【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于金属材料增材制造，具体涉及一种对转摩擦式搅拌摩擦增材制造装置及方法。
技术介绍
1、搅拌摩擦增材制造技术是通过摩擦产热和塑性变形做工使得金属材料发生塑性软化，使得金属材料在不发生融化的情况下有条件按照设计的位置与形状成形；在对需加工构件在恰当方向上切分后，便可利用该技术进行逐层成形。该技术是基于搅拌摩擦焊发展起来的一种新型的金属材料固相增材方法，故其相较于金属熔融增材就像搅拌摩擦焊相较于传统焊接一样，有着不会产生现裂纹、孔隙等热应力缺陷，搅拌摩擦使得材料发生细晶强化，提升材料的综合力学性能的优势。
2、但同时该技术也存在着一些问题，例如由于受到成形原理的限制，其在逐层堆积增材时增材区边缘会产生卷边、飞边等缺陷，且边缘区层间因不受到顶锻力不能很好的结合，故当前搅拌摩擦增材只能实现近净成形，在搅拌摩擦增材后还需对成形胚件进行后续的机械加工，而这就降低了材料的利用率；并且受现有的进料方式的限制，为使金属材料发生塑性流动，需要较大的区域进行搅拌摩擦，而使得搅拌摩擦增材成形的胚件尺寸都较大，对于搅拌摩擦增材小尺寸构件的成形，都有着材料利用率极低的问题。
技术实现思路
1、鉴于以上所述现有的技术问题和缺点，本专利技术提供了对转摩擦式搅拌摩擦增材制造装置及方法。
2、为实现上述专利技术目的，本专利技术的技术方案如下：
3、一种对转摩擦式搅拌摩擦增材制造装置，包括摩擦预热轴肩、对转丝材热塑化系统、水冷顶锻块和基板；所述对转丝材热塑化系统包括一对共轴
4、优选的：摩擦预热轴肩3由机床主轴驱动，对转丝材热塑化系统2和水冷顶锻块1由轴承和滑轨板连接至主轴上，以使得对转丝材热塑化系统2和水冷顶锻块1可绕主轴旋转，当主轴沿曲线进动时，将对转丝材热塑化系统2和水冷顶锻块1旋转至主轴运动路径的切向后方，来实现曲率构件的成形。
5、优选的：所述对转丝材热塑化系统中的两圆盘各由一个同型号电机驱动，且保正转速相同，以使得两圆盘旋转产生的角动量相互抵消，以保证所装载的数控机床或机械臂的工作精度。
6、优选的：所述对转丝材热塑化系统挡圈固定在滑轨板上，电机安装在带开口槽的滑轨板上，旋转圆盘安装在电机上并伸入挡圈中，由紧固螺栓和开口槽固定电机以保证夹持位置；丝材由挡圈上的圆形开口送入两圆盘间夹持。
7、优选的：旋转圆盘在挡圈的限制下对丝材进行摩擦，防止热塑化的金属飞出。
8、优选的：所述对转丝材热塑化系统的圆盘的摩擦端应加工有向轴心旋转的螺旋槽，以保证丝材的充分摩擦。
9、优选的：所述对转丝材热塑化系统的夹持间隙可调(1mm～8mm)，使其可以加工不同直径的丝材。
10、优选的：所述对转丝材热塑化系统调节夹持间隙时，除改变两圆盘和电机位置，还需更换有对应送丝开口直径的挡圈。
11、优选的：所述摩擦预热轴肩的直径和水冷顶锻块的宽度(20mm～30mm)应大于所述对转丝材热塑化系统的最大夹持间隙，以保证热塑化丝材沉积区域的温度和减少飞边、卷边等缺陷的产生。
12、优选的：水冷顶锻块下方带有斜面，使得其在前进时可对塑化金属提供向下的顶锻力。
13、优选的：在水冷顶锻块下端加装温度传感器，以检测增材层的温度，并同时检测出水口水温，通过控制水流速度来控制增材层的温度，在保证层间结合的同时，避免粗大相等缺陷的产生。
14、优选的：在加工前，所述摩擦预热轴肩的高度位置应与基板上表面接触，而所述对转丝材热塑化系统与水冷顶锻块的高度位置应距基板上表面4mm；在加工时，所述对转丝材热塑化系统与水冷顶锻块同步下压，以保证热塑化丝材被锻压。
15、优选的：所述摩擦预热轴肩、对转丝材热塑化系统和水冷顶锻块在加工时可不在同一条轴线上运动，以实现带曲率工件的加工。
16、为实现上述专利技术目的，本专利技术还提供一种小尺寸构件搅拌摩擦增材制造方法，采用上述装置，步骤如下：
17、步骤一：将上述对转摩擦式搅拌摩擦增材装置固定在数控机床上，开启两电机使得对转圆盘开始旋转，而后通入丝材，在对转丝材热塑化系统的搅拌摩擦下，金属丝材逐渐热塑化开始填充对转丝材热塑化系统的间隙。
18、步骤二：待丝材充分热塑化填充对转丝材热塑化系统间隙后，热塑化丝材从对转丝材热塑化系统下方流出；打开主轴，使摩擦预热轴肩开始旋转摩擦加热基板。
19、步骤三：所述对转摩擦式搅拌摩擦增材装置开始前进，水冷顶锻块开始锻压流出的热塑化丝材，使得热塑化丝材在基板上扩散沉积，同时监测沉积层温度和出水温度，控制水流速度以控制沉积层温度。
20、步骤四：按照预设路径逐层进行增材，直到完成构件的成形。
21、优选的：在增材过程中若需改变增材层宽度时，需将装置停机，并将装置提升，脱离与已增材层的接触，待对转丝材热塑化系统间隙中的塑化金属冷却后，松开电机的紧固螺栓并将电机移至滑轨两侧，清理旋转圆盘上冷却后的塑化金属，而后更换有对应直径送丝口的挡圈，并调整电机位置至所需夹持间隙，最后再通过紧固螺栓固定电机。之后便可按上述步骤继续进行增材。
22、优选的：在增材过程中若需改变增材材料时，也需按上述步骤清理对转丝材热塑化系统间隙后，再更换材料进行增材。
23、优选的：当主轴沿曲线进动时，将对转丝材热塑化系统2和水冷顶锻块1旋转至主轴运动路径的切向后方，来实现曲率构件的成形
24、本专利技术设计的对转摩擦式小尺寸搅拌摩擦增材制造装置的技术效果如下：
25、1、本专利技术提供的对转摩擦式小尺寸搅拌摩擦增材制造装置可以实现小尺寸构件的搅拌摩擦增材制造，填补了搅拌摩增材制造对于小尺寸构件成形的空缺，解决了搅拌摩擦增材制造材料利用率低的问题。
26、2、本专利技术提供的装置中采用的水冷顶锻块可起到控制增材区温度的作用，可避免搅拌摩擦增材中因热量累积产生晶粒粗大、增强相析出等的缺陷，提升成形构件的综合力学性能。
27、3、本专利技术提供的装置中采用的对转丝材热塑化系统可使丝材充分搅拌热塑化后再进行沉积，故若将多种丝材混合送入时，可实现较好的合金构件或复合材料构件的增材效果。
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1.一种对转摩擦式搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于，包括摩擦预热轴肩、对转丝材热塑化系统、水冷顶锻块和基板；所述对转丝材热塑化系统包括一对共轴可高速旋转的圆盘，圆盘旋转方向互为反向，丝材夹持在两圆盘中因旋转摩擦而热塑化；加工时，摩擦预热轴肩在基板或已增材表面旋转移动，加热塑化基板或增材层，以保证增材层与基板和已增材层间的结合；对转丝材热塑化系统旋转塑化丝材，使得塑化金属填充两圆盘间隙后从下方流出，在摩擦预热轴键加工过的基板或已增材层上沉积；而后由水冷顶锻块提供顶锻力，使得塑化金属在顶锻力的作用下进一步扩撒并沉积于基板或已增材层表面，同时通过水冷顶锻块带走增材层热量以控制增材层的温度。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，摩擦预热轴肩由机床主轴驱动，对转丝材热塑化系统和水冷顶锻块由轴承和滑轨板连接至主轴上，以使得对转丝材热塑化系统和水冷顶锻块可绕主轴旋转，当主轴沿曲线进动时，将对转丝材热塑化系统和水冷顶锻块旋转至主轴运动路径的切向后方，来实现曲率构件的成形。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述对转丝材热塑化系统中的两圆盘各由一个同型号电机驱
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述对转丝材热塑化系统还包括挡圈，挡圈固定在滑轨板上，电机安装在带开口槽的滑轨板上，旋转圆盘安装在电机上并伸入挡圈中，由紧固螺栓和开口槽固定电机以保证夹持位置；丝材由挡圈上的圆形开口送入两圆盘间夹持。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，旋转圆盘在挡圈的限制下对丝材进行摩擦，防止热塑化的金属飞出。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述对转丝材热塑化系统的圆盘的摩擦端应加工有向轴心旋转的螺旋槽，以保证丝材的充分摩擦。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述对转丝材热塑化系统的夹持间隙1mm～8mm可调，使其可以加工不同直径的丝材。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述摩擦预热轴肩、对转丝材热塑化系统和水冷顶锻块在加工时可不在同一条轴线上运动，以实现带曲率工件的加工。
9.根据权利要求1-8任一所述的装置的增材制造方法，其特征在于，步骤如下：
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，当主轴沿曲线进动时，将对转丝材热塑化系统和水冷顶锻块旋转至主轴运动路径的切向后方，来实现曲率构件的成形。
...【技术特征摘要】
1.一种对转摩擦式搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于，包括摩擦预热轴肩、对转丝材热塑化系统、水冷顶锻块和基板；所述对转丝材热塑化系统包括一对共轴可高速旋转的圆盘，圆盘旋转方向互为反向，丝材夹持在两圆盘中因旋转摩擦而热塑化；加工时，摩擦预热轴肩在基板或已增材表面旋转移动，加热塑化基板或增材层，以保证增材层与基板和已增材层间的结合；对转丝材热塑化系统旋转塑化丝材，使得塑化金属填充两圆盘间隙后从下方流出，在摩擦预热轴键加工过的基板或已增材层上沉积；而后由水冷顶锻块提供顶锻力，使得塑化金属在顶锻力的作用下进一步扩撒并沉积于基板或已增材层表面，同时通过水冷顶锻块带走增材层热量以控制增材层的温度。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，摩擦预热轴肩由机床主轴驱动，对转丝材热塑化系统和水冷顶锻块由轴承和滑轨板连接至主轴上，以使得对转丝材热塑化系统和水冷顶锻块可绕主轴旋转，当主轴沿曲线进动时，将对转丝材热塑化系统和水冷顶锻块旋转至主轴运动路径的切向后方，来实现曲率构件的成形。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述对转丝材热塑化系统中的两圆盘各由一个同型号电机驱动，且保正转速相同，以使得两圆盘旋转产生的角动量相互抵消，以保证所装载的数控机床或机...
【专利技术属性】
技术研发人员：汤煜哲，吕万程，郭训忠，沈一洲，钟春强，赵成龙，周子凡，夏颖，韦桂，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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