一種利用感應(yīng)加熱快速成形金屬零件的裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用感應(yīng)加熱快速成形金屬零件的裝置和方法，該裝置包括基板、前置加熱單元和感應(yīng)熔煉單元，基板位于感應(yīng)熔煉單元的下方，用于作為金屬零件成形的平臺(tái)；前置加熱單元位于基板和感應(yīng)熔煉單元之間，用以形成均勻的溫度場(chǎng)；感應(yīng)熔煉單元包括支架和設(shè)置于支架上的熔煉坩堝，熔煉坩堝上設(shè)置有感應(yīng)線圈，其出口端設(shè)置有與基板相對(duì)的熔煉坩堝噴嘴，其入口端經(jīng)橡膠塞連接有進(jìn)氣口，用以向熔煉坩堝中提供惰性氣體。所述方法采用上述裝置進(jìn)行金屬零件的感應(yīng)加熱快速成形。本發(fā)明具有加工靈活性高，后續(xù)加工量小等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
一種利用感應(yīng)加熱快速成形金屬零件的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于金屬零件快速成形領(lǐng)域，更具體地，涉及一種利用感應(yīng)加熱快速成形金屬零件的裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬零件的傳統(tǒng)制造方法多為減材制造，如車、銑、刨、磨等，或等材制造，如鑄造、鍛造、沖壓等。但此類方法存在諸如研發(fā)周期長、材料浪費(fèi)嚴(yán)重、難以成形異形件等缺點(diǎn)。
[0003]快速成形(RPM)技術(shù)，又稱3D打印技術(shù)或增材制造技術(shù)，是20世紀(jì)80年代初出現(xiàn)在美國、90年代在全球迅速發(fā)展的一門綜合性前沿制造技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)，其基本原理是離散-堆積原理:即將三維數(shù)字模型通過分層軟件離散成X-Y方向的薄層，成形系統(tǒng)根據(jù)薄層的二維數(shù)據(jù)，將材料逐層堆積成三維實(shí)體。目前，比較成熟的技術(shù)有光固化快速成形(SLA)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、熔融沉積(FDM)等?？焖俪尚我言谀承╊I(lǐng)域(如航空航天、汽車、船舶)用于金屬零件的制造。
[0004]目前，金屬零件的快速成形所采用的熱源多為激光，如選擇性激光燒結(jié)、選擇性激光熔化或高能粒子束，如等離子燒結(jié)、電子束燒結(jié)等，然而此類熱源成本過高，設(shè)備成本在數(shù)十萬至數(shù)百萬人民幣不等。
[0005]感應(yīng)加熱一般向加熱管輸入中頻或高頻交流電，在工件中產(chǎn)生感應(yīng)電流而達(dá)到加熱熔化的目的，此種方法設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低，利用感應(yīng)加熱快速成形金屬零件的裝置和方法目前還未見報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種利用感應(yīng)加熱快速成形金屬零件的裝置和方法，其利用金屬熔融沉積成形原理，并結(jié)合感應(yīng)加熱的方式成形金屬零件，具有設(shè)備成本低，加工靈活性高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，熱影響區(qū)小，工件變形小，后續(xù)加工量小等優(yōu)點(diǎn)。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提出了一種利用感應(yīng)加熱快速成形金屬零件的裝置，該裝置包括基板、前置加熱單元和感應(yīng)熔煉單元，其中:
[0008]所述基板位于感應(yīng)恪煉單元的下方，其用于作為金屬零件成形的平臺(tái)；
[0009]所述前置加熱單元位于基板和感應(yīng)熔煉單元之間，用以形成均勻的溫度場(chǎng)；
[0010]所述感應(yīng)熔煉單元包括支架和設(shè)置于支架上的感應(yīng)線圈及熔煉坩禍，所述感應(yīng)線圈套裝在所述熔煉坩禍的外部，且不與熔煉坩禍接觸，該熔煉坩禍用于熔煉金屬錠塊，其出口端設(shè)置有與基板相對(duì)的熔煉坩禍噴嘴，其入口端經(jīng)橡膠塞連接有進(jìn)氣口，用以向熔煉坩禍中提供惰性氣體。
[0011]作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述基板表面平整，且能持續(xù)加熱，并能上下移動(dòng)和水平移動(dòng)。
[0012]作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述進(jìn)氣口前端設(shè)置有電磁閥，用于控制熔煉坩禍內(nèi)的壓強(qiáng)。
[0013]作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述基板、前置加熱單元和感應(yīng)熔煉單元均處于填充有保護(hù)氣體的保護(hù)罩內(nèi)，以保證金屬零件成形過程在氣體保護(hù)的環(huán)境中進(jìn)行。
[0014]按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種利用所述裝置成形金屬零件的方法，包括如下步驟:
[0015]I)在熔煉坩禍中裝入金屬錠塊，然后打開前置加熱單元并使感應(yīng)線圈通電；
[0016]2)金屬錠塊在熔煉坩禍中經(jīng)感應(yīng)加熱成金屬合金熔體，并保持在設(shè)定溫度的± 10
°Co；
[0017]3)在電磁閥控制下經(jīng)進(jìn)氣口向熔煉坩禍中充入惰性氣體，同時(shí)使基板按照金屬零件的橫向截面信息相對(duì)于感應(yīng)熔煉單元作平面運(yùn)動(dòng)，金屬合金熔體在惰性氣體的作用下從熔煉坩禍噴嘴中擠出并沉積在基板上，沉積在基板上的金屬熔體冷卻后形成金屬零件的一層截面；
[0018]4)使基板下降一層金屬零件截面的高度，金屬合金熔體不斷從熔煉坩禍噴嘴處擠出進(jìn)行下一層金屬零件截面的沉積；
[0019]5)重復(fù)步驟3)-4)，直至得到完整的金屬零件。
[0020]作為進(jìn)一步優(yōu)選的，在沉積金屬零件的第一層之前，將基板的溫度設(shè)定為小于金屬熔點(diǎn)，保持該溫度直至沉積金屬零件的最后一層結(jié)束。
[0021 ] 作為進(jìn)一步優(yōu)選的，通過所述電磁閥經(jīng)進(jìn)氣口控制熔煉坩禍內(nèi)的壓強(qiáng)，從而控制金屬恪體的流量。
[0022]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點(diǎn):
[0023]1.本發(fā)明充分考慮金屬零件快速成形的特點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)一種包括基板、前置加熱單元和感應(yīng)熔煉單元的適用于金屬零件的快速成形裝置，該裝置利用位于基板和感應(yīng)熔煉單元之間的前置加熱單元用以形成均勻的溫度場(chǎng)，保證成形時(shí)的溫度條件，并利用電磁感應(yīng)加熱的方式實(shí)現(xiàn)金屬的均勻穩(wěn)定的加熱，通過基板和感應(yīng)熔煉單元的配合，可制備各種形狀復(fù)雜的金屬零件，具有加工靈活性高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，熱影響區(qū)小，工件變形小，后續(xù)加工量小等優(yōu)點(diǎn)，并且能夠有效提高生產(chǎn)效率，降低制造成本，對(duì)金屬零件的生產(chǎn)具有重大意義。
[0024]2.本發(fā)明將金屬錠塊加熱成熔體，從噴嘴擠出，并按照截面輪廓信息作平面運(yùn)動(dòng)，并逐層堆積成形，屬于快速成形中的熔融沉積法，能加工復(fù)雜形狀的金屬零件。
[0025]3.本發(fā)明中，為防止成形金屬零件氧化，在成形過程中將基板、前置加熱單元和感應(yīng)熔煉單元放置在填充有保護(hù)氣體的保護(hù)罩內(nèi)，以保證金屬零件成形過程在氣體保護(hù)的環(huán)境中進(jìn)行。
[0026]4.本發(fā)明采用感應(yīng)加熱作為加熱方法，加熱速度快、加熱效率高，可根據(jù)材料不同，調(diào)整工作頻率和功率，成型材料包括從鋁、銅合金等低熔點(diǎn)合金到鐵、鈦等高熔點(diǎn)合金。
[0027]5.本發(fā)明采用感應(yīng)加熱作為加熱熱源，相比較激光熱源等，設(shè)備成本低、拆裝方便、維護(hù)成本低。
[0028]6.本發(fā)明的加熱原料為金屬錠塊，與金屬絲材或粉材相比，獲得成本低，更易保存。
【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明利用感應(yīng)加熱快速成形金屬零件的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖2是本發(fā)明實(shí)施例金屬零件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031 ]圖3是本發(fā)明實(shí)施例金屬零件的橫向截面形狀示意圖；
[0032]圖4是本發(fā)明實(shí)施例基板相對(duì)噴嘴的運(yùn)動(dòng)軌跡。
【具體實(shí)施方式】
[0033]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0034]如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種利用感應(yīng)加熱快速成形金屬零件的裝置，其主要包括基板1、前置加熱單元2和感應(yīng)熔煉單元，其中，基板I用于作為金屬零件成形的平臺(tái)，前置加熱單元2用于形成均勻的溫度場(chǎng)，使金屬在均勻溫度場(chǎng)中逐漸凝固成形，感應(yīng)熔煉單元用于實(shí)現(xiàn)金屬錠的熔煉，并以一定方式將金屬熔體噴射到基本上以制備所需的金屬零件。通過上述各個(gè)單元與部件的相互配合，可實(shí)現(xiàn)金屬零件例如散熱片、排氣管、金銀首飾等的成形加工。
[0035]下面將具體對(duì)各個(gè)單元進(jìn)行詳細(xì)的說明和描述。
[0036]基板I，其設(shè)于感應(yīng)熔煉單元的下方，為了保證成形工件的表面質(zhì)量，基板的表面需平整，并且為了控制金屬熔體沉積過程中的冷卻速度，其可持續(xù)加熱，其可根據(jù)沉積金屬材料的不同選擇適合的銅、不銹鋼等材料制成。為了便于成形過程中已成形金屬層的移動(dòng)，基板設(shè)置成可上下升降移動(dòng)，如此使得制作完成一層金屬層時(shí)，該金屬層可隨著基板向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而在該金屬層上沉積下一層金屬層。同時(shí)，基板可水平移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)在基板上成形各類形狀的金屬零件。
[0037]前置加熱單元2，其設(shè)于基板I和感應(yīng)熔煉單元之間，以形成均勻的溫度場(chǎng)，前置加熱單元2的加熱熱源可采用遠(yuǎn)紅外加熱管，也可采用其它熱源加熱，共設(shè)有兩個(gè)，分設(shè)于感應(yīng)熔煉單元中的熔煉坩禍的兩側(cè)，用于保證金屬成形時(shí)溫度場(chǎng)。
[0038]感應(yīng)熔煉單元，其主要包括支架7和設(shè)置于支架7上的熔煉坩禍6，該支架7用于安裝熔煉坩禍6，該熔煉坩禍6用于熔煉金屬錠塊4，金屬錠塊4既可以是銅、鋁等低熔點(diǎn)合金，也可以是鐵、鈦等高熔點(diǎn)合金，其可以根據(jù)實(shí)際成形需要進(jìn)行選擇。熔煉坩禍6上設(shè)置有感應(yīng)線圈5，該感應(yīng)線圈5用于根據(jù)加熱金屬材料的不同產(chǎn)生不同頻率和功率的感應(yīng)電流對(duì)坩禍進(jìn)行加熱以熔煉坩禍中的金屬錠塊;熔煉坩禍6的出口端設(shè)置有與基板I相對(duì)的熔煉坩禍噴嘴3，熔煉后的金屬熔體從該噴嘴中噴出，噴嘴3的內(nèi)徑在毫米至微米級(jí)，通過選擇不同噴嘴內(nèi)徑的坩禍，獲得不同精度要求的成型零件。熔煉坩禍6的入口端設(shè)置有進(jìn)氣口 9，該進(jìn)氣口通過橡膠塞8與熔煉坩禍6的入口端相連，該進(jìn)氣口用于向坩禍中通入惰性氣體，例如氮?dú)狻鍤獾?，利用惰性氣體可將金屬熔體以一定的速度從坩禍噴嘴中擠出，所述橡膠塞可有效防止坩禍內(nèi)氣體的泄露。為了控制坩禍內(nèi)氣體的壓強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)氣體壓強(qiáng)可調(diào)，在進(jìn)氣口9的前端設(shè)置有用于調(diào)節(jié)氣體壓強(qiáng)的電磁閥10。
[0039]為了防止成形金屬零件氧化，基板1、前置加熱單元2和感應(yīng)熔煉單元均處于填充有保護(hù)氣體的保護(hù)罩內(nèi)，以保證金屬零件成形過程在氣體保護(hù)的環(huán)境中進(jìn)行。
[0040]本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種感應(yīng)加熱快速成形金屬零件的方法，其主要包括如下步驟:
[0041]I)在熔煉坩禍6中裝入金屬錠塊4，然后打開前置加熱單元2，并使感應(yīng)線圈5通電；
[0042]2)金屬錠塊4在熔煉坩禍6中經(jīng)感應(yīng)加熱成金屬合金熔體，并保持在設(shè)定溫度的±10°C；
[0043]3)在電磁閥10控制下經(jīng)進(jìn)氣口 9向熔煉坩禍6中充入惰性氣體，將金屬熔體擠出，同時(shí)使基板I按照金屬零件的橫向截面信息相對(duì)于感應(yīng)熔煉單元作平面運(yùn)動(dòng)，平面運(yùn)動(dòng)過程中使金屬熔體在惰性氣體的作用下從熔煉坩禍噴嘴3中擠出并沉積在基板I上，沉積在基板I上的金屬熔體冷卻后形成金屬零件的一層截面，成形過程中可根據(jù)加熱金屬或合金的特點(diǎn)，通過電磁閥10經(jīng)進(jìn)氣口控制熔煉坩禍內(nèi)的壓強(qiáng)，從而控制金屬熔體的流量(擠出速度)。
[0044]4)使基板I下降一層金屬零件截面的高度，金屬合金熔體不斷從熔煉坩禍噴嘴3處擠出進(jìn)行下一層金屬零件截面的沉積；
[0045]5)重復(fù)步驟3)-4)，直至得到完整的金屬零件。
[0046]具體的，在沉積金屬零件的第一層之前，將基板I的溫度設(shè)定為小于金屬熔點(diǎn)，保持該溫度直至沉積金屬零件的最后一層結(jié)束，從而防止沉積金屬熔體與基板溫差過大，造成金屬零件與基板融合不完全。根據(jù)成形材料與基板材料不同，基板設(shè)定溫度的范圍低于成形材料熔點(diǎn)10-100攝氏度，若成型材料為高熔點(diǎn)合金，可放寬至800攝氏度以上。
[0047]本發(fā)明主要以基板相對(duì)于感應(yīng)熔煉單元運(yùn)動(dòng)的方式成形各種形狀的金屬零件，當(dāng)然，也可以采用感應(yīng)熔煉單元相對(duì)于基板運(yùn)動(dòng)的方式成形，即基板不動(dòng)，感應(yīng)熔煉單元按照金屬零件的橫向截面信息相對(duì)于基板作平面運(yùn)動(dòng)(水平移動(dòng))，感應(yīng)熔煉單元運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，前置加熱單元2也隨之運(yùn)動(dòng)，以保證成形的溫度場(chǎng)。
[0048]以下為本發(fā)明的具體實(shí)施例，本實(shí)施例以制備一組10個(gè)小型金屬環(huán)形零件為例，進(jìn)一步對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明，其采用鈦合金TC4制成，零件結(jié)構(gòu)如圖2所示，每個(gè)質(zhì)量約為0.64g，基板采用不銹鋼鋼板制成，具體包括如下步驟:
[0049]I)在熔煉坩禍6中裝入1g的TC4鑄錠，然后打開前置加熱單元2將溫度升至600 °C-800°C，并使感應(yīng)線圈5通電，在一分鐘內(nèi)將坩禍內(nèi)合金鑄錠熔化，并使基板的溫度保持在800 °C；
[0050]2)合金鑄錠在熔煉坩禍6中經(jīng)感應(yīng)線圈感應(yīng)加熱成金屬合金熔體，并保持在1635°C -1713 °C之間，感應(yīng)加熱的升溫時(shí)間為Imin;
[0051 ] 3)在噴嘴到達(dá)起始位置后，在電磁閥1控制下經(jīng)進(jìn)氣口 9以IKPa的正壓向熔煉坩禍6中充入氬氣，同時(shí)使基板I按照金屬零件的橫向截面信息相對(duì)于感應(yīng)熔煉單元作平面運(yùn)動(dòng)，具體的，根據(jù)圖3所示的金屬零件的橫向截面形狀，實(shí)現(xiàn)基板的平面運(yùn)動(dòng)，基板相對(duì)于噴嘴(也即噴嘴相對(duì)于基板)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示，平面運(yùn)動(dòng)過程中金屬熔體在氬氣的作用下以5mm/s的速度從熔煉坩禍噴嘴3中擠出并沉積在基板I上，沉積在基板I上的金屬熔體冷卻后形成厚度為0.5mm的金屬零件的一層截面；
[0052]4)使基板I下降一層金屬零件截面的高度即0.5mm，然后以與步驟3)中同樣的方式使基板進(jìn)行平面運(yùn)動(dòng)，基板運(yùn)動(dòng)的同時(shí)金屬合金熔體從熔煉坩禍噴嘴處擠出以進(jìn)行下一層金屬零件截面的沉積；
[0053]5)重復(fù)步驟3)-4)，直至得到完整的金屬零件，關(guān)閉電磁閥10，金屬熔體停止流出；
[0054]6)重新定位噴嘴，重復(fù)步驟3)-5)，成形剩余9個(gè)零件。
[0055]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種利用感應(yīng)加熱快速成形金屬零件的裝置，其特征在于，該裝置包括基板(I)、前置加熱單元(2)和感應(yīng)熔煉單元，其中: 所述基板(I)位于感應(yīng)熔煉單元的下方，其用于作為金屬零件成形的平臺(tái)； 所述前置加熱單元(2)位于基板(I)和感應(yīng)熔煉單元之間，用以形成均勻的溫度場(chǎng)； 所述感應(yīng)熔煉單元包括支架(7)和設(shè)置于支架(7)上的感應(yīng)線圈(5)及熔煉坩禍(6)，所述感應(yīng)線圈(5)套裝在所述熔煉坩禍(6)的外部，且不與熔煉坩禍(6)接觸，該熔煉坩禍(6)用于熔煉金屬錠塊(4)，其出口端設(shè)置有與基板(I)相對(duì)的熔煉坩禍噴嘴(3)，其入口端經(jīng)橡膠塞(8)連接有進(jìn)氣口( 9)，用以向熔煉坩禍(6)中提供惰性氣體。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用感應(yīng)加熱快速成形金屬零件的裝置，其特征在于，所述基板(I)表面平整，且能持續(xù)加熱，并能上下移動(dòng)和水平移動(dòng)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用感應(yīng)加熱快速成形金屬零件的裝置，其特征在于，所述進(jìn)氣口(9)前端設(shè)置有電磁閥(10)，用于控制熔煉坩禍內(nèi)的壓強(qiáng)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用感應(yīng)加熱快速成形金屬零件的裝置，其特征在于，所述基板(I)、前置加熱單元(2)和感應(yīng)熔煉單元均處于填充有保護(hù)氣體的保護(hù)罩內(nèi)，以保證金屬零件成形過程在氣體保護(hù)的環(huán)境中進(jìn)行。5.—種利用如權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述裝置成形金屬零件的方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)在熔煉坩禍(6)中裝入金屬錠塊(4)，然后打開前置加熱單元(2)并使感應(yīng)線圈(5)通電； 2)金屬錠塊(4)在熔煉坩禍(6)中經(jīng)感應(yīng)加熱成金屬合金熔體，并保持在設(shè)定溫度的±10C0; 3)在電磁閥(10)控制下經(jīng)進(jìn)氣口(9)向熔煉坩禍(6)中充入惰性氣體，同時(shí)使基板(I)按照金屬零件的橫向截面信息相對(duì)于感應(yīng)熔煉單元作平面運(yùn)動(dòng)，金屬合金熔體在惰性氣體的作用下從熔煉坩禍噴嘴(3)中擠出并沉積在基板(I)上，沉積在基板(I)上的金屬熔體冷卻后形成金屬零件的一層截面； 4)使基板(I)下降一層金屬零件截面的高度，金屬合金熔體不斷從熔煉坩禍噴嘴(3)處擠出進(jìn)行下一層金屬零件截面的沉積； 5)重復(fù)步驟3)-4 )，直至得到完整的金屬零件。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在沉積金屬零件的第一層之前，將基板(I)的溫度設(shè)定為小于金屬熔點(diǎn)，保持該溫度直至沉積金屬零件的最后一層結(jié)束。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，通過所述電磁閥(10)經(jīng)進(jìn)氣口控制熔煉坩禍內(nèi)的壓強(qiáng)，從而控制金屬熔體的流量。
【文檔編號(hào)】B22F3/115GK105903970SQ201610268699
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年4月27日
【發(fā)明人】周建新, 段偉, 殷亞軍, 樊曉薇, 沈旭, 計(jì)效園
【申請(qǐng)人】華中科技大學(xué)