本发明涉及丝材搅拌摩擦增材领域，尤其涉及一种变半径切丝刀具式中空送料丝材搅拌摩擦增材设备。
背景技术：
1、采用高性能材料进行飞行器结构件制造是减轻飞行器重量、提高运载能力和飞行速度的重要途径之一。丝材搅拌摩擦增材制造技术是一种新兴的制造方法，具有独特的优势。该技术利用搅拌摩擦热效应，使金属丝材在热塑化状态条件下实现均匀沉积，形成高质量的整体大尺寸构件。与传统制造方法相比，丝材搅拌摩擦增材制造技术不仅具有材料利用率高的特点，还能够满足个性化零件的生产需求，适用于复杂形状和高强度要求的零部件。丝材搅拌摩擦增材技术通过精确控制沉积过程中的温度和压力，使得沉积层之间的结合更加紧密，提升了构件的机械性能。相比于激光、电子束和电弧能量沉积等增材制造技术，丝材搅拌摩擦增材技术具有更高的材料利用率和更优的结构性能，正在成为航空航天领域的一项重要技术。
2、丝材搅拌摩擦增材制造技术作为一种新兴的高效增材制造方法，近年来在高性能金属零件制造领域显示出巨大的潜力。该技术利用搅拌摩擦热效应，将金属丝材在固态条件下逐层沉积，形成复杂形状和高质量的整体大尺寸构件。丝材搅拌摩擦增材技术不需要高能热源和气体保护，可以使用各种规格的金属丝材。通过精确控制搅拌压头的运动和热量输入，材料在固态下进行塑性流动和连接，避免了熔化过程中的缺陷，如热裂纹和气孔等。该技术特别适用于制造或修复高强度和高性能要求的关键零部件，如钛合金框架结构、镍基高温合金火箭燃烧室和高强铝合金重型运载火箭连接环等。
3、现有的丝材搅拌摩擦增材设备包括连接座板、送丝设备、驱动电机、增材外壳体、增材主轴、搅拌压头和压头夹套；送丝设备、驱动电机和增材外壳体固定安装在连接座板上，增材主轴可自由转动的安装在增材外壳体内，驱动电机的输出轴经传动装置与增材主轴相连、带动其转动；搅拌压头固定安装在增材主轴的下端，压头夹套与搅拌压头(间隙)配合的套设在其外侧、与增材外壳体固定连接，搅拌压头外侧上设有螺旋槽，压头夹套上设有与螺旋槽配合的进丝孔，进丝孔上安装有送丝套管。工作时，连接座板安装在驱动设备上，送丝设备将金属丝材经送丝套管输入至压头夹套内，驱动电机经传动装置带动增材主轴转动、带动搅拌压头旋转，当搅拌压头转动至外侧上的螺旋槽与进丝孔相对时，金属丝材被压入螺旋槽内，搅拌压头继续转动、通过螺旋槽边沿与进丝孔边沿的剪切作用将进入螺旋槽内的金属丝材切断成增材颗粒，增材颗粒沿螺旋槽下落至搅拌压头下侧的增材工作平面上，在搅拌压头上的凸点以及搅拌压头下端面的共同搅拌摩擦作用下产生塑性变形，并最终成型在增材表面上；通过程序控制驱动设备带动连接座板运动，可完成点、线、面的结构沉积，进而制造或修复相关部件。现有的这种丝材搅拌摩擦增材设备采用底部(搅拌压头处)送丝，送丝套管占据搅拌压头外侧的空间较大，无法在较小空间内工作，限制了丝材搅拌摩擦增材在复杂构件制造及修复领域的应用；送丝设备输出的金属丝材不能连续的进入进丝孔，只有当螺旋槽与进丝孔相对时，金属丝材才能在短暂的时间内快速的由进丝孔进入螺旋槽内，为了满足进料需求，搅拌压头的转速速度低，导致增材效率低；由于进丝孔与增材表面之间的距离较小，搅拌压头与压头夹套之间的空隙会让热塑化后的合金材料上移，导致堵料现象的发生、影响金属丝材由进丝孔进入螺旋槽内的速度，使得增材过程难以掌握。
技术实现思路
1、本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种送丝套管不占据搅拌压头外侧的空间，提高了设备的工作空间，不会发生送丝口堵料问题，降低了设备的工作难度，提高生产效率的变半径切丝刀具式中空送料丝材搅拌摩擦增材设备。
2、本发明的技术方案是：
3、一种变半径切丝刀具式中空送料丝材搅拌摩擦增材设备，包括连接座板、送丝设备、驱动电机、增材外壳体、增材主轴、搅拌压头和压头夹套；送丝设备、驱动电机和增材外壳体固定安装在连接座板上，增材主轴可自由转动的安装在增材外壳体内，驱动电机的输出轴经传动装置与增材主轴相连、带动其转动；搅拌压头固定安装在增材主轴的下端，压头夹套与搅拌压头配合的套设在其外侧、与增材外壳体固定连接，搅拌压头外侧上设有螺旋槽，其特征在于，增材主轴上设有上下贯通的落料孔，增材主轴上方设有切丝座，切丝座上与增材主轴上端相对处设有圆形的刀具安装孔，刀具安装孔内设有与增材主轴同轴相连的变半径切丝刀具，变半径切丝刀具的横截面呈半径逐渐变小的渐开线形状，变半径切丝刀具的切丝刀刃位于落料孔上方，切丝座上设有与变半径切丝刀具配合的进丝孔，进丝孔上安装有送丝套管；搅拌压头上设有连通落料孔与螺旋槽的进料通道。所述的送丝设备固定安装在送丝套管上方的连接座板上。
4、本发明中所述的增材外壳体包括外支撑架、上轴承座、中轴承座和下轴承座，上轴承座和中轴承座与外支撑架固定连接，下轴承座与中轴承座固定连接，增材主轴分别经上轴承组、中轴承组和下轴承与上轴承座、中轴承座和下轴承座相连。
5、本发明中所述的传动装置包括主动带轮、传动带和从动带轮，主动带轮安装在驱动电机的输出轴上，从动带轮安装在上轴承组和中轴承组之间的增材主轴上，主动带轮和从动带轮经传动带相连。所述的传动带为齿形带。
6、本发明中所述的中轴承座和下轴承座之间的增材主轴外侧上设有冷却套，冷却套的上端与中轴承座固定连接，冷却套的下端与下轴承座固定连接，冷却套内壁上设有环形的输入转接槽和输出转接槽，输入转接槽一侧设有介质入口，输出转接槽一侧设有介质出口；增材主轴内设有冷却流道，冷却流道的一端与输入转接槽连通、另一端与输出转接槽连通；冷却套的上端安装有上密封圈，冷却套的下端安装有下密封圈。
7、本发明中所述的冷却流道包括至少一个与增材主轴的轴线平行的上行流道和至少一个与增材主轴的轴线平行的下行流道，上行流道的下端经输入连接孔与输入转接槽连通，下行流道的下端经输出连接孔与输出转接槽连通；上行流道的上端和下行流道的上端经一环形连接孔相连。
8、本发明进一步改进，所述的变半径切丝刀具包括连接座和切割部，切割部固定连接在连接座上侧，连接座与增材主轴上端连接，所述的切割部呈柱状，切割部的横截面外沿呈由切丝刀刃的外刃部至内根部半径逐渐变小的渐开线形状；落料孔上方的连接座上设有收料孔，切丝刀刃位于收料孔上方；所述的切丝刀刃的切割金属丝线处由上至下向后倾斜。工作时，切丝刀刃由后向前运动。
9、本发明中所述的搅拌压头包括圆柱状的压头主体，压头主体外侧上设有压头连接座，压头连接座与增材主轴下端连接，所述的螺旋槽设置在压头连接座下方的压头主体外侧上，所述的进料通道位于压头主体内部，进料通道包括由上至下依次相连的锥形收集孔、圆形下落孔和螺旋槽连通孔，锥形收集孔的大内径端与落料孔下端相连，锥形收集孔和圆形下落孔与增材主轴同轴，螺旋槽连通孔的上端与圆形下落孔下端连通、下端与螺旋槽上部连通。于压头主体下端面上设有压头凸点。
10、本发明使用时，连接座板安装在驱动设备上，送丝设备将金属丝材经送丝套管、进丝孔输入至刀具安装孔内，并顶靠在变半径切丝刀具外侧上，驱动电机的经传动装置带动增材主轴转动，变半径切丝刀具在增材主轴的带动下旋转，变半径切丝刀具转动过程中，其外侧与进丝孔间的距离逐渐增大，金属丝材进入刀具安装孔内的尺寸逐渐变大，直至变半径切丝刀具转动至切丝刀刃处后，切丝刀刃与进丝孔边沿配合将金属丝材切断成增材颗粒，增材颗粒落入经落料孔、进料通道进入螺旋槽内，再由螺旋槽下落至搅拌压头下侧的增材工作平面上，在搅拌压头上的凸点以及搅拌压头下端面的共同搅拌摩擦作用下产生塑性变形，并最终成型在增材表面上。本发明在增材主轴上方完成送丝功能，送丝设备不影响搅拌压头外侧空间，可以在较小空间内工作，应用范围宽；送丝设备输出的金属丝材可以连续的进入进丝孔，搅拌压头的转速对送丝几乎无影响，搅拌压头处塑化状态的金属不会影响金属丝材进入进丝孔的速度，增材过程易掌控，本发明提高增材制造效率和质量。
1.一种变半径切丝刀具式中空送料丝材搅拌摩擦增材设备，包括连接座板、送丝设备、驱动电机、增材外壳体、增材主轴、搅拌压头和压头夹套；送丝设备、驱动电机和增材外壳体固定安装在连接座板上，增材主轴可自由转动的安装在增材外壳体内，驱动电机的输出轴经传动装置与增材主轴相连、带动其转动；搅拌压头固定安装在增材主轴的下端，压头夹套与搅拌压头配合的套设在其外侧、与增材外壳体固定连接，搅拌压头外侧上设有螺旋槽，其特征在于，增材主轴上设有上下贯通的落料孔，增材主轴上方设有切丝座，切丝座上与增材主轴上端相对处设有圆形的刀具安装孔，刀具安装孔内设有与增材主轴同轴相连的变半径切丝刀具，变半径切丝刀具的横截面呈半径逐渐变小的渐开线形状，变半径切丝刀具的切丝刀刃位于落料孔上方，切丝座上设有与变半径切丝刀具配合的进丝孔，进丝孔上安装有送丝套管；搅拌压头上设有连通落料孔与螺旋槽的进料通道。
2.根据权利要求1所述的变半径切丝刀具式中空送料丝材搅拌摩擦增材设备，其特征在于，所述的增材外壳体包括外支撑架、上轴承座、中轴承座和下轴承座，上轴承座和中轴承座与外支撑架固定连接，下轴承座与中轴承座固定连接，增材主轴分别经上轴承组、中轴承组和下轴承与上轴承座、中轴承座和下轴承座相连。
3.根据权利要求2所述的变半径切丝刀具式中空送料丝材搅拌摩擦增材设备，其特征在于，所述的传动装置包括主动带轮、传动带和从动带轮，主动带轮安装在驱动电机的输出轴上，从动带轮安装在上轴承组和中轴承组之间的增材主轴上，主动带轮和从动带轮经传动带相连。
4.根据权利要求3所述的变半径切丝刀具式中空送料丝材搅拌摩擦增材设备，其特征在于，所述的传动带为齿形带。
5.根据权利要求2所述的变半径切丝刀具式中空送料丝材搅拌摩擦增材设备，其特征在于，所述的中轴承座和下轴承座之间的增材主轴外侧上设有冷却套，冷却套的上端与中轴承座固定连接，冷却套的下端与下轴承座固定连接，冷却套内壁上设有环形的输入转接槽和输出转接槽，输入转接槽一侧设有介质入口，输出转接槽一侧设有介质出口；增材主轴内设有冷却流道，冷却流道的一端与输入转接槽连通、另一端与输出转接槽连通；冷却套的上端安装有上密封圈，冷却套的下端安装有下密封圈。
6.根据权利要求5所述的变半径切丝刀具式中空送料丝材搅拌摩擦增材设备，其特征在于，所述的冷却流道包括至少一个与增材主轴的轴线平行的上行流道和至少一个与增材主轴的轴线平行的下行流道，上行流道的下端经输入连接孔与输入转接槽连通，下行流道的下端经输出连接孔与输出转接槽连通；上行流道的上端和下行流道的上端经一环形连接孔相连。
7.根据权利要求1所述的变半径切丝刀具式中空送料丝材搅拌摩擦增材设备，其特征在于，所述的变半径切丝刀具包括连接座和切割部，切割部固定连接在连接座上侧，连接座与增材主轴上端连接，所述的切割部呈柱状，切割部的横截面外沿呈由切丝刀刃的外刃部至内根部半径逐渐变小的渐开线形状；落料孔上方的连接座上设有收料孔，切丝刀刃位于收料孔上方；所述的切丝刀刃的切割金属丝线处由上至下向后倾斜。
8.根据权利要求1所述的变半径切丝刀具式中空送料丝材搅拌摩擦增材设备，其特征在于，所述的搅拌压头包括圆柱状的压头主体，压头主体外侧上设有压头连接座，压头连接座与增材主轴下端连接，所述的螺旋槽设置在压头连接座下方的压头主体外侧上，所述的进料通道位于压头主体内部，进料通道包括由上至下依次相连的锥形收集孔、圆形下落孔和螺旋槽连通孔，锥形收集孔的大内径端与落料孔下端相连，锥形收集孔和圆形下落孔与增材主轴同轴，螺旋槽连通孔的上端与圆形下落孔下端连通、下端与螺旋槽上部连通。
