一种颗粒规律分布的金属基复合材料的加工装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种颗粒规律分布的金属基复合材料的加工装置及方法，包括壳体部分和装在其内部的工作台、颗粒泡沫模板输送系统、粉料输送系统、集成式激光系统，及计算机控制系统和惰性保护气系统，计算机根据输入的复合材料模型通过激光控制器来控制激光器发射，将送入工作缸内的原料粉末进行烧结，控制驱动器将含有颗粒的塑料泡沫模板送入到工作岗位的相应区域，在激光烧结过程中塑料泡沫高温下分解剩余的颗粒与原料粉末被烧结在一起，这样逐层加工最终便可得到与计算机中模型结构一样的金属基复合材料。本发明专利技术通过控制塑料泡沫中颗粒的间隔、大小、形状从而来控制复合材料中颗粒的分布参数和结构尺寸，加工的颗粒增强复合材料结合强度优。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及到一种颗粒规律分布的金属基复合材料加工装置和方法，采用激光逐层加工的技术加工出特殊结构的金属基颗粒增强复合材料。
技术介绍
随着国家航空、航天、汽车、军事等精尖领域的蓬勃发展，材料的性能严重影响着机械及其构件的性能。金属基颗粒增强复合材料不仅具有高比强度、高比刚度、低密度和可控膨胀性的优良特性，同时它还具有摩擦性能优良，降振，自润滑等特点。颗粒增强复合材料越来越多的被应用在各个领域。颗粒的结构参数和在基体中的分布参数严重影响着复合材料的综合力学性能，目前金属基颗粒增强复合材料的制造方法主要有挤压复合法、搅拌铸造法、喷射沉积复合法、自蔓延高温合成法、粉末冶金法等，上述集中加制造方法都存在着一些缺陷。其中，挤压复合法不能连续制造，效率较低；搅拌铸造法存在搅拌不均匀，易混入气体造成孔洞的缺陷，同时铸造模具增加了制造成本；喷射沉积复合法会使得带坯的厚度不均匀，过程复杂，成本较高；自蔓延高温合成法反应剧烈难以控制，内部颗粒易形成团簇，分布不均匀；粉末冶金法在没有批量的情况下要考虑零件的大小，此外它的模具成本较高。上述的这些制造方法加工的颗粒增强复合材料中颗粒大多是以随机分布为主，无法控制颗粒在基体材料中的分布规律。近年来3D打印技术在制造业中快速崛起，它具有成型速度快、成型件的精度高、无污染等优点，已被广泛的应用于医疗用品、航空航天、汽车、建筑设计等领域，打印用的材料也丰富多样，3D打印可对金属、高分子、石蜡、陶瓷粉等原材料进行加工。其优良的加工性能也受到了金属基颗粒增强复合材料加工的青睐。其中，中国专利申请CN201310694934.5公布了一种铝基碳化硅颗粒增强复合材料及其构件的成型装置及方法，其将铝粉和碳化硅粉末均匀混合后，再通过3D打印技术，使铝基碳化硅颗粒增强复合材料及其构件的快速成型。而中国专利申请CN201620223815.0公布了一种利用3D打印技术制备内置夹杂金属式样的工作台，用来制备出合格的含内置夹杂物的金属试样。但是，现有的这些3D打印技术不能控制颗粒或夹杂物的空间分布参数和分布规律。针对颗粒规律分布的金属基颗粒增强复合材料及其构件的直接成型技术，提出本专利技术。为今后特殊结构的金属基颗粒增强复合材料的研究工作提供了有效的实验基础，并具有很好的商业发展前景。
技术实现思路
本专利技术针对现有的技术问题，提供一种颗粒规律分布的金属基复合材料的加工装置及方法，目的是针对现有金属基颗粒增强复合材料内部颗粒随机分布、成型工艺复杂、效率低、二次加工难困难等问题，拟解决现有技术存在的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种颗粒规律分布的金属基复合材料的加工装置，其特征在于，其包括壳体部分和装在其内部的工作台、颗粒泡沫模板输送系统、粉料输送系统、集成式激光系统，以及计算机控制系统和辅助用的惰性保护气系统，工作台固定在侧壁（13）上，所述的壳体部分上部设置有顶盖；所述的工作台包括工作缸（25）、两个粉料缸（24、26）、推杆电机（15、17、20）、推杆（16、18、21），所述的工作缸（25）位于两个粉料缸（24、26）中间，工作缸和两个粉料缸的下方均设有使各缸地板相对于缸体做上下往复运动的推杆电机（15、17、20），所述的推杆电机与所述的推杆连接；颗粒泡沫模板输送系统包括驱动器（8）和推送架（10），所述的驱动器（8）和推送架（10）均安装在工作台上，它们均安装在工作台靠近扇形中心的位置，驱动器轴线、推送架对称轴和扇形工作缸的对称轴三线重合，推送架（10）与驱动器（8）相连；粉料输送系统包括摆动电动机（19）、传动轴（23）、Z型摆杆（3）、铺粉辊筒（2），摆动电动机安装在底座（14）上，传动轴（23）将摆动电动机（19）输入的运动传递给Z型摆杆（3），铺粉辊筒（2）安装在Z型摆杆（3）的末端；所述的集成式激光系统包括集成式激光控制器（7）、激光器（6）和精密XY坐标移动架（4），其中精密XY坐标移动架安装在顶盖（5）上，集成式激光控制器（7）安装在精密XY坐标移动架（4）上，激光器（6）安装在集成式激光控制器（7）上；计算机控制系统通过数据线与集成式激光控制器（7）、粉料输送系统的摆动电动机（19）、颗粒泡沫模板输送系统驱动器（8）、推杆电机（15、17、20）相连；惰性保护气系统包括惰性保护气瓶（1）和真空泵（22），其中惰性保护气瓶（1）安放在侧壁（13）上，工作腔（11）上端与惰性保护气瓶（1）相通，下端与真空泵（22）相通。进一步，作为优选，所述集成式激光控制器（7）内有激光器控制卡和驱动装置，驱动装置可使得激光器（6）随着激光控制器（7）在精密XY坐标移动架（4）上沿X、Y方向自由移动。进一步，作为优选，所述的激光器（6）为多纤耦合激光器其输出功率为500W—1000W，其扫描速度为100mm/s—1000mm/s。进一步，作为优选，所述的Z型摆杆（3）在摆动电动机（19）的带动下周期的往复摆动，其摆动区域覆盖了两个粉料缸（24、26）和位于它们中间的工作缸（25），摆动电动机（19）的摆角为70度，摆动频率由计算机控制。进一步，作为优选，工作缸（25）和粉料缸（24、26）上表面位于同一平面，推杆（18）一端与工作缸（25）下底板相连接另一端与推杆电机（17）相连，推杆（16，21）的一端分别与粉料缸（24、26）的下底板相连，推杆（16，21）的另一端则分别与推杆电机（15、20）相连，所述推杆电机为有刷直流电动机，推杆的步进量由计算机控制。进一步，作为优选，所述的推送架（10）在驱动器（8）的作用下在平行于工作台的平面内做径向的直线往复运动，所述的推送架（10）的托台平面略高于工作缸（25）的平面，以便于将颗粒泡沫模板（9）顺利的送入到工作缸（25）内的相应区域。进一步，作为优选，所述的颗粒泡沫模板（9）由两块塑料泡沫模板粘合而成，其中一块塑料泡沫模板上制有规律排列的凹坑，每一个凹坑内都填充有相应规格的增强颗粒，两块塑料泡沫板粘合在一起将颗粒固定在塑料泡沫模板（9）中，所述的塑料泡沫板在高温下会自动分解。进一步，作为优选，所述的惰性保护气瓶（1）为氩气瓶。此外，本专利技术提供了使用所述加工装置制备颗粒规律分布的金属基复合材料的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：（1）加工出所需规格的塑料泡沫板的凹模和盖板，将增强颗粒放入凹模中并用盖板覆盖粘结成颗粒泡沫模板（9），将其放入在推送架（10）上；（2）将基体粉料分别放入到粉料缸（24、26）中；（3）将颗粒规律分布的颗粒增强复合材料的立体STL模型导入到计算机（12）的3D打印控制系统中；（4）打开真空泵（22）将装置内的空气抽出直至真空状态，关闭真空泵（22）后打开惰性保护气瓶（1）；（5）在计算机（12）的激光成型控制系统的作用下，集成式激光系统、粉料输送系统、工作台、颗粒泡沫模板输送系统协同工作，在规定的位置，颗粒泡沫模板（9）会被送入激光加工区域，工作缸（25）的底板缓慢下降，工作缸（25）表面的粉料材料逐层铺设后则被激光烧结成型制成与计算机（12）中三维数字模型结构一致的复合材料；（6）从工作缸（25）中取出加工成型后的复合材料制品并对其表面进行清理；进一步，作为优选，所述的步骤（1）中的增强本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种颗粒规律分布的金属基复合材料的加工装置，其特征在于，其包括壳体部分和装在其内部的工作台、颗粒泡沫模板输送系统、粉料输送系统、集成式激光系统，以及计算机控制系统和辅助用的惰性保护气系统，工作台固定在侧壁（13）上，所述的壳体部分包括顶盖（5）、侧壁（13）、底座（14）；所述的工作台包括工作缸（25）、两个粉料缸（24、26）、推杆电机（15、17、20）、推杆（16、18、21），所述的工作缸（25）位于两个粉料缸（24、26）中间，工作缸和两个粉料缸的下方均设有使各缸地板相对于缸体做上下往复运动的推杆电机（15、17、20），所述的推杆电机与所述的推杆连接；颗粒泡沫模板输送系统包括驱动器（8）和推送架（10），所述的驱动器（8）和推送架（10）均安装在工作台上，推送架（10）与驱动器（8）相连；粉料输送系统包括摆动电动机（19）、传动轴（23）、Z型摆杆（3）、铺粉辊筒（2），摆动电动机安装在底座（14）上，传动轴（23）将摆动电动机（19）输入的运动传递给Z型摆杆（3），铺粉辊筒（2）安装在Z型摆杆（3）的末端；所述的集成式激光系统包括集成式激光控制器（7）、激光器（6）和精密XY坐标移动架（4），其中精密XY坐标移动架安装在顶盖（5）上，集成式激光控制器（7）安装在精密XY坐标移动架（4）上，激光器（6）安装在集成式激光控制器（7）上；计算机控制系统通过数据线与集成式激光控制器（7）、粉料输送系统的摆动电动机（19）、颗粒泡沫模板输送系统驱动器（8）、推杆电机（15、17、20）相连；惰性保护气系统包括惰性保护气瓶（1）和真空泵（22），其中惰性保护气瓶（1）安放在侧壁（13）上，工作腔（11）上端与惰性保护气瓶（1）相通，下端与真空泵（22）相通。...

【技术特征摘要】
1.一种颗粒规律分布的金属基复合材料的加工装置，其特征在于，其包括壳体部分和装在其内部的工作台、颗粒泡沫模板输送系统、粉料输送系统、集成式激光系统，以及计算机控制系统和辅助用的惰性保护气系统，工作台固定在侧壁（13）上，所述的壳体部分包括顶盖（5）、侧壁（13）、底座（14）；所述的工作台包括工作缸（25）、两个粉料缸（24、26）、推杆电机（15、17、20）、推杆（16、18、21），所述的工作缸（25）位于两个粉料缸（24、26）中间，工作缸和两个粉料缸的下方均设有使各缸地板相对于缸体做上下往复运动的推杆电机（15、17、20），所述的推杆电机与所述的推杆连接；颗粒泡沫模板输送系统包括驱动器（8）和推送架（10），所述的驱动器（8）和推送架（10）均安装在工作台上，推送架（10）与驱动器（8）相连；粉料输送系统包括摆动电动机（19）、传动轴（23）、Z型摆杆（3）、铺粉辊筒（2），摆动电动机安装在底座（14）上，传动轴（23）将摆动电动机（19）输入的运动传递给Z型摆杆（3），铺粉辊筒（2）安装在Z型摆杆（3）的末端；所述的集成式激光系统包括集成式激光控制器（7）、激光器（6）和精密XY坐标移动架（4），其中精密XY坐标移动架安装在顶盖（5）上，集成式激光控制器（7）安装在精密XY坐标移动架（4）上，激光器（6）安装在集成式激光控制器（7）上；计算机控制系统通过数据线与集成式激光控制器（7）、粉料输送系统的摆动电动机（19）、颗粒泡沫模板输送系统驱动器（8）、推杆电机（15、17、20）相连；惰性保护气系统包括惰性保护气瓶（1）和真空泵（22），其中惰性保护气瓶（1）安放在侧壁（13）上，工作腔（11）上端与惰性保护气瓶（1）相通，下端与真空泵（22）相通。2.根据权利要求1所述的一种颗粒规律分布的金属基复合材料的加工装置，其特征在于：所述集成式激光控制器（7）内有激光器控制卡和驱动装置，驱动装置可使得激光器（6）随着激光控制器（7）在精密XY坐标移动架（4）上沿X、Y方向自由移动。3.根据权利要求1所述的一种颗粒规律分布的金属基复合材料的加工装置，其特征在于：所述的激光器（6）为多纤耦合激光器其输出功率为500W—1000W，其扫描速度为100mm/s—1000mm/s。4.根据权利要求1所述的一种颗粒规律分布的金属基复合材料的加工装置，其特征在于：所述的Z型摆杆（3）在摆动电动机（19）的带动下周期的往复摆动，其摆动区域覆盖了两个粉料缸（24、26）和位于它们中间的工作缸（25）。5.根据权利要求1所述的一种颗粒规律分布的金属基复...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈克应，曾良才，郑飞龙，陈娟，胡光武，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42