CN118237722A - 一种搅拌摩擦增材制造装置 - Google Patents

Abstract

本申请提出了一种搅拌摩擦增材制造装置，其包括具有定子和动子的空心轴力矩电机，在动子上安装有空心轴，驱动轴安装在空心轴上，驱动轴具有储料腔和螺旋输送杆，螺旋输送杆的下端形成为轴肩，并在轴肩的下侧形成有搅拌头；在定子的下端具有套设在螺旋输送杆上的外筒体，螺旋输送杆与外筒体之间形成螺旋通道，并在外筒体与轴肩之间形成一呈环形的连通螺旋通道的出料口，储料腔经出料孔连通螺旋通道；储料腔内的金属粉末能够经出料孔进入到螺旋通道内，并在螺旋输送杆的推动下，进入到出料口内。本申请能够有效地减少设备的体积和设备部件的数量，降低设备的管理和维护费用，无需外供动力，可直接安装在没有旋转部件的机加工设备上，提高使用范围。

Description

一种搅拌摩擦增材制造装置

技术领域

本发明涉及一种搅拌摩擦增材制造装置。

背景技术

近年来，3D制造技术得到快速发展，在搅拌摩擦焊接的基础上，出现了搅拌摩擦增材制造技术，其能够利用搅拌头将金属粉末对基材进行增材制造，搅拌摩擦增材制造设备通常是安装在于现有的搅拌摩擦焊机、数控铣床、数控加工中心等机加工设备上，由于搅拌摩擦增材制造设备包括静止部分和转动部分，因此在工作时，需要将搅拌摩擦增材制造设备的静止部分和转动部分分别与机加工设备上的固定部分和驱动机构连接起来，才能使搅拌摩擦增材制造设备进行工作，由于不同机加工设备的固定部分和驱动机构上的连接结构与位置各不相同，使得同一套搅拌摩擦增材制造设备无法同时适应不同的机加工设备，为使同一套搅拌摩擦增材制造设备能够适应不同的机加工设备，需要根据各机加工设备的固定部分和驱动机构的具体情况加工不同规格的连接件，不但造成设备部件管理的不便，也造成搅拌摩擦增材制造设备的使用不便。

另外，采用金属粉末作为增材材料时，需要将金属粉末送入到静止部分和转动部分之间的缝隙内，并利用螺旋槽向下输送，但由于转动部分需要被连接到机加工设备的驱动机构上，导致无法设置用于盛装金属粉末的料仓，只能采用外部管道直接向螺旋槽内添加金属粉末，导致金属粉末的添加易于受到其他外部因素的干扰而造成中断，影响生产的持续进行。

发明内容

为解决现有搅拌摩擦增材制造装置均需要设置固定部分和转动部分两个安装结构的问题，本申请提出了一种搅拌摩擦增材制造装置，其包括一空心轴力矩电机，该空心轴力矩电机包括定子和转动地设置在定子内部的动子，该空心轴力矩电机的中心轴线沿竖直方向延伸，在动子上固定安装有一空心轴，一驱动轴固定安装在该空心轴上，该驱动轴包括一沿竖直方向延伸的内筒体，该内筒体的内腔形成为储料腔，该储料腔的上端形成为进料口，在该内筒体的下端密封地设置有一下端板，该下端板的下侧形成有向下延伸的螺旋输送杆，螺旋输送杆的下端形成为轴肩，并在轴肩的下侧形成有搅拌头；

在该定子的下端具有一外筒体，该外筒体套设在螺旋输送杆上，在螺旋输送杆与外筒体之间形成螺旋通道，并在外筒体与轴肩之间形成一呈环形的连通螺旋通道的出料口，在下端板上设置有连通储料腔与螺旋通道的出料孔；在竖直方向上，轴肩的下表面向下超过外筒体的下端面；储料腔内的金属粉末能够经出料孔进入到螺旋通道内，并在螺旋输送杆的推动下，进入到出料口内；在定子上设置有安装部，该安装部用于将搅拌摩擦增材制造装置连接到机加工设备上。其中的驱动轴可拆卸地安装在空心轴上。

本申请能够通过安装部连接到搅拌摩擦焊机、数控铣床、数控加工中心等机加工设备的固定部分上，利用机加工设备来对搅拌摩擦增材制造装置进行移动，当然也可以设置专门的移动装置，来对搅拌摩擦增材制造装置进行移动。本申请工作时，启动空心轴力矩电机，使驱动轴进行转动，同步带动搅拌头进行转动，储料腔内的金属粉末经出料孔由出料口排出，搅拌头对工件表面进行搅动，轴肩将金属粉末压入并进行搅拌焊接，形成增材层，机加工设备带动搅拌摩擦增材制造装置沿工件的表面进行移动，逐渐完成工件的修复或增材制造。

由于本申请利用空心轴力矩电机制作搅拌摩擦增材制造装置，同时利用空心结构的驱动轴的内腔作为储料腔，能够有效地减少设备的体积，由于本申请自带动力装置，无需外供动力，因此至少能够取消与机加工设备的驱动机构之间的连接部件，减少设备部件的数量，降低设备的管理和维护费用。同时由于本申请自带动力装置，因此也可以直接安装在其他没有主轴等旋转部件的机加工设备上，提高本申请的使用范围。

由于本申请利用驱动轴的内腔作为储料腔，能够存储一定量的金属粉末，因此在生产过程中，能够持续稳定地向出料口输送金属粉末，避免由于金属粉末的中断或输送量的变化而影响生产的正常进行。

进一步，在搅拌头的下表面上具有向下突出的搅拌针。利用搅拌针能够提高搅拌头进入到基材内的速度，提高作业效率。

进一步，在下端板的上表面形成有一向上突出的圆锥，该圆锥位于储料腔内，在下端板上设置有若干出料孔，该若干出料孔环绕该圆锥间隔设置；在内筒体的径向方向上，各出料孔均位于内筒体的内壁与圆锥的外周面之间，在圆锥的顶部倾斜安装有至少两个搅动弹簧，该至少两个搅动弹簧环绕圆锥间隔设置，搅动弹簧的一端固定在圆锥上，搅动弹簧的另一端为自由端。金属粉末在储料腔内下降时，易于产生架桥现象，导致金属粉末的断供，影响生产的持续进行，设置搅动弹簧后，在驱动轴转动时，会使搅动弹簧产生晃动，对搅动弹簧周围的金属粉末进行扰动，避免金属粉末产生架桥现象。另外，在搅动弹簧进行晃动时，也会使驱动轴产生振动，同时叠加驱动轴在转动时自身所产生的振动，能够进一步提高储料腔内金属粉末向下流动时的顺畅性。

进一步，在相邻两个出料孔之间设置有一向上延伸的挡板。利用挡板能够将储料腔的下部分割为若干个小型的料仓，当驱动轴的转速发生变化时，利用各个料仓，仍能够使金属粉末均匀地分配到各个出料孔内。挡板的高度控制在5-20mm之间。

具体地，出料孔由下向上沿空心轴的转动方向倾斜设置。该设计能够充分地利用驱动轴在转动时所产生的离心力，使金属粉末由出料孔流畅地排出，并进入到出料口。

进一步，为提高定子和空心轴在轴向上的连接强度，该定子包括一呈筒状的沿竖直方向延伸的外壳、可拆卸地安装在外壳顶部的上端盖和可拆卸地安装在外壳底部的下端盖，上端盖和下端盖分别经角接触轴承转动地连接在空心轴上。

进一步，为减少部件数量，该外筒体一体形成在该下端盖上。

进一步，为便于安装，该安装部形成在外壳或上端盖上。

进一步，为避免出料口内的金属粉末渗入到空心轴力矩电机的内部，在外筒体与内筒体之间设置有密封件。

进一步，为避免出料口内的金属粉末由定子与工件之间的缝隙向外溢出，在外筒体的外侧面上设置有一防溢板，该防溢板可拆卸地安装在外筒体上，且该防溢板的位置能够沿上下方向进行调整；该防溢板位于外筒体的下游侧。本申请将搅拌摩擦增材制造装置朝向工作时的移动方向的一侧称为下游侧，在搅拌摩擦增材制造装置工作时，下游侧的金属粉末尚未形成增材层，仍处于粉末状体，易于向外扩散，造成金属粉末的流失，利用防溢板，能够有效地减少金属粉末的流失量，当搅拌摩擦增材制造装置工作时，需要根据金属粉末在工件表面的厚度对防溢板的高度进行调整，以避免对搅拌摩擦增材制造装置的正常工作造成影响。

附图说明

图1是本发明一实施例的结构示意图。

图2是驱动轴的俯视图。

具体实施方式

参阅图1和图2，一种搅拌摩擦增材制造装置，其包括一空心轴力矩电机10，该空心轴力矩电机10包括定子110和转动地设置在定子内部的动子13，该空心轴力矩电机10的中心轴线101沿竖直方向延伸，在动子上固定安装有一空心轴14。本实施例中，该定子110具体包括外壳11、上端盖15和下端盖16，外壳11呈圆筒状、并沿竖直方向延伸，在外壳的内侧设置有绕组12。空心轴力矩电机的结构采用现有成熟技术即可完成，不再赘述。

在外壳的上下两端分别设置有上法兰111和下法兰112，上法兰111位于下法兰112的上方，上端盖具有与上法兰相对应的第一法兰，第一螺栓152将第一法兰固定在上法兰上，下端盖具有与下法兰相对应的第二法兰，第二螺栓162将第二法兰固定在下法兰上，使得上端盖和下端盖分别可拆卸地安装在外壳的顶部和底部。

外壳的上下两端分别经上角接触轴承31和下角接触轴承32转动地连接在空心轴14上，利用上角接触轴承31和下角接触轴承32使得外壳能够经空心轴14为下述的驱动轴20提供轴向力，以便于使下述的搅拌头26能够压入到工件内。

本实施例中，在空心轴14的外周面的上部设置有一上凸缘113，上端盖15经上角接触轴承31抵接在空心轴14上；上端盖具有一向内突出的抵接凸缘153，该抵接凸缘153的下表面为一朝向下方的台阶面，抵接凸缘153经其下表面抵压在上角接触轴承的外圈的上侧，上凸缘抵压在上角接触轴承的内圈的下侧。

在空心轴14的下端设置有一台阶部114，该台阶部由空心轴的外周面沿径向向内凹陷而形成，该台阶部具有朝向下方的台阶面；下端盖16经下角接触轴承32抵接在空心轴14上，下端盖的内侧具有一朝向上方的抵压面164，该抵压面为一朝向上方的台阶面，抵压面164抵压在下角接触轴承的外圈的下侧，台阶部114抵压在下角接触轴承的内圈的上侧。

驱动轴20固定安装在该空心轴上，该驱动轴20包括一沿竖直方向延伸的内筒体21，该内筒体的内腔形成为储料腔201，储料腔201用于存储金属粉末，该内筒体与空心轴同轴设置，该储料腔201的上端形成为进料口22，在该内筒体的下端密封地设置有一下端板23。

该下端板23的下侧形成有向下延伸的螺旋输送杆24，该螺旋输送杆24包括沿竖直方向向下延伸的杆体241和形成在杆体外周面上的螺旋叶片242，螺旋输送杆的杆体的下端形成为轴肩25，并在轴肩25的下侧形成有搅拌头26。为便于搅拌，在搅拌头26的下表面上具有向下突出的搅拌针27。

在下端盖16的下侧设置有一外筒体161，该外筒体161套设在螺旋输送杆24上，在螺旋输送杆与外筒体之间形成螺旋通道243，并在外筒体与轴肩之间形成一呈环形的连通螺旋通道的出料口252，出料口的开口朝向下方，在下端板上设置有连通储料腔201与螺旋通道243的出料孔231。在竖直方向上，轴肩的下表面251向下超过外筒体161的下端面163。储料腔内的金属粉末能够经出料孔进入到螺旋通道内，并在螺旋输送杆的推动下，进入到出料口内。本实施例中，外筒体一体形成在下端盖上。

在工作时，启动空心轴力矩电机，使驱动轴转动，将搅拌头26压入到工件71中，储料腔内的金属粉末经出料孔进入到螺旋通道内后，在螺旋输送杆24的推动下，金属粉末向下移动并到达出料口252，然后在轴肩的压力下，与工件的表层进行搅拌焊接，持续形成增材层72。外筒体161的下端面163将增材后的工件表层抹平。

为保持密封，在外筒体与内筒体之间设置有密封件41，具体本实施例中，密封件41采用O型橡胶圈。

具体在本实施例中，在内筒体21与空心轴14之间设置有一键17。内筒体的上端向上伸出空心轴的顶部后形成为一连接筒213，在该连接筒213的外周面上一体形成有一连接法兰211，第三螺栓212将连接法兰固定在空心轴的上部，将驱动轴可拆卸地安装在空心轴上。

为使储料腔201内的金属粉末顺利地向下流动，在下端板23的上表面形成有一向上突出的圆锥28，该圆锥28位于储料腔内201，在圆锥的顶部倾斜安装有三个搅动弹簧281，三个搅动弹簧281环绕圆锥均匀间隔设置，搅动弹簧的一端固定在圆锥上，搅动弹簧的另一端为自由端，为显示清楚，在图2中，搅动弹簧被删除。当驱动轴进行转动时，能够带动搅动弹簧进行摆动，并对储料腔201内的金属粉末进行扰动，避免金属粉末产生架桥现象。

在下端板上设置有八个出料孔231，八个出料孔231环绕该圆锥28均匀间隔设置。本实施例中，出料孔由下向上沿空心轴的转动方向倾斜设置，使得储料腔内的金属粉末能够顺利地经出料孔向下排出，进入到螺旋通道内。

在内筒体的径向方向上，各出料孔均位于内筒体的内壁与圆锥的外周面之间。在相邻两个出料孔之间均设置有一向上延伸的挡板29，各挡板将储料腔201的下部分割为八个小型的料仓，每个料仓对应于一个出料孔，当驱动轴的转速发生变化时，利用各个料仓，仍能够使金属粉末均匀地分配到各个出料孔内。本实施例中，挡板的高度为10mm，在其他实施例中，挡板的高度还可以为5mm、10mm、12mm、14mm、18mm或20mm，当然也可以为5-20mm之间的其他数据。

为避免出料口内的金属粉末向外扩散，影响金属粉末的利用率，外筒体161的外侧面上安装有一防溢板51，在防溢板51上沿竖直方向开设有一长孔52，调节螺钉53穿过该长孔后旋拧在外筒体上。当需要调节防溢板的高度时，将调节螺钉拧松后，即可对防溢板的高度进行调整，调整完成后，再将调节螺钉拧紧即可。防溢板51具体安装在外筒体的下游侧，将搅拌摩擦增材制造装置朝向工作时的移动方向的一侧称为下游侧，附图中，箭头X的指向表示搅拌摩擦增材制造装置在工作时的移动方向。

为便于将搅拌摩擦增材制造装置安装在搅拌摩擦焊机、数控铣床、数控加工中心等机加工设备上，在定子上设置有安装部，该安装部用于将搅拌摩擦增材制造装置连接到机加工设备上。本实施例中，在上端盖15的上侧形成有一呈环状的连接环151，该连接环形成为连接部，用于夹持在具有夹持机构的机加工设备上，可以理解，还可以在连接环151的顶部设置一法兰凸缘155，在图1中，该法兰凸缘采用虚线表示，利用法兰凸缘可以将搅拌摩擦增材制造装置安装在具有相应法兰的机加工设备上。可以理解，在另一实施例中，还可以将外壳11作为连接部。

当本实施例中的搅拌摩擦增材制造装置在工作时，可以通过外部的管道61持续将金属粉末输入到储料腔201，以保持生产的连续性。

Claims (10)

1.一种搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于，包括一空心轴力矩电机，该空心轴力矩电机包括定子和转动地设置在定子内部的动子，该空心轴力矩电机的中心轴线沿竖直方向延伸，在动子上固定安装有一空心轴，一驱动轴固定安装在该空心轴上，该驱动轴包括一沿竖直方向延伸的内筒体，该内筒体的内腔形成为储料腔，该储料腔的上端形成为进料口，在该内筒体的下端密封地设置有一下端板，该下端板的下侧形成有向下延伸的螺旋输送杆，螺旋输送杆的下端形成为轴肩，并在轴肩的下侧形成有搅拌头；

在该定子的下端具有一外筒体，该外筒体套设在螺旋输送杆上，在螺旋输送杆与外筒体之间形成螺旋通道，并在外筒体与轴肩之间形成一呈环形的连通螺旋通道的出料口，在下端板上设置有连通储料腔与螺旋通道的出料孔；在竖直方向上，轴肩的下表面向下超过外筒体的下端面；储料腔内的金属粉末能够经出料孔进入到螺旋通道内，并在螺旋输送杆的推动下，进入到出料口内；在定子上设置有安装部，该安装部用于将搅拌摩擦增材制造装置连接到机加工设备上。

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，在搅拌头的下表面上具有向下突出的搅拌针。

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，在下端板的上表面形成有一向上突出的圆锥，该圆锥位于储料腔内，在下端板上设置有若干出料孔，该若干出料孔环绕该圆锥间隔设置；在内筒体的径向方向上，各出料孔均位于内筒体的内壁与圆锥的外周面之间，在圆锥的顶部倾斜安装有至少两个搅动弹簧，该至少两个搅动弹簧环绕圆锥间隔设置，搅动弹簧的一端固定在圆锥上，搅动弹簧的另一端为自由端。

4.根据权利要求3所述的搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于，在相邻两个出料孔之间设置有一向上延伸的挡板。

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，出料孔由下向上沿空心轴的转动方向倾斜设置。

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，该定子包括一呈筒状的沿竖直方向延伸的外壳、可拆卸地安装在外壳顶部的上端盖和可拆卸地安装在外壳底部的下端盖，上端盖和下端盖分别经角接触轴承转动地连接在空心轴上。

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，该外筒体一体形成在该下端盖上。

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，该安装部形成在外壳或上端盖上。

9.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，在外筒体与内筒体之间设置有密封件。

10.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，在外筒体的外侧面上设置有一防溢板，该防溢板可拆卸地安装在外筒体上，且该防溢板的位置能够沿上下方向进行调整；该防溢板位于外筒体的下游侧。