CN113305413B - 一种摩擦挤压强化直壁增材组织性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摩擦挤压强化直壁增材组织性能的装置及方法，其装置包括强流变摩擦头、两个静轴肩模块、两个梯度式刨刀模块、两个滑动安装座和两个带有滑槽的连接座；强流变摩擦头利用搅拌针‑轴肩组合结构摩擦挤压细化增材重熔区晶粒，强化组织性能，并且可以减少材料上下流动，避免材料过多溢出导致孔洞、沟槽缺陷出现。利用静轴肩模块和刨刀模块，一方面可以强化沉积层并形成船形凹面，可以提高增材成形精度，避免侧面边缘塌陷；另一方面，可以对增材直壁侧面进行梯度性精加工，实现高质量增材与高精度减材一体化制造。

Description

一种摩擦挤压强化直壁增材组织性能的方法

技术领域

本发明涉及增材制造设备技术领域，尤其是一种摩擦挤压强化直壁增材组织性能的装置及方法。

背景技术

金属增材制造是指通过电弧、电子束和激光等热源熔化丝材或粉材，逐层往复堆积制造金属构件。在堆积过程中，一方面，后一层的增材会对前一层再次加热，热累积作用会使增材组织晶粒粗大，另一方面，能量密度不同、增材扫描速度不同，沉积层各处的线能量也不同，会出现增材后一层时将前面一层甚至几层重熔，多次凝固重熔增材区的晶粒取向、组织种类差异较大，力学性能较低。对于直壁结构增材，沉积层成拱形弧面，易导致熔池在侧面下挂，侧面成形差。

现有的热处理强化手段强化效果有限，且不能消除在增材过程中出现的气孔、孔洞等缺陷。采用冷轧/热轧在增材件表面轧制，只能对材料表面一定深度范围内起到降低残余应力和细化晶粒的作用。采用激光/超声冲击强化技术的方法，但其应用在电弧增材过程中时只能实现表面强化，且不能完全破碎细化粗大组织，对强化电弧增材组织的实际作用有限。

现有技术中：

中国发明专利201810949446.7公开了一种搅拌摩擦焊强化电弧增材制造铝合金工件的方法，其搅拌摩擦处理的深度为层厚的1～1.2倍，而以电弧、激光、等离子、电子束等作为热源会对重熔前几层增材组织，并不能对增材组织进行细化和强化。中国发明专利202010689368.9公开了一种基于智能搅拌的增等材融合制造设备以及方法，采用的动轴肩搅拌摩擦焊处理增材组织，动轴肩产热高会使得细化的组织再次回复、长大，强化效果一般，并且其只能对沉积层中间区域进行细化，无法对侧面细化和精加工处理。中国发明专利201910038056.9公开了一种电弧增材成形与搅拌摩擦加工的复合制造方法，是利用搅拌摩擦焊搅拌头摩擦挤压沉积层，为使细晶强化区在重熔过程中能保留下来，搅拌针的长度比常规焊接用搅拌头要长的多，材料在搅拌针附近上下流动范围大且根部产热不足，极易出现孔洞、隧道缺陷，因此单纯采用搅拌摩擦焊方法处理增材组织，细化晶粒的同时又会带来新的缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服以上现有技术存在的缺陷，提供一种摩擦挤压强化直壁增材组织性能的装置及方法，避免材料过多溢出导致孔洞、沟槽缺陷出现，提高增材成形精度和强度，实现高质量增材与高精度减材一体化制造。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种摩擦挤压强化直壁增材组织性能的装置，包括强流变摩擦头、静轴肩模块、梯度式刨刀模块，所述的静轴肩模块设为C型结构的两个，两个静轴肩模块拼装包围在所述的强流变摩擦头外，静轴肩模块的两侧端面上对称连接有滑动安装座，所述的梯度式刨刀模块包括T型滑块和若干把刨刀，所述的T型滑块与滑动安装座底部的T型滑槽相配合安装，所述的刨刀安装于T型滑块的下方，所述的滑动安装座顶部滑动连接有连接座，所述的强流变摩擦头包括主体、与外设电机相连的夹持端、与增材直壁相接触的台阶式搅拌头。

进一步，所述的静轴肩模块的内面与强流变摩擦头的主体之间设置退屑槽。

进一步，所述的台阶式搅拌头端部设置轴肩和若干级呈台阶式布置的搅拌针-轴肩组合结构，搅拌针一般为柱状或圆台状，也可根据需求定制。

进一步，所述的轴肩半径为R，R取5～200mm，所述的搅拌针-轴肩组合结构的根部半径为r，且满足R-r＝0.5～2mm，搅拌针-轴肩组合结构的总长度为H，H等于2～10倍增材层厚，搅拌针-轴肩组合结构的台阶设为n级，n取1～20，第n级的轴肩直径为D_n，与其相对应的搅拌针根部直径为d_n，且满足d_n＝(0.3～0.8)D_n。

进一步，所述的静轴肩模块底部设置上面静轴肩和侧面静轴肩，上面静轴肩内侧边缘圆弧的半径比台阶式搅拌头的轴肩的半径大0.1～1.5mm，两侧面静轴肩的间距比增材壁厚小0.1～1mm。

进一步，所述的上面静轴肩与侧面静轴肩的拐角处设置圆弧形过渡，圆弧半径为0.2～4mm。

进一步，所述的上面静轴肩的后部设为圆弧结构，圆弧结构边缘到增材直壁边缘的距离为a，a取1.5～5mm，圆弧结构凸出厚度为b，b取1.5～3.5mm。

进一步，所述的T型滑块沿增材壁厚方向的滑动调节距离为0～20mm，所述的刨刀安装有M把，M为2～10，且沿前进方向错开，刨刀至增材直壁沿上下方向的进刀量按由大到小梯度分布。

一种利用本发明装置摩擦挤压强化直壁电弧增材组织性能的方法，包括如下步骤：

步骤1：根据目标增材壁厚、层高选用合适规格的强流变摩擦头和静轴肩模块，并分别安装至外设电机主轴连接套和滑动安装座内侧面上，调整主轴电机后倾且轴线与竖直方向夹角呈2～5度；

步骤2：根据实际增材壁厚、层厚和目标增材壁厚、层厚确定刨刀的数量、分布位置和进刀量，并将T型滑块连同刨刀安装至滑动安装座上的T型滑槽上；

步骤3：在本发明装置的前方设置电弧增材枪，调节电弧增材枪至强流变摩擦头的轴线距离为20～500mm；

步骤4：设定电弧增材的参数和本发明装置的参数，然后进行直壁增材、摩擦挤压强化和侧壁梯度减材，所述的本发明装置的参数包括：强流变摩擦头转速、移动速度、强流变摩擦头和静轴肩下压量、刨刀进刀量等；

步骤5：一层增材完毕后，调整电弧增材枪和本发明装置的高度，重复上述步骤进行增材、摩擦挤压强化和侧壁梯度减材直至完成。

上述步骤4、步骤5采用的是逐层依次进行增材、摩擦挤压强化和侧壁梯度减材的方式，也可以采用增材若干层后再利用本发明装置进行摩擦挤压强化和侧壁梯度减材的方式，但需注意的是，若干层总层厚小于强流变摩擦头端部搅拌针-轴肩组合结构的总长度。

本发明的有益效果是：

1、本发明的强流变摩擦头的搅拌头设计为搅拌针-轴肩组合结构，搅拌针-轴肩组合结构，能加强强流变摩擦作用，摩擦挤压细化晶粒、强化组织性能的同时，其多级轴肩可以减少材料的上下流动范围，避免材料过多溢出导致孔洞、沟槽和飞边等缺陷；

2、本发明的强流变摩擦头的搅拌针-轴肩组合结构，能够一次性细晶处理多层增材结构，且搅拌针梯度性形状与熔池形状相近，能够完全覆盖增材重熔区，对增材直壁重熔区域组织实现细化处理效果；

3、本发明的台阶式搅拌头端部设有轴肩，在搅拌头前进时，摩擦增材直壁表面，既能补充摩擦热，还可以降低金属的溢出量，避免材料溢出造成孔洞、沟槽和飞边等缺陷；

4、本发明的静轴肩模块的上面静轴肩与侧面静轴肩的拐角设置圆弧形过渡，圆弧形结构在增材直壁表面区域摩擦，能够对组织进行细化处理；静轴肩模块的侧面静轴肩能够对增材直壁的侧壁组织进行强化，避免增材直壁软化坍塌；上面静轴肩后部的圆弧结构能够使增材直壁表面形成凹槽，避免增材时熔池沿边缘往下塌；

5、本发明的梯度性刨刀设有多级刀刃，可对增材直壁粗刨和精刨，每级刀刃之间设有一定间隙，防止各级之间加工碎屑相互干扰，两侧刨刀之间的间距可通过滑动安装座上的T型滑槽进行微调，提高加工精度，实现高质量增材与高精度减材一体化制造。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明的摩擦挤压强化直壁增材组织性能的装置示意图；

图2为本发明的摩擦挤压强化直壁增材组织性能的装置仰视图；

图3为本发明的强流变摩擦头主视图；

图4为搅拌针-轴肩组合结构区域放大图；

图5为本发明强流变摩擦头***材料部分剖视图；

图中：1.强流变摩擦头、1-1.搅拌针-轴肩组合结构、1-2.主体、1-3.夹持端、1-4.轴肩、2.滑动安装座、3.静轴肩模块、3-1.上面静轴肩、3-2.退屑槽、3-3.侧面静轴肩、3-4.圆弧结构、4.梯度式刨刀模块、5.连接座、6.增材直壁。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示的一种摩擦挤压强化直壁增材组织性能的装置，包括强流变摩擦头1、静轴肩模块3、梯度式刨刀模块4，所述的静轴肩模块3设为C型结构的两个，两个静轴肩模块3拼装包围在所述的强流变摩擦头1外，静轴肩模块3的两侧端面上对称连接有滑动安装座2，所述的梯度式刨刀模块4包括T型滑块和若干把刨刀，所述的T型滑块与滑动安装座2底部的T型滑槽相配合安装，所述的刨刀安装于T型滑块的下方，所述的滑动安装座2顶部滑动连接有连接座5，所述的强流变摩擦头1包括主体1-2、与外设电机相连的夹持端1-3、与增材直壁6相接触的台阶式搅拌头。

所述的静轴肩模块3的内面与强流变摩擦头1的主体1-2之间设置退屑槽3-2。

所述的台阶式搅拌头端部设置轴肩1-4和若干级呈台阶式布置的搅拌针-轴肩组合结构1-1。

所述的轴肩1-4半径为R，R取5～200mm，所述的搅拌针-轴肩组合结构1-1的根部半径为r，且满足R-r＝0.5～2mm，搅拌针-轴肩组合结构1-1的总长度为H，H等于2～10倍增材层厚，搅拌针-轴肩组合结构1-1的台阶设为n级，n取1～20，第n级的轴肩直径为D_n，与其相对应的搅拌针根部直径为d_n，且满足d_n＝(0.3～0.8)D_n。

所述的静轴肩模块3底部设置上面静轴肩3-1和侧面静轴肩3-3，上面静轴肩3-1的边缘到强流变摩擦头1的中心轴线的距离比台阶式搅拌头的轴肩1-4的半径大0.1～1.5mm，侧面静轴肩3-3的边缘到强流变摩擦头1的中心轴线的距离比增材壁厚大1～5mm。

所述的上面静轴肩3-1与侧面静轴肩3-3的拐角处设置圆弧形过渡，圆弧半径为0.2～4mm。

所述的上面静轴肩3-1的后部设为圆弧结构3-4，圆弧结构3-4边缘到增材直壁6边缘的距离为a，a取2～5mm，圆弧结构3-4凸出厚度为b，b取3～10mm。

所述的T型滑块的滑动调节距离为0～20mm，所述的刨刀安装有M把，M为2～10，且沿前进方向错开，刨刀至增材直壁沿上下方向的进刀量按由大到小梯度分布。

实施例：

利用本发明一种摩擦挤压强化直壁增材组织性能的装置并结合CMT电弧增材，采用5356铝合金焊丝及实际增材壁厚为18mm、每层层厚为3mm的增材参数，进行直壁增材、摩擦挤压强化和侧壁梯度减材出一个长400mm，高300mm，壁厚14mm的铝合金直壁构件，具体实施步骤如下：

步骤一：根据铝合金直壁构件目标增材壁厚为14mm、每层层厚3mm信息，选用轴肩半径为7mm、搅拌针-轴肩组合台阶结构总长度为9mm的强流变摩擦头和上面静轴肩内侧边缘圆弧的半径为7.6mm的静轴肩模块，并分别安装至外设电机主轴连接套和滑动安装座内侧安装面上，调整主轴电机后倾且轴线与竖直方向夹角呈2～5度；

步骤二：选用刨刀数量为3、刨刀宽度为3mm的梯度式刨刀模块，并将其安装至滑动安装座上的T型滑槽上；

步骤三：在本发明提供的装置前方设置外设CMT电弧增材枪，调节增材枪至强流变摩擦头轴线距离为50mm；

步骤四：设定电弧增材参数(电流：130A，电压：13V，增材速度3mm/s，摆宽9mm)和本发明装置的参数(强流变摩擦头转速：900r/min，移动速度3mm/s，刨刀进刀量分别为1mm、0.8mm和0.2mm)；

步骤五：利用CMT电弧增材枪进行增材，每层增材完毕后，将增材枪高度抬高3mm，继续增材；每增材3层，调整强流变摩擦头，使其中心轴线对准增材直壁厚度方向中线，调整刨刀模块两侧刨刀进刀量，利用本发明装置进行摩擦挤压强化和侧壁梯度减材，完成摩擦挤压强化和侧壁梯度减材后将本发明装置高度抬高9mm，重复上述步骤进行增材、摩擦挤压强化和侧壁梯度减材直至加工完成。

本发明的一种摩擦挤压强化直壁增材组织性能的装置及方法，利用带有搅拌针-轴肩组合台阶结构的强流变摩擦头摩擦挤压细化增材沉积层，且完全覆盖重熔区，并且多级的轴肩可以减少材料上下流动，使金属在增材直壁内部进行强流变摩擦，避免材料过多溢出导致孔洞、沟槽缺陷出现。利用静轴肩模块和刨刀模块，一方面可以强化沉积层并形成船形凹面，可以提高增材成形精度，避免侧面边缘塌陷；另一方面，可以对增材直壁侧面进行梯度性精加工，实现高质量增材与高精度减材一体化制造。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (4)

1.一种摩擦挤压强化直壁增材组织性能的方法，其特征是：利用装置摩擦挤压强化直壁增材组织性能，所述的装置包括强流变摩擦头、静轴肩模块、梯度式刨刀模块，静轴肩模块包围在所述的强流变摩擦头外，静轴肩模块的两侧端面上对称连接有滑动安装座，所述的梯度式刨刀模块包括T型滑块和若干把刨刀，

所述的方法包括如下步骤：

步骤1：根据目标增材壁厚、层高选用强流变摩擦头和静轴肩模块，并分别安装至外设电机主轴连接套和滑动安装座内侧面上；

步骤2：根据实际增材壁厚、层厚和目标增材壁厚、层厚确定刨刀的数量、分布位置和进刀量，并将T型滑块连同刨刀安装至滑动安装座底部的T型滑槽上，所述的刨刀安装有M把，M为2～10，且沿前进方向错开，刨刀至增材直壁沿上下方向的进刀量按由大到小梯度分布；

步骤3：在所述的装置前方设置电弧增材枪；

步骤4：设定电弧增材的参数和所述的装置的参数，然后进行直壁增材、摩擦挤压强化和侧壁梯度减材；

步骤5：一层增材完毕后，调整电弧增材枪和所述的装置的整体高度，重复上述步骤进行增材、摩擦挤压强化和侧壁梯度减材直至完成。

2.根据权利要求1所述的一种摩擦挤压强化直壁增材组织性能的方法，其特征是：步骤1中，调整主轴电机后倾且轴线与竖直方向夹角呈2～5度。

3.根据权利要求1所述的一种摩擦挤压强化直壁增材组织性能的方法，其特征是：步骤3中，调节电弧增材枪至强流变摩擦头的轴线距离为20～500mm。

4.根据权利要求1所述的一种摩擦挤压强化直壁增材组织性能的方法，其特征是：步骤4中，所述的装置的参数包括：强流变摩擦头转速、移动速度、强流变摩擦头和静轴肩下压量、刨刀进刀量。

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