本發(fā)明涉及一種半剛性約束摩擦增材制造裝置及方法，屬于固相增材制造。

背景技術(shù)：

1、基于大塑性變形原理的固相增材制造因其非熔化材料熱損傷低、無熔凝無本征缺陷、強(qiáng)形變組織細(xì)晶化、低能耗且成形效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)，正在吸引廣泛的關(guān)注。該類技術(shù)中存在一個(gè)主要類別為基于棒材原料送進(jìn)的摩擦沉積增材制造方法，其基本原理為通過棒材原料高速旋轉(zhuǎn)并以一定的速度/頂鍛力與待增材構(gòu)件表面摩擦產(chǎn)熱，使棒材端面局部發(fā)生熱塑化并連續(xù)沉積至增材構(gòu)件表面形成固相沉積層。該過程從從原理上避免了熔化式增材制造過程存在的元素?zé)龘p、氣孔裂紋、氧化膜弱連接界面等缺陷，同時(shí)成形過程中增材工具擠壓沉積層起到“鍛造”作用，形成了高強(qiáng)高韌的超細(xì)晶組織，綜合強(qiáng)塑性超越鍛件水平。

2、這一類基于棒材原料的摩擦沉積增材制造在其研發(fā)過程中形成兩個(gè)技術(shù)分支：1其一為無約束的棒材沉積模式，即摩擦堆焊friction?surfacing技術(shù)，這一類辦法對(duì)設(shè)備要求極低，在任何可以開展銑削或攪拌摩擦焊接的數(shù)控機(jī)床上均可以便捷的開展工作，但是由于其端面無任何剛性約束，材料在沉積過程中不可避免地形成卷邊也稱之為飛邊，導(dǎo)致材料利用率極低通常不到50％，且沉積層通常較為粗糙，成形質(zhì)量一般；2針對(duì)前一技術(shù)分支的技術(shù)瓶頸，相關(guān)學(xué)者提出了全剛性約束的棒材沉積模式，即增材式攪拌摩擦沉積additive?friction?stir?deposition技術(shù)，將摩擦堆焊的圓棒改成方棒形式，并通過方棒的尖銳邊緣與一個(gè)型面匹配的剛性約束體同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，方棒的送入則通過一個(gè)末端的推力電缸或油壓缸體實(shí)現(xiàn)，這一改變從根本上避免了卷邊的形成，使得材料利用率大幅度提升，同時(shí)改善了沉積層外觀的成形質(zhì)量，但是由于結(jié)構(gòu)的大幅度改變，特別是同步旋轉(zhuǎn)的剛性約束體和末端推力結(jié)構(gòu)的存在，使得大多數(shù)現(xiàn)有設(shè)備無法通過簡(jiǎn)單的改造開展工作，限制了該類技術(shù)推廣應(yīng)用的潛力。鑒于此，如果能提出一種簡(jiǎn)單且易于施行的約束方式，一方面抑制卷邊的形成，另一方面又具有顯著的易改造低成本特征，同時(shí)兼顧一類諸如低熱輸入或溫控能力的效果，將大大拓展基于棒材原料的摩摩擦沉積增材制造的應(yīng)用廣度和深度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為解決現(xiàn)有基于棒材原料的摩摩擦沉積增材制造兩類技術(shù)分支存在材料利用率低以及改造成本高昂的問題，進(jìn)而提出一種高材料利用率的半剛性約束摩擦增材制造裝置及方法。

2、本發(fā)明為解決上述問題采取的技術(shù)方案是：本發(fā)明所述半剛性約束的摩擦增材制造裝置包括半剛性約束體、溫控配重體、兩個(gè)送絲輪、棒材原料、待增材構(gòu)件和沉積層；

3、沉積層設(shè)置在待增材構(gòu)件的上表面，溫控配重體設(shè)置在沉積層的上表面，半剛性約束體設(shè)置在溫控配重體內(nèi)，且半剛性約束體的下表面與沉積層的上表面貼合，棒材原料的下端穿過溫控配重體上表面的通孔后插入半剛性約束體內(nèi)，兩個(gè)送絲輪對(duì)稱設(shè)置在板材原料的兩側(cè)。

4、進(jìn)一步的，還包括推力滾子軸承；

5、推力滾子軸承的內(nèi)圈同軸固定套裝在棒材原料上，且推力滾子軸承位于半剛性約束體的上表面與溫控配重體的內(nèi)頂面之間。

6、進(jìn)一步的，半剛性約束體的中部設(shè)有貫穿半剛性約束體上下表面的中心孔，中心孔的孔口邊緣設(shè)有上緣倒角。

7、進(jìn)一步的，溫控配重體的中部設(shè)有貫穿溫控配重體上下表面的中心階梯孔，所述中心階梯孔由中心階梯孔上部分和中心階梯孔下部分組成；

8、溫控配重體內(nèi)設(shè)有環(huán)形的液冷內(nèi)流道，溫控配重體的外側(cè)壁對(duì)稱設(shè)有與液冷內(nèi)流道連通的冷卻介質(zhì)流入孔和冷卻介質(zhì)流出孔。

9、本發(fā)明所述一種半剛性約束的摩擦增材制造方法的具體步驟包括：

10、步驟1、將半剛性約束體、溫控配重體、推力滾子軸承同軸裝配，并放置于待增材構(gòu)件起點(diǎn)；

11、步驟2、棒材原料高速旋轉(zhuǎn)并在送料輪的夾緊送入作用下穿過半剛性約束體的中心孔與待增材構(gòu)件摩擦產(chǎn)熱；

12、步驟3、半剛性約束體在棒材原料端面形成徑向約束作用，并結(jié)合溫控配重體的重量，有效地抑制卷邊的形成，提高材料利用率，并形成致密且外觀成形良好的沉積層。

13、本發(fā)明的有益效果是：

14、1、本發(fā)明提出了一種半剛性約束的摩擦增材制造裝置及方法，半剛性約束體在棒材原料端面形成徑向約束作用，并結(jié)合溫控配重體的重量，可以有效地抑制卷邊的形成，提高材料利用率，同時(shí)該半剛性約束體與溫控配重體復(fù)合結(jié)構(gòu)不與數(shù)控機(jī)床相連，不涉及到任何裝備改造，具有顯著的易改造低成本特征；

15、2、本發(fā)明的半剛性約束體在使用過程中不受任何其他動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，無軸向頂鍛力，不存在與待增材構(gòu)件或沉積層之間的摩擦產(chǎn)熱，與增材式攪拌摩擦沉積技術(shù)不同，不會(huì)帶來剛性約束體的額外熱輸入和對(duì)材料的熱損傷；

16、3、本發(fā)明設(shè)計(jì)的溫控配重體可選地通或不通冷卻介質(zhì)，以對(duì)沉積層進(jìn)行冷卻溫控，進(jìn)一步降低了增材制造過程中的熱損傷。

技術(shù)特征：

1.一種高材料利用率的半剛性約束摩擦增材制造裝置，其特征在于，包括半剛性約束體(1)、溫控配重體(2)、兩個(gè)送絲輪(4)、棒材原料(5)、待增材構(gòu)件(6)和沉積層(7)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高材料利用率的半剛性約束摩擦增材制造裝置，其特征在于，還包括推力滾子軸承(3)；

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高材料利用率的半剛性約束摩擦增材制造裝置，其特征在于，半剛性約束體(1)的中部設(shè)有貫穿半剛性約束體(1)上下表面的中心孔(101)，中心孔(101)的孔口邊緣設(shè)有上緣倒角(102)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高材料利用率的半剛性約束摩擦增材制造裝置，其特征在于，溫控配重體(2)的中部設(shè)有貫穿溫控配重體(2)上下表面的中心階梯孔，所述中心階梯孔由中心階梯孔上部分(201)和中心階梯孔下部分(202)組成；

5.一種高材料利用率的半剛性約束摩擦增材制造方法，其特征在于，具體步驟包括：

技術(shù)總結(jié)
一種高材料利用率的半剛性約束摩擦增材制造裝置及方法，它涉及一種半剛性約束摩擦增材制造裝置及方法。本發(fā)明為了解決現(xiàn)有基于棒材原料的摩摩擦沉積增材制造兩類技術(shù)分支存在材料利用率低以及改造成本高昂的問題。本發(fā)明所述裝置包括半剛性約束體、溫控配重體、兩個(gè)送絲輪、棒材原料、待增材構(gòu)件和沉積層；沉積層設(shè)置在待增材構(gòu)件的上表面，溫控配重體設(shè)置在沉積層的上表面，半剛性約束體設(shè)置在溫控配重體內(nèi)，且半剛性約束體的下表面與沉積層的上表面貼合，棒材原料的下端穿過溫控配重體上表面的通孔后插入半剛性約束體內(nèi)，兩個(gè)送絲輪對(duì)稱設(shè)置在板材原料的兩側(cè)。本發(fā)明屬于固相增材制造技術(shù)領(lǐng)域。

技術(shù)研發(fā)人員：謝聿銘,陳霖,張一寧,陳思浩,李峻臣,黃永憲,孟祥晨,趙耀邦
受保護(hù)的技術(shù)使用者：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9