一种摩擦挤压沉积使用金属材料的多通道高通量装置及加工方法

1.本发明涉及固相摩擦挤压沉积技术领域，特别涉及一种摩擦挤压沉积使用金属材料的多通道高通量装置及加工方法。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.摩擦沉积工艺与各种金属兼容，如铝、钛、钢和镍基超合金。金属材料具有其他工程材料无法比拟的优异的综合物理、化学和力学性能，例如ti合金具有优秀的抗腐蚀性、生物相容性、低密度和高的比强度；al合金具有优良的导热性、导电性及抗蚀性；ni基合金和co基合金具有优良的耐腐蚀和抗高温性能；fe基合金抗磨性能好等。
5.通过调整金属材料的化学成分来进一步提高其性能已成为近些年材料研究的主要方向。在两种或多种材料的性能优化过程中，需制备大量由不同含量的各种元素组成的样品，而且制备过程复杂且成本消耗过大。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种摩擦挤压沉积使用金属材料的多通道高通量装置及加工方法，可实现多种耗材同步摩擦挤压沉积，也可实现各耗材基础速度独立可调，对实现材料成分在一个零件上的高通量设计提供重要基础。
7.本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
8.一种摩擦挤压沉积使用金属材料的多通道高通量装置，包括主轴系统和送料系统，
9.所述送料系统包括至少一级顶杆部件和导轨部件，若干级所述顶杆部件串联分布在主轴系统上方；每级所述顶杆部分别与所述导轨部件连接，用于使每级所述顶杆部轴向移动；
10.所述主轴系统包括旋转主轴和导向装置，所述旋转主轴内设有与顶杆部件一一对应的导向装置，通过传动装置使的旋转主轴旋转，从而使导向装置转动；每级所述顶杆部分包括实心顶杆和空心顶杆；每级所述实心顶杆直接插入对应的导向装置内或者穿过下一级所述空心顶杆后插入对应的主轴系统；所述导向装置内放置耗材，通过导向装置转动，使顶杆部件同步转动。
11.进一步，所述导向装置内设置与顶杆部件一一对应的方形棒料孔，且方形棒料孔
按照旋转主轴的轴线同轴分布，方形棒料孔内安装方形耗材。
12.进一步，所述送料系统包括两级顶杆部件；第一级所述顶杆部件包括第一级壳体、第一级轴承和第一级实心顶杆，所述第一级实心顶杆通过第一级轴承支撑在第一级壳体内；第二级所述顶杆部件包括第二级壳体、第二级轴承和第二级空心顶杆，所述第二级空心顶杆通过第二级轴承支撑在第二级壳体内；所述第一级实心顶杆穿过第二级空心顶杆的空心处后插入对应的主轴系统；第二级空心顶杆设有偏心凸起顶杆，用于直接插入对应的导向装置内。
13.进一步，所述送料系统包括三级顶杆部件；第一级所述顶杆部件包括第一级壳体、第一级轴承和第一级实心顶杆，所述第一级实心顶杆通过第一级轴承支撑在第一级壳体内；第二级所述顶杆部件包括第二级壳体、第二级轴承和第二级空心顶杆，所述第二级空心顶杆通过第二级轴承支撑在第二级壳体内；第三级所述顶杆部件包括第三级壳体、第三级轴承和第三级空心顶杆，所述第三级空心顶杆通过第三级轴承支撑在第三级壳体内；
14.所述第一级实心顶杆依次穿过第二级空心顶杆的空心处和第三级空心顶杆的空心处后插入对应的主轴系统；第二级空心顶杆设有偏心凸起顶杆，所述第二级空心顶杆依次穿过第三级空心顶杆的空心处后插入对应的主轴系统；第三级空心顶杆设有偏心凸起顶杆，用于直接插入对应的导向装置内。
15.进一步，所述旋转主轴底部设有可移动的基板，所述旋转主轴内设有第一导向装置和第二导向装置，所述第一级实心顶杆插入第一导向装置内，所述第二级空心顶杆插入第二导向装置内，第一导向装置内设有a-b合金材料的耗材，第二导向装置内设有a-c合金材料的耗材，所述a-b合金材料的耗材中a金属与b金属的比例和a-c合金材料的耗材中a金属与c金属的比例相同；
16.通过控制第一级实心顶杆进料速度v1加速度减速和第二级空心顶杆进料速度v2加速度加速或控制第一级实心顶杆进料速度v1加速度加速和第二级空心顶杆进料速度v2加速度减速，且v1 v2保持定值，用于实现a-b-c系合金的摩擦挤压沉积。
17.进一步，所述旋转主轴底部设有可移动的基板，所述旋转主轴内设有第一导向装置、第二导向装置和第三导向装置，所述第一级实心顶杆插入第一导向装置内，所述第二级空心顶杆插入第二导向装置内，所述第三级空心顶杆插入第三导向装置内，第一导向装置内设有a-b合金材料的耗材，第二导向装置内设有a-c合金材料的耗材，第三导向装置内设有a-d合金材料的耗材，所述a-b合金材料的耗材中a金属与b金属的比例和a-c合金材料的耗材中a金属与c金属的比例相同，且所述a-b合金材料的耗材中a金属与b金属的比例和a-d合金材料的耗材中a金属与d金属的比例相同；
18.通过控制第一级实心顶杆进料速度v1、第二级空心顶杆进料速度v2和第三级空心顶杆进料速度v3，且v1 v2 v3保持定值，用于实现a-b-c-d系合金的摩擦挤压沉积。
19.一种摩擦挤压沉积使用金属材料的多通道高通量装置的加工方法，包括如下步骤：
20.a-b-c系合金中，b的含量为b1～b2，c的含量为c1～c2，b1为b的最小含量，b2为b的最大含量，c1为c的最小含量，c2为c的最大含量，
21.假设摩擦挤压沉积形成的a-b-c系合金中，a、b、c金属含量为a％、b2％、c1％，且a b2 c1＝100；
22.第一导向装置内设有a-b合金材料的耗材，其中a金属与b金属的比例为
23.第二导向装置内设有a-c合金材料的耗材，其中a金属与c金属的比例为
24.初始进给过程中，控制第一级实心顶杆进料速度v1使a-b合金材料的耗材初始速度为b2v进给；控制第二级空心顶杆进料速度v2使a-c合金材料的耗材初始速度为c1v进给；
25.控制基板沿y轴负方向运动，同时控制第一级实心顶杆进料速度v1减速，且控制第二级空心顶杆进料速度v2加速，且v1 v2保持定值；
26.当第一级实心顶杆进料速度v1为b1v，且第二级空心顶杆进料速度v2为c2v时，在基板表面通过摩擦挤压沉积形成的a-b-c系合金。
27.一种摩擦挤压沉积使用金属材料的多通道高通量装置的加工方法，包括如下步骤：
28.a-b-c-d系合金中，b的含量为b1～b2，c的含量为c1～c2，d的含量为d1～d2，b1为b的最小含量，b2为b的最大含量，c1为c的最小含量，c2为c的最大含量，d1为d的最小含量，d2为d的最大含量；
29.假设摩擦挤压沉积形成的a-b-c-d系合金中，a、b、c、d金属含量为a％、b1％、c2％、d2％，且a b1 c2 d2＝100；
30.第一导向装置内设有a-b合金材料的耗材，其中a金属与b金属的比例为
31.第二导向装置内设有a-c合金材料的耗材，其中a金属与c金属的比例为
32.第三导向装置内设有a-d合金材料的耗材，其中a金属与d金属的比例为
33.初始进给过程中，控制第一级实心顶杆进料速度v1使a-b合金材料的耗材初始速度为b1v进给；控制第二级空心顶杆进料速度v2使a-c合金材料的耗材初始速度为c2v进给；控制第三级空心顶杆进料速度v3使a-d合金材料的耗材初始速度为d2v进给；
34.控制基板沿y轴负方向运动，同时控制第一级实心顶杆进料速度v1加速，且控制第二级空心顶杆进料速度v2保持不变，且控制第三级空心顶杆进料速度v3减速，且v1 v2 v3保持定值；
35.当第一级实心顶杆进料速度v1为b2v，且第三级空心顶杆进料速度v3为d1v时，控制基板沿y轴正方向位移返回y方向上加工原点；
36.二次加工：控制第一级实心顶杆进料速度v1为b1v δv，且控制第二级空心顶杆进料速度c2v-δv，控制第三级空心顶杆进料速度v3为d2v，且v1 v2 v3保持定值；当第二级空心顶杆进料速度v2为c1v时，在基板表面通过摩擦挤压沉积形成的a-b-c-d系合金。
37.本发明的有益效果在于：
38.1.本发明所述的摩擦挤压沉积使用金属材料的多通道高通量装置及加工方法，多轴进给速度各自独立可调，可通过调节单轴进给速度，改变不同金属材料组成含量，实现金属材料高通量设计，更直观更方便筛选出各种性能最优的组成成分含量占比。而且本发明
可以实现多种棒料同步摩擦挤压时实现更高效率的增材制造。
39.2.本发明所述的摩擦挤压沉积使用金属材料的多通道高通量装置及加工方法，对于金属材料中主要金属元素含量的选择更加灵活，增加选择金属材料不同组成成分含量的自主性。
40.3.本发明所述的摩擦挤压沉积使用金属材料的多通道高通量装置及加工方法，金属材料中主要金属元素含量一定时，可得允许区间内各种微量金属元素的所有含量比，使金属材料各种组成成分不同含量占比下不同性能的筛选更加全面。
附图说明
41.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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图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的前提下，显而易见地还可以根据这些附图获得其他的附图。
42.图1为本发明实施例1主视图。
43.图2为本发明实施例1的主轴系统三维图。
44.图3为本发明实施例1的主轴系统剖视图。
45.图4为本发明实施例1的第一级所述顶杆部件三维图。
46.图5为本发明实施例1的第二级所述顶杆部件三维图。
47.图6为本发明实施例1的送料系统剖视图。
48.图7为本发明实施例2主视图。
49.图8为本发明实施例2的第一级所述顶杆部件三维图。
50.图9为本发明实施例2的第二级所述顶杆部件三维图。
51.图10为本发明实施例2的第三级所述顶杆部件三维图。
52.图11为本发明实施例2的送料系统剖视图。
53.图12是实施例2制备金属材料高通量效果图。
54.图中：
55.1-基板；2-增材层；3-耗材；4-主轴系统；401-主轴外壳体；402-齿轮；403-旋转主轴；404-主轴端盖；405-滚动轴承；406-导向装置；5-滑动导轨；
56.6-第三级顶杆部件；621-第三级壳体；622-第三级顶杆端盖；623-第三级空心顶杆；624-第三级滚动轴承；
57.7-第二级顶杆部件；721-第二级壳体；722-第二级顶杆端盖；723-第二级空心顶杆；724-第二级滚动轴承；
58.8-第一级顶杆部件；821-第一级壳体；822-第一级顶杆端盖；823-第一级实心顶杆；824-第一级滚动轴承。
具体实施方式
59.下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
60.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终
相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
61.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“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和简化描述，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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
62.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
63.本发明所述的摩擦挤压沉积使用金属材料的多通道高通量装置，包括主轴系统4和送料系统，所述送料系统包括至少一级顶杆部件和导轨部件，若干级所述顶杆部件串联分布在主轴系统4上方；每级所述顶杆部分别与所述导轨部件连接，用于使每级所述顶杆部轴向移动；所述主轴系统包括旋转主轴403和导向装置406，所述旋转主轴403内设有与顶杆部件一一对应的导向装置406，通过传动装置使的旋转主轴403旋转，从而使导向装置406转动；每级所述顶杆部分包括实心顶杆和空心顶杆；每级所述实心顶杆直接插入对应的导向装置406内或者穿过下一级所述空心顶杆后插入对应的主轴系统4；所述导向装置406内放置耗材3，通过导向装置406转动，使顶杆部件同步转动。
64.优先所述导向装置406内设置与顶杆部件一一对应的方形棒料孔，且方形棒料孔按照旋转主轴403的轴线同轴分布，方形棒料孔内安装方形耗材3。
65.实施例1
66.实施例1为双通道高通量装置，如图1、图4、图5和图6所示，所述送料系统包括两级顶杆部件；第一级顶杆部件8包括第一级壳体821、第一级顶杆端盖822、第一级滚动轴承824和第一级实心顶杆823，所述第一级实心顶杆823通过第一级滚动轴承824支撑在第一级壳体821内；第一级顶杆端盖822用于压紧第一级滚动轴承824。第二级顶杆部件7包括第二级壳体721、第二级顶杆端盖722、第二级滚动轴承724和第二级空心顶杆723，所述第二级空心顶杆723通过第二级滚动轴承724支撑在第二级壳体721内；所述第一级实心顶杆823穿过第二级空心顶杆823的空心处后插入对应的导向装置406内；所述第二级空心顶杆723并不是指顶杆为空心结构，而是指在支撑在第二级滚动轴承724上的第二级空心顶杆723部分为空心段，空心段段端面设有偏心凸起顶杆，用于直接插入对应的导向装置406内。
67.如图2和图3所示，主轴系统4包括主轴外壳体401、齿轮402、旋转主轴403、主轴端盖404、滚动轴承405和导向装置406；主轴外壳体401内通过滚动轴承405支撑旋转主轴403，所述旋转主轴403通过键与齿轮402连接，通过齿轮传动实现装置的旋转；主轴端盖404用于压紧滚动轴承405。所述旋转主轴403内设有第一导向装置和第二导向装置。
68.所述旋转主轴403底部设有可移动的基板1，所述第一级实心顶杆823插入第一导向装置内，所述第二级空心顶杆723插入第二导向装置内，第一导向装置内设有a-b合金材料的耗材3，第二导向装置内设有a-c合金材料的耗材3，所述a-b合金材料的耗材3中a金属与b金属的比例和a-c合金材料的耗材3中a金属与c金属的比例相同；通过控制第一级实心顶杆进料速度v1加速度减速和第二级空心顶杆进料速度v2加速度加速或控制第一级实心顶杆进料速度v1加速度加速和第二级空心顶杆进料速度v2加速度减速，且v1 v2保持定值，用于实现a-b-c系合金的摩擦挤压沉积。
69.一种实施例1所述的摩擦挤压沉积使用金属材料的多通道高通量装置的加工方法，包括如下步骤：
70.实施例1选取al-mg-si系6063铝合金，al-mg-si系6063铝合金的化学成分在gb/t5237-93标准中为硅0.2％-0.6％和镁0.45％-0.9％。以al-mg-si系6063铝合金为例，实现双通道金属材料的高通量设计。
71.选择高通量设计区间为硅：0.2％-0.6％和镁：0.5％-0.9％，高通量设计区间内，硅：0.2％-0.6％和镁：0.5％-0.9％。
72.假设摩擦挤压沉积形成的al-mg-si系合金中，al、mg、si金属含量为89.9％、0.9％、0.2％；
73.第一导向装置内设有al-mg合金材料的耗材3，其中al金属与mg金属的比例为
74.第二导向装置内设有al-si合金材料的耗材3，其中al金属与si金属的比例为
75.将al-mg合金材料的耗材3和al-si合金材料的耗材3的底部分别与基板1上表面接触；电机开始运作，齿轮402带动旋转主轴403旋转，从而带动整个主轴系统旋转，同时，送料顶杆进行垂直方向进给运动，给予棒料轴向压力，将棒料挤出，与基板上表面产生摩擦；
76.初始进给过程中，控制第一级实心顶杆823进料速度v1使al-mg合金材料的耗材3初始速度为0.9v进给；控制第二级空心顶杆723进料速度v2使al-si合金材料的耗材3初始速度为0.2v进给；
77.控制基板沿y轴负方向运动，同时控制第一级实心顶杆进料速度v1减速，且控制第二级空心顶杆进料速度v2加速，且v1 v2保持定值；
78.当第一级实心顶杆进料速度v1为0.5v，且第二级空心顶杆进料速度v2为0.6v时，即mg金属含量达到0.5％，si金属含量达到0.6％，工作台y轴方向运动停止。在基板表面通过摩擦挤压沉积形成的a-b-c系合金。
79.由此可获得高通量区间(硅：0.2％-0.6％、镁：0.5％-0.9％)内，不同al-mg-si含量组成的al-mg-si系合金。
80.根据上述金属材料含量不同的设定方法，调整棒料中各金属含量比以及初始速度，可成形不同含量区间的al-mg-si系合金。
81.实施例2
82.实施例2为三通道高通量装置，如图7、图8、图9、图10和图11所示，所述送料系统包括三级顶杆部件；第一级顶杆部件8包括第一级壳体821、第一级顶杆端盖822、第一级滚动
轴承824和第一级实心顶杆823，所述第一级实心顶杆823通过第一级滚动轴承824支撑在第一级壳体821内；第一级顶杆端盖822用于压紧第一级滚动轴承824。第二级顶杆部件7包括第二级壳体721、第二级顶杆端盖722、第二级滚动轴承724和第二级空心顶杆723，所述第二级空心顶杆723通过第二级滚动轴承724支撑在第二级壳体721内；第三级顶杆部件6包括第三级壳体621、第三级顶杆端盖622、第三级滚动轴承624和第三级空心顶杆623，所述第三级空心顶杆623通过第三级轴承624支撑在第三级壳体621内；所述第一级实心顶杆823依次穿过第二级空心顶杆723的空心处和第三级空心顶杆623的空心处后插入对应的导向装置406；第二级空心顶杆723设有偏心凸起顶杆，所述第二级空心顶杆723依次穿过第三级空心顶杆623的空心处后插入对应的导向装置406；第三级空心顶杆623设有偏心凸起顶杆，用于直接插入对应的导向装置406内。
83.所述旋转主轴403内设有第一导向装置、第二导向装置和第三导向装置，所述第一级实心顶杆823插入第一导向装置内，所述第二级空心顶杆723插入第二导向装置内，所述第三级空心顶杆623插入第三导向装置内，第一导向装置内设有a-b合金材料的耗材3，第二导向装置内设有a-c合金材料的耗材3，第三导向装置内设有a-d合金材料的耗材3，所述a-b合金材料的耗材3中a金属与b金属的比例和a-c合金材料的耗材3中a金属与c金属的比例相同，且所述a-b合金材料的耗材3中a金属与b金属的比例和a-d合金材料的耗材3中a金属与d金属的比例相同；通过控制第一级实心顶杆进料速度v1、第二级空心顶杆进料速度v2和第三级空心顶杆进料速度v3，且v1 v2 v3保持定值，用于实现a-b-c-d系合金的摩擦挤压沉积。
84.如图12所示，一种实施例2所述的摩擦挤压沉积使用金属材料的多通道高通量装置的加工方法，包括如下步骤：
85.实施例2选取a7075铝材al-zn-mg-cu系高强度铝合金，
86.a7075铝材al-zn-mg-cu系高强度铝合金的化学成分为1.2％-2.0％的铜，2.1％-2.9％的镁和5.1％-6.1％的锌。以a7075铝材al-zn-mg-cu系高强度铝合金为例，实现三通道金属材料高通量加工。
87.首先选择高通量设计区间为：锌：5.1％-5.9％、镁：2.1％-2.9％和铜：1.2％-2.0％。
88.假设摩擦挤压沉积形成的al-zn-mg-cu系合金中，al、zn、mg、cu金属含量为90％、5.1％、2.9％、2％，
89.第一导向装置内设有al-zn合金材料的耗材3，其中al金属与zn金属的比例为
90.第二导向装置内设有al-mg合金材料的耗材3，其中al金属与mg金属的比例为
91.第三导向装置内设有al-cu合金材料的耗材3，其中al金属与cu金属的比例为
92.将al-zn合金材料的耗材3、al-mg合金材料的耗材3和al-cu合金材料的耗材3的底部分别与基板1上表面接触；电机开始运作，齿轮402带动旋转主轴403旋转，从而带动整个主轴系统旋转，同时，送料顶杆进行垂直方向进给运动，给予棒料轴向压力，将棒料挤出，与
基板上表面产生摩擦；
93.初始进给过程中，控制第一级实心顶杆823进料速度v1使al-zn合金材料的耗材3初始速度为5.1v进给；控制第二级空心顶杆723进料速度v2使al-mg合金材料的耗材3初始速度为2.9v进给；控制第三级空心顶杆623进料速度v3使al-cu合金材料的耗材3初始速度为2.0v进给；
94.控制基板沿y轴负方向运动，同时控制第一级实心顶杆823进料速度v1加速，且控制第二级空心顶杆723进料速度v2保持不变，且控制第三级空心顶杆623进料速度v3减速，且v1 v2 v3保持定值；
95.当第一级实心顶杆823进料速度v1为5.9v，且第三级空心顶杆623进料速度v3为1.2v时，控制基板沿y轴正方向位移返回y方向上加工原点；
96.二次加工：控制第一级实心顶杆进料速度v1为5.1v δv，且控制第二级空心顶杆进料速度2.9v-δv，控制第三级空心顶杆进料速度v3为2.0v，且v1 v2 v3保持定值；当第二级空心顶杆进料速度v2为2.1v时，在基板表面通过摩擦挤压沉积形成的al-zn-mg-cu系合金。
97.由此可获得高通量区间(铜：1.2％-2.0％、镁：2.1％-2.9％、锌：5.1％-5.9％)内，不同al-zn-mg-cu含量组成的al-zn-mg-cu系合金。
98.根据上述金属材料含量不同的设定方法，调整棒料中各金属含量比以及初始速度，可成形不同含量区间内不同al-zn-mg-cu含量组成的al-zn-mg-cu系合金。
99.应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
100.上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。