CN108941594A - 一种基于prep的等离子旋转电极制粉方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PREP的等离子旋转电极制粉方法及装置，涉及金属粉末制备领域。用以解决现有的等离子旋转电极制粉设备存在操作复杂，自动化，智能化程度低且用工成本较高的问题。该方法包括：根据输入的待加工材料的中位径确定电主轴的理论转速，根据理论转速与电主轴的额定转速的关系，确定电主轴的实际转速；根据待加工材料朝向等离子发生器的端面与等离子发生器之间的距离，待加工材料在单位时间内的融化面积确定待加工材料的给进速度；根据待加工材料在单位时间内融化所需热量，氩气电阻率确定等离子发生器的电源融化电流；根据电主轴的实际转速，待加工材料的给进速度和等离子发生器的电源融化电流控制待加工材料的制粉过程。

Description

一种基于PREP的等离子旋转电极制粉方法及装置

技术领域

本发明涉及金属粉末制备领域，更具体的涉及一种基于PREP的等离子旋转电极制粉方法及装置。

背景技术

随着增材制造技术的迅猛发展，金属3D打印成型技术，因其独特的成型技术和优良的零部件性能，得以在航空、医疗等行业得到迅速应用。伴随着金属3D打印的迅猛发展，3D打印所需的球形粉末的需求量将大幅增加。因此，获得高品质、低成本的球形粉体材料是满足3D打印技术及装备高性能金属的关键件环节。

目前，常用的制备粉体材料的方法主要有惰性气体雾化法、真空感应气雾化法、无坩埚电极感应融化气体雾化法、等离子旋转电极制粉法等。其中等离子旋转电极制粉法所制粉末具有表面清洁、球形度高、伴生颗粒小、无空心、卫星粉、流动性好、高纯度、低含氧量、粒度分布窄等优势，得到普遍认可。

无论国内，还是国外等离子旋转电极制粉设备都要需要操作人员手动来设置设备的转速、融化电流、氩气压力等，操作较为复杂，操作人员需要约3个月的时间的学习，才能逐步掌握操作要求。此外，这些核心参数对于所制粉末的品质至关重要，不同的操作人员，由于操作习惯的不同，参数把握大不相同，造成所制粉末品质不一。

综上所述，现有的等离子旋转电极制粉设备存在操作复杂，自动化，智能化程度低且用工成本较高的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种基于PREP的等离子旋转电极制粉方法及装置，用以解决现有的等离子旋转电极制粉设备存在操作复杂，自动化，智能化程度低且用工成本较高的问题。

本发明实施例提供一种基于PREP的等离子旋转电极制粉方法，包括：

根据输入的待加工材料的中位径确定电主轴的理论转速，根据所述理论转速与电主轴的额定转速的关系，确定电主轴的实际转速；

根据所述待加工材料朝向等离子发生器的端面与所述等离子发生器之间的距离，所述待加工材料在单位时间内的融化面积确定所述待加工材料的给进速度；

根据所述待加工材料在单位时间内融化所需热量，氩气电阻率确定所述等离子发生器的电源融化电流；

根据所述电主轴的实际转速，所述待加工材料的给进速度和所述等离子发生器的电源融化电流控制所述待加工材料的制粉过程。

优选地，所述根据所述理论转速与电主轴的额定转速的关系，确定电主轴的实际转速，具体包括：

当所述理论转速大于所述电主轴的额定转速时，则所述实际转速等于所述电主轴的额定转速；或者

当所述理论转速小于所述电主轴的额定转速时，则所述实际转速等于所述理论转速。

优选地，所述根据所述理论转速与电主轴的额定转速的关系，确定电主轴的实际转速之后，还包括：

当所述电主轴开始旋转后，若震动参数小于6时，则所述电主轴的转速一直增大，直至所述电主轴的转速等于所述理论转速或者所述电主轴的额定转速；

当所述电主轴开始旋转后，若震动参数大于6时，则所述电主轴的转速保持不变或者开始减速。

优选地，所述待加工材料在单位时间内融化所需热量根据下列公式确定：

Q＝π*D₂*u*ρ_金属*T_熔点*C_比热

其中，D为金属棒料直径，u为进给速度，ρ为金属棒料密度，T为金属棒料熔点，C为金属棒料比热容。

优选地，所述氩气电阻率根据下列公式确定：

ρ_氩气＝292.7ε_{氩气电离百分率}μ

其中，μ为导电氩气的距离L与导电氩气截面积S的比值。

本发明实施例还提供了一种基于PREP的等离子旋转电极制粉装置，包括：

第一确定单元，用于根据输入的待加工材料的中位径确定电主轴的理论转速，根据所述理论转速与电主轴的额定转速的关系，确定电主轴的实际转速；

第二确定单元，用于根据所述待加工材料朝向等离子发生器的端面与所述等离子发生器之间的距离，所述待加工材料在单位时间内的融化面积确定所述待加工材料的给进速度；

第三确定单元，用于根据所述待加工材料在单位时间内融化所需热量，氩气电阻率确定所述等离子发生器的电源融化电流；

控制单元，用于根据所述电主轴的实际转速，所述待加工材料的给进速度和所述等离子发生器的电源融化电流控制所述待加工材料的制粉过程。

优选地，所述第一确定单元具体用于：

当所述理论转速大于所述电主轴的额定转速时，则所述实际转速等于所述电主轴的额定转速；或者

当所述理论转速小于所述电主轴的额定转速时，则所述实际转速等于所述理论转速。

优选地，所述第一确定单元还用于：

当所述电主轴开始旋转后，若震动参数小于6时，则所述电主轴的转速一直增大，直至所述电主轴的转速等于所述理论转速或者所述电主轴的额定转速；

当所述电主轴开始旋转后，若震动参数大于6时，则所述电主轴的转速保持不变或者开始减速。

优选地，所述待加工材料在单位时间内融化所需热量根据下列公式确定：

Q＝π*D₂*u*ρ_金属*T_熔点*C_比热

其中，D为金属棒料直径，u为进给速度，ρ为金属棒料密度，T为金属棒料熔点，C为金属棒料比热容。

优选地，所述氩气电阻率根据下列公式确定：

ρ_氩气＝292.7ε_{氩气电离百分率}μ

其中，μ为导电氩气的距离L与导电氩气截面积S的比值。本发明实施例提供一种基于PREP的等离子旋转电极制粉方法，包括：根据输入的待加工材料的中位径确定电主轴的理论转速，根据所述理论转速与电主轴的额定转速的关系，确定电主轴的实际转速；根据所述待加工材料朝向等离子发生器的端面与所述等离子发生器之间的距离，所述待加工材料在单位时间内的融化面积确定所述待加工材料的给进速度；根据所述待加工材料在单位时间内融化所需热量，氩气电阻率确定所述等离子发生器的电源融化电流；根据所述电主轴的实际转速，所述待加工材料的给进速度和所述等离子发生器的电源融化电流控制所述待加工材料的制粉过程。该方法将制粉过程中的电主轴的转速，进给速度和主弧融化电流等因素集成，集成在不同实现硬件系统的可靠闭环控制，将设备硬件和软件紧密结合起来，大幅度提升整机设备的智能化程度和自动化程度。通过该方法可以解决现有的等离子旋转电极制粉设备存在操作复杂，自动化，智能化程度低且用工成本较高的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于PREP的等离子旋转电极制粉方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的手动融化金属棒料转速--时间曲线示意图；

图3为本发明实施例提供的制粉工艺系统硬件示意图；

图4为本发明实施例提供的一种基于PREP的等离子旋转电极制粉装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示例性的示出了本发明实施例提供的一种基于PREP的等离子旋转电极制粉方法流程示意图。如图1所示，该方法主要包括以下步骤：

步骤101，根据输入的待加工材料的中位径确定电主轴的理论转速，根据所述理论转速与电主轴的额定转速的关系，确定电主轴的实际转速；

步骤102，根据所述待加工材料朝向等离子发生器的端面与所述等离子发生器之间的距离，所述待加工材料在单位时间内的融化面积确定所述待加工材料的给进速度；

步骤103，根据所述待加工材料在单位时间内融化所需热量，氩气电阻率确定所述等离子发生器的电源融化电流；

步骤104，根据所述电主轴的实际转速，所述待加工材料的给进速度和所述等离子发生器的电源融化电流控制所述待加工材料的制粉过程。

图2为本发明实施例提供的手动融化金属棒料转速--时间曲线示意图，现有技术中，PREP等离子旋转电极制粉设备，手动操作设备时，电主轴转速和时间的关系。由图2可见，当转速达到12000rpm时，主弧启动，制粉过程开始。从起弧到达到最高转速16000rpm，总共用时130s，从起弧后，转速增加至最高转速的过程中，制粉作业在最高转速的时间比例较小，此外加速时间也较长。因此，整个操作过程直接影响所制粉末的品质。此外，在11000rpm～16000rpm期间，电主轴转速停留在某一速度的时间不等，基本全靠操作工人的操作“感觉”，也使得粉末品质有着较不稳定的过程。

为了解决制粉过程中的加速时间长、制粉过程严重依赖现场操作工人的经验及操作习惯等问题，本发明实施例提供了PREP等离子旋转电极制粉设备的工艺系统。

图3为本发明实施例提供的制粉工艺系统硬件示意图，如图3所示，该系统主要包括有工业PC1，PLC2，电主轴3，水冷机4，进给电机5及等离子电源6。在实际应用中，操作人员在PC1上，输入某种材料的D50粒径后，按下启动按钮，存放在PLC2中的工艺系统便会自动运行，计算电主轴3的所需转速V，计算进给电机5的进给速度u，计算等离子电源6的融化该金属棒料所需的电流A，并将上述计算出来的数据全部发送给相应的执行机构，然后程序开始启动，融化作业开始进行。

具体地，在步骤101中，工业PC上输入了待加工材料的D50参数后，设置在PC上的工艺包会根据相关的公式计算出电主轴的理论转速。在实际应用中，D50是一个样品的累计粒度分布百分数达到50％时所对应的粒径。它的物理意义是粒径大于它的颗粒占50％，小于它的颗粒也占50％，D50也叫中位径或中值粒径。

当根据待加工材料的D50参数确定电主轴的理论转速之后，需要根据电主轴的额定转速与电主轴的理论转速进行比较，从而确定电主轴的实际转速。

具体地，当理论转速大于电主轴的额定转速时，则将电主轴的额定转速确定为电主轴的实际转速。当理论转速小于电主轴的额定转速时，则将电主轴的理论转速确定为电主轴的实际转速。

进一步地，当将电主轴的额定转速确定为电主轴的实际转速之后，当电主轴开始旋转后，电主轴的实际转速开始不断增大，当震动参数小于6时，则电主轴的实际转速继续增大，直到电主轴的转速达到电主轴的额定转速之后，电主轴的实际转速就不会在增大了；反之，当震动参数大于6时，则电主轴的转速会按照当前的转速转动，或者开电主轴的转速开始下降。等到震动参数再次小于6时，电主轴的转速则开始加速。

当将电主轴的理论转速确定为电主轴的实际转速之后，当电主轴开始旋转后，电主轴的实际转速开始不断增大，当震动参数小于6时，则电主轴的实际转速继续增大，直到电主轴的转速达到电主轴的理论转速之后，电主轴的实际转速就不会在增大了。反之，当震动参数大于6时，则电主轴的转速会按照当前的转速转动，或者开电主轴的转速开始下降。等到震动参数再次小于6时，电主轴的转速则开始加速。

在步骤102中，实际应用中，待加工材料的给进速度由两个因素决定，一个是单位时间内融化的金属棒料面积，另一个因素是金属棒料端面与等离子发生器之间的距离L。在本发明实施例中，根据上述两个因素确定待加工材料的给进速度。需要说明的是，在该方案中，设定待加工材料的进给速度在0～5mm/s之间。

步骤103中，在实际应用中，等离子电源系统由等离子电源，导电铜排，导电碳刷，机械轴，融化金属棒料，等离子发生器和电离氩气组成。根据记录数据可知，在整个回路中，当U＝44V时，则相应的电流I＝2400A，由U＝IR＝I(R_铜排+R_碳刷+R_机械轴+R_棒料+R_氩气)可得，R氩气≈0.015Ω。

进一步的，根据以下公式(1)可以确定氩气的电阻率。

ρ_氩气＝292.7ε_{氩气电离百分率}μ (1)

公式(1)中μ为导电氩气的距离L与导电氩气截面积S的比值。

根据下列公式(2)可以确定待加工材料在单位时间内融化所需热量

Q＝π*D₂*u*ρ_金属*T_熔点*C_比热 (2)

其中，D为金属棒料直径，u为进给速度，ρ为金属棒料密度，T为金属棒料熔点，C为金属棒料比热容。

在步骤104中，根据上述步骤101，步骤102和步骤103中依此确定的电主轴的实际转速，待加工材料的给进速度和等离子发生器的电源融化电流，可以控制待加工材料的制粉过程。

综上所述，本发明实施例提供一种基于PREP的等离子旋转电极制粉方法，该方法将制粉过程中的电主轴的转速，进给速度和主弧融化电流等因素集成，集成在不同实现硬件系统的可靠闭环控制，将设备硬件和软件紧密结合起来，大幅度提升整机设备的智能化程度和自动化程度。通过该方法可以解决现有的等离子旋转电极制粉设备存在操作复杂，自动化，智能化程度低且用工成本较高的问题。

基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种基于PREP的等离子旋转电极制粉装置，由于该装置解决技术问题的原理与一种基于PREP的等离子旋转电极制粉方法相似，因此该装置的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。

图4为本发明实施例提供的一种基于PREP的等离子旋转电极制粉装置结构示意图，如图4所示，该装置包括有第一确定单元401，第二确定单元402，第三确定单元403和控制单元404。

第一确定单元401，用于根据输入的待加工材料的中位径确定电主轴的理论转速，根据所述理论转速与电主轴的额定转速的关系，确定电主轴的实际转速；

第二确定单元402，用于根据所述待加工材料朝向等离子发生器的端面与所述等离子发生器之间的距离，所述待加工材料在单位时间内的融化面积确定所述待加工材料的给进速度；

第三确定单元403，用于根据所述待加工材料在单位时间内融化所需热量，氩气电阻率确定所述等离子发生器的电源融化电流；

控制单元404，用于根据所述电主轴的实际转速，所述待加工材料的给进速度和所述等离子发生器的电源融化电流控制所述待加工材料的制粉过程。

优选地，所述第一确定单元401具体用于：

当所述理论转速大于所述电主轴的额定转速时，则所述实际转速等于所述电主轴的额定转速；或者

当所述理论转速小于所述电主轴的额定转速时，则所述实际转速等于所述理论转速。

优选地，所述第一确定单元401还用于：

当所述电主轴开始旋转后，若震动参数小于6时，则所述电主轴的转速一直增大，直至所述电主轴的转速等于所述理论转速或者所述电主轴的额定转速；

当所述电主轴开始旋转后，若震动参数大于6时，则所述电主轴的转速保持不变或者开始减速。

优选地，所述待加工材料在单位时间内融化所需热量根据下列公式确定：

Q＝π*D₂*u*ρ_金属*T_熔点*C_比热

其中，D为金属棒料直径，u为进给速度，ρ为金属棒料密度，T为金属棒料熔点，C为金属棒料比热容。

优选地，所述氩气电阻率根据下列公式确定：

ρ_氩气＝292.7ε_{氩气电离百分率}μ

其中，μ为导电氩气的距离L与导电氩气截面积S的比值。

应当理解，以上一种基于PREP的等离子旋转电极制粉装置包括的单元仅为根据该设备装置实现的功能进行的逻辑划分，实际应用中，可以进行上述单元的叠加或拆分。并且该实施例提供的一种基于PREP的等离子旋转电极制粉装置所实现的功能与上述实施例提供的一种基于PREP的等离子旋转电极制粉方法一一对应，对于该装置所实现的更为详细的处理流程，在上述方法实施例一中已做详细描述，此处不再详细描述。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于PREP的等离子旋转电极制粉方法，其特征在于，包括：

根据输入的待加工材料的中位径确定电主轴的理论转速，根据所述理论转速与电主轴的额定转速的关系，确定电主轴的实际转速；

根据所述待加工材料朝向等离子发生器的端面与所述等离子发生器之间的距离，所述待加工材料在单位时间内的融化面积确定所述待加工材料的给进速度；

根据所述待加工材料在单位时间内融化所需热量，氩气电阻率确定所述等离子发生器的电源融化电流；

根据所述电主轴的实际转速，所述待加工材料的给进速度和所述等离子发生器的电源融化电流控制所述待加工材料的制粉过程。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述理论转速与电主轴的额定转速的关系，确定电主轴的实际转速，具体包括：

当所述理论转速大于所述电主轴的额定转速时，则所述实际转速等于所述电主轴的额定转速；或者

当所述理论转速小于所述电主轴的额定转速时，则所述实际转速等于所述理论转速。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述理论转速与电主轴的额定转速的关系，确定电主轴的实际转速之后，还包括：

当所述电主轴开始旋转后，若震动参数小于6时，则所述电主轴的转速一直增大，直至所述电主轴的转速等于所述理论转速或者所述电主轴的额定转速；

当所述电主轴开始旋转后，若震动参数大于6时，则所述电主轴的转速保持不变或者开始减速。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待加工材料在单位时间内融化所需热量根据下列公式确定：

Q＝π*D₂*u*ρ_金属*T_熔点*C_比热

其中，D为金属棒料直径，u为进给速度，ρ为金属棒料密度，T为金属棒料熔点，C为金属棒料比热容。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氩气电阻率根据下列公式确定：

ρ_氩气＝292.7ε_{氩气电离百分率}μ

其中，μ为导电氩气的距离L与导电氩气截面积S的比值。

6.一种基于PREP的等离子旋转电极制粉装置，其特征在于，包括：

第一确定单元，用于根据输入的待加工材料的中位径确定电主轴的理论转速，根据所述理论转速与电主轴的额定转速的关系，确定电主轴的实际转速；

第二确定单元，用于根据所述待加工材料朝向等离子发生器的端面与所述等离子发生器之间的距离，所述待加工材料在单位时间内的融化面积确定所述待加工材料的给进速度；

第三确定单元，用于根据所述待加工材料在单位时间内融化所需热量，氩气电阻率确定所述等离子发生器的电源融化电流；

控制单元，用于根据所述电主轴的实际转速，所述待加工材料的给进速度和所述等离子发生器的电源融化电流控制所述待加工材料的制粉过程。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一确定单元具体用于：

当所述理论转速大于所述电主轴的额定转速时，则所述实际转速等于所述电主轴的额定转速；或者

当所述理论转速小于所述电主轴的额定转速时，则所述实际转速等于所述理论转速。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一确定单元还用于：

当所述电主轴开始旋转后，若震动参数小于6时，则所述电主轴的转速一直增大，直至所述电主轴的转速等于所述理论转速或者所述电主轴的额定转速；

当所述电主轴开始旋转后，若震动参数大于6时，则所述电主轴的转速保持不变或者开始减速。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述待加工材料在单位时间内融化所需热量根据下列公式确定：

Q＝π*D₂*u*ρ_金属*T_熔点*C_比热

其中，D为金属棒料直径，u为进给速度，ρ为金属棒料密度，T为金属棒料熔点，C为金属棒料比热容。

10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述氩气电阻率根据下列公式确定：

ρ_氩气＝292.7ε_{氩气电离百分率}μ

其中，μ为导电氩气的距离L与导电氩气截面积S的比值。