CN104103385B - 悬垂复合绝缘子串及利用3d打印复合绝缘子串的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一体式悬垂复合绝缘子串及利用3D打印复合绝缘子串连接金具的方法，首先在计算机中生成零件的三维CAD 模型，利用3D熔滴打印机将零件的三维CAD 模型，然后将模型按一定的厚度切片分层，将零件的三维信息转换成一系列二维轮廓信息，用坩埚将金属融化，从喷嘴流出形成的熔滴，然后在计算机的控制下，使其按照二维轮廓信息逐层堆积，得到三维实体零件或近形件。采用该方法后，球‑窝系列金具直接通过熔滴3D打印机一次成形，连接配合更可靠、稳定，无需二次安装，提高了生产效率，同时提供了现场施工的效率，对高压架空电力线路的施工产生很大的影响。
Description
技术领域
本发明涉及到电力器材加工领域，尤其涉及到基于熔滴3D打印技术与传统制造成形的一体化复合绝缘子串的方法及其悬垂复合绝缘子串。
背景技术
3D打印(3D printing)，又被称为增材制造技术，出现在上世纪90年代中期。其源可追溯到快速成型技术(Rapid Prototyping，RP)，从3D计算机辅助设计(3D CAD)发展开始，人们就希望方便地将设计直接转化为实物。
随着科技的不断进度，3D打印技术在越来越成熟，3D打印技术已成为高新制造业的核心技术。当今世界最前沿、最流行的3D打印“金属熔滴沉积技术”，无需价格昂贵的激光系统，运行费用很低，可靠性高，已广泛应用于航天、医药和模型设计领域，是一种前景广阔的金属产品高效制造技术。
目前电力金具的成型方法主要有铸造和锻压两种。其中铸造方法有重力或低压铸造、高压压铸和挤压铸造等，但由于铝合金液流的快速注入超越了金属模型腔内气体的上升速度，腔内空气来不及排出而裹入铝合金液内，可能出现气泡和疏松，另一方面，在巨大成型压力下，造成溶于铝合金液体内部的气体来不及排出，气体以固熔体、化合物和气孔滞留在铸件内，使铸件塑性(延伸率、冲击韧性等)显著降低。真空压铸法和充氧压铸法，这两种较为有效的压铸辅助工艺，目的是消除或减少压铸件内部的气孔。但这种“全无”操作工艺，在实施中困难较多，若控制不当，效果并不明显，再加上压铸模具密封结构复杂，制造使安装难度大，又需较高的设备投资，所以在国内应用较少，开展有一定困难。电力金具锻造工艺按方式可以分为自由锻造和模锻，按锻造温度分为热锻、温锻、和冷锻，常用的方式为热锻。自由锻造时，锻造师应控制每次锻造的压下量，对操作者要求比较高。模锻需要设计模具，使毛坯变形获得锻件，时间周期较长，生产成本很高。
特别是，电力器材中的悬垂复合绝缘子串是通过绝缘子串与球-窝系列金具组装而成。球-窝系列连接金具是根据与绝缘子串的结构特点设计出来的并且通过铸造工艺成形，在绝缘子串一端固定球头，另一端固定球窝。为了达到安装使用要求，绝缘子串球头一端需配合碗头挂板，球窝一端需配合球头挂环，其配合过程中金具的窝均配有锁紧销。但是这种通过球-窝并且加入锁紧销组装的结构，存在连接不牢靠问题，而且很大程度上浪费了时间，降低了施工效率。
发明内容
本发明目的是提供一种绝缘子串与球-窝系列连接金具能够直接一体化成形的方法，该方法无需再开模铸造，结构连接可靠，提高了生产效率、现场施工效率。
本发明的技术方案是：
一体式悬垂复合绝缘子串，包括球头挂环、球窝、绝缘子串、球头和碗头挂板，所述球头挂环与球窝为一体成型结构，并与绝缘子串一端装配固定，所述球头与碗头挂板为一体成型结构，并与绝缘子串另一端装配固定，其中球头挂环与球窝镂空装配，球头挂环在球窝自由活动且无锁紧销；球头与碗头挂板镂空装配，球头在碗头挂板中自由活动且无锁紧销。
本发明还提供了一种利用3D打印复合绝缘子串连接金具的方法，包括以下步骤：
步骤一：，在计算机中绘制球头、球窝、碗头挂板、球头挂环零件三维模型，在计算机中分别将球头、球窝三维模型装配，碗头挂板和球头挂环三维模型装配，三维装配模型生成后，然后转换成STL格式的文件分别导入3D熔滴打印机中。
步骤二：利用3D熔滴打印机将零件的三维CAD模型，然后将模型按一定的厚度切片分层，将零件的三维信息转换成一系列二维轮廓信息，3D工控机设在熔滴沉积设备一侧，并与熔滴沉积设备通过导线连接和控制，在熔滴沉积设备上设有进出料仓和出料仓，通过模具所需颜色和材质选择粉料，将铜粉、铁粉或铝粉加入至熔滴沉积设备中的坩埚内，坩埚外端设有加热元件，坩埚端口设有进气装置，混合后通过加热元件将金属融化，所述坩埚顶端设有喷嘴，所述喷嘴与坩埚为分体结构，溶液从喷嘴流出在沉积平台上形成的熔滴，利用压力脉冲在腔体内产生膨胀、收缩的波动压力，迫使部分金属熔液从腔体底部的喷嘴射出，所述产生的脉冲压力用来控制微滴的按需喷射，控制工作腔体内压力变化可控制喷射和产生均匀微滴，然后3D打印机系统的控制下，使其按照二维轮廓信息经过预热的3D位移平台进行逐层堆积，得到球头挂环与球窝；球头与碗头挂板的三维实体零件。
步骤三：绝缘子串的芯棒为玻璃纤维材质，伞套在芯棒上采用硅橡胶注射成型工艺。
步骤四：将3D熔滴打印成型的镂空的球头挂环、球窝与绝缘子串一端装配固定；镂空的球头、碗头挂板与绝缘子串另一端装配固定，使之形成整体的悬垂复合绝缘子串，应用于高压架空电力线路上。
优选地，所述坩埚设有两个，使用两个喷头同时成形，所述坩埚由石墨材料制成，所述坩埚为锥形结构，底部喷头为单一竖直喷孔，为0.3mm-0.8mm。
优选地，所述坩埚外部设有热敏探头和温控装置，所述温控装置用于控制系统的加热温度，并记录加热过程的温度变化。
优选地，所述坩埚外部加装隔热层，加热元件采用加热丝加热，温度调控范围为100～1200℃。
优选地，金属微滴产生系统为真空密闭状态，金属微滴产生系统内设有密封圈，外部水冷装置给其密封处降温。
采用如上技术方案后，其有益效果为：
首先在计算机中生成零件的三维CAD模型，利用3D熔滴打印机将零件的三维CAD模型，然后将模型按一定的厚度切片分层，将零件的三维信息转换成一系列二维轮廓信息，用坩埚将金属融化，从喷嘴流出形成的熔滴，然后在计算机的控制下，使其按照二维轮廓信息逐层堆积，得到三维实体零件或近形件。该技术具有制造柔性化程度高，省去了设计和加工模具的时间和费用，产品研制周期短、加工速度快；全部设计在计算机中完成，实际的制造过程也在计算机控制下进行，真正实现制造的数字化、智能化和无纸化等优点。该技术可直接成形复杂三维结构，减少了传统工艺在零件设计、制造过程中约束条件，已成为无约束成形技术的一个新发展方向。
采用本发明制造方法后：实现电力器材“零”库存，融合传统制造技术，实现即时打印，快速打印，批量生产，“零”运输，就地供应，大幅降低电力器材的储存、管理、损耗及运输等成本，经济效益及社会效益显著。提高工程施工效率，传统的制造工艺无法一次成形复杂的金属件，须由多单件组成复杂件，采用该方法后最大的优点是截层增材打印，可创新若干新产品替代传统的多部件，同时安件工艺、工序简单化，工程施工省时省力，降低人力物力。
传统的悬垂复合绝缘子串的球-窝系列连接金具需开模、生产，再组装，同时需要锁紧销锁紧球与窝的配合，这样设计生产周期长、施工效率低，连接存在不稳定性。而3D打印，球-窝系列金具直接通过熔滴3D打印机一次成形，连接配合更可靠、稳定，无需二次安装，提高了生产效率，同时提供了现场施工的效率。对高压架空电力线路的施工产生很大的影响。
坩埚采用耐高温进口合金材料；设置为锥形，底部喷头订制成单一竖直喷孔，孔径订做成0.3mm-0.8mm，可满足不同实验要求使用；金属微滴产生系统为真空密闭状态，真空密封圈采用纯氟胶密封圈，外部加水冷法兰给其密封处降温，以保证密封圈的正常使用，水冷装置不影响真空腔体和其他控制的正常使用。
加热控制由热敏探头和温控装置组成。加热区采用加热丝加热，外部加装隔热层，温度可随意调控(100～1200℃)，120分钟从常温加热到1200℃。
附图说明
图1为本发明一体式悬垂复合绝缘子串的结构示意图。
图2为本发明利用3D打印复合绝缘子串的方法的流程图。
其中，1-球头挂环，2-球窝，3-绝缘子串，4-球头，5-碗头挂板。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明，不能理解为是对本发明的限制；
本发明一体式悬垂复合绝缘子串，包括球头挂环1、球窝2、绝缘子串3、球头4和碗头挂板5，所述球头挂环1与球窝2为一体成型结构，并与绝缘子串3一端装配固定，所述球头4与碗头挂板5为一体成型结构，并与绝缘子串3另一端装配固定，其中球头挂环1与球窝2镂空装配，球头挂环1在球窝2自由活动且无锁紧销；球头4与碗头挂板5镂空装配，球头4在碗头挂板5中自由活动且无锁紧销。
本发明具体实施方式如下：
步骤一：取出绝缘子串，所述绝缘子串铸造成型，对电力金具表面进行预热处理，利用射线应力测定仪对熔覆层显微组织结构残余应力实验分析，通过分析得出电力金具的性能、内部结构参数，在计算机中绘制球头、球窝、碗头挂板、球头挂环零件三维模型，在计算机中生成球头、球窝、碗头挂板和球头挂环的三维CAD模型，三维模型生成后，然后转换成STL格式的文件分别导入3D熔滴打印机中。
步骤二：利用3D熔滴打印机将零件的三维CAD模型，然后将模型按一定的厚度切片分层，将零件的三维信息转换成一系列二维轮廓信息，3D工控机设在熔滴沉积设备一侧，并与熔滴沉积设备通过导线连接和控制，在熔滴沉积设备上设有进出料仓和出料仓，通过模具所需颜色和材质选择粉料，将硅胶粉、铜粉、铁粉和铝粉加入至熔滴沉积设备中的坩埚内混合，坩埚外端设有加热元件，所述坩埚外部设有热敏探头和温控装置，温度控制模块用来控制系统的加热温度，并且能够实时记录加热过程的温度变化；坩埚端口设有进气装置，混合后通过加热元件将金属融化，所述坩埚顶端设有喷嘴，微滴产生器中用于熔化金属材料的坩埚由石墨材料制成，形状设计为锥形，底部喷头订制成单一竖直喷孔，孔径订做成0.3mm、0.5mm、0.8mm共三种规格供不同实验要求使用，所述喷嘴与坩埚为分体结构，溶液从喷嘴流出在沉积平台上形成的熔滴，所述脉冲压力控制模块由固态继电器和电磁阀组成，通过固态继电器的通、断来控制气路上电磁阀的开闭状态，利用压力脉冲在腔体内产生膨胀、收缩的波动压力，迫使部分金属熔液从腔体底部的喷嘴射出，所述产生的脉冲压力用来控制微滴的按需喷射，控制工作腔体内压力变化可控制喷射和产生均匀微滴，溶液从喷嘴流出在沉积平台上形成的熔滴，为防止金属熔化和喷射过程中被氧化，制造必须在低氧密闭环境(氧浓度不大于1/100000)中进行，为了更快、更好地实现电力器材成形，所述坩埚设有两个，可使用两个喷头同时成形，很好地满足金具不同材料的要求，其工作系统工作情况如下：
当F和FⅠ接通，而F’和FⅡ均闭合时，喷头Ⅰ单独工作；
当F和FⅡ接通，而F’和FⅠ均闭合时，喷头Ⅱ单独工作；
当F、FⅡ和FⅠ均闭合，F’接通时系统停止加工。
气路采用两气路单独控制，即当喷头Ⅰ切换到喷头Ⅱ工作时，V1闭合，喷头Ⅰ停止工作，V1’开启放出压力气体，当工作台移动到喷头Ⅱ下方开始加工时，V2开启进行加工。在制作过程中V1、V1’和V2、V2’两组气路能够互不干涉，避免了方案1中气路切换时材料溢出的情况；
然后3D打印机系统的控制下，使其按照二维轮廓信息经过预热的3D位移平台进行逐层堆积，得到球头挂环与球窝，球头与碗头挂板的三维实体零件。
步骤三：将3D熔滴打印成型的镂空的球头挂环、球窝与绝缘子串一端装配固定；镂空的球头、碗头挂板与绝缘子串另一端装配固定，使之形成整体的悬垂复合绝缘子串，应用于高压架空电力线路上。
Claims (6)
1.一种利用3D打印复合绝缘子串连接金具的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在计算机中绘制球头、球窝、碗头挂板、球头挂环零件三维模型，在计算机中分别将球头、球窝三维模型装配，碗头挂板和球头挂环三维模型装配，三维装配模型生成后，然后转换成STL格式的文件分别导入3D熔滴打印机中；
步骤二：利用3D熔滴打印机将零件生成三维CAD 模型，然后将模型按一定的厚度切片分层，将零件的三维信息转换成一系列二维轮廓信息，3D工控机设在熔滴沉积设备一侧，并与熔滴沉积设备通过导线连接和控制，在熔滴沉积设备上设有进料仓和出料仓，通过模具所需颜色和材质选择粉料，将铜粉、铁粉或铝粉加入至熔滴沉积设备中的坩埚内，坩埚外端设有加热元件，坩埚端口设有进气装置，混合后通过加热元件将金属融化，所述坩埚顶端设有喷嘴，所述喷嘴与坩埚为分体结构，金属融化后所形成的熔液从喷嘴流出在沉积平台上形成的熔滴，利用压力脉冲在腔体内产生膨胀、收缩的波动压力，迫使部分金属熔液从腔体底部的喷嘴射出，产生的脉冲压力用来控制微滴的按需喷射，控制工作腔体内压力变化可控制喷射和产生均匀微滴，然后3D打印机系统的控制下，使其按照二维轮廓信息经过预热的3D位移平台进行逐层堆积，得到球头挂环与球窝；球头与碗头挂板的三维实体零件；
步骤三：绝缘子串的芯棒为玻璃纤维材质，伞套在芯棒上采用硅橡胶注射成型工艺；
步骤四：将3D熔滴打印成型的镂空的球头挂环、球窝与绝缘子串一端装配固定；镂空的球头、碗头挂板与绝缘子串另一端装配固定，使之形成整体的悬垂复合绝缘子串，应用于高压架空电力线路上。
2.根据权利要求1所述的利用3D打印复合绝缘子串连接金具的方法，其特征在于：所述坩埚设有两个，使用两个喷头同时成形。
3.根据权利要求1所述的利用3D打印复合绝缘子串连接金具的方法，其特征在于：所述坩埚由石墨材料制成，所述坩埚为锥形结构，底部喷头为单一竖直喷孔，喷孔孔径为0.3mm-0.8mm。
4.根据权利要求1所述的利用3D打印复合绝缘子串连接金具的方法，其特征在于：所述坩埚外部设有热敏探头和温控装置，所述温控装置用于控制系统的加热温度，并记录加热过程的温度变化。
5.根据权利要求1所述的利用3D打印复合绝缘子串连接金具的方法，其特征在于：所述坩埚外部加装隔热层，加热元件采用加热丝加热，温度调控范围为100~1200℃。
6.根据权利要求1所述的利用3D打印复合绝缘子串连接金具的方法，其特征在于：金属微滴产生系统为真空密闭状态，金属微滴产生系统内设有密封圈，外部水冷装置给其密封处降温。
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