一种高速旋转耗材摩擦增材制造方法及散热成型工装技术

本发明专利技术涉及一种高速旋转耗材摩擦增材制造方法及散热成型工装。该方法包括：将金属耗材棒固定在数控旋转加工设备上，输入增材制造参数，将金属耗材棒调至预定轨迹的起始点；将散热成型工装安装在金属耗材棒的外周，用于对增材制造区域进行散热，调整金属耗材棒，使其下端面超过散热成型工装的下表面；金属耗材棒高速旋转并以设定的增材制造参数运动，其下端面与待增材的零件表面摩擦熔融，金属耗材棒沿预定轨迹运动，使得熔融金属涂覆在接触的待增材的零件的表面，形成涂覆层，直至到达预定轨迹的终点；重复形成金属涂覆层步骤的方法，逐层堆积成预定厚度的金属结构毛坯，对金属结构毛坯进行机加工，获得金属结构的成品。

A Manufacturing Method and Heat Dissipation Forming Tool for High Speed Rotary Consumables

The invention relates to a manufacturing method of friction material addition for high-speed rotating consumables and a heat dissipation forming tooling. The method includes: fixing the metal consumables bar on the NC rotating processing equipment, inputting the manufacturing parameters of the material addition, adjusting the metal consumables bar to the starting point of the predetermined trajectory; installing the heat dissipation forming tooling around the metal consumables bar to heat the manufacturing area of the material addition, adjusting the metal consumables bar, and making the lower end surface of the metal consumables bar higher than the lower surface of the heat dissipation forming tooling; Rotating at a high speed and moving with the set manufacturing parameters, the lower end surface rubs and melts with the surface of the parts to be added, and the metal consumables rod moves along the predetermined trajectory, so that the molten metal is coated on the surface of the parts to be added, forming a coating layer until the end of the predetermined trajectory is reached. The method of repeating the steps of forming a metal coating layer is repeated and stacked layer by layer to form a metal junction with a predetermined thickness. The structure blank is machined to obtain the finished product of the metal structure.

【技术实现步骤摘要】
一种高速旋转耗材摩擦增材制造方法及散热成型工装
本专利技术涉及金属材料增材制造领域，特别是涉及一种高速旋转耗材摩擦增材制造方法及散热成型工装。
技术介绍
金属增材制造技术是采用金属材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除-切削加工技术，可以明显提高材料利用率和加工效率。目前普遍采用的金属结构增材制造技术主要应用于不锈钢、高温合金和钛合金材料结构的增材制造，具有较大应用前景。现有技术中，金属增材制造方法主要采用以激光束、电子束和电弧为热源的增材制造技术，在钛合金、铝合金和高温合金成形和精密部件制造等领域获得应用。采用这些增材制造工艺制备增材结构时，由于存在金属材料受热熔化和快速凝固，导致增材区域易出现存在裂纹、群孔等缺陷，增材区组织为铸造组织，降低了构件的整体性能。因此，需要提供一种高速旋转耗材摩擦增材制造方法及散热成型工装。
技术实现思路
本专利技术实施例提供了一种高速旋转耗材摩擦增材制造方法及散热成型工装，能够通过高速旋转摩擦产热获得高温热塑性金属，逐层涂覆累积，同时可以实现二维运动轨迹，在原零件上增材制造加强筋和凸台等特征结构，获得细晶锻造组织，并且消除裂纹、群孔等缺陷。第一方面，本专利技术的实施例提出了一种高速旋转耗材摩擦增材制造方法，该方法包括：安装金属耗材棒步骤，将金属耗材棒固定在数控旋转加工设备上，输入增材制造参数，将所述金属耗材棒调至预定轨迹的起始点；安装散热成型工装步骤，将散热成型工装安装在所述金属耗材棒的外周，用于对增材制造区域进行散热，调整所述金属耗材棒，使其下端面超过所述散热成型工装的下表面；形成金属涂覆层步骤，所述金属耗材棒高速旋转并以设定的所述增材制造参数运动，其下端面与待增材的零件表面摩擦熔融，所述金属耗材棒沿预定轨迹运动，使得熔融金属涂覆在接触的所述待增材的零件的表面，形成涂覆层，直至到达预定轨迹的终点；形成金属结构步骤，重复所述形成金属涂覆层步骤的方法，逐层堆积成预定厚度的金属结构毛坯，对所述金属结构毛坯进行机加工，获得金属结构的成品。在第一种可能的实现方式中，在所述安装金属耗材棒步骤之前还包括，将金属材料加工成圆柱形的金属耗材棒，所述金属耗材棒的直径为10mm-50mm，长度为50mm-200mm；将所述金属耗材棒的表面打磨干净，再在丙酮中进行超声清洗，然后风干备用；将待增材的零件表面加工成规则平整的表面，用砂纸将表面打磨干净，并在丙酮中进行超声清洗，然后风干备用；制备用于固定所述待增材的零件的工装夹具，所述工装夹具使固定的所述零件的待增材表面区域保持稳定的水平状态，所述工装夹具能够安装在数控加工设备平台上。结合上述可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述安装散热成型工装步骤包括：将所述散热成型工装与所述金属耗材棒同轴安装，使所述散热成型工装的内侧凸台与所述金属耗材棒的间隙控制在2mm-5mm范围之间，且所述金属耗材棒的下端面超过所述散热成型工装的下表面0-2mm；通过散热成型工装的两个通气孔向摩擦产热区域通入保护气体，用于防止增材区域的材料发生氧化。结合上述可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述形成金属涂覆层步骤包括：所述金属耗材棒的增材制造参数包括旋转速度、进给速度、行进速度和压力载荷，所述金属耗材棒的旋转速度不低于1000r/min，进给速度范围为0-200mm/min，耗材棒的X方向的行进速度的范围为0-100mm/s，Y方向的行进速度的范围为0-100mm/s；压力载荷的范围为0-100KN。在所述待增材的零件的表面形成的所述金属涂覆层的单层厚度为0.5mm-2mm。结合上述可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述形成金属结构步骤包括：所述金属耗材棒和所述待增材的零件均为钛合金材料，所述金属结构为钛合金加强筋；对所述钛合金加强筋毛坯的上表面和两个侧面进行机加工，获得最终尺寸的钛合金加强筋成品；或者，所述金属耗材棒和所述待增材的零件均为铝合金材料或高温合金材料或不锈钢材料，相应的，所述金属结构为铝合金或高温合金材料或不锈钢材料的加强筋。第二方面，本专利技术的实施例提供了一种散热成型工装，用于第一方面的高速旋转耗材摩擦增材制造方法中，散热成型工装包括具有对称结构的第一部件和第二部件，所述第一部件和所述第二部件在对称平面处拼装，在所述对称平面的拼装处设有通气孔和所述金属耗材棒的安装通孔，所述通气孔用于通入保护气体，所述安装通孔的孔径大于所述金属耗材棒的外径。在第一种可能的实现方式中，所述第一部件和所述第二部件拼装形成的上表面为平面结构，下表面的中间沿拼装线方向为凹槽结构，所述凹槽结构的槽宽大于所述金属耗材棒的最大外径，在所述凹槽结构的两侧设有限形凸台，两侧的所述限形凸台朝向所述安装通孔方向相对凸出，使所述凹槽结构在所述安装通孔部位的槽口收窄。结合上述可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，多个所述通气孔对称设在所述金属耗材棒的安装通孔的两侧，且所述通气孔与所述安装通孔的孔心均在同一拼装直线上。结合上述可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，，所述第一部件和所述第二部件均采用高散热系数的紫铜或黄铜材料。结合上述可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述散热成型工装还包括具有对称结构的第三部件和第四部件，所述第三部件和第四部件分别安装在所述第一部件和所述第二部件的两侧，所述第三部件和第四部件均为采用耐热钢材或陶瓷制成的具有安装孔的安装板。综上，通过高速旋转摩擦产热获得高温热塑性金属，逐层涂覆累积，在原零件上增材制造加强筋和凸台等特征结构，获得细晶锻造组织，并且消除裂纹、群孔等缺陷，通过散热成型工装可以限制耗材棒在旋转过程中的飞边挤出量，获得可控的增材宽度尺寸，同时可以实现二维运动轨迹制造增材结构。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对本专利技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术实施例的高速旋转耗材摩擦增材制造方法的应用场景示意图。图2是本专利技术实施例的高速旋转耗材摩擦增材制造方法的流程示意图。图3是本专利技术实施例的一种散热成型工装整体结构示意图。图4是本专利技术实施例的一种散热成型工装的俯视示意图。图5是本专利技术实施例的一种散热成型工装中第一部件的结构示意图。图6是本专利技术实施例的一种散热成型工装中第二部件的结构示意图。图中：1：金属耗材棒；2：散热成型工装；21：第一部件；22：第二部件；23：第三部件；24：第四部件；25：通气孔；26：安装通孔；27：限形凸台；3：待增材的零件；4：工装夹具。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。图1是本专利技术实施例的高速旋转耗材摩擦增材制造方法的应用场景示意图。如图1所示，在钛合金平板零件上采用本专利技术的高速旋转耗材摩擦增材制造方法制备钛合金加强筋。图中，以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高速旋转耗材摩擦增材制造方法，其特征在于，所述方法包括：安装金属耗材棒步骤，将金属耗材棒固定在数控旋转加工设备上，输入增材制造参数，将所述金属耗材棒调至预定轨迹的起始点；安装散热成型工装步骤，将散热成型工装安装在所述金属耗材棒的外周，用于对增材制造区域进行散热，调整所述金属耗材棒，使其下端面超过所述散热成型工装的下表面；形成金属涂覆层步骤，所述金属耗材棒高速旋转并以设定的所述增材制造参数运动，其下端面与待增材的零件表面摩擦熔融，所述金属耗材棒沿预定轨迹运动，使得熔融金属涂覆在接触的所述待增材的零件的表面，形成涂覆层，直至到达预定轨迹的终点；形成金属结构步骤，重复所述形成金属涂覆层步骤的方法，逐层堆积成预定厚度的金属结构毛坯，对所述金属结构毛坯进行机加工，获得金属结构的成品。

【技术特征摘要】
1.一种高速旋转耗材摩擦增材制造方法，其特征在于，所述方法包括：安装金属耗材棒步骤，将金属耗材棒固定在数控旋转加工设备上，输入增材制造参数，将所述金属耗材棒调至预定轨迹的起始点；安装散热成型工装步骤，将散热成型工装安装在所述金属耗材棒的外周，用于对增材制造区域进行散热，调整所述金属耗材棒，使其下端面超过所述散热成型工装的下表面；形成金属涂覆层步骤，所述金属耗材棒高速旋转并以设定的所述增材制造参数运动，其下端面与待增材的零件表面摩擦熔融，所述金属耗材棒沿预定轨迹运动，使得熔融金属涂覆在接触的所述待增材的零件的表面，形成涂覆层，直至到达预定轨迹的终点；形成金属结构步骤，重复所述形成金属涂覆层步骤的方法，逐层堆积成预定厚度的金属结构毛坯，对所述金属结构毛坯进行机加工，获得金属结构的成品。2.根据权利要求1所述的高速旋转耗材摩擦增材制造方法，其特征在于，在所述安装金属耗材棒步骤之前还包括，将金属材料加工成圆柱形的金属耗材棒，所述金属耗材棒的直径为10mm-50mm，长度为50mm-200mm；将所述金属耗材棒的表面打磨干净，再在丙酮中进行超声清洗，然后风干备用；将待增材的零件表面加工成规则平整的表面，用砂纸将表面打磨干净，并在丙酮中进行超声清洗，然后风干备用；制备用于固定所述待增材的零件的工装夹具，所述工装夹具使固定的所述零件的待增材表面区域保持稳定的水平状态，所述工装夹具能够安装在数控加工设备平台上。3.根据权利要求1所述的高速旋转耗材摩擦增材制造方法，其特征在于，所述安装散热成型工装步骤包括：将所述散热成型工装与所述金属耗材棒同轴安装，使所述散热成型工装的内侧限形凸台与所述金属耗材棒的间隙控制在2mm-5mm范围之间，且所述金属耗材棒的下端面超过所述散热成型工装的下表面0-2mm；通过散热成型工装的两个通气孔向摩擦产热区域通入保护气体，用于防止增材区域的材料发生氧化。4.根据权利要求1所述的高速旋转耗材摩擦增材制造方法，其特征在于，所述形成金属涂覆层步骤包括：所述金属耗材棒的增材制造参数包括旋转速度、进给速度、行进速度和压力载荷，所述金属耗材棒的旋转速度不低于1000r/mi...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵海涛，陶军，郭德伦，刘雪梅，
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