CN107414081A - 金属增量制造的送丝熔丝系统及其应用方法 - Google Patents

Abstract

金属增量制造的送丝熔丝系统及其应用方法，本发明属于先进制造和先进材料工艺领域，它为了解决现有金属增量制造装置成本高、耗能大的问题。该金属增量制造的送丝熔丝系统包括加热室罩、密封室罩和感应线圈，通过密封室罩围成加热密封室，在密封室罩的罩外设置有加热室罩，加热室罩和密封室罩之间形成保护气缓冲室，在密封室罩的外罩壁上缠绕有感应线圈，在密封室罩和加热室罩上设置有气阀。熔丝方法：金属丝通过密封室罩的罩顶进丝口进入加热密封室，感应线圈加热熔化金属丝形成熔滴，保护气进入加热密封室中保护金属熔滴同时进行气冷。本发明中的金属丝依靠感应线圈涡流产生的电阻热熔化，熔丝效率高，与激光等增材制造方法相比能够降低成本。

Description

金属增量制造的送丝熔丝系统及其应用方法

技术领域

本发明属于先进制造和先进材料工艺领域，具体涉及一种高频感应加热的金属增量制造熔丝送丝系统及其应用方法。

背景技术

增量制造是基于材料累加原理快速成型操作的一项高新制造技术，而其中金属的增量制造技术又是位于增量制造金字塔顶尖的一项全球性难点，被认为是门槛最高、增长最快且最具前途的技术，从飞机发动机部件到医疗植入、汽车部件、航空卫星组件等的制造，无不将它推到了最前沿的位置。然而，现有的高能束金属零件自由增量制造技术存在成形效率不高、成本高、成形精度及性能可靠性不足的瓶颈问题。要克服上述技术瓶颈，需要研究寻找既能保持增量制造技术优势，又能吸收传统技术优点的复合制造新技术，为增量制造向军用高精尖和日常民用两个方向同时应用开辟新路径。

金属增量制造技术激光束技术方法较为成熟，应用材料范围广。它可进行微细和精密加工，便于自动控制连续加工，加工效率高，加工变形和热变形小。但是激光束方案价格昂贵，单件设备高昂，一般激光束金属增量装置的价格都在100万以上，难以民用普及。

金属增量制造技术电子束技术方法可加工材料的范围广，整个加工过程便于实现自动化，加工效率很高。但是加工在真空中进行，一方面污染少、加工表面不易被氧化，另一方面整套的专用设备和真空系统，价格昂贵，在实际生产中受限制程度大。

金属增量制造技术等离子束技术方法目前特种加工中最精密、最微细的加工。离子束加工在高真空中进行，污染少，加工应力和变形极小。成本相对较高，方案成熟度尚需市场认可。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有金属增量制造装置成本高、耗能大的问题，而提出一种采用感应线圈加热的采用智能送气送丝熔丝系统及其应用方法。

本发明金属增量制造的送丝熔丝系统包括加热室罩、密封室罩和感应线圈，通过密封室罩围成加热密封室，加热密封室的下部呈倒锥漏斗形，在密封室罩的下部倒锥漏斗形外罩壁上缠绕有感应线圈，在密封室罩的罩外设置有加热室罩，加热室罩和密封室罩之间形成保护气缓冲室，在密封室罩的顶部设置有内室气阀，在加热室罩的顶部设置有外室气阀，在密封室罩的罩顶和罩底上分别开有进丝口和熔滴出口。

应用本发明金属增量制造的送丝熔丝系统进行熔丝的方法按以下步骤实现：

一、通过密封室罩围成加热密封室，加热密封室的下部呈倒锥漏斗形，在密封室罩的罩外设置有加热室罩，加热室罩和密封室罩之间形成保护气缓冲室，在密封室罩的下部倒锥漏斗形外罩壁上缠绕有感应线圈，将感应线圈与三相电源相连接；

二、在加热室罩的顶部设置有外室气阀，将外室气阀与送气系统相连接，启动送气系统，采用惰性气体作为保护气；

三、启动由电机驱动的送丝系统，使金属丝通过位于密封室罩的罩顶进丝口进入加热密封室中，感应线圈加热熔化金属丝形成金属熔滴，保护气通过密封室罩顶部的内室气阀进入加热密封室中保护金属熔滴同时进行气冷，金属熔滴汇集在位于密封室罩内底部的熔滴出口处，在重力及气压的作用下使熔融金属从熔滴出口流出进行金属增量制造。

本发明所述的金属增量制造的送丝熔丝系统及其应用方法包括以下有益效果：

1、金属丝依靠感应线圈涡流产生的电阻热熔化，感应线圈产生的能量主要用于形成熔滴，熔丝效率高，控制感应线圈的功率为10～15kw，与激光等增材制造方法相比能够降低成本，节约能源；

2、送气系统送入氩气等惰性气体作为保护气体，实现了反应气氛对增量制造过程的保护，保证了成品和制造质量，并有效降低了研发成本；

3、本发明所述的金属增量制造的送丝熔丝系统的制造价格为10万～20万左右，应用感应线圈使得增量制造的使用材料的范围有了很大的拓展，不再局限于部分现有的单一金属材料，并且本发明采用感应线圈加热相对于激光束和电子束加工更清洁环保。

附图说明

图1为本发明金属增量制造的送丝熔丝系统的整体结构示意图；

图2为本发明金属增量制造的送丝熔丝系统的局部结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式金属增量制造的送丝熔丝系统包括加热室罩1、密封室罩3和感应线圈2，通过密封室罩3围成加热密封室，加热密封室的下部呈倒锥漏斗形，在密封室罩3的下部倒锥漏斗形外罩壁上缠绕有感应线圈2，在密封室罩3的罩外设置有加热室罩1，加热室罩1和密封室罩3之间形成保护气缓冲室，在密封室罩3的顶部设置有内室气阀4，在加热室罩1的顶部设置有外室气阀5，在密封室罩3的罩顶和罩底上分别开有进丝口和熔滴出口。

本实施方式加热室罩和密封室罩之间形成保护气缓冲室起到保护和冷却的作用。

本实施方式中加热密封室为倒锥形，使其外壁缠绕的感应线圈也呈倒锥形，感应线圈的形状设计为锥形是考虑到交变磁场，理想状态为前段感应线圈起预热、加热作用，因为最下面感应线圈的口径最小，磁场作用最强，金属丝恰好在口径最小的地方熔化并滴落。密封室罩为倒锥形，使液滴聚集在出口处，在表面张力作用下容易流出。

本实施方式熔丝系统中引入感应线圈作为增量制造的热源，通过调控感应线圈的参数实现增量制造的智能化控制，既节能清洁，又大幅度降低了制造成本，设备市场应用前景广。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是密封室罩3的罩顶为圆弧形，加热密封室的纵截面呈扇形。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是加热密封室的下部呈倒锥漏斗形，倒锥漏斗的高度为2～10mm。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是加热密封室的下部呈倒锥漏斗形，其中倒锥的锥角为30°。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是该金属增量制造的送丝熔丝系统还含有送丝系统和保护气系统，送丝系统中包含送丝轮16和送丝机构10，送丝机构10设置在加热室罩1的外部，送丝机构10为两个相互平行且对辊的送丝滚轮，金属丝6的一端卷绕在送丝轮16上，金属丝6穿过送丝机构10的两个送丝滚轮之间，金属丝6的另一端则从罩顶的进丝口中插入加热密封室中通过感应线圈2感应加热形成金属熔滴，外室气阀5通过气管与保护气系统相连。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是所述金属丝6的直径为0.1～0.5mm。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五不同的是该金属增量制造的送丝熔丝系统还含有专家系统15、气体压强传感器11、红外测温仪12和流速检测仪器17，通过加热密封室中设置的气体压强传感器11检测压强，通过红外测温仪12检测金属熔滴的温度，通过流速检测仪器17检测金属熔滴的流出速率，加工工件13置于承料板14上，气体压强传感器11、红外测温仪12、流速检测仪器17、内室气阀4、外室气阀5、感应线圈2、送丝机构10和承料板14均通过电线与专家系统15相连，专家系统15以金属丝6的直径、金属丝6的材质、加工工件13的尺寸和精度作为输入量，通过专家系统15给出最佳的控制工艺参数，控制工艺参数包括保护气系统的送气速率、金属丝6的送丝速率、感应线圈2的功率、内室气阀4和外室气阀5的开关和承料板14的三维运动量。

本实施方式专家系统的输入量为金属丝直径，金属丝材料，加工件的填充率、壁厚、精度以及它的尺寸数据；中间量为金属液滴流出速率，金属熔滴的温度和密封室罩内的压强；输出量为送气速率，送丝速率，高频感应的功率，内部密封室罩的进气和出气系统(压强大于阈值则出气口开，压强小于阈值则送气口开)，以及移动机构的运动程序。控制工艺参与生产工艺参数知识库中的规则进行匹配，从而给出最佳的生产工艺参数。

由所选金属丝材料种类可以由数据库调取相应材料的熔点，并由此确定高频感应线圈的功率。此处通过红外测温仪来确定被加热金属丝温度，通过PID反馈调节来控制线圈功率，使金属丝温度高于其熔点。

金属丝的直径会影响系统的送丝速率，直径越大送丝速度越小。送丝速度会影响高频线圈的功率大小。

增材制造产品的精度要求会影响液态金属的流出速率，精度要求越高，液态金属流出速率越小。

液态金属流出速率会影响送丝速度，液态金属流出速率越大，所需的送丝速度越大。

液态金属流出速率会影响送气速率，液态金属流出速率较大时需要适当增大送气速率来增强保护效果。

液态金属流出速率会影响密封室罩的压强，流出速率越大所需的压强越大。

液态金属流出速率会影响运动程序，即移动机构的运动。

送气速率会影响密封室罩内气压。此处使用气体压强传感器实时监测室罩内压强，利用反馈系统，通过控制进气、出气系统，并调节送气速率，使压强达到预定值并稳定在一定范围内。

增量制造产品的形状以及尺寸会影响移动机构的运动，加之增量制造产品的填充率和壁厚对其内部材料的分布有影响，三者共同决定即移动机构的运动。

具体实施方式八：本实施方式应用金属增量制造的送丝熔丝系统进行熔丝的方法按以下步骤实施：

一、通过密封室罩3围成加热密封室，加热密封室的下部呈倒锥漏斗形，在密封室罩3的罩外设置有加热室罩1，加热室罩1和密封室罩3之间形成保护气缓冲室，在密封室罩3的下部倒锥漏斗形外罩壁上缠绕有感应线圈2，将感应线圈2与三相电源相连接；

二、在加热室罩1的顶部设置有外室气阀5，将外室气阀5与送气系统相连接，启动送气系统，采用惰性气体作为保护气；

三、启动由电机驱动的送丝系统，使金属丝6通过位于密封室罩3的罩顶进丝口进入加热密封室中，感应线圈2加热熔化金属丝6形成金属熔滴，保护气通过密封室罩3顶部的内室气阀4进入加热密封室中保护金属熔滴同时进行气冷，金属熔滴汇集在位于密封室罩3内底部的熔滴出口处，在重力及气压的作用下熔融金属从熔滴出口流出进行金属增量制造。

本实施方式可应用于金属增量制造等工程应用领域，创新性地利用涡流线圈产热，通过调节感应线圈的参数，智能调控加热温度，取得了节能清洁和成本控制的平衡。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是所述金属丝6的材质为钛合金、铝合金、不锈钢、铜合金或镍合金。其它步骤及参数与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式八或九不同的是步骤一控制感应线圈2中电流的最大额定输入功率为10～18kVA，振荡频率60～100kHz。其它步骤及参数与具体实施方式八或九相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式八至十之一不同的是感应线圈2采用水冷线圈。其它步骤及参数与具体实施方式八至十之一相同。

本实施方式感应线圈为铜质线圈，线圈采用冷却水冷却并与外部循环水系统连接，冷却水要求为0.2MPa，2～5L/min。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式八至十一之一不同的是步骤二所述的惰性气体为氩气或氦气。其它步骤及参数与具体实施方式八至十一之一相同。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式八至十二之一不同的是控制金属丝6的送丝速度为0.3～0.5m/s。其它步骤及参数与具体实施方式八至十二之一相同。

实施例：本实施例应用金属增量制造的送丝熔丝系统进行熔丝的方法按以下步骤实施：

一、通过密封室罩3围成加热密封室，加热密封室的下部呈倒锥漏斗形，在密封室罩3的罩外设置有加热室罩1，加热室罩1和密封室罩3之间形成保护气缓冲室，在密封室罩3的下部倒锥漏斗形外罩壁上缠绕有感应线圈2，控制感应线圈2中电流的最大额定输入功率为15kV，振荡频率为100kHz，将感应线圈2与三相电源相连接，三相电源为380V，50Hz；

二、在加热室罩1的顶部设置有外室气阀5，将外室气阀5与送气系统相连接，启动送气系统，采用氩气作为保护气，控制通入速率为10～12L/min；

三、启动由步进电机驱动的送丝系统，使金属丝6通过位于密封室罩3的罩顶进丝口进入加热密封室中，感应线圈2加热熔化金属丝6形成金属熔滴，保护气通过密封室罩3顶部的内室气阀4进入加热密封室中保护金属熔滴同时进行气冷，金属熔滴汇集在位于密封室罩3内底部的熔滴出口处，在重力及气压的作用下熔融金属从熔滴出口流出进行金属增量制造。

本实施例中外室气阀和内室气阀均设置在室罩的上部，使保护气(惰性气体)能够从上至下充入加热密封室中，此种方式保护效果更好，同时使液滴受向下挤压力的作用(挤压作用需要从上往下吹)，且有利于冷却；又由于氩气的密度大于空气，保护气从上向下吹有利于排尽室罩内空气。如果保护气从侧向或者由下至上吹入，则会导致金属增量加工出现缺陷的概率增加。

本实施例将保护气充入加热密封室中，能够依靠重力和气体挤压力(压强)的双重作用使金属熔滴流下，而如果只单纯依靠重力，由于金属粘性和表面张力所致则难以实现连续的增材过程。

本实施例感应线圈匝数为4，加热密封室的底部形状为锥形，锥角为30°，最大线圈内径为50mm。感应线圈采用厚壁铜管在模具上绕成，中间无接头，两端采用纯铜氩弧焊，铜管采用材质为T2(99.9％)的优质冷挤制铜管。加热密封室内的压强约为1.2倍大气压。

本实施例将工件置于承料板14上，送丝系统包含卷绕有金属丝6的送丝轮16和送丝机构10，送丝机构10设置在加热室罩1的外部，送丝机构10为两个相互平行且对辊的送丝滚轮，利用送丝机构10拉丝，而送丝轮16推丝，其中送丝机构10包括控制转速的电机和送丝轮，送丝轮兼有拉丝和紧丝的作用。通过3组步进电机分别精确控制承料板的Y轴、Z轴和送丝熔丝机构的X轴三个自由度的定量移动，同时通过预先的程序设定，确定三个自由度之间的相对关系。

本实施例采用感应线圈加热熔化金属丝，送丝熔丝过程平稳，熔料稳定过渡，金属丝熔化过程均匀且便于调节速率，感应线圈和下面的移动机构紧密配合，实现准确的预定位置、预定量、预定形状的精准的增量制造。

Claims (10)

1.金属增量制造的送丝熔丝系统，其特征在于该金属增量制造的送丝熔丝系统包括加热室罩(1)、密封室罩(3)和感应线圈(2)，通过密封室罩(3)围成加热密封室，加热密封室的下部呈倒锥漏斗形，在密封室罩(3)的下部倒锥漏斗形外罩壁上缠绕有感应线圈(2)，在密封室罩(3)的罩外设置有加热室罩(1)，加热室罩(1)和密封室罩(3)之间形成保护气缓冲室，在密封室罩(3)的顶部设置有内室气阀(4)，在加热室罩(1)的顶部设置有外室气阀(5)，在密封室罩(3)的罩顶和罩底上分别开有进丝口和熔滴出口。

2.根据权利要求1所述的金属增量制造的送丝熔丝系统，其特征在于密封室罩(3)的罩顶为圆弧形，加热密封室的纵截面呈扇形。

3.根据权利要求1所述的金属增量制造的送丝熔丝系统，其特征在于加热密封室的下部呈倒锥漏斗形，倒锥漏斗的高度为2～10mm。

4.根据权利要求1所述的金属增量制造的送丝熔丝系统，其特征在于加热密封室的下部呈倒锥漏斗形，其中倒锥的锥角为30°。

5.根据权利要求1所述的金属增量制造的送丝熔丝系统，其特征在于该金属增量制造的送丝熔丝系统还含有送丝系统和保护气系统，送丝系统中包含送丝轮(16)和送丝机构(10)，送丝机构(10)设置在加热室罩(1)的外部，送丝机构(10)为两个相互平行且对辊的送丝滚轮，金属丝(6)的一端卷绕在送丝轮(16)上，金属丝(6)穿过送丝机构(10)的两个送丝滚轮之间，金属丝(6)的另一端则从罩顶的进丝口中插入加热密封室中通过感应线圈(2)感应加热形成金属熔滴，外室气阀(5)通过气管与保护气系统相连。

6.根据权利要求1所述的金属增量制造的送丝熔丝系统，其特征在于所述金属丝(6)的直径为0.1～0.5mm。

7.根据权利要求5所述的金属增量制造的送丝熔丝系统，其特征在于该金属增量制造的送丝熔丝系统还含有专家系统(15)、气体压强传感器(11)、红外测温仪(12)和流速检测仪器(17)，通过加热密封室中设置的气体压强传感器(11)检测压强，通过红外测温仪(12)检测金属熔滴的温度，通过流速检测仪器(17)检测金属熔滴的流出速率，加工工件(13)置于承料板(14)上，气体压强传感器(11)、红外测温仪(12)、流速检测仪器(17)、内室气阀(4)、外室气阀(5)、感应线圈(2)、送丝机构(10)和承料板(14)均通过电线与专家系统(15)相连，专家系统(15)以金属丝(6)的直径、金属丝(6)的材质、加工工件(13)的尺寸和精度作为输入量，通过专家系统(15)给出最佳的控制工艺参数，控制工艺参数包括保护气系统的送气速率、金属丝(6)的送丝速率、感应线圈(2)的功率、内室气阀(4)和外室气阀(5)的开关和承料板(14)的三维运动量。

8.应用金属增量制造的送丝熔丝系统进行熔丝的方法，其特征在于是按以下步骤实现：

一、通过密封室罩(3)围成加热密封室，加热密封室的下部呈倒锥漏斗形，在密封室罩(3)的罩外设置有加热室罩(1)，加热室罩(1)和密封室罩(3)之间形成保护气缓冲室，在密封室罩(3)的下部倒锥漏斗形外罩壁上缠绕有感应线圈(2)，将感应线圈(2)与三相电源相连接；

二、在加热室罩(1)的顶部设置有外室气阀(5)，将外室气阀(5)与送气系统相连接，启动送气系统，采用惰性气体作为保护气；

三、启动由电机驱动的送丝系统，使金属丝(6)通过位于密封室罩(3)的罩顶进丝口进入加热密封室中，感应线圈(2)加热熔化金属丝(6)形成金属熔滴，保护气通过密封室罩(3)顶部的内室气阀(4)进入加热密封室中保护金属熔滴同时进行气冷，金属熔滴汇集在位于密封室罩(3)内底部的熔滴出口处，在重力及气压的作用下熔融金属从熔滴出口流出进行金属增量制造。

9.根据权利要求8所述的应用金属增量制造的送丝熔丝系统进行熔丝的方法，其特征在于所述金属丝(6)的材质为钛合金、铝合金、不锈钢、铜合金或镍合金。

10.根据权利要求8所述的应用金属增量制造的送丝熔丝系统进行熔丝的方法，其特征在于步骤二所述的惰性气体为氩气或氦气。