一種基于高頻感應加熱的金屬材料熔融擠出裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于高頻感應加熱的金屬材料熔融擠出裝置，包括：感應加熱本體、感應加熱線圈、高頻電源、送料裝置、送氣裝置、檢測和控制操作系統(tǒng)、裝置支架及其他輔助裝置等。該裝置首先利用高頻電源向感應加熱線圈通入高頻交流電，使得處以感應加熱線圈內(nèi)部的本體產(chǎn)生渦流效應而被迅速加熱，然后通過送料裝置將固態(tài)金屬原材料送入感應加熱本體內(nèi)空腔進行實時熔化，最后使熔融態(tài)金屬液由感應加熱本體下端的噴嘴流出，并通過送料速度和噴嘴孔徑來控制熔融金屬的噴出直徑和噴出速度。該裝置具有體積小、重量輕、加熱速度快、溫控精度及熔融擠出效率高等優(yōu)點，同時利用高頻感應加熱，可以有效解決現(xiàn)有熔融沉積工藝噴頭無法實現(xiàn)金屬材料零部件快速打印成形的技術問題。
【專利說明】一種基于高頻感應加熱的金屬材料熔融擠出裝置【技術領域】
[0001]一種基于高頻感應加熱的金屬材料熔融擠出裝置。
【背景技術】
[0002]快速成型技術(Rapid Prototyping，RP)，又稱快速原型技術，是20世紀80年代中后期發(fā)展起來的一種觀念全新的現(xiàn)代制造技術，該技術基于離散/堆積成形原理，是由CAD模型直接驅動的快速制造任意復雜形狀三維物理實體的技術總稱。這門嶄新的技術不僅在成型方法上開辟了與傳統(tǒng)方法截然不同的思路，而且為產(chǎn)品開發(fā)提供了一套新的流程，對傳統(tǒng)制造業(yè)組織結構產(chǎn)生了沖擊?？焖俪尚图夹g是繼數(shù)控技術之后制造業(yè)的又一次重大革命O
[0003]熔融堆積成形技術(Fused Deposition Modeling, FDM)是80年代末期發(fā)展起來的一種快速成成型技術。該技術由美國學者Scott Crump博士于1988年率先提出，并由美國Stratasys公司開發(fā)成功第一臺相關技術設備和實現(xiàn)商業(yè)化。該工藝采用熱能加熱熱塑性材料，并從擠出頭擠出熔融材料從而逐層堆積出原型件。目前，美國Stratasys公司、MedModeler公司、清華大學以及北京太爾時代科技有限公司等針對FDM成形工藝、材料及設備開展了廣泛的研究，并取得了較多成果。由于目前所研發(fā)FDM設備主要用于絲狀或顆粒狀熱塑性材料(如ABS、PC、PU、尼龍或蠟等)的熔融堆積成形，所制模具及零部件較金屬制件在強度和韌性方面存在較大差距，因此極大限制了其實際功能應用。而金屬零部件的快速制造是快速成型技術要實現(xiàn)的最重要目標，也是該技術發(fā)展的必然方向。美國Stratasys公司開發(fā)出能用FDM工 藝成形的金屬材料，將金屬粉與粘結劑混合均勻，然后擠壓成具有足夠彎曲強度和粘著度的絲，供FDM設備成形使用，制造出不銹鋼、鎢及碳化鎢材料的零件。該工藝過程需要對成形件進行后續(xù)熱處理加工過程，一方面使金屬粉實現(xiàn)冶金結合，另一方面使粘結劑從成形件中揮發(fā)出來，整個成形過程繁瑣且周期較長。
[0004]感應加熱是利用輸入感應線圈中的交變電流來產(chǎn)生交變電磁場，在交變電磁場的作用下使得處于線圈中被加熱工件內(nèi)部的自由電子形成高速旋轉渦流運動，最終產(chǎn)生焦耳熱使工件達到加熱或融化的效果。利用高頻感應加熱，可以實現(xiàn)多種金屬工件及材料的快速高效加熱或熔融，同時該類裝置還具有體積小、重量輕、加熱均勻且溫控精度高等優(yōu)點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種金屬材料熔融擠出裝置，用于解決現(xiàn)有熔融堆積工藝裝置無法實現(xiàn)金屬材料零部件快速成形的技術問題。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于高頻感應加熱的金屬材料熔融擠出裝置，該裝置包括:固定于裝置支架上的感應加熱本體；纏繞于感應加熱本體外側的感應加熱線圈；與感應加熱線圈相連接的高頻電源；固定于裝置支架上的送料裝置；送氣裝置；檢測和控制操作系統(tǒng)；其他輔助裝置等。
[0007]進一步地，所述感應加熱本體還包括:導料直管、保護氣體罩、熔融金屬液穩(wěn)流腔、噴嘴等。該感應加熱本體具有雙層內(nèi)空腔結構，內(nèi)外兩空腔分別與送料裝置和送氣裝置相連通，根據(jù)不同尺寸金屬料的導出要求，可以更換使用具有不同尺寸及內(nèi)孔徑的導料直管。
[0008]進一步地，所述感應加熱線圈為內(nèi)部可通循環(huán)冷卻水的中空銅管或高頻軟線纜，該感應加熱線圈是感應加熱爐的核心部分，根據(jù)所要熔融金屬材料的性質、加熱穩(wěn)定性以及噴射效率來計算感應加熱線圈的電參數(shù)，確定加熱所需的功率與所選用的電壓，確定感應線圈的幾何尺寸與匝數(shù)。
[0009]進一步地，所述送料裝置既可以采用兩種不同的結構:一種結構包括金屬絲盤和摩擦輪，該結構通過摩擦輪的旋轉與金屬絲材之間產(chǎn)生摩擦推動力，將金屬絲導入下端感應加熱本體的導料直管內(nèi)空腔；另一種結構包括儲料倉、導料管、螺桿及電機等。該結構通過螺桿的旋轉擠出作用將儲料倉內(nèi)的金屬絲材、單一或混合金屬顆粒材料導入下端感應加熱本體的導料直管內(nèi)空腔。
[0010]進一步地，所述送氣裝置，通過導氣管與感應加熱熔融擠出爐相連接，用以向感應加熱熔融擠出爐送入惰性氣體，保護熔融金屬液，防止氧化。
[0011]進一步地，所述檢測和控制操作系統(tǒng)包括:遠程控制PC機、熱電偶、檢測和控制操作面板，用以檢測和控制感應加熱本體內(nèi)部溫度、冷卻水循環(huán)、送料速度等，檢測和控制操作面板還包括:加熱開關一用以啟動、停止加熱；電源開關一設備內(nèi)部控制電路的開關；冷卻水循環(huán)開關一設備冷卻水循環(huán)的開關；轉換開關一用以設備手動控制和遠程控制的切換；時間繼電器一用以設置加熱時間；數(shù)字溫度表一顯示正常工作時的感應加熱本體的溫度；電機轉速調(diào)節(jié)——用以正常工作時的電機轉速(送料速度)調(diào)節(jié)；功率調(diào)節(jié)一用以正常工作時的功率調(diào)節(jié)；遠控接頭一用以遠程控制器和設備的連接；過壓指示燈一電壓過高時顯亮并報警；缺水指示燈一設備供水系統(tǒng)出現(xiàn)故障時顯亮并報警。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明基于高頻感應加熱的金屬材料熔融擠出裝置的結構示意圖。
[0013]圖2是本發(fā)明基于驅動輪摩擦推動作用的金屬絲材送料裝置及相應感應加熱熔融擠出爐的結構示意圖。
[0014]圖3是本發(fā)明基于螺桿旋轉擠出作用的金屬絲材、單一或混合金屬顆粒材料送料裝置及相應感應加熱熔融擠出爐的結構示意圖。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]以下結合附圖對本發(fā)明實施例進行詳細說明。
[0016]參考附圖f 3，本發(fā)明一種基于高頻感應加熱的金屬材料熔融擠出裝置是感應加熱本體、感應加熱線圈、高頻電源、送料裝置、送氣裝置、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、檢測和控制操作系統(tǒng)及他輔助裝置等組成。
[0017]高頻電源把普通電源變成高壓高頻低電流輸出，其頻率的高低根據(jù)加熱金屬材料而定，該高頻發(fā)生器(I)外殼上端裝有提手(6)，方便其放入和取出裝置支架(5)。
[0018]送氣裝置包括:儲氣罐體(4)、導氣管(11)、減壓閥及氣流量控制裝置，通過導氣管(11)連通儲氣罐體(4)和感應加熱本體(12)外層空腔，使保護氣體(氬氣)從感應加熱本體(12)末端噴嘴(20外側圓環(huán)微小間隙吹出，對噴射出熔融金屬液形成氣罩保護，防止其氧化。裝置支架(5)，用以支撐和固定整體裝置，支架(5)下方裝有滾輪(7)，方便整體裝置的移動。
[0019]冷卻水循環(huán)系統(tǒng)包括:冷卻水循環(huán)泵(14)、進水管道(15)、回水管道(16)、高頻電源(I)及感應加熱線圈(13 )內(nèi)部冷卻水循環(huán)系統(tǒng)等，通過內(nèi)部冷卻水循環(huán)可以防止高頻電源(I)及感應加熱線圈(13)在運行過程中因電氣元件溫度的急劇上升而造成燒壞。
[0020]在使用該裝置進行金屬材料熔融擠出之前，首先要確定以下幾項事宜。
[0021]1、確定所用金屬材料形狀及尺寸等，通過計算選擇所需的電源輸出頻率、感應加熱線圈(13)幾何尺寸及匝數(shù)、感應加熱本體(12)尺寸及導料直管(17)內(nèi)孔徑、送料速度等，并計算出所需加熱時間。同時，確定所需循環(huán)冷卻水壓力及惰性氣體送氣量大小。
[0022]2、確定感應加熱本體(12)及送料裝置已完好固定在裝置支架(5 )上。
[0023]3、確定感應加熱本體(12)與外部電源、送料裝置、送氣裝置及遠程控制PC機(3)已經(jīng)連接好，并確定感應加熱本體(12)、送料裝置、送氣裝置及冷卻水循環(huán)系統(tǒng)在遠程控制PC機(3)的控制下能夠正常工作。
[0024]4、如采用基于驅動輪摩擦推動作用的絲狀金屬料送料裝置，需將金屬絲盤(8)固定于預定位置，并確定金屬絲(9)通過摩擦輪(10)可以完好導入導料直管(17)內(nèi)孔。如采用基于螺桿旋轉擠出作用的絲狀金屬料送料裝置，需將金屬絲盤(8)固定于預定位置，然后使金屬絲(9)通過導料管(24)能夠順利卡入螺桿(23)凹槽內(nèi)，并確定金屬絲(9)通過螺桿
(23)的旋轉擠出作用可以完好導入導料直管(17)內(nèi)孔。如采用基于螺桿旋轉擠出作用的顆粒狀金屬料送料裝置，需將顆粒金屬料裝入儲料倉(22)，并確定顆粒金屬料能夠順利通過導料管(24)，在螺桿(23)的旋轉擠出作用下可以完好導入導料直管(17)內(nèi)孔。
[0025]以上事宜準備完畢后，就可以進行金屬材料熔融擠出實驗過程。具體操作過程如下。
[0026]1、依次打開電源總開關、高頻電源(I)開關、冷卻水循環(huán)開關、惰轉換開關(或不打開)。
[0027]2、打開惰性氣體儲氣罐體(4)閥門，并調(diào)節(jié)惰性氣體流量。
[0028]3、預設高頻電源(I)工作功率及加熱時間。
[0029]4、打開高頻電源(I)加熱開關，對感應加熱本體(12)進行加熱。通過遠程控制PC機(3)或檢測面板(2)觀察感應加熱本體溫度，達到所需溫度后調(diào)節(jié)為較小功率并進行保溫。
[0030]5、通過遠程控制PC機(3)驅動電機(21)旋轉，使得金屬料被不斷導入感應加熱本體(12)的導料直管(17)內(nèi)孔，金屬料在導入導料直管(17)后被迅速加熱成熔融態(tài)，熔融金屬在穩(wěn)流腔(19)內(nèi)達到飽和量并經(jīng)過穩(wěn)流后由噴嘴(20)末端擠出。
[0031]6、金屬材料溶融擠出實驗結束后,依次關閉聞頻電源(I)加熱開關、電源開關、惰性氣體儲氣罐體(4)閥門、轉換開關，并在確保感應加熱設備溫度低于安全溫度后再關閉冷卻水循環(huán)開關和電源總開關。將相關調(diào)節(jié)旋鈕旋轉到初始位置。
[0032]7、取下感應加熱本體(12)，并進行清理，方便下一次使用。
[0033]8、整理其他實驗用品。
[0034]本實施方式只是對專利的示例性說明而并不限定它的保護范圍，本領域人員還可以對其進行局部改變，只要沒有超出本專利的精神實質，都是為對本專利的等同替換，都在本專利的保護范圍內(nèi)。
【權利要求】
1.一種基于高頻感應加熱的金屬材料熔融擠出裝置，其特征在于，該裝置包括:固定于裝置支架(5)上的感應加熱本體(12);纏繞于感應加熱本體(12)外側的感應加熱線圈(13);與感應加熱線圈(13)相連接的高頻電源(I);固定于裝置支架(5)上的送料裝置；送氣裝置；檢測和控制操作系統(tǒng)；其他輔助裝置等。
2.如權利要求1所述的基于高頻感應加熱的金屬材料熔融擠出裝置，其特征在于，所述感應加熱本體(12)還包括:導料直管(17)、保護氣體罩(18)、熔融金屬液穩(wěn)流腔(19)、噴嘴(20)等。
3.該感應加熱本體(12)具有雙層內(nèi)空腔結構，內(nèi)外兩空腔分別與送料裝置和送氣裝置相連通，根據(jù)不同尺寸金屬料的導出要求，可以更換使用具有不同尺寸及內(nèi)孔徑的導料直管(17)。
4.如權利要求1所述的基于高頻感應加熱的金屬材料熔融擠出裝置，其特征在于，所述感應加熱線圈(13)為內(nèi)部可通循環(huán)冷卻水的中空銅管或高頻軟線纜,該感應加熱線圈(13)是感應加熱爐的核心部分，根據(jù)所要熔融金屬材料的性質、加熱穩(wěn)定性以及噴射效率來計算感應加熱線圈(13)的電參數(shù)，確定加熱所需的功率與所選用的電壓，確定感應線圈(13)的幾何尺寸與匝數(shù)。
5.如權利要求1所述的基于高頻感應加熱的金屬材料熔融擠出裝置，其特征在于，所述送料裝置既可以采用兩種不同的結構:一種結構包括金屬絲盤(8)和摩擦輪(10)，該結構通過摩擦輪(10)的旋轉與金屬絲材(9)之間產(chǎn)生摩擦推動力，將金屬絲(9)導入下端感應加熱本體(12)的導料直管(17)內(nèi)空腔；另一種結構包括儲料倉(22)、導料管(24)、螺桿(23)及電機(21)等。
6.該結構通過螺桿(23)的旋轉擠出作用將儲料倉(22)內(nèi)的金屬絲材、單一或混合金屬顆粒材料導入下端感應加熱本體(12)的導料直管(17)內(nèi)空腔。
7.如權利要求1所述的基于高頻感應加熱的金屬材料熔融擠出裝置，其特征在于，所述送氣裝置，通過導氣管與感應加熱熔融擠出爐相連接，用以向感應加熱熔融擠出爐送入惰性氣體，保護熔融金屬液，防止氧化。
8.如權利要求1所述的基于高頻感應加熱的金屬材料熔融擠出裝置，其特征在于，所述檢測和控制操作系統(tǒng)包括:遠程控制PC機(3)、熱電偶、檢測和控制操作面板(2)，用以檢測和控制感應加熱本體內(nèi)部(12)溫度、冷卻水循環(huán)、送料速度等，檢測和控制操作面板(2)還包括: 加熱開關——用以啟動、停止加熱； 電源開關一設備內(nèi)部控制電路的開關； 冷卻水循環(huán)開關一設備冷卻水循環(huán)的開關； 轉換開關——用以設備手動控制和遠程控制的切換； 時間繼電器一用以設置加熱時間； 數(shù)字溫度表——顯示正常工作時的感應加熱本體的溫度； 電機轉速調(diào)節(jié)——用以正常工作時的電機轉速(送料速度)調(diào)節(jié)； 功率調(diào)節(jié)——用以正常工作時 的功率調(diào)節(jié)； 遠控接頭——用以遠程控制器和設備的連接； 過壓指示燈——電壓過高時顯亮并報警； 缺水指示燈——設備供水系統(tǒng)出現(xiàn)故障時顯亮并報警。
【文檔編號】B22F3/20GK103894614SQ201410153651
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月17日 優(yōu)先權日:2014年4月17日
【發(fā)明者】單忠德, 楊立寧, 劉豐 申請人:機械科學研究總院先進制造技術研究中心