CN117428316A - 具有出料空腔的静轴肩搅拌摩擦增材装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有出料空腔的静轴肩搅拌摩擦增材装置，包括：静轴肩，至少包括用于与待增材的基材对应设置的第一加工面，所述静轴肩的内部形成有通孔，所述通孔的一端设于所述第一加工面上，形成内外连通的孔结构，所述静轴肩上设有送丝孔；搅拌针，设置于所述通孔内，所述搅拌针的外周设置有拉伸螺纹，所述拉伸螺纹与所述通孔侧壁配合以对所述丝材进行剪切；所述静轴肩上的一部分自所述第一加工面沿轴向方向缩进，形成一出料空腔，所述拉伸螺纹的旋转出口方向与所述出料空腔相对应。该装置，结构简单，可以以丝材为增材所用的材料，成本较低，且增材后的材料比较紧密，不容易产生夹杂气泡、小孔等缺陷，且生产效率高。
Description
技术领域
本发明属于固相增材制造技术领域，具体涉及一种具有出料空腔的静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具有出料空腔的静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具有出料空腔的静轴肩搅拌摩擦增材装置，包括：
静轴肩，所述静轴肩至少包括用于与待增材的基材对应设置的第一加工面，所述静轴肩的内部形成有通孔，所述通孔的一端设于所述第一加工面上，形成内外连通的孔结构，所述静轴肩上设有送丝孔，用于向通孔内输送待切割的丝材；
搅拌针，所述搅拌针设置于所述通孔内，所述搅拌针的外周设置有拉伸螺纹，所述拉伸螺纹与所述通孔侧壁配合以对所述丝材进行剪切；
所述静轴肩上的一部分自所述第一加工面沿轴向方向缩进，形成一出料空腔，所述拉伸螺纹的旋转出口方向与所述出料空腔相对应，以使经过剪切的材料聚集在所述出料空腔，并从所述出料空腔出料。
根据本发明的一个实施例，所述搅拌针包括用于与所述基材对应设置的第二加工面，所述第二加工面相对于所述第一加工面向内缩进，形成高低不等的两个加工面。
根据本发明的一个实施例，所述第二加工面上设有用于搅拌切割后的丝材的凸起，所述凸起的顶端突出于所述第一加工面。
根据本发明的一个实施例，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第二加工面的外周。
根据本发明的一个实施例，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。
根据本发明的一个实施例，具有出料空腔的静轴肩搅拌摩擦增材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，以使所述拉伸螺纹与所述通孔的侧壁配合，对所述丝材进行破碎。
根据本发明的一个实施例，具有出料空腔的静轴肩搅拌摩擦增材装置，还包括第二驱动机构，所述第二驱动机构用于驱动所述静轴肩和所述搅拌针整体移动。
根据本发明的一个实施例，所述送丝孔设有多个。
本发明至少具有以下有益效果：
根据本发明实施例的具有出料空腔的静轴肩搅拌摩擦增材装置，通过设置静轴肩和搅拌针，以及在静轴肩上设置出料空腔，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轴肩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。通过送丝孔添加原料，使用丝材为增材材料，成本较低，选择的丝材种类可以自主控制，选材灵活可控。
附图说明
图1为本发明实施例的具有出料空腔的静轴肩搅拌摩擦增材装置的二维剖面示意图；
图2为本发明实施例的具有出料空腔的静轴肩搅拌摩擦增材装置的一个角度的立体结构示意图；
图3为本发明实施例的具有出料空腔的静轴肩搅拌摩擦增材装置的另一个角度的立体结构示意图。
附图标记
具有出料空腔的静轴肩搅拌摩擦增材装置100；
静轴肩10；第一加工面11；通孔12；送丝孔13；出料空腔14；
搅拌针20；拉伸螺纹21；第二加工面22；凸起23。
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，本发明提供一种具有出料空腔14的静轴肩10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具有出料空腔14的静轴肩10搅拌摩擦增材装置100进行详细的描述。
如图1至图3所示，本发明实施例的具有出料空腔14的静轴肩10搅拌摩擦增材装置100包括静轴肩10和搅拌针20。
如图1所示，静轴肩10包括用于与待增材的基材对应设置的第一加工面11，静轴肩10的内部形成有通孔12，通孔12的一端设于第一加工面11上，形成内外连通的孔结构，静轴肩10上设有送丝孔13，用于向通孔12内输送待切割的丝材。搅拌针20设置于通孔12内，搅拌针20的外周设置有拉伸螺纹21，拉伸螺纹21与通孔12侧壁配合以对丝材进行剪切。静轴肩10上的一部分自第一加工面11沿轴向方向缩进，形成一出料空腔14，拉伸螺纹21的旋转出口方向与出料空腔14相对应，以使经过剪切的材料聚集在出料控腔，并从出料空腔14出料。
在增材加工时，将静轴肩10和搅拌针20移动至基材需要增材的表面上方，使得第一加工面11邻近基材设置。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，丝材从静轴肩10上的送丝孔13送入。在搅拌针20在驱动机构带动下旋转，使得拉伸螺纹21旋转，并与通孔12侧壁挤压的作用下，丝材被挤压并被裁切成碎屑。碎屑在搅拌针20的旋转作用下顺着拉伸螺纹21的槽向下传送到出料空腔14处，大量的物料堆积在出料空腔14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，结构简单，且容易制造，有利于实现产业化。且以丝材为增材所用材料，成本较低，选择的丝材种类可以自主控制，选材灵活可控，还可以通过设置多个送丝孔13来提高增材制造的工作效率。此外，制造件的最上表面由于是轴肩的出料空腔14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14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。
如图1-图3所示，搅拌针20包括用于与基材对应设置的第二加工面22，第二加工面22相对于第一加工面11向内缩进，形成高低不等的两个加工面。有利于物料的聚集，并在出料空腔14处堆积，有利于增材层的形成。
如图1-图3所示，第二加工面22上设有用于搅拌切割后的丝材的凸起23，凸起23的顶端突出于第一加工面11，用于搅拌，将所增丝材与基材充分结合，有利于增材增的形成。
如图1-图3所示，第二加工面22上设有用于搅拌切割后的丝材的凸起23。优选地，凸起23至少设有两个。本申请以设置3个为例进行说明，三个凸起23均匀分布在第二加工面22的外周。通过搅拌针20上的凸起23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。
如图1所示，出料空腔14为扇形体结构，扇形体的出料空腔14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14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14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。
具有出料空腔14的静轴肩10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连接，用于驱动搅料针转动。第二驱动机构与静轴肩10和搅拌针20连接，用于驱动静轴肩10和搅料针整体移动。例如，在完成一层增材层时，可以通过第二驱动机构将静轴肩10和搅料针整体向上移动，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。
在本申请的实施例中，送丝孔13可以设置有多个，通过设置多个送丝孔13来提高增材制造的工作效率。
如图1所示，送丝孔13与通孔12的中心线之间的夹角为90°。该也就是说，送丝孔13相对长度是最短的，这样更有利于丝材的输送。
下面结合具有出料空腔14的静轴肩10搅拌摩擦增材装置100的整体结构对该装置的工作流程进行描述。
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和静轴肩10同轴下降，直到静轴肩10的第一加工面11下降到与基材平面相接。此时，搅拌针20中的凸起23结构只有一小部分没有插入基材中，留出的空隙方便四周的材料向出料空腔14处聚集。即搅拌针20中的凸起23结构搅拌基材形成搅拌区。
进一步，丝材从静轴肩10上的送丝孔13被送到搅拌针20的具有拉伸螺纹21的位置处。在搅拌针20的旋转作用下，丝材被拉伸螺纹21切割，并破碎，随着搅拌针20的旋转，接着破碎后的材料随着拉伸螺纹21的旋转下被传送到静轴肩10与搅拌针20相隔的底面缝隙处。缝隙中破碎的材料在通过搅拌针20底面在出料空腔14处积累，然后搅拌针20和静轴肩10同时向设置出料空腔14一侧的反方向移动。在搅拌针20的搅拌作用与出料空腔14的挤压作用下，以及凸起23的挤压下，所增丝材与基材紧密结合形成增材层。此后，搅拌针20和静轴肩10同时同速在增材区不断移动，得到第一层增材区。
若需要多层增材时，在形成第一层增材区后，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。此外，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和静轴肩10同时升起一定高度，控制装置往回进行第二层叠加增材即可，依次类推。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静轴肩10填丝搅拌摩擦增材装置，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。以丝材为增材所用材料，成本较低，选择的丝材种类可以自主控制，选材灵活可控，还可以通过设置多个送丝孔13来提高增材制造的工作效率。轴肩是静止不动的，当增材制造完成时，制造件的最上表面由于是轴肩进行挤压成形，故不再需要进行减材，即打磨工序，提高生产效率，节约材料和能源损耗。增材后的材料都会从出料空腔14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14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 (8)
1.一种具有出料空腔的静轴肩搅拌摩擦增材装置，其特征在于，包括：
静轴肩，所述静轴肩至少包括用于与待增材的基材对应设置的第一加工面，所述静轴肩的内部形成有通孔，所述通孔的一端设于所述第一加工面上，形成内外连通的孔结构，所述静轴肩上设有送丝孔，用于向通孔内输送待切割的丝材；
搅拌针，所述搅拌针设置于所述通孔内，所述搅拌针的外周设置有拉伸螺纹，所述拉伸螺纹与所述通孔侧壁配合以对所述丝材进行剪切；
所述静轴肩上的一部分自所述第一加工面沿轴向方向缩进，形成一出料空腔，所述拉伸螺纹的旋转出口方向与所述出料空腔相对应，以使经过剪切的材料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所述的具有出料空腔的静轴肩搅拌摩擦增材装置，其特征在于，所述搅拌针包括用于与所述基材对应设置的第二加工面，所述第二加工面相对于所述第一加工面向内缩进，形成高低不等的两个加工面。
3.根据权利要求2所述的具有出料空腔的静轴肩搅拌摩擦增材装置，其特征在于，所述第二加工面上设有用于搅拌切割后的丝材的凸起，所述凸起的顶端突出于所述第一加工面。
4.根据权利要求3所述的具有出料空腔的静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第二加工面的外周。
5.根据权利要求1所述的具有出料空腔的静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。
6.根据权利要求1所述的具有出料空腔的静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，以使所述拉伸螺纹与所述通孔的侧壁配合，对所述丝材进行破碎。
7.根据权利要求6所述的具有出料空腔的静轴肩搅拌摩擦增材装置，其特征在于，还包括第二驱动机构，所述第二驱动机构用于驱动所述静轴肩和所述搅拌针整体移动。
8.根据权利要求1-7任一项所述的具有出料空腔的静轴肩搅拌摩擦增材装置，其特征在于，所述送丝孔设有多个。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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