CN105945285A - 一种均匀金属液滴制备点阵结构零件的方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种均匀金属液滴制备点阵结构零件的方法与装置，本发明将惰性气体注入熔化坩埚（3）、喷射舱（21）和成形舱（1）中，液位仪（17）保持喷射舱熔体液位稳定，压力控制系统保持喷射舱（21）与成形舱（1）稳定压差，保证熔体在喷嘴处受力平衡，异形齿轮（7）带动振动杆（4）产生压力波，挤出熔体并使熔体在“缩颈”处断裂形成均匀微小液滴。图像分析系统获得液滴的实时尺寸参数，微机控制系统（13）根据预先输入的零件尺寸参数以及液滴的相关参数，实时控制偏转极板（11）电场参数，“剔除”不满足均匀条件的液滴，并配合三维运动台（12）制备所需金属点阵结构零件。本发明可直接从液态金属制备出具有孔隙率可调的近终形点阵结构金属零件。

Description

一种均匀金属液滴制备点阵结构零件的方法与装置

技术领域

本发明涉及一种均匀金属液滴制备点阵结构零件的方法与装置，属金属零件快速成形技术领域。

背景技术

快速成形技术采用材料堆积成形原理将材料逐层或逐点堆积成形来制造零件。现有的点阵结构件成形方法多采用激光束、离子束、电子束等对金属粉末进行熔化烧结而成形，设备投资大，材料利用率低，成本高昂。而液滴按需喷射技术普遍存在液滴直径大于喷嘴直径，压力振荡器受温度限制而不能用于高熔点金属。

发明内容

本发明的目的是，为了克服现有技术上述不足，提出一种能够直接从液体金属生成直径小于喷嘴直径均匀金属液滴，继而快速制备金属点阵结构零件的装置，并且不受温度限制，适用于高熔点金属。

实现本发明的技术方案如下：

一种均匀金属液滴制备点阵结构零件的装置包括成形舱、固定在成形舱上方的喷射舱、提供连续供料的熔化坩埚、振动杆传动系统、气压控制器、四轴联动运动控制器、加电极板、偏转极板、三维运动平台和微机控制系统。所述喷射舱与所述熔化坩埚之间通过管道相连接，连通管道内放置有滤芯；喷射舱侧壁的连通管道入口处有滑动式闸门，根据液位仪相关信息控制闸门开口大小，保证喷射舱熔体液位平衡；喷射舱侧壁通过第一输气管和第一阀门与气压控制器相连，成形舱侧壁通过第二输气管和第二阀门与气压控制器相连；在喷射舱与成形舱内分别设置第一压力传感器和第二压力传感器，气压控制器根据压力传感器的输入调节喷射舱和成形舱的气体压力，保持二者稳定压力差；喷射舱和成形舱分别与惰性气体储藏装置相连；喷射舱的底部设置有与成形舱相连通的微型喷嘴；振动杆位于微型喷嘴上方，在微机控制系统的控制下，振动杆传动系统中的电机带动异形齿轮，齿轮轮廓形成特殊位移曲线作用在振动杆上；加电极板、偏转极板、三维运动平台位于成形舱内，加电极板设置在微型喷嘴的下方，其上相对于微型喷嘴的位置处设置有开口，加电极板的下方两侧设置有偏转极板，偏转极板的电源与微机控制系统相连，三维运动平台位于成形舱的底部，受微机控制系统的控制；在成形舱的侧壁上设置有闪频器和高速摄像机，高速摄像机与微机控制系统相连，闪频器的闪烁频率与异形齿轮旋转速度相一致；微机控制系统存储有待加工零件的尺寸数据，能根据所采集的图像，计算液滴的直径，反馈控制异形齿轮的旋转速度，调节生成液滴的大小，并根据液滴形状尺寸控制偏转极板电源电压，将不符合均匀性条件的液滴“剔除”，然后根据零件尺寸，控制三维运动平台的位移成形金属点阵结构零件。

所述微型喷嘴是石墨小孔，表面喷涂氧化铝增加耐磨性和抗氧化性，其直径范围在0.050~5.000mm之间。

所述异形齿轮旋转速度范围在1~3600r/min之间，可通过改变齿轮齿数调节压力波频率，其齿数范围在1~50个。

所述振动杆传动系统由异形齿轮、振动杆、弹簧座组成，其中弹簧保证振动杆平稳回复起始位置，必要时，弹簧座可通水冷却。

所述喷射舱、熔化坩埚内均设置有与控温装置相连的测温元件，喷射舱和熔化坩埚的加热器与控温装置相连。

所述喷射舱形状属于变截面型，小孔直径为大孔直径的1/2~1/5。

所述喷射舱侧壁的连通管道入口处设置有滑动式闸门，由液位仪根据液位数据控制闸门开口，保持喷射舱内液位平衡。

一种均匀金属液滴制备点阵结构零件的成形方法，包括下列步骤：

（1）将要求加工的零件的尺寸参数输入微机控制系统；

（2）打开熔化坩埚上盖，在熔化坩埚中加入需熔炼的金属材料，并密封；

（3）密封成形舱、喷射舱；

（4）对成形舱、喷射舱抽真空，向熔化坩埚、喷射舱和成形舱中充入惰性保护气体；

（5）加热熔化坩埚和喷射舱，使熔化坩埚内的金属材料熔化并流入喷射舱，利用气压控制器使喷射舱与成形舱之间达到稳定压差，从而使熔体在微型喷嘴处保持受力平衡不致流出，到达预定液位后保持平衡，并在其中保温；

（6）打开电源，给加电极板加上电压，在异形齿轮带动下，振动杆挤压熔体使之从微型喷嘴流出，根据位移曲线控制振动杆陡然回撤，使熔体在“缩颈”处断裂，形成直径小于喷嘴直径且较为均匀的金属液滴，在通过加电极板中间开口时每个液滴都带上等量电荷；

（7）微机控制系统利用计算机图像分析软件，根据高速摄像机所拍摄的液滴图像计算出液滴的直径，反馈控制调整齿轮旋转速度，从而获得设定尺寸的均匀液滴；

（8）给偏转极板加电，微机控制系统根据液滴大小与轮廓，“剔除”不符合均匀性条件的液滴，同时控制三维运动平台按零件参数确定的位置运动，从而沉积出金属点阵结构零件。

所述熔化坩埚内置有与温度控制器相连的第一温度传感器；喷射舱内置有与温度控制器相连的第二温度传感器；熔化坩埚的第一加热器和喷射舱的第二加热器分别与温度控制器相连，利用温度控制器控制熔化坩埚与喷射舱的温度。

本发明的有益效果是，本发明是一种均匀金属液滴制备点阵结构零件的方法与装置，工艺可控性强，可控制熔化坩埚、喷射舱温度，喷射舱与成形舱的压力差，偏转极板的电压，尤其是利用图像监视系统和回路反馈控制系统调整异形齿轮旋转速度，减小产生的金属液滴与设定液滴尺寸的误差。当误差不可避免时，可通过偏转极板将不符合均匀性要求的液滴“剔除”，从而获得均匀尺寸的金属颗粒，保证零件质量。根据不同异形齿轮的轮廓曲线可以控制液滴生成模式，获得直径小于喷嘴直径的均匀液滴。振动杆传动系统由机械部件构成，解决了高熔点金属液滴生成与沉积的问题。

本发明的快速成形装置和方法，熔化坩埚与喷射舱通过管道相连，管道中填充滤芯，可保证喷射舱内熔体的洁净，喷射舱侧壁连通管道入口处设置有滑动式闸门，通过液位仪根据液位数据控制闸门开口，保证喷射舱内熔体液面稳定，从而使工艺过程稳定。

本发明的快速成形装置和方法，利用异形齿轮的齿形轮廓形成不同的位移曲线，利用振动杆挤压熔体从微型喷嘴喷出，并在熔体“缩颈”处断裂，可形成比微型小孔直径更小的均匀金属颗粒，并可根据不同齿形轮廓控制液滴生成模式。

本发明的快速成形装置和方法，可直接生产在大小、形状和热力学条件方面的均一化的金属颗粒，并将处于合适热力学状态的金属液滴按所需金属点阵结构零件的参数要求准确的沉积于相应位置，直接从液态金属制备出孔隙率可调的近终形金属点阵结构零件，工艺流程短，产品质量好，材料利用率高，大大降低了设备投资及生产成本。

附图说明

图1为本发明一种均匀金属液滴制备点阵结构零件的装置结构示意图；

图中，1是成形舱；21是喷射舱；3是熔化坩埚；4是振动杆；5是弹簧座；6是弹簧；7是异形齿轮；8是气压控制器；9是四轴运动控制器；10是加电极板；11是偏转极板；12是三维运动平台；13是微机控制系统；14是滤芯；15是管道；16是滑动式闸门；17是液位仪；18是微型喷嘴；19是小孔；20是闪频器；21是电源；22是温度控制器；23是第一温度传感器；24是第一加热器；25第二加热器；26是第二温度传感器；27是第一压力传感器；28第二压力传感器；29是第一阀门；30是第二阀门；31是第一输气管；32是第二输气管；33是惰性气体储存装置；34是第三输气管；35是真空阀；36是真空泵；37是第一控制线；38第二控制线；39高速摄像装置。

具体实施方式

本发明具体实施方式如图1所示。

本实施例主要是使用惰性气体（如氮气）注入熔化坩埚、喷射舱和成形舱中，利用压力控制系统使喷射舱与成形舱达到稳定压差，使金属熔体在微型喷嘴处受力平衡而不致流出。异形齿轮的齿形轮廓所形成的位移曲线可产生不同形式的压力波，带动振动杆挤压金属熔体从微型喷嘴喷出，并在熔体“缩颈”处断裂，形成直径小于微型喷嘴直径的均匀金属液滴。通过监视系统结合计算机分析系统获得产生液滴的实时尺寸参数，进而针对最佳化参数，反馈控制异形齿轮旋转速度，减小产生的金属液滴与设定液滴尺寸的误差。金属液滴经加电极板感应带电，微机控制系统根据预先输入的零件尺寸参数实时控制偏转极板电场参数，“剔除”不符合均匀性要求的金属液滴，并控制三维运动平台运动到相应位置沉积制备高质量的金属点阵结构零件。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详述。

参见图1，本实施例的快速成形装置包括成形舱1，固定在成形舱1上方的喷射舱2，提供连续供料的熔化坩埚3，由异形齿轮7、振动杆4、弹簧座5、弹簧6组成的传动机构，加电极板10，偏转极板11，三维运动平台12，异形齿轮7与三维运动平台12由四轴运动控制器9控制，并通过微机控制系统13控制相应运动，喷射舱2底部镶嵌有微型喷嘴18，振动杆4头部位于喷嘴18的上部，喷射舱2外侧有第一加热器24，熔化坩埚3外侧有第二加热器25，微型喷嘴18下方设置有加电极板10，加电极板10中间相对于微型喷嘴18的位置开有小孔19，加电极板10 下方两侧设置有偏转极板11，熔化坩埚3与喷射舱2之间通过管道15相连通，管道15内填充有滤芯14，喷射舱2侧壁管道15的入口处设置有滑动式闸门16，滑动式闸门16与液位仪17相连。

本实施例的成形舱1侧壁与喷射舱2侧壁分别连接有第二输气管32和第一输气管31；第二输气管32与第二阀门30连接后再与惰性气体储存装置33相连；第一输气管31与第一阀门29连接后再惰性气体储存装置33相连；第一阀门29、第二阀门30分别通过第一控制线37、第二控制线38与气压控制器8连接。气压控制器8有第一压力传感器27和第二压力传感器28，分别置于成形舱1与喷射舱2内部。成形舱1右侧通过第三输气管34与真空阀35、真空泵36连接。

本实施例的喷射舱2内设置有第二温度传感器26，并通过连线与温度控制器22连接；熔化坩埚3内设置有第一温度传感器23，并通过连线与温度控制器22连接。第二加热器25和第一加热器24通过连线与温度控制器22相连。

本实施例的加电极板10，偏转极板11分别与电源21相连，并通过连接线与微机控制系统13相连。成形舱1两侧分别安装有高速摄像装置39与闪频器20，高速摄像装置39与闪频器20分别与微机控制系统相连。

本实施例的微型喷嘴是圆形的表面涂敷有氧化铝的高纯石墨小孔，其直径范围在0.005~5.000mm之间，异形齿轮旋转速度范围在1~3600r/min之间，异形齿轮齿数范围在1~50个。

本实施例中，采用本发明一种均匀金属液滴制备点阵结构零件的方法具体步骤如下：

（1）打开喷射舱上盖，在熔化坩埚中加入需熔炼的金属材料6061铝合金500g，密封，向微机控制系统中输入所需零件的尺寸参数；

（2）对成形舱和喷射舱抽真空，并充入惰性气体；

（3）加热熔化坩埚，熔炼坩埚内的金属材料，温度达到670℃后保温20min；

（4）打开闸门，熔体从熔化坩埚经过滤流入喷射舱，达到40mm液位后关闭闸门。在成形舱与喷射舱充入氮气并调节压力（稳定压差34Pa），使微型喷嘴处熔体保持受力平衡而不致自由流出。随后，闸门根据液位情况，实时调整开口大小，保持喷射舱内液位稳定；

（5）开启异形齿轮工作电机，带动振动杆将熔体从微型喷嘴挤出，并在熔体“缩颈”处断裂形成均匀液滴，在通过加电极板中间开口时带上等量电荷，微型喷嘴直径500μm；

（6）利用高速摄像装置所拍摄图像，结合微机控制系统中图像采集与分析软件，准确计算出液滴直径及轮廓偏差，反馈控制异形齿轮旋转速率，从而获得均匀金属液滴，直径误差范围在1%以内，轮廓偏差在5%以内；

（7）工艺参数稳定后，微机控制系统根据轮廓偏差度、液滴大小、下落距离等参数控制偏转极板电场大小，从而“剔除”不符合均匀性要求的金属液滴，并控制三维运动平台，沉积所需形状的金属点阵结构零件；

（8）沉积过程结束后，待零件冷却后取出。

Claims (9)

1.一种均匀金属液滴制备点阵结构零件的装置，其特征在于，所述装置包括成形舱、固定在成形舱上方的喷射舱、提供连续供料的熔化坩埚、振动杆传动系统、气压控制器、四轴联动运动控制器、加电极板、偏转极板、三维运动平台和微机控制系统；所述喷射舱与所述熔化坩埚之间通过管道相连接，连通管道内放置有滤芯；喷射舱侧壁的连通管道入口处有滑动式闸门，根据液位仪相关信息控制闸门开口大小，保证喷射舱熔体液位平衡；喷射舱侧壁通过第一输气管和第一阀门与气压控制器相连，成形舱侧壁通过第二输气管和第二阀门与气压控制器相连；在喷射舱与成形舱内分别设置第一压力传感器和第二压力传感器，气压控制器根据压力传感器的输入调节喷射舱和成形舱的气体压力，保持二者稳定压力差；喷射舱和成形舱分别与惰性气体储藏装置相连；喷射舱的底部设置有与成形舱相连通的微型喷嘴；振动杆位于微型喷嘴上方，在微机控制系统的控制下，振动杆传动系统中的电机带动异形齿轮，齿轮轮廓形成特殊位移曲线作用在振动杆上；加电极板、偏转极板、三维运动平台位于成形舱内，加电极板设置在微型喷嘴的下方，其上相对于微型喷嘴的位置处设置有开口，加电极板的下方两侧设置有偏转极板，偏转极板的电源与微机控制系统相连，三维运动平台位于成形舱的底部，受微机控制系统的控制；在成形舱的侧壁上设置有闪频器和高速摄像机，高速摄像机与微机控制系统相连，闪频器的闪烁频率与异形齿轮旋转速度相一致；微机控制系统存储有待加工零件的尺寸数据，能根据所采集的图像，计算液滴的直径，反馈控制异形齿轮的旋转速度，调节生成液滴的大小，并根据液滴形状尺寸控制偏转极板电源电压，将不符合均匀性条件的液滴“剔除”，然后根据零件尺寸，控制三维运动平台的位移成形金属点阵结构零件。

2.根据权利要求1所述一种均匀金属液滴制备点阵结构零件的装置，其特征在于，所述微型喷嘴是石墨小孔，表面喷涂氧化铝增加耐磨性和抗氧化性，其直径范围在0.050~5.000mm之间。

3.根据权利要求1所述一种均匀金属液滴制备点阵结构零件的装置，其特征在于，所述异形齿轮旋转速度范围在1~3600r/min之间，可通过改变齿轮齿数调节压力波频率，其齿数范围在1~50个。

4.根据权利要求1所述一种均匀金属液滴制备点阵结构零件的装置，其特征在于，所述振动杆传动系统由异形齿轮、振动杆、弹簧座组成，其中弹簧保证振动杆平稳回复起始位置，必要时，弹簧座可通水冷却。

5.根据权利要求1所述一种均匀金属液滴制备点阵结构零件的装置，其特征在于，所述喷射舱、熔化坩埚内均设置有与控温装置相连的测温元件，喷射舱和熔化坩埚的加热器与控温装置相连。

6.根据权利要求1所述一种均匀金属液滴制备点阵结构零件的装置，其特征在于，所述喷射舱形状属于变截面型，小孔直径为大孔直径的1/2~1/5。

7.根据权利要求1所述一种均匀金属液滴制备空间点阵结构零件的装置，其特征在于，所述喷射舱侧壁的连通管道入口处设置有滑动式闸门，由液位仪根据液位数据控制闸门开口，保持喷射舱内液位平衡。

8.一种均匀金属液滴制备点阵结构零件的成形方法，包括下列步骤：

（1）将要求加工的零件的尺寸参数输入微机控制系统；

（2）打开熔化坩埚上盖，在熔化坩埚中加入需熔炼的金属材料，并密封；

（3）密封成形舱、喷射舱；

（4）对成形舱、喷射舱抽真空，向熔化坩埚、喷射舱和成形舱中充入惰性保护气体；

（5）加热熔化坩埚和喷射舱，使熔化坩埚内的金属材料熔化并流入喷射舱，利用气压控制器使喷射舱与成形舱之间达到稳定压差，从而使熔体在微型喷嘴处保持受力平衡不致流出，到达预定液位后保持平衡，并在其中保温；

（6）打开电源，给加电极板加上电压，在异形齿轮带动下，振动杆挤压熔体使之从微型喷嘴流出，根据位移曲线控制振动杆陡然回撤，使熔体在“缩颈”处断裂，形成直径小于喷嘴直径且较为均匀的金属液滴，在通过加电极板中间开口时每个液滴都带上等量电荷；

（7）微机控制系统利用计算机图像分析软件，根据高速摄像机所拍摄的液滴图像计算出液滴的直径，反馈控制调整齿轮旋转速度，从而获得设定尺寸的均匀液滴；

（8）给偏转极板加电，微机控制系统根据液滴大小与轮廓，“剔除”不符合均匀性条件的液滴，同时控制三维运动平台按零件参数确定的位置运动，从而沉积出金属点阵结构零件。

9.根据权利要求8所述一种均匀金属液滴制备点阵结构零件的成形方法，其特征在于，所述熔化坩埚内置有与温度控制器相连的第一温度传感器；喷射舱内置有与温度控制器相连的第二温度传感器；熔化坩埚的第一加热器和喷射舱的第二加热器分别与温度控制器相连，利用温度控制器控制熔化坩埚与喷射舱的温度。