CN117428311A - 动轴肩搅拌摩擦增材装置及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动轴肩搅拌摩擦增材装置及设备，装置包括：动轴肩，至少包括第一端面，以及背离第一端面的第二端面，第二端面用于朝向待增材的基材表面；动轴肩的内部形成有通孔；通孔包括中间段通孔、进料孔和出料孔，进料孔的一端与中间段通孔的第一端连通，另一端设于第一端面上，用于进料；出料孔的一端与中间段通孔的第二端连通，另一端设于第二端面上；其中，中间段通孔的孔壁上设有第一螺纹；搅料针，第一端分别穿过进料孔和中间段通孔，且端部置于中间段通孔内，搅料针的侧壁上设有与第一螺纹匹配的第二螺纹。该装置，结构简单，可以以丝材为增材所用的材料，成本较低，提高了制造增材层的工作效率。

Description

动轴肩搅拌摩擦增材装置及设备

技术领域

本发明属于固相增材制造技术领域，具体涉及一种动轴肩搅拌摩擦增材装置及设备。

背景技术

目前的搅拌摩擦增材方案有流动摩擦增材制造装置、预置异质金属夹层的搅拌摩擦增材制造装置、短棒物料增材制造机构、组分可调同步送料的摩擦头增材装置、静轴肩空腔增材装置、消耗搅拌摩擦工具、施加冷却的增材装置、半固态增材装置(粉末、丝材)、使用搅拌摩擦增材制造搅拌头焊接叠加板材、颗粒式增材装置等。搅拌摩擦增材技术是通过填料(包括粉末、丝、条、板材等)使所填材料与基材融合从而进行增材制造的过程，将三维复杂形状构件制造为简单的二维平面形状的逐层往复叠加，避免了传统机械加工减材制造中存在的大量材料和能源浪费。同时该技术能大幅度缩短生产周期、降低生产成本和加工制造费用，有望实现制造业的产业变革，在重大国防武器装备的研发、生产与维护修复等方面具有巨大应用价值和广阔应用前景。此外，增材制造具有在复杂零件的成型制造以及缩短零件制造周期上的明显优势。

但是目前的搅拌摩擦增材装置，在实际生产过程中，制造成本高，且效率低。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种动轴肩搅拌摩擦增材装置，用以解决现有增材制造成本高，效率低的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种动轴肩搅拌摩擦增材装置，包括：

动轴肩，动轴肩至少包括第一端面，以及背离第一端面的第二端面，第二端面用于朝向待增材的基材表面；动轴肩的内部形成有通孔；

通孔包括中间段通孔、进料孔和出料孔，进料孔的一端与中间段通孔的第一端连通，另一端设于第一端面上，用于进料；出料孔的一端与中间段通孔的第二端连通，另一端设于第二端面上；

其中，中间段通孔的孔壁上设有第一螺纹；

搅料针，搅料针的第一端分别穿过进料孔和中间段通孔，且端部置于中间段通孔内，搅料针的侧壁上设有与第一螺纹匹配的第二螺纹，第一螺纹与第二螺纹配合，将增材材料破碎。

根据本发明的一个实施例，第一螺纹的牙槽与第二螺纹的牙顶相对应，且设有第一间距。

根据本发明的一个实施例，进料孔形成漏斗结构，漏斗结构的宽口径的开口设于第一端面，窄口径与中间段通孔的第一端孔径尺寸相同。

根据本发明的一个实施例，搅料针的第一端的端面形成圆锥状，圆锥状的搅料针的锥尖对应出料孔，中间段通孔与搅料针的第一端相对的一端形成锥面，锥面与搅料针的圆锥状的第一端的端面之间设有第二间距。

根据本发明的一个实施例，动轴肩搅拌摩擦增材装置还包括第一驱动机构，第一驱动机构与搅料针连接，用于驱动搅料针转动；

第二驱动机构，第二驱动机构与动轴肩连接，用于驱动动轴肩转动，以使第一螺纹和第二螺纹对增材材料进行碎化。

根据本发明的一个实施例，动轴肩搅拌摩擦增材装置还包括第三驱动机构，第三驱动机构用于驱动动轴肩、搅料针整体移动。

根据本发明的一个实施例，动轴肩的第二端面上设有搅拌凸起，搅拌凸起用于对基材的表面和破碎的材料均匀搅拌。

根据本发明的一个实施例，搅拌凸起至少设有两个，且至少两个搅拌凸起均匀分布在出料孔的外周。

根据本发明的一个实施例，搅拌凸起的形成半球形。

第二方面，本发明还公开一种增材设备，包括第一方面实施例所述的动轴肩搅拌摩擦增材装置。

本发明实施例的动轴肩填丝搅拌摩擦增材装置至少具有如下有益效果：

1)本发明实施例的增材装置，在已有的搅拌摩擦焊接设备的基础上，对轴肩和搅料针进行改造即可，容易制造实现。

2)增加一层材料后，可以通过第三驱动机构驱动整体上移，进行第二层材料的制造，可实现持续增材制造，避免重新装夹板材耗时的情况，提高了增材制造的效率。

3)通过进料孔可存储多种类型的增材材料，如丝材、圆柱状、粉末、碎屑、片材和条等材料，选材多样化、灵活可控，且填料较为便利。

4)动轴肩和搅料针都是转动的，当增材制造完成后，再进行下一次增材制造时，不需要清理残留在设备中的增材碎屑，且这些碎屑还可用于下一次的增材制造，可充分利用材料，防止浪费材料的现象出现。

5)依靠动轴肩上的搅拌凸起，搅拌形成搅拌区，可使所增丝材与基材充分结合，避免增材后制造件的内部材料分布不均匀的缺陷，提高增材制造成形质量。

附图说明

图1为本发明实施例的动轴肩搅拌摩擦增材装置的二维剖面示意图；

图2为本发明实施例的动轴肩搅拌摩擦增材装置的立体结构剖面图；

图3为本发明实施例的动轴肩搅拌摩擦增材装置的立体结构示意图。

附图标记

动轴肩搅拌摩擦增材装置100；

动轴肩10；第一端面11；第二端面12；进料孔13；中间段通孔14；第一螺纹141；出料孔15；搅拌凸起16；

搅料针20；第二螺纹21。

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。

为了便于对本发明技术方案的理解，下面首先描述本发明所要解决的技术问题。

搅拌摩擦增材制造是一种固相非熔化增材制造方法，现有的搅拌摩擦增材制造方法主要为多层预制板状原料的搭接焊合叠加策略其本质为一种搅拌摩擦搭接焊方法，需要依赖于搅料针结构实现当前增材层与前一层材料之间的连接，有效搭接宽度往往取决于搅料针的形状及其扎入下板的深度，然而较大的搅料针扎入量极易导致界面畸变，产生冷搭接和钩状缺陷，弱化结构整体的承载性能。此外，由于搅拌摩擦搭接过程需要严格的装夹约束，预制板两侧往往需要预留一定的尺寸以保证整体结构的有效装夹，这部分材料在增材过程后需要通过机加工的方式进行去除，且每一层均需要重新耗时进行装夹固定，这违背了增材制造无材料和时间成本浪费的初衷，最终成形件的制造效率相比传统机加工方案并不高。

另外，现有的增材制造方法可摆脱搅拌摩擦增材对预制板的需求，从增材处原位供给原料实现结构的连续增材制造，叠加板材进行增材时，当焊接完该层时，需再次装夹且要中断焊接，重新启动，此过程会耽误工作的时间。此外现有的装置对材料的形状有所限制，不够灵活。

基于上述存在的技术问题，本发明提供一种动轴肩搅拌摩擦增材装置100，以解决上述技术问题。

下面结合附图对本发明实施例的动轴肩搅拌摩擦增材装置100进行详细的描述。

如图1至图3所示，本发明实施例的动轴肩搅拌摩擦增材装置100包括动轴肩10和搅料针20。

如图1所示，动轴肩10至少包括第一端面11，以及背离第一端面11的第二端面12，第二端面12用于朝向待增材的基材表面。动轴肩10的内部形成有通孔，通孔包括中间段通孔14、进料孔13和出料孔15，进料孔13的一端与中间段通孔14的第一端连通，另一端设于第一端面11上，用于进料。出料孔15的一端与中间段通孔14的第二端连通，另一端设于第二端面12上。其中，中间段通孔14的孔壁上设有第一螺纹141，搅料针20的第一端分别穿过进料孔13和中间段通孔14，且端部置于中间段通孔14内，搅料针20的侧壁上设有与第一螺纹141匹配的第二螺纹21，第一螺纹141与第二螺纹21配合，将增材材料破碎。

也就是说，如图1所示，增材材料通过进料孔13填料，其中，对于增材材料的形状可以是丝材、圆柱状、粉末、碎屑、片材和条等形状的材料，选材多样化、灵活可控，且填料较为便利。材料经过第一螺纹141和第二螺纹21的配合碾压破碎，且动轴肩10和搅料针20可以以不同的转速转动，提高丝材的破碎效率。

本发明实施例的装置，结构简单，且容易制造，有利于实现产业化。且可以使用不同形状的材料，灵活可控，且填料较为便利。通过动轴肩10和搅料针20的不同转速的配合可以提高破碎丝材的效率，提高增材制造的工作效率。

如图2所示，第一螺纹141的牙槽与第二螺纹21的牙顶相对应，且设有第一间距，可充分的将送进来的材料碎化。

在本发明的实施例中，进料孔13形成漏斗结构，漏斗结构的宽口径的开口设于第一端面11，窄口径与中间段通孔14的第一端孔径尺寸相同。漏斗状的进料孔13便于存储材料，且可以容纳不同形状的材料。

在本发明的实施例中，搅料针20的第一端的端面形成圆锥状，圆锥状的搅料针的锥尖对应出料孔15，中间段通孔14与搅料针20的第一端相对的一端形成锥面，锥面与搅料针的圆锥状的第一端的端面之间设有第二间距。增材材料从漏斗结构进入第一螺纹141和第二螺纹21之间的间隙，经过挤压破碎，逐渐流向圆锥的端面，并从出料孔15流出。该结构有利于破碎后的材料集中到出料孔15，并流出。

在本发明的一个实施例中，动轴肩搅拌摩擦增材装置100还可以包括第一驱动机构(未图示)以及第二驱动机构(未图示)。第一驱动机构与搅料针20连接，用于驱动搅料针20转动。第二驱动机构与动轴肩10连接，例如，动轴肩10与第二驱动机构可以通过齿轮传动结构连接，用于驱动动轴肩10转动。本发明中，将动轴肩10和搅料针20设置可以相对转动的，当增材制造完成后，再进行下一次增材制造时，留在孔内的不需要清理残留在设备中的增材碎屑，且这些碎屑还可用于下一次的增材制造，只需在下次使用时，继续旋转，就可以将材料破碎并送至基材表面，可充分利用材料，防止浪费材料的现象出现。

在一些实施例中，动轴肩搅拌摩擦增材装置100还可以包括第三驱动机构(未图示)，第三驱动机构用于驱动动轴肩10和搅料针20整体移动。例如，在完成一层增材层时，可以通过第三驱动机构将动轴肩10和搅料针20整体向上移动，并进行第二层增材层的制造。进而可实现持续增材制造，避免重新装夹板材耗时的情况，提高了增材制造的效率。

如图1-图3所示，动轴肩10的第二端面12上搅拌凸起16，搅拌凸起16用于对基材的表面和破碎的丝材均匀搅拌。优选地，搅拌凸起16至少设有两个，且至少两个搅拌凸起16均匀分布在出料孔15的外周。通过动轴肩10上的搅拌凸起16结构形成搅拌区，可使所增丝材与基材充分结合，避免增材后制造件的内部材料分布不均匀的缺陷，提高增材制造成形质量。搅拌凸起16形成半球形，有利于搅拌，并更好的保护材料层的表面。

结合动轴肩搅拌摩擦增材装置100的整体结构，在进行增材加工时，首先，搅料针20开始以一定速度开始旋转，且搅料针20和动轴肩10在第三驱动机构的驱动下同时下降，直到动轴肩10的第二端面12与基材平面相隔一定合适的距离，此时搅拌凸起16只有很小一部分没有插入基材中，即留出增材层的距离，此时搅拌凸起16搅拌基材形成搅拌区。将丝材、圆柱状、粉末、碎屑、片材和条等材料，送到装置的进料孔13内。随着动轴肩10和搅料针20的旋转材料被送到第一螺纹141和第二螺纹21的第一间距内，丝材在螺纹结构的切割作用下破碎，破碎后的丝材被传送到圆锥状与中间段通孔14的下端面的第二间距处，最后从出料孔15流出。

接下来，在搅拌凸起16的作用下，破碎的材料与基材紧密结合形成增材层。进一步搅料针20和动轴肩10同时同速在增材区不断移动，得到第一层增材区。

若想持续进行不间断增材，当第一层增材区完成后，将搅料针20和动轴肩10同时升起一定高度，重复以上操作可得到第二层增材区，同理重复以上步骤，则可在此区域进行逐层叠加增材。具体的控制过程可以通过控制器控制第一驱动机构、第二驱动机构和第三驱动结构来实现。可实现持续增材制造，避免重新装夹板材耗时的情况，提高了增材制造的效率。

由此，根据本发明实施例的动轴肩搅拌摩擦增材装置100，在已有的搅拌摩擦焊接设备的基础上，对轴肩和搅料针进行改造即可，容易制造实现。增加一层材料后，可以通过第三驱动机构驱动整体上移，进行第二层材料的制造，可实现持续增材制造，避免重新装夹板材耗时的情况，提高了增材制造的效率。通过进料孔可存储多种类型的增材材料，如丝材、圆柱状、粉末、碎屑、片材和条等材料，选材多样化、灵活可控，且填料较为便利。动轴肩和搅料针都是转动的，当增材制造完成后，再进行下一次增材制造时，不需要清理残留在设备中的增材碎屑，且这些碎屑还可用于下一次的增材制造，可充分利用材料，防止浪费材料的现象出现。依靠动轴肩上的搅拌凸起16，搅拌形成搅拌区，可使所增丝材与基材充分结合，避免增材后制造件的内部材料分布不均匀的缺陷，提高增材制造成形质量。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种动轴肩搅拌摩擦增材装置，其特征在于，包括：

动轴肩，所述动轴肩至少包括第一端面，以及背离所述第一端面的第二端面，所述第二端面用于朝向待增材的基材表面；所述动轴肩的内部形成有通孔；

所述通孔包括中间段通孔、进料孔和出料孔，所述进料孔的一端与所述中间段通孔的第一端连通，另一端设于所述第一端面上，用于进料；所述出料孔的一端与所述中间段通孔的第二端连通，另一端设于所述第二端面上；

其中，所述中间段通孔的孔壁上设有第一螺纹；

搅料针，所述搅料针的第一端分别穿过所述进料孔和中间段通孔，且端部置于所述中间段通孔内，所述搅料针的侧壁上设有与所述第一螺纹匹配的第二螺纹，所述第一螺纹与所述第二螺纹配合，将所述增材材料破碎。

2.根据权利要求1所述的动轴肩搅拌摩擦增材装置，其特征在于，所述第一螺纹的牙槽与所述第二螺纹的牙顶相对应，且设有第一间距。

3.根据权利要求1所述的动轴肩搅拌摩擦增材装置，其特征在于，

所述进料孔形成漏斗结构，所述漏斗结构的宽口径的开口设于所述第一端面，窄口径与所述中间段通孔的第一端孔径尺寸相同。

4.根据权利要求1-3任一项所述的动轴肩搅拌摩擦增材装置，其特征在于，所述搅料针的第一端的端面形成圆锥状，所述圆锥状的搅料针的锥尖对应所述出料孔，所述中间段通孔与所述搅料针的第一端相对的一端形成锥面，所述锥面与所述搅料针的圆锥状的第一端的端面之间设有第二间距。

5.根据权利要求1所述的动轴肩搅拌摩擦增材装置，其特征在于，还包括第一驱动机构，所述第一驱动机构与所述搅料针连接，用于驱动所述搅料针转动；

第二驱动机构，所述第二驱动机构与所述动轴肩连接，用于驱动所述动轴肩转动，以使所述第一螺纹和所述第二螺纹对增材材料进行碎化。

6.根据权利要求5所述的动轴肩搅拌摩擦增材装置，其特征在于，还包括第三驱动机构，所述第三驱动机构用于驱动所述动轴肩、所述搅料针整体移动。

7.根据权利要求1所述的动轴肩搅拌摩擦增材装置，其特征在于，所述动轴肩的第二端面上搅拌凸起，所述搅拌凸起用于对基材的表面和破碎的材料均匀搅拌。

8.根据权利要求7所述的动轴肩搅拌摩擦增材装置，其特征在于，所述搅拌凸起至少设有两个，且至少两个所述搅拌凸起均匀分布在所述出料孔的外周。

9.根据权利要求7或8所述的动轴肩搅拌摩擦增材装置，其特征在于，所述搅拌凸起形成半球形。

10.一种增材设备，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的动轴肩搅拌摩擦增材装置。