CN112548117B - 衬塑异型管的制造工艺及应用该工艺制造的球墨铸管 - Google Patents

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Abstract

一种衬塑异型管的制造工艺，取衬塑工业标准管作为基管，对基管进行加工处理，将加工处理完成的基管安置在制造平台上，采用同步送粉式激光加工头在金属本体的端部内外壁上以增材方式成型内外成型部；在内成型部已完成部分采用液态衬塑材料喷嘴以增材方式喷涂液态衬塑材料，并采用能束照射逐层固化，成型内成型部衬塑层，得到具有三维形状的衬塑异型管；将得到的具有三维形状的衬塑异型管与制造平台分离，并对分离面和三维成型外表面进行机械加工和/或打磨处理，得到最终所需的衬塑异型管。本发明通过标准件铸造与增材复合技术解决了小批量定制产品或研发样品制造中的周期和设备占用问题，适应性广，可应用到球墨铸管异型定制产品的制造和研发中。

Description

衬塑异型管的制造工艺及应用该工艺制造的球墨铸管
技术领域
本发明涉及金属管件铸造增材复合制造技术领域，特别是涉及一种衬塑异型管的制造工艺及应用该工艺制造的球墨铸管。
背景技术
金属管件是工业上大规模应用的材料，多为连续铸造或离心铸造产品。例如球墨铸管就是通过离心球墨铸铁机高速离心铸造成的管材，球墨铸管即球墨铸铁管，因球墨铸铁管有铁的本质、钢的性能，也会被叫做铸铁钢管，球磨铸管一般用作市政、工矿企业给水、输气、输油等管道，因此内壁通常需要涂覆或内衬防腐材料，例如进行衬塑处理。标准化的衬塑铸管因产量大，因此需要借助铸造管模采用离心铸造机批量生产管坯，虽然设备调试和模具制造周期长，但一经投入生产，就可确保基础产能，而对于特殊场合急需的小批量异型管材或者新品研发需要的样品制造而言，如果再采用模具开发和离心浇注工艺，不但周期过长，而且会造成设备占用和产能中断。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明提供一种衬塑异型管的制造工艺，通过标准件铸造与三维增材制造复合的技术快速制造衬塑异型管，解决小批量定制产品或研发样品制造工艺周期长和设备占用问题，该工艺适应场合广，尤其可应用到球墨铸管异型定制产品的制造和研发中。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种衬塑异型管的制造工艺，包括以下步骤：
步骤1：材料准备
取衬塑工业标准管作为基管，所述基管具有中空的金属本体和设置在所述金属本体内壁上的本体衬塑层，对所述基管进行加工处理；
步骤2：三维成型部制造
将步骤1加工处理完成的基管安置在制造平台上，采用同步送粉式激光加工头在所述金属本体的端部内壁上以增材方式成型内成型部，或者，在所述金属本体的端部内壁上以增材方式成型内成型部并且在所述金属本体的端部外壁上以增材方式成型外成型部；在所述内成型部已完成部分采用液态衬塑材料喷嘴以增材方式喷涂液态衬塑材料，并采用能束照射逐层固化，成型内成型部衬塑层，得到具有三维形状的衬塑异型管；
步骤3：后处理
将步骤2中得到的具有三维形状的衬塑异型管与制造平台分离，并对分离面和三维成型外表面进行机械加工和/或打磨处理，得到最终所需的衬塑异型管。
如上所述的一种衬塑异型管的制造工艺，在所述步骤1之前还包括造型步骤和模型处理步骤，所述造型步骤是以所述基管的三维模型为基础模型，通过添加特征的方式在金属本体的端部内壁上添加内成型部三维结构，或者在金属本体的端部内壁上添加内成型部三维结构并且在所述金属本体的端部外壁上添加外成型部三维结构，以及，在内成型部三维结构的基础上添加内成型部衬塑层三维结构；所述模型处理是根据同步送粉式激光加工头和液态衬塑材料喷涂固化加工头的加工方向对要成型的三维结构模型进行分区分层。
如上所述的一种衬塑异型管的制造工艺，步骤1中对所述基管进行加工处理包括：
步骤1.1：对衬塑工业标准管进行挑拣或切割，选定所需长度的管段作为基管；
步骤：1.2：对选定的基管内壁需要进行三维成型加工的部位进行打磨，去除衬塑层并露出金属光泽。
如上所述的一种衬塑异型管的制造工艺，步骤1中对所述基管进行加工处理还包括：
步骤1.3：对选定的基管内壁进行局部减材加工以获得与将要成型的三维结构相配合的结构。
如上所述的一种衬塑异型管的制造工艺，步骤2中预先在所述制造平台上铺设一层隔热防护板。
如上所述的一种衬塑异型管的制造工艺，步骤2中所述内成型部和/或外成型部成型所用粉末材质与所述金属本体的材质相同，为铁基粉末；或者，所述内成型部和/或外成型部成型所用粉末材质与所述金属本体的材质不同，为不锈钢粉末。
如上所述的一种衬塑异型管的制造工艺，步骤2中所述液态衬塑材料载体包括溶剂，用于照射衬塑材料的能束为激光或紫外光，当所述能束为紫外光时，所述液态衬塑材料中至少包括固化剂。
如上所述的一种衬塑异型管的制造工艺，所述液态衬塑材料为环氧树脂基材料或聚氯乙烯基材料。
如上所述的一种衬塑异型管的制造工艺，步骤2中所述衬塑材料覆盖所述内成型部的全部或局部。
一种球墨铸管，至少包括一个带有衬塑异型管的管段，所述衬塑异型管采用如上所述的衬塑异型管的制造工艺制造。
本发明的有益效果在于：
本发明的衬塑异型管的制造工艺，直接取衬塑工业标准管作为基管，通过三维增材制造复合的技术成型异型部，实现衬塑异型管的快速制造，完全摆脱了模具的设计研发以及对铸造机的占用。
本发明的衬塑异型管的制造工艺，采用了目前国内较为领先的激光同步送粉加工设备和技术，由于是三维立体成型，不依赖模具，只要获得产品模型就能制造各种所需结构或产品，衬塑采用的逐层固化技术也是一种三维立体成型技术，与传统的表面喷涂相比，具有了造型能力，只要对采用传统离心铸造+衬塑工艺生产的衬塑工业标准管进行充分的表面处理和配合特征构建(机械加工)，就能按照三维模型复合制造出任何复杂的结构，在制造过程中严格控制各步骤顺序和各工艺流程，保证各三维成型部与基管材料和负载部位牢固结合，达到标准化生产的质量水平。
本发明的衬塑异型管的制造工艺，工艺适应场合广，结合目前较为成熟的铁基金属材料增材制造过程控制和质量控制技术，尤其可应用到球墨铸管异型定制产品的制造和研发中。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，本申请的方案和优点对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例1的衬塑异型管的制造工艺中步骤1的过程原理示意图。
图2为本发明实施例1的衬塑异型管的制造工艺中步骤2的过程原理示意图。
图3为本发明实施例1的衬塑异型管的制造工艺所获得的衬塑异型管构造示意图。
图中各附图标记所代表的组件为：
基管1，金属本体11，本体衬塑层12，内成型部13，外成型部14，内成型部衬塑层15，制造平台2，隔热防护板3。
具体实施方式
下面将结合附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。需要说明，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员，可以以各种形式实现本公开，而不应被这里阐述的实施方式所限制。
实施例1
本实施一种衬塑异型管的制造工艺，包括以下步骤：
步骤1：材料准备
取衬塑工业标准管作为基管1，所述基管1具有中空的金属本体11和设置在所述金属本体11内壁上的本体衬塑层12，对所述基管1进行加工处理。
本实施例中衬塑工业标准管优选为通过常规离心铸造+衬塑工艺生产的球墨铸管，对基管1进行加工处理的过程参见图1，在图1(a)所示的步骤1.1中对衬塑工业标准管进行挑拣或切割，选定所需长度的管段作为基管1。这里所需的长度可以是最终产品的长度，也可以只是最终产品上一段的长度，因为在一些情况下，如果截取管段过长，可能会给后续的三维制造带来不便，无法为三维加工头提供足够的运动空间和材料铺设角度，在这种情况下，不足的长度可以通过后续的焊接接管来构建和补足。
在图1(b)所示的步骤1.2中，对选定的基管1内壁需要进行三维成型加工的部位进行打磨，去除衬塑层并露出金属光泽，露出金属光泽是为了添加材料与基体材料的良好熔合。
在图1(c)所示的步骤1.3中对选定的基管1内壁进行局部减材加工以获得与将要成型的三维结构相配合的结构。在图中可以看出基管1内壁边缘被加工出一个环槽16，这里是基于这样的需要，在接下来的三维成型部制造中，基管1内壁将被制造出一个阶梯状承口，该环槽16与将要制造的三维成型部配合，作为阶梯状承口的一个阶梯。
为了获得所需要的新产品，在所述步骤1之前还应当包括必要的造型步骤和模型处理步骤，结合图2理解，所述造型步骤是以所述基管1的三维模型为基础模型，通过添加特征的方式在在金属本体11的端部内壁上添加内成型部13三维结构并且在所述金属本体11的端部外壁上添加外成型部14三维结构，以及，在内成型部13三维结构的基础上添加内成型部衬塑层15三维结构；所述模型处理是根据同步送粉式激光加工头和液态衬塑材料喷涂固化加工头的加工方向对要成型的三维结构模型进行分区分层。
步骤2：三维成型部制造
在该步骤中，如图2(a)所示，将步骤1加工处理完成的基管1先安置在制造平台2上，从图中可以看到预先在所述制造平台2上铺设了一层隔热防护板3，该隔热防护板3可以是薄的陶瓷或薄的金属板材质，除了起隔热防护作用外，也作为一次性工作基板，在三维成型完成后便于通过机械敲打或切割等方式去除。
接下来，如图2(b)所示，采用同步送粉式激光加工头，先在所述金属本体11的端部外壁上以增材方式成型了外成型部14，加工外成型部14时由于较少空间干涉，可以很快成型，而且，当具有这样的外成型部14时，也优选先加工外成型部14，再加工内成型部13和内成型部衬塑层15，这样就会尽量减少加工外成型部14时由于基体传热对衬塑层带来的热冲击。
接着，如图2(c)和图2(d)所示，采用同步送粉式激光加工头，在所述金属本体11的端部内壁上以增材方式成型内成型部13，在成型内成型部13之后或者在成型内成型部13的同时，在所述内成型部13已完成部分采用液态衬塑材料喷嘴以增材方式喷涂液态衬塑材料，并采用能束照射逐层固化，成型内成型部衬塑层15，得到具有三维形状的衬塑异型管。液态衬塑材料载体一般是包括溶剂的可喷射浆料，用于照射衬塑材料的能束为激光或紫外光，当所述能束为紫外光时，所述液态衬塑材料中至少包括固化剂，紫外光固化成型是较为成熟的技术，本实施例中所述液态衬塑材料为环氧树脂基材料或聚氯乙烯基材料。
这里需要注意，激光熔化增材制造会产生大量的热，如果在成型内成型部13的同时成型衬塑材料层，需要确保两个制造过程的交替有一定的冷却时间，可以借助测温仪对成型内成型部13已完成部分随时测温，当然，如果是在内成型部13已完成部分尚有一定余温时(例如40-100℃)进行接下来的衬塑材料层制造，也能另外起到一定的辅助固化作用，加快制造进程。
另外，从图2(d)可以看出，内成型部衬塑层15的衬塑材料只覆盖了内成型部13的局部，这是因为未覆盖部分将用作工作面或装配面与其它组件安装配合。
步骤3：后处理
将步骤2中得到的具有三维形状的衬塑异型管与制造平台2分离，并对分离面和三维成型外表面进行机械加工和/或打磨处理，得到最终所需的衬塑异型管，最终得到的衬塑异型管构造如图3所示，在本实施例中，步骤2中所述内成型部13和外成型部14成型所用粉末材质与所述金属本体11的材质相同，优选为参照球墨铸铁基本成分配置的预合金铁基粉末，如图3所示，内成型部13和外成型部14与基管1的金属本体材料熔合为一体，当然，材质和内在品质完全相同只是一种理想状态，毕竟铸造与激光熔覆的凝固机理不同。
实施例2
本实施例是对实施例1中的方案在用于球墨铸管的制造时的一种更具优势的改进应用，球磨铸管一般用作市政、工矿企业给水、输气、输油等管道，对密封和耐腐蚀性能要求较高，本发明中制作的衬塑异型管与管接头部分的功能十分相关，例如附图中的阶梯状承口就是一种密封承口，而众所周知，不锈钢是更佳的金属密封材料，因此，采用本发明的方案，可以实现所述内成型部13和/或外成型部14成型所用粉末材质的自由选择，从而至少能够将所述内成型部13成型所用粉末选择为与所述金属本体11的材质不同的不锈钢粉末，从而提供更佳的密封材质。
综上，本发明各实施例的衬塑异型管的制造工艺，直接取衬塑工业标准管作为基管，通过三维增材制造复合的技术成型异型部，实现衬塑异型管的快速制造，完全摆脱了模具的设计研发以及对铸造机的占用，采用了目前国内较为领先的激光同步送粉加工设备和技术，由于是三维立体成型，不依赖模具，只要获得产品模型就能制造各种所需结构或产品，衬塑采用的逐层固化技术也是一种三维立体成型技术，与传统的表面喷涂相比，具有了造型能力，只要对采用传统离心铸造+衬塑工艺生产的衬塑工业标准管进行充分的表面处理和配合特征构建(机械加工)，就能按照三维模型复合制造出任何复杂的结构，在制造过程中严格控制各步骤顺序和各工艺流程，保证各三维成型部与基管材料和负载部位牢固结合，达到标准化生产的质量水平。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种衬塑异型管的制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：材料准备
取衬塑工业标准管作为基管(1)，所述基管(1)具有中空的金属本体(11)和设置在所述金属本体(11)内壁上的本体衬塑层(12)，对所述基管(1)进行加工处理；
步骤2：三维成型部制造
将步骤1加工处理完成的基管(1)安置在制造平台(2)上，采用同步送粉式激光加工头在所述金属本体(11)的端部内壁上以增材方式成型内成型部(13)，或者，在所述金属本体(11)的端部内壁上以增材方式成型内成型部(13)并且在所述金属本体(11)的端部外壁上以增材方式成型外成型部(14)；在所述内成型部(13)已完成部分采用液态衬塑材料喷嘴以增材方式喷涂液态衬塑材料，并采用能束照射逐层固化，成型内成型部衬塑层(15)，得到具有三维形状的衬塑异型管；
步骤3：后处理
将步骤2中得到的具有三维形状的衬塑异型管与制造平台(2)分离，并对分离面和三维成型外表面进行机械加工和/或打磨处理，得到最终所需的衬塑异型管；
在所述步骤1之前还包括造型步骤和模型处理步骤，所述造型步骤是以所述基管(1)的三维模型为基础模型，通过添加特征的方式在金属本体(11)的端部内壁上添加内成型部(13)三维结构，或者在金属本体(11)的端部内壁上添加内成型部(13)三维结构并且在所述金属本体(11)的端部外壁上添加外成型部(14)三维结构，以及，在内成型部(13)三维结构的基础上添加内成型部衬塑层(15)三维结构；所述模型处理是根据同步送粉式激光加工头和液态衬塑材料喷涂固化加工头的加工方向对要成型的三维结构模型进行分区分层。
2.根据权利要求1所述的一种衬塑异型管的制造工艺，其特征在于，步骤1中对所述基管(1)进行加工处理包括：
步骤1.1：对衬塑工业标准管进行挑拣或切割，选定所需长度的管段作为基管(1)；
步骤：1.2：对选定的基管(1)内壁需要进行三维成型加工的部位进行打磨，去除衬塑层并露出金属光泽。
3.根据权利要求2所述的一种衬塑异型管的制造工艺，其特征在于，步骤1中对所述基管(1)进行加工处理还包括：
步骤1.3：对选定的基管(1)内壁进行局部减材加工以获得与将要成型的三维结构相配合的结构。
4.根据权利要求1所述的一种衬塑异型管的制造工艺，其特征在于，步骤2中预先在所述制造平台(2)上铺设一层隔热防护板(3)。
5.根据权利要求1所述的一种衬塑异型管的制造工艺，其特征在于，步骤2中所述内成型部(13)和/或外成型部(14)成型所用粉末材质与所述金属本体(11)的材质相同，为铁基粉末；或者，所述内成型部(13)和/或外成型部(14)成型所用粉末材质与所述金属本体(11)的材质不同，为不锈钢粉末。
6.根据权利要求1所述的一种衬塑异型管的制造工艺，其特征在于，步骤2中所述液态衬塑材料载体包括溶剂，用于照射衬塑材料的能束为激光或紫外光，当所述能束为紫外光时，所述液态衬塑材料中至少包括固化剂。
7.根据权利要求6所述的一种衬塑异型管的制造工艺，其特征在于，所述液态衬塑材料为环氧树脂基材料或聚氯乙烯基材料。
8.根据权利要求1所述的一种衬塑异型管的制造工艺，其特征在于，步骤2中所述衬塑材料覆盖所述内成型部(13)的全部或局部。
9.一种球墨铸管，至少包括一个带有衬塑异型管的管段，所述衬塑异型管采用权利要求1-8任意一项所述的制造工艺制造。
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