CN111558717B - 一种备件微弧脉冲等离子快速增材制造装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种备件微弧脉冲等离子快速增材制造装置及方法，快速增材制造装置包括喷枪轨迹控制机构、脉冲微弧等离子熔覆平台、变位机构、机电综合控制台以及焊枪路径规划数控显示台；本发明具有操作方面、环境适应性强、能够实现大范围、高温域零件增材制造的特点，该技术可以实现金属零件的快速制造，适用于野外环境备件的快速增材生成，有效提升应急维修保障能力，还可以应用于高熔点难加工金属零件的快速成型。

Description

一种备件微弧脉冲等离子快速增材制造装置及方法
技术领域
本发明属于备件增材制造领域，涉及一种备件微弧脉冲等离子快速增材制造装置及方法。
背景技术
随着应急抢修与备件供应难以准确确定备件的最佳携行类别和数量。有些备件过于宽裕，有些则不够用、甚至未携行，这已经成为野外生存环境下换件维修的一大难题。为此，能否快速在现场生成备件成为应急抢修的关键环节。
近年来发展起来的增材制造技术(Additive Manufacturing，AM)也称3D打印，是运用分层技术进行三维建模和优化，通过路径规划，控制、优化成形工艺并逐层堆积形成零件的一种新型制造技术。相比于传统的减材制造方法，异形、复杂材料零件的增材制造具备制造效率高、性能优越、成本低廉等优点，在装备零部件的制造方面有着广阔前景，是近年来技术发展和研究的热点方向。等离子增材制造(Plasma Additive Manufacturing，PAM)技术是在等离子熔覆技术的基础上发展起来的，国内外研究相对较少，但由于独特的等离子体热源优势而倍受关注，现阶段也已经取得了一定成果。但是，目前的常规等离子增材制造设备没有形成一体化制造系统，数字化程度低、操控难度大且工艺调控能力低，主要依靠半自动化执行机构进行制造，熔覆成形的构件精度较差、制造成本也相对较高，无法适应战场复杂环境和作战任务需求。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明目的在于提供一种备件微弧脉冲等离子快速增材制造装置及方法，能够实现较高精度的备件快速增材制造和原位再制造功能。
为实现上述目的，本发明采用如下技术申请：
一种备件微弧脉冲等离子快速增材制造装置，包括喷枪轨迹控制机构、脉冲微弧等离子熔覆平台、变位机构、机电综合控制台以及焊枪路径规划数控显示台；
喷枪轨迹控制机构用于微弧等离子熔覆喷枪的运动轨迹控制，脉冲微弧等离子熔覆平台用于与微弧等离子熔覆喷枪形成微弧等离子场，实现微弧等离子流量控制、脉冲电流控制以及电压控制，所述变位控制机构用于实现制造增材件位置和方向的调整控制，所述机电综合控制台内设独立计算机储存的备件模型库，机电综合控制台通过与焊枪路径规划数控显示台连接进行模型数据输入和输出，焊枪路径规划数控显示台用于控制和调节变位机构工作及控制微弧等离子沉积的工艺过程。
进一步，所述喷枪轨迹控制机构包括基底支撑架，安装在基底支撑架上的滑轨数控扫描总成、升降控制电机、平移控制电机和焊枪固定架，通过滑轨数控扫描总成控制升降控制电机、平移控制电机工作，实现对焊枪固定架的移动轨迹控制。
进一步，所述脉冲微弧等离子熔覆平台包括循环冷却系统、微弧等离子熔覆控制台、微弧等离子熔覆喷枪、粉末输送控制装置以及供气装置；
所述微弧等离子熔覆喷枪固定于焊枪固定架上，所述冷却水控制系统与微弧等离子熔覆喷枪连接实现冷却水控制，在喷枪工作过程中起冷却作用；所述粉末输送控制装置实现送气流量控制、粉末容器并采用步进电机进行汇流控制；
所述供气装置分两路，一路连接粉末输送控制装置，并通过粉末输送控制装置将粉末输送到微弧等离子熔覆喷枪；另一路通过微弧等离子熔覆控制台与微弧等离子熔覆喷枪连接，实现等离子场的形成。
进一步，所述变位控制机构包括回转驱动电机、倾斜驱动电机、三爪卡盘和基座，通过回转驱动电机驱动三爪卡盘和基座旋转，通过倾斜驱动电机驱动三爪卡盘和基座调整倾斜位置。
进一步，所述机电综合控制台包括数据模型输入输出模块、微弧等离子熔覆控制模块、变位机构电机控制模块以及集成显示面板。
一种备件微弧脉冲等离子快速增材制造方法，包括如下步骤：
步骤1：根据备件快速制造需求，通过机电综合控制台调出零件成形数据文件，利用USB传输至焊枪路径规划数控显示台形成微弧等离子熔覆喷枪的路径规划数据；
步骤2：检查装置的安全性，打开供气装置，将气体输出压力调整至0.2～0.5MPa，启动系统总电源，而后启动冷却水控制系统，启动脉冲微弧等离子熔覆平台控制开关，将电压模式调整至脉冲模式，根据粉末材料沉积特性，调整电流参数；
步骤3：启动变位机构控制电机，将变位机构调整至“0”位，利用喷枪轨迹控制机构将微弧等离子熔覆焊枪喷口调整至距离基准面10mm～20mm之间；
步骤4：启动粉末输送控制装置控制送粉速度；
步骤5：启动焊枪路径规划数控显示台焊枪按照规定轨迹进行扫描熔覆；同时，随时观察成型件沉积情况，根据沉积件熔池形成情况，利用机电综合控制台调整焊枪与沉积表面之间的距离误差；
步骤6：根据工艺特点，进行循环沉积，获得满足要求的备件配件。
进一步，所述步骤2中输入电压为AC220V，输出电流为10～50A，电流脉冲为20～70ms,气体延迟时间为2-7s，流量为0.4～0.9L/min，压力为0.2～0.6MPa。
进一步，所述步骤4中送粉气压力为0.2～0.6Mpa，速度为20～30r/min。
本发具有以下优点：
本发明的备件微弧脉冲等离子快速增材制造装置，具有操作方便、环境需求低等特点，通过路径规划以及沉积工艺调整等过程，该系统能够实现金属零件的快速制造和原位再制造，而且系统可以进一步进行升级并运用到战场环境中，提升战场条件下的维修保障能力，还可以应用于高熔点难加工金属零件的快速成型。
基于该系统的快速增材制造方法，使用数字化控制平台，通过先进成图技术规划路径、优化沉积成形工艺，能够有效解决加工精度低、成形效率低、制造成本高等问题，具有操作方便、成形构件性能好等优势，能够实现较高精度的零件沉积成形以及再制造。
本发明通过优化后的工艺，单道宽度为2.0-4.0mm(目前国内实现的都在5-8mm)。在自然冷却环境下高度可以达到30-80mm。利用脉冲长度控制等离子弧工作时间，从而控制等离子热量，为不同高温难熔材料的快速打印提供技术支持。
附图说明
图1为脉冲微弧等离子增材制造系统示意图
图2为脉冲微弧等离子平台系统示意图
图3为机电综合控制台结构示意图
图4为试验制造成形构件图
其中：1-喷枪轨迹控制机构，2-脉冲微弧等离子熔覆平台，3-变位机构，4-机电综合控制台，5-焊枪路径规划数控显示台，6-基底支撑架，7-滑轨数控扫描总成，8-升降控制电机，9-平移控制电机，10-焊枪固定架，11-循环冷却系统，12-微弧等离子熔覆控制台，13-微弧等离子熔覆喷枪，14-粉末输送控制装置，15-供气装置，16-回转驱动电机，17-倾斜驱动电机，18-三爪卡盘和基座。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。
参见图1，本发明的备件微弧脉冲等离子快速增材制造装置由喷枪轨迹控制机构1、脉冲微弧等离子熔覆平台2、变位机构3、机电综合控制台4以及焊枪路径规划数控显示台5等组成。
参见图1，所述喷枪轨迹控制机构1包括基底支撑架6，安装在基底支撑架6上的滑轨数控扫描总成7、升降控制电机8、平移控制电机9和焊枪固定架10，通过滑轨数控扫描总成7控制升降控制电机8、平移控制电机9工作，实现焊枪固定架10移动轨迹控制。
参见图1和图2，脉冲微弧等离子熔覆平台2由循环冷却系统11、微弧等离子熔覆控制台12、微弧等离子熔覆喷枪13、粉末输送控制装置14以及供气装置15组成。其中，微弧等离子熔覆喷枪13固定于焊枪固定架10上。其中微弧等离子控制台12通过电缆与微弧等离子熔覆喷枪13连接形成微弧等离子场，主要实现微弧等离子流量控制、脉冲电流控制以及电压控制。
粉末输送控制装置14主要实现送气流量控制、粉末容器以及并采用步进电机进行汇流控制；供气装置15分两路，一路连接粉末输送控制装置14，并通过粉末输送控制装置14将粉末输送到微弧等离子熔覆喷枪13；另一路通过微弧等离子熔覆控制台12与微弧等离子熔覆喷枪13连接，实现等离子场的形成。
冷却水控制系统11主要实现冷却水控制，直接连接到微弧等离子熔覆喷枪13，在喷枪工作过程中起冷却作用。
参见图1，变位控制机构3，包括回转驱动电机16、倾斜驱动电机17、三爪卡盘和基座18。
参见图1和图3，机电综合控制台4包括数据模型输入输出模块、微弧等离子熔覆控制模块、变位机构电机控制模块以及集成显示面板。机电综合控制台4接市电，内设独立计算机储存的备件模型库可以通过USB与焊枪路径规划数控显示台5连接进行模型数据输入和输出。按钮变位控制调节变位机构3上的控制电机调整工位位置以及转盘速度，熔覆控制按钮可以与微弧等离子熔覆控制台12同时控制微弧等离子沉积系统的工艺过程。
参见图1，焊枪路径规划数控显示台5，主要包括数控编程模块与数据输入输出模块。
以备件微弧等离子快速增材制造某装备需要的1Cr18Ni9Ti不锈钢薄壁圆环为例，材料选择为1Cr18Ni9Ti，Φ250×15mm，壁厚4mm。
本发明的增材制造过程为：
步骤1：参见图3，根据备件快速制造需求，从机电综合控制台4配备的数据库收集存储待构建的零件模型。调出零件成形数据文件，利用USB传输至焊枪路径规划数控显示台5形成微弧等离子熔覆喷枪的路径规划数据，构成待增材制造的零件工艺流程。设定喷枪移动速度为15～20cm/min，每层堆积高度为0.1～0.2mm。
步骤2：检查微弧等离子熔覆沉积系统安全性，打开离子气安全阀，将气体输出压力调整至0.4MPa，启动微弧等离子熔覆系统总电源，而后启动冷却水循环系统。启动微弧等离子熔覆系统控制开关，将电压模式调整至脉冲模式，根据粉末材料沉积特性，调整电流参数。优化后的参数可参考如下：输入电压AC220V，输出电流25A，电流脉冲50ms,气体延迟时间为5s，流量为0.8L/min。
步骤3：启动变位机构控制电机，将变位机构调整至“0”位。利用机电综合控制台4控制机构将微弧等离子熔覆焊枪喷口调整至距离基准面15mm。
步骤4：启动送粉控制系统，调整送粉速度，优化后的参考速度范围为：送粉器供气压力为0.3MPa，速度为28r/min。
步骤5：启动数字控制端，焊枪按照规定轨迹进行扫描熔覆。同时，随时观察成型件沉积情况，根据沉积件熔池形成情况，利用控制台调整焊枪与沉积表面之间的距离误差，以提高增材件的性能。
步骤6：根据工艺特点，进行循环沉积，获得满足要求的备件配件，参见图4。
步骤7：若制造过程中，系统出现故障，迅速按下急停开关；制造过程自动化控制，待工件静置冷却后取下。经测试样品零件的单道沉积宽度不大于3.0mm，高度为40mm。
在本系统中，将数控扫描机构与变位机构集成一体，通过控制平台加以调控，能实现“3+2”模式的5轴联动，拓宽可制造零件的范围，增强制造过程的可控度。
参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明要求范围当中。

Claims (3)

1.一种备件微弧脉冲等离子快速增材制造方法，其特征在于，为备件微弧脉冲等离子快速增材制造装置的快速增材制造方法，该装置包括喷枪轨迹控制机构(1)、脉冲微弧等离子熔覆平台(2)、变位机构(3)、机电综合控制台(4)以及焊枪路径规划数控显示台(5)；
喷枪轨迹控制机构(1)用于微弧等离子熔覆喷枪(13)的运动轨迹控制，脉冲微弧等离子熔覆平台(2)用于与微弧等离子熔覆喷枪(13)形成微弧等离子场，实现微弧等离子流量控制、脉冲电流控制以及电压控制，所述变位机构(3)用于实现制造增材件位置和方向的调整控制，所述机电综合控制台(4)内设独立计算机储存的备件模型库，机电综合控制台(4)通过与焊枪路径规划数控显示台(5)连接进行模型数据输入和输出，焊枪路径规划数控显示台(5)用于控制和调节变位机构(3)工作及控制微弧等离子沉积的工艺过程；
所述脉冲微弧等离子熔覆平台(2)包括循环冷却系统(11)、微弧等离子熔覆控制台(12)、微弧等离子熔覆喷枪(13)、粉末输送控制装置(14)以及供气装置(15)；
所述微弧等离子熔覆喷枪(13)固定于焊枪固定架(10)上，所述循环冷却系统(11)与微弧等离子熔覆喷枪(13)连接实现冷却水控制，在喷枪工作过程中起冷却作用；所述粉末输送控制装置(14)实现送气流量控制、粉末容器控制以及采用步进电机进行汇流控制；
所述供气装置(15)分两路，一路连接粉末输送控制装置(14)，并通过粉末输送控制装置(14)将粉末输送到微弧等离子熔覆喷枪(13)；另一路通过微弧等离子熔覆控制台(12)与微弧等离子熔覆喷枪(13)连接，实现等离子场的形成；
所述机电综合控制台(4)包括数据模型输入输出模块、微弧等离子熔覆控制模块、变位机构电机控制模块以及集成显示面板；
所述快速增材制造装置的备件微弧脉冲等离子快速增材制造方法，包括如下步骤：
步骤1：根据备件快速制造需求，通过机电综合控制台(4)调出零件成形数据文件，利用USB传输至焊枪路径规划数控显示台(5)形成微弧等离子熔覆喷枪的路径规划数据；设定喷枪移动速度为15～20cm/min，每层堆积高度为0.1～0.2mm；
步骤2：检查装置的安全性，打开供气装置(15)，将气体输出压力调整至0.2～0.5MPa，启动系统总电源，而后启动循环冷却系统(11)，启动脉冲微弧等离子熔覆平台(2)控制开关，将电压模式调整至脉冲模式，根据粉末材料沉积特性，调整电流参数；其中，输入电压为AC220V，输出电流为10～50A，电流脉冲为20～70ms,气体延迟时间为2-7s，流量为0.4～0.9L/min，压力为0.2～0.6MPa；
步骤3：启动变位机构(3)控制电机，将变位机构调整至“0”位，利用喷枪轨迹控制机构(1)将微弧等离子熔覆焊枪喷口调整至距离基准面10mm～20mm之间；
步骤4：启动粉末输送控制装置(14)控制送粉速度；送粉气压力为0.2～0.6Mpa，速度为20～30r/min；
步骤5：启动焊枪路径规划数控显示台(5)焊枪按照规定轨迹进行扫描熔覆；同时，随时观察成型件沉积情况，根据沉积件熔池形成情况，利用机电综合控制台(4)调整焊枪与沉积表面之间的距离误差；
步骤6：根据工艺特点，进行循环沉积，获得满足要求的备件配件。
2.根据权利要求1所述的备件微弧脉冲等离子快速增材制造方法，其特征在于：所述喷枪轨迹控制机构(1)包括基底支撑架(6)、安装在基底支撑架(6)上的滑轨数控扫描总成(7)、升降控制电机(8)、平移控制电机(9)和焊枪固定架(10)，通过滑轨数控扫描总成(7)控制升降控制电机(8)和平移控制电机(9)工作，实现对焊枪固定架(10)的移动轨迹控制。
3.根据权利要求1所述的备件微弧脉冲等离子快速增材制造方法，其特征在于：所述变位机构(3)包括回转驱动电机(16)、倾斜驱动电机(17)、三爪卡盘和基座(18)，通过回转驱动电机(16)驱动三爪卡盘和基座(18)旋转，通过倾斜驱动电机(17)驱动三爪卡盘和基座(18)调整倾斜位置。
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