一种电弧熔丝辅助搅拌摩擦增材制造装置及方法

本发明涉及一种搅拌摩擦增材制造装置及方法，属于增材制造。

背景技术：

1、搅拌摩擦增材制造是源于搅拌摩擦焊接的一种新型固相增材制造方法，具有增材温度低、塑性变形剧烈、增材区组织细小及力学性能高等优点，可实现铝合金、镁合金或钛合金等轻质材料的高性能增材制造。目前，增材制造方法主要分为四类：丝材进给式、板材进给式、棒材进给式和粉末进给式。丝材进给式如：公开号为cn113172331a，发明创造名称为一种连续进给送料搅拌摩擦增材制造装置及增材制造方法，通过较大的摩擦热使剪切的丝材热塑化，并通过搅拌头的“锻造”作用，使热塑性材料沉积在基体上，实现搅拌摩擦增材制造；板材进给式如：公开号为cn113042876a，发明创造名称为一种预置异质金属夹层的搅拌摩擦增材制造方法，以预制板材逐层搅拌摩擦搭接焊为主要特点，搭接界面存在弱连接等缺陷，降低力学性能；棒材进给式如：公开号为cn105397276a，发明创造名称为一种搅拌摩擦焊增材制造棒材的方法，或者粉末进给式如：公开号为cn113118612a，发明创造名称为一种颗粒式搅拌摩擦增材制造装置及方法，两者通过施加在棒材/粉末上的载荷促进增材棒材/粉末与基体产生较大的界面摩擦热，促进材料塑性流动，使热塑性材料沉积在基体上，实现搅拌摩擦增材制造。

2、但是，当前的增材方式制造的增材构件仅中心区域为晶粒细小的致密组织，需要进行二次减材加工处理，材料利用率较低；对于实现铜、钢等重金属及其合金的增材制造较为困难。此外，现有的搅拌摩擦增材制造技术由于轴向力过大而在增材制造过程中需要支撑，实现悬空增材构件的制造较为困难，极大地制约大尺寸构件的搅拌摩擦增材制造的发展。

3、因此，亟需提出一种电弧熔丝辅助搅拌摩擦增材制造装置及方法，以解决上述技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有增材制造技术材料利用率低的问题，提供一种电弧熔丝辅助搅拌摩擦增材制造装置及方法，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

2、本发明的技术方案：

3、一种电弧熔丝辅助搅拌摩擦增材制造装置，包括电弧熔丝沉积模块、高速电主轴、搅拌摩擦处理模块和侧向搅拌摩擦处理模块，增材构件与电弧熔丝沉积模块、搅拌摩擦处理模块建立配合，高速电主轴的输出端与搅拌摩擦处理模块建立连接，丝材原料分别与电弧熔丝沉积模块建立配合。

4、优选的：增材构件包括基板和增材制造层，电弧熔丝沉积模块包括送丝装置和电弧熔丝沉积装置，送丝装置将丝材原料从阻尼丝盘中抽出并送入到基板与电弧熔丝沉积装置之间，电弧熔丝沉积装置为丝材的熔敷提供热源，使丝材熔化并沉积为增材制造层。

5、优选的：搅拌摩擦处理模块包括第一夹持部分、第一轴肩部分和第一搅拌针部分，第一夹持部分、第一轴肩部分和第一搅拌针部分顺次连接，高速电主轴的输出端与第一夹持部分连接。

6、优选的：侧向搅拌摩擦处理模块为侧向搅拌摩擦处理模块，侧向搅拌摩擦处理模块包括第二夹持部分、第二轴肩部分和第二搅拌针部分，第二夹持部分、第二轴肩部分、第二搅拌针部分顺次同轴连接，第二夹持部分与高速电主轴的输出端连接。

7、优选的：侧向搅拌摩擦处理模块为侧向搅拌摩擦处理模块，侧向搅拌摩擦处理模块包括第三搅拌部分和第三轴肩部分，第三搅拌部分为圆柱形，第三轴肩部分为半圆环形，第三搅拌部分的外表面与第三轴肩部分连接，第三搅拌部分的底面与第三轴肩部分的底面位于同一平面，第三搅拌部分的顶面高于第三轴肩部分的顶面，旋转部分上部与高速电主轴输出端连接。

8、一种电弧熔丝辅助搅拌摩擦增材制造方法，包括以下步骤：

9、s1:采用电弧熔丝沉积方法，沿多种路径送丝和沉积丝材实现增材制造；

10、s2:采用搅拌摩擦处理模块，搅拌摩擦处理该增材层；

11、s3:重复进行步骤s1、步骤s2的电弧熔丝沉积和搅拌摩擦处理的组合工艺，增材至所需高度；

12、s4:增材完成后，对称地使用两个侧向搅拌摩擦处理模块搅拌摩擦处理增材制造层侧面，进行对金属的加工改性。

13、优选的：s1中，丝材原料被送丝装置从阻尼丝盘输送至电弧熔丝沉积装置与基板或增材制造层的间隙处，送丝装置送丝速度0m/min～100m/min，电弧熔丝沉积装置连续摆动并向前移动；

14、s2中，由高速电主轴带动搅拌摩擦处理模块进行高速旋转，通过摩擦发热搅拌摩擦处理材制造层的增材层，使该增材层中心至边缘均由晶粒细小的致密组织构成；

15、s2、s4中，高速电主轴旋转速度0r/min～10000r/min，旋转圆跳动不大于0.10mm。

16、优选的：s2中，第一轴肩部分用于实现增材制造层的抹平，形成表面结构平稳的增材制造层，第一搅拌针部分用于均匀混合多层增材制造层材料并使其加工改性。

17、优选的：s4中，使对称的两个侧向搅拌摩擦处理模块的第二轴肩部分端部表面与增材制造层侧表面重合，第二搅拌针部分在高速电主轴的带动下高速旋转，通过摩擦发热搅拌摩擦处理增材制造层侧面，使增材制造层完全由晶粒细小的致密组织构成。

18、优选的：s4中，使对称的两个侧向搅拌摩擦处理模块的第三轴肩部分侧端面表面与增材制造层侧表面重合，旋转部分在高速电主轴的带动下高速旋转，通过摩擦发热搅拌摩擦处理增材制造层侧面，使增材制造层完全由晶粒细小的致密组织构成。

19、本发明具有以下有益效果：

20、1.本发明通过双搅拌针的搅拌头设计和侧向搅拌摩擦处理的方法，路径送丝设计和搅拌摩擦处理的方法结合，实现了增材构件全部由晶粒细小、机械性能良好的致密组织构成，无需进行减材加工，材料利用率达到100％；

21、2.本发明通过锯齿形等路径送丝设计和搅拌摩擦处理的方法，省略了铣削加工增材层的步骤，优化简化操作，实现了平缓表面增材层的一次成形，从而提高增材制造的效率；

22、3.本发明通过电弧熔丝沉积辅以搅拌摩擦处理的方法，突破了传统搅拌摩擦增材制造由于轴向力过大而在增材制造过程中需要支撑的问题，可以实现悬空增材制造构件的一体化成形。

23、4.本发明可应用于各种金属材料构件的增材制造，如铜、钢、铝、镁、钛等金属及其合金，具有广泛且良好的适用性。

技术特征：

1.一种电弧熔丝辅助搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于：包括电弧熔丝沉积模块(1)、高速电主轴(2)、搅拌摩擦处理模块(3)和侧向搅拌摩擦处理模块(4)，增材构件(6)与电弧熔丝沉积模块(1)、搅拌摩擦处理模块(3)建立配合，高速电主轴(2)的输出端与搅拌摩擦处理模块(3)建立连接，丝材原料(5)分别与电弧熔丝沉积模块(1)建立配合。

2.根据权利要求1所述的一种电弧熔丝辅助搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于：增材构件(6)包括基板(601)和增材制造层(602)，电弧熔丝沉积模块(1)包括送丝装置(101)和电弧熔丝沉积装置(102)，送丝装置(101)将丝材原料(5)从阻尼丝盘中抽出并送入到基板(601)与电弧熔丝沉积装置(102)之间，电弧熔丝沉积装置(102)为丝材的熔敷提供热源，使丝材熔化并沉积为增材制造层(602)。

3.根据权利要求2所述的一种电弧熔丝辅助搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于：搅拌摩擦处理模块(3)包括第一夹持部分(301)、第一轴肩部分(302)和第一搅拌针部分(303)，第一夹持部分(301)、第一轴肩部分(302)和第一搅拌针部分(303)顺次连接，高速电主轴(2)的输出端与第一夹持部分(301)连接。

4.根据权利要求3所述的一种电弧熔丝辅助搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于：侧向搅拌摩擦处理模块(4)为侧向搅拌摩擦处理模块(4a)，侧向搅拌摩擦处理模块(4a)包括第二夹持部分(4a01)、第二轴肩部分(4a02)和第二搅拌针部分(4a03)，第二夹持部分(4a01)、第二轴肩部分(4a02)、第二搅拌针部分(4a03)顺次同轴连接，第二夹持部分(4a01)与高速电主轴(2)的输出端连接。

5.根据权利要求3所述的一种电弧熔丝辅助搅拌摩擦增材制造装置，其特征在于：侧向搅拌摩擦处理模块(4)为侧向搅拌摩擦处理模块(4b)，侧向搅拌摩擦处理模块(4b)包括第三搅拌部分(4b01)和第三轴肩部分(4b02)，第三搅拌部分(4b01)为圆柱形，第三轴肩部分(4b02)为半圆环形，第三搅拌部分(4b01)的外表面与第三轴肩部分(4b02)连接，第三搅拌部分(4b01)的底面与第三轴肩部分(4b02)的底面位于同一平面，第三搅拌部分(4b01)的顶面高于第三轴肩部分(4b02)的顶面，旋转部分(4b01)上部与高速电主轴输出端连接。

6.一种电弧熔丝辅助搅拌摩擦增材制造方法，其特征在于：采用权利要求1-5任一项所述的一种电弧熔丝辅助搅拌摩擦增材制造装置，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种电弧熔丝辅助搅拌摩擦增材制造方法，其特征在于：s1中，丝材原料(5)被送丝装置(101)从阻尼丝盘输送至电弧熔丝沉积装置(102)与基板(601)或增材制造层(602)的间隙处，送丝装置(101)送丝速度0m/min～100m/min，电弧熔丝沉积装置(102)连续摆动并向前移动；

8.根据权利要求7所述的一种电弧熔丝辅助搅拌摩擦增材制造方法，其特征在于：s2中，第一轴肩部分(302)用于实现增材制造层(602)的抹平，形成表面结构平稳的增材制造层(602)，第一搅拌针部分(303)用于均匀混合多层增材制造层(602)材料并使其加工改性。

9.根据权利要求8所述的一种电弧熔丝辅助搅拌摩擦增材制造方法，其特征在于：s4中，使对称的两个侧向搅拌摩擦处理模块(4a)的第二轴肩部分(4a02)端部表面与增材制造层(602)侧表面重合，第二搅拌针部分(4a03)在高速电主轴(2)的带动下高速旋转，通过摩擦发热搅拌摩擦处理增材制造层(602)侧面，使增材制造层(602)完全由晶粒细小的致密组织构成。

10.根据权利要求8所述的一种电弧熔丝辅助搅拌摩擦增材制造方法，其特征在于：s4中，使对称的两个侧向搅拌摩擦处理模块(4b)的第三轴肩部分(4b02)侧端面表面与增材制造层(602)侧表面重合，旋转部分(4b01)在高速电主轴(2)的带动下高速旋转，通过摩擦发热搅拌摩擦处理增材制造层(602)侧面，使增材制造层(602)完全由晶粒细小的致密组织构成。

技术总结
本发明涉及一种电弧熔丝辅助搅拌摩擦增材制造装置及方法，属于增材制造技术领域。本发明的目的是为了解决现有增材制造技术材料利用率低的问题。包括电弧熔丝沉积模块、高速电主轴、搅拌摩擦处理模块和侧向搅拌摩擦处理模块，增材构件与电弧熔丝沉积模块、搅拌摩擦处理模块建立配合，高速电主轴的输出端与搅拌摩擦处理模块建立连接，丝材原料分别与电弧熔丝沉积模块建立配合。本发明通过锯齿形等路径送丝设计和搅拌摩擦处理的方法，实现了平缓表面增材层的一次成形，从而提高增材制造的效率，同时结合侧向搅拌摩擦处理，实现了增材构件全部由晶粒细小、机械性能良好的致密组织构成，无需进行减材加工，材料利用率达到100％。

技术研发人员：谢聿铭,王艺霏,黄永宪,孟祥晨,刘恒良,秦志伟,马潇天
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15