一种搅拌摩擦增材工具轴向推力强化结构及其制备方法

1.本发明涉及摩擦增材技术领域，特别是涉及一种搅拌摩擦增材工具轴向推力强化结构及其制备方法。


背景技术：

2.搅拌摩擦增材制造技术是一类以搅拌摩擦焊技术为基础且适用于合金材料的全固相增材制造技术。其通过特殊设计的增材工具高速旋转与材料摩擦塑性产热，使材料进入热塑化状态并发生塑性变形，从而将材料按照预定的路径反复逐层堆积，最终获得期望的增材制造构件。该类方法由于不存在熔化再凝固过程，有效避免了气孔、液化裂纹等缺陷，同时可获得细小的等轴晶组织，具有增材制造构件综合力学性能优良的特点。
3.目前主要存在板材、棒材、丝材等三类增材制造原料。为了实现材料的连续进给送入，丝材式搅拌摩擦增材制造是其中目前最为理想的合金材料固相增材制造方法。此方法通过螺杆输送模块将丝材沿轴向往增材制造区域送入，并在搅拌针的高速旋转搅拌下形成致密的增材制造层。然而，该类方法目前存在一定的局限性，即在较高温度下，热塑化的铝合金一部分粘附于螺杆输送模块表面，剩余的铝合金由于高温条件，其流动强度(即屈服强度)接近于零，使得其螺杆的推料输送作用基本丧失，材料失去沿轴向受挤压运动的能力，从而无法继续完成增材制造过程。该现象对于流动性较好的铝合金，如铸铝合金、1系工业纯铝、4系变形铝硅合金、6系变形铝镁硅合金尤为明显，在进行一段时间的增材制造过程后，由于热输入的累积，材料高度热塑化从而失去受挤压运动的能力，导致无法继续完成增材制造过程。故亟需一种能够解决铝合金在螺杆输送模块上的粘附问题，并通过表面结构设计持续提供轴向挤压力彻底解决丝材式搅拌摩擦增材制造高流动性铝合金的连续工作难题的丝材式搅拌摩擦增材制造装置轴向推力强化表面结构及其制备方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种搅拌摩擦增材工具轴向推力强化结构及其制备方法，以解决上述现有技术存在的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种搅拌摩擦增材工具轴向推力强化结构，包括旋转部件和非旋转部件，所述非旋转部件固定连接有固定装置，所述非旋转部件中部开设有通孔，所述旋转部件底部位于所述通孔内且所述旋转部件底部尺寸小于所述通孔尺寸，所述旋转部件底部与所述通孔相对转动设置，所述旋转部件顶部固定连接有驱动装置，所述非旋转部件周侧开设有进料孔，所述进料孔与所述通孔相连通，所述旋转部件底部与所述通孔侧壁之间设置有供料部，所述旋转部件底端固定连接有若干搅拌针。
6.优选的，所述非旋转部件包括固定座，所述固定座侧壁顶部固定连接有夹持盘，所述固定座通过所述夹持盘与所述固定装置固定连接，所述进料孔开设于所述固定座周侧，所述进料孔位于所述夹持盘下方，所述通孔开设于所述固定座中部，所述固定座内开设有
过渡孔，所述过渡孔位于所述通孔上方且与所述通孔相连通。
7.优选的，所述旋转部件包括与所述驱动装置固定连接的夹持柄，所述夹持柄底部设置有螺杆，所述螺杆位于所述通孔内且与所述通孔相对转动，所述搅拌针固定安装于所述螺杆底端，所述螺杆与所述夹持柄之间固定连接有过渡轴，所述过渡轴位于所述过渡孔内。
8.优选的，所述供料部包括开设于所述通孔内壁的锯齿凸起，所述螺杆周侧开设有螺旋槽，所述螺旋槽用于输送丝材原料，所述丝材原料位于所述螺旋槽内且与所述锯齿凸起接触设置，所述螺旋槽与所述进料孔相连通。
9.优选的，所述夹持柄周侧开设有平面，两个所述平面平行设置，所述驱动装置与两个平面配合，所述夹持盘上开设有若干定位孔，所述固定装置通过所述定位孔与所述夹持盘固定连接。
10.优选的，所述螺旋槽的螺距为丝材原料直径的3-10倍。
11.优选的，所述搅拌针包括与所述螺杆底面固定连接的矩形凸起，若干所述矩形凸起圆周分布与所述螺杆底面。
12.一种搅拌摩擦增材工具轴向推力强化结构的制备方法，包括以下步骤：
13.s1、通孔的加工，通过钻孔的方式在非旋转部件中部制备通孔；
14.s2、非旋转部件热处理表面硬化，将非旋转部件表面硬度热处理至hrc45-50，并通过除锈、酸洗、碱洗、活化工艺去除非旋转部件表面油污及热处理污渍；
15.s3、低粘附性表面层电沉积制备，配置金属基陶瓷复合沉积层电解悬浊液，将非旋转部件接至直流脉冲电源负极，高纯镍棒接至直流脉冲电源正极，将高纯镍棒插入通孔内且与通孔内壁之间留有间隙，将非旋转部件与高纯镍棒同时浸入金属基陶瓷复合沉积层电解悬浊液中，使用电磁搅拌器进行搅拌，加热电解悬浊液至65
±
5℃，在费旋转部分表面电沉积制备低粘附性表面层；
16.s4、表面清洗，将非旋转部件依次浸入无水乙醇、去离子水中进行若干次超声清洗，去除非旋转部分多余电沉积表面层。
17.优选的，s3中直流脉冲电源施加脉冲电流密度为0.1-50a/dm2，脉冲频率10-1000hz，占空比0.01-0.5，沉积时间0.5-24.0h。
18.优选的，s3中低粘附性表面层厚度为5-100μm。
19.本发明公开了以下技术效果：本发明通过驱动装置带动旋转部件在非旋转部件中转动，通过供料部将丝材原料运送至旋转部件底部从而进行增材工作，同时通过在非旋转部件部分表面制备低粘性电沉积表面解决了铝合金在旋转部件底部的粘附现象，通过供料部提供连续进料，保证了高流动性铝合金在高温条件下的可持续送丝搅拌摩擦增材制造；本发明不仅可适用于高流动铝合金的连续送丝式搅拌摩擦增材制造，也适用于提供高强铝合金材料固相增材制造的轴向推力强化，并可推广至镁合金、铜合金等有色金属的固相增材制造，具有工艺简单、适用性强的特点。
附图说明
20.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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明轴向推力强化表面结构的三维示意图；
22.图2为本发明轴向推力强化表面结构的结构示意图；
23.图3为图2中a的局部放大图；
24.其中：1-旋转部件，101-夹持柄，102-过渡轴，103-螺杆，104-搅拌针，105-螺旋槽，2-非旋转部件，201-夹持盘，202-进料孔，203-锯齿凸起，204-固定座，205-过渡孔，206-定位孔。
具体实施方式
25.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做出创造性劳动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。
26.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。
27.参照图1-3，本发明提供一种搅拌摩擦增材工具轴向推力强化结构，包括旋转部件1和非旋转部件2，非旋转部件2固定连接有固定装置，非旋转部件2中部开设有通孔，旋转部件1底部位于通孔内且旋转部件1底部尺寸小于通孔尺寸，旋转部件1底部与通孔相对转动设置，旋转部件1顶部固定连接有驱动装置，非旋转部件2周侧开设有进料孔202，进料孔202与通孔相连通，旋转部件1底部与通孔侧壁之间设置有供料部，旋转部件1底端固定连接有若干搅拌针104。通过驱动装置带动旋转部件1在非旋转部件2中转动，通过供料部将丝材原料运送至旋转部件1底部从而进行增材工作，同时通过在非旋转部件2部分表面制备低粘性电沉积表面解决了铝合金在旋转部件1底部的粘附现象，供料部连续进料，与相对转动中的旋转部件1和非旋转部件2配合，保证了高流动性铝合金在高温条件下的可持续送丝搅拌摩擦增材制造。
28.进一步优化方案，非旋转部件2包括固定座204，固定座204侧壁顶部固定连接有夹持盘201，固定座204通过夹持盘201与固定装置固定连接，进料孔202开设于固定座204周侧，进料孔202位于夹持盘201下方，通孔开设于固定座204中部，固定座204内开设有过渡孔205，过渡孔205位于通孔上方且与通孔相连通。通过固定装置对固定座204上的夹持盘201进行夹持固定，与旋转部件1相配合，从而与旋转部件1发生相对转动，能够使丝材原料在供料部的作用下连续进给，保证了高流动性铝合金在高温条件下的可持续送丝搅拌摩擦增材制造；
29.进一步优化方案，旋转部件1包括与驱动装置固定连接的夹持柄101，夹持柄101底部设置有螺杆103，螺杆103位于通孔内且与通孔相对转动，搅拌针104固定安装于螺杆103底端，螺杆103与夹持柄101之间固定连接有过渡轴102，过渡轴102位于过渡孔205内。通过驱动装置对夹持柄101进行夹持，从而便于带动螺杆103在固定座204内转动，从而能够使螺杆103在待增材表面高速转动，从而进行增材作业，同时螺杆103的转动能够带动丝材原料持续供料，工作效率高。
30.进一步的，驱动装置包括但不限于搅拌摩擦焊机、数控铣床、数控加工中心的旋转主轴转子部分，采用对旋转主轴转子部分夹持柄进行夹持，固定装置包括但不限于搅拌摩擦焊机、数控铣床、数控加工中心的主轴非转定子部分，采用主轴非转定子部分对夹持盘进行固定。
31.进一步的，过渡轴102开设有拆卸槽，能够实现旋转部件1的装夹定位。
32.进一步优化方案，供料部包括开设于通孔内壁的锯齿凸起203，螺杆103周侧开设有螺旋槽105，螺旋槽105用于输送丝材原料，丝材原料位于螺旋槽105内且与锯齿凸起203接触设置，螺旋槽105与进料孔202相连通。丝材原料通过进料孔202进入螺旋槽105中进行供料，在旋转部件1与非旋转部件2的共同作用下进行供料，锯齿凸起203表面结构提供了持续的轴线推动挤压力，能够保证高流动性铝合金在高温条件下的可持续送丝搅拌摩擦增材制造。
33.进一步优化方案，夹持柄101周侧开设有平面，两个平面平行设置，驱动装置与两个平面配合，夹持盘201上开设有若干定位孔206，固定装置通过定位孔206与夹持盘201固定连接。通过在夹持柄101表面铣平面便于驱动装置对其进行夹持，保证连接稳定，从而稳定带动旋转部件1进行转动。
34.进一步优化方案，螺旋槽105的螺距为丝材原料直径的3-10倍。
35.进一步优化方案，搅拌针104包括与螺杆103底面固定连接的矩形凸起，若干矩形凸起圆周分布与螺杆103底面。搅拌针104用于接收从螺杆103挤压出的热塑化增材原料并高速旋转搅拌摩擦增材原料以形成致密的增材制造层。
36.进一步的，非旋转部件2底部设置有轴肩，轴肩用于抹平增材制造层表面，从而形成平整且致密的全固相增材制造层。
37.一种搅拌摩擦增材工具轴向推力强化结构的制备方法，包括以下步骤：
38.s1、通孔的加工，通过钻孔的方式在非旋转部件2中部制备通孔；
39.s2、非旋转部件2热处理表面硬化，将非旋转部件2表面硬度热处理至hrc45-50，并通过除锈、酸洗、碱洗、活化工艺去除非旋转部件2表面油污及热处理污渍；
40.s3、低粘附性表面层电沉积制备，配置金属基陶瓷复合沉积层电解悬浊液，将非旋转部件2接至直流脉冲电源负极，高纯镍棒接至直流脉冲电源正极，将高纯镍棒插入通孔内且与通孔内壁之间留有间隙，将非旋转部件2与高纯镍棒同时浸入金属基陶瓷复合沉积层电解悬浊液中，使用电磁搅拌器进行搅拌，加热电解悬浊液至65
±
5℃，在费旋转部分表面电沉积制备低粘附性表面层；
41.s4、表面清洗，将非旋转部件2依次浸入无水乙醇、去离子水中进行若干次超声清洗，去除非旋转部分多余电沉积表面层。
42.进一步优化方案，s3中直流脉冲电源施加脉冲电流密度为0.1-50a/dm2，脉冲频率10-1000hz，占空比0.01-0.5，沉积时间0.5-24.0h。
43.进一步优化方案，s3中低粘附性表面层厚度为5-100μm。
44.进一步的，通孔尺寸比螺杆103外径大0.2-1.2mm。
45.进一步优化方案，步骤s3中金属基陶瓷复合沉积层电解悬浊液包括硫酸镍、硫酸钴、磷酸、柠檬酸、亚磷酸、光亮剂，并在其中添加包括但不限于二硫化钼粉、碳化硅粉、硼化钛粉、多层石墨烯粉、氟化石墨粉等陶瓷纳米颗粒形成悬浊液。
46.进一步优化方案，步骤s1中还包括采用车削或镗削的方式在通孔内壁加工锯齿凸起203，锯齿凸起203横截面为三角形、梯形、圆形中的一种，锯齿深度0.1-1.5mm，宽度为深度的1-3倍。
47.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，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。
48.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种搅拌摩擦增材工具轴向推力强化结构，其特征在于：包括旋转部件(1)和非旋转部件(2)，所述非旋转部件(2)固定连接有固定装置，所述非旋转部件(2)中部开设有通孔，所述旋转部件(1)底部位于所述通孔内且所述旋转部件(1)底部尺寸小于所述通孔尺寸，所述旋转部件(1)底部与所述通孔相对转动设置，所述旋转部件(1)顶部固定连接有驱动装置，所述非旋转部件(2)周侧开设有进料孔(202)，所述进料孔(202)与所述通孔相连通，所述旋转部件(1)底部与所述通孔侧壁之间设置有供料部，所述旋转部件(1)底端固定连接有若干搅拌针(104)。2.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦增材工具轴向推力强化结构，其特征在于：所述非旋转部件(2)包括固定座(204)，所述固定座(204)侧壁顶部固定连接有夹持盘(201)，所述固定座(204)通过所述夹持盘(201)与所述固定装置固定连接，所述进料孔(202)开设于所述固定座(204)周侧，所述进料孔(202)位于所述夹持盘(201)下方，所述通孔开设于所述固定座(204)中部，所述固定座(204)内开设有过渡孔(205)，所述过渡孔(205)位于所述通孔上方且与所述通孔相连通。3.根据权利要求2所述的一种搅拌摩擦增材工具轴向推力强化结构，其特征在于：所述旋转部件(1)包括与所述驱动装置固定连接的夹持柄(101)，所述夹持柄(101)底部设置有螺杆(103)，所述螺杆(103)位于所述通孔内且与所述通孔相对转动，所述搅拌针(104)固定安装于所述螺杆(103)底端，所述螺杆(103)与所述夹持柄(101)之间固定连接有过渡轴(102)，所述过渡轴(102)位于所述过渡孔(205)内。4.根据权利要求3所述的一种搅拌摩擦增材工具轴向推力强化结构，其特征在于：所述供料部包括开设于所述通孔内壁的锯齿凸起(203)，所述螺杆(103)周侧开设有螺旋槽(105)，所述螺旋槽(105)用于输送丝材原料，所述丝材原料位于所述螺旋槽(105)内且与所述锯齿凸起(203)接触设置，所述螺旋槽(105)与所述进料孔(202)相连通。5.根据权利要求3所述的一种搅拌摩擦增材工具轴向推力强化结构，其特征在于：所述夹持柄(101)周侧开设有平面，两个所述平面平行设置，所述驱动装置与两个平面配合，所述夹持盘(201)上开设有若干定位孔(206)，所述固定装置通过所述定位孔(206)与所述夹持盘(201)固定连接。6.根据权利要求4所述的一种搅拌摩擦增材工具轴向推力强化结构，其特征在于：所述螺旋槽(105)的螺距为丝材原料直径的3-10倍。7.根据权利要求3所述的一种搅拌摩擦增材工具轴向推力强化结构，其特征在于：所述搅拌针(104)包括与所述螺杆(103)底面固定连接的矩形凸起，若干所述矩形凸起圆周分布与所述螺杆(103)底面。8.一种搅拌摩擦增材工具轴向推力强化结构的制备方法，基于权利要求1-7任一项所述的一种搅拌摩擦增材工具轴向推力强化结构，其特征在于：包括以下步骤：s1、通孔的加工，通过钻孔的方式在非旋转部件(2)中部制备通孔；s2、非旋转部件(2)热处理表面硬化，将非旋转部件(2)表面硬度热处理至hrc45-50，并通过除锈、酸洗、碱洗、活化工艺去除非旋转部件(2)表面油污及热处理污渍；s3、低粘附性表面层电沉积制备，配置金属基陶瓷复合沉积层电解悬浊液，将非旋转部件(2)接至直流脉冲电源负极，高纯镍棒接至直流脉冲电源正极，将高纯镍棒插入通孔内且与通孔内壁之间留有间隙，将非旋转部件(2)与高纯镍棒同时浸入金属基陶瓷复合沉积层
电解悬浊液中，使用电磁搅拌器进行搅拌，加热电解悬浊液至65
±
5℃，在费旋转部分表面电沉积制备低粘附性表面层；s4、表面清洗，将非旋转部件(2)2依次浸入无水乙醇、去离子水中进行若干次超声清洗，去除非旋转部分多余电沉积表面层。9.根据权利要求8所述的一种搅拌摩擦增材工具轴向推力强化结构的制备方法，其特征在于：s3中直流脉冲电源施加脉冲电流密度为0.1-50a/dm2，脉冲频率10-1000hz，占空比0.01-0.5，沉积时间0.5-24.0h。10.根据权利要求8所述的一种搅拌摩擦增材工具轴向推力强化结构的制备方法，其特征在于：s3中低粘附性表面层厚度为5-100μm。

技术总结
本发明公开一种搅拌摩擦增材工具轴向推力强化结构及其制备方法，通过钻孔的方式在非旋转部件中制备通孔，然后对非旋转部件热处理表面硬化，进行低粘附性表面层电沉积制备，最后进行表面清洗，对非旋转部分表面进行轴向推力强化表面结构制备，本发明通过在非旋转部件表面制备低粘附性电沉积表面层解决了铝合金在螺杆输送模块上的粘附问题，并通过供料部提供持续的轴线推动挤压力，保证了高流动性铝合金在高温条件下的可持续送丝搅拌摩擦增材制造；不仅可适用于高流动铝合金的连续送丝式搅拌摩擦增材制造，也适用于提供高强铝合金材料固相增材制造的轴向推力强化，具有工艺简单、适用性强的特点。适用性强的特点。适用性强的特点。


技术研发人员：谢聿铭 黄永宪 孟祥晨 燕泊衡
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2022.10.24
技术公布日：2023/1/6