CN112719823A - 一种一体化3d打印的枪钻制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于利用3D打印制造枪钻的技术领域，具体涉及电弧3D打印枪钻钻柄和钻杆以及超音速火焰3D打印硬质合金枪钻钻头的快速一体化3D打印的枪钻制造方法，经过电弧3D打印的钻柄和钻杆界面性能优于传统焊接制造的枪钻界面，过渡层金属Co粉可以避免低合金层与中碳钢层界面脆性，进而提高枪钻界面韧性，中碳钢层平均硬度提高了19.7％，合金钢层平均硬度提高了12.1％，复合材料的抗拉强度提高了11.9％。经过超音速火焰3D打印得到的硬质合金枪钻钻头，其平均硬度≥89HRC，而且内部组织结构稳定且分布均匀；采用火焰3D打印设备，可以有效的抑制WC在打印过程中的分解，结合强度高，且致密，耐磨损性能优越；本发明提供的制造方法对加工环境要求低，不需要真空和密封环境。

Description

一种一体化3D打印的枪钻制造方法
技术领域
本发明属于利用3D打印制造枪钻的技术领域，具体涉及电弧3D打印枪钻钻柄和钻杆以及超音速火焰3D打印硬质合金枪钻钻头的快速一体化3D打印的枪钻制造方法。
背景技术
随着航空航天器件、汽车部件、微机电系统元件及民用产品的多样化、小型化及微型化发展，精密高效小深孔枪钻加工技术成为新兴产业发展的重要基础，具有潜在的重要应用价值，而枪钻制造技术是其中关键技术之一。
3D打印(增材制造技术)作为第三次工业革命的重要标志，是推动新一轮工业革命的重要契机，引起世界广泛关注。作为具有前沿性、先导性和有潜力的新兴技术，是制造领域的重大技术突破，是先进制造技术的重要发展方向，具有制造灵活性和大幅节省原材料特点，是现代金属零部件制造的有效手段。增材制造产业是战略性新兴智能制造产业，发展迅速，正在使传统生产方式和生产工艺发生深刻变革。3D打印技术是新技术与新业态，多国政府和企业高度重视增材制造技术，纷纷制定相关战略和措施促进增材制造产业发展。
枪钻由钨钴硬质合金钻头、低合金钢钻杆和45钢钻柄三部分组成，其中钨钴硬质合金钻头一般指以高硬度难熔金属的碳化物(WC、TiC)微米级粉末为主要成分的硬质合金,枪钻主要以缸体、缸盖、曲轴和各种引擎零件等为加工对象，广泛应用于汽车、飞机、船舶、机床等制造行业。传统枪钻制造工艺是将枪钻钻头、钻杆和钻柄分别制造完成后采用高频感应钎焊将三部分连接成枪钻，耗时耗力。其中不可避免的会出现未熔合、未焊透、焊缝强度降低等问题。枪钻的分体式制造存在制造周期长、未达到性能优异等的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的枪钻制造技术方案，采用电弧3D打印枪钻钻柄和钻杆，超音速火焰3D打印钻柄与钻杆间的过渡层以及钨钴硬质合金钻头，成本低且可有效地克服现有技术对加工环境的苛刻要求。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种一体化3D打印的枪钻制造方法，包括以下步骤：
S1、将基板固定在工作台上，编入打印程序；
S2、在氩气保护氛围中对丝材进行钻柄打印；
S3、清理钻柄表面熔渣后进行超声波清洗，并进行喷砂预处理；
S4、利用火焰3D打印设备在钻柄表面上制备过渡层，将Co粉末轴向送进火焰；
S5、关闭火焰3D打印设备并对打印层表面进行清洁打磨；
S6、在二氧化碳保护氛围中对丝材进行钻杆打印；
S7、清理钻杆表面熔渣后进行超声波清洗，并进行喷砂预处理；
S8、打开火焰3D打印设备，将钨钴硬质合金粉末轴向送进火焰，对枪钻钻头进行先横向再纵向的逐层打印；
S9、在打印至6层后，关闭设备，缓慢降低温度至450℃～500℃并以此温度保温30分钟；
S10、重复步骤S8的过程，直至打印程序结束；
S11、打印结束后，关闭设备，缓慢降低温度至450℃～500℃并以此温度保温30分钟；
S12、关闭设备，完成一体化3D打印的枪钻制造。
所述火焰3D打印设备即为超音速火焰喷涂设备。
进一步地，步骤S1中所述基板采用Q345钢材；所述步骤S1中基板使用前进行表面污渍和氧化物的清理。
进一步地，步骤S2中所述丝材采用ER35CrMo，直径为1.0mm。
进一步地，步骤S6中所述丝材采用H08Mn2Si，直径为1.2mm。
进一步地，步骤S3中所述超声清洗溶剂采用无水乙醇。
进一步地，步骤S4中所述Co粉末晶粒尺寸为100nm±4nm。
进一步地，步骤S8中所述钨钴硬质合金粉末制备：将质量百分比90-91％WC粉末，晶粒尺寸100nm±3nm；7-8％Co粉末，晶粒尺寸100nm±4nm；1-2％Cr3C2粉末，晶粒尺寸80nm±3nm利用球磨机室温条件下混合均匀。
进一步地，步骤S2中所述打印的工艺参数为：电压20.6V，电流130A，送丝速度10mm/s。
进一步地，步骤S6中所述打印的工艺参数为：电压22.6V，电流180A，送丝速度8mm/s。
进一步地，步骤S4与步骤S8中所述超音速火焰3D打印工艺参数为：煤油流量为0.33L·min-1、氧气900L·min-1、氮气7.5L·min-1、送粉率65g·min-1。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
本发明提供了一种一体化3D打印的枪钻制造方法，经过电弧3D打印的钻柄和钻杆界面性能优于传统焊接制造的枪钻界面，过渡层金属Co粉可以避免低合金层与中碳钢层界面脆性，进而提高枪钻界面韧性，中碳钢层平均硬度提高了19.7％，合金钢层平均硬度提高了12.1％，复合材料的抗拉强度提高了11.9％。经过超音速火焰3D打印得到的硬质合金枪钻钻头，其平均硬度≥89HRC，而且内部组织结构稳定且分布均匀；采用火焰3D打印设备，可以有效的抑制WC在打印过程中的分解，结合强度高，且致密，耐磨损性能优越；本发明提供的制造方法对加工环境要求低，不需要真空和密封环境。
具体实施方式
下面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。
一种一体化3D打印的枪钻制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将Q345基板进行表面污渍和氧化物的清理并固定在工作台上，编入打印程序；
S2、采用氩气作为保护气体，选用丝材ER35CrMo进行钻柄打印；打印工艺参数为：电压20.6V，电流130A，送丝速度10mm/s；
S3、清理表面熔渣，利用无水乙醇对表面材料进行超声波清洗，并进行喷砂预处理；
S4、利用火焰3D打印设备在钻柄表面上制备过渡层，将Co粉末轴向送进火焰，晶粒尺寸为100nm±4nm；超音速火焰3D打印工艺参数为：煤油流量为0.33L·min-1、氧气900L·min-1、氮气7.5L·min-1、送粉率65g·min-1；
S5、关闭火焰3D打印设备并对打印层表面进行清洁打磨；
S6、采用二氧化碳作为保护气体，选用丝材H08Mn2Si进行钻杆打印；打印工艺参数为：电压22.6V，电流180A，送丝速度8mm/s；
S7、重复步骤S3；
S8、打开火焰3D打印设备，将配好的钨钴硬质合金粉末轴向送进火焰，对枪钻钻头进行先横向再纵向的层层打印；超音速火焰3D打印工艺参数为：煤油流量为0.33L·min-1、氧气900L·min-1、氮气7.5L·min-1。送粉率65g·min-1；
S9、在纵向打印至3层后，即共打印6层后，关闭设备，缓慢降低温度至450℃～500℃并以此温度保温30分钟；
S10、重复步骤S8的过程；
S11、打印结束后，关闭设备，缓慢降低温度至450℃～500℃并以此温度保温30分钟；
S12、依次关闭氧气阀门，氮气阀门，关闭设备，完成一体化3D打印的枪钻制造。
进一步地，所述低合金钢丝材H08Mn2Si，直径为1.2mm；所述模具钢丝材ER35CrMo，直径为1.0mm；90-91％WC粉末，晶粒尺寸100nm±3nm；7-8％Co粉末，晶粒尺寸100nm±4nm；1-2％Cr3C2粉末，晶粒尺寸80nm±3nm；并利用球磨机室温条件下混合均匀。
实施例
以长度为315mm的3D打印枪钻的制造为例，操作步骤为下：
(1)将Q345基板进行表面污渍和氧化物的清理并固定在工作台上，编入打印程序；
(2)采用氩气作为保护气体，选用丝材ER35CrMo进行钻柄打印，工艺参数为，电压20.6V，电流130A，送丝速度10mm/s，打印距离为60mm；
(3)清理表面熔渣，利用无水乙醇对表面材料进行超声波清洗，并进行喷砂预处理；
(4)利用火焰3D打印设备在钻柄表面上制备过渡层，将Co粉末轴向送进火焰，晶粒尺寸为100nm±4nm；超音速火焰3D打印工艺参数为，煤油流量为0.33L·min-1、氧气900L·min-1、氮气7.5L·min-1、送粉率65g·min-1；
(5)关闭火焰3D打印设备并对打印层表面进行清洁打磨；
(6)采用二氧化碳作为保护气体，选用丝材H08Mn2Si进行钻杆打印，工艺参数为，电压22.6V，电流180A，送丝速度8mm/s，打印距离为200mm；
(7)重复步骤(3)；
(8)打开火焰3D打印设备，将配好的钨钴硬质合金粉末轴向送进火焰，利用(4)所给工艺参数对枪钻钻头进行先横向再纵向的层层打印；
(9)在纵向打印至3层后，关闭设备，缓慢降低温度至450℃～500℃并以此温度保温30分钟；
(10)重复步骤(8)的过程，打印距离为55mm；
(11)按照规格打印结束后，关闭设备，缓慢降低温度至450℃～500℃并以此温度保温30分钟；
(12)依次关闭氧气体阀门，氮气阀门。
经上述步骤，得到的钻柄屈服强度≥415Mp，抗拉强度≥505Mp，平均硬度提高了12.1％；钻杆屈服强度≥649Mp，抗拉强度≥750Mp，平均硬度提高了19.7％；钨钴硬质合金钻头平均硬度≥89HRC，因此符合工程应用需求。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种一体化3D打印的枪钻制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将基板固定在工作台上，编入打印程序；
S2、在氩气保护氛围中对丝材进行钻柄打印；
S3、清理钻柄表面熔渣后进行超声波清洗，并进行喷砂预处理；
S4、利用火焰3D打印设备在钻柄表面上制备过渡层，将Co粉末轴向送进火焰；
S5、关闭火焰3D打印设备并对打印层表面进行清洁打磨；
S6、在二氧化碳保护氛围中对丝材进行钻杆打印；
S7、清理钻杆表面熔渣后进行超声波清洗，并进行喷砂预处理；
S8、打开火焰3D打印设备，将钨钴硬质合金粉末轴向送进火焰，对枪钻钻头进行先横向再纵向的逐层打印；
S9、在打印至6层后，关闭设备，缓慢降低温度至450℃～500℃并以此温度保温30分钟；
S10、重复步骤S8的过程，直至打印程序结束；
S11、打印结束后，关闭设备，缓慢降低温度至450℃～500℃并以此温度保温30分钟；
S12、关闭设备，完成一体化3D打印的枪钻制造。
2.根据权利要求1所述的一种一体化3D打印的枪钻制造方法，其特征在于：步骤S1中所述基板采用Q345钢材；所述步骤S1中基板使用前进行表面污渍和氧化物的清理。
3.根据权利要求1所述的一种一体化3D打印的枪钻制造方法，其特征在于：步骤S2中所述丝材采用ER35CrMo，直径为1.0mm。
4.根据权利要求1所述的一种一体化3D打印的枪钻制造方法，其特征在于：步骤S6中所述丝材采用H08Mn2Si，直径为1.2mm。
5.根据权利要求1所述的一种一体化3D打印的枪钻制造方法，其特征在于：步骤S3与步骤S7中所述超声清洗溶剂采用无水乙醇。
6.根据权利要求1所述的一种一体化3D打印的枪钻制造方法，其特征在于：步骤S4中所述Co粉末晶粒尺寸为100nm±4nm。
7.根据权利要求1所述的一种一体化3D打印的枪钻制造方法，其特征在于：步骤S8中所述钨钴硬质合金粉末制备：将质量百分比90-91％WC粉末，晶粒尺寸100nm±3nm；7-8％Co粉末，晶粒尺寸100nm±4nm；1-2％Cr3C2粉末，晶粒尺寸80nm±3nm利用球磨机室温条件下混合均匀。
8.根据权利要求1所述的一种一体化3D打印的枪钻制造方法，其特征在于：步骤S2中所述打印的工艺参数为：电压20.6V，电流130A，送丝速度10mm/s。
9.根据权利要求1所述的一种一体化3D打印的枪钻制造方法，其特征在于：步骤S6中所述打印的工艺参数为：电压22.6V，电流180A，送丝速度8mm/s。
10.根据权利要求1所述的一种一体化3D打印的枪钻制造方法，其特征在于：步骤S4与步骤S8中所述超音速火焰3D打印工艺参数为：煤油流量为0.33L·min-1、氧气900L·min-1、氮气7.5L·min-1、送粉率65g·min-1。
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