CN104096840B - 利用石墨卡环提高金属熔滴沉积精度和效率的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用石墨卡环提高金属熔滴沉积精度和效率的装置和方法，该装置包括用于盛放熔融金属的坩埚，坩埚的底部安装有喷嘴，喷嘴的正下方通过支架固定有两个半圆形的石墨卡环，且两个半圆形的石墨卡环形成一个圆形空腔，两个半圆形的石墨卡环的下方设有基板，该基板能够在X、Y、Z三个方向上移动。该方法包括以下步骤：坩埚中盛有熔融金属，在脉冲压力P作用下，熔融金属通过喷嘴进行喷射，形成均匀熔滴，熔滴沉积在基板上，通过基板在X、Y、Z三个方向上移动，成形出所需零件。本发明成形精度高，重复性好，石墨卡环结构简单，可加快金属熔滴沉积速率，产品质量优良，有利于提高零件精度和成形效率。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种精密成形的方法，特别涉及一种利用石墨卡环提高金属熔滴沉积精度和效率的装置和方法。
【背景技术】
目前，国内外很多科研院所，如国内西北工业大学、华中科技大学以及美国MicroFab商业公司、加拿大多伦多大学等，对于金属熔滴沉积成形技术的研究主要集中在熔滴沉积机理、驱动方式选择和金属熔滴滴落过程的热状态分析等方面，而对于如何保证熔滴沉积成形精度以及提高成形效率方面研究较少。
零件的精度、原材料的性能和加工效率是制约熔滴成形工艺及其应用的三个重要因素。一直以来成形精度和成形效率始终是一对矛盾的，提高成形效率势必要降低成形精度，提高成形精度势必要降低成形效率。在金属熔融沉积过程中，因为必须把复杂的三维加工转化为一系列简单二维成形的叠加，所以，成形产品精度主要取决于二维X—Y平面上的加工精度和高度Z方向上的一系列叠加精度。从熔融沉积成形的系统本身考虑，完全能够把X，Y，Z三个方向的运动位置精度控制在较高的水平，所以，从理论上考虑能够取得高精度的原型。但是，影响成形产品最终精度的因素不只是有熔滴成形装置本身的精度，还有其它的因素，并且这些因素更加的不易控制。熔滴沉积成形是一个涉及机械设计制造、CAD软件、数控、材料、成形工艺参数和产品后处理等因素的集成制造系统，每一环节均可能造成一些误差的产生，这就会严重影响熔融沉积成形零件的精度。
【发明内容】
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种利用石墨卡环提高金属熔滴沉积精度和效率的装置和方法，其能有效地提高了微机械精密零件的精度和效率，有效地提高了微机械零件的批量生产的可能性，降低了加工成本。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
利用石墨卡环提高金属熔滴沉积精度和效率的装置，包括用于盛放熔融金属的坩埚，坩埚的底部安装有喷嘴，喷嘴的正下方通过支架固定有两个半圆形的石墨卡环，且两个半圆形的石墨卡环形成一个圆形空腔，两个半圆形的石墨卡环的下方设有基板，该基板能够在X、Y、Z三个方向上移动。
本发明进一步改进在于，基板安装在3D位移平台上，该3D位移平台能够在X、Y、Z三个方向上移动。
利用石墨卡环提高金属熔滴沉积精度和效率的方法，包括以下步骤：坩埚中盛有熔融金属，在脉冲压力P作用下，熔融金属通过喷嘴进行喷射，形成均匀熔滴，熔滴沉积在基板上，通过基板在X、Y、Z三个方向上移动，成形出所需零件。
本发明进一步改进在于，在坩埚中，利用加热装置对金属粉末或金属丝材进行加热使其熔化，形成熔融金属。
本发明进一步改进在于，通过电磁阀施加一定的脉冲压力P使熔融金属从喷嘴喷射出来。
本发明进一步改进在于，基板安装在3D位移平台上，利用计算机对3D位移平台进行控制，使均匀喷出的熔滴在X、Y、Z三个方向上移动的基板上准确定位，从零件外层到内层逐层进行堆积，成形出复杂的几何形状。
本发明进一步改进在于，在金属熔滴沉积过程中，利用两个半圆形的石墨卡环，首先在石墨卡环内壁，通过脉冲压力控制喷出直径相对较小的熔滴，沉积出零件的外表面，对于零件内部，用直径相对较大的熔滴或者用射流方式，从零件外层到内部一层一层进行填充，直至所需零件成形完毕。
与现有技术相比，本发明利用石墨卡环提高金属熔滴沉积精度和效率的装置，其中，石墨卡环结构简单，能够提高成形精度，加快零件成形速率，产品质量优良，有利于提高产品的品质和成形效率。本发明利用石墨卡环提高金属熔滴沉积精度和效率的方法，其加工灵活性高，产品质量稳定，热影响区小，工件热变形小，后续加工量小，有效地提高了微机械成形的精度和效率，有效地提高了微机械零件的批量生产的可能性，降低了加工成本。本发明与激光、电子束等快速成型技术相比不需要昂贵设备，具有制件表面精度高，成形效率高等优点，有广阔的应用前景。
【附图说明】
图1为本发明利用石墨卡环提高金属熔滴沉积精度和效率的装置的结构示意图。
图2为图1中卡环和基板的俯视图。
图中：1、坩埚；2、熔融金属；3、喷嘴；4、支架；5、石墨卡环；6、基板。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明进一步详细说明。
本发明主要从沉积工艺方面考虑来提高熔滴零件的精度并且提高成形效率。具体来说，本发明利用石墨卡环提高金属熔滴沉积精度和效率的装置和方法，是利用金属材料凝固相变收缩原理，利用石墨卡环进行定位，成形出零件的外表面，从而实现熔滴沉积表面的高精度。再以外表面进行定位，对零件内部进行填充，从而实现零件成形的高效率。这种方法是根据熔融金属在沉积过程中的凝固特性和沉积形貌确定的，不需要大量的工装，只需要控制成形工艺就可以达到。利用石墨卡环成形因为其结构简单、使用范围广、易于控制、加工柔性好等优点而得到越来越广泛的运用。通过与数字控制系统相结合，石墨卡环具有无限的仿形能力，且阻挡成形轨迹修改方便。
参见图1和图2，本发明利用石墨卡环提高金属熔滴沉积精度和效率的装置，包括用于盛放熔融金属2的坩埚1，坩埚1的底部安装有喷嘴3，喷嘴3的正下方通过支架4固定有两个半圆形的石墨卡环5，且两个半圆形的石墨卡环5形成一个圆形空腔，两个半圆形的石墨卡环5的下方设有基板6，该基板6能够在X、Y、Z三个方向上移动。其中，基板6可以安装在3D位移平台上，该3D位移平台能够在X、Y、Z三个方向上移动。
本发明利用石墨卡环提高金属熔滴沉积精度和效率的方法，包括以下步骤：坩埚1中盛有熔融金属2，在脉冲压力P作用下，熔融金属2通过喷嘴3进行喷射，形成均匀熔滴，熔滴沉积在基板6上，通过基板6在X、Y、Z三个方向上移动，成形出所需零件。
其中，在坩埚1中，利用加热装置对金属粉末或金属丝材进行加热使其熔化，形成熔融金属2，然后通过电磁阀施加一定的脉冲压力P使熔融金属2从喷嘴3喷射出来。
进一步地，基板6安装在3D位移平台上，利用计算机对3D位移平台进行控制，使均匀喷出的熔滴在X、Y、Z三个方向上移动的基板6上准确定位，从零件外层到内层逐层进行堆积，成形出复杂的几何形状。
在金属熔滴沉积过程中，为了提高成形零件的表面精度以及成形效率，利用两个半圆形的石墨卡环5，首先在石墨卡环5内壁，通过脉冲压力控制喷出直径相对较小的熔滴，沉积出零件的外表面，对于零件内部，用直径相对较大的熔滴或者用射流方式，从零件外层到内部一层一层进行填充，直至所需零件成形完毕。两个半圆形的石墨卡环5通过支架4连接在喷嘴3上面，如图1和2所示。为了避免与沉积金属的粘附，卡环部分采用石墨材料，成形完一层，基板6下移一定距离，而坩埚1以及卡环不动，所以卡环始终在沉积区域。刚沉积的金属熔滴，由于处于半凝固状态，其边缘会凸凹不平，利用石墨卡环5可以使零件外形平整。本发明成形精度高，重复性好，石墨卡环5结构简单，可加快金属熔滴沉积速率，产品质量优良，有利于提高零件精度和成形效率。
具体来说，在沉积成形过程中，熔融金属2通过喷嘴3向底部为基板6的表面进行喷射，侧面为石墨卡环5内侧滴落熔融态的待沉积物形成沉积物第一层，此时基板6下移一层，调整脉冲压力，是熔融金属2从喷嘴喷出的熔滴尺寸加大，同时设定基板6在X轴和Y轴向的运行速度，使得滴落的熔融金属2形成以第一层为底面和外侧面的一层环状沉积层，依次类推，直到零件成形完成。需要注意的是：保证沉积第一层熔滴尺寸小，保证期成形精度，越往里层熔滴直径变大，以提高成形效率。如果零件比较大、形状较为复杂，可根据实际定制石墨卡环5的形状和尺寸。在金属熔滴沉积过程中，利用石墨卡环对沉积金属的侧面进行约束，首先利用小熔滴成形零件的外形，保证精度，内部用大熔滴甚至可以直接微浇注，提高成形效率，直至金属熔滴成形完毕。根据金属材料固化收缩原理，石墨卡环5可以使金属熔滴沉积的零件表面精度提高。
综上所述，本发明加工灵活性高，产品质量稳定，热影响区小，工件热变形小，后续加工量小，有效地提高了微机械成形的精度和效率，有效地提高了微机械零件的批量生产的可能性，降低了加工成本。本发明与激光、电子束等快速成型技术相比不需要昂贵设备，具有制件表面精度高，成形效率高等优点，有广阔的应用前景。
Claims (6)
1.利用石墨卡环提高金属熔滴沉积精度和效率的装置，其特征在于，包括用于盛放熔融金属(2)的坩埚(1)，坩埚(1)的底部安装有喷嘴(3)，喷嘴(3)的正下方通过支架(4)固定有两个半圆形的石墨卡环(5)，且两个半圆形的石墨卡环(5)形成一个圆形空腔，两个半圆形的石墨卡环(5)的下方设有基板(6)，该基板(6)能够在X、Y、Z三个方向上移动；
其中，在金属熔滴沉积过程中，利用两个半圆形的石墨卡环(5)，首先在石墨卡环(5)内壁，通过脉冲压力控制喷出直径相对较小的熔滴，沉积出零件的外表面，对于零件内部，用直径相对较大的熔滴或者用射流方式，从零件外层到内部一层一层进行填充，直至所需零件成形完毕。
2.根据权利要求1所述的利用石墨卡环提高金属熔滴沉积精度和效率的装置，其特征在于，基板(6)安装在3D位移平台上，该3D位移平台能够在X、Y、Z三个方向上移动。
3.利用石墨卡环提高金属熔滴沉积精度和效率的方法，其特征在于，该方法基于权利要求1或2所述的装置，包括以下步骤：坩埚(1)中盛有熔融金属(2)，在脉冲压力P作用下，熔融金属(2)通过喷嘴(3)进行喷射，形成均匀熔滴，熔滴沉积在基板(6)上，通过基板(6)在X、Y、Z三个方向上移动，成形出所需零件；
其中，在金属熔滴沉积过程中，利用两个半圆形的石墨卡环(5)，首先在石墨卡环(5)内壁，通过脉冲压力控制喷出直径相对较小的熔滴，沉积出零件的外表面，对于零件内部，用直径相对较大的熔滴或者用射流方式，从零件外层到内部一层一层进行填充，直至所需零件成形完毕。
4.根据权利要求3所述的利用石墨卡环提高金属熔滴沉积精度和效率的方法，其特征在于，在坩埚(1)中，利用加热装置对金属粉末或金属丝材进行加热使其熔化，形成熔融金属(2)。
5.根据权利要求3所述的利用石墨卡环提高金属熔滴沉积精度和效率的方法，其特征在于，通过电磁阀施加一定的脉冲压力P使熔融金属(2)从喷嘴(3)喷射出来。
6.根据权利要求3所述的利用石墨卡环提高金属熔滴沉积精度和效率的方法，其特征在于，基板(6)安装在3D位移平台上，利用计算机对3D位移平台进行控制，使均匀喷出的熔滴在X、Y、Z三个方向上移动的基板(6)上准确定位，从零件外层到内层逐层进行堆积，成形出复杂的几何形状。
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