CN113399808B - 一种航空航天薄壁环件电磁脉冲增材装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空航天薄壁环件电磁脉冲增材装置，包括机架、卷材支架、环形增材基板、喷涂机器人和电磁脉冲模块，卷材支架上转动设置有带材卷，卷材支架位于支架一侧，喷涂机器人位于支架另一侧，喷涂机器人能够对卷绕在环形增材基板上的卷材的表面进行喷涂；环形增材基板通过传动轴与机架转动连接，环形增材基板与传动轴固连，机架上固设有能够驱动传动轴转动的驱动电机；电磁脉冲模块包括电磁头和固设在电磁头上的电磁线圈；环形增材基板的周向侧壁的宽度与带材卷中带材的宽度相等。本发明的航空航天薄壁环件电磁脉冲增材装置及方法，不仅保证了增材制造的质量，还提高了航空航天薄壁环件增材制造的效率。

Description

一种航空航天薄壁环件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，特别是涉及一种航空航天薄壁环件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航空航天薄壁环件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，在保证增材质量的基础上，提高航空航天薄壁环件增材制造的效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种航空航天薄壁环件电磁脉冲增材装置，包括机架、卷材支架、环形增材基板、喷涂机器人和电磁脉冲模块，所述卷材支架上转动设置有带材卷，所述卷材支架位于所述支架一侧，所述喷涂机器人位于所述支架另一侧，所述喷涂机器人能够对卷绕在所述环形增材基板上的卷材的表面进行喷涂；所述环形增材基板通过传动轴与所述机架转动连接，所述环形增材基板与所述传动轴固连，所述机架上固设有能够驱动所述传动轴转动的驱动电机；所述电磁脉冲模块包括电磁头和固设在所述电磁头上的电磁线圈，所述电磁线圈电连接有电容和放电电路，所述电磁线圈正对所述环形增材基板的周向侧壁，且所述电磁线圈与所述环形增材基板的周向侧壁之间具有间隔，所述电磁头固设在第二安装架上，所述第二安装架与第三丝杆螺纹连接且与第三导轨滑动配合，所述第三导轨和所述第三丝杆均设置在第二移动座上，第四电机能够驱动所述第三丝杆转动；所述第二移动座与第四丝杆螺纹连接且与第四导轨滑动配合，所述第四导轨和所述第四丝杆均设置在所述机架上，第五电机能够驱动所述第四丝杆转动；所述环形增材基板的周向侧壁的宽度与所述带材卷中带材的宽度相等。

优选的，还包括切割模块，所述切割模块包括支撑座、气缸、电机支撑框架、切割电机、第一锯片、第二锯片，所述支撑座与所述机架固连，所述气缸固设在所述支撑座上，所述支撑座上固设有竖直的滑轨，所述电机支撑框架与所述滑轨滑动配合，所述气缸的伸缩杆与所述电机支撑框架固连，所述切割电机固设在所述电机支撑框架上，所述第一锯片和所述第二锯片分别与所述切割电机的输出轴固连，所述第一锯片与所述第二锯片之间的间隔与所述带材卷中带材的宽度相等；所述切割模块位于所述环形增材基板的侧上方。

优选的，还包括旋转摩擦挤压模块，所述旋转摩擦挤压模块包括第一电机和与所述第一电机的输出轴固连的摩擦棒，所述第一电机固设在第一安装架上，所述第一安装架与第二丝杆螺纹连接且与第二导轨滑动配合，所述第二丝杆和所述第二导轨均设置在第一移动座上，第二电机能够驱动所述第二丝杆转动，所述第一移动座与第一丝杆螺纹连接且与第一导轨滑动配合，所述第一丝杆和所述第一导轨均设置在所述机架上，第三电机能够驱动所述第一丝杆转动，所述摩擦棒位于所述环形增材基板的正上方，所述第二丝杆竖直。

优选的，所述驱动电机的输出轴通过联轴器与所述传动轴固连。

优选的，所述第三丝杆竖直，所述第四丝杆水平，所述第三丝杆与所述第三导轨互相平行，所述第四丝杆与所述第四导轨互相平行，所述第三导轨和所述第四导轨均为两个，两个所述第三导轨分别位于所述第三丝杆两侧，两个所述第四导轨分别位于所述第四丝杆两侧。

优选的，所述第一丝杆水平，所述第一丝杆与所述第一导轨互相平行，所述第二丝杆与所述第二导轨互相平行，所述第一导轨和所述第二导轨均为两个，两个第一导轨分别位于所述第一丝杆两侧，两个所述第二导轨分别位于所述第二丝杆两侧。

优选的，所述切割电机上还固设有将所述第一锯片远离所述环形增材基板的一部分罩柱的保护罩。

本发明还提供一种航空航天薄壁环件电磁脉冲增材方法，包括以下步骤：

(1)将带材卷中带材的一端固定在环形增材基板的周向侧壁上，通过驱动电机驱动所述环形增材基板转动一周，使所述带材绕在所述环形增材基板的周向侧壁一周，形成一个增材基体层；

(2)通过喷涂机器人在所述增材基体层的表面喷涂硬质中间层；

(3)对电磁线圈通电，并通过开启第四电机和第五电机来调节所述电磁线圈的位置，同时通过所述驱动电机驱动所述环形增材基板再转动一周，在硬质中间层的表面增材形成另一个增材基体层；

(4)通过喷涂机器人在步骤(3)中形成的增材基体层的表面喷涂硬质中间层；

(5)开启第一电机，驱动摩擦棒旋转，并通过开启第二电机和第三电机来调节所述摩擦棒的位置，通过所述摩擦棒对步骤(4)中形成的硬质中间层进行摩擦挤压，使得步骤(3)中形成的增材基体层发生塑性变形，在塑性变形过程中步骤(3)中形成的增材基体层会从两侧挤出部分材料；

(6)开启切割电机，驱动第一锯片和第二锯片旋转，并通过开启气缸调节所述切割电机的位置，通过所述第一锯片和所述第二锯片将步骤(5)中挤出的材料切除，保证增材环件成形良好；

(7)对电磁线圈通电，并通过开启第四电机和第五电机来调节所述电磁线圈的位置，同时通过所述驱动电机驱动所述环形增材基板再转动一周，在硬质中间层的表面增材形成再一个增材基体层；

(8)重复循环步骤(2)-步骤(7)，直至增材出设计厚度的航空航天薄壁环件，最后将增材出的航空航天薄壁环件与带材卷中的带材切断即可。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明的航空航天薄壁环件电磁脉冲增材装置及方法，不仅保证了增材制造的质量，还提高了航空航天薄壁环件增材制造的效率。本发明航空航天薄壁环件电磁脉冲增材方法及装置，通过步进电机控制环形增材基板旋转运动，将带材送入增材区，通过电磁脉冲线圈产生的电磁力使带材之间形成冶金结合，从而实现大尺寸航空航天薄壁环件增材，并且通过旋转摩擦挤压消除电磁脉冲增材界面处的微裂纹、空洞等缺陷，保证增材件性能。与传统大尺寸环状工件增材相比，电磁脉冲增材效率高、热输少，组织致密。

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为本发明航空航天薄壁环件电磁脉冲增材装置的结构示意图；

图2为本发明航空航天薄壁环件电磁脉冲增材装置中切割模块的结构示意图；

图3为本发明航空航天薄壁环件电磁脉冲增材装置中旋转摩擦挤压模块的结构示意图；

图4为本发明航空航天薄壁环件电磁脉冲增材装置中电磁脉冲模块的结构示意图；

图5为本发明航空航天薄壁环件电磁脉冲增材方法的流程图；

其中：100、航空航天薄壁环件电磁脉冲增材装置；1、带材卷；2、环形增材基板；3、切割模块；4、旋转摩擦挤压模块；5、喷涂机器人；6、驱动电机；7、联轴器；8、机架；9、电磁脉冲模块；10、卷材支架；11、增材基体层；12、硬质中间层；13、挤出材料；301、第一锯片；302、第二锯片；303、切割电机；304、电机支撑框架；305、气缸；3051、伸缩杆；306、滑轨；307、支撑座；308、保护罩；401、摩擦棒；402、第一电机；403、第二电机；404、第三电机；405、第一导轨；406、第一丝杆；407、第二丝杆；408、第一移动座；409、第二导轨；410、第一安装架；901、电磁线圈；902、电磁头；903、第四电机；904、第三丝杆；905、第四丝杆；906、第五电机；907、第四导轨；908、第三导轨；909、第二安装架；910、第二移动座。

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航空航天薄壁环件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，在保证增材质量的基础上，提高航空航天薄壁环件增材制造的效率。

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4所示：本实施例提供了一种航空航天薄壁环件电磁脉冲增材装置100，包括机架8、卷材支架10、环形增材基板2、喷涂机器人5和电磁脉冲模块9，卷材支架10上转动设置有带材卷1，卷材支架10位于支架一侧，喷涂机器人5位于支架另一侧，喷涂机器人5能够对卷绕在环形增材基板2上的卷材的表面进行喷涂；环形增材基板2通过传动轴与机架8转动连接，环形增材基板2与传动轴固连，机架8上固设有能够驱动传动轴转动的驱动电机6，驱动电机6的输出轴通过联轴器7与传动轴固连。

电磁脉冲模块9包括电磁头902和固设在电磁头902上的电磁线圈901，电磁线圈901电连接有电容和放电电路，电磁线圈901正对环形增材基板2的周向侧壁，且电磁线圈901与环形增材基板2的周向侧壁之间具有间隔，电磁头902固设在第二安装架909上，第二安装架909与第三丝杆904螺纹连接且与第三导轨908滑动配合，第三导轨908和第三丝杆904均设置在第二移动座910上，第四电机903能够驱动第三丝杆904转动；第二移动座910与第四丝杆905螺纹连接且与第四导轨907滑动配合，第四导轨907和第四丝杆905均设置在机架8上，第五电机906能够驱动第四丝杆905转动；环形增材基板2的周向侧壁的宽度与带材卷1中带材的宽度相等。

第三丝杆904竖直，第四丝杆905水平，第三丝杆904与第三导轨908互相平行，第四丝杆905与第四导轨907互相平行，第三导轨908和第四导轨907均为两个，两个第三导轨908分别位于第三丝杆904两侧，两个第四导轨907分别位于第四丝杆905两侧。

本实施例航空航天薄壁环件电磁脉冲增材装置100还包括切割模块3，切割模块3包括支撑座307、气缸305、电机支撑框架304、切割电机303、第一锯片301、第二锯片302，支撑座307与机架8固连，气缸305固设在支撑座307上，支撑座307上固设有竖直的滑轨306，电机支撑框架304与滑轨306滑动配合，气缸305的伸缩杆3051与电机支撑框架304固连，切割电机303固设在电机支撑框架304上，第一锯片301和第二锯片302分别与切割电机303的输出轴固连，第一锯片301与第二锯片302之间的间隔与带材卷1中带材的宽度相等；切割模块3位于环形增材基板2的侧上方。切割电机303上还固设有将第一锯片301远离环形增材基板2的一部分罩柱的保护罩308。

本实施例航空航天薄壁环件电磁脉冲增材装置100还包括旋转摩擦挤压模块4，旋转摩擦挤压模块4包括第一电机402和与第一电机402的输出轴固连的摩擦棒401，第一电机402固设在第一安装架410上，第一安装架410与第二丝杆407螺纹连接且与第二导轨409滑动配合，第二丝杆407和第二导轨409均设置在第一移动座408上，第二电机403能够驱动第二丝杆407转动，第一移动座408与第一丝杆406螺纹连接且与第一导轨405滑动配合，第一丝杆406和第一导轨405均设置在机架8上，第三电机404能够驱动第一丝杆406转动，摩擦棒401位于环形增材基板2的正上方，第二丝杆407竖直。

第一丝杆406水平，第一丝杆406与第一导轨405互相平行，第二丝杆407与第二导轨409互相平行，第一导轨405和第二导轨409均为两个，两个第一导轨405分别位于第一丝杆406两侧，两个第二导轨409分别位于第二丝杆407两侧。

如图5所示：本实施例还提供一种基于上述航空航天薄壁环件电磁脉冲增材装置100的航空航天薄壁环件电磁脉冲增材方法，包括以下步骤：

(1)将带材卷1中带材的一端固定在环形增材基板2的周向侧壁上，通过驱动电机6驱动环形增材基板2转动一周，使带材绕在环形增材基板2的周向侧壁一周，形成一个增材基体层11；

(2)通过喷涂机器人5在增材基体层11的表面喷涂硬质中间层12；

(3)对电磁线圈901通电，并通过开启第四电机903和第五电机906来调节电磁线圈901的位置，同时通过驱动电机6驱动环形增材基板2再转动一周，在硬质中间层12的表面通过电磁力C的作用增材形成另一个增材基体层11；具体的，电容和放电电路集成在电磁脉冲模块9中，电磁脉冲模块9中理应还设置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带材。电磁线圈901与带材之间产生随时间变化的相互排斥的磁场力，带材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901中会通过强大的脉冲电流，由于电磁感应，带材表面形成涡流。在电磁力的作用下，带材高速撞向硬质中间层12，碰撞力可达到GPa，使带材与硬质中间层12表层原子紧密接触达到冶金结合。

(4)通过喷涂机器人5在步骤(3)中形成的增材基体层11的表面喷涂硬质中间层12；

(5)开启第一电机402，驱动摩擦棒401旋转，并通过开启第二电机403和第三电机404来调节摩擦棒401的位置，通过摩擦棒401对步骤(4)中形成的硬质中间层12进行摩擦挤压，使得步骤(3)中形成的增材基体层11发生塑性变形，在塑性变形过程中步骤(3)中形成的增材基体层11会从两侧挤出部分材料；

(6)开启切割电机303，驱动第一锯片301和第二锯片302旋转，并通过开启气缸305调节切割电机303的位置，通过第一锯片301和第二锯片302将步骤(5)中的挤出材料13切除，保证增材环件成形良好；

(7)对电磁线圈901通电，并通过开启第四电机903和第五电机906来调节电磁线圈901的位置，同时通过驱动电机6驱动环形增材基板2再转动一周，在硬质中间层12的表面增材形成再一个增材基体层11；

(8)重复循环步骤(2)-步骤(7)，直至增材出设计厚度的航空航天薄壁环件，最后将增材出的航空航天薄壁环件与带材卷1中的带材切断即可。

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”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”等仅用于描述目的，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 (1)

1.一种航空航天薄壁环件电磁脉冲增材装置，其特征在于：包括机架、卷材支架、环形增材基板、喷涂机器人和电磁脉冲模块，所述卷材支架上转动设置有带材卷，所述卷材支架位于所述支架一侧，所述喷涂机器人位于所述支架另一侧，所述喷涂机器人能够对卷绕在所述环形增材基板上的卷材的表面进行喷涂；所述环形增材基板通过传动轴与所述机架转动连接，所述环形增材基板与所述传动轴固连，所述机架上固设有能够驱动所述传动轴转动的驱动电机；所述电磁脉冲模块包括电磁头和固设在所述电磁头上的电磁线圈，所述电磁线圈电连接有电容和放电电路，所述电磁线圈正对所述环形增材基板的周向侧壁，且所述电磁线圈与所述环形增材基板的周向侧壁之间具有间隔，所述电磁头固设在第二安装架上，所述第二安装架与第三丝杆螺纹连接且与第三导轨滑动配合，所述第三导轨和所述第三丝杆均设置在第二移动座上，第四电机能够驱动所述第三丝杆转动；所述第二移动座与第四丝杆螺纹连接且与第四导轨滑动配合，所述第四导轨和所述第四丝杆均设置在所述机架上，第五电机能够驱动所述第四丝杆转动；所述环形增材基板的周向侧壁的宽度与所述带材卷中带材的宽度相等；

还包括切割模块，所述切割模块包括支撑座、气缸、电机支撑框架、切割电机、第一锯片、第二锯片，所述支撑座与所述机架固连，所述气缸固设在所述支撑座上，所述支撑座上固设有竖直的滑轨，所述电机支撑框架与所述滑轨滑动配合，所述气缸的伸缩杆与所述电机支撑框架固连，所述切割电机固设在所述电机支撑框架上，所述第一锯片和所述第二锯片分别与所述切割电机的输出轴固连，所述第一锯片与所述第二锯片之间的间隔与所述带材卷中带材的宽度相等；所述切割模块位于所述环形增材基板的侧上方；

还包括旋转摩擦挤压模块，所述旋转摩擦挤压模块包括第一电机和与所述第一电机的输出轴固连的摩擦棒，所述第一电机固设在第一安装架上，所述第一安装架与第二丝杆螺纹连接且与第二导轨滑动配合，所述第二丝杆和所述第二导轨均设置在第一移动座上，第二电机能够驱动所述第二丝杆转动，所述第一移动座与第一丝杆螺纹连接且与第一导轨滑动配合，所述第一丝杆和所述第一导轨均设置在所述机架上，第三电机能够驱动所述第一丝杆转动，所述摩擦棒位于所述环形增材基板的正上方，所述第二丝杆竖直；

所述驱动电机的输出轴通过联轴器与所述传动轴固连；所述第三丝杆竖直，所述第四丝杆水平，所述第三丝杆与所述第三导轨互相平行，所述第四丝杆与所述第四导轨互相平行，所述第三导轨和所述第四导轨均为两个，两个所述第三导轨分别位于所述第三丝杆两侧，两个所述第四导轨分别位于所述第四丝杆两侧；所述第一丝杆水平，所述第一丝杆与所述第一导轨互相平行，所述第二丝杆与所述第二导轨互相平行，所述第一导轨和所述第二导轨均为两个，两个第一导轨分别位于所述第一丝杆两侧，两个所述第二导轨分别位于所述第二丝杆两侧；所述切割电机上还固设有将所述第一锯片远离所述环形增材基板的一部分罩柱的保护罩；

利用所述的航空航天薄壁环件电磁脉冲增材装置进行航空航天薄壁环件电磁脉冲增材方法，包括以下步骤：

(1)将带材卷中带材的一端固定在环形增材基板的周向侧壁上，通过驱动电机驱动所述环形增材基板转动一周，使所述带材绕在所述环形增材基板的周向侧壁一周，形成一个增材基体层；

(2)通过喷涂机器人在所述增材基体层的表面喷涂硬质中间层；

(3)对电磁线圈通电，并通过开启第四电机和第五电机来调节所述电磁线圈的位置，同时通过所述驱动电机驱动所述环形增材基板再转动一周，在硬质中间层的表面增材形成另一个增材基体层；

(4)通过喷涂机器人在步骤(3)中形成的增材基体层的表面喷涂硬质中间层；

(5)开启第一电机，驱动摩擦棒旋转，并通过开启第二电机和第三电机来调节所述摩擦棒的位置，通过所述摩擦棒对步骤(4)中形成的硬质中间层进行摩擦挤压，使得步骤(3)中形成的增材基体层发生塑性变形，在塑性变形过程中步骤(3)中形成的增材基体层会从两侧挤出部分材料；

(6)开启切割电机，驱动第一锯片和第二锯片旋转，并通过开启气缸调节所述切割电机的位置，通过所述第一锯片和所述第二锯片将步骤(5)中挤出的材料切除，保证增材环件成形良好；

(7)对电磁线圈通电，并通过开启第四电机和第五电机来调节所述电磁线圈的位置，同时通过所述驱动电机驱动所述环形增材基板再转动一周，在硬质中间层的表面增材形成再一个增材基体层；

(8)重复循环步骤(2)-步骤(7)，直至增材出设计厚度的航空航天薄壁环件，最后将增材出的航空航天薄壁环件与带材卷中的带材切断即可。

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