CN115519136A - 一种增材制造装置及中空件固相增材制造方法 - Google Patents
一种增材制造装置及中空件固相增材制造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115519136A CN115519136A CN202211229298.4A CN202211229298A CN115519136A CN 115519136 A CN115519136 A CN 115519136A CN 202211229298 A CN202211229298 A CN 202211229298A CN 115519136 A CN115519136 A CN 115519136A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- tool head
- tool
- feeding
- additive manufacturing
- substrate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 71
- 239000000654 additive Substances 0.000 title claims abstract description 59
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 title claims abstract description 59
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 title claims abstract description 16
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 60
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 49
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims abstract description 37
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims abstract description 32
- 230000009471 action Effects 0.000 claims abstract description 21
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 17
- 238000005242 forging Methods 0.000 claims abstract description 16
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims abstract description 10
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 31
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 24
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 23
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 16
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 14
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims description 11
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 9
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 9
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 9
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 claims description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 8
- 239000000843 powder Substances 0.000 abstract description 16
- 238000003892 spreading Methods 0.000 abstract description 2
- 230000007480 spreading Effects 0.000 abstract description 2
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 5
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 4
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 4
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 3
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 3
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 3
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 3
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 3
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 3
- 229910000861 Mg alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 2
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 2
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 2
- 229910001094 6061 aluminium alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 241000156948 Aphantopus hyperantus Species 0.000 description 1
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 238000004080 punching Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 238000006748 scratching Methods 0.000 description 1
- 230000002393 scratching effect Effects 0.000 description 1
- 238000009966 trimming Methods 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
- B22F10/10—Formation of a green body
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
- B22F10/30—Process control
- B22F10/38—Process control to achieve specific product aspects, e.g. surface smoothness, density, porosity or hollow structures
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
- B22F10/50—Treatment of workpieces or articles during build-up, e.g. treatments applied to fused layers during build-up
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
- B22F12/10—Auxiliary heating means
- B22F12/13—Auxiliary heating means to preheat the material
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
- B22F12/50—Means for feeding of material, e.g. heads
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y80/00—Products made by additive manufacturing
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Forging (AREA)
Abstract
本发明提供了增材制造装置及中空件固相增材制造方法,由送料工具、工具头、模具和基底共同围合成容积可变的模腔,送料工具下部相对于工具头底端向下凸出,送料工具为中空结构,送料工具侧壁设置有出料通道,出料通道与模腔相通;方法步骤包括粉状原料送至模腔,控制基底旋转,控制工具头旋转并在锻压力的作用下轴向下移,从出料通道流出的粉状原料沿着工具头底端铺展,并沉积在基底上表面。本发明可实现开放式或半封闭式的中空柱状结构从粉状材料到结构坯件的一次性成形,能够实现单层粉料的直接成形,显著优化制造工艺并提高制造效率,能够实现超大长径比中空结构件的增材制造,能够快速制备出具有超小长径比的薄壁中空件。
Description
技术领域
本发明涉及开放式或半封闭式的中空件制造技术领域,具体涉及一种增材制造装置及中空件固相增材制造方法。
背景技术
现有制造工艺中,开放式或半封闭式的中空件/深盲孔壳体构件的加工方法主要有以下几种方法。方法一,先铸造出圆棒料,然后将圆棒料经钻孔、扩孔、镗孔等一系列加工后获得所需管状结构件或深盲孔壳体构件。方法二,采用,锻造+焊接的制造方法,如传统的动能侵彻战斗部壳体制造工艺。其他方法:如文献CN 105666048 A公开的具有细长深盲孔铝合金壳体及其制造方法,先将切割圆棒胚料加热后进行热镦,然后再经热反挤压冲孔形成细长深盲孔铝合金壳体成形件;如文献CN 111346997 A公开的导弹用壳体加工工艺,将获得的粉状原材料经材料冶炼、锻制管坯、挤压成型等一系列步骤,在锻制管坯阶段还需经过钢锭加热、快速机组镦粗拔长开坯、锻造成型、锻坯预处理等分工序;如文献CN114147233 B公开了的导弹战斗部壳体及其增材制造方法,利用激光加工头产生的光斑熔化混合粉料,进而通过沿着目标外部壳体部的形状路径扫描实现逐层沉积,直至完成增材过程。
然而,如前所述方法一中,存在加工过程中存在刀杆悬伸过长、容易产生振动、损坏刀具、冷却效果不理想、排屑困难等问题,不能及时清理已加工表面区域内的切屑,极易在零件表面形成划伤和烧伤缺陷;如前所述方法二中,容易出现材料不均匀和应力集中等问题;而采用锻造钢坯需经多道次工序才能生产出开放式或半封闭式的中空件/深盲孔壳体构件,且钢锭镦粗拔长过程中易于出现裂纹,需清理镦粗拔长过程中坯件表面出现的裂纹,制造过程中还要反复加热和保温,工序繁琐,同时铸造坯料组织粗大,经后续热加工组织进一步恶化;激光等基于熔化的增材制造会导致材料过热,增材件组织粗大,强化相溶解,沉积层间较大的残余应力严重降低结构件疲劳性能。
更关键的是,采用现有加工方法无法实现单层粉料的一次性成型,不利于快速制备出超大长径比(30-100)的中空结构件,更无法快速制备出具有超小长径比(0.1-10‰)的薄壁中空件。
发明内容
本发明目的在于提供一种增材制造装置及中空件固相增材制造方法,既能够实现单层粉料的一次性成型,有利于提高超大长径比中空结构件的制备效率,又能够快速制备出具有超小长径比(0.1-10‰)的薄壁中空件。
为了实现上述目的,本发明采用如下所述技术方案。
一种增材制造装置,包括储料仓,储料仓连接送料工具,在送料工具上套设有工具头,在工具头上套设有模具,模具底端连接有基底,由送料工具、工具头、模具和基底共同围合成容积可变的模腔,送料工具下部相对于工具头底端向下凸出,工具头和/或送料工具能够在外力作用下旋转及轴向移动,基底也能够在外力作用下旋转(基底可以旋转,也可以静止,静止状态有利于简化设备结构,旋转状态有利于沉积层更好的成形);送料工具为中空结构,送料工具侧壁设置有出料通道,出料通道与模腔相通。
进一步地,为了顺利地将粉料均匀地送至模腔,在送料工具的中空腔底部设置有圆锥结构,圆锥结构母线与送料工具相交处设置多个均匀布置的所述出料通道,每个所述出料通道下轮廓为斜壁,该斜壁的斜度与圆锥结构的斜度相同。
作为优选,工具头底端为平面;或者,在工具头底端设置有沿工具头径向方向均匀布置的多条螺旋槽,螺旋槽的宽度由内(工具头中部)向外(工具头边部)逐渐变小,设置的螺旋槽尤其利于在多层结构沉积过程中将粉料均匀地引导至工具头底端并顺利铺展。
作为优选,工具头的内腔分为两部分,上部分内腔直径小于下部分内腔,在下部分内腔底部且位于相邻螺旋槽之间具有径向凸起,采用这样的结构,在将粉料顺利地引导至工具头底端的情况下,还能够防止粉料回流。
作为优选,所述出料通道的最低点与工具头底端的垂直距离为10-300mm。
进一步地,在储料仓上设置有感应加热线圈。
一种采用前述增材制造装置的中空件固相增材制造方法,步骤包括:
步骤1,在模具内壁涂覆石墨润滑剂,将粉状原料送入储料仓,设定好感应加热温度对粉状原料进行预热;
步骤2,控制送料工具以20rpm~800rpm的转速旋转,将粉状原料送至模腔,控制基底以0~2000rpm的转速旋转;
步骤3,控制工具头以100rpm~6000rpm的转速旋转并在锻压力的作用下轴向下移,工具头旋转方向与基底旋转方向相反,从出料通道流出的粉状原料沿着工具头底端铺展,并沉积在基底上表面,形成第一层沉积结构;
步骤4,控制工具头和送料工具保持旋转并轴向上移,随后重复进行步骤3,在第一层沉积结构上形成第二层沉积结构,多次重复进行步骤4,实现增材过程的连续沉积;
步骤5,当总沉积厚度达到设定高度后,将工具头和送料工具从模具中取出,将模具取出,得中空件。
作为优选,步骤3中,每次沉积材料厚度控制为0.1-8mm。
一种采用前述增材制造装置的薄壁中空件固相增材制造方法,步骤包括:
步骤11,在模具内壁涂覆石墨润滑剂,将粉状原料送入储料仓,设定好感应加热温度对粉状原料进行预热;
步骤12,控制送料工具以20rpm~500rpm的转速旋转,将粉状原料送至模腔,控制基底以0~800rpm的转速旋转;
步骤13,选用底端为平面的工具头,控制工具头以100rpm~2000rpm的转速旋转并在锻压力的作用下轴向下移,工具头旋转方向与基底旋转方向相反,从出料通道流出的粉状原料沿着工具头底端铺展,并沉积在基底上表面,形成单层沉积结构;
步骤14,将工具头和送料工具从模具中取出,将模具和基底取出,得薄壁中空件。
作为优选,步骤13中,沉积材料厚度控制为0.1-1mm。
有益效果:1、本发明中,通过工具头与粉料热机作用实现材料塑化沉积,材料沉积阶段所受温度低于熔点,粉料不发生熔化,且粉料经历强烈的热机作用,能够避免粉料过热而带来的组织粗化和强化相溶解,降低应力集中,能够获得优质制造件;2、采用本发明方案,可以实现开放式或半封闭式的中空柱状结构从粉状材料到结构坯件的一次性成形,能够实现单层粉料的直接成形,显著优化制造工艺并提高制造效率;3、采用本发明方案,不仅能实现低熔点材料开放式或半封闭式中空柱状结构的增材制造,也能对高熔点材料进行有效预热,并实现高熔点材料开放式或半封闭式中空柱状结构的增材制造;4、采用本发明方案,不仅能够实现超大长径比中空结构件的增材制造,更关键地是能够快速制备出具有超小长径比(0.1-10‰)的薄壁中空件。
附图说明
图1是实施例1中增材制造装置剖面结构示意图;
图2是实施例1中增材制造装置的工具头与送料工具底部结构示意图;
图3是实施例2中增材制造装置剖面结构示意图;
图4是实施例2中增材制造装置的工具头与送料工具底部结构示意图;
图5是实施例2中增材制造装置的工具头结构示意图。
图6是实施例中增材制造装置外部结构示意图;
图7是实施例中增材制造装置的送料工具结构示意图。
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,但以下实施例的说明只是用于帮助理解本发明的原理及其核心思想,并非对本发明保护范围的限定。应当指出,对于本技术领域普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,针对本发明进行的改进也落入本发明权利要求的保护范围内。
实施例1
如图1、图2、图6和图7所示,一种增材制造装置,包括储料仓1,储料仓1的料口连接送料工具3,在送料工具3上套设有工具头4,在工具头4上套设有模具5,模具5底端连接有基底6,由送料工具3、工具头4、模具5和基底6共同围合成容积可变的模腔7,送料工具3下部相对于工具头4底端向下凸出,工具头4和送料工具3能够在外力作用下旋转及轴向移动,模具5也能够在外力的作用下轴向移动,基底6也能够在外力作用下旋转;送料工具3为中空结构,送料工具3侧壁均匀设置有四个出料通道32,每个出料通道32与模腔7相通。其中,在送料工具3的中空腔底部设置有圆锥结构8,圆锥结构8母线与送料工具3相交处设置所述出料通道32。其中,出料通道32的最低点与工具头4底端的垂直距离为30mm,出料通道32低于工具头4底端;在储料仓1上设置有感应加热小圈2,在工具头4底端设置有沿工具头4径向方向均匀布置的四条螺旋槽43,螺旋槽43的深度为2mm,螺旋槽43的宽度由内向外逐渐变小(最大宽度为10mm,最小宽度为5mm)。本实施例中,送料工具3外径为30mm、内径20mm,出料通道32的截面为圆形,工具头4外径为40mm、内径为32mm、高度为100mm,模具5内径为42mm,高度为300mm。
一种采用本实施例中增材制造装置的中空件(316L不锈钢,外径为42mm、高度为500mm)固相增材制造方法,步骤包括:
步骤1,在模具5内壁涂覆石墨润滑剂,将粉状原料送入储料仓1,设定好感应加热温度对粉状原料进行预热,预热温度为700℃;
步骤2,控制送料工具3以100rpm的转速旋转,将粉状原料送至模腔7,控制基底6以200rpm的转速旋转;
步骤3,控制工具头4以300rpm的转速旋转并在锻压力的作用下轴向下移,工具头4旋转方向与基底6旋转方向相反,在工具头4和送料工具3以及基底6的旋转状态下,从出料通道32流出的粉状原料沿着工具头4底端铺展,沉积材料厚度控制为0.5mm,并沉积在基底6上表面,形成第一层沉积结构;
步骤4,控制工具头4和送料工具3保持旋转并轴向上移,随后重复进行步骤3,在第一层沉积结构上形成第二层沉积结构,多次重复进行步骤4,实现增材过程的连续沉积;
步骤5,当总沉积厚度达到设定高度后,将工具头4和送料工具3从模具5中取出,将模具5取出,得外径为42mm、高度为500mm的中空件。
实施例2
如图3至图7所示,一种增材制造装置,包括储料仓1,储料仓1的料口连接送料工具3,在送料工具3上套设有工具头4,在工具头4上套设有模具5,模具5底端连接有基底6,由送料工具3、工具头4、模具5和基底6共同围合成容积可变的模腔7,送料工具3下部相对于工具头4底端向下凸出,工具头4和送料工具3能够在外力作用下旋转及轴向移动,模具5也能够在外力的作用下轴向移动,基底6也能够在外力作用下旋转;送料工具3为中空结构,送料工具3侧壁均匀设置有四个出料通道32,每个出料通道32与模腔7相通。其中,在送料工具3的中空腔底部设置有圆锥结构8,圆锥结构8母线与送料工具3相交处设置所述出料通道32,每个出料通道32下轮廓为斜壁,该斜壁的斜度与圆锥结构8的斜度相同。其中,出料通道32的最低点与工具头4底端的垂直距离为35mm;在储料仓1上设置有感应加热线圈2。其中,如图4和图5所示,在工具头4底端设置有沿工具头4径向方向均匀布置的四条螺旋槽43,螺旋槽43的深度为2mm,螺旋槽43的宽度由内向外逐渐变小(最大宽度为10mm,最小宽度为5mm);工具头4的内腔分为两部分,上部分内腔41直径小于下部分内腔44,在下部分内腔44底部且位于相邻螺旋槽43之间具有径向凸起42,径向凸起42与送料工具3一体成型。本实施例中,送料工具3外径为100mm、内径50mm,出料通道32的截面为圆形,工具头4外径为200mm、内径为102mm、高度为200mm,模具5内径为202mm,高度为3000mm。
一种采用本实施例中增材制造装置的中空件(6061铝合金,外径为200mm、高度为2500mm)固相增材制造方法,步骤包括:
步骤1,在模具5内壁涂覆石墨润滑剂,将粉状原料送入储料仓1;
步骤2,控制送料工具3以200rpm的转速旋转,将粉状原料送至模腔7,控制基底6以100rpm的转速旋转;
步骤3,控制工具头4以400rpm的转速旋转并在锻压力的作用下轴向下移,工具头4旋转方向与基底6旋转方向相反,在工具头4和送料工具3以及基底6的旋转状态下,从出料通道32流出的粉状原料沿着工具头4底端铺展,沉积材料厚度控制为2mm,并沉积在基底6上表面,形成第一层沉积结构;
步骤4,控制工具头4和送料工具3保持旋转并轴向上移,随后重复进行步骤3,在第一层沉积结构上形成第二层沉积结构,多次重复进行步骤4,实现增材过程的连续沉积;
步骤5,当总沉积厚度达到设定高度后,将工具头4和送料工具3从模具5中取出,将模具5取出,得外径为200mm、高度为2500mm的中空件。
实施例3
一种增材制造装置,其部件编号和相应结构参照实施例的附图,包括储料仓1,储料仓1的料口连接送料工具3,在送料工具3上套设有工具头4,在工具头4上套设有模具5,模具5底端连接有基底6,由送料工具3、工具头4、模具5和基底6共同围合成容积可变的模腔7,送料工具3下部相对于工具头4底端向下凸出,工具头4和送料工具3能够在外力作用下旋转及轴向移动,模具5也能够在外力的作用下轴向移动,基底6也能够在外力作用下旋转;送料工具3为中空结构,送料工具3侧壁均匀设置有四个出料通道32,每个出料通道32与模腔7相通。其中,在送料工具3的中空腔底部设置有圆锥结构8,圆锥结构8母线与送料工具3相交处设置所述出料通道32。其中,出料通道32的最低点与工具头4底端的垂直距离为10mm,工具头4底端为平面;在储料仓1上设置有感应加热线圈2。本实施例中,送料工具3外径为500mm、内径300mm,出料通道32的截面为矩形,工具头4外径为1000mm、内径为502mm、高度为100mm,模具5内径为1002mm、高度50mm。
一种采用本实施例中增材制造装置的薄壁中空件(镁合金薄板)固相增材制造方法,步骤包括:
步骤11,在模具5内壁涂覆石墨润滑剂,将粉状原料送入储料仓1;
步骤12,控制送料工具3以25rpm的转速旋转至下极限位置(即送料工具3下端抵紧基底6),将粉状原料送至模腔7,控制基底6以15rpm的转速旋转;
步骤13,控制工具头4以500rpm的转速旋转并在锻压力的作用下轴向下移,工具头4旋转方向与基底6旋转方向相反,在工具头4和送料工具3以及基底6的旋转状态下,从出料通道32流出的粉状原料沿着工具头4底端铺展,沉积材料厚度控制为1mm,并沉积在基底6上表面,形成单层沉积结构;
步骤14,将工具头4和送料工具3从模具5中取出,将模具5和基底6取出,切边后得厚度不大于1mm的镁合金薄壁中空件,所得铝合金薄壁中空件上表面为光壁结构。
实施例4
本例中增材制造装置参照实施例1的结构,其与实施例1中结构的主要区别在于:在工具头4底端设置有沿工具头4径向方向均匀布置的八条螺旋槽43,螺旋槽43的深度为3mm,螺旋槽43的宽度由内(工具头4中部)向外(工具头4边部)逐渐变小(最大宽度为15mm,最小宽度为5mm),螺旋槽43呈弧形槽结构。
一种采用本实施例中增材制造装置的薄壁中空件(不锈钢薄板)固相增材制造方法,步骤包括:
步骤11,在模具5内壁涂覆石墨润滑剂,将粉状原料送入储料仓1,设定好感应加热温度对粉状原料进行预热,预热温度为700℃;
步骤12,控制送料工具3以60rpm的转速旋转至下极限位置(即送料工具3下端抵紧基底6),将粉状原料送至模腔7,控制基底6以40rpm的转速旋转;
步骤13,控制工具头4以150rpm的转速旋转并在锻压力的作用下轴向下移,工具头4旋转方向与基底6旋转方向相反,在工具头4和送料工具3以及基底6的旋转状态下,从出料通道32流出的粉状原料沿着工具头4底端铺展,沉积材料厚度控制为0.5mm,并沉积在基底6上表面,形成单层沉积结构;
步骤14,将工具头4和送料工具3从模具5中取出,将模具5和基底6取出,切边后得厚度不大于0.5mm的不锈钢薄壁中空件,所得不锈钢薄壁中空件上表面粗糙度为Ra3.2,其上表面具有规则的环形纹路结构。
实施例5
本例中增材制造装置参照实施例2的结构,其与实施例1中结构的主要区别在于:在工具头4底端设置有沿工具头4径向方向均匀布置的八条螺旋槽43,螺旋槽43的深度为2mm,螺旋槽43的宽度由内向外逐渐变小(最大宽度为8mm,最小宽度为3mm),螺旋槽43呈弧形槽结构,相邻螺旋槽43之间具有径向凸起42,共有八个径向凸起42。
一种采用本实施例中增材制造装置的薄壁中空件(铝合金薄板)固相增材制造方法,步骤包括:
步骤11,在模具5内壁涂覆石墨润滑剂,将粉状原料送入储料仓1;
步骤12,控制送料工具3以60rpm的转速旋转至下极限位置(即送料工具3下端抵紧基底6),将粉状原料送至模腔7,控制基底6以40rpm的转速旋转;
步骤13,控制工具头4以600rpm的转速旋转并在锻压力的作用下轴向下移,工具头4旋转方向与基底6旋转方向相反,在工具头4和送料工具3以及基底6的旋转状态下,从出料通道32流出的粉状原料沿着工具头4底端铺展,沉积材料厚度控制为1.5mm,并沉积在基底6上表面,形成单层沉积结构;
步骤14,将工具头4和送料工具3从模具5中取出,将模具5和基底6取出,得厚度不大于1.5mm的铝合金薄壁中空件(无需切工件内边),所得铝合金薄壁中空件上表面粗糙度为Ra3.2,其上表面具有规则的环形纹路结构。
应用方案中,相关参数可选范围的任意值,送料工具3外径20-800mm、内径为10-780mm,出料口32可以设置成圆形、方形或梯形,工具头4外径30-1500mm、内径20-830mm,模具5内径31-1520mm、高度10-200mm,上部分内腔41直径20-830mm,下部分内腔44直径25-1000mm;送料工具3转速20rpm~800rpm,基底6转速0~2000rpm,工具头4转速100rpm~6000rpm。可以通过将工具头4、送料工具3、基底6分别通过传动结构连接伺服电机,从而实现它们的旋转,可以通过位移机构分别驱动工具头4、送料工具3、模具6轴向移动;设置的径向凸起42下端面与工具头4下端面位于同一水平面。还需说明的是,基底6最好选用在工作温度下与粉状材料互不熔接的高硬度板材,必要时可在基底6上表面喷涂脱模剂。使用过程中,每当若干层沉积结构完成之后,控制模具5沿轴线上移一段距离,从而实现更高处的材料沉积,这种方式能够通过高度相对较小的模具制备出高出模具数倍的产品。
本发明中,通过工具头与粉料热机作用实现材料塑化沉积,材料沉积阶段所受温度低于熔点,粉料不发生熔化,且粉料经历强烈的热机作用,能够避免粉料过热而带来的组织粗化和强化相溶解,降低应力集中,能够获得优质制造件;采用本发明方案,可以实现开放式或半封闭式的中空柱状结构从粉状材料到结构坯件的一次性成形,能够实现单层粉料的直接成形,显著优化制造工艺并提高制造效率;采用本发明方案,不仅能实现低熔点材料开放式或半封闭式中空柱状结构的增材制造,也能对高熔点材料进行有效预热,并实现高熔点材料开放式或半封闭式中空柱状结构的增材制造;采用本发明方案,不仅能够实现超大长径比中空结构件的增材制造,更关键地是能够快速制备出具有超小长径比(0.1-10‰)的光壁或纹路壁面的薄壁中空件。
Claims (10)
1.一种增材制造装置,包括储料仓(1),储料仓(1)连接送料工具(3),其特征在于:在送料工具(3)上套设有工具头(4),在工具头(4)上套设有模具(5),模具(5)底端连接有基底(6),由送料工具(3)、工具头(4)、模具(5)和基底(6)共同围合成容积可变的模腔(7),送料工具(3)下部相对于工具头(4)底端向下凸出,工具头(4)和/或送料工具(3)能够在外力作用下旋转和轴向移动,模具(5)也能够在外力作用下旋转;送料工具(3)为中空结构,送料工具(3)侧壁设置有出料通道(32),出料通道(32)与模腔(7)相通。
2.根据权利要求1所述的增材制造装置,其特征在于:在送料工具(3)的中空腔底部设置有圆锥结构(8),圆锥结构(8)母线与送料工具(3)相交处设置多个均匀布置的所述出料通道(32),每个所述出料通道(32)下轮廓为斜壁,该斜壁的斜度与圆锥结构(8)的斜度相同。
3.根据权利要求2所述的增材制造装置,其特征在于:工具头(4)底端为平面;或者,在工具头(4)底端设置有沿工具头(4)径向方向均匀布置的多条螺旋槽(43)。
4.根据权利要求3所述的增材制造装置,其特征在于:工具头(4)的内腔分为两部分,上部分内腔(41)直径小于下部分内腔(44),在下部分内腔(44)底部且位于相邻螺旋槽(43)之间具有径向凸起(42)。
5.根据权利要求1-4任一项所述的增材制造装置,其特征在于:所述出料通道(32)的最低点与工具头(4)底端的垂直距离为10-300mm。
6.根据权利要求5所述的增材制造装置,其特征在于:在储料仓(1)上设置有感应加热线圈(2)。
7.一种采用权利要求1-6任一项所述增材制造装置的中空件固相增材制造方法,其特征在于,步骤包括:
步骤1,在模具(5)内壁涂覆石墨润滑剂,将粉状原料送入储料仓(1),设定好感应加热温度对粉状原料进行预热;
步骤2,控制送料工具(3)以20rpm~800rpm的转速旋转,将粉状原料送至模腔(7),控制基底(6)以0~2000rpm的转速旋转;
步骤3,控制工具头(4)以100rpm~6000rpm的转速旋转并在锻压力的作用下轴向下移,工具头(4)旋转方向与基底(6)旋转方向相反,从出料通道(32)流出的粉状原料沿着工具头(4)底端铺展,并沉积在基底(6)上表面,形成第一层沉积结构;
步骤4,控制工具头(4)和送料工具(3)保持旋转并轴向上移,随后重复进行步骤3,在第一层沉积结构上形成第二层沉积结构,多次重复进行步骤4,实现增材过程的连续沉积;
步骤5,当总沉积厚度达到设定高度后,将工具头(4)和送料工具(3)从模具(5)中取出,将模具(5)取出,得中空件。
8.根据权利要求7所述的中空件固相增材制造方法,其特征在于:步骤3中,每次的沉积材料厚度控制为0.1-8mm。
9.一种采用权利要求1-6任一项所述增材制造装置的薄壁中空件固相增材制造方法,其特征在于,步骤包括:
步骤11,在模具(5)内壁涂覆石墨润滑剂,将粉状原料送入储料仓(1),设定好感应加热温度对粉状原料进行预热;
步骤12,控制送料工具(3)以20rpm~500rpm的转速旋转,将粉状原料送至模腔(7),控制基底(6)以0~800rpm的转速旋转;
步骤13,选用底端为平面的工具头(4),控制工具头(4)以100rpm~2000rpm的转速旋转并在锻压力的作用下轴向下移,工具头(4)旋转方向与基底(6)旋转方向相反,从出料通道(32)流出的粉状原料沿着工具头(4)底端铺展,并沉积在基底(6)上表面,形成单层沉积结构;
步骤14,将工具头(4)和送料工具(3)从模具(5)中取出,将模具(5)和基底(6)取出,得薄壁中空件。
10.根据权利要求9所述的中空件固相增材制造方法,其特征在于:步骤13中,沉积材料/结构厚度控制为0.1-1mm。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202211229298.4A CN115519136B (zh) | 2022-10-09 | 2022-10-09 | 一种增材制造装置及中空件固相增材制造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202211229298.4A CN115519136B (zh) | 2022-10-09 | 2022-10-09 | 一种增材制造装置及中空件固相增材制造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN115519136A true CN115519136A (zh) | 2022-12-27 |
CN115519136B CN115519136B (zh) | 2024-05-17 |
Family
ID=84701356
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202211229298.4A Active CN115519136B (zh) | 2022-10-09 | 2022-10-09 | 一种增材制造装置及中空件固相增材制造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN115519136B (zh) |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109202272A (zh) * | 2018-03-21 | 2019-01-15 | 中国航空制造技术研究院 | 一种流动摩擦增材制造装置及增材制造方法 |
CN112828441A (zh) * | 2020-12-30 | 2021-05-25 | 昆山哈工万洲焊接研究院有限公司 | 一种半固态增材制造装置及方法 |
US20210205916A1 (en) * | 2020-01-08 | 2021-07-08 | The Boeing Company | Additive friction stir deposition method for manufacturing an article |
CN113500287A (zh) * | 2021-09-10 | 2021-10-15 | 长沙仪秀兴智能科技有限公司 | 一种摩擦焊接增材设备及方法 |
CN113927151A (zh) * | 2021-11-02 | 2022-01-14 | 上海航天设备制造总厂有限公司 | 薄壁筒体结构加强筋特征搅拌摩擦增材制造方法及装备 |
CN114799480A (zh) * | 2022-04-23 | 2022-07-29 | 哈尔滨工业大学 | 一种同步不间断送丝全固相搅拌摩擦增材制造方法与装置 |
CN115091025A (zh) * | 2022-07-28 | 2022-09-23 | 中国科学院金属研究所 | 差速摩擦挤压沉积固态增材制造机头、固态制造装置 |
-
2022
- 2022-10-09 CN CN202211229298.4A patent/CN115519136B/zh active Active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109202272A (zh) * | 2018-03-21 | 2019-01-15 | 中国航空制造技术研究院 | 一种流动摩擦增材制造装置及增材制造方法 |
US20210205916A1 (en) * | 2020-01-08 | 2021-07-08 | The Boeing Company | Additive friction stir deposition method for manufacturing an article |
CN112828441A (zh) * | 2020-12-30 | 2021-05-25 | 昆山哈工万洲焊接研究院有限公司 | 一种半固态增材制造装置及方法 |
CN113500287A (zh) * | 2021-09-10 | 2021-10-15 | 长沙仪秀兴智能科技有限公司 | 一种摩擦焊接增材设备及方法 |
CN113927151A (zh) * | 2021-11-02 | 2022-01-14 | 上海航天设备制造总厂有限公司 | 薄壁筒体结构加强筋特征搅拌摩擦增材制造方法及装备 |
CN114799480A (zh) * | 2022-04-23 | 2022-07-29 | 哈尔滨工业大学 | 一种同步不间断送丝全固相搅拌摩擦增材制造方法与装置 |
CN115091025A (zh) * | 2022-07-28 | 2022-09-23 | 中国科学院金属研究所 | 差速摩擦挤压沉积固态增材制造机头、固态制造装置 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN115519136B (zh) | 2024-05-17 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN113172331B (zh) | 一种连续进给送料搅拌摩擦增材制造装置及增材制造方法 | |
CN101332476B (zh) | 一种薄壁长管形零件坯料的精密挤压成形方法及专用模具 | |
CN112512710B (zh) | 用于使用剪切辅助加工和挤压形成中空轮廓非圆形挤压件的方法 | |
JP3991188B2 (ja) | パイプ状の段付部品の成形方法および装置 | |
CN111230037A (zh) | 一种提高原料利用率的法兰的生产工艺 | |
CN110479927A (zh) | 大型薄壁叉形环件约束径轴向轧制成形方法 | |
CN110918844A (zh) | 一种薄壁多环高筋构件空间包络成形方法 | |
CN107186158A (zh) | 基于板料体积成形的双联齿轮锻造工艺与模具 | |
JP5549527B2 (ja) | 溝加工方法 | |
CN113967800B (zh) | 一种基于激光开槽和热滚压的筒件加强筋的加工工艺 | |
KR101264418B1 (ko) | 가열 성형된 허브 및 그 방법 | |
CN115519136B (zh) | 一种增材制造装置及中空件固相增材制造方法 | |
CN211915216U (zh) | 带沟槽结晶器铜管的成形模具 | |
CN116100139B (zh) | 一种搅拌摩擦增材装置及增材方法 | |
CN111112472A (zh) | 带沟槽结晶器铜管的成形模具及制备方法 | |
CN110479922B (zh) | 大型薄壁外t形环状构件约束轧制成形方法 | |
CN112742963A (zh) | 一种大型薄壁壳体的制造方法 | |
CN111759159A (zh) | 一种薄壁锅具及其生产工艺 | |
EP3430345B1 (en) | Method for producing gun barrels and apparatus for performing such method | |
CN100410000C (zh) | 精轧螺纹钢锚具的热胀成形制造方法 | |
KR100375703B1 (ko) | 자동차용 알로이휠의림 냉간성형방법 | |
WO2018090989A1 (zh) | 压力成型装置及压力成型方法 | |
CN111585380A (zh) | 一种水冷电机壳体及其加工方法 | |
CN116810045B (zh) | 一种适于搅拌摩擦增材装置的棒料切削出料机构 | |
CN109702024B (zh) | 一种细晶镁合金管塑性加工方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |