CN111633304B - 一种用于镍钛合金电弧熔丝增材制造的气氛保护设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械工程相关技术领域，其公开了一种用于镍钛合金电弧熔丝增材制造的气氛保护设备，该设备包括升降机构、预热机构、抽充气机构及保护箱体，升降机构及抽充气机构分别连接于保护箱体，预热机构连接于升降机构；保护箱体包括布料罩、保护箱体主体、可视门、第一密封圈及紧固环，保护箱体主体为矩形筒状体，其一端设置在保护箱底板上；布料罩设置在保护箱体主体的另一端上，且覆盖保护箱体主体的对应端；保护箱体主体上还设置有可视门，第一密封圈设置在可视门与保护箱体主体之间；焊枪的一端穿过布料罩后伸入保护箱体主体内，其与布料罩之间设置有紧固环，由此使得焊枪能相对于保护箱体主体运动。本发明提高了成形质量及效率，适用性强。

Description

一种用于镍钛合金电弧熔丝增材制造的气氛保护设备

技术领域

本发明属于机械工程相关技术领域，更具体地，涉及一种用于镍钛合金电弧熔丝增材制造的气氛保护设备。

背景技术

电弧熔丝增材制造技术(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)是一种以电弧为热源，将金属丝材加热融化，并根据三维数字模型预先设定的成形路径在基板上堆积，层层沉积，逐渐成形出金属零件的先进的增材制造技术。

镍钛合金具有优良的力学性能、腐蚀抗力、形状记忆效应、超弹性、阻尼特性和生物相容性等特点，其应用范围涉及航空、航天、机械、电子、化工、能源、建筑等工程领域、民用和医学领域。近等原子比NiTi合金具有良好的形状记忆效应和超弹性，由其制成的多种医疗器械，如接骨器、管腔支架、先心介入器件和牙齿正畸丝等已经在临床应用中展现出了良好的治疗效果，受到国内外研究学者的广泛关注。

目前对镍钛合金电弧熔丝增材制造技术的研究较少，相关的加工设备也很少，以粉末材料为原材料的增材制造技术通常需要使用特殊的设备，例如铺粉机床和喷粉嘴，而丝材增材制造的设备可以直接在焊接设备上进行。和粉末材料相比，丝材增材制造技术有更高的沉积率，这使得丝材增材制造可以更加快速地成形复杂零件。在效率和经济方面，丝材增材制造相比粉末增材制造具有突出的优势。因此亟需开发镍钛合金丝材增材制造相关设备，以促进镍钛合金增材制造的发展。

而现有技术用于镍钛合金电弧熔丝增材的气氛保护装置较少，现有技术中使用的拖气罩通常密封性能差，且拖气罩不易移动，需要人工移动，使用不便，且移动时，拖气罩与工件表面间隙增大，影响内部的气体保护效果，影响成形零件质量。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于镍钛合金电弧熔丝增材制造的气氛保护设备，所述气氛保护设备以电弧熔丝增材制造技术为基础，适用于对加工气氛有较高要求的、活性较高的金属材料的电弧熔丝增材制造，利用本气氛保护设备进行电弧熔丝增材制造，可以形成良好的保护气氛，以防止金属材料增材制造过程中氧化，从而获得质量良好的增材制造产品，减少镍钛合金电弧熔丝增材制造成形零件的缺陷，提高了成形件质量。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于镍钛合金电弧熔丝增材制造的气氛保护设备，所述气氛保护设备包括升降机构、预热机构、抽充气机构及保护箱体，所述升降机构及所述抽充气机构分别连接于所述保护箱体，所述预热机构连接于所述升降机构；

所述保护箱体包括布料罩、保护箱体主体、可视门、第一密封圈及紧固环，所述保护箱体主体为矩形筒状体，其一端设置在保护箱底板上；所述布料罩设置在所述保护箱体主体的另一端上，且覆盖所述保护箱体主体的对应端；所述保护箱体主体上还设置有所述可视门，所述第一密封圈设置在所述可视门与所述保护箱体主体之间；

工作时，焊枪的一端穿过所述布料罩后伸入所述保护箱体主体内，其与所述布料罩之间设置有所述紧固环，由此保证了所述保护箱体的密封性，且使得所述焊枪能相对于所述保护箱体主体运动。

进一步地，所述紧固环是采用弹性材料制成的；所述布料罩是采用柔性材料制备的。

进一步地，所述保护箱体主体开设有充气孔及抽气孔，所述充气孔与所述抽气孔分别与所述抽充气机构相连接，所述抽充气机构通过所述抽气孔对所述保护箱体主体进行抽气，同时所述抽充气机构通过所述充气孔向所述保护箱体主体内充入氩气，以形成保护氛围。

进一步地，所述预热机构包括工作台、加热棒及打印基板，所述工作台连接于所述升降机构，所述升降机构用于带动所述工作台上下移动；所述加热棒设置在所述工作台上，所述打印基板设置在所述工作台上，所述加热棒用于对所述工作台进行加热，继而对所述打印基板进行加热。

进一步地，所述预热机构还包括隔热板，所述隔热板设置在所述升降机构上，所述工作台设置在所述隔热板上。

进一步地，所述工作台呈矩型，其开设有矩形槽，所述打印基板设置在所述矩型槽内；所述矩形槽的槽壁开设有多个横向通孔，多个所述加热棒分别设置在多个所述横向通孔内。

进一步地，所述预热机构采用红外温度传感器透过所述可视门检测所述保护箱体主体内的温度，继而根据检测结果来控制所述加热棒。

进一步地，所述升降机构包括导向柱、升降板及导向套，所述导向套设置在所述保护箱底板上，所述导向柱的一端连接于所述升降板，另一端穿过所述导向套；所述升降板用于承载所述预热机构。

进一步地，所述升降机构部分地收容于所述保护箱体主体内，其通过相对于所述保护箱底板运动来带动工作台上下移动，以改变所述工作台与所述焊枪之间的间距。

进一步地，所述升降机构与所述保护箱底板之间设置有密封件。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的用于镍钛合金电弧熔丝增材制造的气氛保护设备主要具有以下有益效果：

1.本设备在工作时，焊枪可从布料罩上方装入，并用紧固圈锁紧固定，并且布料罩是柔性材料，不会影响焊枪的移动，这使得增材制造过程中，箱体内部可始终保持优良的保护气氛，从而减少成形零件的缺陷，且要用焊接机器人执行其他工作时，可将焊枪取出。

2.保护箱体内部与外部隔离开来，密封良好，箱体内部整体形成优良的保护气氛，成形过程中保护气体流量可以相对较小，且充气孔和抽气孔离工作台有一定距离，可以避免浪费保护气体、气体保护范围受限以及保护气体流量过大而影响成形零件质量的弊端。

3.所述设备与焊接机器人配合使用时，采用升降机构来实现上下移动，而焊接机器人负责x、y轴方向的运动，使得成形零件的质量较好，层间距稳定，且生成轨迹的程序较简单。

4.所述气氛保护设备的结构简单，紧凑，适用性强，有利于推广应用。

附图说明

图1是本发明提供的用于镍钛合金电弧熔丝增材制造的气氛保护设备的立体示意图；

图2是图1中的用于镍钛合金电弧熔丝增材制造的气氛保护设备的剖示图；

图3是图1中的用于镍钛合金电弧熔丝增材制造的气氛保护设备的升降机构的剖视图；

图4是图1中的用于镍钛合金电弧熔丝增材制造的气氛保护设备的平面示意图；

图5是图1中的用于镍钛合金电弧熔丝增材制造的气氛保护设备的布料罩及焊枪的局部示意图；

图6是图1中的用于镍钛合金电弧熔丝增材制造的气氛保护设备的工作台的示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-焊枪，2-布料罩，3-保护箱体主体，4-锁紧器，5-充气孔，6-导向柱，7-活页，8-可视门，9-可视窗，10-螺纹丝杆，11-支撑架，12-打印基板，13-隔热板，14-同步电机，15-同步带轮，16-电机固定板，17-齿形皮带，18-第一密封圈，19-工作台，20-升降板，21-导向套，22-第二密封圈，23-第一轴承盖，24-丝杠套，25-第三密封圈，26-第二轴承盖，27-齿形带轮，28-旋转套，29-第一轴承，30-第二轴承，31-轴套，32-端盖，33-抽气孔，34-连接架，35-连接套，36-紧固环。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1、图2、图3及图4，本发明提供的用于镍钛合金电弧熔丝增材制造的气氛保护设备，所述气氛保护设备包括升降机构、预热机构、抽充气机构及保护箱体，所述升降机构连接于所述保护箱体，所述预热机构连接于所述升降机构，所述抽充气机构用于对所述保护箱体进行抽充气。

所述升降机构主要用于承担增材制造的工作台在竖直方向的升降运动功能，由同步电机进行控制运动。所述预热机构用于打印基板的预热。所述抽充气机构用于抽走所述保护箱体内的气体并充入保护气体，以形成保护气氛。所述保护箱体主要用于形成密闭空间，与外界隔开，并兼具有为其他部件提供安装固定位置的功能。

所述保护箱体包括布料罩2、保护箱体主体3、锁紧器4、活页7、可视门8、可视窗9、第一密封圈18、支撑架11及紧固环36，所述支撑架11上设置有箱体底板，所述保护箱体主体3设置在所述箱体底板上。所述布料罩2设置在所述保护箱体主体3上，且其覆盖所述箱体主体3一端的开口。所述可视门8设置在所述保护箱体主体3上，所述可视窗9设置在所述可视门8上。所述可视门8的一侧通过所述活页7活动地连接于所述保护箱体主体3上，另一侧通过所述锁紧器4来进行锁紧，以实现所述保护箱体的密封。

本实施方式中，所述可视门8与所述保护箱体主体3之间设置有第一密封圈18，以保证气密性；所述保护箱体主体3为矩形筒状，其上还开设有充气孔5及抽气孔33，通过所述充气孔5可以向所述保护箱体内充气，且通过所述抽气孔33可以对所述保护箱体进行抽气；所述布料罩2、所述保护箱体主体3及所述保护箱底板组成收容空间，所述保护箱底板形成有凸起，所述凸起收容于所述收容空间内，且所述凸起形成有凹槽，所述凹槽用于收容部分所述升降机构。

请参阅图5，焊枪1的一端穿过所述布料罩2后伸入所述保护箱体主体3，其与所述布料罩2之间设置有所述紧固环36，以保证所述焊枪1与所述布料罩2连接处的气密性，且在取下所述紧固环36后，所述焊枪1可以自所述布料罩2上取出。设置于所述保护箱体的所述焊枪1可以活动，柔性的所述布料罩2罩住所述保护箱体主体3及所述焊枪1，达到了很好的密封效果，同时不影响所述焊枪1的运动，且所述布料罩2的布料为特殊的不透气且耐热的材质。

所述升降机构包括多个导向柱6、螺纹丝杆10、同步电机14、同步带轮15、电机固定板16、齿形皮带17、升降板20、多个导向套21、第二密封圈22、第一轴承盖23、丝杠套24、第三密封圈25、第二轴承盖26、齿形带轮27、旋转套28、第一轴承29、第二轴承30、轴套31、端盖32及连接套35，

所述升降板20收容于所述收容空间内，所述导向柱6的一端及所述螺纹丝杆10的一端通过螺栓连接固定在所述升降板20上。多个所述导向套21设置在所述保护箱底板上，多个所述导向柱6分别穿过多个所述导向套21，以保证所述导向柱6升降运动时的运动精度。其中，螺纹丝杆10与所述导向柱6固定，不产生相对滑动。

所述丝杠套24设置在所述旋转套28内，所述丝杆套24与所述旋转套28之间通过六角螺栓连接固定。所述旋转套28设置在所述凹槽内，所述第一轴承29及所述第二轴承30间隔设置在所述凹槽内，且所述旋转套28依次穿过所述第一轴承29及所述第二轴承30。所述螺纹丝杆10通过螺纹与所述丝杆套24相连接，所述螺纹丝杆10与所述丝杆套24可以相对滑动，可以在两者螺纹连接处添加润滑油以达到密封效果。

所述第一轴承盖23与所述第二轴承盖26分别设置在所述凸起相背的两端上，所述第一轴承盖23与所述丝杠套24之间设置有第二密封圈22。所述旋转套28凸出于所述凸起，其与所述齿形带轮27通过键相连接，所述齿形带轮27旋转时通过键带动所述旋转套28旋转。所述轴套31连接于所述旋转套28邻近所述齿形带轮27的一端，且位于所述齿形带轮27与所述第二轴承30之间。所述轴套31与所述第二轴承盖26之间设置有第三密封圈25。本实施方式中，所述第一轴承盖23及所述第二轴承盖26通过六角螺栓固定在所述保护箱底板上。

所述齿形带轮27通过所述齿形皮带17与所述同步带轮15相连接，所述同步带轮15与所述同步电机14相连接，所述同步电机14通过螺栓固定在所述电机固定板16上，所述电机固定板16通过螺栓固定在所述保护箱底板上。所述连接架34设置在所述保护箱底板上，所述连接套35设置在所述连接架34上。所述螺纹丝杆10穿过所述连接架34及所述连接套35，且位于多个所述导向柱6之间。

请参阅图6，所述预热机构包括加热棒、工作台19、打印基板12及隔热板13，所述隔热板13设置在所述升降板20上。所述工作台19设置在所述隔热板13上，其呈矩型。所述工作台19开设有矩形槽，所述矩形槽的底面开设有多个螺纹孔，所述打印基板12通过螺栓与所述螺纹孔相配合以连接于所述工作台19。所述矩型槽的槽壁上还开设有多个横向通孔，所述横向通孔用于收容所述加热棒。预热时，安装在所述工作台19内的加热棒进行加热，使得所述工作台19的温度升高，所述工作台19再使所述打印基板12的温度升高，同时采用红外温度传感器透过所述可视窗9检测温度，达到预热目标温度时进行保温，即完成预热工作。

所述抽充气机构包括抽气泵、充气泵及氨气源，所述抽气泵连接于所述抽气孔33，所述充气泵连接所述氨气源及所述充气孔5。所述抽气泵将所述保护箱内部气体自所述抽气孔33抽出，所述充气泵将氨气自所述充气孔5充入所述保护箱体，以在所述保护箱体内形成保护气氛。

执行增材制造工作时，先打开所述锁紧器4以打开所述可视门8，将所述打印基板12装入所述工作台19并用螺栓固定。关上所述可视门8并锁紧所述锁紧器4。接着，自所述抽气孔33抽走所述保护箱体内部的空气，再从所述充气孔5向所述保护箱体充入氩气。当所述保护箱体内部再次达到一个大气压时，减小氩气流量，持续缓慢地充入氩气，并从所述抽气孔33出气以保持所述保护箱体内部的气压稳定，以在所述保护箱体内部形成稳定良好的保护气氛。

然后，所述升降机构将所述工作台19上升，由所述同步电机14旋转，通过所述同步带轮15带动所述齿形皮带17运动，所述齿形皮带17带动所述齿形带轮27旋转运动，所述齿形带轮27带动所述旋转套28旋转，继而所述旋转套28带动所述丝杠套24旋转，而所述螺纹丝杆10与所述升降板20固定不会旋转，故所述丝杠套24旋转可以使得所述螺纹丝杆10在竖直方向上上下运动，所述螺纹丝杠10升降运动即会带动所述升降板20和所述导向柱6升降运动，同时进一步地带动所述工作台19的升降运动以将所述工作台19上升至恰好接触所述焊枪1。

之后，所述预热机构开始预热，所述工作台19内的加热棒进行加热来使得所述工作台19的温度升高，使得所述打印基板12的温度升高，并采用红外测温仪通过所述可视窗9检测温度，以达到设定预热温度时保持恒温。

预热完成后，所述焊枪1开始沿设定轨迹执行成形工作，每打印一层，所述升降机构使所述工作台19下降一层的高度直至零件完成；成形完成后所述预热机构停止保温，所述升降机构将所述工作台19下降至初始高度/工作台行程最低点，待零件冷却后停止氩气充入，打开所述可视门8即可取出零件，完成一次增材制造工作。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于镍钛合金电弧熔丝增材制造的气氛保护设备，其特征在于：

所述气氛保护设备包括升降机构、预热机构、抽充气机构及保护箱体，所述升降机构及所述抽充气机构分别连接于所述保护箱体，所述预热机构连接于所述升降机构；

所述保护箱体包括布料罩、保护箱体主体、可视门、第一密封圈及紧固环，所述保护箱体主体为矩形筒状体，其一端设置在保护箱底板上；所述布料罩设置在所述保护箱体主体的另一端上，且覆盖所述保护箱体主体的对应端；所述保护箱体主体上还设置有所述可视门，所述第一密封圈设置在所述可视门与所述保护箱体主体之间；所述预热机构包括工作台、加热棒及打印基板，所述工作台连接于所述升降机构；所述加热棒设置在所述工作台上，所述打印基板设置在所述工作台上，所述加热棒用于对所述工作台进行加热，继而对所述打印基板进行加热；

所述预热机构还包括隔热板，所述隔热板设置在所述升降机构上，所述工作台设置在所述隔热板上；所述工作台呈矩型，其开设有矩形槽，所述打印基板设置在所述矩型槽内；所述矩形槽的槽壁开设有多个横向通孔，多个所述加热棒分别设置在多个所述横向通孔内；所述升降机构包括导向柱、升降板及导向套，所述导向套设置在所述保护箱底板上，所述导向柱的一端连接于所述升降板，另一端穿过所述导向套；所述升降板用于承载所述预热机构；所述升降机构用于带动所述工作台上下移动；

所述升降机构部分地收容于所述保护箱体主体内，其通过相对于所述保护箱底板运动来带动工作台上下移动，以改变所述工作台与焊枪之间的间距；所述保护箱体主体及所述保护箱底板组成收容空间，所述保护箱底板形成有凸起，所述凸起收容于所述收容空间内，且所述凸起形成有凹槽，所述凹槽用于收容部分所述升降机构；

工作时，焊枪的一端穿过所述布料罩后伸入所述保护箱体主体内，其与所述布料罩之间设置有所述紧固环，由此保证了所述保护箱体的密封性，且使得所述焊枪能相对于所述保护箱体主体运动，焊枪负责x、y轴方向的运动。

2.如权利要求1所述的用于镍钛合金电弧熔丝增材制造的气氛保护设备，其特征在于：所述紧固环是采用弹性材料制成的；所述布料罩是采用柔性材料制备的。

3.如权利要求1所述的用于镍钛合金电弧熔丝增材制造的气氛保护设备，其特征在于：所述保护箱体主体开设有充气孔及抽气孔，所述充气孔与所述抽气孔分别与所述抽充气机构相连接，所述抽充气机构通过所述抽气孔对所述保护箱体主体进行抽气，同时所述抽充气机构通过所述充气孔向所述保护箱体主体内充入氩气，以形成保护氛围。

4.如权利要求1所述的用于镍钛合金电弧熔丝增材制造的气氛保护设备，其特征在于：所述预热机构采用红外温度传感器透过所述可视门检测所述保护箱体主体内的温度，继而根据检测结果来控制所述加热棒。

5.如权利要求1所述的用于镍钛合金电弧熔丝增材制造的气氛保护设备，其特征在于：所述升降机构与所述保护箱底板之间设置有密封件。

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