CN116000642A - 一种基于棒材剪切的搅拌摩擦增材制造装置及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于棒材剪切的搅拌摩擦增材制造装置及制造方法，包括料仓，其下端设置有下料口；可变圆盘装置，设置在所述料仓的下端，可变圆盘装置具有大小可调且与下料口对接的导料通孔；裁剪机构，设置在所述可变圆盘装置的下方，用于将通过可变圆盘装置的材料裁剪呈盘状；送料机构，设置在所述裁剪机构的下方，送料机构的一端配合设置有接料组件；搅拌装置，与接料组件对接，用于接收搅拌从接料组件输送下来的盘状材料，搅拌装置包括静止主体和位于静止主体中心相对旋转的旋转件，旋转件上安装有搅拌部件，旋转件的内部设置有下料通道；加热装置，设置在所述旋转件的下部外侧。本发明可以解决现有技术中的各种缺点问题。

Description

一种基于棒材剪切的搅拌摩擦增材制造装置及制造方法

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊接增材制造技术领域，具体为一种基于棒材剪切的搅拌摩擦增材制造装置及制造方法。

背景技术

增材制造技术又称为3D打印技术，其通过材料堆积成型，可以将三维复杂形状通过二维平面不断叠加得到，增材制造技术主要适用于复杂零件的成形制造，可以大幅度提高增材制造零件的力学性能，提升制造组件的结构利用率，在重大国防设施装备的研发与制造、维护与升级上有巨大的应用价值。一般的搅拌摩擦增材制造供给材料可为丝状、粉末状和棒料等，丝材不能与基板充分摩擦，产生的摩擦热量不足以使材料充分塑化，导致沉积层厚度不连续；粉材在主轴旋转时，控制其沉积方向有一定难度，导致沉积层厚度不均匀，因此会产生一些常见的生产缺陷，如裂纹、气孔等。采用棒材进行增材制造时，不易实现材料的连续进给，造成增材过程不连续，沉积层层间分层等问题，严重制约搅拌摩擦沉积增材的增材效率和增材质量。因此迫切需要一种新型技术来改善现有棒材增材制造的主要难点问题。

另外，而在现有技术中的搅拌摩擦增材制造装置都是通过各种辅助加热方式产生热量，使材料温度升高，发生塑性变形，进行热熔化流出，产生热量常用的方式主要有以下几种：通过相对旋转进行摩擦生热、通过挤压生热和外加热源辅助装置。

通过摩擦生热是现今搅拌摩擦增材技术的主流方法，使用较为广泛，其主要优点是容易实现，整体结构较小，便于缩小机器尺寸，外加顶锻力不需要太大，使用气动系统或者微型电机即可达到预期效果，其生产效率高，一般适用于丝状或者粉末状材料，缺点是磨损较为严重，一般为了减少磨损需要继续进行一些特殊处理，通过挤压生热主要使用棒材，材料范围比较受限，所需顶锻力较大，可用液压系统进行驱动，加热棒材所需热量较高，可以配备热源辅助装置进行加热，结构较为复杂，并且生产成本较高。

热源辅助装置一般采用涡流加热装置，涡流发热利用涡流加热金属导体，将被加热金属置于高频变化的电磁场中，强大的电磁场在其表面形成感应涡流，依靠材料本身的内阻，使之迅速发热，用以加热搅拌头及其内部的材料，使其热塑化流出。

综上所述，目前已知技术的主要缺点有以下方面：

1、一种装置能够适用的棒料尺寸有限，无法适应不同尺寸棒料的加工；

2、实现材料的连续进给比较困难，大大降低了生产速度，从而降低了产品的生产效率；

3、现有的摩擦增材制造增材效率低，增材过程施加载荷大，制造柔性差，不利于制造复杂的零件；

4、现有的增材制造加工余量大，增材完成后仍需要对搅拌摩擦坯件进行后期机械加工，将多余的基材部分除去，材料利用率低；

5、增材层结合强度较差、增材工艺可适用范围窄的技术局限性‘

6、现有的增材制造装置，材料热塑化不彻底，受热不均匀，增材制造过程中容易产生缺陷。

为了解决上述问题如中国发明专利CN202110284601.X公开了一种颗粒式搅拌摩擦增材制造装置及方法，该装置提供一种剪丝机构，包括基座和带有刃口的裁剪部，刃口间歇性切割经由导丝孔送出的丝材，送入以基座为旋转中心的主轴中，该方法虽然通过基座与裁剪部相结合，实现丝状材料的连续进给，但由于丝材比较软，无法与基板充分摩擦，产生的摩擦热量不足，因此材料塑化程度不足。

另外，中国发明专利CN202110134068.9公开了一种以丝材为进料的搅拌摩擦增材装置和制造方法，该方法通过送丝机向中空腔体提供丝材，通过挤压件运动将丝材挤压为棒状丝材，并与基板摩擦产生热量，实现搅拌摩擦增材制造，但是棒状丝材与棒料相比致密度很差，材料塑化后形成的沉积层厚度会出现不均匀的情况。

发明内容

本发明提供了一种基于棒材剪切的搅拌摩擦增材制造装置及制造方法，可以解决现有技术中的各种缺点问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供如下技术方案：一种基于棒材剪切的搅拌摩擦增材制造装置，包括料仓，其下端设置有下料口；可变圆盘装置，设置在所述料仓的下端，所述的可变圆盘装置具有大小可调且与下料口对接的导料通孔；裁剪机构，设置在所述可变圆盘装置的下方，用于将通过可变圆盘装置的材料裁剪呈盘状；送料机构，设置在所述裁剪机构的下方，所述的送料机构的一端配合设置有接料组件；搅拌装置，与接料组件对接，用于接收搅拌从接料组件输送下来的盘状材料，所述的搅拌装置包括静止主体和位于静止主体中心相对旋转的旋转件，所述的旋转件上安装有搅拌部件，所述的旋转件的内部设置有下料通道，供搅拌后的材料从下料通道的下端排出；加热装置，设置在所述旋转件的下部外侧。

作为优选，所述的送料机构包括底板和设置在所述底板上侧的丝杆，所述的丝杆上配合设置有左右移动的工作台，所述的工作台的上侧设置有送料盘，所述的送料盘的一端设置有可平移的推料板，所述的推料板由工作台上的推料气缸驱动将送料盘上的盘状材料推出。

作为优选，所述的接料组件包括接料口和连接在接料口下端的软管，所述的接料口与所述的送料机构的一端对应，所述的接料口上设置有向接料口内吹风的鼓风装置。

作为优选，所述的裁剪机构包括一对相对设置的切削刀，所述的切削刀由对应的裁剪气缸驱动相对运动对材料进行裁剪。

作为优选，所述的静止主体呈上端开口的锥形结构，所述的搅拌部件设置在所述静止主体的内部，且搅拌部件下侧的旋转件侧壁上设置有与静止主体的内侧底部对应的进料口，所述的进料口与旋转件内部的下料通道相连通。

作为优选，所述的加热装置包括圆筒状的加热仓，所述的加热仓内轴向插入有若干个电加热棒，所述的加热仓套设在旋转件的下部外侧。

作为优选，所述的可变圆盘装置包括同轴设置的顶板和底板，所述的顶板和底板之间绕着中心设置有若干个夹紧滑块，所述的夹紧滑块上设置有滑槽，所述的夹紧滑块与顶板或底板活动相连，所述的顶板和底板相对转动时夹紧滑块沿着滑槽进行活动。

作为优选，所述的送料机构和裁剪机构均安装在一箱体内，所述的可变圆盘装置安装在所述箱体的上侧。

第二方面，本发明还提供一种根据第一方面所述的搅拌摩擦增材制造装置的制造方法，将材料集中放置在料仓中，在产生前根据材料直径的尺寸调节可变圆盘装置的导料通孔的尺寸，料仓中的材料经过导料通孔后被裁剪机构裁剪呈盘状，盘状材料掉入到送料盘中再经过接料组件进入到送料机构的静止主体和旋转件内，盘状材料在旋转件外部周围辅助加热装置的作用下，连续的从旋转件底部的通孔处流出，均匀进行热塑化；

增材制造时，调整旋转件下端面与待增材表面的距离，使得增材被挤出旋转件的下端面时能够与待增材表面接触，搅拌摩擦挤出的材料和待增材表面，使挤出的材料以非熔化的状态与所述待增材表面形成接合部，其中，待增材表面为基材表面和/或所述接合部表面，增材用材料与待增材表面接触后，在搅拌的下端面与待增材表面之间被搅拌摩擦加热并充分塑化，过程温度为材料熔点的60％～90％，以非熔化的状态与待增材表面形成原子间结合层，从而形成接合部，同时，增材制造设备的旋转件沿着预设的轨迹进行平行移动，以完成单层的增材制造过程。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

采用气缸带动切削刃进行切削，在满足一定切削力的同时，能够平稳的进行切削，将棒状材料切成圆饼状，提供了一种棒状材料的新型裁切利用方式；采用动静结合的送料机构和接料组件，在离心力和重力的作用下，使得材料以高速进入搅拌主体内部；采用直径可调的可变圆盘装置，在直径调节范围内既保证了进料平稳，又达到了单根送料的目的，实现了棒料直径的无级调节；采用丝杠与推料气缸相结合，相互交错运动，先通过滚丝杠使送料盘进入指定位置，再运动推料气缸推出推料板，既缩短了送料部分的行程，又能够稳定准确的把料送入指定装置；采用鼓风装置进行辅助送料，使得圆饼状材料能够顺利通过管道进入搅拌头内，避免物料产生堵塞，进料稳定，同时采用侧面进材的方式，无需启停旋转件，送料较为均匀，提高了增材制造的效率，同时搅拌头可促进晶粒发生动态再结晶，进而促使晶粒细化，降低生产缺陷；采用外接加热装置，通过电加热棒，对加热仓内的介质进行加热，热量传递至旋转件内部，使得内部材料热塑化，加热仓外部设有保温套，防止热量的流失，通过调节电加热棒的功率以及加热介质类型，可以改变加热温度，搅拌装置可以对材料产生旋转摩擦作用，加热装置可以产生持续的加热作用，以便于产生大量的热量，加速材料的热塑化，同时使得热塑化进行得较为彻底，有效减少了传统增材制造中增材层不连续、材料利用率不高的问题。

附图说明

图1为本发明的整体结构主视示意图；

图2为本发明的整体结构侧视示意图；

图3为本发明的送料机构的立体结构图；

图4为本发明的可变圆盘装置的结构示意图；

图5为本发明的加热装置的立体结构图；

图6为本发明的搅拌装置的主视剖视结构图。

附图标记：

1、料仓，11、送料盘，12、鼓风装置，13、电机，14、联轴器，15、推料板，16、工作台，17、丝杆，18、底板，19、顶板，2、可变圆盘装置，20、夹紧滑块，21、底板，22、电加热棒，23、加热仓端盖，24、加热仓，25、轴肩端盖，26、搅拌部件，27、轴承端盖，28、轴承，29、进料口，3、箱体，31、滑槽，4、接料口，5、软管，6、静止主体，7、加热装置，8、旋转件，9、裁剪机构，10、推料气缸。

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。

如图1-6所示，本发明为了解决现有技术中的各种技术问题，提供如下技术方案：一种基于棒材剪切的搅拌摩擦增材制造装置，包括料仓1，其下端设置有下料口；可变圆盘装置2，设置在所述料仓1的下端，所述的可变圆盘装置2具有大小可调且与下料口对接的导料通孔；裁剪机构9，设置在所述可变圆盘装置2的下方，用于将通过可变圆盘装置2的材料裁剪呈盘状；送料机构，设置在所述裁剪机构9的下方，所述的送料机构的一端配合设置有接料组件；搅拌装置，与接料组件对接，用于接收搅拌从接料组件输送下来的盘状材料，所述的搅拌装置包括静止主体6和位于静止主体6中心相对旋转的旋转件8，所述的旋转件8上安装有搅拌部件26，所述的旋转件8的内部设置有下料通道，供搅拌后的材料从下料通道的下端排出；加热装置7，设置在所述旋转件8的下部外侧。

具体的，送料机构可以将盘状的材料快速输送到与接料组件相对应的位置，而接料组件可以使送料机构与搅拌装置之间的位置更加灵活，搅拌装置中的搅拌部件26可以将材料破碎搅拌，其中，所述的送料机构包括底板18和设置在所述底板18上侧的丝杆17，丝杆17由其一端的电机13驱动进行转动，电机13的主轴与丝杆17之间通过联轴器14相连，所述的丝杆17上配合设置有左右移动的工作台16，所述的工作台16的上侧设置有送料盘11，所述的送料盘11的一端设置有可平移的推料板15，所述的推料板15由工作台16上的推料气缸10驱动将送料盘11上的盘状材料推出，丝杆17可以实现工作台16的精准快速输送。

可变圆盘装置2可以对从料仓1下落的材料的直径进行限制，而可变圆盘装置2的导料通孔的直径可以进行调节变化，实现了棒料直径的无级调节，具体来说所述的可变圆盘装置2包括同轴设置的顶板19和底板21，所述的顶板19和底板21之间绕着中心设置有若干个夹紧滑块20，所述的夹紧滑块20上设置有滑槽31，所述的夹紧滑块20与顶板19或底板21活动相连，所述的顶板19和底板21相对转动时夹紧滑块20沿着滑槽31进行活动，所有的夹紧滑块20会沿着对应的滑槽31进行同步滑动，导料通孔呈多边形结构可以有效夹持材料并起到切削的导向作用，调节的尺寸范围为5-50mm。

在本实施例中，所述的接料组件包括接料口4和连接在接料口4下端的软管5，所述的接料口4与所述的送料机构的一端对应，所述的接料口4上设置有向接料口4内吹风的鼓风装置12，鼓风装置12进行辅助送料，使得圆饼状材料能够顺利通过软管5进入搅拌装置内，避免物料产生堵塞，进料稳定，鼓风装置12呈并排设置的两个，能保证落下的盘状材料都能被吹到。

作为裁剪机构9的一种实施例，所述的裁剪机构9包括一对相对设置的切削刀，所述的切削刀由对应的裁剪气缸驱动相对运动对材料进行裁剪，这是一种新的裁切方式。

在本实施例中，所述的静止主体6呈上端开口的锥形结构，所述的搅拌部件26设置在所述静止主体6的内部，且搅拌部件26下侧的旋转件8侧壁上设置有与静止主体6的内侧底部对应的进料口29，所述的进料口29与旋转件8内部的下料通道相连通，锥形结构可以将材料往底部集中，在静止主体6的顶部设置有轴肩端盖25，方便对静止主体6内部空腔进行密封，让软管5输送进入的材料不会在搅拌的时候飞出。

同时，在旋转件8的外侧与静止主体6之间安装有轴承28，所述的轴承28位于进料口29的下侧，轴承28的上侧安装有轴承端盖27，能防止材料进入到轴承28中。

在本实施例中，如图5所示，所述的加热装置包括圆筒状的加热仓24，所述的加热仓24内轴向插入有若干个电加热棒22，所述的加热仓24套设在旋转件8的下部外侧，加热仓24的外侧可以设置保温层，可以增强加热效果，加热仓24的一端安装有加热仓端盖23，用于与旋转件8相连。

为了对材料的剪裁和输送进行保护，防止材料受到污染，所述的送料机构和裁剪机构9均安装在一箱体3内，所述的可变圆盘装置2安装在所述箱体3的上侧。

作为本发明的一种具体实施例：

在制造的时候，将材料集中放置在料仓1中，在产生前根据材料直径的尺寸调节可变圆盘装置2的导料通孔的尺寸，料仓1中的材料经过导料通孔后被裁剪机构9裁剪呈盘状，盘状材料掉入到送料盘11中再经过接料组件进入到送料机构的静止主体6和旋转件8内，盘状材料在旋转件8外部周围辅助加热装置的作用下，连续的从旋转件8底部的通孔处流出，均匀进行热塑化；

增材制造时，调整旋转件8下端面与待增材表面的距离，使得增材被挤出旋转件8的下端面时能够与待增材表面接触，搅拌摩擦挤出的材料和待增材表面，使挤出的材料以非熔化的状态与所述待增材表面形成接合部，其中，待增材表面为基材表面和/或所述接合部表面，增材用材料与待增材表面接触后，在搅拌的下端面与待增材表面之间被搅拌摩擦加热并充分塑化，过程温度为材料熔点的60％～90％，以非熔化的状态与待增材表面形成原子间结合层，从而形成接合部，同时，增材制造设备的旋转件8沿着预设的轨迹进行平行移动，以完成单层的增材制造过程。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后......)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体地限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于棒材剪切的搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于，包括：

料仓(1)，其下端设置有下料口；

可变圆盘装置(2)，设置在所述料仓(1)的下端，所述的可变圆盘装置(2)具有大小可调且与下料口对接的导料通孔；

裁剪机构(9)，设置在所述可变圆盘装置(2)的下方，用于将通过可变圆盘装置(2)的材料裁剪呈盘状；

送料机构，设置在所述裁剪机构(9)的下方，所述的送料机构的一端配合设置有接料组件；

搅拌装置，与接料组件对接，用于接收搅拌从接料组件输送下来的盘状材料，所述的搅拌装置包括静止主体(6)和位于静止主体(6)中心相对旋转的旋转件(8)，所述的旋转件(8)上安装有搅拌部件(26)，所述的旋转件(8)的内部设置有下料通道，供搅拌后的材料从下料通道的下端排出；

加热装置(7)，设置在所述旋转件(8)的下部外侧。

2.根据权利要求1所述的基于棒材剪切的搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于：所述的送料机构包括底板(18)和设置在所述底板(18)上侧的丝杆(17)，所述的丝杆(17)上配合设置有左右移动的工作台(16)，所述的工作台(16)的上侧设置有送料盘(11)，所述的送料盘(11)的一端设置有可平移的推料板(15)，所述的推料板(15)由工作台(16)上的推料气缸(10)驱动将送料盘(11)上的盘状材料推出。

3.根据权利要求1所述的基于棒材剪切的搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于：所述的接料组件包括接料口(4)和连接在接料口(4)下端的软管(5)，所述的接料口(4)与所述的送料机构的一端对应，所述的接料口(4)上设置有向接料口(4)内吹风的鼓风装置(12)。

4.根据权利要求1所述的基于棒材剪切的搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于：所述的裁剪机构(9)包括一对相对设置的切削刀，所述的切削刀由对应的裁剪气缸驱动相对运动对材料进行裁剪。

5.根据权利要求1所述的基于棒材剪切的搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于：所述的静止主体(6)呈上端开口的锥形结构，所述的搅拌部件(26)设置在所述静止主体(6)的内部，且搅拌部件(26)下侧的旋转件(8)侧壁上设置有与静止主体(6)的内侧底部对应的进料口(29)，所述的进料口(29)与旋转件(8)内部的下料通道相连通。

6.根据权利要求1所述的基于棒材剪切的搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于：所述的加热装置包括圆筒状的加热仓(24)，所述的加热仓(24)内轴向插入有若干个电加热棒(22)，所述的加热仓(24)套设在旋转件(8)的下部外侧。

7.根据权利要求1所述的基于棒材剪切的搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于：所述的可变圆盘装置(2)包括同轴设置的顶板(19)和底板(21)，所述的顶板(19)和底板(21)之间绕着中心设置有若干个夹紧滑块(20)，所述的夹紧滑块(20)上设置有滑槽(31)，所述的夹紧滑块(20)与顶板(19)或底板(21)活动相连，所述的顶板(19)和底板(21)相对转动时夹紧滑块(20)沿着滑槽(31)进行活动。

8.根据权利要求1所述的基于棒材剪切的搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于：所述的送料机构和裁剪机构(9)均安装在一箱体(3)内，所述的可变圆盘装置(2)安装在所述箱体(3)的上侧。

9.一种根据权利要求1-8中任意一项所述的基于棒材剪切的搅拌摩擦增材制造装置的制造方法，其特征在于，将材料集中放置在料仓(1)中，在产生前根据材料直径的尺寸调节可变圆盘装置(2)的导料通孔的尺寸，料仓(1)中的材料经过导料通孔后被裁剪机构(9)裁剪呈盘状，盘状材料掉入到送料盘(11)中再经过接料组件进入到送料机构的静止主体(6)和旋转件(8)内，盘状材料在旋转件(8)外部周围辅助加热装置的作用下，连续的从旋转件(8)底部的通孔处流出，均匀进行热塑化；

增材制造时，调整旋转件(8)下端面与待增材表面的距离，使得增材被挤出旋转件(8)的下端面时能够与待增材表面接触，搅拌摩擦挤出的材料和待增材表面，使挤出的材料以非熔化的状态与所述待增材表面形成接合部，其中，待增材表面为基材表面和/或所述接合部表面，增材用材料与待增材表面接触后，在搅拌的下端面与待增材表面之间被搅拌摩擦加热并充分塑化，过程温度为材料熔点的60％～90％，以非熔化的状态与待增材表面形成原子间结合层，从而形成接合部，同时，增材制造设备的旋转件(8)沿着预设的轨迹进行平行移动，以完成单层的增材制造过程。

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