本發(fā)明涉及一種攪拌摩擦裝置及方法，具體涉及一種增材、減材及修復(fù)于一體化的攪拌摩擦裝置及方法，本發(fā)明屬于攪拌摩擦增材制造。

背景技術(shù)：

1、攪拌摩擦增材制造作為一種固相增材制造方法，其通過材料摩擦擠壓塑性變形加工原理使得絲材或棒材以熱塑化狀態(tài)沉積。沉積過程中溫度遠(yuǎn)低于沉積材料固相線溫度，從“固相”直接到“固相”的本征屬性直接避免了金屬熔化增材時(shí)易發(fā)生的元素?zé)龘p，組織不均勻、孔隙以及熱裂紋等問題。固相增材制造過程中沉積材料經(jīng)過大塑性變形保留動(dòng)態(tài)再結(jié)晶特征，沉積層晶粒組織均勻細(xì)小。因此增材件往往組織致密且具有優(yōu)異的性能，在輕質(zhì)合金構(gòu)件制造領(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)用潛力。

2、公開號(hào)為cn117600641a公開了一種粉床送絲復(fù)合式攪拌摩擦增材制造裝置，然而增材過程中增材件通過自下而上的二維疊加，表面粗糙度和加工精度不高且構(gòu)件表面精度遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)增材加工表面，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的構(gòu)件往往需要二次加工。同時(shí)在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于設(shè)備精度誤差或者參數(shù)選取不當(dāng)時(shí)，增材構(gòu)件易出現(xiàn)缺陷。對(duì)于缺陷的消除及增材構(gòu)件加工精度的提高存在局限性。

3、公開號(hào)cn113618330a公開了一種視覺傳感系統(tǒng)進(jìn)行缺陷識(shí)別，但是視覺傳感技術(shù)精度較低，測(cè)量范圍較短，易受環(huán)境光照影響。對(duì)于增材過程中實(shí)時(shí)缺陷的檢測(cè)需要較高的精度及分辨率。

4、因此亟需一種可實(shí)現(xiàn)固相增材、減材及修復(fù)再制造于一體化的攪拌摩擦裝置及方法，用于解決上述問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述技術(shù)問題，進(jìn)而提出種增材、減材及修復(fù)于一體化的攪拌摩擦裝置及方法。

2、本發(fā)明為解決上述問題采取的技術(shù)方案是：

3、一種增材、減材及修復(fù)于一體化的攪拌摩擦裝置包括攪拌摩擦增材制造模塊、減材模塊、送絲模塊和表面輪廓檢測(cè)模塊，所述攪拌摩擦增材制造模塊與主軸第一轉(zhuǎn)子固定連接；所述減材模塊位于攪拌摩擦增材制造模塊內(nèi)并與主軸第二轉(zhuǎn)子固定連接；所述送絲模塊用于將絲材分別傳遞給攪拌摩擦增材制造模塊和減材模塊；所述表面輪廓檢測(cè)模塊與攪拌摩擦增材制造模塊可拆卸連接，用于對(duì)沉積層表面質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。

4、進(jìn)一步的，所述攪拌摩擦增材制造模塊包括攪拌工具和壓緊環(huán)，攪拌工具的下端插裝在壓緊環(huán)內(nèi)，所述攪拌工具包括第一夾持端、切削部和攪拌針，第一夾持端、切削部和攪拌針由上至下依次連接成一體；所述壓緊環(huán)的上端設(shè)有第二夾持端，所述第二夾持端通過緊固螺釘與主軸定子固定連接，壓緊環(huán)的下端設(shè)有軸肩；所述軸肩位于壓緊環(huán)下端面呈平面或內(nèi)凹面用于約束材料。所述壓緊環(huán)的側(cè)壁設(shè)有第一送絲孔。

5、進(jìn)一步的，所述減材模塊包括銑刀，銑刀的上端與主軸的第二轉(zhuǎn)子固定連接，銑刀的側(cè)面設(shè)有第二送絲孔。第二送絲孔與第一送絲孔保持同心。

6、進(jìn)一步的，所述送絲模塊包括送絲機(jī)和絲材，絲材通過送絲機(jī)傳遞給攪拌摩擦增材制造模塊和減材模塊。

7、進(jìn)一步的，所述表面輪廓檢測(cè)模塊包括數(shù)據(jù)處理單元、激光輪廓傳感器和連接板，所述數(shù)據(jù)處理單元和激光輪廓傳感器由上至下安裝在連接板的下表面，激光輪廓傳感器上設(shè)有激光發(fā)射器和接收器，通過激光發(fā)射器將激光束投射到被測(cè)物體表面上，接收器接收反射光信號(hào)，并將信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理單元。

8、一種增材、減材及修復(fù)于一體化的攪拌摩擦方法，通過如下步驟進(jìn)行：

9、步驟一、通過攪拌摩擦增材制造模塊進(jìn)行增材制造；

10、步驟二、通過表面輪廓檢測(cè)模塊對(duì)增材層表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)，并通過減材模塊對(duì)缺陷進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)完成后增材過程重新開始；

11、步驟三、增材構(gòu)件制造完成后，通過減材模塊對(duì)增材構(gòu)件進(jìn)行精密加工。

12、進(jìn)一步的，所述步驟一具體包括：增材過程開始時(shí)，主軸第一轉(zhuǎn)子開始工作進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，第二轉(zhuǎn)子保持靜止不動(dòng)；絲材連續(xù)不間斷的依次通過第一送絲孔和第二送絲孔；隨后絲材接觸高速旋轉(zhuǎn)的切削部被剪切成小顆粒，由于高速旋轉(zhuǎn)的攪拌工具與未旋轉(zhuǎn)的減材模塊之間發(fā)生高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)，剪切后的絲材沿切削部的螺槽加工路徑流動(dòng)；當(dāng)熱塑化的材料流動(dòng)到底部時(shí)在攪拌針和壓緊環(huán)的作用下發(fā)生沉積形成致密的增材層；

13、進(jìn)一步的，所述步驟二具體包括：當(dāng)主軸開始沿預(yù)設(shè)路徑進(jìn)行增材沉積時(shí)，位于主軸后方即沉積層上方的表面輪廓檢測(cè)模塊開始工作；激光發(fā)射器將激光束投射到被測(cè)物體表面上，接收器接收反射激光信號(hào)，并將信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理單元。并對(duì)采集到的圖像進(jìn)行缺陷分析，得到沉積層缺陷位置、缺陷深度及缺陷類型；隨后送絲機(jī)停止送絲，控制絲材抽出，設(shè)備主軸開始抬起，并移動(dòng)到缺陷起始位置；這時(shí)主軸第一轉(zhuǎn)子停止旋轉(zhuǎn)，主軸第二轉(zhuǎn)子開始工作進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)并單獨(dú)控制減材模塊開始軸向向下移動(dòng)，通過銑刀銑去沉積層表面缺陷，當(dāng)表面缺陷消除后，第二轉(zhuǎn)子控制減材模塊軸向移動(dòng)到起始預(yù)設(shè)位置后，增材過程重新開始；

14、進(jìn)一步的，所述步驟三具體包括：當(dāng)增材構(gòu)件制造完成后，送絲機(jī)停止送絲；主軸第一轉(zhuǎn)子停止旋轉(zhuǎn)，第二轉(zhuǎn)子開始工作高速旋轉(zhuǎn)并單獨(dú)控制減材模塊開始軸向向下移動(dòng)；當(dāng)減材模塊的下端低于切削部端部平面的螺旋齒長度滿足要求時(shí)，停止軸向移動(dòng)，最后主軸控制減材模塊按照減材加工預(yù)設(shè)路徑對(duì)增材構(gòu)件進(jìn)行精密加工。

15、本發(fā)明的有益效果是：

16、1、本發(fā)明將激光輪廓傳感技術(shù)應(yīng)用于增材過程中實(shí)時(shí)獲取高精度的缺陷深度信息和表面形狀，減材技術(shù)作為輔助工藝，修復(fù)再制造實(shí)現(xiàn)缺陷的準(zhǔn)等強(qiáng)修復(fù)，有效解決了傳統(tǒng)減材制造在處理復(fù)雜幾何形狀時(shí)的局限性，同時(shí)發(fā)揮了增材制造在材料利用效率和設(shè)計(jì)自由度方面的優(yōu)勢(shì)；

17、2、本發(fā)明通過表面輪廓檢測(cè)模塊對(duì)沉積層表面質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果精度高，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)缺陷及時(shí)消除，保證了增材構(gòu)件的成形質(zhì)量，節(jié)約了生產(chǎn)成本；

18、3、本發(fā)明將增材工藝與減材工藝相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件在同一設(shè)備上的連續(xù)沉積-銑削加工，設(shè)備靈活性更高，提高了增材構(gòu)件的加工精度，減少了傳統(tǒng)后處理工序所需的時(shí)間和成本，有效提高了制造效率；

19、4、本發(fā)明是一種集增材、減材、修復(fù)再制造于一體化的攪拌摩擦裝置，結(jié)構(gòu)功能多與柔性強(qiáng)，極大的簡化了傳統(tǒng)增減材系統(tǒng)的復(fù)雜與大型化，適用于野外遠(yuǎn)程運(yùn)輸與現(xiàn)場(chǎng)制造和再制造；

20、5、本發(fā)明適用范圍廣，可應(yīng)用于鋁及鋁合金、鎂合金、銅合金、鈦合金及復(fù)合材料的一體化成形制造。

技術(shù)特征：

1.一種增材、減材及修復(fù)于一體化的攪拌摩擦裝置，其特征在于：所述該裝置包括攪拌摩擦增材制造模塊(1)、減材模塊(2)、送絲模塊(3)和表面輪廓檢測(cè)模塊(4)，

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種增材、減材及修復(fù)于一體化的攪拌摩擦裝置，其特征在于：所述攪拌摩擦增材制造模塊(1)包括攪拌工具(101)和壓緊環(huán)(102)，攪拌工具(101)的下端插裝在壓緊環(huán)(102)內(nèi)，所述攪拌工具(101)包括第一夾持端(10101)、切削部(10102)和攪拌針(10103)，第一夾持端(10101)、切削部(10102)和攪拌針(10103)由上至下依次連接成一體；所述壓緊環(huán)(102)的上端設(shè)有第二夾持端(10201)，所述第二夾持端(10201)通過緊固螺釘與主軸定子固定連接，壓緊環(huán)(102)的下端設(shè)有軸肩(10202)；所述壓緊環(huán)(102)的側(cè)壁設(shè)有第一送絲孔(10203)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種增材、減材及修復(fù)于一體化的攪拌摩擦裝置，其特征在于：所述減材模塊(2)包括銑刀(201)，銑刀(201)的上端與主軸的第二轉(zhuǎn)子固定連接，銑刀(201)的側(cè)面設(shè)有第二送絲孔(202)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種增材、減材及修復(fù)于一體化的攪拌摩擦裝置，其特征在于：所述送絲模塊(3)包括送絲機(jī)(301)和絲材(302)，絲材(302)通過送絲機(jī)(301)傳遞給攪拌摩擦增材制造模塊(1)和減材模塊(2)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種增材、減材及修復(fù)于一體化的攪拌摩擦裝置，其特征在于：所述表面輪廓檢測(cè)模塊(4)包括數(shù)據(jù)處理單元(401)、激光輪廓傳感器(402)和連接板(403)，所述數(shù)據(jù)處理單元(401)和激光輪廓傳感器(402)由上至下安裝在連接板(403)的下表面，激光輪廓傳感器(402)上設(shè)有激光發(fā)射器(40201)和接收器(40202)，通過激光發(fā)射器(40201)將激光束投射到被測(cè)物體表面上，接收器(40202)接收反射光信號(hào)，并將信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理單元(401)。

6.一種增材、減材及修復(fù)于一體化的攪拌摩擦方法，其特征在于，所述該方法通過如下步驟進(jìn)行：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種增材、減材及修復(fù)于一體化的攪拌摩擦方法，其特征在于，所述步驟一具體包括：增材過程開始時(shí)，主軸第一轉(zhuǎn)子開始工作進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，第二轉(zhuǎn)子保持靜止不動(dòng)；絲材(302)連續(xù)不間斷的依次通過第一送絲孔(10203)和第二送絲孔(202)；隨后絲材(302)接觸高速旋轉(zhuǎn)的切削部(10102)被剪切成小顆粒，由于高速旋轉(zhuǎn)的攪拌工具(101)與未旋轉(zhuǎn)的減材模塊(2)之間發(fā)生高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)，剪切后的絲材(302)沿切削部的螺槽加工路徑流動(dòng)；當(dāng)熱塑化的材料流動(dòng)到底部時(shí)在攪拌針(10103)和壓緊環(huán)(102)的作用下發(fā)生沉積形成致密的增材層。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種增材、減材及修復(fù)于一體化的攪拌摩擦方法，其特征在于，所述步驟二具體包括：當(dāng)主軸開始沿預(yù)設(shè)路徑進(jìn)行增材沉積時(shí)，位于主軸后方即沉積層上方的表面輪廓檢測(cè)模塊(4)開始工作；激光發(fā)射器(40201)將激光束投射到被測(cè)物體表面上，接收器(40202)接收反射激光信號(hào)，并將信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理單元(401)；并對(duì)采集到的圖像進(jìn)行缺陷分析，得到沉積層缺陷位置、缺陷深度及缺陷類型；隨后送絲機(jī)(301)停止送絲，控制絲材(302)抽出，設(shè)備主軸開始抬起，并移動(dòng)到缺陷起始位置；這時(shí)主軸第一轉(zhuǎn)子停止旋轉(zhuǎn)，主軸第二轉(zhuǎn)子開始工作進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)并單獨(dú)控制減材模塊(2)開始軸向向下移動(dòng)，通過銑刀(201)銑去沉積層表面缺陷，當(dāng)表面缺陷消除后，第二轉(zhuǎn)子控制減材模塊(2)軸向移動(dòng)到起始預(yù)設(shè)位置后，增材過程重新開始。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種增材、減材及修復(fù)于一體化的攪拌摩擦方法，其特征在于，所述步驟三具體包括：當(dāng)增材構(gòu)件制造完成后，送絲機(jī)(301)停止送絲；主軸第一轉(zhuǎn)子停止旋轉(zhuǎn)，第二轉(zhuǎn)子開始工作高速旋轉(zhuǎn)并單獨(dú)控制減材模塊(2)開始軸向向下移動(dòng)；當(dāng)減材模塊(2)的下端低于切削部(10102)端部平面的螺旋齒長度滿足要求時(shí)，停止軸向移動(dòng)，最后主軸控制減材模塊(2)按照減材加工預(yù)設(shè)路徑對(duì)增材構(gòu)件進(jìn)行精密加工。

技術(shù)總結(jié)
一種增材、減材及修復(fù)于一體化的攪拌摩擦裝置及方法，為解決傳統(tǒng)減材制造在處理復(fù)雜幾何形狀時(shí)的局限性，裝置部分包括攪拌摩擦增材制造模塊、減材模塊、送絲模塊和表面輪廓檢測(cè)模塊，攪拌摩擦增材制造模塊與主軸第一轉(zhuǎn)子固定連接；減材模塊位于攪拌摩擦增材制造模塊內(nèi)并與主軸第二轉(zhuǎn)子固定連接；送絲模塊用于將絲材分別傳遞給攪拌摩擦增材制造模塊和減材模塊；表面輪廓檢測(cè)模塊用于對(duì)沉積層表面質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。本發(fā)明將激光輪廓傳感技術(shù)、增材技術(shù)及減材技術(shù)復(fù)合，可實(shí)時(shí)檢測(cè)沉積層成形情況，保證成形質(zhì)量。增材結(jié)束后，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件在同一設(shè)備上連續(xù)的沉積?銑削加工，提高了增材構(gòu)件的加工精度和生產(chǎn)效率。本發(fā)明屬于攪拌摩擦增材制造領(lǐng)域。

技術(shù)研發(fā)人員：黃永憲,董汶江,楊天豪,夏佩云,封小松,孟祥晨,謝聿銘,馬瀟天,王乃婕
受保護(hù)的技術(shù)使用者：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8