CN113275735A - 一种旋转摩擦挤压辅助电磁脉冲增材装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转摩擦挤压辅助电磁脉冲增材装置及方法，包括工件、位于工件下方的旋转摩擦挤压支撑机构和位于工件正上方的电磁头，旋转摩擦挤压支撑机构包括第一支撑杆、第二支撑杆和第三支撑杆，第一支撑杆竖直，第二支撑杆倾斜，第二支撑杆的底端与第一支撑杆的顶端固连，旋转摩擦挤压传动机构能够驱动第一支撑杆绕自身轴线转动，第三支撑杆的底端与第二支撑杆的顶端铰接，弹簧的顶端与第三支撑杆的顶部固连，弹簧的底端与第二支撑杆的底端固连，第三支撑杆的顶端固设有摩擦头，摩擦头能够与工件的底面紧密接触；电磁头中设置有电磁线圈，电磁线圈电连接有电容和放电电路。本发明能够快速消除电磁脉冲增材界面处的微裂纹、空洞等缺陷。

Description

一种旋转摩擦挤压辅助电磁脉冲增材装置及方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种旋转摩擦挤压辅助电磁脉冲增材装置及方法。

背景技术

电磁脉冲增材技术是一种利用外加磁场作为能量输入进行金属增材的高速冲击固态连接技术，能够有效实现异种金属的连接连接增材。其增材过程中速度快，无污染，几乎没有热影响区，增材界面处能有效抑制金属间化合物的产生。作为一种新型、环保、高效的固相增材连接技术，在航空航天和汽车行业具有非常大的应用前景。但增材过程中表面处理要求严格，界面处容易出现孔洞、气穴、裂纹等微观缺陷，降低增材零件的性能。

为了消除电磁脉冲增材界面处的微裂纹、空洞等缺陷，专利：一种用于在增材制造工艺中使用冲击焊接成形的方法(ZL201780007332.4)中通过夹断线材的方式减小增材面积，提高增材件的性能，该方法包括提供具有位于护套内的粉末填充金属芯的线材，然后将线材***具有开口的导管内。之后提供一个能量脉冲(电磁脉冲或激光脉冲)与护套相互作用以夹断线材的一段，其中能量脉冲使段以足够的速度朝向基底推进，粉末填充金属芯焊接至基底；但这种增材方法效率较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种旋转摩擦挤压辅助电磁脉冲增材装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高消除电磁脉冲增材界面处的微裂纹、空洞等缺陷的效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种旋转摩擦挤压辅助电磁脉冲增材装置，包括工件、位于所述工件下方的旋转摩擦挤压支撑机构和位于所述工件正上方的电磁头，所述旋转摩擦挤压支撑机构包括第一支撑杆、第二支撑杆和第三支撑杆，所述第一支撑杆竖直，所述第二支撑杆倾斜，所述第二支撑杆的底端与所述第一支撑杆的顶端固连，旋转摩擦挤压传动机构能够驱动所述第一支撑杆绕自身轴线转动，所述第三支撑杆的底端与所述第二支撑杆的顶端铰接，弹簧的顶端与所述第三支撑杆的顶部固连，所述弹簧的底端与所述第二支撑杆的底端固连，所述第三支撑杆的顶端固设有摩擦头，所述摩擦头能够与所述工件的底面紧密接触；所述电磁头中设置有电磁线圈，所述电磁线圈电连接有电容和放电电路。

优选的，所述旋转摩擦挤压传动机构包括外壳、驱动电机和传动轴，所述驱动电机固设在所述外壳内，所述传动轴与所述外壳转动配合，所述驱动齿轮的输出轴上固设有主动齿轮，所述传动轴上固设有与所述主动齿轮啮合的被动齿轮，所述传动轴上还固设有主动锥齿轮，所述第一支撑杆的底端固设有与所述主动锥齿轮啮合的被动锥齿轮，所述第一支撑杆与所述外壳转动配合。

优选的，还包括底座、升降机构、升降台和工作台，所述升降机构固设在所述底座上，所述升降机构能够驱动所述升降台进行升降，所述工作台设置在所述升降台上，所述工作台能够相对所述升降台进行X方向和Y方向的滑动。

优选的，还包括固设在所述底座上的箱体支架，所述电磁头固设在所述箱体支架上；所述外壳一端与所述箱体支架固定连接。

优选的，还包括两个竖直设置的工件固定板，所述工件固定板与所述工作台滑动配合，两个所述工件固定板间隔且平行设置；所述工件的两端分别固定在两个所述工件固定板的顶端。

优选的，所述旋转摩擦挤压传动机构和所述旋转摩擦挤压支撑机构均位于两个所述工件固定板之间。

优选的，两个所述工件固定板的顶端分别通过螺栓连接有夹板，所述夹板和所述工件固定板能够将所述工件的端部夹紧。

优选的，每个所述工件固定板的底端均固设有两个滑块，所述工作台的顶面设置有两个滑槽，两个所述滑槽与同一个所述工件固定板上的两个所述滑块一一对应，所述滑块与对应的所述滑槽滑动配合。

本发明还提供一种旋转摩擦挤压辅助电磁脉冲增材方法，包括以下步骤：

(1)将第一平板工件放置在两个工件固定板上，并用夹板将所述第一平板工件的两端夹紧；通过旋转摩擦挤压传动机构驱动旋转摩擦挤压支撑机构旋转，所述第一平板工件在摩擦头的高速旋转挤压作用下预成形，形成曲面工件；在所述预成形的过程中通过移动工作台来移动所述第一平板工件的位置以增强所述第一平板工件的预成形效果；

(2)然后在所述曲面工件上放置第二平板工件，并通过电磁线圈产生的电磁力使后加入的第二平板工件与所述曲面工件形成冶金结合，形成复合板；

(3)继续通过旋转摩擦挤压传动机构驱动旋转摩擦挤压支撑机构旋转，摩擦头高速旋转并挤压所述复合板达到所需要的精确的形状。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明的旋转摩擦挤压辅助电磁脉冲增材装置能够快速消除电磁脉冲增材界面处的微裂纹、空洞等缺陷。本发明的旋转摩擦挤压辅助电磁脉冲增材装置，通过上方电磁头产生的电磁力完成复杂曲面增材，下方通过摩擦头剧烈地摩擦挤压作用，使被加工材料局部发生剧烈地塑性变形、混合、破碎，可以实现微观结构的致密化、均匀化和细化。在电磁脉冲增材界面上可以消除界面处的微裂纹、孔洞等缺陷，还可以细化晶粒，从而提高材料的性能；并且在增材中，下方的摩擦头还起到支撑的作用。

附图说明

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获得其他的附图。

图1为本发明旋转摩擦挤压辅助电磁脉冲增材装置的结构示意图；

图2为本发明旋转摩擦挤压辅助电磁脉冲增材装置的部分结构示意图一；

图3为本发明旋转摩擦挤压辅助电磁脉冲增材装置的部分结构示意图二；

图4为利用本发明旋转摩擦挤压辅助电磁脉冲增材装置进行增材制造的流程图；

其中：100、旋转摩擦挤压辅助电磁脉冲增材装置；1、电磁头；101、电磁线圈；2、工件；3、夹板；4、旋转摩擦挤压支撑机构；5、旋转摩擦挤压传动机构；6、工作台；601、滑槽；7、底座；8、升降机构；9、升降台；10、箱体支架；11、工件固定板；1101、滑块；401、摩擦头；402、弹簧；403、连接杆；404、被动锥齿轮；405、第一支撑杆；406、第二支撑杆；407、第三支撑杆；501、外壳；502、主动锥齿轮；503、传动轴；504、主动齿轮；505、驱动电机；506、被动齿轮。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种旋转摩擦挤压辅助电磁脉冲增材装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高消除电磁脉冲增材界面处的微裂纹、空洞等缺陷的效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1至图4所示：本实施例提供了一种旋转摩擦挤压辅助电磁脉冲增材装置100，包括底座7、箱体支架10、升降机构8、升降台9、工作台6、工件2、位于工件2下方的旋转摩擦挤压支撑机构4和位于工件2正上方的电磁头1，电磁头1固设在箱体支架10上；升降机构8和箱体支架10分别固设在底座7上，升降机构8能够驱动升降台9进行升降，工作台6设置在升降台9上，工作台6能够相对升降台9进行X方向和Y方向的滑动；

旋转摩擦挤压支撑机构4包括第一支撑杆405、第二支撑杆406和第三支撑杆407，第一支撑杆405竖直，第二支撑杆406倾斜，第二支撑杆406的底端与第一支撑杆405的顶端固连，旋转摩擦挤压传动机构5能够驱动第一支撑杆405绕自身轴线转动，第三支撑杆407的底端与第二支撑杆406的顶端铰接，弹簧402的顶端与第三支撑杆407的顶部固连，弹簧402的底端与第二支撑杆406的底端固连，第三支撑杆407的顶端固设有摩擦头401，摩擦头401能够与工件2的底面紧密接触。旋转摩擦挤压传动机构5包括外壳501、驱动电机505和传动轴503，外壳501一端与箱体支架10固定连接，在增材的过程中，电磁头1和摩擦头401可以保持相对位置不动，从而只需要移动工作台即可完成增材的过程。驱动电机505固设在外壳501内，传动轴503与外壳501转动配合，驱动齿轮的输出轴上固设有主动齿轮504，传动轴503上固设有与主动齿轮504啮合的被动齿轮506，传动轴503上还固设有主动锥齿轮502，第一支撑杆405的底端固设有与主动锥齿轮502啮合的被动锥齿轮404，第一支撑杆405与外壳501转动配合。

电磁头1中设置有电磁线圈101，电磁线圈101电连接有电容和放电电路。电磁脉冲成形原理：能量储存在电容器中，放电开关瞬间闭合，电容、线圈以及放电电路构成RLC震荡电路，工作线圈中就会有瞬态的大交变电流流过，产生强的交变磁场。根据电磁感应定律和趋肤效应，此磁场会在金属表面产生与线圈电流相反的感应电流，感应电流也会产生感应磁场，阻止线圈的磁场穿透工件2。线圈与工件2之间产生随时间变化的相互排斥的磁场力，工件2在这种磁场力的作用下高速变形。高压开关闭合后，电容中储存的能量瞬间释放，成形线圈中会通过强大的脉冲电流，由于电磁感应，外层工件2表面形成涡流。在电磁力的作用下，外层工件2高速撞向内层工件2，碰撞力可达到GPa，使两工件2表层原子紧密接触达到冶金结合。电磁脉冲在实现两板件之间的冶金结合时，由于速度快，难免会在结合界面处产生局部未熔合区域，因此通过旋转摩擦挤压来产生局部塑化变形，消除未熔合区。

本实施例旋转摩擦挤压辅助电磁脉冲增材装置100还包括两个竖直设置的工件固定板11，工件固定板11与工作台6滑动配合，两个工件固定板11间隔且平行设置；工件2的两端分别固定在两个工件固定板11的顶端。旋转摩擦挤压传动机构5和旋转摩擦挤压支撑机构4均位于两个工件固定板11之间。两个工件固定板11的顶端分别通过螺栓连接有夹板3，夹板3和工件固定板11能够将工件2的端部夹紧。每个工件固定板11的底端均固设有两个滑块1101，工作台6的顶面设置有两个滑槽601，两个滑槽601与同一个工件固定板11上的两个滑块1101一一对应，滑块1101与对应的滑槽601滑动配合。

如图4所示，本实施例还提供一种利用上述旋转摩擦挤压辅助电磁脉冲增材装置100进行旋转摩擦挤压辅助电磁脉冲增材的方法，包括以下步骤：

(1)将第一平板工件a放置在两个工件固定板11上，并用夹板3将第一平板工件a的两端夹紧；通过旋转摩擦挤压传动机构5驱动旋转摩擦挤压支撑机构4旋转，第一平板工件a在摩擦头401的高速旋转挤压作用下预成形，形成曲面工件；在预成形的过程中通过移动工作台6来移动第一平板工件a的位置以增强第一平板工件a的预成形效果；

(2)然后在曲面工件上放置第二平板工件b，并通过电磁线圈产生的电磁力使后加入的第二平板工件b与曲面工件形成冶金结合，形成复合板；

(3)继续通过旋转摩擦挤压传动机构5驱动旋转摩擦挤压支撑机构4旋转，摩擦头401高速旋转并挤压复合板达到所需要的精确的形状。

由于电磁头1产生的电磁力较大，在自由成形时容易造成下方的工件2变形，因此在工件2底部施加旋转摩擦挤压支撑，辅助电磁脉冲增材制造，并且可以实现实现薄板工件2增材后的进一步自由曲面精确成形；由于在电磁脉冲增材过程中不可避免地会在界面处产生未熔合区，本实施例通过旋转摩擦挤压的方式，促使界面处的金属发生局部塑形变形，以减弱甚至消除在增材过程中产生的未熔合区；利用旋转摩擦挤压支撑为柔性支撑，在摩擦头401和连接杆403之间设有弹簧402减震，避免增材过程中的刚性冲击导致传动机构失效。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“顶”、“底”、“竖直”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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种旋转摩擦挤压辅助电磁脉冲增材装置，其特征在于：包括工件、位于所述工件下方的旋转摩擦挤压支撑机构和位于所述工件正上方的电磁头，所述旋转摩擦挤压支撑机构包括第一支撑杆、第二支撑杆和第三支撑杆，所述第一支撑杆竖直，所述第二支撑杆倾斜，所述第二支撑杆的底端与所述第一支撑杆的顶端固连，旋转摩擦挤压传动机构能够驱动所述第一支撑杆绕自身轴线转动，所述第三支撑杆的底端与所述第二支撑杆的顶端铰接，弹簧的顶端与所述第三支撑杆的顶部固连，所述弹簧的底端与所述第二支撑杆的底端固连，所述第三支撑杆的顶端固设有摩擦头，所述摩擦头能够与所述工件的底面紧密接触；所述电磁头中设置有电磁线圈，所述电磁线圈电连接有电容和放电电路。

2.根据权利要求1所述的旋转摩擦挤压辅助电磁脉冲增材装置，其特征在于：所述旋转摩擦挤压传动机构包括外壳、驱动电机和传动轴，所述驱动电机固设在所述外壳内，所述传动轴与所述外壳转动配合，所述驱动齿轮的输出轴上固设有主动齿轮，所述传动轴上固设有与所述主动齿轮啮合的被动齿轮，所述传动轴上还固设有主动锥齿轮，所述第一支撑杆的底端固设有与所述主动锥齿轮啮合的被动锥齿轮，所述第一支撑杆与所述外壳转动配合。

3.根据权利要求2所述的旋转摩擦挤压辅助电磁脉冲增材装置，其特征在于：还包括底座、升降机构、升降台和工作台，所述升降机构固设在所述底座上，所述升降机构能够驱动所述升降台进行升降，所述工作台设置在所述升降台上，所述工作台能够相对所述升降台进行X方向和Y方向的滑动。

4.根据权利要求3所述的旋转摩擦挤压辅助电磁脉冲增材装置，其特征在于：还包括固设在所述底座上的箱体支架，所述电磁头固设在所述箱体支架上；所述外壳一端与所述箱体支架固定连接。

5.根据权利要求3所述的旋转摩擦挤压辅助电磁脉冲增材装置，其特征在于：还包括两个竖直设置的工件固定板，所述工件固定板与所述工作台滑动配合，两个所述工件固定板间隔且平行设置；所述工件的两端分别固定在两个所述工件固定板的顶端。

6.根据权利要求5所述的旋转摩擦挤压辅助电磁脉冲增材装置，其特征在于：所述旋转摩擦挤压传动机构和所述旋转摩擦挤压支撑机构均位于两个所述工件固定板之间。

7.根据权利要求5所述的旋转摩擦挤压辅助电磁脉冲增材装置，其特征在于：两个所述工件固定板的顶端分别通过螺栓连接有夹板，所述夹板和所述工件固定板能够将所述工件的端部夹紧。

8.根据权利要求5所述的旋转摩擦挤压辅助电磁脉冲增材装置，其特征在于：每个所述工件固定板的底端均固设有两个滑块，所述工作台的顶面设置有两个滑槽，两个所述滑槽与同一个所述工件固定板上的两个所述滑块一一对应，所述滑块与对应的所述滑槽滑动配合。

9.一种旋转摩擦挤压辅助电磁脉冲增材方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将第一平板工件放置在两个工件固定板上，并用夹板将所述第一平板工件的两端夹紧；通过旋转摩擦挤压传动机构驱动旋转摩擦挤压支撑机构旋转，所述第一平板工件在摩擦头的高速旋转挤压作用下预成形，形成曲面工件；在所述预成形的过程中通过移动工作台来移动所述第一平板工件的位置以增强所述第一平板工件的预成形效果；

(2)然后在所述曲面工件上放置第二平板工件，并通过电磁线圈产生的电磁力使后加入的第二平板工件与所述曲面工件形成冶金结合，形成复合板；

(3)继续通过旋转摩擦挤压传动机构驱动旋转摩擦挤压支撑机构旋转，摩擦头高速旋转并挤压所述复合板达到所需要的精确的形状。

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