一种强制液冷防积屑的搅拌摩擦增材制造装置及方法

技术领域

本发明涉及一种液冷搅拌摩擦增材制造装置及方法，属于搅拌摩擦增材制造技术领域。

背景技术

随着航空航天大型轻量化金属构件升级换代步伐的急剧加快，研制周期不断缩短，传统“铸造/锻造+机加工”的制造方式已难以满足低成本、高效率的制造要求和复杂化、轻质化、整体化的结构要求。搅拌摩擦增材制造技术作为一种固相增材制造方式，全过程不涉及材料的熔化和凝固，直接在固态或热塑化状态下沉积成形，避免了熔化增材制造易形成气孔、裂纹等缺陷的弊端，在铝合金、镁合金等轻合金增材制造领域具有巨大的优势。

然而，该方法与搅拌摩擦焊接以及铣削过程存在一定的类似性，在铝合金等轻合金增材过程中增材工具对应焊具、铣刀表面极易形成积屑，造成增材工具型面尺寸精度的超差，甚至在积屑过量堆积后影响增材过程的工作，并使得增材工具无法重启动工作。

因此，亟需提出一种强制液冷防积屑的搅拌摩擦增材制造装置及方法，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决增材过程中增材工具表面极易形成积屑，影响增材过程的问题，提供一种强制液冷防积屑的搅拌摩擦增材制造装置及方法，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

本发明的技术方案：

一种强制液冷防积屑的搅拌摩擦增材制造装置，包括非旋转部件和旋转部件，非旋转部件的内侧同轴设置有旋转部件，非旋转部件包括输送部、液冷介质导入部、液冷介质导出部和增材原料送入部，输送部具有锥形的中空通道，输送部的侧面设置有液冷介质导入部、液冷介质导出部、增材原料送入部，增材原料送入部位于液冷介质导入部、液冷介质导出部之间，旋转部件包括旋转台阶部，锥形的旋转台阶部设置在中空通道内，旋转台阶部的外壁设置有旋转台阶。

优选的：输送部的一侧从上到下设置有液冷介质导入部、液冷介质导出部，输送部的另一侧设置有增材原料送入部，输送部的中空通道与液冷介质导入部、液冷介质导出部、增材原料送入部连通。

优选的：非旋转部件的上部焊接有夹持部，夹持部上加工有周向等距布置的若干通孔，夹持部用于与机加工设备的主轴非旋转定子部分连接，通孔用于定位装夹，输送部的下部为锥形，输送部的底端具有轴肩部。

优选的：旋转部件还包括夹持部和搅拌针部，夹持部、旋转台阶部、搅拌针部顺次设置，夹持部侧面设置有铣平面，夹持部用于与机加工设备的旋转主轴转子部分连接，铣平面用于侧固式装夹。

优选的：台阶横面与纵面相互垂直，旋转台阶与中空通道之间配合，装配间隙0.1～0.3mm。

优选的：旋转台阶部的底面均布有圆台型的搅拌针部，旋转台阶部的底面与轴肩部位于同一平面。

优选的：旋转台阶部表面设有碳化钨或碳化铬硬质陶瓷涂层。

一种强制液冷防积屑的搅拌摩擦增材制造方法，包括以下步骤：

步骤一：旋转部件启动，旋转部件高速旋转；

步骤二：强制液冷介质从液冷介质导入部以速率F1注入，并沿着连续贯通的送丝与液体冷却介质通道旋转台阶向下流动，随后从液冷介质导出部以速率F2流出，增材原料丝同步以速率D1从增材原料送入部送入，并在旋转台阶部的挤压推动作用下向下运动，其在有强制液冷介质的区域Z2不会发生热塑化，而在进入没有强制液冷介质的区域Z3后开始热塑化，随后被挤入轴肩部和搅拌针部附近，在二者的大塑性变形与热塑化作用下以沉积速率D2形成致密平整的增材制造层；

步骤三：装置同步沿着增材路径运动，形成增材制造层，并在增材一层完成后，抬起一定距离再进行下一层的增材制造。

优选的：步骤二中，中空通道分为四个区域，分别为没有强制液体冷却介质和增材原料丝送入的第一区域、有强制液体冷却介质而增材原料丝不会热塑化的第二区域、无强制液体冷却介质而增材原料丝初步热塑化的第三区域、增材制造层沉积成形的第四区域，第一区域、第二区域、第三区域、第四区域从上到下布置，液冷介质导入部位于第一区域，增材原料送入部位于第二区域，液冷介质导出部位于第三区域，搅拌针部位于第四区域。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明通过旋转台阶可以提供对增材原料丝持续的推动力，以达到强制去除积屑并防止后续积屑的作用；

2.本发明通过锥形中空通道与旋转部件的旋转台阶部配合，从而提供增材原料持续向下输送的推动力，构成的通道即可连续贯通的送丝，也可实现连续贯通的液体冷却介质的输送，设计合理，降低了结构的复杂程度，节约成本、降低重量的同时，保证冷却效果；

3.本发明适用性广，可推广应用至各类基于连续送料原理的搅拌摩擦固相增材制造过程。

附图说明

图1是一种强制液冷防积屑的搅拌摩擦增材制造装置的工作过程示意图；

图2是非旋转部件结构示意图；

图3是旋转部件结构示意图。

图中：1-非旋转部件，101-夹持部，10101-定位装夹通孔，102-输送部，10201-锥形中空通道，103-液冷介质导入部，104-液冷介质导出部，105-增材原料送入部，106-轴肩部，2-旋转部件，201-夹持部，20101-侧铣平面，202-旋转台阶部，20201-锥形旋转台阶，203-搅拌针部。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

具体实施方式一：结合图1-3说明本实施方式，本实施方式的一种强制液冷防积屑的搅拌摩擦增材制造装置，包括非旋转部件1和旋转部件2，非旋转部件1的内侧同轴设置有旋转部件2，非旋转部件1包括输送部102、液冷介质导入部103、液冷介质导出部104和增材原料送入部105，输送部102具有锥形的中空通道10201，输送部102的侧面设置有液冷介质导入部103、液冷介质导出部104、增材原料送入部105，增材原料送入部105的高度位于液冷介质导入部103、液冷介质导出部104之间，旋转部件2包括旋转台阶部202，锥形的旋转台阶部202设置在中空通道10201内，旋转台阶部202的外壁设置有旋转台阶20201。

具体实施方式二：结合图1-3说明本实施方式，本实施方式的一种强制液冷防积屑的搅拌摩擦增材制造装置，输送部102的一侧从上到下设置有液冷介质导入部103、液冷介质导出部104，输送部102的另一侧设置有增材原料送入部105，输送部102的中空通道10201与液冷介质导入部103、液冷介质导出部104、增材原料送入部105连通，液冷介质导出部104与抽水泵连接，液冷介质导入部103与注水泵连接，防止液冷介质从底端流出，由于增材原料丝本身性能，其在Z2阶段发生沿旋转台阶方向的形变，其与旋转台阶部发生了粘连，因此其在热塑后从中空通道底端流出，不会从液冷介质导出不流出，设计合理，降低了结构的复杂程度，节约成本、降低重量的同时，保证冷却效果，在不适用抽水泵时，装置也可通过在输送过程中对液冷介质加压，使液冷介质从低压端的液冷介质导出部104流出；输送部102内设有一锥形中空通道10201，用于跟旋转部件的旋转台阶部202配合，从而提供增材原料持续向下输送的推动力，构成的通道即可连续贯通的送丝，也可实现连续贯通的液体冷却介质的输送；液冷介质导入部103和液冷介质导出部104分别用于冷却介质通道中的注入和流出；增材原料送入部105用于将增材原料丝以一定速率持续的送入通道中。

具体实施方式三：结合图1-3说明本实施方式，本实施方式的一种强制液冷防积屑的搅拌摩擦增材制造装置，非旋转部件1的上部焊接有夹持部101，夹持部101上加工有周向等距布置的若干通孔10101，夹持部101用于与包括但不限于搅拌摩擦焊机、数控铣床、数控加工中心等机加工设备的主轴非旋转定子部分连接，通孔10101用于定位装夹，输送部102的下部为锥形，输送部102的底端具有轴肩部106；轴肩部106起到对旋转部件搅拌针部热塑化的小颗粒状增材原料压实抹平作用，形成致密平整的增材制造层。

具体实施方式四：结合图1-3说明本实施方式，本实施方式的一种强制液冷防积屑的搅拌摩擦增材制造装置，旋转部件2还包括夹持部201和搅拌针部203，夹持部201、旋转台阶部202、搅拌针部203顺次设置，夹持部201、旋转台阶部202、搅拌针部203一体加工，夹持部201侧面设置有铣平面20101，夹持部201用于与包括但不限于搅拌摩擦焊机、数控铣床、数控加工中心等机加工设备的旋转主轴转子部分连接，一侧铣平面20101用于侧固式装夹；搅拌针部用于接收从通道中推出的热塑化增材原料并高速旋转搅拌摩擦增材原料以形成致密的增材制造层，其结构为旋转台阶部端面的圆周均布的数个圆台状突起。

具体实施方式五：结合图1-3说明本实施方式，本实施方式的一种强制液冷防积屑的搅拌摩擦增材制造装置，旋转台阶20201沿阿基米德螺螺旋方向设置，台阶横面与纵面相互垂直，螺距相同的旋转台阶20201与中空通道10201之间配合，装配间隙0.1～0.3mm，从而形成连续贯通的送丝与液体冷却介质通道；本发明通过构筑连续贯通并持续通有强制液体冷却介质的送丝增材通道，并将整个通道划分为四个不同区域，保证了旋转台阶可以提供对增材原料丝持续的推动力，以达到强制去除积屑并防止后续积屑的作用；。

具体实施方式六：结合图1-3说明本实施方式，本实施方式的一种强制液冷防积屑的搅拌摩擦增材制造装置，旋转台阶部202的底面均布有圆台型的搅拌针部203，旋转台阶部202的底面与轴肩部106位于同一平面。

具体实施方式七：结合图1-3说明本实施方式，本实施方式的一种强制液冷防积屑的搅拌摩擦增材制造装置，旋转台阶部202表面设有碳化钨或碳化铬硬质陶瓷涂层，避免钢制工具与热塑化的铝合金、镁合金间产生冶金反应而生成金属间化合物，以有效抑制积屑形成。

具体实施方式八：结合图1-3说明本实施方式，本实施方式的一种强制液冷防积屑的搅拌摩擦增材制造方法，其特征在于：采用一种强制液冷防积屑的搅拌摩擦增材制造装置，以下简称装置，包括以下步骤：

步骤一：旋转部件2启动，旋转部件2高速旋转；

步骤二：强制液冷介质从液冷介质导入部103以一定速率F1注入，并沿着连续贯通的送丝与液体冷却介质通道旋转台阶向下流动，随后从液冷介质导出部104以一定速率F2流出，F2＞F1，增材原料丝同步以一定速率D1从增材原料送入105部送入，并在旋转台阶部202的挤压推动作用下向下运动，其在有强制液冷介质的区域Z2不会发生热塑化，而在进入没有强制液冷介质的区域Z3后开始热塑化，随后被挤入轴肩部106和搅拌针部203附近，在二者的大塑性变形与热塑化作用下以一定沉积速率D2形成致密平整的增材制造层；本发明施加的强制液体冷却介质可在搅拌摩擦固相增材制造的过程中对增材工具与增材层起到持续的降温作用，从而降低增材层微观组织的热损伤，提高增材构件的综合力学性能；

步骤三：装置同步沿着增材路径运动，形成增材制造层，并在增材一层完成后，抬起一定距离再进行下一层的增材制造；本发明适用性广，可推广应用至各类基于连续送料原理的搅拌摩擦固相增材制造过程。

具体实施方式九：结合图1-3说明本实施方式，本实施方式的一种强制液冷防积屑的搅拌摩擦增材制造装置，步骤二中，中空通道10201分为四个区域，分别为没有强制液体冷却介质和增材原料丝送入的第一区域、有强制液体冷却介质而增材原料丝不会热塑化的第二区域、无强制液体冷却介质而增材原料丝初步热塑化的第三区域、增材制造层沉积成形的第四区域，第一区域Z1、第二区域Z2、第三区域Z3、第四区域Z4从上到下布置，液冷介质导入部103位于第一区域Z1，增材原料送入部105位于第二区域Z2，液冷介质导出部104位于第三区域Z3，搅拌针部203位于第四区域Z4，由于旋转台阶部呈锥状，根据流体连续性方程可知，介质和原料丝在向下输送的过程中速率均会逐渐提升，因此即使第三区域Z3局部发生一定的积屑现象，由于第二区域Z2持续通有强制液体冷却介质而不会发生热塑化，第二区域Z2挤入第三区域Z3的增材原料丝会将原来的积屑强制刮掉，并一起继续向第四区域Z4运动，从而彻底避免了积屑现象的出现。

需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。