CN117428313A - 动轴肩搅拌摩擦增材装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动轴肩搅拌摩擦增材装置，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；其中，中间段通孔的孔壁上设有第一螺纹；搅拌针，其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，搅拌针的侧壁上设有与第一螺纹匹配的第二螺纹；套筒，其自第一端向内凹陷形成安装槽，动轴肩的设有第二端面的一端套设于安装槽内，套筒的第二端设有出口，出口与安装槽连通，套筒的一部分自第二端的端面沿轴向方向缩进，形成一出料空腔。该装置，结构简单，增材后的材料比较紧密，无气泡、小孔等缺陷，且生产效率高。

Description

动轴肩搅拌摩擦增材装置

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。

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、增材摩擦搅拌沉积机、短棒物料增材制造机构、预置异质金属夹层、热丝摩擦微锻、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，增材后需要打磨，生产效率低，形成的材料容易产生夹杂气泡、小孔等缺陷。

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生产效率低，形成的材料容易产生夹杂气泡、小孔等缺陷的问题。

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，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；

搅拌针，所述搅拌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，所述搅拌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；

套筒，所述套筒上自第一端向内凹陷形成安装槽，所述动轴肩的设有第二端面的一端套设于所述安装槽内，所述套筒的第二端设有出口，所述出口与所述安装槽连通，所述套筒的一部分自所述第二端的端面沿轴向方向缩进，形成一出料空腔，以使经过剪切的材料经过出口后聚集在所述出料空腔，并从所述出料空腔出料。

根据本申请的一个实施例，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。

根据本申请的一个实施例，所述搅拌针的第一端的端面形成圆锥状，所述圆锥状的搅拌针的锥尖对应所述出料孔，所述中间段通孔与所述搅拌针的第一端相对的一端形成锥面，所述锥面与所述搅拌针的圆锥状的第一端的端面之间设有间距。

根据本申请的一个实施例，所述第二端面上设有用于搅拌切割后的增材材料的凸起，所述凸起的顶端突出于所述套筒的第二端。

根据本申请的一个实施例，所述凸起至少设有两个，且至少两个所述凸起均匀分布在所述出料孔的外周。

根据本申请的一个实施例，所述凸起在第二端面与套筒的第二端面之间的部分形成圆柱状，突出套筒第二端面的部分形成半球形。

根据本申请的一个实施例，所述出料空腔为扇形体结构，所述扇形体的出料空腔较小的一端朝向所述搅拌针设置。

根据本申请的一个实施例，装置还包括第一驱动机构，所述第一驱动机构与所述搅拌针连接，用于驱动所述搅拌针转动；

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。

根据本申请的一个实施例，装置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、所述搅拌针和所述套筒整体移动。

本发明至少具有以下有益效果：

根据本发明实施例的动轴肩搅拌摩擦增材装置，通过设置动轴肩、搅拌针和套筒，以及在套筒上设置出料空腔，从而有利于破碎后的材料集中从出料空腔挤出，当增材制造完成时，制造件的最上表面由于是套筒的出料空腔进行挤压成形，故不再需要进行减材，即打磨工序，提高生产效率。且增材后的材料都会从出料空腔流出，而不会从别的地方流出，形成的材料比较紧密，从而不容易产生夹杂气泡、小孔等缺陷。通过进料孔添加原料，可使用多种增材材料，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。

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示意图；

图3为本发明实施例的第二螺纹的立体结构剖面图。

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；中间段通孔131；进料孔132；出料孔133；第一螺纹14；

搅拌针20；第二螺纹21；凸起22；

套筒30；出口31；出料空腔32。

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，需要依赖于搅拌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拌针的形状及其扎入下板的深度，然而较大的搅拌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，这严重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。

且，现有的增材装置，当增材制造完成时，还需要对制造件进行打磨，使得生产效率降低。并且现有的装置出料方式，物料不集中，出料时物料不够紧密，容易产生夹杂气泡、小孔等缺陷。

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和图2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、搅拌针20和套筒30。

具体地如图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131、进料孔132和出料孔133，进料孔132的一端与中间段通孔131的第一端连通，另一端设于第一端面11上，用于进料；出料孔133的一端与中间段通孔131的第二端连通，另一端设于第二端面12上。

其中，中间段通孔131的孔壁上设有第一螺纹。搅拌针20的第一端分别穿过进料孔132和中间段通孔131，且端部置于中间段通孔131内，搅拌针20的侧壁上设有与第一螺纹匹配的第二螺纹21，第一螺纹与第二螺纹21配合，将增材材料破碎。套筒30上自第一端向内凹陷形成安装槽，动轴肩10的设有第二端面12的一端套设于安装槽内，套筒30的第二端设有出口31，出口31与安装槽连通，套筒30的一部分自第二端的端面沿轴向方向缩进，形成一出料空腔32，以使经过剪切的材料经过出口31后聚集在出料空腔32，并从出料空腔32出料。

在增材加工时，将动轴肩10、搅拌针20和套筒30移动至基材需要增材的表面上方，使得套筒30与基材相接。将增材材料，如丝材、圆柱状、粉末、碎屑、片材和条等材料加入进料孔132内，搅拌针20在外力作用下，例如，在电机的带动下以设定的速度旋转，材料从进料孔132被卷入第一螺纹和第二螺纹21的间隙内。在动轴肩10和搅拌针20共同旋转下，使得材料被挤压并被裁切成碎屑。碎屑在搅拌针20的旋转作用下传送到出料孔133处，进一步向下传送至套筒出口31处，大量的物料堆积在出料空腔32处，使得物料挤压聚集，从而使得所增丝材与基材紧密结合形成增材层。

根据本发明实施例的增材装置100，结构简单，且容易制造，有利于实现产业化。制造件的最上表面由于是轴肩的出料空腔32进行挤压成形，故不再需要进行减材，即打磨工序，提高生产效率。增材后的材料都会从出料空腔32流出，而不会从别的地方流出，形成的材料比较紧密，从而不容易产生夹杂气泡、小孔等缺陷。通过进料孔132添加原料，可使用多种增材材料，选材多样化、灵活可控，且填料较为便利。

在本发明的实施例中，如图1所示，进料孔132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131的第一端孔径尺寸相同。漏斗状的进料孔132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，如图1所示，搅拌针20的第一端的端面形成圆锥状，圆锥状的搅拌针20的锥尖对应出料孔133，中间段通孔131与搅拌针20的第一端相对的一端形成锥面，锥面与搅拌针20的圆锥状的第一端的端面之间设有间距。增材材料从漏斗结构进入第一螺纹和第二螺纹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133流出。该结构有利于破碎后的材料集中到出料孔133，并流出。最后到出料空腔32，有利于物料的集中。

如图1和图2所示，动轴肩10的第二端面12上搅拌凸起22，搅拌凸起22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22至少设有两个，且至少两个搅拌凸起22均匀分布在出料孔133的外周。通过动轴肩10上的搅拌凸起22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22在第二端面与套筒的第二端面之间的部分形成圆柱状，突出套筒第二端面的部分形成半球形，有利于搅拌，并更好的保护材料层的表面。

如图1和图2所示，凸起22的顶端突出于套筒30的第二端，便于搅拌，将所增丝材与基材充分结合，有利于增材增的形成。

优选地，凸起22在第二端面与套筒的第二端面之间的部分形成圆柱状，突出套筒第二端面的部分形成半球形，具有一定的光滑度，更好的保护增材材料层。

如图2所示，出料空腔32为扇形体结构，扇形体的出料空腔32较小的一端朝向搅拌针20设置。该结构符合物料在旋转力作用下的运动趋势，便于物料的聚集，且可通过控制出料空腔32的大小和宽度调节增材层的宽度和厚度，增材层可自主灵活控制。

需要说明的是，对于出料空腔32的大小可以根据实际生产需要进行设定，本发明对此并不作为限定。

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)。第一驱动机构与搅拌针20连接，用于驱动搅拌针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和搅拌针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、搅拌针20和套筒30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、搅拌针20和套筒30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。

下面结合动轴肩搅拌摩擦增材装置100的整体结构对装置的工作流程进行说明。

在进行增材加工时，首先，搅拌针20开始以一定速度开始旋转，且搅拌针20、动轴肩10和套筒30在第三驱动机构的驱动下同时下降，直到套筒30的第二端面与基材平面相接，此时搅拌凸起22只有其圆柱部分插入基材中，此时搅拌凸起22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132内。随着动轴肩10和搅拌针20的旋转材料被送到第一螺纹和第二螺纹21的间距内，材料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131的下端面的间距处，最后从出料孔133流出，出料孔中破碎的材料受到动轴肩10和套筒30的挤压作用，在套筒30内逐渐积累。

接下来，在搅拌凸起22的搅拌作用和出料空腔32的挤压作用下，破碎的材料与基材紧密结合形成增材层。进一步搅拌针20、动轴肩10和套筒30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，将搅拌针20、动轴肩10和套筒30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，结构简单，且容易制造的特点，有利于实现产业化。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。可使用多种增材材料，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。套筒30是静止不动的，当增材制造完成时，制造件的最上表面由静止套筒30的出料空腔进行挤压成形，故不再需要进行减材，即打磨工序，提高生产效率。增材后的材料都会从出料空腔32流出，而不会从别的地方流出，形成的材料比较紧密，从而不容易产生夹杂气泡、小孔等缺陷。可通过控制出料空腔32的大小和宽度调节增材层的宽度和厚度，增材层可自主灵活控制。

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 (9)

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；

搅拌针，所述搅拌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，所述搅拌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；

套筒，所述套筒上自第一端向内凹陷形成安装槽，所述动轴肩的设有第二端面的一端套设于所述安装槽内，所述套筒的第二端设有出口，所述出口与所述安装槽连通，所述套筒的一部分自所述第二端的端面沿轴向方向缩进，形成一出料空腔，以使经过剪切的材料经过出口后聚集在所述出料空腔，并从所述出料空腔出料。

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。

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，

所述搅拌针的第一端的端面形成圆锥状，所述圆锥状的搅拌针的锥尖对应所述出料孔，所述中间段通孔与所述搅拌针的第一端相对的一端形成锥面，所述锥面与所述搅拌针的圆锥状的第一端的端面之间设有间距。

4.根据权利要求2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设有用于搅拌切割后的增材材料的凸起，所述凸起的顶端突出于所述套筒的第二端。

5.根据权利要求4所述的动轴肩搅拌摩擦增材装置，其特征在于，所述凸起至少设有两个，且至少两个所述凸起均匀分布在所述出料孔的外周。

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，所述凸起在第二端面与套筒的第二端面之间的部分形成圆柱状，突出套筒第二端面的部分形成半球形。

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，所述出料空腔为扇形体结构，所述扇形体的出料空腔较小的一端朝向所述搅拌针设置。

8.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拌针连接，用于驱动所述搅拌针转动；

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。

9.根据权利要求8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、所述搅拌针和所述套筒整体移动。