CN107755701B - 一种电阻电磁感应摩擦复合加热金属丝材成形方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电阻电磁感应摩擦复合加热金属丝材成形装置，包括：控制器、可编程电源、电磁感应加热电源、压电控制器、脉冲送丝机构、保护气体、金属丝材、金属基材及其传感采集系统；控制器用来控制脉冲送丝机构将金属丝材与基材短路，在保护气体的保护下，控制器控制可编程电源、电磁感应加热电源、压电控制器协同加热金属丝材与金属基材，并通过传感采集系统的反馈信号闭环控制热源系统。本发明还公开一种电阻电磁感应摩擦复合加热金属丝材成形方法，本发明采用电磁感应摩擦电阻复合加热的方法熔化金属丝材与基材，可以精确控制热量输入，丝材熔化效率高，熔体过渡稳定，热源功率小，降低了对基材的热输入，减少了基材的热变形。

Description

一种电阻电磁感应摩擦复合加热金属丝材成形方法和装置

技术领域

本发明属于金属零件成形加工领域，尤其涉及一种电阻电磁感应摩擦复合加热金属丝材成形方法和装置。

背景技术

随着先进制造技术的迅速发展，金属零件3D打印技术的成形方法不断涌现。现如今，主要以激光束、电子束、等离子束高能三束为加热热源，其成形方法主要有激光烧结成形、激光熔敷成形、电子束快速成形、等离子熔积成形等成形方法，在航空航天、微纳制造、生物医学工程等诸多领域有着广泛的应用前景。但针对于空间环境下的成形制造，以上成形方法仍存在一些的不足之处：

能源利用：按照空间设施建设标准规范，空间单台设备功率应低于1000W，显然以激光束、电子束、等离子束高能三束为加热热源的功率都高于1000W。要满足空间环境下3D打印工艺过程及其温度场控制对能量的需求，必须采取新的能源利用方式与温度控制策略；

空间的环境对3D打印原材料形态、工艺装备类型提出了新要求，微重力环境对3D打印工艺的传热及其材料凝固过程的影响规律尚未成熟，对适应于空间的3D打印技术方法仍需进一步探索；

激光束、电子束和等离子束所用的设备，投资、维护成本高，金属零件的制造成本十分昂贵；

激光束、电子束和等离子束三种成形方法在金属零件制造过程中，对基材热输入高，造成基材产生大的形变，容易造成零件和基材较大的形变。

以电阻热为热源的电阻加热金属丝材熔积成形方法，以电阻热为热源，加热丝材熔化。减少了对金属丝材与基材的热输入，但由于基材散热较快，加热效率较低，熔体不易熔敷至基材上，存在一定的弊端。

发明内容

本发明的目的是针对上述金属成形方法的不足，提供了一种能耗低，效率高、形变小的电阻电磁感应摩擦复合加热的金属丝材成形方法和装置。

本发明提供一种电阻电磁感应摩擦复合加热金属丝材成形装置，包括：控制器、可编程电源、电磁感应加热电源、压电控制器、脉冲送丝机构、保护气体、金属丝材、金属基材及其传感采集系统；控制器用来控制脉冲送丝机构将金属丝材与基材短路，在保护气体的保护下，控制器控制可编程电源、电磁感应加热电源、压电控制器协同加热金属丝材与金属基材，并通过传感采集系统的反馈信号闭环控制热源系统；加热金属丝材与金属基材的热源是由可编程电源输出的电流流过金属体，根据自身电阻产生的电阻热；金属丝材经过电磁感应线圈，由电磁感应加热电源产生的电磁加热；金属丝材与基材接触后，压电控制器控制柱形压电促动器带动金属丝材与基材高频摩擦产生的摩擦热；三种热量复合加热金属丝材与基材熔敷成形。

作为优选，所述脉冲送丝机构是一个双电机加缓冲送丝的机构，它是由金属丝材经过等速送丝机构，经过丝材缓冲器，由直流伺服送丝机构精度控制送丝速度；压电控制器压紧柱形压电促动器带动金属丝材振动与基材摩擦，下方通过电磁感应线圈产生电磁加热，通过导电嘴将金属丝材与基材短路，并流过电流波形加热，其中摩擦加热并非一定使用柱形压电促动器产生滑动摩擦，凡依靠摩擦手段产热都为摩擦加热，摩擦加热手段通常滑动摩擦加热，旋转摩擦。

作为优选，控制器协同控制可编程电源、电磁感应线圈、压电制动器，同时控制送丝速度与热源匹配。采用传感采集系统对电信号及其图像采集，并反馈至控制器。

作为优选，金属丝材的材料、形状由成型的金属零件来决定。金属丝材伸出导电嘴的长度为2mm-14mm，金属丝材与基材之间的夹角为30°-150°。

作为优选，金属丝材在三种热源的作用下熔化，过渡方式分别为脱落式过渡和熔敷涂抹式过渡。

本发明还提供一种电阻电磁感应摩擦复合加热金属丝材成形方法，包括下述步骤：

1、通过计算机的三维制图软件对欲制的金属零件建立几何模型，进行分层离散，并设计和模拟其运动轨迹；

2、根据需加工零件的金属材料查找金属熔点值，确定金属丝材的直径，基材厚度等参数，计算金属的熔化速度，丝材送给速度，电阻加热参数，电磁感应加热参数及其摩擦参数等；

3、向金属丝材端部与基材等加热部位输送保护气体，防止金属氧化；

4、金属丝材，金属基材与可编程电源两极串联连接；

5、电磁感应加热电源连接水冷装置，将金属丝材送入电磁感应加热线圈中。

6、柱形压电促动器将金属丝材固定，压电控制器控制柱形压电促动器抖动，控制金属丝材与基材产生摩擦滑动；

7、脉冲送丝机构控制金属丝材前进。启动电磁感应电源，金属丝材与基材形成一个稳定的温度场；

8、脉动送丝机构控制金属丝材与基材短路相连，在可编程电源的电流与柱形压电促动器的作用下，在金属丝材与基材的接触部位出产生电阻热和摩擦热；

9、金属丝材在电磁感应热、电阻加热和摩擦产热的作用下热量累积，逐渐熔化，形成熔体，直到熔体直径小于金属丝材的直径；

10、脉动送丝机构根据金属熔化量，向前进方向移动相应的位移，将熔化后的熔体熔敷到已预热的金属基材上，熔体过渡到基材并凝固成形；

11、脉动送丝机机构沿X-Y水平方向运动至工件的下一个实心位置，重复执行步骤七至步骤十一的过程，直到金属丝材成形于工件中本层全部的实心位置；

12、脉动送丝机构根据3D几何模型，向Z方向移动一个层高，重复执行步骤七至步骤十二的过程，直到金属丝材成形于工件中各层实心位置，堆积成一个实心金属；

13、去除实体底部的金属基材，获得成形的金属零件。

所述的金属丝材的熔点温度必须要远小于导电嘴的熔点温度。

所述金属丝材的直径：1.6mm≥d≥0.3mm。

所述金属丝材与基材的摩擦频率：5KHz≥f≥500Hz。

所述金属丝材与基材的摩擦距离：2mm≥l≥0.01mm。

所述金属熔体熔敷移动距离：4mm≥l_d≥1mm。

所述喷嘴到基材的距离(干伸长)：16mm≥L≥6mm。

所述的基材与金属丝材选择，基材的熔点温度应近似于金属丝材的熔点温度，组织成分相近为最优，有保证金属丝材和基材有较好的熔合度。

所述的保护性气体与金属的选择有关，例如氩气、氮气。

所述的可编程电源，为其工作电流的波形可通过外部信号控制，比如单片机、PLC、采集卡的等信号控制。

与现有的金属成形方法相比，本发明电阻电磁感应复合加热金属丝材成形方法和装置具有以下特点：

1、以摩擦加热，电磁感应加热和电阻加热的热源加热金属丝材，不需要使用价格昂贵，体积大的高能束(激光束、电子束、等离子束)热源设备，设备的投资和维护成本大大降低。

2、金属零件成形过程中，电阻加热通过电流波形控制，电磁感应对金属丝材与基材起到预热的作用。摩擦加热是由机械能转变为内能的过程，为热源的一部分。此三种热量除了热扩散和热辐射外，绝大部分用于熔化金属丝材与基材，不仅大大提高了能量的利用率，还降低了对基材的热输入，减小了基材的热变形。

3、金属零件成形过程中，使用金属丝材作为添加材料，与金属粉末成形方法相比，不会导致粉末被保护气体吹散或者被污染，提高了材料的利用率。

4、在金属成形过程中，摩擦加热，电磁感应加热与电阻加热皆适用于真空环境，验证了空间制造的可行性。

附图说明

图1为电阻电磁感应摩擦复合加热金属丝材成形方法的示意图。

图中：1-可编程电阻电源、2-电磁感应加热电源、3-压电控制器、4-柱形压电驱动器、5-熔体熔敷体、6-金属壁、7-金属基材、8-电磁感应加热线圈、9-保护气体、10-脉动送丝机构、11-运动轨迹控制机构、12-金属丝材、13-导电嘴、14-气体保护罩。

具体实施方式

本发明提供一种电阻电磁感应摩擦复合加热金属丝材成形装置包括：可编程电源1、电磁感应加热电源2、压电控制器3、脉动送丝机构10和运动轨迹控制系统。其中加热热源为：以金属本身电阻加热、电磁感应加热和柱形压电驱动器促使丝材由机械能转化为内能的摩擦加热。可编程电源1的空载电压为8V，工作电流为0-500A。其中电流波形由可编程控制器控制波形输出。电磁感应加热电源2采用LHG-06A，加热振荡电流为3-28A，输出震荡频率为50KHZ-200KHZ，加热速度快，启动电源后，在金属丝材和基材之间，可以形成一个稳定的温度场，对金属丝材和基材起到预热的作用。摩擦加热主要是由压电控制器驱动柱形压电促动器PSt1000/35/150VS45产生200/150um的行程，以7KHz谐振频率作用到导丝管上，金属丝材与基材接触部位高频滑动摩擦，金属丝材端部与基材产生一定热量。

计算机建立的几何模型生成轨迹代码，运动轨迹控制机构11控制送丝管动作。脉动送丝机构10是由等速送丝、缓冲器和脉动送丝三部分构成，协同控制丝材送给。金属丝材12为直径1.2mm的Q235低碳钢焊丝，基材7为30*60*2mm的Q235D低碳钢板，保护气体为氩气(流量为15L/min)，可编程电流波形为根据用户需要设置。其中在金属成形过程中熔体的大小，决定运动轨迹控制机构向前进方向平移的距离。

具体成形工艺包括以下步骤：

1、金属零件以金属壁6为例，通过计算机的三维制图软件对金属壁建立3D几何模型，并进行分层离散，设计和模拟其运动轨迹；

2、金属丝材与基材选择Q235低碳钢材料，查找金属熔点值1534℃，计算丝材的熔化速度与送丝速度等参数；

3、向金属丝材12端部与基材7输送1.5L/min的保护气体；

4、将金属丝材相连的导电嘴13，金属基材7与可编程电源1串联连接，将金属丝材12送入电磁感应加热线圈8中，柱形压电促动器4将金属丝材12固定，压电控制器3控制柱形压电促动器4振动；

5、脉冲送丝机构11控制金属丝材12前进，经过电磁感应线圈8时，将金属丝材端部与基材预热温度大约800℃左右；

6、脉动送丝机构11继续控制金属丝材12与基材7短路连接，在可编程电源1的电流与柱形压电促动器4的作用下，金属丝材与基材的接触部位出产生电阻热和摩擦热；

7、金属丝材12端部在电阻加热和摩擦加热的作用下热量累积，并逐渐熔化，形成熔体，直到金属丝材12端部产生缩颈，其直径小于1.2mm；

8、脉动送丝机构11根据金属熔化量，沿前进方向移动2mm，将熔化后的熔体熔敷到已预热的金属基材7上，熔体过渡到基材7并凝固成形；

9、脉动送丝机构11沿XY水平方向运动至工件的下一个实心位置，重复执行步骤七至步骤八的过程，直到金属丝材成形于金属壁的本层金属量；

10、脉动送丝机构11根据3D几何模型，向Z方向移动1.0mm高度，重复执行步骤七至步骤九的过程，直到金属丝材12成形于工件中各层实心位置，堆积成一个实心金属壁；

11、除去底部的基材11低碳钢板，获得成形的金属工件。

本发明的电阻电磁感应摩擦复合加热金属丝材成形装置和方法，通过计算机软件建立金属零件的几何模型，并分层离散，设定和模拟零件的运动轨迹；由脉动伺服直流送丝机构将金属丝材与金属基材短接，在电磁感应加热线圈的作用下，在空间领域形成一个恒定的温度场，对金属丝材和金属基材上的点进行预热至一个恒定的温度(小于金属熔点的温度)。压电控制器驱动柱形压电促动器PSt1000/35/150VS45产生200/150um的行程，以7KHz谐振频率作用到导丝管上，丝材端部与基材之间高频滑动摩擦，金属丝材端部与基材产生一定热量。同时，由电阻电源与金属丝材、基材串联连接，在电流密度最大部位(丝材端部)产生大量的电阻热。在电磁感应加热，摩擦加热与电阻加热的作用下，金属丝材与基材热量累积，丝材熔化，形成熔体。送丝枪前进指定位移，将熔化的丝材熔敷在金属基材上，即丝材的过渡。根据运动轨迹路线，由点、线、面叠加逐步完成金属零件的制造。与现有的以激光束、电子束、电弧束为热源的金属成形方法相比，本发明采用电磁感应摩擦电阻复合加热的方法熔化金属丝材与基材，可以精确控制热量输入，丝材熔化效率高，熔体过渡稳定，热源功率小，降低了对基材的热输入，减少了基材的热变形。

以上内容是结合具体的优选实例对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实例只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其架构形式灵活多变，可以派生系列产品。只是做出若干简单推演或替换，都应视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (4)

1.一种电阻电磁感应摩擦复合加热金属丝材成形方法，实现该方法的装置包括：控制器、可编程电源、电磁感应加热电源、压电控制器、脉冲送丝机构、保护气体、金属丝材、金属基材及传感采集系统；控制器用来控制脉冲送丝机构将金属丝材与基材短路，在保护气体的保护下，控制器控制可编程电源、电磁感应加热电源、压电控制器协同加热金属丝材与金属基材，并通过传感采集系统的反馈信号闭环控制热源系统；加热金属丝材与金属基材的热源是由可编程电源输出的电流流过金属体，根据自身电阻产生的电阻热；金属丝材经过电磁感应线圈，由电磁感应加热电源产生的电磁加热；金属丝材与基材接触后，压电控制器控制柱形压电促动器带动金属丝材与基材高频摩擦产生的摩擦热；三种热量复合加热金属丝材与基材熔敷成形；

所述脉冲送丝机构是一个双电机加缓冲送丝的机构，它是由金属丝材经过等速送丝机构，经过丝材缓冲器，由直流伺服送丝机构精确控制送丝速度；压电控制器压紧柱形压电促动器带动金属丝材振动与基材摩擦，下方通过电磁感应线圈产生电磁加热，通过导电嘴将金属丝材与基材短路，并流过电流波形加热；

控制器协同控制可编程电源、电磁感应线圈、压电制动器，同时控制送丝速度与热源匹配；采用传感采集系统对电信号及其图像采集，并反馈至控制器；

金属丝材在三种热源的作用下熔化，过渡方式分别为脱落式过渡和熔敷涂抹式过渡；其特征在于，包括下述步骤：

S1、通过计算机的三维制图软件对欲制的金属零件建立几何模型，进行分层离散，并设计和模拟其运动轨迹；

S2、根据需加工零件的金属材料查找金属熔点值，确定金属丝材的直径，基材厚度参数，计算金属的熔化速度，丝材送给速度，电阻加热参数，电磁感应加热参数及摩擦参数；

S3、向金属丝材端部与基材加热部位输送保护气体，防止金属氧化；

S4、金属丝材，金属基材与可编程电源两极串联连接；

S5、电磁感应加热电源连接水冷装置，将金属丝材送入电磁感应加热线圈中；

S6、柱形压电促动器将金属丝材固定，压电控制器控制柱形压电促动器抖动，控制金属丝材与基材产生摩擦滑动；

S7、脉冲送丝机构控制金属丝材前进，启动电磁感应电源，金属丝材与基材形成一个稳定的温度场；

S8、脉冲送丝机构控制金属丝材与基材短路相连，在可编程电源的电流与柱形压电促动器的作用下，在金属丝材与基材的接触部位处产生电阻热和摩擦热；

S9、金属丝材在电磁感应热、电阻加热和摩擦产热的作用下热量累积，逐渐熔化，形成熔体，直到熔体直径小于金属丝材的直径；

S10、脉冲送丝机构根据金属熔化量，向前进方向移动相应的位移，将熔化后的熔体熔敷到已预热的金属基材上，熔体过渡到基材并凝固成形；

S11、脉冲 送丝机构沿X-Y水平方向运动至工件的下一个实心位置；

S12、重复执行S7至S11的过程，直到金属丝材成形于工件中本层全部的实心位置；

S13、脉冲送丝机构根据3D几何模型，向Z方向移动一个层高；

S14、重复执行S7至S13的过程，直到金属丝材成形于工件中各层实心位置，堆积成一个实心金属；

S15、去除实体底部的金属基材，获得成形的金属零件。

2.如权利要求1所述的电阻电磁感应摩擦复合加热金属丝材成形方法，其特征在于，所述金属丝材的直径：1.6mm≥d≥0.3mm。

3.如权利要求1所述的电阻电磁感应摩擦复合加热金属丝材成形方法，其特征在于，所述金属丝材与基材的摩擦频率：5KHz≥f≥500Hz。

4.如权利要求1所述的电阻电磁感应摩擦复合加热金属丝材成形方法，其特征在于，所述金属丝材与基材的摩擦距离：2mm≥l≥0.01mm。

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