一种流动摩擦增材制造装置及增材制造方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种流动摩擦增材制造装置及增材制造方法，该增材制造装置包括轴肩、母材和基体，所述轴肩内部具有空腔，在空腔下方的轴肩下端开有与空腔连通的中心通孔，所述母材放置于轴肩内部的空腔中，母材与轴肩内部的空腔底面之间存在顶锻力，轴肩与基体之间存在顶锻力；增材制造时，轴肩在基体待增材区表面旋转并移动，母材不发生旋转运动，母材摩擦作用下热塑化，热塑化材料在顶锻力作用下沿轴肩下端的中心通孔流出，并在轴肩外端面与基体待增材区表面的相对旋转作用和顶锻力作用下，扩散并沉积于基体待增材区表面。该装置和方法可以提高材料利用率和制造效率，解决了搅拌摩擦增材制造加工余量大、材料利用率低的问题。

A Manufacturing Device for Flow Friction Adding Materials and Its Manufacturing Method

The invention relates to a manufacturing device for flow friction material addition and a manufacturing method for material addition, which comprises an axle shoulder, a base material and a base material. The axle shoulder has a cavity inside, and a central through hole connected with the cavity is opened at the lower end of the axle shoulder below the cavity. The base material is placed in the cavity inside the axle shoulder. There is a top forging force between the base material and the bottom surface of the cavity inside the axle shoulder, and the axle shoulder and the base material are connected with the cavity. There is an upsetting force between the base metal and the axle shoulder; during the manufacturing process, the axle shoulder rotates and moves on the surface of the base material to be added, the base metal does not rotate, the base metal is thermoplasticized under friction, and the thermoplasticized material flows out along the central through hole at the lower end of the axle shoulder under the upsetting force, and diffuses and deposits on the surface of the axle shoulder outer end surface and the base material to be added under the relative rotation and upsetting force. The surface of the matrix to be added. The device and method can improve the material utilization rate and manufacturing efficiency, and solve the problems of large manufacturing margin and low material utilization rate of Friction Stir Addition.

【技术实现步骤摘要】
一种流动摩擦增材制造装置及增材制造方法
本专利技术涉及一种流动摩擦增材制造装置及增材制造方法，属于增材制造

技术介绍
增材制造（AdditiveManufacturing,AM）是通过计算机技术预先建立与规划3D模型，结合数字化的可控热源逐层将材料熔化、熔覆或叠加，快速成形结构件或者功能件，具有数字制造、降维制造、堆积制造、直接制造、快速制造等五大技术特点，受到全球的广泛关注，给传统制造业带来一系列深刻的变革，可广泛应用于航空航天、国防、医疗、建筑设计、汽车制造等领域。常用的金属增材制造方法有激光、电子束和电弧增材制造，3种方法具有各自的优势和适用范围，但在轻合金的增材技术上存在较多的问题。金属增材制造前期研究主要以烧结或熔化金属材料的方式逐层加工制备复杂结构的零件，铝合金由于线膨胀系数大、导热率高等原因，导致激光增材时，成形速率慢、光反射率高，能量利用率第、变形大等；电子束增材时，零件尺寸受到限制，变形较大；电弧增材时，构件变形严重、尺寸难以控制等。流动摩擦增材制造作为一种固相增材制造方法，在轻合金增材方面独具优势。现有类似的固相增材制造技术主要是搅拌摩擦增材制造方法，实质为多层材料的焊合叠加，其增材过程类似于搅拌摩擦焊多层搭接，是一个空间搭接的过程，包括垂直于搭接方向的横向增材和平行于材料厚度方向的增材。资料表明，搅拌摩擦焊搭接接头的组织性能与结合界面状态密切相关，容易出现界面畸变及冷搭接缺陷，会降低接头的性能。而搅拌摩擦增材制造过程类似搭接，也有可能出现相应的缺陷，从而影响增材材料的组织性能。而且利用搅拌摩擦焊的技术对板材进行逐层叠加的增材制造，每叠加一层就要重新装夹一次，整体增材加工的数字化程度和激光和电子束等增材方法相比并不高。实现搅拌摩擦增材制造的全自动数字化加工是当前面临的一大主要难题。另一个需要解决的问题是如何提高材料利用率。现有的搅拌摩擦增材制造方法并不能实现材料的高利用率，增材完成后仍需要对搅拌摩擦坯件进行后期机械加工，将多余的基材部分除去。去除部分越多，材料的利用率就会越低。总之，金属增材制造的方法很多，各具优势，是一种具有极大发展潜力的材料制备及加工一体化的方法。增材制造前期，研究者主要采用熔化材料的方式进行成形制造，对材料有所限制，如铝合金激光增材室会出现能量表面球化、利用率低等问题，电子束增材则会产生金属气化、变形等问题。摩擦增材制造技术作为一种固相增材方法，增材材料具有晶粒细小、组织致密等优点，是一种具有发展潜力的增材方法，但存在加工余量大、材料利用率低等问题。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种流动摩擦增材制造装置及增材制造方法，可以实现铝合金等轻金属材料的高质量增材制造，同时可以提高材料利用率和制造效率，解决了搅拌摩擦增材制造加工余量大、材料利用率低的问题。为了实现本专利技术,其采用了如下技术方案：一种流动摩擦增材制造装置，其特征在于:该装置包括轴肩、母材和基体，所述轴肩内部具有空腔，在空腔下方的轴肩下端开有与空腔连通的中心通孔，所述母材放置于轴肩内部的空腔中，母材与轴肩内部的空腔底面之间存在顶锻力，轴肩外端面置于基体待增材区表面，轴肩与基体之间存在顶锻力；工作时，轴肩在基体待增材区上表面旋转并移动，母材不发生旋转运动，母材在与轴肩相对旋转产生的摩擦作用下热塑化，热塑化的材料在顶锻力作用下沿轴肩下端的中心通孔流出，流出的热塑化材料在轴肩外端面与基体待增材区表面的相对旋转作用和顶锻力作用下，扩散并沉积于基体待增材区表面。进一步地，采用搅拌摩擦焊设备驱动轴肩旋转，并施加轴肩与基体之间的顶锻力；进一步地，通过外加载荷施加母材与轴肩内部的空腔底面之间的顶锻力,如液压装置；进一步地，所述轴肩外端面和空腔底面均加工有单条或多条螺旋槽；该螺旋槽的旋向可根据增材制造过程中轴肩的旋转方向进行设计；进一步地，所述空腔侧壁加工有螺旋槽；该螺旋槽的旋向可根据增材制造过程中轴肩的旋转方向进行设计；进一步地，在基体待增材区两侧增加侧向约束夹具；两侧的侧向约束夹具之间的距离取决于所需的增材宽度，侧向约束夹具夹具高度取决于所需的增材高度；进一步地，所述轴肩为圆柱状，所述母材为圆柱状、粉状、屑状或颗粒状。进一步地，所述基体为板材或复杂曲面结构件，如带筋壁板、框梁结构或进气道。采用上述流动摩擦增材制造装置进行增材制造方法，其特征在于：包括如下步骤：（1）将母材放置于轴肩内部的空腔中，然后将轴肩置于在基体待增材区上表面；（2）在驱动力作用下，轴肩旋转并在基体表面待增材区移动，同时保持轴肩与基体待增材区之间存在顶锻力；（3）在约束力作用下，母材不发生旋转运动，同时保持母材与轴肩内部的空腔底面之间存在顶锻力；（4）母材在与轴肩相对旋转产生的摩擦作用下热塑化，热塑化的材料在顶锻力作用下沿轴肩中心通孔流出，流出的热塑化材料在轴肩外端面与基体待增材区表面的相对旋转作用和顶锻力作用下，扩散并沉积于基体待增材区表面，实现待增材区单层材料堆覆；（5）在待增材区重复单层材料堆覆，实现多层材料堆覆，直至达到所需要的增材高度。本专利技术的技术效果如下：（1）本专利技术提供的流动摩擦增材制造装置和增材制造方法可以实现铝合金等轻金属材料的高质量增材制造，同时可以提高材料利用率和制造效率，解决了搅拌摩擦增材制造加工余量大、材料利用率低的问题.（2）本专利技术提供的流动摩擦增材制造装置和增材制造方法还可实现飞机带筋壁板及框梁结构的高效率、低成本制造，且制造工艺灵活性高，材料组织细化，强韧性高，在飞机铝合金机身带筋壁板结构、框梁结构、进气道等结构上具有良好的应用前景。（3）本专利技术提供的流动摩擦增材制造装置和增材制造方法还可以实现复杂曲面结构铝合金材料加强筋及加强框的制造，基于设计优化，还可以实现任意空间曲线分布的加强结构制造，解决常规制造工艺难以制造或制造成本过高的问题。（4）本专利技术提供的流动摩擦增材制造装置和增材制造方法还可以在运载火箭、船舶、汽车等领域的铝合金带筋壁板结构或复杂框梁结构的制造中得到推广应用，实现铝合金复杂结构的高效、高质量、低成本制造。附图说明图1流动摩擦增材制造装置剖面图；图2流动摩擦增材制造示意图。图中：1-母材、2-轴肩、3-基体、4-空腔侧壁螺旋槽、5-空腔底面螺旋槽、6-轴肩外端面螺旋槽。具体实施方式下面结合具体实施例和说明书附图对本专利技术的一种流动摩擦增材制造装置和增材制造方法作进一步阐述，但本专利技术的保护内容并不限于以下实施例。实施例1如图1所示，一种流动摩擦增材制造装置，包括轴肩2、母材1和基体3，轴肩2为圆柱状，母材1也为圆柱状，基体3为板材轴肩内部开有空腔，在空腔下方的轴肩下端开有与空腔连通的中心通孔，圆柱状母材放在轴肩内部的空腔中，轴肩外端面置于基体待增材区表面；轴肩空腔侧壁设计有螺旋槽即空腔侧壁螺旋槽4，空腔底面也设计有螺旋槽即空腔底面螺旋槽5，轴肩外端面也设计有螺旋槽即轴肩外端面螺旋槽6，螺旋槽结构的旋向取决于增材制造过程中轴肩的旋转方向，可根据轴肩的旋转方向进行设计。轴肩空腔侧壁螺旋槽的作用是阻止母材与轴肩腔体内端面摩擦形成的热塑化材料沿轴肩腔体侧壁与母材之间的间隙向上流动。轴肩空腔底面的螺旋槽的作用是引导母材与轴肩腔体内端面摩擦热塑化的材料向轴肩端部中心通孔处流动。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种流动摩擦增材制造装置，其特征在于: 该增材制造装置包括轴肩、母材和基体，所述轴肩内部具有空腔，在空腔下方的轴肩下端开有与空腔连通的中心通孔，所述母材放置于轴肩内部的空腔中，母材与轴肩内部的空腔底面之间存在顶锻力，轴肩外端面置于基体待增材区表面，轴肩与基体之间存在顶锻力；工作时，轴肩在基体待增材区上表面旋转并移动，母材不发生旋转运动，母材在与轴肩相对旋转产生的摩擦作用下热塑化，热塑化的材料在顶锻力作用下沿轴肩下端的中心通孔流出，流出的热塑化材料在轴肩外端面与基体待增材区表面的相对旋转作用和顶锻力作用下，扩散并沉积于基体待增材区表面。

【技术特征摘要】
1.一种流动摩擦增材制造装置，其特征在于:该增材制造装置包括轴肩、母材和基体，所述轴肩内部具有空腔，在空腔下方的轴肩下端开有与空腔连通的中心通孔，所述母材放置于轴肩内部的空腔中，母材与轴肩内部的空腔底面之间存在顶锻力，轴肩外端面置于基体待增材区表面，轴肩与基体之间存在顶锻力；工作时，轴肩在基体待增材区上表面旋转并移动，母材不发生旋转运动，母材在与轴肩相对旋转产生的摩擦作用下热塑化，热塑化的材料在顶锻力作用下沿轴肩下端的中心通孔流出，流出的热塑化材料在轴肩外端面与基体待增材区表面的相对旋转作用和顶锻力作用下，扩散并沉积于基体待增材区表面。2.根据权利要求1所述的一种流动摩擦增材制造装置，其特征在于，采用搅拌摩擦焊设备驱动所述轴肩旋转，并施加轴肩与基体之间的顶锻力。3.根据权利要求1所述的一种流动摩擦增材制造装置，其特征在于，通过外加载荷施加母材与轴肩内部的空腔底面之间的顶锻力。4.根据权利要求1所述的一种流动摩擦增材制造装置，其特征在于，所述轴肩外端面和空腔底面均加工有单条或多条螺旋槽。5.根据权利要求1所述的一种流动摩擦增材制造装置，其特征在于，所述空腔侧壁加工有螺旋...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵华夏，王卫兵，
申请(专利权)人：中国航空制造技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11