CN116493730A - 一种连续搅拌摩擦增材制造工具及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种连续搅拌摩擦增材制造工具及方法，涉及搅拌摩擦增材制造领域。该工具包括挤压模具、移动压头、刀柄、静止轴肩、铣刀片及搅拌头；挤压模具具有增材原料放置腔，移动压头设置于增材原料放置腔内；刀柄设置于移动压头的外侧；搅拌头连接于刀柄的下端，搅拌头设有与增材原料放置腔连通的出料通道，搅拌段的外壁具有外螺纹；静止轴肩的内壁与搅拌头的外壁之间形成存料腔；静止轴肩内壁设有至少一个铣刀片；出料通道的远离增材原料放置腔的一端与存料腔连通，铣刀片与出料通道配合。采用上述工具进行连续搅拌摩擦增材制造可解决因添加增材原料所导致增材过程被中断的问题，并可实现不同种类、不同形式的材料的增材制造。

Description

一种连续搅拌摩擦增材制造工具及方法

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦增材制造领域，具体而言，涉及一种连续搅拌摩擦增材制造工具及方法。

背景技术

搅拌摩擦增材制造是基于搅拌摩擦焊技术开发出的一种新型固相增材技术，可以有效避免其他熔化增材方式造成的气孔，裂纹等缺陷。目前搅拌摩擦增材制造按照工艺主要分为消耗搅拌工具型增材、叠加板材型增材及轴向增材等三类，按照增材原料可分为填丝增材，棒料增材，颗粒增材等多种形式。

其中，消耗搅拌工具型增材方式是指将增材原料做成棒料并与主轴刀柄相连，在高速旋转的同时挤压基材并移动，使增材原料塑化沉积在基材上表面，并逐层完成增材制造。然而，该方式增材原料受到较强的顶锻力和扭矩，增材过程易发生折断，对增材原料长度，强度要求较高，并且增材连续性差，效率低。

叠加板材型增材是指采用搭接形式将增材板向上堆叠，通过搅拌头扎入堆叠的增材板后往复移动并逐层叠加，完成增材制造。这种方式产生的构件组织均匀性较差，且易产生hook沟，整体性能不够理想。

轴向增材是目前技术较为成熟，应用较广的增材方式，通过设计带有空腔，螺纹槽等结构的增材工具，可以实现棒状、丝状等多种原料形式的增材过程。然而，对于以棒状材料为增材原料的轴向增材工具，在进行大型结构件增材时需要不断换料，致使增材过程不稳定且增材效率较低；对于以丝状材料为增材原料的轴向增材工具，虽然可以解决换料问题，但受限于丝材的种类，不能进行高强铝合金等材料的增材制造，应用范围受限。

鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种连续搅拌摩擦增材制造工具，以解决上述技术问题。

本发明的目的之二在于提供一种采用上述工具进行连续搅拌摩擦增材制造的方法。

本申请可这样实现：

第一方面，本申请提供一种连续搅拌摩擦增材制造工具，其包括挤压模具、移动压头、刀柄、静止轴肩、铣刀片以及搅拌头；

挤压模具具有增材原料放置腔，移动压头可活动地设置于增材原料放置腔内；

刀柄设置于移动压头的外侧并与机床主轴连接；

搅拌头连接于刀柄的下端，搅拌头包括沿顶端到底端依次分布的出料段和搅拌段，出料段设有与增材原料放置腔连通的出料通道，搅拌段的外壁具有外螺纹，搅拌头的下端面具有动轴肩以及搅拌针；

静止轴肩间隔设置于搅拌头的外侧，且静止轴肩的内壁与搅拌头的外壁之间形成存料腔；静止轴肩内壁设有至少一个铣刀片；

出料通道的远离增材原料放置腔的一端与存料腔连通，铣刀片与出料通道配合以用于切削从出料通道出来的物料；

挤压模具以及静止轴肩在工作状态下均不旋转，搅拌头以及刀柄在工作状态下共同旋转。

在可选的实施方式中，出料通道包括相互连通的竖向通道和斜向通道，竖向通道与搅拌头的搅拌轴同轴并与增材原料放置腔连通，斜向通道由竖向通道的底部向下倾斜设置并与存料腔连通。

在可选的实施方式中，铣刀片的切削面与斜向通道的远离竖向通道的一端端面在竖直方向的投影重合。

在可选的实施方式中，铣刀片的数量为多个，多个铣刀片绕静止轴肩的内壁依次间隔分布。

在可选的实施方式中，搅拌头与刀柄之间设有连接件以实现搅拌头与刀柄的紧密连接。

在可选的实施方式中，移动压头的外侧壁与挤压模具的内侧壁之间具有间隙。

在可选的实施方式中，搅拌头的上端面与挤压模具的下端面之间具有间隙。

在可选的实施方式中，静止轴肩的最小内径与所述搅拌头的最大外径之间的距离为0.1-3mm。

第二方面，本申请提供一种连续搅拌摩擦增材制造方法，采用前述实施方式任一项的连续搅拌摩擦增材制造工具对增材原料进行摩擦增材制造。

在可选的实施方式中，包括以下步骤：

S1：将基板固定于工作台上，将增材工具整体移动至增材制造初始位置上方；

S2：向挤压模具中放入增材原料；

S3：启动刀柄并使刀柄带动搅拌头高速旋转，与此同时，将移动压头以速率V1挤压增材原料，使增材原料发生塑化；塑化的原材料通过搅拌头内的出料通道连续挤出，随后被静止轴肩内设的铣刀片切削为颗粒状；一部分颗粒材料随着搅拌头外壁的螺纹向下运动，其余颗粒状材料存储于存料腔中，直至存料腔内的颗粒材料充足；

S4：增材制造工具向下运动至起始位置并停留；此时，搅拌头的动轴肩及搅拌针的搅拌摩擦作用使颗粒材料发生塑化并形成增材层；

S5：将增材制造工具按预设的规划路径运行，形成连续的固相增材层；此时移动压头速率调整至V2以使从出料通道挤出材料的速度与螺纹送料的速度相等，V2＜V1；

S6：当增材原料消耗完毕，上升移动压头，将新的增材原料填入挤压模具中；在此过程中，增材制造工具的移动速度及刀柄的旋转速度保持不变；此时增材所消耗的颗粒材料由预先存储于存料腔内的颗粒材料提供；

S7：增材原料添加完成后，移动压头以V1的速度向下挤压，当颗粒材料在存料腔补充充足后，移动压头下压速度降为V2。

本申请的有益效果包括：

本申请所提供的连续搅拌摩擦增材制造工具，利用移动压头挤压增材原料，使其与高速旋转的搅拌头的顶部接触发生塑化，通过将材料塑化-挤压成形-切割，可实现不同种类、不同形式的材料的增材，解决了采用送丝增材方式受限于丝材种类的问题，拓宽了增材制造的应用领域。此外，通过在搅拌头和静止轴肩之间设置存料腔，可用以存储一定量的颗粒状增材材料，当挤压模具中添加新的增材原料时，此部分材料可继续用于增材，避免因添加增材原料导致增材过程被中断的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本申请提供的连续搅拌摩擦增材制造工具的结构示意图；

图2为图1中搅拌头的结构示意图；

图3为图1中静止轴肩的结构示意图；

图4为本申请提供的连续搅拌摩擦增材制造的增材过程示意图。

图标：1-移动压头；2-挤压模具；3-搅拌头；4-出料通道；5-存料腔；6-铣刀片；7-外螺纹；8-静止轴肩；9-刀柄；10-增材原料；11-动轴肩；12-搅拌针；13-基板；14-增材层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

本申请提供一种连续搅拌摩擦增材制造工具，请参照图1至图3，其包括挤压模具2、移动压头1、刀柄9、静止轴肩8、搅拌头3以及铣刀片6。

挤压模具2具有增材原料放置腔，移动压头1可活动地设置于增材原料放置腔内。在一些实施方式中，移动压头1可在原料放置腔内沿上下方向移动，也即可从上至下挤压增材原料放置腔内的增材原料10。在本申请中，挤压模具2始终保持不旋转。

较佳地，移动压头1的外侧壁与挤压模具2的内侧壁之间具有间隙，也即二者为间隙配合，以避免二者互相干涉。

刀柄9设置于移动压头1的外侧并与机床主轴连接，刀柄9可通过主轴的高速转动而转动。

搅拌头3连接于刀柄9的下端。作为参考地，搅拌头3与刀柄9之间设有连接件(例如可以为螺栓等)，以实现搅拌头3与刀柄9的紧密连接。搅拌头3整体随刀柄9的旋转而旋转。

较佳地，搅拌头3的上端面与挤压模具2的下端面之间也具有间隙，以避免搅拌头3在旋转时影响挤压模具2。

通过设置上述结构，在刀柄9带动搅拌头3高速旋转时，移动压头1以较高速率挤压增材原料放置腔内的增材原料10，基于此，与高速旋转的搅拌头3接触的相应增材原料10即可发生塑化。

本申请中，搅拌头3包括沿顶端到底端依次分布的出料段和搅拌段。出料段设有与增材原料放置腔连通的出料通道4，搅拌段的外壁具有外螺纹7。

静止轴肩8间隔设置于搅拌头3的外侧并与设备外部连接以保持固定。静止轴肩8的内壁与搅拌头3的外壁之间形成存料腔5。

在一些实施方式中，静止轴肩8呈圆锥形，静止轴肩8的内壁与搅拌头3的外壁之间具有间隙，以防止彼此干涉。

示例性地，静止轴肩8最小的内径与搅拌头3的最大外径之间的间隙距离可以为0.1-3mm，如0.1mm、0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm或3mm等，也可以为0.1-3mm范围内的其它任意值。

需说明的是，若上述间隙距离小于0.1mm，容易导致静轴肩与搅拌头发生干涉；若上述间隙距离大于3mm，容易导致材料外溢，降低其增材能力。

作为参考地，在一些实施方式中，搅拌头3的出料段所具有的出料通道4包括相互连通的竖向通道和斜向通道，竖向通道与搅拌头3的搅拌轴同轴设置并与增材原料放置腔连通，斜向通道由竖向通道的底部向下倾斜设置并与存料腔5连通。进一步优选地，斜向通道与竖向通道的连接处呈弧形设置，以更加方便有效地传输塑化后的增材原料10。

需说明的是，在其它实施方式中，也不排除出料通道4包括互相连通的竖向通道和横向通道，或者出料通道4包括斜向通道与横向通道，或者出料通道4包括第一斜向通道和第二斜向通道的方案。也即，只要能够实现将增材原料放置腔与存料腔5连通的出料通道4设置方案均在本申请保护范围内。

作为参考地，静止轴肩8内壁设有至少一个铣刀片6；铣刀片6与出料通道4配合以用于切削从出料通道4出来的物料。

在一些实施方式中，静止轴肩8的内壁可仅设有1个铣刀片6。在其它实施方式中，静止轴肩8的内壁可同时设置多个(如2个、3个、4个或更多个)铣刀片6，多个铣刀片6可绕静止轴肩8的内壁依次间隔分布。该多个铣刀片6处于同一水平高度。

在一些优选的实施方式中，铣刀片6的切削面与斜向通道的远离竖向通道的一端端面(定义为出料通道4的出料端)在竖直方向的投影重合，以有效实现物料的切削。

切削后所得的颗粒物料进入存料腔5，一部分随搅拌头3所具有的外螺纹7(该外螺纹7起到送料螺纹的作用)向下运动直至达到预先设置的基板13，剩余部分的颗粒物料继续存储于存料腔5内。

本申请提供的搅拌头3的下端面具有动轴肩11以及搅拌针12。动轴肩11以及搅拌针12用于与基板13配合，当经铣刀片6切削后的颗粒物料向下运动至基板13表面时，搅拌头3的动轴肩11及搅拌针12在旋转条件下能够对该部分颗粒物料起到搅拌摩擦作用，以使该部分颗粒材料发生塑化并形成增材层14。

相应地，本申请还提供了一种连续搅拌摩擦增材制造方法，也即采用上述连续搅拌摩擦增材制造工具对增材原料10进行摩擦增材制造。

该增材原料10可为不同种类、不同形式的材料，例如，其示例性但非限定性地可以为棒状、丝状、块状、颗粒状或屑状的材料。

在一些实施方式中，该制造方法可包括以下步骤：

S1：固定基板13。可参考地，将基板13固定于工作台上，进行路径规划，将增材工具整体移动至增材制造初始位置上方。

S2：填装原料。可参考地，向挤压模具2中放入增材原料10。

S3：启动设备材料积累。可参考地，启动刀柄9并使刀柄9带动搅拌头3高速(例如可以为800-3000rpm，如800rpm、1000rpm、1500rpm、2000rpm、2500rpm或3000rpm等)旋转，与此同时，将移动压头1以速率V1(例如可以为0.5-10mm/s，如0.5mm/s、1mm/s、2mm/s、3mm/s、4mm/s、5mm/s、6mm/s、7mm/s、8mm/s、9mm/s或10mm/s等)从上向下挤压增材原料10，使增材原料10发生塑化；塑化后的原材料通过搅拌头3内的出料通道4连续挤出，随后被静止轴肩8内设的铣刀片6切削为颗粒状；切削后的一部分颗粒材料随着搅拌头3外壁的螺纹向下运动，其余颗粒状材料存储于存料腔5中，直至存料腔5内的颗粒材料充足。

需说明的是，移动压头1的下压速度可调节，从而实现颗粒材料的积累以备添加增材原料10时使用。

S4：形成增材层14。可参考地，增材制造工具向下运动至起始位置并停留一段时间(该停留时间可根据实际情况进行调整)；此时，搅拌头3的动轴肩11及搅拌针12的搅拌摩擦作用使颗粒材料发生塑化并形成增材层14(如图4所示)。

S5：设备行走。可参考地，将增材制造工具按预设的规划路径运行，形成连续的固相增材层14；此时移动压头1速率调整至V2(V2＜V1，以防止存料腔5内存料过多)以使从出料通道4挤出材料的速度与螺纹送料的速度相等。

S6：续装原料。可参考地，当增材原料10消耗完毕，上升移动压头1，将新的增材原料10填入挤压模具2中；在此过程中，增材制造工具的移动速度及刀柄9的旋转速度保持不变；此时增材所消耗的颗粒材料由预先存储于存料腔5内的颗粒材料提供，从而使得增材制造过程无需中断。

S7：补充存料。可参考地，增材原料10添加完成后，移动压头1以V1的速度向下挤压，当颗粒材料在存料腔5补充充足后，移动压头1下压速度降为V2即可。

承上，本申请利用移动压头1挤压增材原料10，使其与高速旋转的搅拌头3的顶部接触发生塑化，通过将材料塑化-挤压成形-切割，可实现不同种类、不同形式的材料的增材，解决了采用送丝增材方式受限于丝材种类的问题，拓宽了增材制造的应用领域。此外，通过在搅拌头3和静止轴肩8之间设置存料腔5，用以存储一定量的颗粒状增材材料，当挤压模具2中添加新的增材原料10时，此部分材料可继续用于增材，避免因添加增材原料10导致增材过程被中断的问题。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种连续搅拌摩擦增材制造工具，其特征在于，包括挤压模具、移动压头、刀柄、静止轴肩、铣刀片以及搅拌头；

所述挤压模具具有增材原料放置腔，所述移动压头可活动地设置于所述增材原料放置腔内；

所述刀柄设置于所述移动压头的外侧并与机床主轴连接；

所述搅拌头连接于所述刀柄的下端，所述搅拌头包括沿顶端到底端依次分布的出料段和搅拌段，所述出料段设有与所述增材原料放置腔连通的出料通道，所述搅拌段的外壁具有外螺纹，所述搅拌头的下端面具有动轴肩以及搅拌针；

所述静止轴肩间隔设置于所述搅拌头的外侧，且所述静止轴肩的内壁与所述搅拌头的外壁之间形成存料腔；所述静止轴肩内壁设有至少一个铣刀片；

所述出料通道的远离所述增材原料放置腔的一端与所述存料腔连通，所述铣刀片与所述出料通道配合以用于切削从所述出料通道出来的物料；

所述挤压模具以及所述静止轴肩在工作状态下均不旋转，所述搅拌头以及所述刀柄在工作状态下共同旋转。

2.根据权利要求1所述的连续搅拌摩擦增材制造工具，其特征在于，所述出料通道包括相互连通的竖向通道和斜向通道，所述竖向通道与所述搅拌头的搅拌轴同轴并与所述增材原料放置腔连通，所述斜向通道由所述竖向通道的底部向下倾斜设置并与所述存料腔连通。

3.根据权利要求2所述的连续搅拌摩擦增材制造工具，其特征在于，所述铣刀片的切削面与所述斜向通道的远离所述竖向通道的一端端面在竖直方向的投影重合。

4.根据权利要求1所述的连续搅拌摩擦增材制造工具，其特征在于，所述铣刀片的数量为多个，多个所述铣刀片绕所述静止轴肩的内壁依次间隔分布。

5.根据权利要求1所述的连续搅拌摩擦增材制造工具，其特征在于，所述搅拌头与刀柄之间设有连接件以实现所述搅拌头与所述刀柄的紧密连接。

6.根据权利要求1所述的连续搅拌摩擦增材制造工具，其特征在于，所述移动压头的外侧壁与所述挤压模具的内侧壁之间具有间隙。

7.根据权利要求1所述的连续搅拌摩擦增材制造工具，其特征在于，所述搅拌头的上端面与所述挤压模具的下端面之间具有间隙。

8.根据权利要求1所述的连续搅拌摩擦增材制造工具，其特征在于，所述静止轴肩的最小内径与所述搅拌头的最大外径之间的距离为0.1-3mm。

9.一种连续搅拌摩擦增材制造方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的连续搅拌摩擦增材制造工具对增材原料进行摩擦增材制造。

10.根据权利要求9所述的连续搅拌摩擦增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将基板固定于工作台上，将增材工具整体移动至增材制造初始位置上方；

S2：向挤压模具中放入增材原料；

S3：启动刀柄并使刀柄带动搅拌头高速旋转，与此同时，将移动压头以速率V1挤压增材原料，使增材原料发生塑化；塑化的原材料通过搅拌头内的出料通道连续挤出，随后被静止轴肩内设的铣刀片切削为颗粒状；一部分颗粒材料随着搅拌头外壁的螺纹向下运动，其余颗粒状材料存储于存料腔中，直至存料腔内的颗粒材料充足；

S4：增材制造工具向下运动至起始位置并停留；此时，搅拌头的动轴肩及搅拌针的搅拌摩擦作用使颗粒材料发生塑化并形成增材层；

S5：将增材制造工具按预设的规划路径运行，形成连续的固相增材层；此时移动压头速率调整至V2以使从出料通道挤出材料的速度与螺纹送料的速度相等，V2＜V1；

S6：当增材原料消耗完毕，上升移动压头，将新的增材原料填入挤压模具中；在此过程中，增材制造工具的移动速度及刀柄的旋转速度保持不变；此时增材所消耗的颗粒材料由预先存储于存料腔内的颗粒材料提供；

S7：增材原料添加完成后，移动压头以V1的速度向下挤压，当颗粒材料在存料腔补充充足后，移动压头下压速度降为V2。