一种基于同步旋转送丝技术的搅拌摩擦增材系统及方法

本发明属于增材制造，具体涉及一种基于同步旋转送丝技术的搅拌摩擦增材系统及方法。

背景技术：

1、搅拌摩擦增材制造技术是通过消耗粉料、棒材、丝材等材料，并通过工具头与基板旋转摩擦产热及机械作用，将待增材的粉料、棒材或丝材加工至塑化状态，并沉积至基板之上的一种固相增材技术。

2、现有技术中：文献cn114799480a公开了一种不间断送丝全固相搅拌摩擦增材制造方法与装置，通过将丝状增材原料通过送丝口送至到装置内部与螺杆发生机械作用，在螺杆旋转作用下丝材被切碎、挤压、塑化后从出料口挤出沉积在基板表面；文献cn115647569b公开了一种机器人连续送丝搅拌摩擦增材装置及曲面增材方法，通过连续送丝搅拌摩擦增材制造模块在柔性串联机器人的带动下贴合增材构件的复杂曲面以一定行进速度运动并沿堆积方向逐渐抬起，最终形成完整的固相增材制造层。然而，前述方案中存在的问题包括：极易出现轴肩空腔堵料而中断沉积过程，这也是搅拌摩擦增材制造技术当前面临的难题之一，且对工具头旋转速度与送丝速度之间的匹配关系要求较高。更关键的是，采用现有的所有搅拌摩擦增材制造设备和方法，都无法精确控制金属丝材的沉积响应时间（金属丝材被切断的瞬间至沉积在工件上的时间），即使采用前述两种连续的增材方案，也只能将金属丝材的沉积响应时间控制在2~3秒。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于同步旋转送丝技术的搅拌摩擦增材系统及方法，采用该方案至少能够将金属丝材的沉积响应时间控制在0.5秒以内，同时能够有效防止搅拌摩擦增材过程中的堵料问题。

2、本发明采用了如下技术方案。

3、一种基于同步旋转送丝技术的搅拌摩擦增材系统，包括主轴和送丝机构，主轴连接搅拌摩擦设备主机，主轴末端连接有搅拌头，送丝机构布置在搅拌头侧方，送丝机构在搅拌摩擦增材过程中与搅拌头同步旋转；在搅拌头下部设置有弧形通道，弧形通道从搅拌头底部外壁向内延伸至搅拌头下端面中部附近区域，且弧形通道由外向内对应的直径逐渐缩小；搅拌摩擦增材过程中，送丝机构连续送出的金属丝材横向进入弧形通道内侧端后在搅拌头下端面的旋压作用下被持续塑化。

4、为了能够更好地防止堵料，所述的弧形通道采用设置在搅拌头底端的弧形敞口槽。

5、作为优选方案，所述的弧形通道具有两个，两个弧形通道对称布置，每个弧形通道匹配一个送丝机构。

6、进一步地，所述的送丝机构包括固定连接在主轴上部的悬臂，悬臂上设置有丝盘，丝盘轴线与主轴垂直，在丝盘内侧且位于搅拌头上部设置有支架，在支架上设置有辊轮组，在辊轮组内侧设置有感应加热线圈，感应加热线圈轴线与弧形通道入口中心线重合；从丝盘上引出的金属丝材经过辊轮组后穿过感应加热线圈，然后横向进入弧形通道中。作为优选方案，主轴上部的悬臂对称布置有多个。

7、作为优选方案，所述的悬臂和支架均呈门形结构，且悬臂和支架的朝向一致。

8、为了进一步改善增材成形质量，在搅拌头下端面且位于弧形通道旁设置有导流槽或凸点。

9、一种采用前述搅拌摩擦增材系统的使用方法，步骤包括：

10、步骤1，将带有金属丝材的丝盘安装在悬臂上，然后牵拉出金属丝材并将其依序穿过辊轮组和感应加热线圈内腔；

11、步骤2，开启搅拌摩擦设备主机，设定好搅拌摩擦增材的工艺参数，包括设定好送丝机构的送丝速率，设定好感应加热温度；

12、步骤3，将搅拌头移至工件上的增材起始点，然后按照设定路径进行搅拌摩擦增材，搅拌摩擦增材过程中，送丝机构随着主轴同步旋转，通过感应加热线圈对金属丝材进行加热，加热后的金属丝材随即进入搅拌头下端面被快速塑化；

13、进一步地，还包括步骤4：按照单层增材路径完成增材后，控制搅拌头逐渐抬起离开沉积层表面，继续保持送丝一段时间后收回并切换至下一单层增材路径继续进行增材，这样一方面能够保证最后位置（末端）填料充足无缺陷，另一方面能够利用连续金属丝的送进力，清理弧形通道内残余的塑化金属材料。

14、作为优选方案，通过控制辊轮组的驱动电机来调控送丝机构的送丝速率。

15、为了能够更精确地金属丝材的沉积响应时间，感应加热线圈内侧端与弧形通道入口的距离不大于20mm。

16、作为优选方案，感应加热线圈的内腔直径不大于金属丝材直径的两倍，以保证加热深度能够迅速传达到金属丝材中心。感应加热功率可根据增材材料进行适应性调整，采用本发明的方案能够实现低熔点金属及高熔点金属的增材（而目前的传统送丝增材均为铝合金等低熔点金属，钢等高熔点金属难以顺利达到理想塑化状态）。

17、有益效果：本发明不仅能够将金属丝材的沉积响应时间精确控制在0.5秒以内，而且能够有效防止搅拌摩擦增材过程中的堵料问题，不会出现轴肩空腔堵料而中断沉积过程的问题，对搅拌头旋转速度与送丝速度之间的匹配关系要求更低，还具有方便灵活调节送丝速率的优势；采用本发明的方案，在增材工序切换过程中，无需拆卸工具头（搅拌头）即可快速清理金属残料，能够在五秒内完成金属残料的清理（而传统的工具头内残料清理需要时数分钟甚至数十分钟），还能够拓宽搅拌摩擦增材要求的工艺参数范围；本发明实现了连续送料的搅拌摩擦增材制造过程，避免了换料间隙在沉积层留下的接头，提高了增材构件的整体性能；在搅拌摩擦增材过程中，两个丝盘可以送进不同材质的金属丝材制备，能够通过差速送进方式调控不同组分比例，实现梯度功能材料的增材；本发明能够匹配不同尺寸的金属丝材与搅拌头，能够灵活应用于不同场景，并且能够通过多层多道的沉积路径，实现大尺寸、复杂结构的构件增材制造。

技术特征：

1.一种基于同步旋转送丝技术的搅拌摩擦增材系统，包括主轴（1）和送丝机构，主轴（1）连接搅拌摩擦设备主机，主轴（1）末端连接有搅拌头（7），其特征在于：送丝机构布置在搅拌头（7）侧方，送丝机构在搅拌摩擦增材过程中与搅拌头（7）同步旋转；在搅拌头（7）下部设置有弧形通道（9），弧形通道（9）从搅拌头（7）底部外壁向内延伸至搅拌头（7）下端面中部附近区域，且弧形通道（9）由外向内对应的直径逐渐缩小；搅拌摩擦增材过程中，送丝机构连续送出的金属丝材横向进入弧形通道（9）内侧端后在搅拌头（7）下端面的旋压作用下被持续塑化。

2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦增材系统，其特征在于：所述的弧形通道（9）采用设置在搅拌头（7）底端的弧形敞口槽。

3.根据权利要求2所述的搅拌摩擦增材系统，其特征在于：所述的弧形通道（9）具有两个，两个弧形通道（9）对称布置，每个弧形通道（9）匹配一个送丝机构。

4.根据权利要求1-3任一项所述的搅拌摩擦增材系统，其特征在于：所述的送丝机构包括固定连接在主轴（1）上部的悬臂（2），悬臂（2）上设置有丝盘（3），丝盘（3）轴线与主轴（1）垂直，在丝盘（3）内侧且位于搅拌头（7）上部设置有支架（10），在支架（10）上设置有辊轮组（4），在辊轮组（4）内侧设置有感应加热线圈（6），感应加热线圈（6）轴线与弧形通道（9）入口中心线重合；从丝盘（3）上引出的金属丝材经过辊轮组（4）后穿过感应加热线圈（6），然后横向进入弧形通道（9）中。

5.根据权利要求4所述的搅拌摩擦增材系统，其特征在于：所述的悬臂（2）和支架（10）均呈门形结构，且悬臂（2）和支架（10）的朝向一致。

6.根据权利要求5所述的搅拌摩擦增材系统，其特征在于：在搅拌头（7）下端面且位于弧形通道（9）旁设置有导流槽或凸点。

7.一种采用权利要求1-6任一项所述搅拌摩擦增材系统的使用方法，其特征在于，步骤包括：

8.根据权利要求7所述的使用方法，其特征在于：通过控制辊轮组（4）的驱动电机来调控送丝机构的送丝速率。

9.根据权利要求7所述的使用方法，其特征在于：感应加热线圈（6）内侧端与弧形通道（9）入口的距离不大于20mm；感应加热线圈（6）的内腔直径不大于金属丝材直径的两倍。

10.根据权利要求7所述的使用方法，其特征在于，还包括步骤4：按照单层增材路径完成增材后，控制搅拌头逐渐抬起离开沉积层表面，继续保持送丝一段时间后收回并直接切换至下一单层增材路径。

技术总结本发明提供了一种基于同步旋转送丝技术的搅拌摩擦增材系统及方法，系统包括主轴和送丝机构，主轴末端有搅拌头，送丝机构与搅拌头同步旋转，在搅拌头下部设置有弧形通道，弧形通道从搅拌头底部外壁向内延伸至搅拌头下端面中部附近区域，弧形通道由外向内对应的直径逐渐缩小；方法步骤包括：搅拌摩擦增材过程中，送丝机构随着主轴同步旋转，通过感应加热线圈对金属丝材进行加热，加热后的金属丝材随即进入搅拌头下端面被快速塑化。本发明不仅能够将金属丝材的沉积响应时间精确控制，而且能够防止搅拌摩擦增材过程中的堵料问题，不会出现轴肩空腔堵料而中断沉积过程的问题，对搅拌头旋转速度与送丝速度之间的匹配关系要求更低。技术研发人员：周利,南鑫晨,王瑞,孙舒蕾,马领航,高士康受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（威海）技术研发日：技术公布日：2024/6/11