CN113695597B - 基于感应加热补偿高性能合金钢固相增材成形装置与工艺 - Google Patents

基于感应加热补偿高性能合金钢固相增材成形装置与工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于感应加热补偿的高性能合金钢固相增材成形装置与工艺，主要用于高性能合金钢等熔点较高的难变形金属材料零件的固相增材制造。装置由旋转主轴、固定冷却外壳、增材成形工具头、感应加热线圈等零件组成，通过挤压送料、感应加热升温、载荷施加等工序实现超高强固相增材成形。其方法是利用感应加热原理实现高性能合金钢的快速加热与软化，并结合搅拌摩擦的剧烈大塑性变形特征，其目的是实现高性能合金钢零件的近锻态组织与性能的固相增材制造。本发明能有效突破高性能合金钢复杂构件的整体高性能成形瓶颈。

Description

基于感应加热补偿高性能合金钢固相增材成形装置与工艺
技术领域
本发明属于增材成形及设备制造技术领域，具体涉及一种基于感应加热补偿的固相增材成形装置，以及利用该装置实施的高性能合金钢固相增材成形工艺。
背景技术
随着工业技术发展，航空航天、国防等领域对关键零部件的整体化高性能制造提出了迫切需求。零件选材为高性能合金钢等难变形材料，形状设计为异形、拓扑优化的复杂结构，制造要求零件整体化。传统锻造工艺无法成形；而铸造以及现有的基于高能束的增材制造方案产品性能低，无法满足零件整体高性能制造需求。金属材料的固相增材制造与基于高能束的融化凝固增材制造相比，具有组织细小均匀、缺陷少、性能高等优点，是实现高性能合金钢等难变形材料复杂零件整体制造的有效途径。但高性能合金钢熔点较高、变形抗力大，要实现在增材制造过程中固相层间的冶金结合，其增材成形温度需达到1000℃以上，仅靠增材成形工具头与材料之间的摩擦产热较难实现。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：高性能合金钢等高熔点金属材料，在固相增材制造过程中所需温度难以达到。基于此，本发明提供一种基于感应加热补偿的高性能合金钢固相增材成形装置与工艺，其方法是利用感应加热原理实现高性能合金钢等金属材料的快速加热与软化，并结合搅拌摩擦的剧烈大塑性变形特征，其目的是实现高性能合金钢等金属材料零部件的近锻态组织与性能的固相增材制造，突破高性能合金钢复杂零部件整体高性能制造这一技术瓶颈。
本发明通过下述技术方案实现：
提供一种基于感应加热补偿的固相增材成形装置，包括旋转主轴、增材成形工具头、感应加热线圈、固定冷却外壳；旋转主轴和增材成形工具头的轴线处设有送料通道，增材成形工具头固定在旋转主轴的通道出口端；感应加热线圈套设在增材成形工具头外侧，增材成形工具头由耐高温金属基材料制成；固定冷却外壳套设于旋转主轴外部，两者之间形成冷却流体空腔，固定冷却外壳上设有与空腔连通的冷却流体进口和出口。
还提供一种高性能合金钢固相增材成形工艺，利用上述基于感应加热补偿的固相增材成形装置，实施如下工艺步骤：
①选用高性能合金钢粉末作为增材原材料；
②增材成形工具头下端面与成形基板接触形成密闭腔，高性能合金钢粉末原材料在送料压力的作用下从送料通道送至增材成形工具头部位，并在增材成形工具头内部形成高压；
③冷却流体进口和出口与冷却系统连通形成冷却循环回路，启动冷却系统，调节冷却水压；
④感应加热线圈由感应加热设备控制，启动感应加热设备，调节设备功率参数，使增材成形工具头及内部高性能合金钢粉末升温至成形温度；
⑤调节增材成形工具头下端面位置，使其与成形基板形成设定间隙；
⑥在保持送料压力的同时启动旋转，调节转速和送料压力至设定值；
⑦启动横向运动，增材成形工具头以设定速率横向移动，加热至成形温度的高性能合金钢粉末在送料压力载荷作用下以一定速率由增材成形工具头挤出，实现第一层固相层增材成形；
⑧按设定高度提升增材成形工具头下端面位置，按照步骤②-⑦开始新一层固相层增材成形，直到增材成形完成整个零部件。
旋转主轴中心设计送料通道，高性能合金钢原材料(粉、屑、棒、丝等)在送料力的作用下从送料通道由上至下输送至增材成形工具头部位，调整增材成形工具头下端面与成形基板的间隙、送料力、以及送料量的大小，使高性能合金钢原材料在增材成形工具头腔内形成高压。冷却系统循环冷却水在一定水压下，从固定冷却外壳上的冷却水进口进入冷却流体空腔，并从出口流出，形成循环水冷回路，对旋转主轴进行实时冷却，防止感应加热的高温向上传递。高性能合金钢原材料的加热是通过在耐高温金属基空心增材成形工具头外部安装感应加热线圈来实现，耐高温增材成形工具头以及内部的高性能合金钢原材料在感应加热条件下快速升温至所需成形温度。固相增材成形时，通过装备主机对旋转主轴施加向下的压力载荷、扭矩、以及横向速度，加热至成形温度的高性能合金钢原材料从增材成形工具头下端口挤出，在压力载荷以及增材成形工具头端面形状的约束条件下形成压应力状态，通过强力旋转的旋转主轴带动增材成形工具头端面对处于高温压应力状态的高性能合金钢原材料施加剧烈的剪切变形，全过程高性能合金钢原材料未融化，从而实现高性能合金钢的固相增材制造。高性能合金钢原材料在增材成形的同时，高温以及大塑性变形可诱发材料动态再结晶，实现晶粒细化，且无气孔等缺陷，成形构件致密度高，性能优良。
作为优选方案，冷却流体进口位于冷却流体空腔底部，出口位于空腔顶部。本方案可防止冷却流体空腔内的冷却液体混入气泡，影响冷却效果。
作为优选方案，旋转主轴外侧位于冷却流体空腔内的部位，设有散热肋板。本方案可增大旋转主轴的散热面积，提升散热效果。
作为优选方案，旋转主轴与固定冷却外壳之间设有密封圈，密封圈包括上密封圈和下密封圈，上密封圈位于冷却流体空腔上方，下密封圈位于冷却流体空腔下方。本方案提高了冷却流体空腔的密封效果。
作为优选方案，旋转主轴与固定冷却外壳之间设有上隔离轴承和下隔离轴承，上隔离轴承由安装在固定冷却外壳顶端的上密封端盖压紧，下隔离轴承由安装在固定冷却外壳底端的下密封端盖压紧。本方案通过轴承改善旋转主轴与固定冷却外壳之间的转动连接效果。
作为优选方案，旋转主轴为阶梯轴，上隔离轴承的内圈套设在中间阶梯上，内圈顶端由上阶梯抵紧，内圈下端由安装于下阶梯上的轴承锁紧螺母压紧。本方案提供了一种结构形式稳定的轴承安装方式。
综上所述，本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：本发明公开了一种基于感应加热补偿的高性能合金钢固相增材成形装置与工艺，主要用于高性能合金钢等熔点较高的难变形金属材料零件的固相增材制造。装置由旋转主轴、固定冷却外壳、增材成形工具头、感应加热线圈等零件组成，通过挤压送料、感应加热升温、载荷施加等工序实现超高强固相增材成形。其方法是利用感应加热原理实现高性能合金钢的快速加热与软化，并结合搅拌摩擦的剧烈大塑性变形特征，其目的是实现高性能合金钢零件的近锻态组织与性能的固相增材制造。本发明能有效突破高性能合金钢复杂构件的整体高性能成形瓶颈。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。
图1是实施例1基于感应加热补偿的固相增材成形装置剖视图。
图2是实施例1基于感应加热补偿的固相增材成形装置的冷却方案示意图。
图3是实施例2高性能合金钢固相增材制造工艺示意图。
附图标记对应名称：1-旋转主轴、2-上密封端盖、3-上隔离轴承、4-轴承锁紧螺母、5-固定冷却外壳、6-密封圈、7-下隔离轴承、8-下密封端盖、9-增材成形工具头、10-感应加热线圈、A-冷却流体进口、B-冷却流体出口。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“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保护范围的限制。
实施例1
本实施例所要解决的技术问题是：高性能合金钢等高熔点金属材料，在固相增材制造过程中所需温度难以达到。基于此，本实施例提供一种基于感应加热补偿的高性能合金钢固相增材成形装置与工艺，其方法是利用感应加热原理实现高性能合金钢等金属材料的快速加热与软化，并结合搅拌摩擦的剧烈大塑性变形特征，其目的是实现高性能合金钢等金属材料零部件的近锻态组织与性能的固相增材制造，突破高性能合金钢复杂零部件整体高性能制造这一技术瓶颈。
本实施例通过下述技术方案实现：
提供一种基于感应加热补偿的固相增材成形装置，如图1所示，包括旋转主轴1、增材成形工具头9、感应加热线圈10、固定冷却外壳5；旋转主轴1和增材成形工具头9的轴线处设有送料通道，增材成形工具头9固定在旋转主轴1的通道出口端；感应加热线圈10套设在增材成形工具头9外侧，增材成形工具头9由耐高温金属基材料制成；如图2所示，固定冷却外壳5套设于旋转主轴1外部，两者之间形成冷却流体空腔，固定冷却外壳5上设有与空腔连通的冷却流体进口A和冷却流体出口B。
旋转主轴1中心设计送料通道，高性能合金钢原材料(粉、屑、棒、丝等)在送料力的作用下从送料通道由上至下输送至增材成形工具头9部位，调整增材成形工具头9下端面与成形基板的间隙、送料力、以及送料量的大小，使高性能合金钢原材料在增材成形工具头9腔内形成高压。如图2所示，冷却系统循环冷却水在一定水压下，从固定冷却外壳5上的冷却水进口A进入冷却流体空腔，并从出口B流出，形成循环水冷回路，对旋转主轴1进行实时冷却，防止感应加热的高温向上传递。高性能合金钢原材料的加热是通过在耐高温金属基空心增材成形工具头9外部安装感应加热线圈10来实现，耐高温增材成形工具头9以及内部的高性能合金钢原材料在感应加热条件下快速升温至所需成形温度。固相增材成形时，通过装备主机对旋转主轴1施加向下的压力载荷、扭矩、以及横向速度，加热至成形温度的高性能合金钢原材料从增材成形工具头9下端口挤出，在压力载荷以及增材成形工具头9端面形状的约束条件下形成压应力状态，通过强力旋转的旋转主轴1带动增材成形工具头9端面对处于高温压应力状态的高性能合金钢原材料施加剧烈的剪切变形，全过程高性能合金钢原材料未融化，从而实现高性能合金钢的固相增材制造。高性能合金钢原材料在增材成形的同时，高温以及大塑性变形可诱发材料动态再结晶，实现晶粒细化，且无气孔等缺陷，成形构件致密度高，性能优良。
作为优选方案，如图1、图2所示，冷却流体进口A位于冷却流体空腔底部，出口B位于空腔顶部。本方案可防止冷却流体空腔内的冷却液体混入气泡，影响冷却效果。
作为优选方案，如图1、图2所示，旋转主轴1外侧位于冷却流体空腔内的部位，设有散热肋板。本方案可增大旋转主轴1的散热面积，提升散热效果。
作为优选方案，如图1、图2所示，旋转主轴1与固定冷却外壳5之间设有密封圈6，密封圈6包括上密封圈和下密封圈，上密封圈位于冷却流体空腔上方，下密封圈位于冷却流体空腔下方。本方案提高了冷却流体空腔的密封效果。
作为优选方案，如图1，旋转主轴1与固定冷却外壳5之间设有上隔离轴承3和下隔离轴承7，上隔离轴承3由安装在固定冷却外壳5顶端的上密封端盖2压紧，下隔离轴承7由安装在固定冷却外壳5底端的下密封端盖8压紧。本方案通过轴承改善旋转主轴1与固定冷却外壳5之间的转动连接效果。
作为优选方案，如图1，旋转主轴1为阶梯轴，上隔离轴承3的内圈套设在中间阶梯上，内圈顶端由上阶梯抵紧，内圈下端由安装于下阶梯上的轴承锁紧螺母4压紧。本方案提供了一种结构形式稳定的轴承安装方式。
综上所述，本实施例与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：本实施例公开了一种基于感应加热补偿的高性能合金钢固相增材成形装置与工艺，主要用于高性能合金钢等熔点较高的难变形金属材料零件的固相增材制造。装置由旋转主轴1、固定冷却外壳5、增材成形工具头9、感应加热线圈10等零件组成，通过挤压送料、感应加热升温、载荷施加等工序实现超高强固相增材成形。其方法是利用感应加热原理实现高性能合金钢的快速加热与软化，并结合搅拌摩擦的剧烈大塑性变形特征，其目的是实现高性能合金钢零件的近锻态组织与性能的固相增材制造。本实施例能有效突破高性能合金钢复杂构件的整体高性能成形瓶颈。
实施例2
本实施例提供一种高性能合金钢固相增材成形工艺，利用实施例1基于感应加热补偿的固相增材成形装置，如图3所示，实施如下工艺步骤：
①选用粒径150μm左右的30CrMnSiA高性能合金钢粉末作为增材原材料；
②增材成形工具头9下端面与成形基板接触形成密闭腔，30CrMnSiA高性能合金钢粉末原材料在送料压力的作用下从送料通道送至增材成形工具头9部位，并在增材成形工具头9内部形成高压；调节送料压力，使增材成形工具头9内部压强不低于30MPa；
③冷却流体进口A和出口B与冷却系统连通形成冷却循环回路，启动冷却系统，调节冷却水压至0.3～0.4Mpa，形成冷却回路；
④感应加热线圈10由感应加热设备控制，启动感应加热设备，调节设备功率参数，使其交变电流频率为10～15kHz，感应加热电流为1000±50A，功率为25±0.2％kW，使增材成形工具头9(加热部位增材成形工具头9内腔尺寸φ15×30mm)及内部30CrMnSiA高性能合金钢粉末在感应加热的作用下迅速升温至成形温度1000±20℃；
⑤调节增材成形工具头9下端面位置，使其与成形基板形成设定间隙1.5mm，少量粉末挤出间隙；调节送料压力，使增材成形工具头9内部压强保持在30MPa以上；
⑥在保持送料压力的同时启动旋转，调节主轴转速参数和送料压力至设定值，使转速为500±20rmp，压力载荷为6t；
⑦启动横向运动，增材成形工具头9以设定速率横向移动，速率为3mm/s，加热至成形温度1000℃的30CrMnSiA高性能合金钢粉末在送料压力载荷作用下以不低于500cm3/h的速率由增材成形工具头9挤出，实现第一层固相层增材成形，单层固相层厚度为1.3mm左右；
⑧完成一个轨迹的增材成形后，按设定高度1.3mm向上提升增材成形工具头9下端面位置，按照步骤②-⑦开始新一层固相层增材成形，直到增材成形完成整个零部件。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于感应加热补偿的固相增材成形装置，其特征在于：包括旋转主轴、增材成形工具头、感应加热线圈、固定冷却外壳；旋转主轴和增材成形工具头的轴线处设有送料通道，增材成形工具头固定在旋转主轴的通道出口端；感应加热线圈套设在增材成形工具头外侧，增材成形工具头由耐高温金属基材料制成；固定冷却外壳套设于旋转主轴外部，两者之间形成冷却流体空腔，固定冷却外壳上设有与空腔连通的冷却流体进口和出口；
旋转主轴与固定冷却外壳之间设有密封圈，密封圈包括上密封圈和下密封圈，上密封圈位于冷却流体空腔上方，下密封圈位于冷却流体空腔下方；
旋转主轴与固定冷却外壳之间设有上隔离轴承和下隔离轴承，上隔离轴承由安装在固定冷却外壳顶端的上密封端盖压紧，下隔离轴承由安装在固定冷却外壳底端的下密封端盖压紧。
2.根据权利要求1所述的基于感应加热补偿的固相增材成形装置，其特征在于：冷却流体进口位于冷却流体空腔底部，出口位于空腔顶部。
3.根据权利要求2所述的基于感应加热补偿的固相增材成形装置，其特征在于：旋转主轴外侧位于冷却流体空腔内的部位，设有散热肋板。
4.根据权利要求1所述的基于感应加热补偿的固相增材成形装置，其特征在于：旋转主轴为阶梯轴，上隔离轴承的内圈套设在中间阶梯上，内圈顶端由上阶梯抵紧，内圈下端由安装于下阶梯上的轴承锁紧螺母压紧。
5.高性能合金钢固相增材成形工艺，其特征在于，利用权利要求1-4任意一项所述的基于感应加热补偿的固相增材成形装置，实施如下工艺步骤：
①选用高性能合金钢粉末作为增材原材料；
②增材成形工具头下端面与成形基板接触形成密闭腔，高性能合金钢粉末原材料在送料压力的作用下从送料通道送至增材成形工具头部位，并在增材成形工具头内部形成高压；
③冷却流体进口和出口与冷却系统连通形成冷却循环回路，启动冷却系统，调节冷却水压；
④感应加热线圈由感应加热设备控制，启动感应加热设备，调节设备功率参数，使增材成形工具头及内部高性能合金钢粉末升温至成形温度；
⑤调节增材成形工具头下端面位置，使其与成形基板形成设定间隙；
⑥在保持送料压力的同时启动旋转，调节转速和送料压力至设定值；
⑦启动横向运动，增材成形工具头以设定速率横向移动，加热至成形温度的高性能合金钢粉末在送料压力载荷作用下以一定速率由增材成形工具头挤出；
⑧实现第一层固相层增材成形之后，按设定高度提升增材成形工具头下端面位置，按照步骤②-⑦开始新一层固相层增材成形，直到增材成形完成整个零部件。
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