应用于摩擦增材制造装置的离合器的制作方法

1.本发明涉及固相增材制造技术领域，具体的是一种应用于摩擦增材制造装置的离合器。


背景技术：

2.增材制造的类型主要包括：熔融沉积快速成型、光固化成型、三维粉末粘接、选择性激光烧结、分层实体制造、无模铸型制造和摩擦增材制造(fsam)等，其中，摩擦增材制造作为一种固相非熔化增材制造方法，可实现增材件超细晶致密组织、第二相均匀弥散分布的高强高韧化设计，特别适用于诸如铝及铝合金、镁及镁合金、轻质金属复合材料等的制造。
3.摩擦增材制造的制造方式主要包括三种，以板材为进料的fsam、沉积损耗式fsam和以粉末为进料的fsam，其中，沉积损耗式fsam的材料利用率高、成型控制性较好、成型件性能优于基材。沉积损耗式fsam的工作原理是将增材原料设置为柱状的料棒，将料棒垂直抵于基材的表面，通过动力机构使料棒相对于基材旋转，在料棒和基材贴合的表面摩擦生热，使得材料塑性软化，再通过对料棒施加轴向压力，在基材表面进行增材制造。为了使料棒可以相对于基材旋转，动力机构通过一个转动的空心主轴对料棒提供扭矩，料棒的截面和空心主轴轴孔的截面均为正多边形，以在空心主轴和料棒之间传递扭矩。
4.作为耗材，料棒的长度是有限的，在一次增材作业中往往需要用到多根料棒，当一根工作料棒用尽之后，需要动力机构停机，以更换新的料棒，动力机构再重新增速，料棒和基材的接触面重新升温，上述过程极大的限制了增材制造的效率。为解决上述问题，部分空心主轴采用分体式设置，将空心主轴分为上下两段，下段在整个增材制造的过程中始终保持高速转动，以保持接触面的温度，而上段在更换料棒的过程中，则需要停转，料棒更换完毕再重新匹配至与下段同样的转速。
5.分体式的空心主轴设计，其升速的稳定性、高速转动下上下两段轴孔的相位对齐均是需要考虑和解决的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种应用于摩擦增材制造装置的离合器，可以将补充料棒增速至与工作料棒同速，并保持工作料棒和补充料棒相位对齐，以实现不停机的料棒补充，提高增材制造的效率。
7.本发明的技术方案是：
8.应用于摩擦增材制造装置的离合器，包括上离合器分体和下离合器分体；
9.摩擦增材制造装置包括主轴和料棒下压装置，主轴的中轴处设有与料棒相配合的轴孔，料棒和轴孔的截面均为正方形，从而为料棒提供扭矩，料棒下压装置用于对料棒产生下压力，使料棒沿轴孔滑动，使料棒的下端压紧基材表面。主轴分为主轴上段和主轴下段，主轴上段通过升降机构沿主轴轴线往复运动，主轴下段则是通过动力机构自转，进而带动
料棒旋转进行摩擦增材。主轴的分体设置可以允许主轴下段在不停转的情况下补充料棒。
10.所述上离合器分体包括圆柱状的中空壳体，所述壳体的上、下底面均设有通孔，壳体内设有相位匹配块，相位匹配块与壳体周向限位，相位匹配块沿壳体轴线方向与壳体滑动相连，相位匹配块与壳体之间设有驱动相位匹配块向上底面滑动的压簧，所述相位匹配块的中心处设有正方形的上料棒通孔，所述相位匹配块靠近下底面的一侧上设有呈旋转对称结构的上相位匹配凸台，所述下底面远离上底面的一侧设有上摩擦片；
11.具体的，所述壳体的上底面和下底面之间设有不少于2根平行于壳体轴线的压簧导向柱，相位匹配块的外缘设有上法兰盘，压簧导向柱贯穿上法兰盘并与上法兰盘滑动相连，所述压簧套于上法兰盘和壳体下底面之间的压簧导向柱上。
12.压簧导向柱的两端分别与壳体上底面和壳体下底面固定相连，压簧导向柱贯穿上法兰盘使相位匹配块与壳体在壳体的周向上形成限位，壳体和相位匹配块同步转动。压簧在上法兰盘和壳体下底面之间被压缩，压簧在舒张的过程中，可以驱动相位匹配块向上底面滑动。
13.上法兰盘与主轴上段的下端固定相连，相位匹配块的中轴处的上料棒通孔与主轴上段的轴孔对齐且相连通，上相位匹配凸台设置于上法兰盘远离主轴上段的一侧
14.所述下离合器分体包括与壳体下底面相配合的下法兰盘，下法兰盘的外缘设有与上摩擦片相配合的下摩擦片，下离合器分体的中心处设有正方形的下料棒通孔，下法兰盘靠近壳体的一侧设有下相位匹配凸台，上相位匹配凸台和下相位匹配凸台啮合使上料棒通孔与下料棒通孔相位对齐。
15.主轴下段的上端与下离合器分体固定相连，主轴下段的轴孔与下料棒通孔对齐且相连通，下相位匹配凸台设置于下法兰盘远离主轴下段的一侧，壳体下底面的通孔允许下相位匹配凸台穿过，在壳体内与上相位匹配凸台啮合。
16.离合器的作用在于实现主轴的连续上料。在摩擦增材的过程中，主轴上段下压，使上法兰盘沿压簧导向柱向下滑动，壳体下底面的上摩擦片与下离合器分体的上摩擦片接触，壳体与主轴下段同步转动，壳体与相位匹配块周向限位，使主轴上段和主轴下段同步转动，再通过上相位匹配凸台和下相位匹配凸台的啮合，将上料棒通孔和下料棒通孔相位对齐，进而使主轴上段的轴孔和主轴下段的轴孔相位对齐，最终使料棒可由主轴上端向主轴下端滑动。在料棒下压装置和主轴转动作用下进行料棒增材。
17.当主轴内一根料棒用尽，主轴上段上移，上法兰盘和壳体下底面之间的压簧舒张，上相位匹配凸台和下相位匹配凸台啮合状态解除，上、下摩擦片分离，主轴上段减速至停止，但主轴下段依然保持转速。向停止转动的主轴上段内补充新的料棒，主轴上段下压，上、下摩擦片接触，主轴上段增速至与主轴下段同速，主轴上段和主轴下段进行相位匹配，使轴孔对齐，在料棒下压装置的作用下，料棒可由主轴上段进入主轴下段，继续进行摩擦增材。
18.所述上相位匹配凸台由4个相位匹配齿组成，每个相位匹配齿由一平行于壳体轴线的竖面和一斜面组成，在两个相邻的相位匹配齿，前一个相位匹配齿的斜面底端与后一个相位匹配齿的竖面底端相连。
19.在上、下摩擦片的作用下，主轴上段和主轴下段逐渐同步转动，相位匹配凸台继续下压，上相位匹配凸台和下相位匹配凸台开始接触，上相位匹配凸台的相位匹配齿的齿尖沿下相位匹配凸台的相位匹配齿的斜面下滑，在斜面的作用下，主轴上段和主轴下段发生
小角度(不超过90
°
)的相对转动，最终使上相位匹配凸台和下相位匹配凸台啮合成完整的柱面，此时，上、下料棒通孔的相位对齐。
20.上述方案中，通过离合器可以实现主轴下段在不停机的情况下，进行料棒的补充，可加大的提高工作效率，上相位匹配凸台和下相位匹配凸台分别与上料棒通孔和下料棒通孔角度对应，上相位匹配凸台和下相位匹配凸台啮合保证了上、下料棒通孔的相位对齐，从而保证了料棒由主轴上段向主轴下段顺利移动。此外，离合器内还设有压簧，压簧在上、下摩擦片接触时，提高主轴上段提速的稳定性，更重要的是，其先将相位匹配块提升至与下离合器分体相近的转速，再进行上相位匹配凸台和下相位匹配凸台的啮合动作，防止了在相位匹配块与下离合器分体转速差较高的情况下，上相位匹配凸台和下相位匹配凸台啮合过程中剧烈的齿碰撞。
21.在本发明另一个可选的方案中，所述上相位匹配凸台的上侧固定设有料棒轴，料棒轴的中轴处设有与料棒相配合的内孔，料棒轴的内孔与上料棒通孔相位对齐，料棒轴外侧套有滑套，滑套与料棒轴沿料棒轴的轴线滑动相连，料棒轴与滑套周向限位，滑套与料棒轴贯穿壳体的上底面，滑套的外侧与壳体上底面的通孔滑动相连，所述壳体上底面上侧的滑套上固定设有环形外压板，壳体上底面和外压板之间设有平行于壳体轴线的压簧导向柱，压簧导向柱贯穿外压板并与外压板滑动相连，外压板和壳体上底面之间的压簧导向柱外套有压簧，所述滑套的内侧设有环形的内压板，料棒轴的中部设有与环形内压板中孔相配合的滑槽，滑槽处的料棒轴外侧套有蓄能弹簧，蓄能弹簧的一端与内压板相连，另一端与滑槽的下槽面相连，所述滑套下部的料棒轴周面上设有卡槽，所述壳体上设有与卡槽相配合的卡块，所述滑套上设有驱动卡块脱离卡槽的卡块触杆。
22.摩擦增材制造装置的主轴上段的下端与料棒轴的上端同轴且固定相连，主轴上段的轴孔与料棒轴的内孔相位对齐。驱动主轴上段升降的动力机构作用于滑套上。
23.具体的，所述卡块通过连接架与壳体内壁相连，卡块为条形，卡块的中部与连接架远离壳体的端部通过铰轴铰接，卡块触杆的延长线位于铰轴靠近壳体的一侧。卡块和铰轴之间设有扭簧，扭簧使卡块的一端抵于料棒轴的周面上，在滑套带动料棒轴相对于壳体轴向滑动时，卡块相对于料棒轴的周面滑动，卡块滑动至卡槽处，即可与卡槽嵌合，从而在料棒轴和壳体之间形成轴向限位。卡块触杆随滑套下移，卡块触杆的端部触碰到卡块远离卡槽的一端，使卡块转动，从而驱动卡块脱离卡槽。
24.使用时，动力机构驱动滑套下压，滑套通过外压板和压簧驱动壳体下压，使上、下摩擦片接触，料棒轴开始提速，料棒轴和主轴下段的速度差逐渐缩小。在滑套下压的过程中，由于卡块和卡槽的轴向限位，滑套上的内压板和滑槽的下槽面之间的间距逐渐缩小，蓄能弹簧被压缩，滑套相对于料棒轴向下滑动，当滑套继续向下滑动，卡块触杆触及卡块，使卡块绕轴转动，卡块从卡槽内脱出，在蓄能弹簧的作用下，料棒轴加速下行，使与料棒轴固定相连的上相位匹配凸台与下相位匹配凸台快速啮合。
25.料棒轴的快速下行，使上相位匹配凸台与下相位匹配凸台之间即使存在稍大的速度差，上相位匹配凸台与下相位匹配凸台也可以快速啮合，大大减少了上相位匹配凸台与下相位匹配凸台啮合过程的打齿的概率。制造精度要求低、降低成本。长时间工作后，摩擦片磨损、各弹簧疲劳，存在一定误差时仍可正常工作，进一步延长使用寿命长。
26.主轴上段与料棒轴同轴且固定相连，所述料棒轴截面为正六边形，所述滑套的内
孔为与料棒轴相配合的正六边形，进而实现料棒轴与滑套周向限位。滑套通过压簧导向柱与壳体周向限位，最终使主轴上段与壳体轴线限位，同步转动。
27.本发明具有的优点和积极效果是：由于采用上述技术方案，可以使摩擦增材过程中，可实现料棒的快速上料，料棒的上料过程精准、稳定，增材装置的整体强度更好，稳定性更高。
附图说明
28.图1是本发明的实施例1的结构原理示意图
29.图2是实施例2的结构原理示意图
30.图中：
31.1、壳体
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3、相位匹配块
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4、下法兰盘
32.5、料棒轴
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6、滑套
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7、蓄能弹簧
33.11、壳体下底面
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12、上摩擦片
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13、壳体上底面
34.14、卡块
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21、压簧导向柱
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22、压簧
35.31、上法兰盘
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32、上料棒通孔
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33、上相位匹配凸台
36.41、下摩擦片
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42、下料棒通孔
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43、下相位匹配凸台
37.51、滑槽
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52、卡槽
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61、外压板
38.62、内压板
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63、卡块触杆
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431、竖面
39.432、斜面
具体实施方式
40.实施例1
41.如图1所示，
42.一种应用于摩擦增材制造装置的离合器，包括上离合器分体和下离合器分体；所述上离合器分体包括圆柱状的中空壳体1，所述壳体的上、下底面均设有通孔，上、下底面之间设有平行于壳体1轴线的压簧导向柱21，壳体1内设有相位匹配块3，相位匹配块3的外缘设有上法兰盘31，压簧导向柱21贯穿上法兰盘31并与上法兰盘31滑动相连，上法兰盘31和壳体下底面11之间设有压簧22。所述相位匹配块3的中心处设有正方形的上料棒通孔32，所述相位匹配块3靠近壳体下底面的一侧上设有呈旋转对称结构的上相位匹配凸台33，所述壳体下底面远离壳体上底面13的一侧设有上摩擦片12；所述下离合器分体包括与壳体下底面11相配合的下法兰盘4，下法兰盘4的外缘设有与上摩擦片相配合的下摩擦片41，下离合器分体的中心处设有正方形的下料棒通孔42，法兰盘41靠近壳体的一侧设有下相位匹配凸台43，上相位匹配凸台33和下相位匹配凸台43啮合使上料棒通孔32与下料棒通孔42相位对齐。
43.所述上相位匹配凸台和下相位匹配凸台均由4个相位匹配齿组成，每个相位匹配齿由一平行于壳体轴线的竖面431和一斜面432组成，在两个相邻的相位匹配齿，前一个相位匹配齿的斜面底端与后一个相位匹配齿的竖面底端相连。
44.本实例的工作过程：
45.摩擦增材制造装置的主轴上段的下端与相位匹配块3固定相连，主轴上段与壳体
上底面13的通孔滑动配合，上料棒通孔32与主轴上段的轴孔相位对齐且同轴相连通，主轴下段的上端与下离合器分体固定相连，下料棒通孔42与主轴下段的轴孔相位对齐且同轴相连通。
46.摩擦增材时，主轴上段下压，上、下摩擦片接触，主轴上段和主轴下段同步转动，压簧22压缩，上相位匹配凸台33和下相位匹配凸台43啮合，主轴上段的轴孔、上料棒通孔、下料棒通孔、主轴下段的轴孔对齐，料棒依次下行，料棒的下端伸出主轴下段的下端，与基材进行摩擦增材。
47.当一根料棒用尽时，主轴上段上行，上相位匹配凸台33和下相位匹配凸台43分离，上、下摩擦片分离，主轴上段减速至停转，向主轴上段的轴孔内插入新的料棒。主轴上段下压，再次进行摩擦增材。
48.实施例2
49.如图2所示，
50.一种应用于摩擦增材制造装置的离合器，包括上离合器分体和下离合器分体；所述上离合器分体包括圆柱状的中空壳体1，所述壳体的上、下底面均设有通孔，壳体内设有相位匹配块3，相位匹配块3的上侧固定设有料棒轴5，相位匹配块3的中心处设有正方形的上料棒通孔32，料棒轴5的中轴处设有正方形的内孔，内孔与上料棒通孔均与料棒相配合，内孔与上料棒通孔32相位对齐。料棒轴5外侧套有滑套6，滑套6内侧与料棒轴5滑动相连，滑套6的外侧与壳体上底面13的通孔滑动相连。所述料棒轴5的截面为正六边形，所述滑套6的内孔为与料棒轴5相配合的正六边形。所述壳体上底面13上侧的滑套上固定设有环形外压板61，壳体上底面13和外压板61之间设有平行于壳体轴线的压簧导向柱21，压簧导向柱贯穿外压板61并与外压板滑动相连，外压板61和壳体上底面13之间的压簧导向柱外套有压簧22，所述滑套的内侧设有环形的内压板62，料棒轴5的中部设有与环形内压板62中孔相配合的滑槽51，滑槽处的料棒轴外侧套有蓄能弹簧7，蓄能弹簧7的一端与内压板62固定相连，另一端与滑槽51的下槽面固定相连，所述滑套6下部的料棒轴周面上设有卡槽52，所述壳体1上设有与卡槽52相配合的卡块14，所述滑套6上设有驱动卡块14脱离卡槽52的卡块触杆63。所述卡块通过连接架与壳体内壁相连，卡块为条形，卡块14的中部与连接架远离壳体的端部铰接，卡块触杆63的延长线位于卡块14与连接架铰接点靠近壳体1的一侧。所述相位匹配块靠近下底面的一侧上设有呈旋转对称结构的上相位匹配凸台33，所述下底面远离上底面的一侧设有上摩擦片12；所述下离合器分体包括与壳体下底面相配合的下法兰盘4，下法兰盘的外缘设有与上摩擦片12相配合的下摩擦片41，下离合器分体的中心处设有正方形的下料棒通孔42，下法兰盘靠近壳体的一侧设有下相位匹配凸台43，上相位匹配凸台33和下相位匹配凸台43啮合使上料棒通孔32与下料棒通孔42相位对齐。所述上相位匹配凸台由4个相位匹配齿组成，每个相位匹配齿由一平行于壳体轴线的竖面431和一斜面432组成，在两个相邻的相位匹配齿，前一个相位匹配齿的斜面底端与后一个相位匹配齿的竖面底端相连。
51.本实例的工作过程：
52.使用时，动力机构带动滑套6下压，滑套通过外压板61和压簧22驱动壳体1下压，上下摩擦片接触，料棒轴5开始提速，主轴上段和主轴下段的速度差逐渐缩小。在滑套6下压的过程中，由于卡块14和卡槽52的轴向限位，滑套上的内压板62和滑槽51的下槽面之间的间
距逐渐缩小，蓄能弹簧7被压缩，滑套6相对于料棒轴5向下滑动，卡块触杆63触及卡块14，卡块14从卡槽52中脱出，在蓄能弹簧7的作用下，料棒轴5具有很大的下行加速度，使上相位匹配凸台33和下相位匹配凸台43快速啮合。
53.上相位匹配凸台和下相位匹配凸台的分离过程：
54.滑套6上移，外压板61和壳体上底面13之间的压簧22舒张，滑套6相对于壳体上移，滑套通过蓄能弹簧7带动料棒轴5相对于壳体上移，在扭簧的作用下，卡块14重新嵌入卡槽52，料棒轴5上移即带动上相位匹配凸台33和下相位匹配凸台43分离。
55.以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。