CN102756204A - 一种电子束快速成形填丝加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种电子束快速成形填丝加工装置，该装置在真空室(3)内设置多轴工作台(4)，电子枪(10)安装在真空室(3)的顶部并通过高压电缆(11)与高压电源(1)连接，在真空室(3)的外部设置一个或两个送丝系统真空室(8)，送丝系统真空室(8)与真空室(3)之间通过阀门(12)连接，在送丝系统真空室(8)内设置送丝系统(7)和三维对准机构(9)，三维对准机构(9)具有两个工位，分别是送丝工位和换丝工位，三维对准机构(9)可以在这两个工位之间移动，由电机驱动，三维对准机构(9)在换丝工位时完全处于送丝系统真空室(8)内，阀门(12)可以关闭使送丝系统真空室(8)与真空室(3)隔离。本发明解决了现有装置中送丝机构与零件始终处于同一真空室，造成换丝时间过长的缺点。

Description

一种电子束快速成形填丝加工装置

技术领域

本发明是一种电子束快速成形填丝加工装置，属于电子束快速成形加工技术领域。

背景技术

电子束填丝加工包括电子束填丝焊接、堆焊、表面熔敷、快速成形等。

电子束熔丝沉积快速制造技术是电子束填丝加工技术和快速成形思想相结合的而产生的新型制造技术。

国际上现有电子束快速成形装置的电子枪有两种安装方式，一种固定于真空室外部，一种安装在真空室内的运动机构上。

2007年，美国航空航天局（NASA）Langley Research Center获得了美国专利（US7,168,935 B1），其特点是：具有一个真空室，电子枪固定于真空室上部，单一送丝系统悬挂在真空室内顶部，具有三维（X、Y、Z）工作台。基于该专利研制的设备较为轻便，主要用于空间微重力条件下的成形技术研究。美国Sciaky公司生产的电子束快速成形加工设备电子枪为可移动式。快速成形时，需要保证丝材与电子枪的相对位置固定；在固定式电子枪装置中，送丝机构固定于真空室内壁上；在可移动式电子枪装置中，送丝机构与电子枪固定在真空室内的运动机构上。

现有电子束快速成形装置的送丝机构与加工的零件处于同一真空室中，当储丝轮上的金属丝材使用完毕而零件还没有加工完成时，要补充丝材，必须使真空室放气。由于高温的零件暴露在空气中会迅速氧化，为避免零件氧化，需要使零件冷却到较低温度再放气，由于真空中散热困难，零件冷却十分缓慢。大型零件冷却下来需要数十小时，完全加工完毕需要频繁补充丝材，耗费大量换丝时间，效率很低。

在进行梯度材料制备或零件加工时，各部分所需材料不一样。现有加工方法是先用一种丝材加工一部分，当丝材用完或更换其他材料时，需要将零件冷却，放气、换丝；每一次换丝过程都会因冷却零件和抽真空耗费大量时间。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术中存在的缺点而设计提供了一种电子束快速成形填丝加工装置，其目的是为了解决现有装置中送丝机构与零件始终处于同一真空室，造成换丝时间过长的缺点，同时能够实现多路送丝和多成分梯度材料或结构的高效制备加工。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种电子束快速成形填丝加工装置，包括高压电源(1)、真空机组(2)、真空室(3)、和控制柜(5)，在真空室(3)内设置多轴工作台(4)，电子枪(10)安装在真空室(3)的顶部并通过高压电缆(11)与高压电源(1)连接，其特征在于：在真空室(3)的外部设置一个或两个送丝系统真空室(8)，送丝系统真空室(8)与真空室(3)之间通过阀门(12)连接，在送丝系统真空室(8)内设置送丝系统(7)和三维对准机构(9)，三维对准机构(9)具有两个工位，分别是送丝工位和换丝工位，三维对准机构(9)可以在这两个工位之间移动，由电机驱动，三维对准机构(9)在换丝工位时完全处于送丝系统真空室(8)内，阀门(12)可以关闭使送丝系统真空室(8)与真空室(3)隔离。

在真空室(3)外部设置两个送丝系统真空室(8)围绕电子枪(10)对称安装。

本发明技术方案的特点是：

1.三维对准机构由电机驱动，可以放置在独立的小型送丝系统真空室中，与主真空室之间用阀门隔开，工作时，阀门打开，三维对准机构带动送丝导嘴运动至送丝工位，实施加工。需补充丝材时，三维对准机构带动送丝导嘴运动至送丝系统真空室，阀门关闭。送丝系统真空室放气，补充丝材后，再抽真空，直到与真空室真空度一致，再次打开阀门，三维对准机构带动送丝导嘴运动至送丝工位，实施加工。

由于送丝机构及送丝系统真空室可以围绕电子枪布置两个，因此当其中一个需放气补丝时，另一个送丝系统可接续加工，因而零件的加工过程不会因补丝而中断。另外由于有两个送丝系统真空室，每个送丝系统真空室中又可以至少布置两路独立送丝系统，因此，多种材料梯度结构的连续加工也可以实现。

2.采用固定电子枪方式，电子枪布置在真空室外，多轴工作台安装在真空室内，以多轴工作台的运动实现束流与工件的相对运动，形成加工轨迹；工作台具有X、Y、Z、A、B多个运动轴，可实现多轴联动，能够加工复杂形状零件。

附图说明

图1为本发明装置的整体结构示意图

图2为本发明装置中三维对准机构处于送丝系统真空室内的位置结构示意图

图中：1.高压电源  2.真空机组  3.真空室  4.多轴工作台  5.控制柜  6.真空机组  7送丝系统  8.送丝系统真空室  9.三维对准机构10.电子枪  11.高压电缆  12.阀门  13.送丝导嘴  14.工件  15.电子束流  16.金属丝材  17.储丝轮  18.矫直机  19.送丝机

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述:

参见附图1～2所示，该种电子束快速成形填丝加工装置，包括高压电源1、真空机组2、真空室3和控制柜5，在真空室3内设置多轴工作台4，电子枪10安装在真空室3的顶部并通过高压电缆11与高压电源1连接，其功能是产生高能电子束流，其特征在于：在真空室3的外部设置一个或两个送丝系统真空室8，送丝系统真空室8与真空室3之间通过阀门12连接，在送丝系统真空室8内设置送丝系统7和三维对准机构9，送丝系统真空室8由真空机组6提供真空条件，三维对准机构9具有两个工位，分别是送丝工位和换丝工位，三维对准机构9可以在这两个工位之间移动，三维对准机构9在换丝工位时完全处于送丝系统真空室8内，阀门12可以关闭使送丝系统真空室8与真空室3隔离。在真空室3外部设置两个送丝系统真空室8围绕电子枪10对称安装。送丝系统真空室8中可以有多个送丝系统。

本发明装置的工作过程是：

由数据处理软件对零件的三维CAD模型进行分层切片处理，形成加工轨迹；在设置好加工参数后，数据处理软件自动生成数控加工程序。

将一块与所要加工零件成分一致或接近的金属基板固定在多轴工作台4上。金属丝材16缠绕在储丝轮17上，将装有金属丝材16的储丝轮17装入送丝系统真空室8，金属丝材16通过矫直机18进入送丝机19，送丝机19推动金属丝材16通过送丝导嘴13送出，送丝导嘴13固定在三维对准机构9上。开始工作时，真空室3与送丝系统真空室8之间的阀门12处于关闭状态，分别由真空机组2和真空机组6抽真空。当真空室3与送丝系统真空室8内真空度均达到10^-2Pa时，阀门12开启；三维对准机构9带动送丝导嘴13运动至送丝工位，三维对准机构9由电机驱动，通过导轨沿三个相互垂直的方向作直线运动。当电子枪真空度达到10^-3Pa时，可以开启电子束流实施加工。电子枪10生成电子束流15，在工件14上形成熔池，多轴工作台4带动工件与电子束流15形成相对运动，同时金属丝材16在电子束15作用下熔化，按照预定加工路径堆积。当完成一个层面的加工后，多轴工作台4下降一个层厚的固定高度，进行下一层面的加工，各层面间形成冶金结合，层层堆积。当储丝轮17上的丝材用完时，需要补充丝材。其实施方法是：关闭电子束流15，多轴工作台4与送丝机19停止运动。三维对准机构9带动送丝导嘴13运动至送丝系统真空室8内的换丝工位，关闭阀门12；将送丝系统真空室8放气，待压力升至一个大气压时，开门，将剩余金属丝材16由送丝导嘴13和送丝机19中退出，取下储丝轮17。换上装满丝的储丝轮17。金属丝材补充完毕，关闭送丝系统真空室8大门并抽真空，待真空度与真空室3内真空度一致时，开启阀门12，再次实施加工。当有多个送丝系统7及送丝系统真空室8时，各系统可同时工作，也可以轮换接续工作，从而可实现无间断加工，最终制造出所需零件。

梯度材料制造实施方法是：多个不同的储丝轮携带不同的丝材，按照预先设计的程序，进行分时分区加工。

Claims (2)

1.一种电子束快速成形填丝加工装置，包括高压电源(1)、真空机组(2)、真空室(3)和控制柜(5)，在真空室(3)内设置多轴工作台(4)，电子枪(10)安装在真空室(3)的顶部并通过高压电缆(11)与高压电源(1)连接，其特征在于：在真空室(3)的外部设置一个或两个送丝系统真空室(8)，送丝系统真空室(8)与真空室(3)之间通过阀门(12)连接，在送丝系统真空室(8)内设置送丝系统(7)和三维对准机构(9)，三维对准机构(9)具有两个工位，分别是送丝工位和换丝工位，三维对准机构(9)可以在这两个工位之间移动，三维对准机构(9)在换丝工位时完全处于送丝系统真空室(8)内，阀门(12)可以关闭使送丝系统真空室(8)与真空室(3)隔离。

2.根据权利要求1所述的电子束快速成形填丝加工装置，其特征在于：在真空室(3)外部设置两个送丝系统真空室(8)围绕电子枪(10)对称安装。

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