CN117564439A - 一种连续送丝同轴挤压搅拌摩擦增材制造装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续送丝同轴挤压搅拌摩擦增材制造装置及方法，包括搅拌摩擦装置和切丝挤压装置，所述搅拌摩擦装置包括夹持部、搅拌头、位于搅拌头下部的搅拌针；将丝状原料通过送丝通道连续送入搅拌头、内轴套和套筒组成的储料舱中，在内轴套轴向快速往复运动下将丝状原料切断、挤压成实体，并在搅拌头轴肩和搅拌针的摩擦搅拌共同作用下，丝状原料逐渐热塑化，热塑化的原料再经过螺旋槽的搅拌和内轴套的往复锻压处理后，最终致密均匀地通过套筒和基板地间隙沉积在基板上实现增材。该方案内轴套持续间断的锻压力，保证了热塑化材料的连续、均匀和致密，有效改善了增材组织晶粒，提高沉积层组织致密性和层间结合强度，实现高质量成形。

Description

一种连续送丝同轴挤压搅拌摩擦增材制造装置及方法

技术领域

本发明属于金属材料增材制造技术领域，具体涉及一种连续送丝同轴挤压搅拌摩擦增材制造装置及方法。

背景技术

搅拌摩擦增材制造技术是一种基于剧烈塑性变形与摩擦产热的固相增材制造技术，目前已经发展出以金属板材、棒材、丝材、颗粒以及粉末为原料的搅拌摩擦增材制造技术。其中，金属丝材在搅拌区域被切断，经历循环变形、摩擦等作用后逐渐升温形成热塑化材料，热塑化材料在搅拌头的行进和螺旋槽的约束下不断沉积，形成增材层。需要注意的是，基于金属金属丝材的搅拌摩擦增材制造技术在沉积过程中必须保证热塑化材料的连续性和均匀性，即在沉积前需要有足够的约束力保证热塑化材料充满整个搅拌区。如果热塑化材料无法充满整个搅拌区，将会导致增材层厚度减小，增材区产生孔洞等缺陷，甚至引发分层、堵料等问题。

为保证金属丝材搅拌区热塑化材料的连续与均匀，目前主要方法是通过螺杆挤压方式来施加约束力。中国专利ZL115570256公开了一种搅拌摩擦增材工具轴向推力强化结构及其制备方法，其通过在非旋转部件表面制备低粘附性电沉积表面层和锯齿凸起来解决黏附的问题，但是这种结构制造工艺复杂，成本较高；中国专利ZL112496522公开了一种搅拌摩擦增材装置及增材制造方法，该方法通过将一定量的丝材挤压形成棒材从而进行增材，无法实现送丝的同时进行增材，影响了增材效率和连续性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种连续送丝同轴挤压搅拌摩擦增材制造装置及方法，本方案通过内轴套往复运动的方式，以剪切、挤压、搅拌的形式热塑化材料，使其与基板摩擦实现固相沉积增材的过程，在保证成形效率的同时，内轴套的往复运动还对沉积层施加了持续的锻压力，保证了热塑化材料沉积前的连续、均匀和致密，并有效改善了增材组织晶粒，解决现有连续送丝搅拌摩擦增材技术过程中铝合金等材料易黏附而轴向挤压力降低的弊端，提高沉积层组织致密性和层间结合强度，实现高质量成形。

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种连续送丝同轴挤压搅拌摩擦增材制造装置，包括搅拌摩擦装置2和切丝挤压装置1，所述搅拌摩擦装置2包括夹持部21、搅拌头22、位于搅拌头22下部的搅拌针23，所述搅拌头22下端面上开有螺旋向内的第一螺旋槽241，所述搅拌头22下端面固定有一个或多个侧面开有第二螺旋槽242的搅拌针23；第一螺旋槽241和第二螺旋槽242，可在热塑性材料内部形成向中心的涡流。

所述的搅拌摩擦增材制造装置，所述夹持部与强力刀柄配合夹紧，强力刀柄由机床主轴的自动夹紧机构拉紧。

所述的搅拌摩擦增材制造装置，所述搅拌头下端面的第一螺旋槽旋向与搅拌摩擦装置的旋转方向相反。

所述的搅拌摩擦增材制造装置，所述搅拌针侧面的第二螺旋槽旋向与搅拌摩擦装置的旋转方向相反。

所述的搅拌摩擦增材制造装置，所述搅拌针底面要低于切丝挤压装置储料舱轴肩底面1-3mm。

所述的搅拌摩擦增材制造装置，切丝挤压装置1包括内轴套12、套筒15和送丝通道16，内轴套12与搅拌头22同轴安装，内轴套12套在搅拌头22外部，套筒15上端为端盖13，端盖13上开有多个均匀分布的通孔14，送丝通道16开设在套筒15上，套筒15同轴安装在内轴套12外部，内轴套12在外部伺服电动缸的驱动下实现快速往复运动。

所述的搅拌摩擦增材制造装置，伺服电动缸输出额定推力3000N，内轴套12往复运动行程25mm，速度500mm/s，往复频率6Hz。

所述的搅拌摩擦增材制造装置，送丝通道16是开在套筒15上的贯穿内外的长直通孔。

所述的搅拌摩擦增材制造装置，所述送丝通道与水平面夹角范围在0～60°。

所述的搅拌摩擦增材制造装置，送丝通道16与水平面夹角为45°。

一种根据任一所述搅拌摩擦增材制造装置的增材制造方法，包括以下步骤：

S1、将丝状的原料通过切丝挤压装置的送丝通道送入搅拌头下方的储料舱内，搅拌头以恒定角速度开始旋转；

S2、丝状的原料在切丝挤压装置内轴套的轴向往复运动过程中被切断，被切断成节状或者颗粒状的原料逐渐在储料舱内积累直至填满储料腔；

S3、节状或者颗粒状的原料填满储料腔后，储料舱内的原料在搅拌针和搅拌头轴肩的螺旋槽的不断摩擦搅拌作用下热塑化，热塑化的原料在螺旋槽的约束下逐渐在储料舱内形成涡流，原料搅拌混合更加均匀；

S4、储料舱的原料热塑化后，丝状的原料继续不断向储料舱内进给，同时切丝挤压装置内轴套连续沿轴向往复运动，进给到储料舱内的丝材被切断、挤压并逐渐热塑化。

S5、储料舱内已热塑化的材料在内轴套的往复运动下逐渐从储料舱轴肩与基板的间隙中挤出，最终在整个装置的横移下沉积在基板上实现增材成形。

进一步的，所述丝状的原料包括但不限于金属及其合金、热塑性复合材料等材料的同质或多质材料。

进一步的，所述内轴套往复运动的速度、频率、行程以及冲击力精准可调；

进一步的，所述内轴套下端轴肩可以是平面、斜面等其他有助于切丝和向中心挤压的形状；

相比于现有技术，本发明的优点在于：

(1)本发明的连续送丝同轴挤压搅拌摩擦增材制造装置，利用切丝挤压装置的剪切、挤压以及搅拌摩擦装置的摩擦、搅拌作用使丝材原料逐渐热塑化，实现连续送丝同轴挤压固相搅拌摩擦增材，避免了螺杆引起的铝合金等材料黏附、堵料问题，提高了连续送丝搅拌摩擦增材的送丝稳定性和效率。

(2)本发明通过切丝挤压装置内轴套的往复运动可对储料舱中热塑化的材料施加轴向约束力，使组织更加连续、致密，减少了孔洞等缺陷的产生概率，并且内轴套往复运动所产生的循环冲击对已沉积的增材组织相当于施加了锻压力，进一步提高增材组织性能。

(3)本发明搅拌摩擦装置搅拌针和搅拌头的螺旋槽设计，可在热塑性材料内部形成向中心的涡流，使储料舱内材料组织成分更加均匀和连续。

附图说明

图1是本发明提供的一种连续送丝同轴挤压搅拌摩擦增材制造装置剖面示意图。

图2是所述搅拌摩擦装置示意图。

图3是所述搅拌头下端面平面图。

图4是图2所述B区域细节放大图。

图5是所述切丝挤压装置的内轴套装置示意图。

图6是所述切丝挤压装置的端盖、通孔、套筒以及送丝通道装置剖面示意图。

图7是所述切丝挤压装置示意图。

附图标记说明：

1-切丝挤压装置：12-内轴套；13-端盖；14-通孔；15-套筒；16-送丝通道；2-搅拌摩擦装置：21-夹持部；22-搅拌头；23-搅拌针；241-第一螺旋槽；242-第二螺旋槽；3-储料舱。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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。

需要说明的是，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。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供一种连续送丝同轴挤压搅拌摩擦增材制造装置，包括搅拌摩擦装置2和切丝挤压装置1，所述搅拌摩擦装置2包括夹持部21、搅拌头22、位于搅拌头22下部的搅拌针23，所述搅拌头22下端面上开有螺旋向内的第一螺旋槽241，所述搅拌头22下端面固定有一个或多个侧面开有第二螺旋槽242的搅拌针23。

如图2所示，夹持部21与强力刀柄配合夹紧，强力刀柄由机床主轴的自动夹紧机构拉紧。

如图2-3所示，搅拌头22下端面的螺旋槽241旋向(实线箭头)与搅拌摩擦装置2的旋转方向(虚线箭头)相反，有助于热塑化的材料向中心流动。

如图2-4所示，搅拌针23侧面的螺旋槽242旋向(实线箭头)与搅拌摩擦装置2的旋转方向(虚线箭头)相反，有助于热塑化的材料向中心流动。

如图2-4所示，搅拌头22下端面的螺旋槽241横截面为矩形且不限于三角形、圆弧形截面等。

如图1所示，搅拌针23底面低于切丝挤压装置1储料舱3轴肩底面1.5mm，有助于增材开始阶段搅拌针23扎入基板进行预热。

如图5-7所示，切丝挤压装置1包括内轴套12、套筒15和送丝通道16，内轴套12与搅拌头22同轴安装，内轴套12套在搅拌头22外部，套筒15上端为端盖13，端盖13上开有多个均匀分布的通孔14，送丝通道16开设在套筒15上，套筒15同轴安装在内轴套12外部，内轴套12在外部伺服电动缸的驱动下实现快速往复运动，伺服电动缸输出额定推力3000N，内轴套12往复运动行程25mm，速度500mm/s，往复频率6Hz。

如图7所示，送丝通道16是开在套筒15上的贯穿内外的长直通孔。

如图1所示，送丝通道16与水平面夹角为45°。

实施例2

如图1-6所示，本实施例提供一种连续送丝同轴挤压搅拌摩擦增材制造方法，包括以下步骤：

S1、将丝状的6061-T6铝合金通过切丝挤压装置1的送丝通道16送入搅拌头22下方的储料舱3内；搅拌头22开始以800rpm的转速旋转；

S2、丝状的6061-T6铝合金在切丝挤压装置1内轴套12的轴向往复运动过程中被切断，被切断成节状或者颗粒状的原料逐渐在储料舱3内积累直至填满储料腔；

S3、节状或者颗粒状的原料填满储料腔后，储料舱3内的原料在搅拌针23和搅拌头22轴肩的螺旋槽24的不断摩擦搅拌作用下热塑化，热塑化的原料在螺旋槽24的约束下逐渐在储料舱3内形成涡流，原料搅拌混合更加均匀；

S4、储料舱3的原料热塑化后，丝状的原料继续不断向储料舱3内进给，同时切丝挤压装置1内轴套12连续沿轴向往复运动，往复速度1m/s，频率2Hz，冲击力30MPa，进给到储料舱3内的6061-T6铝合金丝材被形状为平面的内轴套12下端轴肩切断、挤压并逐渐热塑化。

S5、储料舱3内已热塑化的材料在内轴套12的往复运动下逐渐从储料舱3轴肩与基板的间隙中挤出，最终在整个装置的横移下沉积在基板上实现增材成形。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种连续送丝同轴挤压搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于，包括搅拌摩擦装置(2)和切丝挤压装置(1)，所述搅拌摩擦装置(2)包括夹持部(21)、搅拌头(22)、位于搅拌头(22)下部的搅拌针(23)，所述搅拌头(22)下端面上开有螺旋向内的第一螺旋槽(241)，所述搅拌头(22)下端面固定有一个或多个侧面开有第二螺旋槽(242)的搅拌针(23)；第一螺旋槽(241)和第二螺旋槽(242)，可在热塑性材料内部形成向中心的涡流。

2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于，所述夹持部与强力刀柄配合夹紧，强力刀柄由机床主轴的自动夹紧机构拉紧。

3.根据权利要求1所述的搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于，所述搅拌头下端面的第一螺旋槽旋向与搅拌摩擦装置的旋转方向相反。

4.根据权利要求1所述的搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于，所述搅拌针侧面的第二螺旋槽旋向与搅拌摩擦装置的旋转方向相反。

5.根据权利要求1所述的搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于，所述搅拌针底面要低于切丝挤压装置储料舱轴肩底面1-3mm。

6.根据权利要求1所述的搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于，切丝挤压装置(1)包括内轴套(12)、套筒(15)和送丝通道(16)，内轴套(12)与搅拌头(22)同轴安装，内轴套(12)套在搅拌头(22)外部，套筒(15)上端为端盖(13)，端盖(13)上开有多个均匀分布的通孔(14)，送丝通道(16)开设在套筒(15)上，套筒(15)同轴安装在内轴套(12)外部，内轴套(12)在外部伺服电动缸的驱动下实现快速往复运动。

7.根据权利要求6所述的搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于，伺服电动缸输出额定推力3000N，内轴套(12)往复运动行程25mm，速度500mm/s，往复频率6Hz。

8.根据权利要求6所述的搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于，送丝通道(16)是开在套筒(15)上的贯穿内外的长直通孔。

9.根据权利要求6所述的搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于，所述送丝通道与水平面夹角范围在0～60°。

10.一种根据权利要求1-9任一所述搅拌摩擦增材制造装置的增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将丝状的原料通过切丝挤压装置的送丝通道送入搅拌头下方的储料舱内，搅拌头以恒定角速度开始旋转；

S2、丝状的原料在切丝挤压装置内轴套的轴向往复运动过程中被切断，被切断成节状或者颗粒状的原料逐渐在储料舱内积累直至填满储料腔；

S3、节状或者颗粒状的原料填满储料腔后，储料舱内的原料在搅拌针和搅拌头轴肩的螺旋槽的不断摩擦搅拌作用下热塑化，热塑化的原料在螺旋槽的约束下逐渐在储料舱内形成涡流，原料搅拌混合更加均匀；

S4、储料舱的原料热塑化后，丝状的原料继续不断向储料舱内进给，同时切丝挤压装置内轴套连续沿轴向往复运动，进给到储料舱内的丝材被切断、挤压并逐渐热塑化。

S5、储料舱内已热塑化的材料在内轴套的往复运动下逐渐从储料舱轴肩与基板的间隙中挤出，最终在整个装置的横移下沉积在基板上实现增材成形。