CN219053217U - 可变径的摩擦挤压增材制造工具头 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及可变径的摩擦挤压增材制造工具头，工具头主体上设置有轴向贯穿的安装腔，安装腔内安装有可变径导向固定机构，可变径导向固定机构包括若干个直线滑轨，这若干个直线滑轨以安装腔轴心为轴合围布设，使得可变径导向固定机构中部形成轴向的金属方棒插孔，直线滑轨上设置一内环体和一外环体，外环体上设置有与直线滑轨一一对应的滑轨槽，内环体上设置有与直线滑轨一一对应的定位孔，直线滑轨上设置有第一滑轨柱和第二滑轨柱，第一滑轨柱插入定位孔定位，第二滑轨柱滑动设置在滑轨槽中，直线滑轨上还安装有夹持片。本实用新型通过可变径导向固定机构能够实现多种规格增材方棒的更换，从而实现不同宽度增材区的快速转变。

Description

可变径的摩擦挤压增材制造工具头

技术领域

本实用新型属于摩擦挤压固相增材制造领域，特别涉及一种可变径的摩擦挤压增材制造工具头。

背景技术

摩擦挤压增材制造技术（又称搅拌摩擦沉积增材制造技术）是一项新型的固相增材制造技术。它是利用高速旋转的消耗型棒料向下接近基材，在棒料摩擦挤压和工具头旋转搅拌的作用下，工具头附近的材料受热，发生塑性变形软化，但不熔化，随着工具头的横向移动和棒料的逐渐下压，材料最终沉积于基材上。该技术增材的组织均匀致密，构件残余应力低、综合力学性能优异，并且沉积速率远高于熔融金属增材制造技术。

然而现有公开的专利CN112620917A、CN111822844A以及CN115383279A中，工具头的空心轴内径仅设计成一种规格，每次也只能增材同一宽度的构件，但是在该技术的工程应用中，特别是在增材具有不同壁厚类型的大型金属构件，需要拆换不同内径的工具头，或者仅采用最小内径的工具头；前者会显著延长构件加工时间，后者在成形较厚构件时同样会降低增材速度，无法做到增材区宽度的自适应改变，这制约了该技术的工艺适应性，显著影响具有多种壁厚特征的复杂构件成形效率。因此，亟需设计一种工具头，能夹持不同直径的增材金属方棒，用以提高增材速度和效率。

实用新型内容

针对于上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种可变径的摩擦挤压增材制造工具头，该工具头通过可变径导向固定机构能够实现多种规格增材方棒的更换，从而实现不同宽度增材区的快速转变。

本实用新型采用的技术方案为：

可变径的摩擦挤压增材制造工具头，其中，包括工具头主体，工具头主体上设置有轴向贯穿的安装腔，安装腔内安装有可变径导向固定机构，可变径导向固定机构包括若干个直线滑轨，这若干个直线滑轨以安装腔轴心为轴合围布设，使得可变径导向固定机构中部形成轴向的金属方棒插孔，直线滑轨上设置一内环体和一外环体，内环体和外环体同轴设置，并能相对转动，内环体位于外环体内侧，外环体上设置有与直线滑轨一一对应的滑轨槽，内环体上设置有与直线滑轨一一对应的定位孔，直线滑轨上设置有第一滑轨柱和第二滑轨柱，第一滑轨柱插入定位孔定位，第二滑轨柱滑动设置在滑轨槽中，直线滑轨上还安装有夹持片，当外环体转动时，外环体能带动第二滑轨柱在滑轨槽中滑动，进而带动直线滑轨以第一滑轨柱为轴旋转，夹持片随着直线滑轨的旋转侵占或退出金属方棒插孔，改变金属方棒插孔直径。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的直线滑轨的数量为四个，直线滑轨合围形成的金属方棒插孔的横截面形状为正方形，内环体上的定位孔数量为四个，定位孔等间距布设在内环体上，外环体上的滑轨槽数量为四个，滑轨槽等间距布设在外环体上。

上述的滑轨槽为一直线槽，滑轨槽一端靠近外环体内侧，另一端靠近外环体外侧，使得滑轨槽两端距外环体环心的距离不相等。

上述的工具头主体上设置有一横向贯通工具头主体外侧和安装腔的工具头外壁缺口，摆柄一端与外环体固定连接，另一端从工具头外壁缺口伸出，通过横向拨动摆柄，能使外环体相对内环体转动。

上述的夹持片固定在直线滑轨底部，夹持片略高于直线滑轨底平面，使得夹持片与直线滑轨底平面间形成凹凸纹理。

上述的夹持片侵占金属方棒插孔时，能使金属方棒插孔孔径在0-30mm的范围内变化。

上述的工具头主体上设置有螺栓和键，螺栓和键用于将工具头主体与外加空心主轴连接。

上述的内环体和外环体共两组，一组设置在直线滑轨的上方，一组设置在直线滑轨的下方，相应的，直线滑轨的上端和下端均设置有第一滑轨柱和第二滑轨柱，直线滑轨上端的第一滑轨柱和第二滑轨柱分别位于上部内环体和外环体的定位孔、滑轨槽中，直线滑轨下端的第一滑轨柱和第二滑轨柱分别位于下部内环体和外环体的定位孔、滑轨槽中。

本实用新型的有益效果为：可变径的摩擦挤压增材制造工具头在增材不同棱长金属方棒时，将方棒伸入完全打开的金属方棒插孔内，通过调节摆柄，使夹持片随着直线滑轨的旋转侵占金属方棒插孔，改变金属方棒插孔直径，实现对不同直径的金属方棒的夹持，可以显著提高工具头对不同直径的金属方棒的适应性，提高增材速度和效率。

附图说明

图1为本实用新型可变径的摩擦挤压增材制造工具头的结构示意图；

图2为本实用新型内外环体的结构示意图；

图3为本实用新型直线滑轨的结构示意图；

图4为本实用新型直线滑轨打开时的工具头底部示意图；

图5为直线滑轨底部结构示意图；

图6为可变径导向固定机构底部结构示意图；

图7为可变径导向固定机构底部与内环体配合的示意图。

附图标记为：工具头主体1、安装腔11、工具头外壁缺口12、可变径导向固定机构2、金属方棒插孔21、直线滑轨3、第一滑轨柱31、第二滑轨柱32、夹持片33、内环体4、定位孔41、外环体5、滑轨槽51、摆柄6。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型提供的可变径的摩擦挤压增材制造工具头，能够实现在不更换工具头的情况下，通过可开合的可变径导向固定机构2能够实现多种规格增材方棒的更换，从而快速便捷地得到不同宽度的增材层，灵活性好。

如图1所示，本实用新型用于可变径的摩擦挤压增材制造的工具头从外至内依次包括安装腔11、可变径导向固定机构2、驱动机构。

驱动机构包括内环体4、外环体5和摆柄6。

可变径导向固定机构2的直线滑轨通过上下的第二滑轨柱32嵌套安装在驱动机构的外环体5上，4个直线滑轨3通过开合组成了可变径导向固定机构2的金属方棒插孔21，可变径导向固定机构2的金属方棒插孔21截面为正方形，其边长在0-30mm范围内。可变径导向固定机构2的金属方棒插孔21内可设置随其高速旋转的金属棒料，该金属棒料的截面为正方形，金属棒料的长度≤2000mm。

可变径导向固定机构2和驱动机构在安装腔11的装配图如图1所示，每个直线滑轨的两端各有两个圆柱体凸起，每个直线滑轨下端具有夹持片33，夹持片33在直线滑轨开合过程中，互不干涉，可密封住工具头的下端。直线滑轨的详细结构如图3所示。4个夹持片33之间由于配合与直线滑轨下端的平面产生的凹槽纹理，可在摩擦挤压增材过程中起到搅拌的作用，提高组织均匀性。

驱动机构由带滑轨槽的大小两对圆环以及一个可在任意位置固定的摆柄6组成，内环体4嵌套安装在外环体5内，如图2所示。摆柄6连接到外环体5外壁上，当拨动摆柄6，外环体5绕圆心旋转，4个直线滑轨在大小圆环的带动下实现开合，图4给出了打开和闭合时直线滑轨和摆柄6所处的位置。

本实用新型的工具头通过螺栓和键与外加空心主轴连接，在外加空心主轴的带动下，工具头的转速可在0-3000转/min范围内变动。外加空心主轴通过轴承座连接于外部数控机床上，在数控机床的驱动下可实现任意速度的竖向和横向运动，根据材料和实际需求实现材料的连续沉积。

采用本实用新型工具头进行不同规格方棒的摩擦挤压增材制造的方法，包括如下步骤：当工具头需要更换其它规格方棒时，将工具头从待增材工件表面移开，随后拨动驱动机构的摆柄6，使可变径导向固定机构2的直线滑轨完全打开，可变径导向固定机构2中未增材完毕的原规格金属方棒在重力作用下掉落，此时工具头上方的顶杆回到原位，随后从工具头上方伸入待增材的另一规格金属方棒，使其金属方棒下端刚好与工具头下端平齐，再拨动驱动机构的摆柄6使可变径导向固定机构2的直线滑轨闭合并刚好夹持金属方棒，金属方棒在重力作用下不滑落即可，接着工具头回到待增材工件表面，调节驱动机构的摆柄6使可变径导向固定机构2张开0.1-0.5mm,使金属方棒在可变径导向固定机构2内可上下滑动，最后工具头上方的顶杆重新顶住金属方棒，启动电机继续开始增材。

具体的，根据实际需求，可确定工具头的工具头下端面外径大小，以及工具头和待增材制造工件表面的空隙高度，将金属方棒伸入可变径导向固定机构2的金属方棒插孔21内，在外加空心主轴的带动下高速旋转，顶杆可在外部液压机或者电机的驱动下不断将金属方棒顶出可变径导向固定机构2，金属方棒底端与待增材工件表面高速旋转摩擦，接触区域的金属方棒持续升温并塑化，热塑化的材料在持续顶锻和工具头下端搅拌作用下在待增材工件表面流动扩散并沉积，在热塑化材料与待增材制造工件表面形成有效的冶金结合。

实施例1

设置工具头下端面的外径为55 mm，设置首次待增材6061铝合金方棒的规格为20mm×20 mm×1600 mm，待增材的工件为表面光滑的6061铝合金板，首先通过驱动机构的摆柄6将可变径导向固定机构2完全打开，然后将6061铝合金方棒伸入可变径导向固定机构2的金属方棒插孔21中，使方棒下端与工具头下端平齐，通过调节驱动机构的摆柄6使可变径导向固定机构2夹持方棒，方棒不会自由下落，再将工具头移动至待增材工件表面，调节驱动机构的摆柄6使可变径导向固定机构2张开0.5mm，工具头下端面与待增材工件的空隙设置为3 mm，设置液压缸通过顶杆施加的顶锻压力为160 Mpa,设置待增材工件的平移速度为127 mm/min，将外加空心主轴的转速设置为300 rpm，在上述设置下，6061铝合金方棒均匀稳定地沉积在工件表面上，最终形成宽度为45-50mm的增材层。

实施例2

在实施例1的设置基础上，当遇到需要沉积15-20mm宽度的6061铝合金增材层时，需要更换实施例1中20 mm×20 mm×1600 mm 规格的6061铝合金方棒，此时关闭外加主轴电机停止增材，将工具头从待增材工件上移开，拨动驱动机构的摆柄6使可变径导向固定机构2完全打开，可变径导向固定机构2中未增材完毕的方棒自动掉落，顶杆在液压缸的作用下回到初始位置，随后将12 mm×12 mm×1600 mm的6061铝合金方棒伸入可变径导向固定机构2中，使6061铝合金方棒与工具头下端面保持平齐，调节驱动机构的摆柄6夹持方棒，方棒不会自由下落，再将工具头移动至待增材工件表面，调节驱动机构的摆柄6使可变径导向固定机构2张开0.2mm，工具头下端面与待增材工件的空隙设置为1 mm，设置液压缸通过顶杆施加的顶锻压力为160 Mpa,设置待增材工件的平移速度为67.3 mm/min，将外加空心主轴的转速设置为300 rpm，在上述设置下，6061铝合金方棒均匀稳定地沉积在工件表面上，最终形成宽度为15-20mm的增材层。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.可变径的摩擦挤压增材制造工具头，其特征在于，包括工具头主体(1)，所述的工具头主体(1)上设置有轴向贯穿的安装腔(11)，所述的安装腔(11)内安装有可变径导向固定机构(2)，所述的可变径导向固定机构(2)包括若干个直线滑轨(3)，这若干个直线滑轨(3)以安装腔(11)轴心为轴合围布设，使得可变径导向固定机构(2)中部形成轴向的金属方棒插孔(21)，直线滑轨(3)上设置一内环体(4)和一外环体(5)，所述的内环体(4)和外环体(5)同轴设置，并能相对转动，内环体(4)位于外环体(5)内侧，外环体(5)上设置有与直线滑轨(3)一一对应的滑轨槽(51)，所述的内环体(4)上设置有与直线滑轨(3)一一对应的定位孔(41)，所述的直线滑轨(3)上设置有第一滑轨柱(31)和第二滑轨柱(32)，所述的第一滑轨柱(31)插入定位孔(41)定位，所述的第二滑轨柱(32)滑动设置在滑轨槽(51)中，所述的直线滑轨(3)上还安装有夹持片(33)，当外环体(5)转动时，外环体(5)能带动第二滑轨柱(32)在滑轨槽(51)中滑动，进而带动直线滑轨(3)以第一滑轨柱(31)为轴旋转，夹持片(33)随着直线滑轨(3)的旋转侵占或退出金属方棒插孔(21)，改变金属方棒插孔(21)直径。

2.根据权利要求1所述的可变径的摩擦挤压增材制造工具头，其特征在于，所述的直线滑轨(3)的数量为四个，直线滑轨(3)合围形成的金属方棒插孔(21)的横截面形状为正方形，所述的内环体(4)上的定位孔(41)数量为四个，定位孔(41)等间距布设在内环体(4)上，所述的外环体(5)上的滑轨槽(51)数量为四个，滑轨槽(51)等间距布设在外环体(5)上。

3.根据权利要求2所述的可变径的摩擦挤压增材制造工具头，其特征在于，所述的滑轨槽(51)为一直线槽，所述的滑轨槽(51)一端靠近外环体(5)内侧，另一端靠近外环体(5)外侧，使得滑轨槽(51)两端距外环体(5)环心的距离不相等。

4.根据权利要求3所述的可变径的摩擦挤压增材制造工具头，其特征在于，所述的工具头主体(1)上设置有一横向贯通工具头主体(1)外侧和安装腔(11)的工具头外壁缺口(12)，摆柄(6)一端与外环体(5)固定连接，另一端从工具头外壁缺口(12)伸出，通过横向拨动摆柄(6)，能使外环体(5)相对内环体(4)转动。

5.根据权利要求4所述的可变径的摩擦挤压增材制造工具头，其特征在于，所述的夹持片(33)固定在直线滑轨(3)底部，所述的夹持片(33)略高于直线滑轨(3)底平面，使得夹持片(33)与直线滑轨(3)底平面间形成凹凸纹理。

6.根据权利要求5所述的可变径的摩擦挤压增材制造工具头，其特征在于，所述的夹持片(33)侵占金属方棒插孔(21)时，能使金属方棒插孔(21)孔径在0-30mm的范围内变化。

7.根据权利要求6所述的可变径的摩擦挤压增材制造工具头，其特征在于，所述的工具头主体(1)上设置有螺栓和键，所述的螺栓和键用于将工具头主体(1)与外加空心主轴连接。

8.根据权利要求7所述的可变径的摩擦挤压增材制造工具头，其特征在于，所述的内环体(4)和外环体(5)共两组，一组设置在直线滑轨(3)的上方，一组设置在直线滑轨(3)的下方，相应的，直线滑轨(3)的上端和下端均设置有第一滑轨柱(31)和第二滑轨柱(32)，直线滑轨(3)上端的第一滑轨柱(31)和第二滑轨柱(32)分别位于上部内环体(4)和外环体(5)的定位孔(41)、滑轨槽(51)中，直线滑轨(3)下端的第一滑轨柱(31)和第二滑轨柱(32)分别位于下部内环体(4)和外环体(5)的定位孔(41)、滑轨槽(51)中。

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