一种主动控制电弧增材制造层间温度的装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种主动控制电弧增材制造层间温度的装置，其特征在于，温度闭环控制结构Ⅰ主要由红外线测温仪、电磁感应加热装置、冷却装置、液压驱动装置Ⅰ、液压驱动装置Ⅱ、第一伺服电机、第二伺服电机、激光测距仪及支承平板等构成，所述的红外线测温仪的测温位置由第一伺服电机控制，用于快速获取每一层堆积完成后表面的温度范围，并将测量值实时传输给主控系统，同时根据预先设定的层间温度，主控系统通过控制电磁感应加热装置、冷却装置对先成形部分的局部施加感应加热及强制冷却作用，从而实现主动控制层间温度的目的。本发明专利技术用于电弧增材制造技术领域不仅提高了零件的成形效率、形貌质量及力学性能，且具有控温精度高等优点。

Device for active control of inter layer temperature by adding material by arc

The invention discloses a device for active control of arc increasing material manufacturing layer temperature, which is characterized in that the temperature closed-loop control structure is mainly composed of infrared thermometer, electromagnetic induction heating device, a cooling device, a hydraulic driving device of hydraulic driving device, the first second II servo motor, servo motor, laser rangefinder and support a flat, infrared thermometer the temperature measurement by the first position servo motor control, for quick access to every layer surface temperature range is completed, and the measured value of real-time transmission to the main control system, at the same time according to the preset temperature between layers, the main control system by controlling the electromagnetic induction heating and cooling device the local device applied by induction heating and cooling effect to forming part, so as to realize the active control of layer temperature to. The invention is applied to the field of electric arc increasing material manufacturing technology, and not only improves the forming efficiency, the appearance quality and the mechanical property of the parts, but also has the advantages of high temperature control precision, etc..

【技术实现步骤摘要】
一种主动控制电弧增材制造层间温度的装置
本专利技术属于增材制造
，具体涉及一种主动控制电弧增材制造层间温度的装置。
技术介绍
增材制造技术是一种基于离散-堆积原理，在计算机的辅助下，采用送丝或铺粉的方式，以高能束（激光、电子束、等离子、电弧）为热源将熔融原材料逐层熔敷堆积实现零件的无模具、快速成形的制造工艺。电弧增材制造技术是指以电弧（TIG焊、MIG焊、MAG焊或CMT焊、）为热源，采用同步送丝的方式用于制造以不锈钢钢、高强度合金钢及碳钢等为原料的高性能复杂零件的一种工艺。相比于以激光、电子束、等离子为热源的增材制造技术，该技术具有生产效率高、生产成本低、原料利用率高及力学性能好等优点，尤其适用于汽车及航空等领域的大型化、复杂化、轻量化的整体构件的制造。目前，电弧增材制造技术在控形控性方面仍然面临着较大的困难，关键的原因之一在于层间温度的控制。实质上，电弧增材制造过程是一个微铸造的过程，熔池通过由“点-线-面”的过程实现零件的实体制造。在逐层堆积的过程中，先成形部分的热积累量不断增加，导致层间温度升高。当层间温度高于某一临界值时，熔液流动性较强，导致熔池的抗干扰能力极大降低，尤其在成形件边缘部分极易产生“流淌”现象，严重降低了零件的尺寸精度。当层间温度过低时，熔池凝固速度较快，熔液的流动性较低，极易导致层间形成未焊合孔洞缺陷，严重降低了零件的力学性能。因此，在电弧增材制造过程中，有效地控制层间温度是提高零件表面质量及力学性能的关键途径之一。针对上述面临的问题，目前研究者主要采用红外线测温仪及热电偶等仪器，通过增加层间冷却时间的方法控制层间温度的变化，如哈尔滨工业大学张广军教授研究了采用GMAW增材制造技术成形壁形件过程中温度的变化，实验表明：在增材制造过程中，通过增加层间间隔时间控制层间温度的变化范围有利于提高零件的表面质量及尺寸精度，同时，过长地层间冷却时间并不能有效地降低零件的热积累量，且增加了成形件的生产时间（参见YangD,WangG,ZhangG.Thermalanalysisforsingle-passmulti-layerGMAWbasedadditivemanufacturingusinginfraredthermography[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2017,244:215-224）。此外，研究者通过加热或强制冷却承载堆积零件的基板以控制层间温度的变化，虽然可在一定程度上提高零件先成形部分的散热速率，降低了层间冷却时间，从而提高了电弧增材制造技术的成形效率，但是，该方法不能形成有效地温度闭环控制系统，同时试验表明，在电弧增材制造过程中，随着堆积层数的增加，零件的散热表面不断增加，当零件的先成形部分堆积到一定高度时，通过基板散失的热量大大降低，导致基板温度的变化对后续堆积层表面温度的影响减弱（参见ZhaoHH,ZhangGJ,YinZQ,etal.A3Ddynamicanalysisofthermalbehaviorduringsingle-passmulti-layerweld-basedrapidprototyping[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2011,211(3):488）。因此仅仅通过加热及强制冷却基板的方法控制层间温度的变化仍然存在极大的局限性。针对目前面临的难题，本专利技术基于电磁感应加热原理及丝材电弧增材制造技术的成形特点，专利技术了一种具有温度闭环控制系统的成形装置，该装置不仅具有结构简单、控温精度高及自动化程度高等优点，且能够实现主动控制电弧增材制造层间温度的目的。
技术实现思路
针对目前面临的难题，本专利技术公开了一种主动控制电弧增材制造层间温度的装置，该装置设计有温度闭环控制系统，在丝材电弧增材制造过程中，随着堆积层数的增加，温度闭环控制系统通过电磁感应加热装置及冷却装置对基板或零件的先成形部分施加感应加热及强制冷却的作用以快速调整层间温度值，从而实现主动控制层间温度的目的。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是：一种主动控制电弧增材制造层间温度的装置，其特征在于：它主要由温度闭环控制结构Ⅰ及主控系统10等构成，温度闭环控制结构Ⅰ主要由红外线测温仪2、滚珠丝杠3、电磁感应加热线圈4、第一伺服电机5、激光测距仪11、液压杆Ⅰ、液压杆Ⅱ、液压驱动装置Ⅰ、液压驱动装置Ⅱ、冷却装置、第二伺服电机14、滚柱丝杆15、支承平板17、基板18及底座13等组成；所述的第一伺服电机5安装在固定卡槽6的上面，所述的冷却装置主要由冷却喷嘴7及冷却介质管道8等组成，所述的冷却喷嘴7以螺纹连接的方式分布固定在冷却介质却管道8的内侧壁上，冷却介质经过冷却喷嘴7对的先成形件的局部施加强制冷却作用；在所述的冷却介质管道8的输入端上设置有自动控制阀门，并通过主控系统10控制阀门的运行状态，所述的冷却介质管道8安装在固定卡槽20上使其环绕在成形件周围；所述的基板18放置在支承平板17上，基板18用于承载堆积成形的零件。所述的一种主动控制电弧增材制造层间温度的装置，所述的红外线测温仪2通过滚柱丝杠3与第一伺服电机5相连接，第一伺服电机5控制红外线测温仪2的测温位置以快速获取每一层堆积完成后表面的温度范围，并将测量值实时传输给主控系统10。所述的一种主动控制电弧增材制造层间温度的装置，所述的电磁感应加热线圈4采用由铜材料制成的螺线管，所述的电磁感应加热线圈4的形状与成形件分层截面的轮廓基本一致，根据成形件的形状特征，电磁感应加热线圈4可设计成圆形、矩形及其他特殊形状。所述的一种主动控制电弧增材制造层间温度的装置，所述的固定卡槽6的内侧依次设置有磁屏蔽层23、橡胶层24、绝缘隔热层25以包裹在电磁感应加热线圈4的周围，并利用固定螺栓19对电磁感应加热线圈4施加紧固作用。所述的一种主动控制电弧增材制造层间温度的装置，所述的激光测距仪11固定在底座13上，并与主控系统10连接，用于辅助控制支承平板16的运动状态。所述的一种主动控制电弧增材制造层间温度的装置，所述的液压驱动装置Ⅰ、液压驱动装置Ⅱ分别通过液压杆Ⅰ、液压杆Ⅱ调整电磁感应加热线4及冷却装置沿成形件堆积高度方向的位置；所述的冷却装置位于电磁感应加热线圈4沿成形件堆积高度方下面的一定距离内。所述的一种主动控制电弧增材制造层间温度的装置，所述的第二伺服电机14通过滚柱丝杠15与支承平板17相连接，用于调整支承平板17每次下降的距离以控制堆积成形过程中层厚的变化。所述的一种主动控制电弧增材制造层间温度的装置，所述的滚珠丝杆15与支承平板17之间设置有绝缘隔热层16以避免温度变化对滚珠丝杆的影响。所述的一种主动控制电弧增材制造层间温度的装置，其特征在于：冷却装置采用空气或循环冷却水两种介质。进一步，所述的一种主动控制电弧增材制造层间温度的装置，其特征在于：所述的电弧增材制造技术是指基于MAG焊、MIG焊或CMT焊为热源，采用同步送丝的方式制造以不锈钢、高强度合金钢及碳钢为原料的金属零件的一种成形技术。优选的，所述的电磁感应加热线圈采用由紫铜材料制成的多匝螺线管，匝数根据加热区域的长度确定。优选的，所述的电磁感应加热方式可采用超低频、低频或本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种主动控制电弧增材制造层间温度的装置，其特征在于，它主要由温度闭环控制结构Ⅰ及主控系统10构成，所述的温度闭环控制结构Ⅰ主要由红外线测温仪2、滚柱丝杠3、电磁感应加热线圈4、第一伺服电机5、激光测距仪11、液压杆Ⅰ、液压杆Ⅱ、液压驱动装置Ⅰ、液压驱动装置Ⅱ、冷却装置、第二伺服电机14、滚柱丝杆15、支承平板17、固定卡槽20、基板18及底座13等组成；所述的第一伺服电机5安装在固定卡槽6的上面，所述的固定卡槽20与液压杆Ⅱ相连接，所述的冷却装置主要由冷却喷嘴7及冷却介质管道8等组成，所述的冷却喷嘴7以螺纹连接的方式分布固定在冷却介质却管道8的内侧壁上，在所述的冷却介质管道8的冷却介质输入端设置有自动控制阀门，并通过主控系统10控制阀门的运行状态，所述的冷却介质管道8安装在固定卡槽20上使其环绕在成形件周围；所述的基板18放置在支承平板17上，基板18用于承载堆积成形的零件。

【技术特征摘要】
1.一种主动控制电弧增材制造层间温度的装置，其特征在于，它主要由温度闭环控制结构Ⅰ及主控系统10构成，所述的温度闭环控制结构Ⅰ主要由红外线测温仪2、滚柱丝杠3、电磁感应加热线圈4、第一伺服电机5、激光测距仪11、液压杆Ⅰ、液压杆Ⅱ、液压驱动装置Ⅰ、液压驱动装置Ⅱ、冷却装置、第二伺服电机14、滚柱丝杆15、支承平板17、固定卡槽20、基板18及底座13等组成；所述的第一伺服电机5安装在固定卡槽6的上面，所述的固定卡槽20与液压杆Ⅱ相连接，所述的冷却装置主要由冷却喷嘴7及冷却介质管道8等组成，所述的冷却喷嘴7以螺纹连接的方式分布固定在冷却介质却管道8的内侧壁上，在所述的冷却介质管道8的冷却介质输入端设置有自动控制阀门，并通过主控系统10控制阀门的运行状态，所述的冷却介质管道8安装在固定卡槽20上使其环绕在成形件周围；所述的基板18放置在支承平板17上，基板18用于承载堆积成形的零件。2.根据权利要求1所述的一种主动控制电弧增材制造层间温度的装置，其特征在于：红外线测温仪2通过滚柱丝杆3与第一伺服电机5相连接，第一伺服电机5通过调整红外线测温仪2的测温位置以快速获取每一层堆积完成后表面温度的变化，并将测量值实时传输给主控系统10。3.根据权利要求1所述的一种主动控制电弧增材制造层间温度的装置，其特征在于：电磁感应加热线圈4采用由铜材料制成的螺线管，根据成形件的形状特征，电磁感应加热线圈4的形状与成形件分层截面的轮廓基本一致，其形状可设计成圆形、矩形及其他特殊形状。4.根据权利要求1所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱锦文，宋二军，欧艳，肖逸锋，许艳飞，吴靓，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43