一种自动送粉式搅拌摩擦焊增材制造主机头及使用方法

技术领域

本发明涉及一种自动送粉式搅拌摩擦焊增材制造主机头及使用方法，属于增材制造及应用技术领域。

背景技术

国内增材制造技术或者装备，一般采用激光或电弧作为热源，实现金属材料的增材制造，该方式对环境洁净度及粉末颗粒度有很高的的要求，增材制造组织具有气孔或者热裂倾向，产品有一定的报废率，制造成本较高。搅拌摩擦固相增材制造技术克服了激光或电弧增材存在的瓶颈问题，能够实现在裸露环境及较低温度下(低于金属的熔点)的金属快速成型。因此，其实现了搅拌摩擦焊接技术与增材制造技术的有效结合，对增材制造组织有一定的锻压作用，可有效避免焊缝中的气孔、疏松及热裂纹倾向，满足多种金属固相增材技术的应用需求，具有较高的研究价值及广泛的应用前景。

公开号为CN113857643A的中国专利文献，公开了一种基于粉末的摩擦搅拌焊增材制造的机构，在使用时，将金属粉末不间断的通过中空主轴送达工作面，通过空心搅拌头的搅拌摩擦将金属粉末搅拌摩擦发生塑性软化，最终固态沉积，逐层叠加，形成所需的形状。通过搅拌摩擦可以使金属的晶粒更加细致紧密，增材部分的材质物理特性优于母材，同时因没有高温融化金属，不产生气孔夹渣等缺陷，大幅提高的增材制造的质量；连续稳定可控的金属粉末送进，使增材可以不间断进行，大幅提高了增材的效率。

但是，该机构在工作过程中不能对空心搅拌头及空心主轴所承载的顶锻力进行有效控制，不利于焊缝成形且增材制造组织一致性较差。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种自动送粉式搅拌摩擦焊增材制造主机头及使用方法。

本发明通过以下技术方案得以实现：

一种自动送粉式搅拌摩擦焊增材制造主机头，包括承载架和机头主体，所述机头主体与承载架滑动连接，且机头主体通过拉力检测组件与承载架连接。

所述机头主体通过四组滑动组件与承载架连接，滑动组件包括导轨和与导轨滑动连接的滑块，拉力检测组件为拉力传感器。

所述机头主体包括外支架、内支架、主轴总成和送粉机构总成，主轴总成和送粉机构总成均设在内支架上，且送粉机构总成部分插入到主轴总成中，内支架位于外支架的内侧，内支架上固定设有两根转轴，两根转轴同轴布置，且两根转轴均与外支架转动连接，内支架还通过两个倾角调节组件与外支架连接。

所述倾角调节组件包括双耳座和调节螺杆，双耳座设在内支架的底部，调节螺杆的上端通过销轴与双耳座转动连接，调节螺杆的下端穿过内支架上的避让孔，且调节螺杆上在避让孔的上下侧均螺纹连接有调节螺母，转轴上远离内支架的一端端面上设有标识线，承载架上在与转轴相对应的位置开设有观察孔，且承载架上在观察孔周围设有角度刻度。

所述送粉机构总成包括支撑架、送粉驱动电机、送粉管和送粉螺旋轴，支撑架通过底座安装在内支架上，送粉驱动电机通过减速机安装在支撑架上，送粉管的上端与底座的底部固定连接，且送粉管的上部设有粉料供应管，送粉螺旋轴的下端延伸到送粉管中，上端穿过底座后通过联轴器与减速机的输出轴连接。

所述主轴总成包括主轴驱动电机、空心焊接主轴和焊接刀具总成，主轴驱动电机设在内支架上，且主轴驱动电机的输出轴上套装有同步带轮A，空心焊接主轴转动套装在送粉管上，且空心焊接主轴的上端设有同步带轮B，同步带轮B通过同步带与同步带轮A传动连接，焊接刀具总成设在空心焊接主轴的下端。

所述焊接刀具总成包括空心刀柄和空心增材搅拌头，空心增材搅拌头设在空心刀柄的下端，空心刀柄的上端与送粉管的下端接触。

所述空心刀柄的下部设有多个冷却通道，冷却通道内装有冷却介质，且冷却通道的端部螺纹连接有堵头。

还包括主轴外罩、刀具外罩和高频感应加热线圈，主轴外罩的上端与内支架连接，刀具外罩位于主轴外罩的下方，且刀具外罩通过多块连接板与主轴外罩连接，空心增材搅拌头位于高频感应加热线圈的内侧，高频感应加热线圈的两端贯穿刀具外罩侧壁，并与刀具外罩侧壁连接。

一种自动送粉式搅拌摩擦焊增材制造主机头的使用方法，包括以下步骤：

步骤一、将主机头的承载架与数控龙门机床的Z轴滑枕连接，并将拉力检测组件、主轴驱动电机和送粉驱动电机与数控龙门机床的控制系统电性连接，

步骤二、通过数控龙门机床的控制系统预设顶锻力值，

步骤三、启动数控龙门机床，机床Z轴带动主机头下移与工件表面接触，并自动将实际顶锻力值调整与预设顶锻力值相等，同时启动主轴总成和送粉机构总成，对工件进行增材制造。

本发明的有益效果在于：

1、通过拉力检测组件检测顶锻力大小，通过数控龙门机床的Z轴上下调整主机头在高度方向上的位置，来达到调整顶锻力大小的目的，使顶锻力保持恒定，实现对顶锻力进行有效控制，有利于焊缝成形，且增材制造组织一致性好。

2、退松调节螺杆上避让孔上下侧的调节螺母后，即可以参照转轴端面上的标识线，及其与承载架上角度刻度的相对位置，使机头主体绕转轴中轴线转动一定角度，然后拧紧上下两个调节螺母，达到调节机头主体倾角的目的，以满足不同工件或者不同倾角的搅拌摩擦焊增材制造需求，显著提高了主机头的实用性。

3、通过旋转的送粉螺旋轴将金属粉料加压输送给空心刀柄，然后经空心增材搅拌头送达工件表面；金属粉料从送粉管下端出来时，由于送粉管内孔的下端作收口设计，能够达到进一步加压输送金属粉料的目的，可以通过送粉驱动电机调节和控制金属粉料送料速度，能够实现金属粉料连续稳定送料。

4、金属粉料输送速度调节，与空心焊接主轴和空心增材搅拌头转速调节互不相关，可以分别、简便地调节金属粉料输送速度和空心增材搅拌头转速，更容易使金属粉料输送速度与空心增材搅拌头转速相匹配，提高了主机头的实用性。

5、空心刀柄的下部加工有多个冷却通道，冷却通道内装有冷却介质，通过冷却介质对空心刀柄进行冷却，避免空心增材搅拌头工作时将多余的热量上传至空心焊接主轴。

6、可以通过高频感应加热线圈对空心增材搅拌头及空心增材搅拌头内部的金属粉料进行预热，能够提高主机头的加工质量和加工效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1在另一视角的结构示意图；

图3为图1拆除承载架后的结构示意图；

图4为图3拆除外支架后的结构示意图；

图5为图4的俯视结构示意图；

图6为图5沿A-A的剖视图；

图7为本发明的空心刀柄的结构示意图；

图8为本发明的空心刀柄的纵剖视图。

图中：1-承载架，100-观察孔，101-角度刻度，2-机头主体，20-外支架，21-转轴，22-主轴外罩，23-刀具外罩，24-倾角调节组件，240-双耳座，241-调节螺杆，242-调节螺母，25-内支架，26-主轴总成，260-主轴驱动电机，261-同步带轮A，262-同步带，263-同步带轮B，264-空心焊接主轴，265-空心刀柄，2650-冷却通道，266-空心增材搅拌头，27-送粉机构总成，270-送粉驱动电机，271-支撑架，272-联轴器，273-底座，274-送粉管，275-送粉螺旋轴，276-减速机，277-粉料供应管，28-连接板，29-高频感应加热线圈，3-滑动组件，30-导轨，31-滑块，4-拉力检测组件。

具体实施方式

下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

如图1至图8所示，本发明所述的一种自动送粉式搅拌摩擦焊增材制造主机头，包括承载架1和机头主体2，所述机头主体2与承载架1滑动连接，且机头主体2通过拉力检测组件4与承载架1连接。在使用时，通过螺栓等紧固件将承载架1安装到数控龙门机床的Z轴滑枕上，并将拉力检测组件4与数控龙门机床的控制系统电性连接，在主机头对工件进行搅拌摩擦焊增材制造的过程中，机头主体2与工件表面接触，同时工件反作用于机头主体2，机头主体2有相对承载架1向上滑动的趋势，拉力检测组件4受拉应力作用，该拉应力与机头主体2对工件的顶锻力相等，此时，可以根据需要通过数控龙门机床的Z轴上下调整主机头在高度方向上的位置，来达到调整顶锻力大小的目的，使顶锻力保持恒定，实现对顶锻力进行有效控制，有利于焊缝成形，且增材制造组织一致性好。

所述机头主体2通过四组滑动组件3与承载架1连接，滑动组件3包括导轨30和与导轨30滑动连接的滑块31，拉力检测组件4为拉力传感器。在使用时，导轨30安装在外支架20上，滑块31安装在承载架1上，通过导轨30和滑块31实现机头主体2与承载架1滑动连接。

所述机头主体2包括外支架20、内支架25、主轴总成26和送粉机构总成27，主轴总成26和送粉机构总成27均安装在内支架25上，且送粉机构总成27部分插入到主轴总成26中，内支架25位于外支架20的内侧，内支架25上固定安装有两根转轴21，两根转轴21同轴布置，且两根转轴21均与外支架20转动连接，内支架25还通过两个倾角调节组件24与外支架20连接。

所述倾角调节组件24包括双耳座240和调节螺杆241，双耳座240安装在内支架25的底部，调节螺杆241的上端通过销轴与双耳座240转动连接，调节螺杆241的下端穿过内支架25上的避让孔，且调节螺杆241上在避让孔的上下侧均螺纹连接有调节螺母242，转轴21上远离内支架25的一端端面上设有标识线，承载架1上在与转轴21相对应的位置开设有观察孔100，且承载架1上在观察孔100周围设有角度刻度101。在使用时，退松调节螺杆241上避让孔上下侧的调节螺母242后，即可以参照转轴21端面上的标识线(图中未示出)，及其与承载架1上角度刻度101的相对位置，使机头主体2绕转轴21中轴线转动一定角度，然后拧紧上下两个调节螺母242，达到调节机头主体2倾角的目的，以满足不同工件或者不同倾角的搅拌摩擦焊增材制造需求，显著提高了主机头的实用性。

所述送粉机构总成27包括支撑架271、送粉驱动电机270、送粉管274和送粉螺旋轴275，支撑架271通过底座273安装在内支架25上，送粉驱动电机270通过减速机276安装在支撑架271上，送粉管274的上端与底座273的底部固定连接，且送粉管274的上部安装有粉料供应管277，送粉螺旋轴275的下端延伸到送粉管274中，上端穿过底座273后通过联轴器272与减速机276的输出轴连接。在使用时，金属粉料经粉料供应管277进入送粉管274的上部，然后送粉驱动电机270通过减速机276、联轴器272带动送粉螺旋轴275旋转，通过旋转的送粉螺旋轴275将金属粉料加压输送给空心刀柄265，然后经空心增材搅拌头266送达工件表面，然后通过空心增材搅拌头266摩擦搅拌工件表面的金属粉料，使其发生塑性软化，最终固态沉积。送粉管274内孔下端的形状和尺寸从上至下渐缩，以通过送粉管274内孔截面从上至下渐缩达到进一步加压输送金属粉料的目的。

所述主轴总成26包括主轴驱动电机260、空心焊接主轴264和焊接刀具总成，主轴驱动电机260安装在内支架25上，且主轴驱动电机260的输出轴上套装有同步带轮A261，空心焊接主轴264转动套装在送粉管274上，且空心焊接主轴264的上端安装有同步带轮B263，同步带轮B263通过同步带262与同步带轮A261传动连接，焊接刀具总成安装在空心焊接主轴264的下端。在使用时，主轴驱动电机260通过同步带轮A261、同步带262和同步带轮B263将扭矩传递给空心焊接主轴264，然后空心焊接主轴264带动焊接刀具总成旋转，然后通过焊接刀具总成将工件表面的金属粉末搅拌摩擦发生塑性软化，最终固态沉积，逐层叠加，形成所需要的形状。

所述焊接刀具总成包括空心刀柄265和空心增材搅拌头266，空心增材搅拌头266安装在空心刀柄265的下端，空心刀柄265的上端与送粉管274的下端接触。

所述空心刀柄265的下部加工有多个冷却通道2650，冷却通道2650内装有冷却介质，且冷却通道2650的端部螺纹连接有堵头。通过冷却介质对空心刀柄265进行冷却，避免空心增材搅拌头266工作时将多余的热量上传至空心焊接主轴264；通过堵头(图中未示出)封堵冷却通道2650端口。

还包括主轴外罩22、刀具外罩23和高频感应加热线圈29，主轴外罩22的上端与内支架25连接，刀具外罩23位于主轴外罩22的下方，且刀具外罩23通过多块连接板28与主轴外罩22连接，空心增材搅拌头266位于高频感应加热线圈29的内侧，高频感应加热线圈29的两端贯穿刀具外罩23侧壁，并与刀具外罩23侧壁连接。在使用时，通过主轴外罩22罩住空心焊接主轴264，通过刀具外罩23罩住焊接刀具总成，以形成安全防护，提高主机头的使用安全性。高频感应加热线圈29与数控龙门机床的控制系统电性连接，用于对空心增材搅拌头266及空心增材搅拌头266内部的金属粉料进行预热，能够提高主机头的加工质量和加工效率。

一种自动送粉式搅拌摩擦焊增材制造主机头的使用方法，包括以下步骤：

步骤一、将主机头的承载架1与数控龙门机床的Z轴滑枕连接，并将拉力检测组件4、主轴驱动电机260和送粉驱动电机270与数控龙门机床的控制系统电性连接；

步骤二、通过数控龙门机床的控制系统预设顶锻力值；

步骤三、启动数控龙门机床，机床Z轴带动主机头下移与工件表面接触，并自动将实际顶锻力值调整与预设顶锻力值相等，同时启动主轴总成26和送粉机构总成27，对工件进行增材制造。

本发明所述的自动送粉式搅拌摩擦焊增材制造主机头，其工作原理如下：

金属粉料经粉料供应管277进入送粉管274的上部，然后送粉驱动电机270通过减速机276、联轴器272带动送粉螺旋轴275旋转，通过旋转的送粉螺旋轴275将金属粉料加压输送给空心刀柄265，然后经空心增材搅拌头266送达工件表面。金属粉料从送粉管274下端出来时，由于送粉管274内孔的下端作收口设计，能够达到进一步加压输送金属粉料的目的，可以通过送粉驱动电机270调节和控制金属粉料送料速度，能够实现金属粉料连续稳定送料。

与此同时，主轴驱动电机260通过同步带轮A261、同步带262和同步带轮B263将扭矩传递给空心焊接主轴264，然后空心焊接主轴264通过空心刀柄265带动空心增材搅拌头266旋转，旋转的空心增材搅拌头266的下端面摩擦搅拌工件表面的金属粉料，使其发生塑性软化，最终固态沉积，逐层叠加，实现堆焊打印的效果，形成所需要的形状。通过搅拌摩擦可以使金属的晶粒更加细致紧密，增材部分的材质物理特性优于母材，同时因没有高温融化金属，不产生气孔夹渣等缺陷，大幅提高了增材制造的质量。

在主机头工作过程中，空心增材搅拌头266与工件表面接触，同时工件反作用于空心增材搅拌头266，使机头主体2有相对承载架1向上滑动的趋势，拉力检测组件4受拉应力作用，该拉应力与机头主体2对工件的顶锻力相等，此时，可以根据需要通过数控龙门机床的Z轴上下调整主机头在高度方向上的位置，来达到调整顶锻力大小的目的，使顶锻力保持恒定，实现对顶锻力进行有效控制，有利于焊缝成形，且增材制造组织一致性好。