固接。第一夹持柄101用于与包括但不限于搅拌摩擦焊机、数控铣床、数控加工中心等机加工设备的旋转主轴转子部分相连，上设有一侧铣平面用于侧固式装夹；第一过渡杆102用于连接第一夹持柄101与进给送料螺杆103并实现旋转部1的装夹定位，上设有用于安装拆卸的拆卸槽。
进一步优化方案，浮动机构3包括与第一端面固定杆203可拆卸连接的第二过渡杆301，第二过渡杆301顶端固接有第二端面固定杆304，第二端面固定杆304与第一端面固定杆203固接，进料孔302倾斜开设在第二过渡杆301侧壁，进料孔302底端固接有轴肩303，轴肩303与待修复零件6抵接，进给送料螺杆103的底端与轴肩303的底端平齐，搅拌针104伸出轴肩303，进给送料螺杆103与轴肩303转动连接。第二过渡杆301上设有圆周均布的数个通孔用于与第二端面固定杆304连接以和固定机构2、弹性件4组成完整的非旋转部；进料孔302用于将丝材增材原料5送入旋转部和非旋转部间隙处，并在进给送料螺杆103的作用下向下挤压，由搅拌针104搅拌形成固相增材修复层602。轴肩303用于在弹性件4弹性作用下贴合待修复零件6表面，并在最后一层增材修复层加工时抹平材料表面，形成平整的深层缺陷固相增材修复区域。
进一步优化方案，弹性件4的内径大于定位件202的外径，弹性件4套设在定位件202的外壁。弹性件4的内径大于定位件202的外径，以满足装配需求。
进一步优化方案，丝材增材原料5直径为1.6mm-2.4mm，优选为1.6mm、2.0mm、2.4mm，根据需求选用。
本发明还提供一种浮动式固相增材修复方法，包括以下步骤：
步骤一：将待修复零件6的深层缺陷进行铣削，加工成圆弧槽口601；
步骤二：将搅拌针104插入圆弧槽口601中，搅拌针104与圆弧槽口601底部接触，浮动机构3与待修复零件6表面抵接；
步骤三：将丝材增材原料5从进料孔302送入并接触进给送料螺杆103，进给送料螺杆103高速旋转，丝材增材原料5在旋转部1和浮动机构3的相对旋转作用下发生热塑软化并在进给送料螺杆103的带动下向下运动进入搅拌针104区域附近，在搅拌针104的搅拌摩擦热塑化作用下进一步软化并与前道次增材修复层结合形成固相增材修复层602；
步骤四：搅拌针104沿圆弧槽口601横向运动以逐层修复的方式填满槽口，并随着堆积方向逐渐抬起旋转部1，实现多层固相增材修复层602的叠加，最终实现深层缺陷的完整修复。
在此过程中，轴肩303在弹性件4的弹性作用下，持续贴合待修复零件6表面，并在最后一层增材修复层加工时抹平材料表面，形成平整的深层缺陷固相增材修复区域。由于轴肩303所在位置由弹性件4在压力作用下伸缩决定，其既可以在平整表面完成深层缺陷固相修复，也可以在弧形面或其他非平整表面完成深层缺陷固相修复。此过程中待修复零件6材料和丝材增材原料5全程处于固相状态，为全固相增材修复手段。
进一步优化方案，圆弧槽口601直径应与进给送料螺杆103相适配,深度不大于弹性件4的最大弹性行程。待修复零件6深层缺陷进行铣削加工成的圆弧槽口601直径应与旋转部件进给送料螺杆103相同或大0.0-0.5mm，深度应不超过所用弹性件4的最大弹性行程。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种浮动式固相增材修复装置，其特征在于：包括旋转部(1)和非旋转部，所述旋转部(1)与所述非旋转部转动连接；
所述非旋转部包括与所述旋转部(1)转动连接的固定机构(2)，所述固定机构(2)可拆卸连接有弹性件(4)，所述弹性件(4)下方安装有浮动机构(3)，所述浮动机构(3)与所述固定机构(2)固接；
所述浮动机构(3)的侧壁贯穿开设有进料孔(302)，丝材增材原料(5)穿过所述进料孔(302)并与所述旋转部(1)抵接；所述旋转部(1)包括传动组件，所述传动组件与所述固定机构(2)内腔转动连接，所述传动组件底部设置有进给送料螺杆(103)，所述进给送料螺杆(103)与所述浮动机构(3)滑动连接；所述进给送料螺杆(103)底端设置有若干搅拌针(104)；
所述固定机构(2)包括与所述传动组件转动连接的第二夹持柄(201)，所述第二夹持柄(201)底端固接有定位件(202)，所述定位件(202)上安装所述弹性件(4)，所述定位件(202)底端固接有第一端面固定杆(203)，所述第一端面固定杆(203)与所述浮动机构(3)固接。
2.根据权利要求1所述的浮动式固相增材修复装置，其特征在于：所述传动组件包括与驱动机构传动连接的第一夹持柄(101)，所述第一夹持柄(101)底端固接有第一过渡杆(102)，所述第一过渡杆(102)与所述定位件(202)内腔转动连接，所述第一过渡杆(102)底端与所述进给送料螺杆(103)顶端固接。
3.根据权利要求1所述的浮动式固相增材修复装置，其特征在于：所述浮动机构(3)包括与所述第一端面固定杆(203)可拆卸连接的第二过渡杆(301)，所述第二过渡杆(301)顶端固接有第二端面固定杆(304)，所述第二端面固定杆(304)与所述第一端面固定杆(203)固接，所述进料孔(302)倾斜开设在所述第二过渡杆(301)侧壁，所述进料孔(302)底端固接有轴肩(303)，所述轴肩(303)与待修复零件(6)抵接。
4.根据权利要求3所述的浮动式固相增材修复装置，其特征在于：所述进给送料螺杆(103)的底端与所述轴肩(303)的底端平齐，所述搅拌针(104)伸出所述轴肩(303)，所述进给送料螺杆(103)与所述轴肩(303)转动连接。
5.根据权利要求1所述的浮动式固相增材修复装置，其特征在于：所述弹性件(4)的内径大于所述定位件(202)的外径，所述弹性件(4)套设在所述定位件(202)的外壁。
6.根据权利要求1所述的浮动式固相增材修复装置，其特征在于：所述丝材增材原料(5)直径为1.6mm-2.4mm。
7.一种浮动式固相增材修复方法，根据权利要求1-6任意一项所述的浮动式固相增材修复装置，该装置用于对待修复零件进行修复，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将待修复零件(6)的深层缺陷进行铣削，加工成圆弧槽口(601)；
步骤二：将旋转部(1)插入圆弧槽口(601)中，旋转部(1)底端与圆弧槽口(601)底部接触，浮动机构(3)与待修复零件(6)表面抵接；
步骤三：将丝材增材原料(5)从进料孔(302)送入并接触旋转部(1)，旋转部(1)高速旋转，丝材增材原料(5)在旋转部(1)和浮动机构(3)的相对旋转作用下发生热塑软化并在旋转部(1)的搅拌摩擦热塑化作用下进一步软化并与前道次增材修复层结合形成固相增材修复层(602)；
步骤四：旋转部(1)沿圆弧槽口(601)横向运动以逐层修复的方式填满槽口，并随着堆积方向逐渐抬起旋转部(1)，实现多层固相增材修复层(602)的叠加，最终实现深层缺陷的完整修复。
8.根据权利要求7所述的浮动式固相增材修复方法，其特征在于：所述圆弧槽口(601)直径与所述进给送料螺杆(103)相适配，深度不大于所述弹性件(4)的弹性行程。
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