[发明专利]一种基于智能搅拌的增等材融合制造设备以及方法

说明书

本发明公开一种基于智能搅拌的增等材融合制造设备以及方法，集成可伸缩轧辊和搅拌摩擦加工装置，工作时由轧辊夹持被加工增材部件，使搅拌针在一定转速下对增材制造部件顶层进行搅拌加工。本发明在使用搅拌摩擦加工工艺解决增材制造部件中的缺陷、细化增材部件组织内部晶粒尺寸，具有结构简单，工艺可控，对被加工部件可起到消除缺陷、优化组织的效果，适用于铝、钛、镁合金的增等材一体加工中。

技术领域

本发明属于属于机械加工技术领域，尤其涉及一种基于智能搅拌的增等材融合制造设备以及方法。

背景技术

搅拌摩擦加工(Friction Stir Processing，FSP)技术是在搅拌摩擦焊(FrictionStir Welding，FSW)技术的基础上发展而来的一种用于改善材料微观组织的新型固相加工技术。搅拌摩擦加工的基本原理与搅拌摩擦焊十分相似，将由搅拌针和轴肩组成的旋转的搅拌工具压入待加工材料中，以一定的行走速度沿设定好的加工路径移动，以覆盖需要加工的区域。在搅拌摩擦加工过程中，旋转的搅拌工具中的轴肩和搅拌针分别主要引起摩擦产热和塑性变形，使加工区域内的材料发生强烈的塑性形变和动态再结晶，从而产生细小且等轴的重结晶颗粒，获得更加匀质化、致密化的微观组织。FSP目前已经在材料力学性能优化、超塑性成型研究、表面复合材料制备及超细晶材料制备等方面展开了应用并取得良好效果。

该技术优势主要有：(1)加工后的材料变形小，残余应力低。FSP技术是一种固相加工技术，热输入较低，能量利用率更高，加工区域内的温度始终保持在母材基体的熔化温度以下，因此加工后材料的变形较小，残余应力较低；(2)消除材料微观组织中的结构缺陷及成分偏析，细化晶粒，获得均匀致密的微观组织。FSP引起的强烈的塑性变形可以消除材料内的孔隙，并且打碎材料中较大的第二相颗粒，使其重新均匀分布在基体中，同时在热-力的共同作用下加工区域内发生动态再结晶产生细小的等轴晶颗粒，晶粒尺寸明显降低，这些现象在多道FSP时尤为明显；(3)改善材料的力学性能。经过FSP的材料的力学性能，尤其是延伸性及疲劳寿命均获得显著提高；(4)加工方式灵活，不会改变材料尺寸。FSP可以通过改变加工工具的长度来调节加工区域的深度，可以通过优化加工工具设计、调节加工参数及添加主动加热/冷却来控制加工区域内的微观组织结构和力学性能，且几乎不会改变被加工材料的尺寸；(5)绿色环保。FSP的热输入来自摩擦产热和塑性变形，在加工过程中不会产生有害的气体、辐射和噪音。

电弧增材制造有着熔敷效率高等优点，在制造业领域有着良好的前景。然而电弧增材制造部件也存在着一些缺陷，如裂纹、气孔和晶粒粗大等问题。因此基于搅拌摩擦加工材料优化方式被引入到增等材一体加工中。

发明内容

本发明的目的是为了解决电弧增材制造中部件所产生的裂纹、气孔和层间熔合不良等缺陷，同时针对钛合金等材料在增材制造过程中形成的较大晶粒，提供一种基于智能搅拌的增等材融合制造设备以及方法，可以起到细化晶粒的作用。

为了实现上述目的，

一种基于智能搅拌的增等材融合制造设备包括：搅拌装置、跟踪装置、夹持装置、电弧增材制造焊枪。搅拌装置和夹持装置协同工作完成对部件的搅拌摩擦加工工作。电主轴两侧安装有RV减速器，使电主轴外部连接在机器人第六轴末端，叉形支架套在电主轴固定环外侧，使整个夹持装置与搅拌装置保持固定。跟踪装置被伺服电机驱动经传动齿轮控制旋转角度，压力检测装置和压力环配合检测搅拌摩擦加工的实时压力，工作时搅拌针插入增材制造部件进行搅拌摩擦加工。轧辊架安装叉形支架底部两侧，压力仓对轧辊轴承提供向中心的压力，使其对被加工部件始终处于压紧固定状态。轧辊轴承套在轧辊轴上，两侧被定位轴套所固定。工作时，加工增材部件被双侧轧辊轴承夹紧，轧辊随着机器人运动而转动，对被加工增材部件进行搅拌摩擦加工。

本发明还提供一种基于智能搅拌的增等材融合制造的方法，其主要实施步骤是：