CN116988134A - 一种搅拌摩擦增材制造成形工具清理装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种搅拌摩擦增材制造成形工具清理装置及方法，属于机器人搅拌摩擦增材制造技术领域。目的是为了解决搅拌摩擦增材制造成形焊具清理过程中清理附着铝屑时间长以及清理时间长易损伤焊具的问题。包括电化学工作站、计算机、电解液池、加热装置和惰性金属，电化学工作站与计算机电性连接，电化学工作站的正极与搅拌摩擦增材制造成形工具建立连接，电化学工作站的负极与惰性金属电性连接，电解液池内承装电解液，惰性金属置于电解液内，加热装置置于电解液内。本发明对清理过程的电压监控，可以精准控制清理时间，不会对搅拌摩擦成形工具造成腐蚀损伤。
Description
技术领域
本发明涉及一种工具清理装置及方法，属于机器人搅拌摩擦增材制造技术领域。
背景技术
搅拌摩擦增材制造技术是基于搅拌摩擦焊接技术而衍生出的全固相增材制造技术。其通过特殊的焊具在高速旋转下与材料摩擦产热以及通过搅拌头的搅拌作用使待增材材料发生塑化，在轴肩的顶锻作用下使待增材材料与基板或增材层连接，然后通过材料塑化逐层堆积制造具有组织均匀细化的高强韧增材零部件。
搅拌摩擦增材制造技术主要是以棒材、板材和丝材为原料的搅拌摩擦增材制造方法，最具应用前景的还是以丝材原料为主的机器人搅拌摩擦增材制造方法，该方法不仅可以做到连续增材制造还可以实现复杂的增材制造结构。该方法主要是通过丝材原料在送丝设备的推动下，通过搅拌摩擦焊具的送料孔在送料螺杆的挤压和破碎作用，然后在搅拌针的大塑性变形作用下材料塑性流动，制备出按预期规划的增材制造零部件。但是该方法目前还有一些问题有待解决，在增材制造结束后，焊具抬起过程中，部分塑化金属粘附于送料螺杆表面，再次进行搅拌摩擦增材制造时，需要切换焊具，清理焊具。目前针对铝屑的清理方法主要集中在用强碱性溶液进行浸泡清理，此过程耗时较长并且产生的气泡对空气造成污染；且在强碱性溶液中浸泡焊具，易在溶液中产生应力腐蚀，对焊具造成严重损伤，降低服役时间，增加生产成本。
因此，亟需提出一种搅拌摩擦增材制造成形工具清理装置及方法，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决搅拌摩擦增材制造成形焊具清理过程中清理附着铝屑时间长以及清理时间长易损伤焊具的问题，提供一种搅拌摩擦增材制造成形工具清理装置及方法，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。
本发明的技术方案：
一种搅拌摩擦增材制造成形工具清理装置，包括电化学工作站、计算机、电解液池、加热装置和惰性金属，电化学工作站与计算机电性连接，电化学工作站的正极与搅拌摩擦增材制造成形工具建立连接，电化学工作站的负极与惰性金属电性连接，电解液池内承装电解液，惰性金属置于电解液内，加热装置置于电解液内。
优选的：还包括机器人和电主轴，机器人的末端与电主轴定子连接，搅拌摩擦增材制造成形工具包括旋转模块和非旋转模块，非旋转模块与电主轴定子或者机器人末端螺栓连接，旋转模块与电主轴转子连接，旋转模块上设置有螺纹，旋转模块位于非旋转模块内部。
优选的：所述电解液池内承装的电解液由以下原料配制而成：氢氧化钠、氯化钠、硝酸钠、三氯化铝、溴化1-甲基-3-乙基咪唑啉、柠檬酸盐、EDTA-2Na、葡萄糖酸钠、硬质不溶颗粒；
或盐酸、氯化钠、硝酸钠、三溴化铝、甲苯、乙苯、柠檬酸盐、EDTA-2Na、葡萄糖酸钠、硬质不溶颗粒；
或三氯化铝、四氢铝锂、四氢呋喃、柠檬酸盐、EDTA-2Na、葡萄糖酸钠、硬质不溶颗粒。
一种搅拌摩擦增材制造成形工具清理方法，包括以下步骤：
步骤一：将焊具放置于电解液池中，焊具浸入到电解液中；
步骤二：电化学工作站通电，监控电压随时间变化；
步骤三：当电压出现明显波动，附着的碎屑去除完成，电化学工作站断电。
优选的：电化学工作站施加脉冲电流密度0.1-100A/dm2，脉冲频率1-10000Hz，占空比0.01-0.9，电解液温度在80℃以上。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明可以实现成形工具内部附着铝屑快速去除，保证了搅拌摩擦增材制造的高效率；
2.本发明对清理过程的电压监控，相比传统直接浸泡去除，可以精准控制清理时间，不会对搅拌摩擦成形工具造成腐蚀损伤；
3.本发明绿色环保，不会析出有害气体对环境造成污染，电解液可以长期使用，不会造成浪费；
4.本发明成本低，装置简单，易于搭建，应用前景良好；
5.本发明不仅适用于搅拌摩擦增材制造成形工具内部附着铝屑去除，还可以适用于镁合金等。
附图说明
图1是一种搅拌摩擦增材制造成形工具清理装置的结构示意图；
图2是搅拌摩擦增材制造成形工具的结构示意图；
图3是图2中A处放大图；
图4是一种搅拌摩擦增材制造成形工具清理方法流程图。
图中，1-机器人，2-电主轴，3-搅拌摩擦增材制造成形工具，4-电化学清理***，301-旋转模块，302-非旋转模块，401-电化学工作站，402-计算机，403-电解液池，404-加热装置，405-惰性金属。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
具体实施方式一：结合图1-3说明本实施方式，本实施方式的一种搅拌摩擦增材制造成形工具清理装置，电化学清理***4包括电化学工作站401、计算机402、电解液池403、加热装置404和惰性金属405，电化学工作站401与计算机402电性连接，电化学工作站401的正极与搅拌摩擦增材制造成形工具建立连接，电化学工作站401的负极与惰性金属405一端电性连接，电解液池403内承装电解液，惰性金属405的另一端置于电解液内，加热装置404置于电解液内，电化学工作站401选用chi电化学工作站，chi电化学工作站的chronopopotentiometry(计时电位法)实现电压监测；本发明成本低，装置简单，易于搭建，应用前景良好，不仅适用于搅拌摩擦增材制造成形工具内部附着铝屑去除，还可以适用于镁合金等，也为附着在焊具内部的合金屑去除提供借鉴。
具体实施方式二：结合图1-3说明本实施方式，本实施方式的一种搅拌摩擦增材制造成形工具清理装置，还包括机器人1和电主轴2，六轴机器人1的末端通过螺栓与电主轴2定子连接，搅拌摩擦增材制造成形工具3包括旋转模块301和非旋转模块302，非旋转模块302与电主轴2定子或者机器人末端螺栓连接，旋转模块301与电主轴2转子连接，旋转模块301上设置有螺纹，旋转模块301位于非旋转模块302内部，旋转模块301通过导电滑环与电化学工作站401电性连接，计算机402与电主轴2电性连接。
具体实施方式三：结合图1-3说明本实施方式，本实施方式的一种搅拌摩擦增材制造成形工具清理装置，所述电解液池403内承装的电解液为去除搅拌摩擦增材制造成形工具内部粘附的塑化金属的电解液，由以下原料配制而成：氢氧化钠、氯化钠、硝酸钠、三氯化铝、溴化1-甲基-3-乙基咪唑啉、柠檬酸盐、EDTA-2Na、葡萄糖酸钠、硬质不溶颗粒；
或盐酸、氯化钠、硝酸钠、三溴化铝、甲苯、乙苯、柠檬酸盐、EDTA-2Na、葡萄糖酸钠、硬质不溶颗粒；
或三氯化铝、四氢铝锂、四氢呋喃、柠檬酸盐、EDTA-2Na、葡萄糖酸钠、硬质不溶颗粒；硬质不溶颗粒起到在电解液高速流动下把铝屑或者水合铝化物剥落带走的作用。
具体实施方式四：结合图1-4说明本实施方式，本实施方式的一种搅拌摩擦增材制造成形工具清理方法，采用所述的一种搅拌摩擦增材制造成形工具清理装置，丝材原料在送丝设备作用下将丝材运输到旋转模块301和非旋转模块302间隙处，电主轴带动旋转模块301与非旋转模块302高速相对运动，通过强塑性变形作用使丝材原料破碎和热塑化，然后开始逐层堆积增材；增材制造完成后，成形工具内部在抬刀过程中会在送料螺杆表面附着铝屑，需要清理成形工具内部附着铝屑用于再次增材制造；
包括以下步骤：
步骤一：首先配置电化学清理铝合金电解液403，将旋转模块301接至直流脉冲电源正极，惰性金属405接至直流脉冲电源负极，机器人1将焊具(搅拌摩擦增材制造成形工具)放置于电解液池403中，焊具浸入到电解液中；在清洗时，搅拌摩擦增材制造成形工具本身无需进行拆卸，搅拌摩擦增材制造成形工具也无需与机器人进行拆卸，还可通过机器人自己移动到清洗位置，清洗完成后可直接进行增材制造工作，效率高，操作简单方便；
步骤二：在电解液小于电解液的设定温度时，启动加热装置404对电解液进行加热，电化学工作站401可作为直流电源，电化学工作站401开启通电，启动电主轴2使搅拌头高速转动，带动溶液流动，非旋转模块不动，通过旋转模块301的正转或者反转，通过螺纹实现增压，不仅加快了在搅拌摩擦增材制造成形工具3内的流速，使水流以更大的压力冲刷其内壁，同时硬质不溶颗粒在电解液高速流动下把铝屑或者水合铝化物剥落带走的作用，加快了电解液与铝屑的反应速率，结合物理、化学两个方面共同作用，去除附着铝屑及其他附着物，提高去除效率，在电化学加速腐蚀过程中，电化学工作站401连接计算机402，监控去除成形工具上附着铝屑过程中电压随时间变化曲线；
步骤三：当曲线突然出现明显波，即电压出现明显波动，说明阳极材料发生变动，开始牺牲焊具，旋转模块301和非旋转模块302之间附着的碎屑去除完成，相关信号传递到计算机402，电化学工作站401停止断电，电化学清理工作停止；无需拆卸机器人将搅拌摩擦增材制造成形工具，电解液清洗时发生的反应无大气污染，电压监控不会对焊具服役造成损伤；机器人1回到原始增材轨道继续增材，整个过程耗时时间短，不需要拆卸焊具，清理时间精确控制，对成形工具无损伤。
具体实施方式五：结合图1-4说明本实施方式，本实施方式的一种搅拌摩擦增材制造成形工具清理方法，电化学工作站401施加脉冲电流密度0.1-100A/dm2，脉冲频率1-10000Hz，占空比0.01-0.9，电解液设定温度在80℃以上，提高去除铝屑速率，10-15min即可完成清理。
实施例1：
本实施例通过搅拌摩擦增材制造成形工具清理方法，主要是依据铝合金或者镁合金等与增材装置的腐蚀电压不一致，搅拌摩擦增材制造成形工具材质为H13钢，腐蚀电压大于铝合金、镁合金等，更加耐蚀，清理过程中，铝屑作为阳极优先发生腐蚀，当增材装置附着合金屑清理完成，腐蚀会进一步发生在增材装置上，此时监控的电压会发生变化，由此判断清理合金屑工作完成，具体步骤如下：
4043铝合金丝材原料在送丝设备作用下将丝材运输到旋转模块301和非旋转模块302间隙处，电主轴带动旋转模块301与非旋转模块302高速相对运动，通过强塑性变形作用使丝材原料破碎和热塑化，然后开始逐层堆积增材制造；增材制造完成后，成形工具内部在抬刀过程中会在送料螺杆表面附着铝屑，需要清理成形工具内部铝屑用于再次增材制造；此时开始清除搅拌摩擦增材制造成形工具内部附着铝屑；首先配置电化学清理铝合金电解液403，电解液403配方由氢氧化钠(20g/L)、氯化钠(10g/L)、硝酸钠(5g/L)、三氯化铝(10g/L)、溴化1-甲基-3-乙基咪唑啉(10g/L)、柠檬酸盐(0.5g/L)、EDTA-2Na(0.1g/L)、葡萄糖酸钠(1g/L)、氧化锆颗粒等组成，通过加热装置404将电解液403加热到80±5℃，将旋转模块301接至电源正极，钛惰性金属405接至直流脉冲电源负极，二者同时浸入电解液中，然后打开电化学工作站401，设定电源施加脉冲电流密度20A/dm2，脉冲频率2000Hz，占空比0.3，去除成形工具内部铝屑工作开始启动，同时启动电主轴2使搅拌头5000转/分高速转动，带动溶液流动；电解液403中的氧化锆颗粒在电解液高速流动下可以把铝屑或者水合铝化物剥落带走；在电化学加速腐蚀过程中，电化学工作站401连接计算机402，监控去除成形工具附着铝屑过程中电压随时间变化曲线，当电压波动ΔV＞2V，说明此时成形工具内部附着铝屑清理完成，相关信号传递到计算机402，然后电化学清理工作停止，机器人1按照设定程序回到原始增材轨道继续增材。
实施例2
本实施例通过搅拌摩擦增材制造成形工具清理方法，具体步骤如下：
AZ31B镁合金丝材原料在送丝设备作用下将丝材运输到旋转模块301和非旋转模块302间隙处，电主轴带动旋转模块301与非旋转模块302高速相对运动，通过强塑性变形作用使丝材原料破碎和热塑化，然后开始逐层堆积增材；增材制造完成后，成形工具内部在抬刀过程中会在送料螺杆表面附着镁屑，需要清理成形工具内部镁屑用于再次增材制造。此时开始清除搅拌摩擦增材制造成形工具内部附着镁屑，首先配置电化学清理铝合金电解液403，电解液403配方由氢氧化钠(20g/L)、氯化钠(10g/L)、硝酸钠(5g/L)、三氯化铝(10g/L)、溴化1-甲基-3-乙基咪唑啉(10g/L)、柠檬酸盐(0.5g/L)、EDTA-2Na(0.1g/L)、葡萄糖酸钠(1g/L)、硬质不溶颗粒等组成，通过加热装置404将电解液403加热到60±5℃，将旋转模块301接至电源正极，钛惰性金属405接至直流脉冲电源负极，二者同时浸入电解液中，然后打开电化学工作站401，设定电源施加脉冲电流密度10A/dm2，脉冲频率1000Hz，占空比0.25，去除成形工具内部铝屑工作开始启动，同时启动电主轴2使搅拌头5000转/分高速转动，带动溶液流动；电解液403中的氧化锆颗粒在电解液高速流动下可以把镁屑或者镁的沉淀物剥落带走；在电化学加速腐蚀过程中，电化学工作站401连接计算机402，监控去除成形工具上附着镁屑过程中电压随时间变化曲线，当电压波动ΔV＞1V，说明此时成形工具内部附着镁屑清理完成，相关信号传递到计算机402，然后电化学清理工作停止，机器人1按照设定程序回到原始增材轨道继续增材，此参数为最优参数。
需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种搅拌摩擦增材制造成形工具清理装置，其特征在于：包括电化学工作站(401)、计算机(402)、电解液池(403)、加热装置(404)和惰性金属(405)，电化学工作站(401)与计算机(402)电性连接，电化学工作站(401)的正极与搅拌摩擦增材制造成形工具建立连接，电化学工作站(401)的负极与惰性金属(405)电性连接，电解液池(403)内承装电解液，惰性金属(405)置于电解液内，加热装置(404)置于电解液内。
2.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦增材制造成形工具清理装置，其特征在于：还包括机器人(1)和电主轴(2)，机器人(1)的末端与电主轴(2)定子连接，搅拌摩擦增材制造成形工具(3)包括旋转模块(301)和非旋转模块(302)，非旋转模块(302)与电主轴(2)定子或者机器人末端螺栓连接，旋转模块(301)与电主轴(2)转子连接，旋转模块(301)上设置有螺纹，旋转模块(301)位于非旋转模块(302)内部。
3.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦增材制造成形工具清理装置，其特征在于：所述电解液池(403)内承装的电解液由以下原料配制而成：氢氧化钠、氯化钠、硝酸钠、三氯化铝、溴化1-甲基-3-乙基咪唑啉、柠檬酸盐、EDTA-2Na、葡萄糖酸钠、硬质不溶颗粒；
或盐酸、氯化钠、硝酸钠、三溴化铝、甲苯、乙苯、柠檬酸盐、EDTA-2Na、葡萄糖酸钠、硬质不溶颗粒；
或三氯化铝、四氢铝锂、四氢呋喃、柠檬酸盐、EDTA-2Na、葡萄糖酸钠、硬质不溶颗粒。
4.一种搅拌摩擦增材制造成形工具清理方法，其特征在于：采用权利要求1-3任一项所述的一种搅拌摩擦增材制造成形工具清理装置，包括以下步骤：
步骤一：将焊具放置于电解液池(403)中，焊具浸入到电解液中；
步骤二：电化学工作站(401)通电监控电压随时间变化；
步骤三：当电压出现明显波动，附着的碎屑去除完成，电化学工作站(401)断电。
5.根据权利要求4所述的一种搅拌摩擦增材制造成形工具清理方法，其特征在于：电化学工作站(401)施加脉冲电流密度0.1-100A/dm2，脉冲频率1-10000Hz，占空比0.01-0.9，电解液温度在80℃以上。
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