CN217701792U - 一种用于差速摩擦挤压增材制造的主轴系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于差速摩擦挤压增材制造的主轴系统，该主轴系统以不同转速转动的空心主轴及空心副轴，空心副轴的转速为空心主轴转速的60‑80％，所述空心主轴嵌套设于空心副轴内，所述空心主轴内设有随其同速转动的金属棒料。本实用新型的主轴系统能够实现金属棒料和待增材制造工件表面的有效冶金结合，且组织均匀、晶粒细小、致密度高，性能优异。
Description
技术领域
本实用新型属于摩擦挤压增材制造领域，尤其涉及一种用于差速摩擦挤压增材制造的主轴系统。
背景技术
摩擦挤压沉积技术基于搅拌摩擦焊接的原理，用固态金属棒料取代搅拌摩擦焊搅拌头中的搅拌针，在顶杆的推动下，金属棒料与待沉积表面紧密贴合。在空心主轴带动的高速旋转下，金属棒料与待沉积表面摩擦生热，导致金属棒料持续塑化，塑化的金属逐渐填满主轴下端面与待沉积表面的间隙。在主轴下端面和待沉积表面的相对旋转作用下，塑化金属与待沉积表面形成有效冶金结合，最终达到固相沉积的目的。
然而现有技术中，由于主轴下端面是近圆环状，越靠近圆环外边缘的区域，相对于待沉积表面的线速度越大，越大的线速度将导致金属塑化程度越高，金属的流动性越好，越难与待沉积表面形成有效的冶金结合，形成界面缺陷。此外，边缘金属较好的流动性引起间隙内部金属的压力下降，导致沉积金属的致密度下降，影响沉积金属的力学性能。
实用新型内容
实用新型目的：本实用新型的第一目的是提供一种主轴系统，该主轴系统通过差速摩擦挤压能够获得组织均匀、晶粒细小、致密度高及性能优异的增材制造金属；
技术方案：本实用新型用于差速摩擦挤压增材制造的主轴系统，包括以不同转速转动的空心主轴及空心副轴，空心副轴的转速为空心主轴转速的60-80％，所述空心主轴嵌套设于空心副轴内，所述空心主轴内设有随其同速转动的金属棒料。
进一步说，该主轴系统的空心主轴和空心副轴的下端面位于同一水平面，且空心主轴的下端面外圈与空心副轴下端面内圈之间的间隙小于0.2mm。
进一步说，该主轴系统还包括固定空心主轴和空心副轴的外层固定套。
进一步说，该主轴系统还包括推动金属棒料竖向运动的顶杆。
进一步说，该主轴系统的空心主轴通过轴承设于空心副轴的内部。
进一步说，该主轴系统的空心副轴通过轴承设于外层固定套的内部。
进一步说，该主轴系统的空心副轴及外层固定套内分别设有固定轴承的台阶或卡簧槽。
进一步说，该主轴系统的空心主轴和空心副轴的顶端分别设有促使其转动的皮带轮。
进一步说，该主轴系统的空心主轴的内孔截面形状与金属棒料的截面形状相似，呈多边形。
有益效果：与现有技术相比，本实用新型的优点为：该主轴系统通过设置同轴不用速度转动的空心主轴和空心副轴，在增材制造时通过两者的差速旋转剪切作用下，能够实现金属棒料和待增材制造工件表面的有效冶金结合，且组织均匀、晶粒细小、致密度高、性能优异。
附图说明
图1为本实用新型主轴系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步详细说明。
如图1所示，本实用新型用于差速摩擦挤压增材制造的主轴系统从外至内依次包括外层固定套4、空心副轴2及空心主轴1。空心主轴1和空心副轴2的下端面位于同一平面，且空心主轴1的下端面外圈与空心副轴2下端面内圈之间的间隙小于0.2mm。
空心副轴2通过轴承6嵌套设于外层固定套4内，空心主轴1通过轴承6嵌套设于空心副轴2内，对应的，外层固定套4及空心副轴2内均设有与用于固定轴承6 的台阶或者卡簧槽。空心副轴2的顶端以键连接的方式设有皮带轮7，空心主轴1 的顶端以键连接的方式设有皮带轮7，且空心副轴2的皮带轮7与空心主轴1的皮带轮7保持一定的高度差，以避免互相干涉。通过轴承6和皮带轮7的设置，在外接电机的作用下，实现空心主轴1和空心副轴2的转动。而最为关键的空心主轴1和空心副轴2两者的转速不同，通过两者的差速旋转剪切，实现有效冶金结合，且组织均匀、晶粒细小、致密度高、性能优异。而两者的转速亦可根据实际需求进行调整，空心主轴1的转速大于800转/min；空心副轴2的转速大于500转/min，且空心副轴2的转速为空心主轴1转速的60-80％，使得空心副轴2的平均线速度与空心主轴1的平均线速度接近，进而空心副轴2与表面间隙内的金属的塑化程度与空心主轴1与表面间隙内的金属的塑化程度接近，获得组织均匀的增材制造金属。
空心主轴1内嵌套设置能够随其高速旋转的金属棒料3，该金属棒料3的截面可为多边形，对应的，空心主轴1的内孔截面形状与其相似，且空心主轴1的内孔尺寸稍略大于金属棒料3，而金属棒料3的长度小于空心主轴1的长度。空心主轴1 内还包括将金属棒料3以恒定速度将其从空心主轴1内孔底端推出的顶杆5，该顶杆5的运动依托于外部电机。本实用新型的主轴系统通过外部固定套4固定连接于外部执行机构上，在外部执行机构的驱动下可实现竖向的运动，进而根据实际需求调整主轴系统下端面与待增材制造工件表面的空隙。同样地，待增材制造工件在水平数控台面的带动下，根据实际需求能够以一定的速度在水平面内任意方向移动，且移动过程中始终保持在同一个平面内，使得该主轴系统能够连续沉积。
采用本实用新型主轴系统进行差速摩擦增材制造的方法，包括如下步骤：将主轴系统位于待增材制造工件表面上端，并根据实际需求留有一定的空隙，空心主轴1和空心副轴2以不同的速度旋转，金属棒料3在空心主轴1的带动下高速旋转并与待增材制造工件表面摩擦塑化形成冶金结合；随着塑化金属的不断塑化，塑化金属向空心副轴2端面和工件表面的空隙扩散，在空心副轴2的差速旋转剪切下，形成塑化金属与工件表面的冶金结合。
具体的，根据实际需求，确定主轴系统和待增材制造工件表面的空隙高度，将金属棒料3和顶杆5插在空心主轴1内，在空心主轴1的带动下高速旋转，顶杆5 在外部机电的驱动下不断将金属棒料3顶出空心主轴1，金属棒料3顶端与待增材制造工件表面高速旋转摩擦，接触区域的金属棒料3持续塑化，在顶杆5的作用下向金属棒料3的端面与待增材制造工件表面的空隙扩散，空心主轴1端面与待增材制造工件表面的相对旋转持续加热塑化金属，在塑化金属与待增材制造工件表面之间形成有效冶金结合。
随着塑化金属的不断塑化，塑化金属扩散到空心副轴2端面与待增材制造工件表面的间隙，空心副轴2的旋转速度较慢，其平均线速度与空心主轴1的平均线速度接近，空心副轴2与表面间隙内的金属的塑化程度与空心主轴1与表面间隙内的金属的塑化程度接近。塑化金属在空心副轴2下端面与待增材制造工件表面的低速相对旋转剪切作用下保持较低塑化状态，与待增材制造工件表面形成有效冶金结合，同时增加了塑化金属的内压力。通过该方法，沉积金属与待增材制造工件表面的界面冶金结合比例大幅提高，沉积金属的致密度和力学性能大幅增加，且组织均匀，晶粒细小。
实施例1
设置空心主轴下端面的外径为20mm，设置空心主轴内孔的截面为8mm× 8mm的正方形，设置空心副轴下断面的外径为30mm，将截面为7.5mm×7.5mm 的6061铝合金棒料插入空心主轴的内孔，待增材制造工件为表面平整的6061铝合金板，空隙设置为1mm，设置顶杆的推出速度为0.5mm/s，设置待增材制造工件的平移速度为1mm/s，将空心主轴的转速设置为900转/min，空心副轴的转速设置为600转/min，获得沉积金属。
对比例1
设置空心主轴下端面的外径为20mm，设置空心主轴内孔的截面为8mm× 8mm的正方形，设置空心副轴下断面的外径为30mm，将截面为7.5mm×7.5mm 的6061铝合金棒料插入空心主轴的内孔，待增材制造工件为表面平整的6061铝合金板，间隙设置为1mm，设置顶杆的推出速度为0.5mm/s，设置待增材制造工件的平移速度为1mm/s，将空心主轴的转速设置为900转/min，空心副轴的转速设置为900转/min，即空心主轴和空心副轴同速。获得沉积金属。
性能检测：实施例1与基体的界面有效结合宽度为28.7mm，而对照例1与基体的界面有效结合宽度为26.3mm。实施例1的平均晶粒尺寸为5.6μm，而对照例1 的平均晶粒尺寸为12.4μm。实施例1的内部致密，几乎无空洞缺陷，对照例1的内部存在较多的空洞缺陷。实施例1的平均显微硬度为83HV，对照例1的平均显微硬度为68HV。
实施例2
设置空心主轴下端面的外径为20mm，设置空心主轴内孔的截面为8mm× 8mm的正方形，设置空心副轴下断面的外径为30mm，将截面为7.5mm×7.5mm 的AZ31镁合金棒料插入空心主轴的内孔，待增材制造工件为表面平整的AZ31镁合金板，间隙设置为1mm，设置顶杆的推出速度为0.5mm/s，设置待增材制造工件的平移速度为1mm/s，将空心主轴的转速设置为900转/min，空心副轴的转速设置为570转/min，获得沉积金属。
对比例2
设置空心主轴下端面的外径为20mm，设置空心主轴内孔的截面为8mm× 8mm的正方形，设置空心副轴下端面的外径为30mm，将截面为7.5mm×7.5mm 的AZ31镁合金棒料插入空心主轴的内孔，待增材制造工件为表面平整的AZ31镁合金板，间隙设置为1mm，设置顶杆的推出速度为0.5mm/s，设置待增材制造工件的平移速度为1mm/s，将空心主轴的转速设置为900转/min，空心副轴的转速设置为900转/min，即空心主轴和空心副轴同速，获得沉积金属。
性能检测：通过实施例2对比例2可知，实施例2与基体的界面有效结合宽度为27.8mm，而对照例2与基体的界面有效结合宽度为24.7mm。实施例2的平均晶粒尺寸为9.4μm，而对照例2的平均晶粒尺寸为18.7μm所示。实施例2的内部致密，几乎无空洞缺陷，对照例2的内部存在大量的空洞缺陷。实施例2的平均显微硬度为62HV，对照例2的平均显微硬度为46HV。
通过实施例1和实施例2可以发现，采用这种差速摩擦挤压沉积主轴制备的沉积金属，其与基体的冶金结合效果好，晶粒细化，致密度提高，性能大幅提升。
Claims (9)
1.一种用于差速摩擦挤压增材制造的主轴系统，其特征在于：该主轴系统包括以不同转速转动的空心主轴(1)及空心副轴(2)，空心副轴(2)的转速为空心主轴(1)转速的60-80％，所述空心主轴(1)嵌套设于空心副轴(2)内，所述空心主轴(1)内设有随其同速转动的金属棒料(3)。
2.根据权利要求1所述用于差速摩擦挤压增材制造的主轴系统，其特征在于：所述空心主轴(1)和空心副轴(2)的下端面位于同一水平面，且空心主轴(1)的下端面外圈与空心副轴(2)下端面内圈之间的间隙小于0.2mm。
3.根据权利要求1所述用于差速摩擦挤压增材制造的主轴系统，其特征在于：该主轴系统还包括固定空心主轴(1)和空心副轴(2)的外层固定套(4)。
4.根据权利要求1所述用于差速摩擦挤压增材制造的主轴系统，其特征在于：该主轴系统还包括推动金属棒料(3)竖向运动的顶杆(5)。
5.根据权利要求1所述用于差速摩擦挤压增材制造的主轴系统，其特征在于：所述空心主轴(1)通过轴承(6)设于空心副轴(2)的内部。
6.根据权利要求3所述用于差速摩擦挤压增材制造的主轴系统，其特征在于：所述空心副轴(2)通过轴承(6)设于外层固定套(4)的内部。
7.根据权利要求6所述用于差速摩擦挤压增材制造的主轴系统，其特征在于：所述空心副轴(2)及外层固定套(4)内分别设有固定轴承(6)的台阶或卡簧槽。
8.根据权利要求1所述用于差速摩擦挤压增材制造的主轴系统，其特征在于：所述空心主轴(1)和空心副轴(2)的顶端分别设有促使其转动的皮带轮(7)。
9.根据权利要求1所述用于差速摩擦挤压增材制造的主轴系统，其特征在于：所述空心主轴(1)的内孔截面形状与金属棒料(3)的截面形状相似，呈多边形。
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| CN202220696078.1U CN217701792U (zh) | 2022-03-28 | 2022-03-28 | 一种用于差速摩擦挤压增材制造的主轴系统 |
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| CN115283813A (zh) * | 2022-03-28 | 2022-11-04 | 江苏大学 | 一种用于差速摩擦挤压增材制造的主轴系统及方法 |
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2022
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| CN115283813B (zh) * | 2022-03-28 | 2024-09-13 | 江苏大学 | 一种用于差速摩擦挤压增材制造的主轴系统及方法 |
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