一种复杂构件搅拌摩擦增材制造精准冷却控温装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种复杂构件搅拌摩擦增材制造精准冷却控温装置及方法，一种复杂构件搅拌摩擦增材制造精准冷却控温装置，包括：增材系统、温度采集系统、冷却系统、控制系统；本发明专利技术设计的复杂构件搅拌摩擦增材制造精准冷却控温装置与方法采用金属钢球和冷却液相结合的方式，弥补了纯冷却液相比于纯金属导热系数低的缺点，提高了构件组织在冷却过程的过冷度，使得金属构件在逐层增材过程中热积累更加快速地导出，可大幅提升成形速度和组织均匀性。采用温度采集钢球进行冷却液面上下温度的采集，实现了增材构件温度梯度的精准表征，并结合时间敏感因子和控制系统，达到了精准冷却控温的目的。控温的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种复杂构件搅拌摩擦增材制造精准冷却控温装置及方法


[0001]本专利技术属于金属材料增材制造
，具体涉及一种复杂构件搅拌摩擦增材制造精准冷却控温装置及方法。

技术介绍

[0002]搅拌摩擦增材制造技术(FSAM)已经发展成为制造金属构件的最有前途的固相增材制造技术之一。该技术通过搅拌头(消耗型或者非消耗型)的摩擦产热和塑性变形做功，使得待增材金属与已增材金属堆积，如此反复使材料按设计要求逐层堆积成形。与基于熔融的增材制造技术相比，由于增材过程中不发生材料的熔化和凝固，不会出现裂纹、孔隙等热应力缺陷，并且剧烈的塑性变形能够提供均匀致密的等轴细小组织，显著提升构件的综合力学性能。然而，该技术也存在一些问题，在逐层增材金属构件过程中，后续道次的增材会对前一道次的增材组织产生热影响，随着多道次的增材成形，先增材的组织会经历频繁的热循环，易导致增材底部的组织晶粒长大，合金中第二相组织粗化等问题，最终导致成形的构件在增材厚度方向上表现为组织不均匀性和力学性能各向异性，影响了构件质量。
[0003]基于上述原因，亟需提出一种新方法，解决搅拌摩擦增材制造复杂构件过程中产生的热积累问题，并且有效实现精准冷却控温。

技术实现思路

[0004]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的是为了解决搅拌摩擦增材制造复杂构件过程中产生的热积累问题，提供了一种精准冷却控温装置及方法。
[0005]为实现上述专利技术目的，本专利技术技术方案如下：
[0006]一种复杂构件搅拌摩擦增材制造精准冷却控温装置，包括：增材系统、温度采集系统、冷却系统、控制系统；
[0007]所述增材系统包括搅拌摩擦增材主轴工具头、夹具、基板，搅拌摩擦增材主轴工具头可搭载在数控机床、并联机械臂等外加设备上；所述基板通过夹具固定在加工缸的基座上；
[0008]所述温度采集系统包括装有热电偶的温度采集钢球，多个温度采集钢球等间距排布在增材构件周围的普通钢球中，负责采集增材构件不同部位的实时温度，通过耐高温数据线与数据采集卡相连；随着增材高度的增加，在增材构件周围会布置多层相互平行的温度采集钢球，同时伴随着冷却液的注入，会形成位于液面上的一层温度采集钢球和位于液面下的一层温度采集钢球。
[0009]所述冷却系统包括加工缸、普通钢球、冷却液、注入阀、输出阀、导流器、金属丝网，冷却液通过注入阀注入到加工缸中，并通过输出阀流出加工缸；导流器通过螺孔连接到加工缸底部的带螺纹的出液孔上，根据增材高度设置导流器高度，可将冷却液自下而上送入到复杂构件封闭、拐角等液体流动不畅的部位；金属丝网铺设于加工缸底面，防止普通钢球堵住加工缸底面的出液孔。
[0010]优选的：所述加工缸由模块化的特殊侧板和底板，以及基座组成。
[0011]优选的：所述模块化的特殊侧板和底板可通过燕尾槽、滑轨等方式任意组装连接。
[0012]优选的：所述底板内部有贯通的流道，流道两端可根据需求密封，流道通过带有螺纹的出液孔与加工缸内部相通，处在加工缸内部的底板表面有固定孔，出液孔孔径为5mm～10mm。
[0013]优选的：所述基座由支撑腿和基座板组成，支撑腿通过螺栓和固定孔与加工缸底面连接，支撑腿高度一般在50mm
‑
200mm，基座板有矩形、梯形、三角形、菱形等形状，可通过任意的排列组合形成复杂构件需要的支撑基座。
[0014]优选的：所述普通钢球直径为1.2mm～10mm，材质可以是不锈钢、轴承钢、碳钢等。
[0015]优选的：所述冷却液可以是水、丙二醇、氧化铝纳米流体等高熔点、高导热系数的流体。
[0016]优选的：所述注入阀和输出阀均为带有液体流量控制模块的电磁阀，可控制单位时间内的液体流量，注入阀和输出阀通过管道分别与流道两端连接。
[0017]优选的：所述导流器为两端开口的中空管，一端带有外螺纹，可与加工缸底面的带螺纹的出液孔相连接。
[0018]优选的：所述金属丝网孔径小于钢球直径，防止普通钢球堵住加工缸内壁的出液孔。
[0019]所述控制系统包括数据采集卡和计算机控制系统，温度采集钢球的热电偶、电磁阀和搅拌摩擦增此主轴工具头的通信端分别于数据采集卡相连接，数据采集卡通过USB接口与计算机控制系统通信，数据采集卡负责对输入和输出信号进行转换，计算机控制系统负责信号的处理。
[0020]为实现上述专利技术目的，本专利技术还提供一种复杂构件搅拌摩擦增材制造精准冷却控温方法，采用上述的装置，包括以下步骤：
[0021]步骤一：根据所要增材成形的复杂构件形状特征，选择合适的基座板组合，并在加工缸中安装成基座，将表面打磨清理好的基板(厚度为d)用夹具固定在基座上，然后根据复杂构件封闭、拐角处的平面位置，将导流器一端连接到加工缸底板上，导流器能够将冷却液自下而上送入到复杂构件封闭、拐角处液体流动不畅的部位，然后将金属丝网铺设于加工缸底面，启动计算机控制系统与搅拌摩擦增材系统，完成程序初始化；将普通钢球铺入到加工缸中，直到普通钢球层高度达到基座顶面高度，同时将装有热电偶的温度采集钢球按成形路径等距铺设于基座板背面，打开注入电磁阀，冷却液通过加工缸底板的流道注入到加工缸中，直到冷却液高度达到基座顶面高度后关闭注入电磁阀；随后将增材系统主轴工具头移动至基板的初始增材点上方，主轴以ω0的转速开始旋转。
[0022]步骤二：增材系统主轴工具头接触基板，按预设路径逐层进行增材，温度采集钢球实时获取基座底面峰值温度T，并将该参数转化为电压信号通过数据采集卡传入计算机控制系统中，控制系统通过比较基座底面峰值温度T和初始预设温度T0，当T＝T0时，显示或输出控制信号，向加工缸中额外铺设高度为Δh1的金属钢球，再沿着增材层周围间隔铺设温度采集钢球，此过程中搅拌摩擦增材不停止。
[0023]步骤三：控制系统实时获取并截取稳定冷却阶段液面上下最相近两圈温度采集钢球平均温度T2、T1(T2>T1)，并计算出T2和T1的差值ΔT，并计算ΔT与Δt的比值大小，Δt为预
先设定的时间敏感因子,时间敏感因子和不同增材阶段的时间间隔相关；当(ΔT/Δt)<a时，输出控制信号打开注入电磁阀，向加工缸中注入高度为Δh1的冷却液，并同时铺设高度为Δh1的金属钢球(说明：由于步骤二中，率先额外铺设了高度为Δh1的金属钢球，所以每经历一次步骤三，钢球的高度始终比冷却液高出Δh1)，同时沿着增材层周围间隔铺设温度采集钢球，当(ΔT/Δt)≥a时，输出控制信号关闭注入电磁阀，a为预先设定值；当T1＞T
*
时，输出控制信号同时打开注入阀和输出阀，进行冷却液的部分或全部更换,直到T1≤T
*
时，关闭注入阀和输出阀，T
*
为预先设定的参考温度。
[0024]步骤四：每当加工缸内冷却液的高度与导流器总长度相差一个导流器长度时，就在原有的导流器末端再连接一节新的导流器；
[0025]步骤五：增材系统主轴工具头继续按预设路径逐层增材本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复杂构件搅拌摩擦增材制造精准冷却控温装置，其特征在于，包括：增材系统、温度采集系统、冷却系统、控制系统；所述增材系统包括搅拌摩擦增材主轴工具头、夹具、基板，所述基板通过夹具固定在加工缸的基座上；所述温度采集系统包括装有热电偶的温度采集钢球，多个温度采集钢球等间距排布在增材构件周围的普通钢球中，负责采集增材构件不同部位的实时温度，通过耐高温数据线与数据采集卡相连；随着增材高度的增加，在增材构件周围会布置多层相互平行的温度采集钢球，同时伴随着冷却液的注入，会形成位于液面上的一层温度采集钢球和位于液面下的一层温度采集钢球；所述冷却系统包括加工缸、普通钢球、冷却液、注入阀、输出阀、导流器、金属丝网，冷却液通过注入阀注入到加工缸中，并通过输出阀流出加工缸；导流器通过螺孔连接到加工缸底部的带螺纹的出液孔上，根据增材高度设置导流器高度，可将冷却液自下而上送入到复杂构件封闭、拐角等液体流动不畅的部位；金属丝网铺设于加工缸底面，防止普通钢球堵住加工缸底面的出液孔。2.根据权利要求1所述的复杂构件搅拌摩擦增材制造精准冷却控温装置，其特征在于：所述底板内部有贯通的流道，流道两端可根据需求密封，流道通过带有螺纹的出液孔与加工缸内部相通，处在加工缸内部的底板表面有固定孔，出液孔孔径为5mm～10mm。3.根据权利要求1所述的复杂构件搅拌摩擦增材制造精准冷却控温装置，其特征在于：所述基座由支撑腿和基座板组成，支撑腿通过螺栓和固定孔与加工缸底面连接，支撑腿高度在50mm
‑
200mm，基座板形状为矩形、梯形、三角形或菱形，可通过任意的排列组合形成复杂构件需要的支撑基座。4.根据权利要求1所述的复杂构件搅拌摩擦增材制造精准冷却控温装置，其特征在于：所述普通钢球直径为1.2mm～10mm，材质是不锈钢、轴承钢或碳钢。5.根据权利要求1所述的复杂构件搅拌摩擦增材制造精准冷却控温装置，其特征在于：所述导流器为两端开口的中空管，一端带有外螺纹，可与加工缸底面的带螺纹的出液孔相连接。6.根据权利要求1所述的复杂构件搅拌摩擦增材制造精准冷却控温装置，其特征在于：所述金属丝网孔径小于钢球直径，防止普通钢球堵住加工缸内壁的出液孔。7.根据权利要求1
‑
6任一所述装置进行搅拌摩擦增材制造的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：根据所要增材成形的复杂构件形状特征，选择合适的基座板组合，并在加工缸中安装成基座，将表面打磨清理好的厚度为d的基板用夹具固定在基座上，然后根据复杂构件封闭、拐角处的平面位置，将导流器一端连接到加工缸底板上，导流器能够将冷却液自下而上送入到复杂构件封闭、拐角处液体流动不畅的部位，然后将金属丝网铺设于加工缸底面，启动计算机控制系统与搅拌摩擦增材系统，完成程序初始化；将普通钢球铺入到加工缸中，直到普通钢球层高度达到基座顶面高度，同时将装有热电偶的温度采集钢球按成形路径等距铺设于基座板背面，打开注...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭训忠，沈一洲，吕万程，韦桂，周泽星，陈晓荻，王笑，
申请(专利权)人：南京航空航天大学无锡研究院，
类型：发明
国别省市：