一种搅拌摩擦增材制造工具

1.本发明属于金属材料搅拌摩擦增材制造领域，具体涉及一种搅拌摩擦增材制造工具。

背景技术：

2.搅拌摩擦增材制造(friction stir additive manufacture，fsam)是在搅拌摩擦焊(fsw)基础上提出的新型固相增材技术。其技术原理是利用搅拌头通过搅拌摩擦方式将增材原料塑性化，并进行多层累积成型，最终实现特定构型的增材制造。在医疗、汽车、航空航天制造业等领域都具有广阔应用前景。
3.与熔融增材制造技术相比，基于固相连接的搅拌摩擦增材制造在铝、镁等轻合金的应用中具有特殊优势：其无熔化与凝固过程(温度仅达到熔点的60％到90％)，因此较少出现冶金缺陷，能够适应大型构件对热变形的控制等，具有重要研究价值。在搅拌摩擦增材制造过程中材料发生大塑性变形，并最终在热力耦合作用下形成细小的等轴晶组织，有利于成型件的综合力学性能。此外，固相增材构件的致密度高、残余应力低，增材构件的质量更高，增材过程中不需要特殊的真空腔室或保护气体，灵活性更好，可增材构件的尺寸范围更大、增材速度更快、能耗和成本更低，在大型轻质合金构件的增材制造中具有独特优势。但同时，由于需要大型设备与夹具工装约束，搅拌摩擦增材制造技术应用的灵活性存在一些待解决的问题，尤其是针对复杂小型构件。因此，搅拌摩擦增材制造的应用领域更偏向于大型板件为基础构件的增材制造。
4.但在传统的搅拌摩擦增材制造中，成型件边缘处存在大量的飞边与弱连接等缺陷，不仅使得增材构件性能与尺寸不理想，并且限制了增材的自由度使其只能沿垂直方向进行增材加工。因此设计出一种能够优化搅拌摩擦增材制造中常见缺陷、并提高增材构件质量的增材工具具有重要意义。

技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，为提高搅拌摩擦增材制造构件的质量，本发明专利的目的在于提供一种用于搅拌摩擦增材制造的工具，消除边缘的飞边与弱连接缺陷；并且不再受限于只能在垂直方向上进行，亦可通过搭接方式在水平方向实现增材加工。
6.根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
7.一种搅拌摩擦增材制造工具，包括驱动部、夹持柄和搅拌头，所述夹持柄上端面与驱动部连接，其下端面固定安装搅拌头，工具主体内部设有增材原料输送通道，所述增材原料输送通道沿工具主体轴向贯穿夹持柄和搅拌头，其特征在于：所述搅拌头为圆柱形轴肩，其下端面沿周向设置有多个水平破碎部，用于消除增材制造缺陷。
8.作为本发明所述的一种搅拌摩擦增材制造工具的优选方案，其中：所述多个水平破碎部被配置成径向凹槽。
9.作为本发明所述的一种搅拌摩擦增材制造工具的优选方案，其中：所述径向凹槽
的数量为三个，沿着圆柱形轴肩下端面周向均匀分布。
10.作为本发明所述的一种搅拌摩擦增材制造工具的优选方案，其中：所述径向凹槽贯穿圆柱形轴肩下端面周向，径向凹槽轴线垂直于工具主体轴线设置。
11.作为本发明所述的一种搅拌摩擦增材制造工具的优选方案，其中：所述径向凹槽为弧形凹槽，弧形凹槽体积为同高度圆柱形轴肩体积的三分之一，对应圆心角为120
°
。
12.作为本发明所述的一种搅拌摩擦增材制造工具的优选方案，其中：所述弧形凹槽对应半径为11.94mm，弧形凹槽顶部深度5.97mm。
13.作为本发明所述的一种搅拌摩擦增材制造工具的优选方案，其中：所述圆柱形轴肩直径为a，满足关系式a＞20mm。
14.作为本发明所述的一种搅拌摩擦增材制造工具的优选方案，其中：所述增材原料输送通道为与圆柱形轴肩同圆心的圆柱形通道，圆柱形通道直径小于圆柱形轴肩直径。
15.有益效果
16.本发与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
17.1.采用本发明设计的搅拌摩擦增材制造工具，相对于传统设计的轴肩进行搅拌摩擦增材制造加工，多个水平破碎部被配置成凹槽后，圆柱形轴肩底部的凹槽特征可以极大程度增加了材料的流动性，并且在轴肩下方不同增材层材料混合也更加充分而形成楔形结构，使得新增材层与原始累积层混合更充分从而消除增材层间未结合、弱连接等缺陷，消除了增材制造构件存在的明显分层特征。
18.2.采用本发明设计的搅拌摩擦增材制造工具，设计的多个水平破碎部被配置成凹槽后可起到破碎增材构件边缘飞边的作用，因此本工具具备了在水平方向进行增材加工的功能，通过搭接方式在水平方向上实现铺展，且本工具操作简便、可靠性高，增材效率高、效果好。
19.3.采用本发明设计的搅拌摩擦增材制造工具，水平破碎部配置成凹槽的形状以及水平方向布局、结合具体应用环境设置的尺寸限定等综合技术特征，达到了上述效果。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。
21.图1是本发明搅拌摩擦增材制造工具的模型图；
22.图2是本发明搅拌摩擦增材制造工具的正视图；
23.图3是本发明搅拌摩擦增材制造工具的仰视图
24.图4是搅拌摩擦增材制造工作原理示意图。
25.图中：1为夹持柄，2为圆柱形轴肩，3为增材原料输送通道，4为凹槽，5为增材原料，6为增材组织，7基材。
具体实施方式
26.下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解
为对本发明的限制。
27.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
28.实施例1
29.一种搅拌摩擦增材制造工具，包括驱动部、夹持柄1和圆柱形轴肩2，所述夹持柄1上端与驱动部连接，夹持柄1下端面固定安装圆柱形轴肩2，工具主体内部设有增材原料输送通道3，所述增材原料输送通道3沿工具主体轴向贯穿夹持柄1和圆柱形轴肩2，圆柱形轴肩2下端面沿周向设置有多个水平破碎部，用于消除增材制造缺陷。
30.更具体地，圆柱形轴肩2直径为a＞20mm，所述增材原料输送通道3为与圆柱形轴肩2同圆心的圆柱形通道，其直径为b＜a，直径可根据增材原料具体尺寸而进行尺寸设计。
31.本技术在于圆柱形轴肩2的结构特征设计，而圆柱形轴肩2仅作为一种增材制造加工的刀具，即搅拌摩擦增材制造中所使用的旋转非消耗性刀具，通过旋转摩擦来生成热量使材料达到塑性变形，进料则是通过轴肩中心增材原料输送通道添加。
32.需要说明的是，在搅拌摩擦焊中，本技术中的搅拌摩擦增材制造工具整体可实现搅拌作用，起到摩擦产热的作用。
33.由于圆柱形轴肩2在实际应用中可能会连接于不同型号的设备，夹持柄1本身可进行不同的变形设置，以满足加工需求，所以认为夹持柄1不受附图中所限定形状的描述。当然，也可根据装夹需要，合理设置夹持柄1的结构特征，以满足夹持要求为准。
34.本实施例中搅拌摩擦增材制造工具中多个水平破碎部的设置，可起到破碎增材构件边缘飞边的作用，相对于传统的因此本工具具备了在水平方向进行增材加工的功能。
35.实施例2
36.一种搅拌摩擦增材制造工具，本实施例中，相同技术特征参见实施例1，暂不赘述，不同技术特征体现在：多个水平破碎部被配置成凹槽，具体地，在圆柱形轴肩下端面配置径向凹槽4，径向凹槽4贯穿圆柱形轴肩2整体，径向凹槽4优选为弧形凹槽
37.设定径向凹槽4贯穿圆柱形轴肩2下端面周向，径向凹槽4轴线垂直于工具主体轴线设置，数量为三个，优选为沿着轴圆柱形轴肩2下端面周向均布；凹槽体积约为同高度圆柱形轴肩2体积的三分之一。
38.本实施例所采用的优选方案尺寸设定为，圆柱形轴肩2外径28mm，内径14mm；弧形凹槽所对应圆心角为120
°
，半径为11.94mm，弧形凹槽顶部深度5.97mm。
39.本技术的搅拌摩擦增材制造工具在使用时，根据夹持，合理调整对夹持柄1的夹持后，配合采用增材原料输送通道3,将金属粉末或丝材或棒材填入旋转的圆柱形轴肩2,在进料力和工具圆柱形轴肩2的搅拌摩擦共同作用下,使填入的材料热塑化并向下迁移、沉积,且工具圆柱形轴肩2沿着预定轨迹移动从而形成增材沉积层,圆柱形轴肩2下端面设置的径向凹槽4使得新增材层与原始累积层混合更充分，同时破碎增材构件边缘所形成的飞边。完成后操作工具的圆柱形轴肩2上移并进行下一层增材制造工序,如此反复,最终成形出所需的增材构件。
40.本技术的搅拌摩擦增材制造工具中，设计的多个水平破碎部被配置成凹槽后，圆柱形轴肩底部的凹槽特征可以极大程度增加了材料的流动性，使得新增材层与原始累积层混合更充分从而消除弱连接缺陷，凹槽特征亦可起到破碎增材构件边缘飞边的作用，因此本工具具备了在水平方向进行增材加工的功能。利用本技术的搅拌摩擦增材制造工具，使得搅拌摩擦增材制造不在受限于只能在垂直方向进行，还可通过搭接方式在水平方向上实现铺展，且本工具操作简便、可靠性高，增材效率高、效果好。
41.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：

1.一种搅拌摩擦增材制造工具，包括驱动部、夹持柄和搅拌头，所述夹持柄上端面与驱动部连接，其下端面固定安装搅拌头，工具主体内部设有增材原料输送通道，所述增材原料输送通道沿工具主体轴向贯穿夹持柄和搅拌头，其特征在于：所述搅拌头为圆柱形轴肩，其下端面沿周向设置有多个水平破碎部，用于消除增材制造缺陷。2.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦增材制造工具，其特征在于：所述多个水平破碎部被配置成径向凹槽。3.根据权利要求2所述的一种搅拌摩擦增材制造工具，其特征在于：所述径向凹槽的数量为三个，沿着圆柱形轴肩下端面周向均匀分布。4.根据权利要求2所述的一种搅拌摩擦增材制造工具，其特征在于：所述径向凹槽贯穿圆柱形轴肩下端面周向，径向凹槽轴线垂直于工具主体轴线设置。5.根据权利要求2所述的一种搅拌摩擦增材制造工具，其特征在于：所述径向凹槽为弧形凹槽，弧形凹槽体积为同高度圆柱形轴肩体积的三分之一，对应圆心角为120
°
。6.根据权利要求5所述的一种搅拌摩擦增材制造工具，其特征在于：所述弧形凹槽对应半径为11.94mm，弧形凹槽顶部深度5.97mm。7.根据权利要求5所述的一种搅拌摩擦增材制造工具，其特征在于：所述圆柱形轴肩直径为a，满足关系式a＞20mm。8.根据权利要求1-7任一项所述的一种搅拌摩擦增材制造工具，其特征在于：所述增材原料输送通道为与圆柱形轴肩同圆心的圆柱形通道，圆柱形通道直径小于圆柱形轴肩直径。

技术总结

本发明属于金属材料搅拌摩擦增材制造领域，具体涉及一种搅拌摩擦增材制造工具，包括驱动部、夹持柄和搅拌头，夹持柄上端面与驱动部连接，其下端面固定安装搅拌头，工具主体内部设有增材原料输送通道，增材原料输送通道沿工具主体轴向贯穿夹持柄和搅拌头，搅拌头为圆柱形轴肩，其下端面沿周向设置有多个水平破碎部，用于消除焊接缺陷。增材制造工具水平破碎部配置成凹槽形状以及水平方向布局、尺寸限定等技术特征，增加了材料流动性，使得不同增材层材料混合充分而消除增材层间未结合、弱连接等缺陷，消除明显分层特征；能够破碎增材构件边缘飞边，在水平方向进行增材加工功能，通过搭接方式在水平方向上实现铺展，操作简便、可靠性高，增材效率高。增材效率高。增材效率高。