CN115647560B - 一种旋铡式搅拌摩擦增材制造装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种旋铡式搅拌摩擦增材制造装置及方法，包括转动连接的旋转部和固定部，旋转部包括与驱动机构传动连接的传动组件，传动组件与固定部转动连接；传动组件的底端固接有旋铡组件，旋铡组件与固定部转动连接；固定部包括与驱动机构固接的安装组件，安装组件与传动组件转动连接；安装组件的底端固接有轴肩，旋铡组件与轴肩的内壁转动连接；轴肩的侧壁贯穿开设有进料口，进料口与旋铡部连通并用于送入原料丝材。本发明有效地避免了旋转部与固定部之间的堵塞问题，提高了丝材型搅拌摩擦增材制造的适用性；避免了传统增材制造的冶金缺陷的问题，提高了增材制造零件的综合力学性能，可实现复杂结构零件的增材式搭建。

Description

一种旋铡式搅拌摩擦增材制造装置及方法

技术领域

本发明涉及固相增材制造技术领域，特别是涉及一种旋铡式搅拌摩擦增材制造装置及方法。

背景技术

高强铝合金具有低密度、高比强度、耐腐蚀等优点，是在工业制造领域内使用量仅次于钢铁材料的结构材料。传统的铝合金结构采用铸造、锻压、焊接等热成形工艺实现并结合机加工减材制造的方式获取最终需求的外形，这包含了多道加工工艺，且不可避免地需要大型加工设备及复杂工装模具设计，增加了制造特定结构的成本与时间，很难适应先进制造工业的发展趋势。增材制造技术的出现为实现轻量化铝合金构件的快速制造提供了新途径，然而，由于铝合金具有熔化潜热大、热裂纹敏感性高、本征易氧化等固有冶金局限性，采用目前常见的激光选取熔覆、熔丝电弧增材制造、电子束自由增材成形等存在熔化再凝固过程的增材制造方案难以获得无气孔、裂纹及夹杂等冶金缺陷的铝合金增材制造构件，限制了这一类增材制造技术在高强铝合金增材制造领域的广泛应用。

搅拌摩擦增材制造是一类纯固相增材制造方式，其过程完全避免了材料的熔化再凝固行为，从本征上避免了气孔、裂纹及夹杂等冶金缺陷出现的可能性，且其获得的组织致密、晶粒细小、强韧综合性能优良。该类方案目前可根据增材原料分为三类，分别为：板材型、方棒型、丝材型。其中板材型类似于传统的搅拌摩擦焊搭接过程，通过预制具有特定形状的二维板材依次沿堆积方向搭接焊牢，即可获得所需的增材制造结构，这一类方法工艺简单可行，但存在搭接结构可焊面积受限，增材结构边缘存在未焊合区域需机加工减材去除的问题，实际应用上存在一定的局限性。方棒型通过电推杆或油压推杆结构将方棒从高速旋转的搅拌头中心挤出，并在搅拌头的搅拌摩擦作用下堆积成形，该方法避免了板材型方法存在的两侧未焊合问题，为搅拌摩擦增材制造技术的普及化应用铺平了道路。但需要指出的是，这一类方法仍然存在一定的缺陷，即通过电推杆或油压推杆推动的方棒原料长度不可无限延长，这意味着在增材制造过程中需要经常暂停以更换棒材，导致增材制造过程的不连续性和加工效率的下降。故此，丝材型搅拌摩擦增材制造技术成为了固相增材制造技术领域最受关注的方法。因其可直接采用类似于传统熔化焊的盘式焊丝，可保证增材制造的连续性。然而，该类方法目前仍不成熟，现有方案仍存在增材制造模具易堵塞的问题。有鉴于此，亟需设计一种旋铡式搅拌摩擦增材制造装置及方法来解决上述的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种旋铡式搅拌摩擦增材制造装置，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种旋铡式搅拌摩擦增材制造装置，安装在驱动机构的输出端，包括旋转部和固定部，所述旋转部与所述固定部转动连接，所述旋转部与所述驱动机构传动连接，所述固定部与所述驱动机构固接；

所述旋转部包括与所述驱动机构传动连接的传动组件，所述传动组件与所述固定部转动连接；所述传动组件的底端固接有旋铡组件，所述旋铡组件与所述固定部转动连接；

所述固定部包括与所述驱动机构固接的安装组件，所述安装组件与所述传动组件转动连接；所述安装组件的底端固接有轴肩，所述旋铡组件与所述轴肩的内壁转动连接；所述轴肩的侧壁贯穿开设有进料口，所述进料口与所述旋铡部连通并用于送入原料丝材。

优选的，所述旋铡组件包括固接在所述传动组件底端的旋铡头，所述旋铡头的外壁与所述轴肩内壁转动连接；所述旋铡头的底端周向等间距开设有若干旋铡槽，所述旋铡槽与所述进料口可拆卸连接；所述旋铡头的底端周向等间距固接有若干搅拌针。

优选的，所述旋铡头的底端与所述轴肩的底端平齐，所述搅拌针伸出所述轴肩；所述旋铡槽与所述搅拌针间隔设置。

优选的，所述传动组件包括与所述驱动机构传动连接的装夹杆，所述装夹杆的底端固接有过渡杆，所述过渡杆与所述安装组件转动连接；所述过渡杆上开设有用于定位的定位槽。

优选的，所述旋铡槽的边缘尖角过渡。

优选的，所述原料丝材的直径不大于所述进料口的宽度，所述原料丝材不大于所述旋铡槽的宽度；所述原料丝材的直径为2.0mm-3.0mm。

优选的，所述旋转部和所述固定部的热处理硬度不低于48HRC。

一种旋铡式搅拌摩擦增材制造方法，包括以下步骤：

步骤一：安装增材制造装置；将增材制造装置安装在驱动机构的输出端；

步骤二：穿设原料丝材并设定送进速度；将原料丝材穿入进料口，并施加恒定的送进力度和速度；

步骤三：增材制造装置定位，并设定转速与行进参数；通过驱动机构对增材制造装置在基材上进行定位，并按照需求设定参数；

步骤四：增材制造；驱动机构带动增材制造装置高速旋转，截断原料丝材并摩擦软化，与基材结合固化；

步骤五：增材制造装置按照设定的参数行进，按照需求完成增材制造。

优选的，步骤四中，原料丝材的送进速度与旋转部应满足以下公式：

fd＝nωt

其中，d为原料丝材的直径，f为原料丝材的送进速度，ω为旋转部的转速，t为旋铡槽的宽度，n为旋铡槽的数量。

本发明公开了以下技术效果：本发明公开了一种旋铡式搅拌摩擦增材制造装置及方法，主要用于解决现有的增材制造装置中使用盘式焊丝容易导致模具堵塞的问题；增材制造装置安装在现有的驱动机构上，作为现有驱动机构的附件使用，不需额外设计机床和动力部分，安装简单快捷，使用方便；传动组件带动旋铡组件转动，结合固定的轴肩，将原料丝材切割成小段，并通过旋铡组件的摩擦使被切成小段的原料丝材受热软化，与基材结合并固化，轴肩的作用是将与基材固化的原料抹平压实，提高结合的牢固程度。

与现有技术相比，本发明具有以下的优点：

1.本发明解决了固相搅拌摩擦增材制造的连续进给难题，且由于原料丝材在截断为小段状增材原料后在重力作用下落入由旋铡组件创造的热塑化区域，使原料丝材的破碎区与增材成形区分离，有效地避免了旋转部与固定部之间的堵塞问题，提高了丝材型搅拌摩擦增材制造的适用性。

2.本发明通过旋铡组件摩擦软化基材与增材，避免了传统熔化再凝固增材制造方式易产生气孔、裂纹及夹杂等冶金缺陷的问题，显著提高了增材制造零件的综合力学性能，且可实现复杂结构零件的增材式搭建，极大地拓宽了高强铝合金的应用广度和深度。

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为本发明旋铡式搅拌摩擦增材制造装置工作状态示意图；

图2为本发明旋转部轴视图；

图3为本发明固定部轴视图；

图4为本发明旋铡式搅拌摩擦增材制造装置结构示意图；

图5为本发明旋铡头俯视结构示意图；

其中，1、旋转部；2、固定部；3、原料丝材；4、基材；11、装夹杆；12、过渡杆；13、旋铡头；14、搅拌针；15、旋铡槽；16、定位槽；17、侧铣平面；18、刀锋；21、轴肩；22、进料口；23、安装板；24、安装孔；31、原料颗粒；41、基板；42、增材层。

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1-5，本发明提供一种旋铡式搅拌摩擦增材制造装置，安装在驱动机构的输出端，包括旋转部1和固定部2，旋转部1与固定部2转动连接，旋转部1与驱动机构传动连接，固定部2与驱动机构固接；

旋转部1包括与驱动机构传动连接的传动组件，传动组件与固定部2转动连接；传动组件的底端固接有旋铡组件，旋铡组件与固定部2转动连接；

固定部2包括与驱动机构固接的安装组件，安装组件与传动组件转动连接；安装组件的底端固接有轴肩21，旋铡组件与轴肩21的内壁转动连接；轴肩21的侧壁贯穿开设有进料口22，进料口22与旋铡部连通并用于送入原料丝材3。

本发明公开了一种旋铡式搅拌摩擦增材制造装置及方法，主要用于解决现有的增材制造装置中使用盘式焊丝容易导致模具堵塞的问题；增材制造装置安装在现有的驱动机构(图中未显示)上，作为现有驱动机构的附件使用，不需额外设计机床和动力部分，安装简单快捷，使用方便；传动组件带动旋铡组件转动，结合固定的轴肩21，将原料丝材3切割成小段，并通过旋铡组件的摩擦使被切成小段的原料丝材3受热软化，与基材4结合并固化，轴肩21的作用是将与基材4固化的原料抹平压实，提高结合的牢固程度。

与现有技术相比，本发明具有以下的优点：

1.本发明解决了固相搅拌摩擦增材制造的连续进给难题，且由于原料丝材3在截断为小段状增材原料后在重力作用下落入由旋铡组件创造的热塑化区域，使原料丝材3的破碎区与增材成形区分离，有效地避免了旋转部1与固定部2之间的堵塞问题，提高了丝材型搅拌摩擦增材制造的适用性；

2.本发明通过旋铡组件摩擦软化基材4与增材，避免了传统熔化再凝固增材制造方式易产生气孔、裂纹及夹杂等冶金缺陷的问题，显著提高了增材制造零件的综合力学性能，且可实现复杂结构零件的增材式搭建，极大地拓宽了高强铝合金的应用广度和深度。

进一步优化方案，旋铡组件包括固接在传动组件底端的旋铡头13，旋铡头13的外壁与轴肩21内壁转动连接；旋铡头13的底端周向等间距开设有若干旋铡槽15，旋铡槽15与进料口22可拆卸连接；旋铡头13的底端周向等间距固接有若干搅拌针14。旋铡头13下方的旋铡槽15随旋铡头13一同旋转，当旋铡槽15与进料口22对准时，原料丝材3伸进旋铡槽15，当旋转到错位角度时，旋铡槽15的边缘与进料口22的边缘将原料丝材3切断形成小段状的原料颗粒31，原料颗粒31在重力作用下落入由若干的搅拌针14组成的增材制造成形区域，搅拌针14接收到原料颗粒31后，与基材4的基板41或者新增的增材层42之间高速搅拌摩擦，产生的热量使原料颗粒31软化进入热塑化状态，与基板41或者增材层42之间形成致密的固相增材制造层；驱动机构带动增材制造装置按照设定的轨迹进行移动，逐层将需要的工件制作出来。

进一步的，搅拌针14为固接在旋铡头13底端的圆台状凸起，其大直径端与旋铡头13固接。

进一步优化方案，旋铡头13的底端与轴肩21的底端平齐，搅拌针14伸出轴肩21；旋铡槽15与搅拌针14间隔设置。搅拌针14设固接在旋铡头13底端相邻的两个旋铡槽15之间的位置；搅拌针14伸出轴肩21的内孔，形成增材制造成形区域，轴肩21的底端用于将新添的增材层42抹平，确保层状结构的厚度均匀平整，不会出现空腔，扭曲等缺陷。

进一步优化方案，传动组件包括与驱动机构传动连接的装夹杆11，装夹杆11的底端固接有过渡杆12，过渡杆12与安装组件转动连接；过渡杆12上开设有用于定位的定位槽16。装夹杆11安装在驱动机构上，在驱动机构的带动下高速旋转，进而使旋铡头13高速旋转，提供原料丝材3铡断的动力以及原料颗粒31和基材4软化的摩擦力；过渡杆12上的定位槽16用于与驱动机构定位连接，并确保其与驱动机构之间不会发生相对旋转，保证转动的传递稳定性。

进一步的，驱动机构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，传动组件与上述设备的旋转主轴转子部分连接。

进一步的，装夹杆11的侧壁开设有侧铣平面17，用于与驱动机构进行侧固式装夹，增加装夹的适配方式。

进一步优化方案，旋铡槽15的边缘尖角过渡。旋铡槽15的边缘尖角过渡，形成锐角状的刀锋18，当与进料口22错位时，方便铡断原料丝材3。

进一步优化方案，原料丝材3的直径不大于进料口22的宽度，原料丝材3不大于旋铡槽15的宽度；原料丝材3的直径为2.0mm-3.0mm。原料丝材3的直径不大于进料口22和旋铡槽15的宽度，防止原料丝材3堵住无法进入；原料丝材3的直径优选为2mm、2.4mm或3mm的标准丝材，具体直径可根据需求选用。

进一步的，原料丝材3的材质包括但不限于铝及铝合金、镁及镁合金、铜及铜合金等。

进一步优化方案，旋转部1和固定部2的热处理硬度不低于48HRC。旋转部1和固定部2的热处理硬度不低于48HRC(洛氏硬度)，具有较高的硬度，确保在与基材4和原料丝材3摩擦的过程中不会变形以及损坏。

进一步的，旋转部1和固定部2的材料包括但不限于热作模具钢、高速工具钢等常规的高硬度钢材。

一种旋铡式搅拌摩擦增材制造方法，包括以下步骤：

步骤一：安装增材制造装置；将增材制造装置安装在驱动机构的输出端；将装夹杆11与驱动机构的主轴转子部分固定，并通过定位槽16进行限位，再将安装组件的安装板23抵住驱动机构输出端非旋转的定子部分，并通过安装板23上的安装孔24进行螺栓固定，使增材制造装置稳定的安装在驱动机构的输出端；

步骤二：穿设原料丝材3并设定送进速度；将原料丝材3穿入进料口22，并施加恒定的送进力度和速度；将原料丝材3的一端从轴肩21的进料孔穿入，并施加一定的进料压力，抵住旋铡头13的侧壁或者伸进旋铡槽15内；根据需求设定原料丝材3的进料速度，使原料丝材3源源不断的送入；

步骤三：增材制造装置定位，并设定转速与行进参数；通过驱动机构对增材制造装置在基材4上进行定位，并按照需求设定参数；将驱动机构移动到固定好的基板41上方，并使旋铡头13对转选定好的零位位置，并将需要制造的零件图纸输入驱动机构中，由驱动机构自动规划走刀的路径和速度，同时设定好旋铡头13的旋转速度。

步骤四：增材制造；驱动机构带动增材制造装置高速旋转，截断原料丝材3并摩擦软化，与基材4结合固化；启动驱动机构，旋铡槽15的刀锋18将源源不断送入的原料丝材3铡成原料颗粒31，并在重力的作用下下落，与搅拌针14接触，同时搅拌针14在旋铡头13的带动下高速的公转，将基材4的表面和原料颗粒31摩擦软化，并结合固定化在一起，此时轴肩21在驱动机构的带动下平移，将软化的原料颗粒31抹平形成新的平整的增材层42。

步骤五：增材制造装置按照设定的参数行进，按照需求完成增材制造；驱动机构带动旋转部1和固定部2以一定行进速度沿增材平面行进方向运动并沿堆积方向逐渐抬起，最终形成完整的固相增材制造零件，在此过程中，材料全程不发生熔化，是全固相的增材制造过程。

进一步优化方案，步骤四中，原料丝材3的送进速度与旋转部1应满足以下公式：

fd＝nωt

其中，d为原料丝材3的直径，f为原料丝材3的送进速度，ω为旋转部1的转速，t为旋铡槽15的宽度，n为旋铡槽15的数量。公式的含义为原料丝材3送入的速度与软化增材的速度相同，使得原料丝材3送入的部分完全被软化并与基材4结合固化，不会不足，也不会有由于进速过快导致堆积堵塞。

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 (5)

1.一种旋铡式搅拌摩擦增材制造装置，安装在驱动机构的输出端，其特征在于：包括旋转部(1)和固定部(2)，所述旋转部(1)与所述固定部(2)转动连接，所述旋转部(1)与所述驱动机构传动连接，所述固定部(2)与所述驱动机构固接；

所述旋转部(1)包括与所述驱动机构传动连接的传动组件，所述传动组件与所述固定部(2)转动连接；所述传动组件的底端固接有旋铡组件，所述旋铡组件与所述固定部(2)转动连接；

所述固定部(2)包括与所述驱动机构固接的安装组件，所述安装组件与所述传动组件转动连接；所述安装组件的底端固接有轴肩(21)，所述旋铡组件与所述轴肩(21)的内壁转动连接；所述轴肩(21)的侧壁贯穿开设有进料口(22)，所述进料口(22)与所述旋铡部连通并用于送入原料丝材(3)；

所述旋铡组件包括固接在所述传动组件底端的旋铡头(13)，所述旋铡头(13)的外壁与所述轴肩(21)内壁转动连接；所述旋铡头(13)的底端周向等间距开设有若干旋铡槽(15)，所述旋铡槽(15)与所述进料口(22)可拆卸连接；所述旋铡头(13)的底端周向等间距固接有若干搅拌针(14)；

所述旋铡头(13)的底端与所述轴肩(21)的底端平齐，所述搅拌针(14)伸出所述轴肩(21)；所述旋铡槽(15)与所述搅拌针(14)间隔设置；

所述传动组件包括与所述驱动机构传动连接的装夹杆(11)，所述装夹杆(11)的底端固接有过渡杆(12)，所述过渡杆(12)与所述安装组件转动连接；所述过渡杆(12)上开设有用于定位的定位槽(16)。

2.根据权利要求1所述的旋铡式搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于：所述旋铡槽(15)的边缘尖角过渡。

3.根据权利要求1所述的旋铡式搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于：所述原料丝材(3)的直径不大于所述进料口(22)的宽度，所述原料丝材(3)不大于所述旋铡槽(15)的宽度；所述原料丝材(3)的直径为2.0mm-3.0mm。

4.根据权利要求1所述的旋铡式搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于：所述旋转部(1)和所述固定部(2)的热处理硬度不低于48HRC。

5.一种旋铡式搅拌摩擦增材制造方法，根据权利要求1-4任意一项所述的旋铡式搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：安装增材制造装置；将增材制造装置安装在驱动机构的输出端；

步骤二：穿设原料丝材(3)并设定送进速度；将原料丝材(3)穿入进料口(22)，并施加恒定的送进力度和速度；

步骤三：增材制造装置定位，并设定转速与行进参数；通过驱动机构对增材制造装置在基材上进行定位，并按照需求设定参数；

步骤四：增材制造；驱动机构带动增材制造装置高速旋转，截断原料丝材(3)并摩擦软化，与基材(4)结合固化；

步骤五：增材制造装置按照设定的参数行进，按照需求完成增材制造；

步骤四中，原料丝材(3)的送进速度与旋转部(1)应满足以下公式：

fd＝nωt

其中，d为原料丝材(3)的直径，f为原料丝材(3)的送进速度，ω为旋转部(1)的转速，t为旋铡槽(15)的宽度，n为旋铡槽(15)的数量。