CN115647563A

CN115647563A - 一种随动锤击式搅拌摩擦增材制造装置及方法

Info

Publication number: CN115647563A
Application number: CN202211375795.5A
Authority: CN
Inventors: 张泽宇; 黄永宪; 孟祥晨; 谢聿铭; 冒冬鑫; 杨惠越
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2022-11-04
Filing date: 2022-11-04
Publication date: 2023-01-31
Anticipated expiration: 2042-11-04
Also published as: CN115647563B

Abstract

本发明公开一种随动锤击式搅拌摩擦增材制造装置及方法，包括安装座，包括安装组件，安装组件包括分体式静轴肩、增材搅拌头和超声振动系统，分体式静轴肩固定连接在安装座上，增材搅拌头位于分体式静轴肩内，增材搅拌头固定连接在搅拌摩擦焊机刀柄上，分体式静轴肩上开设有送料通孔，送料通孔和增材搅拌头对应设置，超声振动系统固定连接在安装座上，超声振动系统上设置有超声振动器，分体式静轴肩上设置有接触平面，超声振动器与接触平面抵接。本发明在超声带动下高频振动协同锤击增材层，实现增材层表面的实时应力调控，有效释放增材件残余应力，改善增材件成形。

Description

一种随动锤击式搅拌摩擦增材制造装置及方法

技术领域

本发明涉及增材制造领域，特别是涉及一种随动锤击式搅拌摩擦增材制造装置及方法。

背景技术

搅拌摩擦增材制造是一种基于搅拌摩擦焊接原理衍生的固相增材制造技术，该技术通过搅拌头与填充材料之间的摩擦和塑性变形热将材料热塑性化，热塑性材料在搅拌头的行进与顶锻作用下不断沉积，形成增材件。搅拌摩擦增材制造过程不涉及材料的熔化和凝固，可以有效避免传统熔融增材件的气孔、裂纹、冶金等缺陷。另外搅拌摩擦增材制造的大塑性变形和动态再结晶特性也有助于形成致密均匀的超细晶组织，特别适用于轻质金属及其复合材料的制造。需要注意的是，虽然搅拌摩擦增材制造过程中的峰值温度低于材料熔点，但不同层数不同位置材料经历的热循环与应力场均不同，这会导致增材制造件产生较大的残余应力及变形，引发层间微裂纹萌生扩展，严重影响构件的长期服役。

外场辅助如超声振动可以显著降低金属的变形抗力，减小沉积过程的应力集中，改善增材成形。但超声振幅有限，在传播过程中不可避免地存在衰减。随着增材制造过程的进行，沉积层不断积累，底部的超声很难传递到上层材料，因此直接施加超声并不适用于增材制造过程。随焊锤击是一种焊后控制焊接变形的方法，通过锤击焊缝产生较大的塑性延展变形来抵消焊缝降温过程的收缩，进而降低残余应力控制焊接变形。不同于焊接过程，随焊锤击系统在增材制造过程中往往受限于构件结构，无法满足增材件要求多、变批量、快响应的需求，不适用于大型复杂结构件的搅拌摩擦增材制造。

针对以上问题，如能进一步设计一种在搅拌摩擦增材制造过程中随动锤击增材层，缓解和消除构件内部残余应力的增材制造装置，对防止增材件变形和开裂，改善搅拌摩擦增材制造大型复杂结构件的成形成性具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种随动锤击式搅拌摩擦增材制造装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，使其在碾压材料成形的同时对增材层随动锤击的功能，实现调控构件残余应力、降低变形量、提高增材件质量和增材效率的技术目标。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种随动锤击式搅拌摩擦增材制造装置，包括安装座，包括：

安装组件，所述安装组件包括分体式静轴肩、增材搅拌头和超声振动系统，所述分体式静轴肩固定连接在所述安装座上，所述增材搅拌头位于所述分体式静轴肩内，所述增材搅拌头固定连接在搅拌摩擦焊机刀柄上，所述分体式静轴肩上开设有送料通孔，所述送料通孔和所述增材搅拌头对应设置，所述超声振动系统固定连接在所述安装座上，所述超声振动系统上设置有超声振动器，所述分体式静轴肩上设置有接触平面，所述超声振动器与所述接触平面抵接。

优选的，所述超声振动器包括圆柱状工具头、变幅杆和压电换能器，所述压电换能器固定连接在所述安装座上，所述变幅杆固定连接在所述压电换能器上，所述圆柱状工具头固定连接在所述变幅杆远离所述压电换能器一端，所述圆柱状工具头与所述接触平面抵接。

优选的，所述分体式轴肩包括上静轴肩、金属橡胶垫圈、下静轴肩和异型锁紧螺母，所述上静轴肩固定连接在所述安装座上，所述下静轴肩套接在所述上静轴肩内，所述上静轴肩与所述下静轴肩之间设置有金属橡胶垫圈，所述上静轴肩外开设有螺纹，所述异型锁紧螺母与所述上静轴肩通过螺纹固定连接，所述上静轴肩和所述下静轴肩通过所述异型螺母固定连接，所述送料通孔开设在所述下静轴肩上，所述增材搅拌头位于所述上静轴肩和所述下静轴肩内。

优选的，所述增材搅拌头包括夹持端、螺杆部和凸台，所述夹持端固定连接在搅拌摩擦焊机刀柄上，所述送料通孔和所述螺杆部对应设置，所述夹持端和螺杆部，所述凸台伸出所述下静轴肩。

优选的，所述超声振动系统还包括支撑板、套筒，所述支撑板固定连接在所述安装座上，所述套筒固定连接在所述支撑板远离所述安装座一端，所述压电换能器固定连接在所述套筒上。

一种随动锤击式搅拌摩擦增材制造方法，步骤如下：

S1、设置增材制造工艺参数与超声参数；

S2、启动增材搅拌头，增材搅拌头高速旋转，同时启动超声振动系统，开始增材。

优选的，在S1中，增材搅拌头逆时针旋转，旋转速度200rpm～6000rpm，行进速度20mm/min～800mm/min，送料速度1000mm/min～10000mm/min，超声振动系统的超声波功率为20W～1000W，频率为10kHz～70kHz，振幅为10μm～60μm。

优选的，在S2中，使凸台部分扎入基板，分体式静轴肩与基板间隙控制在0.1mm～2mm，停留2s～20s开始送料，原料沿送料通孔进入下静轴肩，并沿增材搅拌头的螺杆部向下运动，当增材搅拌头开始沿制定轨迹移动时超声振动系统启动。

本发明公开了以下技术效果：

1.本发明中分体式静轴肩，在增材制造过程碾压原料成形的同时，可在超声带动下高频振动协同锤击增材层，实现增材层表面的实时应力调控，有效释放增材件残余应力，改善增材件成形；

2.本发明了解决现有超声辅助增材制造过程中能量衰减和随焊锤击系统难配合的技术问题，能够快速响应增材件要求多、变结构的生产需求；

3.本发明有效缓解了搅拌摩擦增制造后构件层间应力集中及变形问题，无需后续热处理和二次加工，拓宽了搅拌摩擦增材制造技术的应用范围，提高了生产效率。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明随动锤击式搅拌摩擦增材制造装置结构示意图；

图2为本发明分体式静轴肩主视图；

图3为图2中A-A剖视图；

图4为本发明超声振动器主视图；

图5为本发明增材搅拌头主视图；

其中，1、安装座；2、支撑板；202、套筒；3、分体式静轴肩；301、上静轴肩；302、金属橡胶垫圈；303、下静轴肩；304、送料通孔；305、接触平面；4、异型锁紧螺母；5、超声振动器；501、圆柱状工具头；502、变幅杆；503、压电换能器；6、增材搅拌头；601、夹持端；602、螺杆部；603、凸台。

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，本发明提供一种随动锤击式搅拌摩擦增材制造装置，包括安装座1，包括：

安装组件，安装组件包括分体式静轴肩3、增材搅拌头6和超声振动系统，分体式静轴肩3固定连接在安装座1上，增材搅拌头6位于分体式静轴肩3内，增材搅拌头6固定连接在搅拌摩擦焊机刀柄上，分体式静轴肩3上开设有送料通孔304，送料通孔304和增材搅拌头6对应设置，超声振动系统固定连接在安装座1上，超声振动系统上设置有超声振动器5，分体式静轴肩3上设置有接触平面305，超声振动器5与接触平面305抵接，启动超声振动器5后下静轴肩沿水平方向高速振动锤击增材层促进材料流动，实现缓解增材层应力集中，减小残余应力的技术效果。

增材搅拌头6的夹持端601固定连接在搅拌摩擦焊机刀柄(图中未画出)上，通过搅拌摩擦焊机刀柄(图中未画出)带动增材搅拌头6转动，安装座1用于固定分体式静轴肩3和超声振动系统，增材原料通过送料通孔304进入分体式静轴肩3内，在增材搅拌头6高速旋转的作用下，增材原料向基板移动，在增材搅拌头6和分体式静轴肩3的搅拌碾压下沉积成形，通过超声振动系统对分体式静轴肩3施加高频振动，使其在碾压材料成形的同时对增材层随动锤击的功能。与现有技术相比，随动锤击式搅拌摩擦增材制造装置避免了传统方案从底部施加超声造成的振幅衰减。另外本装置不受构件结构和装夹工装的影响，可实现复杂结构件增材制造过程中残余应力的实时调控，尤其有利于提高大型复杂结构件的搅拌摩擦增材制造质量和制造效率。本实施例中，送料通孔304的面积取值范围为2mm²～20mm²。

进一步优化方案，超声振动器5包括圆柱状工具头501、变幅杆502和压电换能器503。压电换能器503固定连接在安装座1上，压电换能器503能够将电源的高频电能转化为相应频率的机械振动。变幅杆502固定连接在压电换能器503上，将压电换能器503产生的高频机械振动进行放大，并传递给圆柱状工具头501。圆柱状工具头501固定连接在变幅杆502远离压电换能器503一端。圆柱状工具头501与接触平面305抵接。

圆柱状工具头501的轴线与增材搅拌头6的轴线相互垂直，圆柱状工具头501将超声波传递给分体式静轴肩3，分体式静轴肩3高频振动协同锤击增材层，实现随动锤击搅拌摩擦增材制造。

进一步优化方案，分体式静轴肩3包括上静轴肩301、金属橡胶垫圈302、下静轴肩303和异型锁紧螺母4，上静轴肩301固定连接在安装座1上，下静轴肩303套接在上静轴肩301内，上静轴肩301与下静轴肩303之间设置有金属橡胶垫圈302，上静轴肩301外开设有螺纹，异型锁紧螺母4与上静轴肩301通过螺纹固定连接，上静轴肩301和下静轴肩303通过异型锁紧螺母4固定连接，送料通孔304开设在下静轴肩303上，增材搅拌头6位于上静轴肩301和下静轴肩303内。

下静轴肩303通过异型锁紧螺母4固定在下静轴肩303内，上静轴肩301和下静轴肩303通过金属橡胶垫圈302实现软连接，使下静轴肩303在水平方向有一定的自由度，下静轴肩303在超声振动系统发出的高频超声作用下沿水平方向高速振动，不断锤击增材层，缓解增材层应力集中，减小残余应力，增材原料通过送料通孔304进入到下静轴肩303内，异型锁紧螺母4与下静轴肩303之间留有0.5～5mm的间隙。

进一步优化方案，增材搅拌头6包括夹持端601、螺杆部602和凸台603，夹持端601固定连接在搅拌摩擦焊机刀柄上，送料通孔304和螺杆部602对应设置，夹持端601和螺杆部602，凸台603伸出下静轴肩303。

增材搅拌头6通过夹持端601固定连接在搅拌摩擦焊机刀柄上，增材原料进入送料通孔304后，在高速旋转的螺杆部602作用下，向下移动，凸台603伸出下静轴肩303的作用是和基板抵接，本实施例中螺杆部602旋向为右旋，凸台603均匀分布在增材搅拌头6轴肩上，数量为2～8个。

进一步优化方案，超声振动系统还包括支撑板2、套筒202，支撑板2固定连接在安装座1上，套筒202固定连接在支撑板2远离安装座1一端，压电换能器503固定连接在套筒202上。

通过支撑板2和套筒202，使压电换能器503与安装座1实现固定连接。

一种随动锤击式搅拌摩擦增材制造方法，步骤如下：

S1、设置增材制造工艺参数与超声参数；

S2、启动增材搅拌头6，增材搅拌头6高速旋转，同时启动超声振动系统，开始增材。

进一步优化方案，在S1中，增材搅拌头6逆时针旋转，旋转速度200rpm～6000rpm，行进速度20mm/min～800mm/min，送料速度1000mm/min～10000mm/min，超声振动系统的超声波功率为20W～1000W，频率为10kHz～70kHz，振幅为10μm～60μm。

进一步优化方案，在S2中，使凸台603部分扎入基板，分体式静轴肩3与基板间隙控制在0.1mm～2mm，停留2s～20s开始送料，原料沿送料通孔304进入下静轴肩303，并沿增材搅拌头6的螺杆部602向下运动，当增材搅拌头6开始沿制定轨迹移动时超声振动系统启动。

由于上静轴肩301和下静轴肩303为软连接，下静轴肩303在高频超声作用下沿水平方向高速振动，不断锤击增材层，缓解增材层应力集中，减小残余应力。

本实施例中，增材原料为直径0.5mm～4mm丝材，丝材材质包括但不限于铝合金、铜合金、钛合金、镁合金及其复合材料等。

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

1.一种随动锤击式搅拌摩擦增材制造装置，包括安装座(1)，其特征在于，包括：

安装组件，所述安装组件包括分体式静轴肩(3)、增材搅拌头(6)和超声振动系统，所述分体式静轴肩(3)固定连接在所述安装座(1)上，所述增材搅拌头(6)位于所述分体式静轴肩(3)内，所述增材搅拌头(6)固定连接在搅拌摩擦焊机刀柄上，所述分体式静轴肩(3)上开设有送料通孔(304)，所述送料通孔(304)和所述增材搅拌头(6)对应设置，所述超声振动系统固定连接在所述安装座(1)上，所述超声振动系统上设置有超声振动器(5)，所述分体式静轴肩(3)上设置有接触平面(305)，所述超声振动器(5)与所述接触平面(305)抵接。

2.根据权利要求1所述的一种随动锤击式搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于：所述超声振动器(5)包括圆柱状工具头(501)、变幅杆(502)和压电换能器(503)，所述压电换能器(503)固定连接在所述安装座(1)上，所述变幅杆(502)固定连接在所述压电换能器(503)上，所述圆柱状工具头(501)固定连接在所述变幅杆(502)远离所述压电换能器(503)一端，所述圆柱状工具头(501)与所述接触平面(305)抵接。

3.根据权利要求2所述的一种随动锤击式搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于：所述分体式静轴肩(3)包括上静轴肩(301)、金属橡胶垫圈(302)、下静轴肩(303)和异型锁紧螺母(4)，所述上静轴肩(301)固定连接在所述安装座(1)上，所述下静轴肩(303)套接在所述上静轴肩(301)内，所述上静轴肩(301)与所述下静轴肩(303)之间设置有金属橡胶垫圈(302)，所述上静轴肩(301)外开设有螺纹，所述异型锁紧螺母(4)与所述上静轴肩(301)通过螺纹固定连接，所述上静轴肩(301)和所述下静轴肩(303)通过所述异型锁紧螺母(4)固定连接，所述送料通孔(304)开设在所述下静轴肩(303)上，所述增材搅拌头(6)位于所述上静轴肩(301)和所述下静轴肩(303)内。

4.根据权利要求3所述的一种随动锤击式搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于：所述增材搅拌头(6)包括夹持端(601)、螺杆部(602)和凸台(603)，所述夹持端(601)固定连接在搅拌摩擦焊机刀柄上，所述送料通孔(304)和所述螺杆部(602)对应设置，所述夹持端(601)和螺杆部(602)，所述凸台(603)伸出所述下静轴肩(303)。

5.根据权利要求4所述的一种随动锤击式搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于：所述超声振动系统还包括支撑板(2)、套筒(202)，所述支撑板(2)固定连接在所述安装座(1)上，所述套筒(202)固定连接在所述支撑板(2)远离所述安装座(1)一端，所述压电换能器(503)固定连接在所述套筒(202)上。

6.一种随动锤击式搅拌摩擦增材制造方法，基于权利要求1-5中任一项所述的随动锤击式搅拌摩擦增材制造装置，步骤如下：

S1、设置增材制造工艺参数与超声参数；

S2、启动增材搅拌头(6)，增材搅拌头(6)高速旋转，同时启动超声振动系统，开始增材。

7.根据权利要求6所述的一种随动锤击式搅拌摩擦增材制造方法，其特征在于：在S1中，增材搅拌头(6)逆时针旋转，旋转速度200rpm～6000rpm，行进速度20mm/min～800mm/min，送料速度1000mm/min～10000mm/min，超声振动系统的超声波功率为20W～1000W，频率为10kHz～70kHz，振幅为10μm～60μm。

8.根据权利要求6所述的一种随动锤击式搅拌摩擦增材制造方法，其特征在于：在S2中，使凸台(603)部分扎入基板，分体式静轴肩(3)与基板间隙控制在0.1mm～2mm，停留2s～20s开始送料，原料沿送料通孔(304)进入下静轴肩(303)，并沿增材搅拌头(6)的螺杆部(602)向下运动，当增材搅拌头(6)开始沿制定轨迹移动时超声振动系统启动。