[發(fā)明專利]一種用于摩擦增材制造的雙軸肩工具頭

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• 申請日: 2020-12-29
• 公開（公告）號: CN112620917A
• 公開（公告）日: 2021-04-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 謝瑞山;劉海濱;李佳松
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12;B33Y30/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 張慧

本發(fā)明涉及一種用于摩擦增材制造的雙軸肩工具頭，屬于增材制造領(lǐng)域，用于解決產(chǎn)熱不足，層間缺陷嚴(yán)重的問題。本發(fā)明基于夾持柄，還包括內(nèi)軸肩，攪拌針，外軸肩，環(huán)槽螺母，開口銷、引流槽；夾持柄依次貫穿內(nèi)軸肩，攪拌針，外軸肩，環(huán)槽螺母，其中，內(nèi)軸肩與夾持柄做成一體的結(jié)構(gòu)，內(nèi)軸肩與攪拌針相鄰端面上開有多個引流槽；攪拌針為一帶有螺紋花樣的圓柱軸段；外軸肩通過螺紋連接安裝在夾持柄上，外軸肩上開有多個引流槽，緊鄰攪拌針；環(huán)槽螺母和開口銷構(gòu)成緊固件，用于防止外軸肩因為隨夾持柄旋轉(zhuǎn)而松動；本發(fā)明通過內(nèi)、外雙軸肩的形式同時與工件摩擦，可以顯著提高產(chǎn)熱量，從而有效避免層間結(jié)合不足等缺陷。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于增材制造領(lǐng)域，涉及一種用于摩擦增材制造的工具頭，主要用于改善摩擦增材制造的加工效果，提高加工效率。

背景技術(shù)

摩擦增材制造是一種固態(tài)增材制造技術(shù)，能夠避免傳統(tǒng)增材制造技術(shù)(如激光、電子束及電弧)中出現(xiàn)組織和性能不均、產(chǎn)品合格率低、成本高等問題，在航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前摩擦增材制造常用的工具頭為無軸肩或單軸肩的形式，這兩種形式的工具頭存在以下不足：(1)產(chǎn)熱不足，容易產(chǎn)生相鄰層間出現(xiàn)弱結(jié)合等缺陷，嚴(yán)重影響成形零件的力學(xué)性能；(2)軟化材料容易向外側(cè)流淌，導(dǎo)致成形零件的表面粗糙、成形質(zhì)量差；(3)由于產(chǎn)熱效率較低，每層沉積的厚度非常有限，成形效率較低。

因此，急需改進摩擦增材制造的工具頭形式，從而增加產(chǎn)熱，減少層間缺陷，進而提高成形零件的性能、成形精度和成形效率。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在通過設(shè)計一種雙軸肩的摩擦增材制造工具頭，從而改變摩擦增材制造過程產(chǎn)熱量相對較少、加工效率低下、工件側(cè)面比較粗糙、材料向外溢出導(dǎo)致增材缺陷的現(xiàn)狀。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

雙軸肩摩擦增材制造工具頭基于夾持柄本體進行設(shè)計來實現(xiàn)增材制造；

進一步地，在本體上設(shè)計了內(nèi)外兩個軸肩，內(nèi)軸肩與本體做成一體，外軸肩與本體通過螺紋連接結(jié)合在一起，并且在內(nèi)外兩個軸肩上均開有引流槽，使得增材制造過程中產(chǎn)生更多的熱量，并且引流槽能促進材料流動，從而避免缺陷的產(chǎn)生；

進一步地，在本體上設(shè)計了攪拌針工具頭，工具頭的形狀以及螺紋花樣均不做限定。優(yōu)選的，工具頭可以選擇圓柱形，而螺紋形狀可選擇普通圓柱螺紋、錐形螺紋、大溝槽螺紋、帶螺旋流動槽的螺紋等等。攪拌針是摩擦增材產(chǎn)熱的主體部分，螺紋設(shè)計可以促進材料的流動；

進一步地，軸肩直徑(Rs)、攪拌針直徑(Rp)以及每層打印厚度(D)推薦滿足以下公式：Rs＝Rp+(4～10)×D。所述工具頭(攪拌針與軸肩)的材料硬度比所加工材料的硬度高，且工具頭的材料熔點比所加工材料的熔點高。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，加工不同的材料時，所推薦的工具頭材料見表1所示。

進一步地，在本體上還設(shè)計了環(huán)槽螺母和開口銷，其中環(huán)槽螺母通過螺紋連接壓緊在外軸肩的端面上，開口銷則穿過本體上的小孔和環(huán)槽螺母的槽口而固定住環(huán)槽螺母，防止其因隨著本體一塊轉(zhuǎn)動而導(dǎo)致松動。而且環(huán)槽螺母的厚度可以根據(jù)增材零件的厚度進行自由調(diào)整，通過改變環(huán)槽螺母的厚度，可以用于打印不同寬度的增材零件。

表1對于不同打印材料所推薦的工具頭材料

有益效果

本發(fā)明的有益效果：本技術(shù)方案提供一種用于摩擦增材制造的工具頭，其中，軸肩上帶有引流槽，引流槽可以有效防止軟化的材料被擠出，提高成形零件的表面質(zhì)量；攪拌針為圓柱形，其上面還帶有螺紋，能更好的壓入工件，促進金屬材料的流動；通過內(nèi)、外雙軸肩的形式同時與工件摩擦，可以顯著提高產(chǎn)熱量，從而有效避免層間結(jié)合不足等缺陷。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將通過附圖作簡單地介紹。