本发明涉及一种摆动式连续进料搅拌摩擦增材制造装置及增材制造方法。
背景技术：
1、在现有的搅拌摩擦增材沉积工艺中，采用的材料包括棒材、丝材、粉末等类型，丝材能够方便地实现连续进给，但由于丝材的刚性较差，易于挤出搅拌头的轴肩。粉末具有成分配置方便的优势，但是对其粒度有较高的要求，导致原料成本较高，且在焊接过程中，出料口易于堵塞。棒材具有原料成本低、效果高等优势，但其在送料方面的连续性较差。
2、在目前，采用棒料作为增材原料时，棒料的下压一般是采用活塞缸，利用活塞缸的活塞杆向下推动棒料，以产生顶锻力，当需要装载另一根棒料时，需要将活塞杆向上提升，才能将下一根棒料送入到搅拌头的中心孔内，在向上提升活塞杆时，会使前一根棒料失去活塞杆对其的压力，导致顶锻力的短暂消失，知道下一根棒料抵压到前一根棒料上，当顶锻力短暂消失时，会造成棒料塑化和沉积的中断，并由此影响增材制造部件的内部质量和外形的几何形状。
3、鉴于上述情况，在使用棒料的搅拌摩擦增材沉积工艺中仍存在下述问题的挑战，例如提高棒料输送的连续性，并由此提高沉积材料的质量。
技术实现思路
1、为解决棒料输送连续性的问题，以提高沉积材料的质量，本技术首先提出了一种摆动式连续进料搅拌摩擦增材制造装置，其包括搅拌机构、压料机构、送料机构和控制系统；该搅拌机构包括一搅拌头和形成在该搅拌头内的下料孔，该下料孔沿竖直方向延伸，搅拌头的下端形成为轴肩，并在轴肩的下端面上设置有搅拌针；在搅拌头上设置有安装部，该安装部用于将搅拌头安装到增材制造设备的转动机构上；下料孔与棒料的横截面均呈正方形，且棒料的横截面的边长较下料孔的横截面的边长短0.2-1mm；
2、该压料机构包括两个送料筒和用于驱动两个送料筒进行摆动的摆动机构，两个送料筒相对倾斜设置，两个送料筒均位于搅拌头的顶部，在摆动机构的带动下，两个送料筒能够依次到达送料位置，当任一送料筒位于送料位置时，该送料筒的内腔与下料孔同轴设置且相互连通；对应于每一送料筒，在该送料筒的顶部均固定安装有一压料活塞缸，压料活塞缸的活塞杆能够伸入到所对应的送料筒内，将送料筒内的棒料压入到下料孔内；两个送料筒分别为第一送料筒和第二送料筒，两个压料活塞缸分别为第一活塞缸和第二活塞缸，第一活塞缸安装在第一送料筒的顶部，第二活塞缸安装在第二送料筒的顶部；
3、该送料机构用于将棒料送入到送料筒内，控制系统用于控制摆动机构的摆动。
4、本技术中，利用两个送料筒的交替使用，以降低下一根棒料进入到下料孔内的时间，当工作状态下的送料筒内的棒料的顶端面下降到与下料孔的上端边缘平齐时，无需使压料活塞缸的活塞杆回缩，即可对两个送料筒的位置进行切换，使得另一个送料筒到达送料位置，并向下料孔内输送下一根棒料。两个送料筒的切换时间决定了相邻两根棒料进入到下料孔内时的间隔时间，在采用自动控制的情况下，常规情况下能够在0.01-0.03秒内完成两个送料筒的切换，而在现有技术中，需要将压料活塞缸的活塞杆完成回缩后，才能将下一根棒料送料系统中，导致相邻两根棒料之间具有较长的间隔时间，该间隔时间的长度主要取决于棒料的长度，棒料越长，活塞杆完成回缩的时间越长，增材系统暂停的时间越长，而采用本技术后，由于两个送料筒的切换时间较短，增材系统无需暂停，可连续工作，利用棒料塑化后的流动性以及轴肩的碾平作用即可弥补由于两根棒料之间的短暂间隔所造成的供料间断。。
5、另外，由于本技术设置了两个送料筒以及相应的压料活塞缸，即使其中一个压料活塞缸由于故障而暂停使用，也能够利用另一个压料活塞缸采用现有的生产工艺来完成生产，避免产品由于无法完成而报废，造成浪费，由于送料筒没有动部件，仅为一个筒状部件，一般不考虑其产生故障的问题。
6、进一步，为便于安装摆动机构，在搅拌头上转动地安装有一支撑盘，摆动机构固定安装在该支撑盘上。利用支撑盘，便于确定摆动机构与搅拌头之间的相对位置，提高作业的便利性，无需在每次作业前，均需要对送料筒与搅拌头之间的位置进行调整。支撑盘用于固定到增材制造设备的固定机构上。
7、具体地，该摆动机构包括一摆动气缸和一摆动架，该摆动气缸固定安装在该支撑盘上，摆动架的一端固定连接到摆动气缸的摆台上，摆动架的另一端固定连接到两个送料筒上。利用摆动气缸能够方便地对两个送料筒的摆动进行控制，其中的摆动架主要起到过渡作用，以便于摆动气缸的摆台能够方便地连接到两个送料筒上。
8、进一步，为避免送料筒和压料活塞缸产生晃动，保证结构的稳定性，在支撑盘上还固定安装有一支撑件，在该支撑件朝向送料筒的一侧设置有一滑槽，在该滑槽内滑动地安装有一滑杆，该滑杆远离支撑件的一端固定在送料筒的顶部，摆动架固定在送料筒的底部。
9、具体地，该送料机构包括两个送料箱，每个送料箱均对应于一个送料筒，在送料筒背离摆动机构的一侧均设置有一进料口，在送料箱的一侧设置有一出料口，送料箱固定安在所对应的送料筒上，并使该出料口连通进料口，该送料箱沿垂直于进料口的方向延伸；在送料箱上设置有推料机构，该推料机构用于将送料箱内的棒料推送到送料筒内。由于每个送料筒均配备了一个送料箱，保证了生产的连续性，即使其中一个送料箱产生故障，仅依靠另一个送料箱也能够依照现有的方式来完成生产，避免未完成加工的产品报废。
10、具体地，该推料机构包括推板和安装在送料箱远离出料口一侧的推料活塞缸，该推料活塞缸的活塞杆固定连接在推板上，推板与出料口之间的空间成为容纳棒料的容纳腔；容纳腔内仅能够容纳一列棒料，在推料活塞缸的推动下，容纳腔内的棒料能够依次进入到所对应的送料筒内。该设计简单实用，制造成本较低，由于在容纳腔内仅能够容纳一列棒料，，能够使棒料顺利地移动到送料筒内。而采用多列棒料时，需要在出料口设置专门调节机构，以避免同一排棒料之间的相互挤压，而无法进入到送料筒内，影响作业的正常进行。
11、具体地，为提高送料筒在转动时的灵活性，搅拌头呈圆柱状，下料孔沿搅拌头的轴向延伸，且搅拌头的顶端面呈半球形，在送料筒的下端面上安装有若干万向滚珠球头，该若干万向滚珠球头环绕送料筒的下端面间隔设置，送料筒经万向滚珠球头支撑在搅拌头上。
12、具体地，两个送料筒之间的夹角为30-60°。夹角太小，易于使两个送料筒的内腔从底部连通，造成两个送料筒内的棒料相互干涉，夹角太大，会降低作业效率。
13、进一步，为提高作业的灵活性，提高作业效率，在第一活塞缸的第一活塞上安装有第一感应磁环，在第二活塞缸的第二活塞上安装有第二感应磁环；该控制系统包括中央处理单元，与中央处理单元连接的第一磁感应开关、第二磁感应开关和摆动机构控制单元，其中：
14、中央处理单元，用于接收第一磁感应开关和第二磁感应开关的信息，并根据信息发出控制指令，控制摆动机构的工作；
15、第一磁感应开关，用于感应第一感应磁环，以检测第一活塞的行程，并向中央处理单元发出信息；
16、第二磁感应开关，用于感应第二感应磁环，以检测第二活塞的行程，并向中央处理单元发出信息；
17、摆动机构控制单元，用于控制摆动机构的工作，以使摆动机构带动两个送料筒进行摆动。
18、其次，本技术还公开了一种增材制造方法，其采用任一项上述的摆动式连续进料搅拌摩擦增材制造装置进行，该增材制造方法包括如下步骤：
19、(1)将轴肩置于基材的待增材区表面，使第一送料筒到达送料位置，然后将棒料经送料机构送入到第一送料筒内，第一活塞缸的活塞杆将第一送料筒内的棒料向下推动，直到棒料抵压在待增材区表面，暂停第一活塞缸；
20、(2)启动搅拌头，使轴肩与基材上表面进行摩擦预热10-25秒，棒料在搅拌头的带动下同步转动；
21、(3)再次启动第一活塞缸，第一活塞缸的活塞杆推动棒料向下移动，使棒料与基材的待增材区之间产生顶锻力，同时向上回抽搅拌头0.2-2.0mm，并使搅拌头沿设定路径进行移动，棒料在摩擦作用下发生热塑化并从下料孔流出，保持搅拌头的旋转，并带动棒料同步转动，棒料热塑化沉积于基材上，并在轴肩的碾平作用下形成增材成形表面，实现待增材区单层材料的堆覆，形成已增材制造层；
22、(4)当第一送料筒内的棒料的顶端面下降到与下料孔的上端边缘平齐时，暂停第一活塞缸，启动摆动机构，使第二送料筒到达送料位置，然后启动第二活塞缸，第二活塞缸的活塞杆将第二送料筒内的棒料推送到下料孔内，并持续向下推动；将第一活塞缸的活塞杆缩回，送料机构将棒料送入到第一送料筒内；或
23、当第一送料筒内的棒料的顶端面下降到与下料孔的上端边缘平齐时，向上提升第一活塞缸的活塞杆，并同时启动摆动机构，使第二送料筒到达送料位置，然后启动第二活塞缸，第二活塞缸的活塞杆将第二送料筒内的棒料推送到下料孔内，并持续向下推动；当第一活塞缸的活塞杆缩回后，暂停并待命，送料机构将棒料送入到第一送料筒内；
24、(5)当第二送料筒内的棒料的顶端面下降到与下料孔的上端边缘平齐时，暂停第二活塞缸，启动摆动机构，使第一送料筒到达送料位置，然后启动第一活塞缸，第一活塞缸的活塞杆将第一送料筒内的棒料推送到下料孔内，并持续向下推动；将第二活塞缸的活塞杆缩回，送料机构将棒料送入到第二送料筒内；或
25、当第二送料筒内的棒料的顶端面下降到与下料孔的上端边缘平齐时，向上提升第二活塞缸的活塞杆，并同时启动摆动机构，使第一送料筒到达送料位置，然后启动第一活塞缸，第一活塞缸的活塞杆将第一送料筒内的棒料推送到下料孔内，并持续向下推动；当第二活塞缸的活塞杆缩回后，暂停并待命，送料机构将棒料送入到第二送料筒内；
26、(6)重复步骤(4)和步骤(5)，在待增材区重复单层材料的堆覆，实现增材过程的连续制造，直至达到所需要的增材高度。
27、本技术中，两个送料筒的交替使用，当工作状态下的送料筒内的棒料的顶端面下降到与下料孔的上端边缘平齐时，无需使压料活塞缸的活塞杆回缩，即可对两个送料筒的位置进行切换，使得另一个送料筒到达送料位置，并向下料孔内输送下一根棒料，由此减少相邻两根棒料进入到下料孔内的间隔时间。两个送料筒的切换时间决定了相邻两根棒料之间的间隔时间，采用自动控制的情况下，常规情况下能够在0.01-0.03秒内完成两个送料筒的切换。而采用现有技术时，需要将压料活塞缸的活塞杆完成回缩后，由于活塞缸是依据棒料的消耗速度设计的，其活塞杆的移动速度较慢，根据棒料的不同长度，通常需要1-5分钟才能使活塞杆完成回缩，然后才能将下一根棒料送料系统中，导致相邻两根棒料之间具有较长的间隔时间，间隔时间的长度主要取决于棒料的长度，棒料越长，活塞杆完成回缩的时间越长，增材系统暂停的时间越长，而采用本技术后，由于两个送料筒的切换时间较短，增材系统无需暂停，可连续工作，利用棒料塑化后的流动性以及轴肩的碾平作用即可弥补由于两根棒料之间的短暂间隔所造成的供料间断。
28、另外，由于本技术设置了两个送料筒以及相应的压料活塞缸，即使其中一个压料活塞缸由于故障，也能够利用另一个压料活塞缸采用现有的生产工艺来完成生产，避免产品由于无法完成而报废，造成浪费，由于送料筒没有动部件，仅为一个筒状部件，一般不考虑其产生故障的问题。