CN113385803A - 一种重型运载火箭连接环电磁脉冲增材装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种重型运载火箭连接环电磁脉冲增材装置，包括支架、齿轮盘、第一驱动电机、环形地轨和设置在支架顶端的、呈半圆环形的导轨，齿轮盘通过周向设置的多个滚轮与环形地轨转动配合，齿轮盘的顶面用于放置环形的增材基体，第一驱动电机的输出轴上固设有与齿轮盘啮合的第一驱动齿轮；导轨上滑动设置有三个升降模块，三个升降模块分别驱动弯曲模块、电磁头和旋转摩擦挤压模块进行升降；电磁头中设置有电磁线圈，电磁线圈电连接有电容和放电电路；旋转摩擦挤压模块包括第二驱动电机和与第二驱动电机的输出轴固连的摩擦棒；弯曲模块能够根据连接环的曲率弯曲增材薄片。本发明能够提高重型运载火箭连接环增材件组织的致密性。

Description

一种重型运载火箭连接环电磁脉冲增材装置及方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种重型运载火箭连接环电磁脉冲增材装置及方法。

背景技术

随着我国航空航天事业不断发展，对运载火箭、空间站等大型化、整体化制造提出了更高需求，如10米级高强铝合金重型运载火箭连接环，采用传统制造工艺很难完成。电弧熔丝3D打印技术由于需要逐层熔覆，易产生气孔、成分偏析等制造缺陷，直接影响了增材构件的力学性能。电磁脉冲增材技术作为一种新型、环保、高效的固相连接技术，在航空航天和汽车行业都具有非常大的应用前景。

在申请号为ZL201780007332.4的专利中公开了一种用于在增材制造工艺中使用冲击焊接成形的方法，该方法包括提供具有位于护套内的粉末填充金属芯的线材，然后将线材插入具有开口的导管内，之后提供一个能量脉冲(电磁脉冲或激光脉冲)与护套相互作用以夹断线材的一段，其中能量脉冲使段以足够的速度朝向基底推进，粉末填充金属芯焊接至基底。为了消除熔覆过程中易产生的气孔、成分偏析等制造缺陷，其采用夹断线材的方式进行增材，从而提高增材件的性能，但这种增材方法效率较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种重型运载火箭连接环电磁脉冲增材装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高重型运载火箭连接环增材件组织的致密性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种重型运载火箭连接环电磁脉冲增材装置，包括支架、齿轮盘、第一驱动电机、环形地轨和设置在所述支架顶端的、呈半圆环形的导轨，所述齿轮盘通过周向设置的多个滚轮与所述环形地轨转动配合，所述齿轮盘的顶面用于放置环形的增材基体，所述第一驱动电机的输出轴上固设有与所述齿轮盘啮合的第一驱动齿轮；所述导轨上滑动设置有三个升降模块，一个所述升降模块能够驱动弯曲模块进行升降，另一个所述升降模块能够驱动电磁头进行升降，再一个所述升降模块能够驱动旋转摩擦挤压模块进行升降；

所述电磁头中设置有电磁线圈，所述电磁线圈电连接有电容和放电电路；

所述旋转摩擦挤压模块包括第二驱动电机和与所述第二驱动电机的输出轴固连的摩擦棒；

所述弯曲模块包括支撑框架和固设在所述支撑框架的底端的支撑板，所述支撑板上设置有导料槽和能够驱动所述导料槽中的增材薄片相对所述导料槽滑动的驱动轮，所述支撑板上还设置有楔形块、顶块和顶轮，所述楔形块、所述顶块和所述顶轮均靠近所述导料槽的出料端，所述楔形块的斜面和所述顶块与所述增材薄片的一侧紧密接触，所述增材薄片的另一侧与所述顶轮滑动配合。

优选的，所述支撑框架上还固设有打磨机，所述打磨机用于打磨待结合的表面；所述待结合的表面为所述增材基体的表面和所述增材薄片的表面。

优选的，所述升降模块包括通过多个滑块与所述导轨滑动配合的滑动框架，所述导轨的外侧面上固设有弧形齿条，所述滑动框架上固设有导轨电机，所述导轨电机的输出轴上固设有与所述弧形齿条啮合的第二驱动齿轮，所述滑动框架上固设有一螺母，所述螺母与丝杆螺纹连接，丝杆电机能够驱动所述丝杆转动，所述丝杆电机固设在安装板上，所述安装板上连接有多个与所述滑动框架滑动配合的导向柱，所述导向柱的轴向与所述丝杆的轴向平行，所述导向柱远离所述安装板的一端与升降板固连，所述安装板和所述升降板分别与所述丝杆转动配合。

优选的，所述第二驱动电机固设在连接板上，所述连接板与一个所述升降机构中的所述升降板固连。

优选的，所述支撑框架与一个所述升降机构中的所述升降板固连。

优选的，所述驱动轮为四个，每个所述驱动轮均固连有一个从动轴，所述支撑框架和所述支撑板分别与所述从动轴转动配合，每个所述从动轴上均设置有一个从动齿轮，所述支撑框架上还转动设置有一个主动轴，所述主动轴上设置有主动齿轮，四个所述从动齿轮分别与所述主动齿轮啮合，所述支撑框架上还固设有能够驱动所述主动轴转动的第三驱动电机。

优选的，所述第三驱动电机的输出轴上固设有主动带轮，所述主动轴上固设有从动带轮，所述主动带轮和所述从动带轮上绕有皮带。

优选的，所述支撑板上还固设有多个靠近所述导料槽的进料端的进料导轮，多个所述进料导轮分两排分布，所述增材薄片位于两排所述进料导轮之间，所述进料导轮与所述增材薄片滑动配合。

本发明还提供一种重型运载火箭连接环电磁脉冲增材方法，基于上述的重型运载火箭连接环电磁脉冲增材装置，包括以下步骤：

(1)利用弯曲模块根据连接环的曲率弯曲增材薄片，形成带曲率增材薄片；

(2)通过第一驱动电机驱动齿轮盘绕环形地轨转动，所述齿轮盘带动增材基体转动，同时通过电磁头中的电磁线圈将所述带曲率增材薄片电磁脉冲增材至所述增材基体，形成增材环件；

(3)通过所述旋转摩擦挤压模块对增材环件施加旋转摩擦挤压作用，以消除增材界面的缺陷。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明的重型运载火箭连接环电磁脉冲增材装置及方法能够提高重型运载火箭连接环增材件组织的致密性。

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为本发明重型运载火箭连接环电磁脉冲增材装置的结构示意图；

图2为本发明重型运载火箭连接环电磁脉冲增材装置的部分结构示意图一；

图3为本发明重型运载火箭连接环电磁脉冲增材装置的部分结构示意图二；

图4为本发明重型运载火箭连接环电磁脉冲增材装置的部分结构示意图三；

图5为本发明重型运载火箭连接环电磁脉冲增材装置的部分结构示意图四；

图6为本发明重型运载火箭连接环电磁脉冲增材方法的流程示意图；

其中：100、重型运载火箭连接环电磁脉冲增材装置；1、环形地轨；2、滚轮；3、齿轮盘；4、第一驱动齿轮；5、第一驱动电机；6、增材基体；7、支架；8、导轨；9、升降模块；10、弧形齿条；11、旋转摩擦挤压模块；12、电磁头；1201、电磁线圈；13、弯曲模块；14、打磨机；15、增材薄片；16、带曲率增材薄片；901、丝杆电机；902、丝杆；903、螺母；904、导向柱；905、滑动框架；906、滑块；907、导轨电机；908、第二驱动齿轮；909、升降板；1101、连接板；1102、第二驱动电机；1103、摩擦棒；1301、第三驱动电机；1302、皮带；1303、主动带轮；1304、从动带轮；1305、主动齿轮；1306、主动轴；1307、从动轴；1308、进料导轮；1309、驱动轮；1310、导料槽；1311、楔形块；1312、顶轮；1313、顶块；1314、支撑框架；1315、支撑板。

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付出创造性劳动的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。

本发明的目的是提供一种重型运载火箭连接环电磁脉冲增材装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高重型运载火箭连接环增材件组织的致密性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1至图5所示：本实施例提供了一种重型运载火箭连接环电磁脉冲增材装置100，包括支架7、齿轮盘3、第一驱动电机5、环形地轨1和设置在支架7顶端的、呈半圆环形的导轨8，齿轮盘3通过周向设置的多个滚轮2与环形地轨1转动配合，齿轮盘3的顶面用于放置环形的增材基体6，第一驱动电机5的输出轴上固设有与齿轮盘3啮合的第一驱动齿轮4。

导轨8上滑动设置有三个升降模块9，一个升降模块9能够驱动弯曲模块13进行升降，另一个升降模块9能够驱动电磁头12进行升降，再一个升降模块9能够驱动旋转摩擦挤压模块11进行升降；升降模块9包括通过多个滑块906与导轨8滑动配合的滑动框架905，导轨8的外侧面上固设有弧形齿条10，滑动框架905上固设有导轨电机907，导轨电机907的输出轴上固设有与弧形齿条10啮合的第二驱动齿轮908，滑动框架905上固设有一螺母903，螺母903与丝杆902螺纹连接，丝杆电机901能够驱动丝杆902转动，丝杆电机901固设在安装板上，安装板上连接有多个与滑动框架905滑动配合的导向柱904，导向柱904的轴向与丝杆902的轴向平行，导向柱904远离安装板的一端与升降板909固连，安装板和升降板909分别与丝杆902转动配合。升降机构通过导轨电机907控制其在导轨8上运动，并通过丝杆电机901驱动其上下运动。

电磁头12中设置有电磁线圈1201，电磁线圈1201电连接有电容和放电电路；电磁头12与一个升降机构中的升降板909固连。电磁线圈1201理应还连接有电源和高压开关等，电磁脉冲成形原理：能量储存在电容中，放电开关瞬间闭合，电容、线圈以及放电电路构成RLC震荡电路，工作线圈中就会有瞬态的大交变电流流过，产生强的交变磁场。根据电磁感应定律和趋肤效应，此磁场会在金属表面产生与线圈电流相反的感应电流，感应电流也会产生感应磁场，阻止线圈的磁场穿透增材薄片15。电磁线圈1201与增材薄片15之间产生随时间变化的相互排斥的磁场力，增材薄片15在这种磁场力的作用下高速变形。高压开关闭合后，电容中储存的能量瞬间释放，电磁线圈1201中会通过强大的脉冲电流，由于电磁感应，增材薄片15表面形成涡流。在电磁力的作用下，增材薄片15高速撞向增材基体6，碰撞力可达到GPa，使增材薄片15与增材基体6表层原子紧密接触达到冶金结合。电磁脉冲在实现增材薄片15与增材基体6之间的冶金结合时，由于速度快，难免会在结合界面处产生局部未熔合区域，因此通过旋转摩擦挤压来产生局部塑化变形，消除未熔合区。

旋转摩擦挤压模块11包括第二驱动电机1102和与第二驱动电机1102的输出轴固连的摩擦棒1103；第二驱动电机1102固设在连接板1101上，连接板1101与一个升降机构中的升降板909固连。

弯曲模块13包括支撑框架1314和固设在支撑框架1314的底端的支撑板1315，支撑板1315上设置有导料槽1310和能够驱动导料槽1310中的增材薄片15相对导料槽1310滑动的驱动轮1309，支撑板1315上还设置有楔形块1311、顶块1313和顶轮1312，楔形块1311、顶块1313和顶轮1312均靠近导料槽1310的出料端，楔形块1311的斜面和顶块1313与增材薄片15的一侧紧密接触，增材薄片15的另一侧与顶轮1312滑动配合。支撑框架1314上还固设有打磨机14，打磨机14用于打磨待结合的表面；待结合的表面为增材基体6的表面和增材薄片15的表面。支撑框架1314与一个升降机构中的升降板909固连。

驱动轮1309为四个，每个驱动轮1309均固连有一个从动轴1307，支撑框架1314和支撑板1315分别与从动轴1307转动配合，每个从动轴1307上均设置有一个从动齿轮，支撑框架1314上还转动设置有一个主动轴1306，主动轴1306上设置有主动齿轮1305，四个从动齿轮分别与主动齿轮1305啮合，支撑框架1314上还固设有能够驱动主动轴1306转动的第三驱动电机1301。

第三驱动电机1301的输出轴上固设有主动带轮1303，主动轴1306上固设有从动带轮1304，主动带轮1303和从动带轮1304上绕有皮带1302。支撑板1315上还固设有多个靠近导料槽1310的进料端的进料导轮1308，多个进料导轮1308分两排分布，增材薄片15位于两排进料导轮1308之间，进料导轮1308与增材薄片15滑动配合。第三驱动电机1301通过皮带1302带动主动轴1306转动，主动轴1306通过齿轮传动带动根从动轴1307转动。从动轴1307与驱动轮1309固定连接。驱动轮1309旋转驱动增材薄片15沿导料槽1310进给。楔形块1311、顶轮1312和顶块1313协同控制增材薄片15的弯曲曲率。

如图6所示：本实施例还提供一种重型运载火箭连接环电磁脉冲增材方法，基于上述的重型运载火箭连接环电磁脉冲增材装置100，包括以下步骤：

(1)利用弯曲模块13根据连接环的曲率弯曲增材薄片15，形成带曲率增材薄片16；

(2)通过第一驱动电机5驱动齿轮盘3绕环形地轨1转动，齿轮盘3带动增材基体6转动，同时通过电磁头12中的电磁线圈1201将带曲率增材薄片16电磁脉冲增材至增材基体6，形成增材环件；

(3)通过旋转摩擦挤压模块11对增材环件施加旋转摩擦挤压作用，以消除增材界面可能存在的孔洞、裂纹等缺陷；

(4)通过打磨机14打磨步骤(2)中增材至增材基体6的增材薄片15的顶面，以将连接表面清洁，方便接下来的增材。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种重型运载火箭连接环电磁脉冲增材装置，其特征在于：包括支架、齿轮盘、第一驱动电机、环形地轨和设置在所述支架顶端的、呈半圆环形的导轨，所述齿轮盘通过周向设置的多个滚轮与所述环形地轨转动配合，所述齿轮盘的顶面用于放置环形的增材基体，所述第一驱动电机的输出轴上固设有与所述齿轮盘啮合的第一驱动齿轮；所述导轨上滑动设置有三个升降模块，一个所述升降模块能够驱动弯曲模块进行升降，另一个所述升降模块能够驱动电磁头进行升降，再一个所述升降模块能够驱动旋转摩擦挤压模块进行升降；

所述电磁头中设置有电磁线圈，所述电磁线圈电连接有电容和放电电路；

所述旋转摩擦挤压模块包括第二驱动电机和与所述第二驱动电机的输出轴固连的摩擦棒；

所述弯曲模块包括支撑框架和固设在所述支撑框架的底端的支撑板，所述支撑板上设置有导料槽和能够驱动所述导料槽中的增材薄片相对所述导料槽滑动的驱动轮，所述支撑板上还设置有楔形块、顶块和顶轮，所述楔形块、所述顶块和所述顶轮均靠近所述导料槽的出料端，所述楔形块的斜面和所述顶块与所述增材薄片的一侧紧密接触，所述增材薄片的另一侧与所述顶轮滑动配合。

2.根据权利要求1所述的重型运载火箭连接环电磁脉冲增材装置，其特征在于：所述支撑框架上还固设有打磨机，所述打磨机用于打磨待结合的表面；所述待结合的表面为所述增材基体的表面和所述增材薄片的表面。

3.根据权利要求1所述的重型运载火箭连接环电磁脉冲增材装置，其特征在于：所述升降模块包括通过多个滑块与所述导轨滑动配合的滑动框架，所述导轨的外侧面上固设有弧形齿条，所述滑动框架上固设有导轨电机，所述导轨电机的输出轴上固设有与所述弧形齿条啮合的第二驱动齿轮，所述滑动框架上固设有一螺母，所述螺母与丝杆螺纹连接，丝杆电机能够驱动所述丝杆转动，所述丝杆电机固设在安装板上，所述安装板上连接有多个与所述滑动框架滑动配合的导向柱，所述导向柱的轴向与所述丝杆的轴向平行，所述导向柱远离所述安装板的一端与升降板固连，所述安装板和所述升降板分别与所述丝杆转动配合。

4.根据权利要求3所述的重型运载火箭连接环电磁脉冲增材装置，其特征在于：所述第二驱动电机固设在连接板上，所述连接板与一个所述升降机构中的所述升降板固连。

5.根据权利要求3所述的重型运载火箭连接环电磁脉冲增材装置，其特征在于：所述支撑框架与一个所述升降机构中的所述升降板固连。

6.根据权利要求1所述的重型运载火箭连接环电磁脉冲增材装置，其特征在于：所述驱动轮为四个，每个所述驱动轮均固连有一个从动轴，所述支撑框架和所述支撑板分别与所述从动轴转动配合，每个所述从动轴上均设置有一个从动齿轮，所述支撑框架上还转动设置有一个主动轴，所述主动轴上设置有主动齿轮，四个所述从动齿轮分别与所述主动齿轮啮合，所述支撑框架上还固设有能够驱动所述主动轴转动的第三驱动电机。

7.根据权利要求6所述的重型运载火箭连接环电磁脉冲增材装置，其特征在于：所述第三驱动电机的输出轴上固设有主动带轮，所述主动轴上固设有从动带轮，所述主动带轮和所述从动带轮上绕有皮带。

8.根据权利要求1所述的重型运载火箭连接环电磁脉冲增材装置，其特征在于：所述支撑板上还固设有多个靠近所述导料槽的进料端的进料导轮，多个所述进料导轮分两排分布，所述增材薄片位于两排所述进料导轮之间，所述进料导轮与所述增材薄片滑动配合。

9.一种重型运载火箭连接环电磁脉冲增材方法，基于权利要求1-8任意一项所述的重型运载火箭连接环电磁脉冲增材装置，其特征在于，包括以下步骤：

(1)利用弯曲模块根据连接环的曲率弯曲增材薄片，形成带曲率增材薄片；

(2)通过第一驱动电机驱动齿轮盘绕环形地轨转动，所述齿轮盘带动增材基体转动，同时通过电磁头中的电磁线圈将所述带曲率增材薄片电磁脉冲增材至所述增材基体，形成增材环件；

(3)通过所述旋转摩擦挤压模块对增材环件施加旋转摩擦挤压作用，以消除增材界面的缺陷。

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