基于直接电阻加热技术的半固态金属增材制造设备及工艺

摘要

本发明涉及金属增材制造技术领域，具体涉及一种基于直接电阻加热技术的半固态金属增材制造设备及其制造工艺。一种基于直接电阻加热技术的半固态金属增材制造设备，包括机架、气体保护箱、三坐标工作平台、基座和半固态坯料制备装置，所述气体保护箱设置在基座上，所述机架、三坐标工作平台和半固态坯料制备装置设置在气体保护箱内，所述半固态坯料制备装置通过坯料制备装置安装底板设置在机架，所述三坐标工作平台位于半固态坯料制备装置的下部。本发明通过金属线材的半固态全流程制备与增材制造相结合的方式，规避了传统金属增材制造设备原料成本高、生产效率低及力学性能不佳等问题。

说明书

技术领域

本发明涉及金属增材制造技术领域，具体涉及一种基于直接电阻加热技术的半固态金属增材制造设备及其制造工艺。

背景技术

目前，主流的金属增材制造设备成形零件的方式共有两种：1)粉末烧结法，其通过激光照射金属粉末，将金属粉末熔化，再按照预定路线一层一层的堆积起来制造零件；2)金属丝熔化焊接法，其将金属细丝完全融化，使用类似于焊接的方式，成形相应形状零件。

但是以上两种方法均存在不足：粉末烧结法制造效率低、成本高，一般只适用于产品的试制，无法应用在大体积零件的批量生产当中，由于要将金属粉末熔化，必须通过激光发生器产生的高能激光加热才可实现，增加了设备能耗，同时打印出的金属微观组织分布不均匀，降低了零件疲劳性能；金属丝熔化焊接法将金属加热至熔融态将消耗大量的能量，另一方面，熔融金属表面接触空气将会产生氧化皮，掺杂进打印的零件内部影响成形零件性能。

发明内容

为解决上述背景技术中存在的问题，本发明提出一种基于直接电阻加热技术的半固态金属增材制造设备，通过直接使用直流电对打印头处线状坯料加热的方法，实现坯料的半固态堆积；结合自带的去皮系统在气体保护箱内成形零件，可以使坯料在半固态热处理之前去除表面氧化皮，同时避免二次氧化的产生，减少了氧化物对于组织带来的负面影响。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种基于直接电阻加热技术的半固态金属增材制造设备，其特殊之处在于：

包括机架、气体保护箱、三坐标工作平台、基座和半固态坯料制备装置，所述气体保护箱设置在基座上，所述机架、三坐标工作平台和半固态坯料制备装置设置在气体保护箱内，所述半固态坯料制备装置通过坯料制备装置安装底板设置在机架，所述三坐标工作平台位于半固态坯料制备装置的下部；所述半固态坯料制备装置包括储料机构、轧辊机构组件、去皮机构、半固态等温热处理装置、直流电加热装置、红外线温度传感器及空心锥形打印头，所述轧辊机构组件包括至少一个轧辊机构。

进一步地，上述去皮机构包括转刀筒支架、第二滚动轴承、带轮机构、皮带、转刀筒伺服电机、集屑盒、去皮转刀筒；所述去皮转刀筒为一空心柱体，其包括转刀筒内壁、旋转刀片机构、排屑口；所述去皮转刀筒通过第二滚动轴承设置在转刀筒支架上，转刀筒支架与坯料制备装置安装底板相连，去皮转刀筒中部位置通过键连接的方式与带轮机构相连，带轮机构通过皮带与转刀筒伺服电机相连；转刀筒内壁有一对旋转刀片机构对称分布，去皮转刀筒外侧对应有排屑口，去皮转刀筒下方底板安装有集屑盒。

进一步地，上述半固态等温热处理装置包括直转接头、螺旋加热通道、加热电源线、保温外壳、加热内胆、直角转接头；加热筒支架与坯料制备装置安装底板相连，保温外壳设置在加热筒支架上，保温外壳前后两侧分别设置有开口端盖与平端盖；加热内胆位于保温外壳内；加热内胆与加热电源线连接，加热电源线与保温筒加热电源相连，螺旋加热通道安装在保温外壳与加热内胆之间，螺旋加热通道的入口端与直转接头相连，而直转接头与去皮转接筒配合，螺旋加热通道的出口端与直角转接头相连，直角转接头直接通过坯料制备装置安装底板与空心锥形打印头相连。

进一步地，上述直流电加热装置包括直流电源、信号线、正极线、负极线；正极线与负极线分别由直流电源引出，正极线与线状坯料相连，负极线与三坐标工作平台相连，直流电源与红外线温度传感器通过信号线相连。

进一步地，上述空心锥形打印头与坯料制备装置安装底板及机架相连，空心锥形打印头的上端与直角转接头固定连接，所述空心锥形打印头的轴心部位为空心，线状坯料通过空心锥形打印头的内部并与固定在三坐标工作平台上的成形零件相接触，空心锥形打印头安装有摩擦轮送进机构。

进一步地，上述储料机构包括缠料筒支架、缠料筒和第一滚动轴承；缠料筒支架与坯料制备装置安装底板相连，缠料筒通过第一滚动轴承与缠绕筒支架形成旋转副，缠料筒用于缠绕线状坯料。

进一步地，上述轧辊机构包括主动辊、从动辊、轧辊轴承、轧辊连接架和轧辊伺服电机；主动辊、从动辊通过轧辊轴承设置在轧辊连接架上，轧辊伺服电机驱动主动辊转动。

另外，本发明还提出一种基于直接电阻加热技术的半固态金属增材制造工艺，包括以下步骤：

1)在气体保护箱内对线状坯料施加预应变并进行整形；

2)去除线状坯料表面的氧化层；

3)将线状坯料进行加热至半固态；

4)使半固态化后的线状坯料与成形零件接触，并利用电流对线状坯料与成形零件相接触位置加热产生热量；

5)通过控制电流的大小来控制线状坯料的温度，使得与成形零件接触的线状坯料温度处于半固态区间内；

6)线状坯料再次半固态化后附着在成形零件上，实现复杂零件的增材制造；

7)从气体保护箱内取出成形零件。

进一步地，所述步骤1)具体为：将缠绕在缠料筒上的线状坯料穿过轧辊机构组件，利用轧辊伺服电机带动主动轧辊旋转，带动线状坯料通过轧口并发生径缩变形，在线状坯料内引入0.2～0.4的预应变；

所述步骤2)具体为：转刀筒伺服电机带动去皮转刀筒旋转，当径缩后的线状坯料通过去皮转刀筒时，位于去皮转刀筒内壁的高速旋转的旋转刀片将车去线状坯料外表面的氧化层，生成带状氧化物切削屑由排屑口排出，并收集在集屑盒内；

所述步骤3)具体为：去皮后的线状坯料经由直转接头进入螺旋加热通道内，利用位于加热内胆，使螺旋加热通道内坯料的温度上升至半固态温度区间，同时调节线状坯料的送进速度，使得坯料通过螺旋加热通道的时间保持在50～10min内，从而获得较佳的半固态微观组织；

所述步骤4)具体为：线状坯料半固态化后冷却，再经由直角转接头直接进入空心锥形打印头内部，在摩擦轮送进机构的牵引下，经由空心锥形打印头内腔与三坐标工作平台相接触，直流电源产生直流电，经由正极线、线状坯料、成形零件及负极线组成的闭合回路，在电阻较高的线状坯料与成形零件相接触位置产生热量；

所述步骤5)具体为：红外线温度传感器测量空心锥形打印头下端的线状坯料产热区的温度，并将所测得的温度信号经由数据线传送至直流电源，直流电源根据温度高低调节电流大小，形成闭环控制，使得与成形零件接触的线状坯料温度处于半固态区间内；

所述步骤6)具体为：线状坯料再次半固态化后附着在成形零件上，通过调节轧辊伺服电机、摩擦轮送进机构的旋转速度，实时控制打印速率，配合三坐标工作平台的移动，实现复杂零件的增材制造。

进一步地，上述线状坯料为铝合金或铜合金。

本发明的优点：

1)本发明通过金属线材的半固态全流程制备与增材制造相结合的方式，规避了传统金属增材制造设备原料成本高、生产效率低及力学性能不佳等问题；

2)本发明拥有完整的半固态坯料制备装置，可实现以普通金属线材为原料的半固态增材制造的连续作业，期间无需频繁加料换料，生产效率较高；

3)本发明打印时通过电流直接加热的方式将线状半固态坯料涂抹在底板或零件上，加热坯料体积小，且加热温度较低，相较于激光烧结等传统的金属增材制造方法节约能源；

4)本发明采用红外温度传感器联合直流电源对打印头处坯料温度进行闭环控制，控制精度较高，获得半固态组织较为稳定；

5)本发明直接以普通金属线材作为原料进行半固态增材增材制造，无需事先制料，原料成本低廉；

6)本发明的增材制造过程整体在气体保护箱内进行，同时线状坯料在经过转刀筒时，外表皮的氧化层就已经被旋转刀片去除，避免了氧化物对于材料内部微观组织的负面影响，提高了成形零件的整体力学性能。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明半固态制备装置局部结构示意图；

图3为本发明去皮机构9局部结构示意图；

图4为本发明半固态等温热处理装置10局部结构示意图；

图5为本发明直流电加热装置7及空心锥形打印头15局部结构示意图；

图6为本发明去皮转刀筒907局部结构示意图；

图7为本发明去皮转刀筒去皮过程中，切屑产生及排出过程示意图；

图8为本发明直流电流加热过程中坯料温度闭环控制示意图；

图9为本发明实施例6061铝合金在630℃温度下保温5min的半固态微观组织；

图10为本发明实施例6061铝合金在640℃温度下保温5min的半固态微观组织；

图11为本发明实施例6061铝合金在650℃温度下保温5min的半固态微观组织。

1、储料机构；101、缠料筒支架；102、缠料筒；103、第一滚动轴承；

2、线状坯料；201、带状氧化物切削屑；

3、第一轧辊机构；301、主动辊；302、从动辊；303、轧辊轴承；304、轧辊连接架；305、轧辊伺服电机；

4、第二轧辊机构；5、第三轧辊机构；6、第四轧辊机构；

7、直流电加热装置；701、直流电源；702、信号线；703、正极线；704、负极线；

8、红外线温度传感器；

9、去皮机构；901、转刀筒支架；902、第二滚动轴承；903、带轮机构；904、皮带；905、转刀筒伺服电机；906、集屑盒；907、去皮转刀筒；9071、转刀筒内壁；9072、旋转刀片机构；9073、排屑口；

10、半固态等温热处理装置；1001、直转接头；1002、螺旋加热通道；1003、保温筒加热电源；1004、加热电源线；1005、开口端盖；1006、保温外壳；1007、加热筒支架；1008、加热内胆；1009、直角转接头；1010、平端盖；

11、坯料制备装置安装底板；12、机架；13、气体保护箱端盖；14、气体保护箱；15、空心锥形打印头；1501、摩擦轮送进机构；16、三坐标工作平台；17、成形零件；18、基座。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

参见图1，一种基于直接电阻加热技术的半固态金属增材制造设备，其包括基座18及通过螺钉与其连接的气体保护箱14，气体保护箱14与气体保护箱端盖13采用密封连接，三坐标工作平台16通过螺钉与气体保护箱14底部相连，机架12为C形机架，通过螺钉连接在气体保护箱底部位置，三坐标工作平台16的上方设有空心锥形打印头15，与坯料制备装置安装底板11及机架12通过螺钉连接，空心锥形打印头15旁设有红外线温度传感器8，其轴线方向指向空心锥形打印头15下方坯料位置，与坯料制备装置安装底板11采用螺钉连接。

所述的半固态坯料制备装置通过坯料制备装置安装底板11与机架12相连，其包括储料机构1、轧辊机构组件、去皮机构9、半固态等温热处理装置10、直流电加热装置7、红外线温度传感器8及空心锥形打印头15，所述轧辊机构组件包括第一轧辊机构3、第二轧辊机构4、第三轧辊机构5、第四轧辊机构6。

参照图2，所述储料机构1位于坯料制备装置安装底板11左上位置，缠料筒支架101与坯料制备装置安装底板11相连，第一滚动轴承103与缠料筒支架101采用过盈配合的方式连接，缠料筒102通过第一滚动轴承103与缠绕筒支架101形成旋转副，线状坯料2缠绕在缠料筒102上，并在水平方向上沿缠料筒102切线方向引出。

所述轧辊机构组件分布在储料机构1的右侧位置，第一轧辊机构3、第二轧辊机构4、第三轧辊机构5、第四轧辊机构6的轧口直径从前至后依次缩小，相邻轧辊机构摆放角度相差90°，由于各轧辊机构结构相同，现以轧辊机构3为例进行介绍，轧辊机构均通过轧辊连接架304与坯料制备装置安装底板11相连，轧辊轴承303与轧辊连接架304采用过盈配合的方式连接，轧辊以一上一下的方式分布，通过轧辊轴承303与轧辊连接架304形成旋转副，每对轧辊中均由一个主动辊301与一个从动辊302构成，主动轮301轴直接与轧辊伺服电机305输出轴相连，使其顺时针旋转，带动线状坯料2水平向左移动。

参照图3、6，所述去皮机构9分布在轧辊机构6的右侧，去皮转刀筒907在轴肩位置通过转刀筒轴承902与转刀筒支架901形成旋转副，转刀筒支架901直接则通过螺钉与坯料制备装置安装底板11相连，去皮转刀筒907中部通过键连接的方式与带轮机构903相连，带轮机构903通过皮带904与转刀筒伺服电机905相连，转刀筒内壁9071有一对旋转刀片机构9072对称分布，旋转刀片机构9072刀刃为导程74mm、锥度为0.86°的锥螺纹，与之对应有一对排屑口9073位于刀片9072外侧，由转刀筒内壁9071延伸至外。去皮转刀筒907正下方集屑盒906与坯料制备装置安装底板11固接，去皮转刀筒907出口位置通过键与直转接头1001相连。

参照图4，所述半固态等温热处理装置10位于去皮机构9的右端，保温外壳1006通过螺钉连接在加热筒支架1007上，加热筒支架1007再通过螺钉与坯料制备装置安装底板11相连，开口端盖1005与平端盖1010固接在保温外壳1006前后两侧，加热内胆1008位于加热筒的中心位置，其近开口端盖1005侧连接有一加热电源线1004，通过开口端盖1005小口后连接在保温筒加热电源1004之上，螺旋加热通道1002安装在保温外壳与加热内胆之间的缝隙位置，其两端则通过保温外壳1006上的小孔延伸至外，螺旋加热通道1002入口端与直转接头1001相连，而直转接头1001与去皮转接筒907间隙配合，螺旋加热通道1002出口端与直角转接头1009前端相连，直角转接头1009后端与空心锥形打印头15相连。

参照图5，所述直流电加热装置7位于轧辊机构6的前方，直流电源701与坯料制备装置安装底板11通过螺钉相连。正极线703与负极线704分别由直流电源701下端引出，引出的正极线703通过小孔穿过坯料制备装置安装底板11、机架12、空心锥形打印头15再与线状坯料2相连，负极线704则通过小孔穿过坯料制备装置安装底板11与机架12后与三坐标工作平台16相连，直流电源701与红外线温度传感器8通过信号线702相连。

所述空心锥形打印头15以螺栓连接的方式与坯料制备装置安装底板11及机架相连，上端与直角转接头1009固接，其轴心部位为空心，线状坯料2恰好能通过该通道并与成形零件17相接触，空心锥形打印头上部有较大空腔，安装有摩擦轮送进机构1501。

本发明还提出一种基于上述一种基于直接电阻加热技术的半固态金属增材制造设备的增材制造工艺，包括以下步骤：

1)在气体保护箱14内对线状坯料2施加预变形与整形；

2)去除线状坯料2表面的氧化层；

3)将线状坯料2进行加热至半固态；

4)使半固态化后的线状坯料2与成形零件17接触，并利用电流对线状坯料2与成形零件17相接触位置加热产生热量；

5)通过控制电流的大小来控制线状坯料2的温度，使得与成形零件17接触的线状坯料2温度处于半固态区间内；

6)线状坯料2再次半固态化后附着在成形零件17上，实现复杂零件的增材制造；

7)从气体保护箱14内取出成形零件17。

进一步地，所述步骤1)具体为：缠绕在缠料筒102上的线状坯料2由缠料筒102切线位置水平伸出后依次穿过轧辊机构组件，轧辊伺服电机305带动主动轧辊301顺时针旋转，带动线状坯料2通过轧口并发生径缩变形，在线状坯料2内引入0.2～0.4的预应变；

所述步骤2)具体为：转刀筒伺服电机905带动去皮转刀筒高速旋转，当径缩后的线状坯料2通过去皮转刀筒907时，高速旋转的旋转刀片9072将车去线状坯料外表面0.15mm，去除铝材表面致密的氧化层组织，生成带状氧化物切削屑201由排屑口9073排出，并收集在集屑盒906内，实现坯料的去皮，如图7所示；

所述步骤3)具体为：去皮后的线状坯料2经由直转接头1001进入加热筒机构10的螺旋加热通道1002内，利用位于加热筒中心的加热内胆1008，使螺旋加热通道1002内坯料2的温度上升至半固态温度区间630～650℃，同时调节线状坯料2的送进速度，使得坯料通过螺旋加热通道1002的时间保持在半固态保温时间5～10min内，从而获得较佳的半固态微观组织；

所述步骤4)具体为：线状坯料2等温热处理后冷却，再经由直角转接头1009进入空心锥形打印头15，在摩擦轮送进机构1501的牵引下，经由空心锥形打印头15内腔与打印零件17相接触，直流电源701产生直流电，经由正极线703、线状坯料2、成形零件17及负极线704组成的闭合回路，在电阻较高的线状坯料2与三坐标工作平台16相接触位置产生热量；

所述步骤5)具体为：红外线温度传感器8测量空心锥形打印头15下端的线状坯料2产热区的温度，并将所测得的温度信号经由数据线702传送至直流电源701，直流电源701根据温度高低调节电流大小，形成闭环控制，如图8所示，使得与成形零件17接触的线状坯料2温度处于半固态区间内。

所述步骤6)具体为：线状坯料2再次半固态化后附着在成形零件17上，通过调节轧辊伺服电机305、摩擦轮送进机构1501的旋转速度，可实时控制打印速率，配合三坐标工作平台16的移动，实现复杂零件的增材制造；

所述步骤7)具体为：成形零件17半固态增材制造完毕后，打开气体保护箱端盖13，取出成形零件17。

参照图9、10、11，为本实施例的6061铝合金半固态坯料的微观组织，从图中可以看出，当坯料在630℃～650℃温度下保温5min，可以获得球状半固态组织晶粒，其平均等效直径为24μm～60μm。该结果表明，通过基于直接电阻加热技术的半固态金属增材制造设备获得的半固态金属零件微观组织由尺寸较为细小的等轴球状晶组成。

以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。