一种金属构件快速成形装置的制作方法

本发明属于冶金技术领域，更具体地说，涉及一种金属构件快速成形装置，适用于钢铁材料及其他金属材料的构件制造。

背景技术：

当前，能够直接获得不规则零件的技术主要是铸造技术和快速成型技术。铸造技术发展已久，钢液可直接成型，但生产效率太低，适合复杂零件的制造。快速成型技术是二十世纪八十年代后期出现的一项新型加工技术，它集成了现代数控技术、cad/cam技术及材料科学等领域的最新成果，可将设计构思自动、快速地转化为具有一定结构和功能的零件原型或直接制造出零件。快速成型技术与传统加工方法相比，可缩短生产周期，实现智能化生产。

金属增材制造技术被普遍看作是增材制造技术领域最具难度的前沿发展方向，按热源类型可分为激光、电子束和电弧3类。过去主要研究以激光、电子束为热源的粉基金属增材制造技术，如：激光近净成形技术lens、选择性激光融化slm、激光融化沉积lmd等，通过不断熔化或烧结金属粉来连续逐层制备复杂结构零部件，现已应用于航空航天、国防军工等高精尖技术领域部分关键零部件，但其成形速率慢，设备昂贵，且粉基原料制备成本和使用成本过高。在钢铁材料的快速成型方面，由于钢的凝固特点，技术难度很大，成本昂贵，生产效率过低。因此，现有的快速成型技术在成形大尺寸结构件时表现出一定的局限性，需要发展新的技术提高生产效率，降低生产成本。

现有技术中关于快速成型技术已有相关专利公开，如专利公开号：cn106312069a，公开日：2017年01月11日，发明创造名称为：一种増材制造的熔池控制方法，该申请案公开了一种电弧増材成型法和熔融沉积増材制造法的熔池控制技术，其关键在于使用其他材料在熔池边缘搭建一个可以限制金属液流动的外框或轮廓，利用液体本身的表面张力和对其他材料的斥力，约束液态金属的流动。在进行金属材料的成型时，成型台上安装的震动模块会对熔池进行震动使液态金属在被轮廓约束的区域内可以均匀铺开。但是该申请案的不足之处在于：电弧增材制造技术waam相对于传统冶金制造流程，效率仍不具可比性，且产品的纯净度完全依赖丝材的纯净度，而丝材制作工艺也较为复杂，限制了成形件材料向高品质和多样性方向的发展。

综上所述，如何克服现有的快速成型技术在成形大尺寸结构件时表现出的效率较低、品质较低的不足，是现有技术中亟需解决的技术难题。

技术实现要素：

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有的快速成型技术在成形大尺寸结构件时表现出的效率较低、品质较低的不足，提供了一种金属构件快速成形装置，将快速成形工艺和特种冶金工艺的优势相结合，能够显著提高大尺寸金属构件快速成形的生产效率和产品品质。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的金属构件快速成形装置，包括电源、自耗电极、精炼器以及与计算机连接的增材制造机构；

所述增材制造机构用于在一承载板上3d打印出金属构件外壳，所述金属构件外壳内填充有精炼渣；

所述精炼器下端面向金属构件外壳内部，精炼器内填充有精炼渣；所述自耗电极位于精炼器上方且其下端伸入精炼器内的精炼渣中；所述电源一端与自耗电极电联接，另一端与所述承载板电联接。

作为本发明更进一步的改进，所述增材制造机构包括机械臂和焊头，焊头位于机械臂的自由端，机械臂围绕承载板的周围设置。

作为本发明更进一步的改进，所述增材制造机构还包括金属丝和金属丝圈，金属丝缠绕设置在可转动的金属丝圈上，金属丝的伸出端与焊头连接。

作为本发明更进一步的改进，所述精炼器由上下两段组成，上段为中空的圆柱体，下段为倒置的中空圆台。

作为本发明更进一步的改进，还包括风冷机构，该风冷机构用于向金属构件外壳外部吹送空气。

作为本发明更进一步的改进，还包括测温机构，该测温机构用于测量金属构件外壳内部的温度。

作为本发明更进一步的改进，还包括惰气供应机构，该惰气供应机构用于向金属构件外壳内部吹送惰性气体。

作为本发明更进一步的改进，所述承载板置于冷却机构上，冷却机构置于绝缘板上。

作为本发明更进一步的改进，还包括电极夹持件、精炼器夹持件和安装架，所述电极夹持件用于夹持自耗电极，电极夹持件可上下移动的安装在安装架上；所述精炼器夹持件用于夹持精炼器，精炼器夹持件可上下移动的安装在安装架上。

作为本发明更进一步的改进，电源、机械臂、测温机构、惰气供应机构和风冷机构分别与计算机连接。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的金属构件快速成形装置及其成形方法，生产过程完全由计算机内的数学模型控制，生产高度智能化、自动化，其有机结合了现有电弧堆焊的快速成形技术与电渣重熔的特种冶金技术，其中：金属丝圈不断为机械臂自由端的焊头提供金属丝以快速制造出不规则的大尺寸金属构件外壳，自耗电极通过重熔不断为金属构件外壳内部提供金属液，最终使得金属构件外壳和金属构件外壳内部的金属液有效融合，使得构成金属构件整体的表层和内部均组织致密，克服了夹杂物含量相对较多、偏析、疏松、缩孔、凝固裂纹等传统铸坯的内部缺陷，金属构件表面和内部质量都能够得到高品质保证，最终制造出的金属构件既具有新制造工艺周期短的特点，又发挥传统工艺高效和高质量的优势，尤其当生产大尺寸的金属构件时，其生产效率大幅提高，且不仅能够生产钢铁材料的金属构件，还可以生产其他金属材料的金属构件，是一种金属构件新型快速制造成形技术。

(2)本发明的金属构件快速成形装置及其成形方法，其对生产原料和生产组织要求较低，自耗电极和金属丝相对金属粉末，成本大幅降低，可单独生产金属构件，生产组织灵活，适合多样化和小批量的大尺寸金属构件生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为实施例1的金属构件快速成形装置的结构示意图；

图2为实施例1中金属构件快速成形方法的流程图。

示意图中的标号说明：1、电源；2、金属丝圈；3、金属丝；4、焊头；5、机械臂；6、绝缘板；7、冷却机构；8、承载板；9、计算机；10、安装架；11、电极夹持件；12、精炼器夹持件；13、自耗电极；14、精炼器；15、测温机构；16、惰气供应机构；17、风冷机构；18、金属构件外壳。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例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例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

结合图1，本实施例的金属构件快速成形装置，包括电源1、自耗电极13、精炼器14以及与计算机9连接的增材制造机构；增材制造机构用于在一承载板8上3d打印出金属构件外壳18，打印出的金属构件外壳18内填充有精炼渣，其中承载板8为一金属板，承载板8置于冷却机构7上，冷却机构7为水冷箱冷却设备，冷却机构7置于绝缘板6上；精炼器14由上下两段组成，上段为中空的圆柱体，下段为倒置的中空圆台，上段和下段无缝焊合在一起，精炼器14下端面向金属构件外壳18内部，精炼器14内填充有精炼渣；自耗电极13位于精炼器14上方且其下端伸入精炼器14内的精炼渣中，制造过程中自耗电极13下端熔化后液滴穿过精炼渣，精炼渣能够捕获液滴中的夹杂物，净化后的液滴在精炼器14下端聚集成熔池；电源1一端与自耗电极13电联接，另一端与承载板8电联接。具体的，本实施例中增材制造机构包括机械臂5、焊头4、金属丝3和金属丝圈2，焊头4位于机械臂5的自由端，机械臂5围绕承载板8的周围设置，金属丝3缠绕设置在可转动的金属丝圈2上，金属丝3的伸出端与焊头4连接。

本实施例的金属构件快速成形装置还包括风冷机构17、测温机构15、惰气供应机构16、电极夹持件11、精炼器夹持件12和安装架10，风冷机构17用于向金属构件外壳18外部吹送空气，有利于金属构件外壳18的快速凝固成形；测温机构15用于测量金属构件外壳18内部的温度，具体本实施例中，测温机构15为非接触式的红外测温器；惰气供应机构16用于向金属构件外壳18内部吹送惰性气体，以使得电渣重熔过程产生的金属液在惰性气体的氛围下凝固；其中电极夹持件11用于夹持自耗电极13，电极夹持件11可上下移动的安装在安装架10上；精炼器夹持件12用于夹持精炼器14，精炼器夹持件12可上下移动的安装在安装架10上。同时，电源1、机械臂5、测温机构15、惰气供应机构16和风冷机构17分别与计算机9连接，并受计算机9的控制。

本实施例中，精炼器14由上下两段组成，上段为中空的圆柱体，下段为倒置的中空圆台，且精炼器14内填充有精炼渣，精炼器14的聚流形结构设计，充分发挥了精炼渣对于金属液的净化作用，精炼器14下段设计成倒置的中空圆台结构，使得液滴的流通通道逐渐变窄，一方面便于控制液滴从精炼器14下端的小孔定量流出，从而逐渐填充金属构件外壳18内部；另一方面精炼渣在精炼器14下段内堆积，其堆积的密度提升，堆积的整体形状接近倒置圆台，对于金属液的净化效果显著提升，有效满足高品质金属构件产品的生产要求。

结合图2，基于本实施例的金属构件快速成形装置的金属构件快速成形方法，包括以下步骤：

步骤a：准备好金属构件快速成形装置，其中，将新的承载板8安装在冷却机构7上；

步骤b：将需要生产的金属构件外壳18三维几何尺寸数据输入至计算机9，准备好金属构件要求的金属成分原料，即准备好成分满足金属构件制造要求的金属丝3和自耗电极13；

步骤c：开启冷却机构7；计算机9控制机械臂5和焊头4在承载板8上3d打印出金属构件外壳18，即通过电弧堆焊技术在承载板8上堆焊出金属构件的外壳，并通过风冷机构17向金属构件外壳18外部吹送空气，以加快金属构件外壳18的成形速度；

步骤d：将新的自耗电极13夹持在电极夹持件11上，向金属构件外壳18内部填充精炼渣；

步骤e：移动精炼器夹持件12使得精炼器14下端与金属构件外壳18内部填充的精炼渣接触，同时计算机9控制电源1向自耗电极13通电，开启电渣重熔过程；

步骤f：当测温机构15捕捉到有金属液从精炼器14下端流出落入金属构件外壳18内部时(即当测温机构15检测到金属构件外壳18内部处于金属熔化的高温状态时，说明有金属液从精炼器14下端流出并落入金属构件外壳18内部)，此时计算机9控制惰气供应机构16向金属构件外壳18内部吹送惰性气体，以使得自耗电极13下端在惰性气体的氛围下熔化成金属液，提高了金属液的品质；当自耗电极13伸入精炼渣的下端不断熔化时，电极夹持件11夹持自耗电极13相应地逐渐下降，使得自耗电极13下端始终浸入精炼渣内，以维持电渣重熔过程的连续进行，直至金属构件外壳18内部被填充满金属液。

步骤g：关闭电源1和惰气供应机构16，将已成形金属构件和承载板8共同取下，从金属构件上去除承载板8后得到目标产品。需要说明的是，以上步骤中金属构件外壳18的3d打印过程和自耗电极13的重熔过程可以同时进行，也可以根据实际情况交替进行。

电渣重熔由前苏联乌克兰巴顿电焊研究院根据电弧焊技术研发而来，利用电流通过熔渣所产生的焦耳热作为热源熔融自耗电极形成熔池并凝固成形，作为一种特种冶金方法，在生产高品质钢铁材料方面占据重要地位。其优点为：金属纯净，具有良好的去夹杂效果；成分均匀，使用性能优异；生产速度相对较快，吨钢生产效率远高于现有的快速成形技术。本实施例中，根据金属构件的几何尺寸，使用金属丝3作为原料，采用电弧或等离子等堆焊技术先生产出金属构件的表层，然后采用电渣重熔技术，使用自耗电极13作为原料，不断熔化自耗电极13产生金属液，来将金属构件的内部空腔充实，从而将快速成形工艺(即金属构件外壳18的3d打印过程)和特种冶金工艺(即自耗电极13的重熔过程)的优势相结合，能够显著提高大尺寸金属构件快速成形的生产效率和产品品质。

本实施例的金属构件快速成形装置及其成形方法，生产过程完全由计算机9内的数学模型控制，生产高度智能化、自动化，其有机结合了现有电弧堆焊的快速成形技术与电渣重熔的特种冶金技术，其中：金属丝圈2不断为机械臂5自由端的焊头4提供金属丝3以快速制造出不规则的大尺寸金属构件外壳18，自耗电极13通过重熔不断为金属构件外壳18内部提供金属液，最终使得金属构件外壳18和金属构件外壳18内部的金属液有效融合，使得构成金属构件整体的表层和内部均组织致密，克服了夹杂物含量相对较多、偏析、疏松、缩孔、凝固裂纹等传统铸坯的内部缺陷，金属构件表面和内部质量都能够得到高品质保证，最终制造出的金属构件既具有新制造工艺周期短的特点，又发挥传统工艺高效和高质量的优势，尤其当生产大尺寸的金属构件时，其生产效率大幅提高，且不仅能够生产钢铁材料的金属构件，还可以生产其他金属材料的金属构件，是一种金属构件新型快速制造成形技术。

本实施例的金属构件快速成形装置及其成形方法，增材制造机构在一承载板8上3d打印出金属构件外壳18，并在打印出的金属构件外壳18内填充有精炼渣，移动精炼器夹持件12使得精炼器14下端与金属构件外壳18内部填充的精炼渣接触，同时计算机9控制电源1向自耗电极13通电，开启电渣重熔过程：自耗电极13在精炼器14内不断熔化并产生金属液，产生的金属液再经过金属构件外壳18内填充的精炼渣后到达金属构件的内部，从而逐渐将金属构件的内部空腔填充，其中，金属构件外壳18内部填充的精炼渣一方面使得在精炼器14中产生的金属液经过二次电渣重熔过程被进一步处理，金属液品质得到显著提升，另一方面，金属构件外壳18内部填充的精炼渣覆盖在金属液上部，同时起到隔绝空气氧化等的隔绝作用以及通过金属构件外壳18内部填充的精炼渣自身发出的电阻热而对金属液起到加热保温作用，待金属构件外壳18内部空腔被金属液充满时，可直接切断电源1，此时金属构件外壳18内部空腔内的金属液在金属构件外壳18内部空腔内完全冷却凝固，最终金属构件外壳18和金属构件外壳18内部的金属液得到有效融合，从而避免了金属液在金属构件外壳18内部不同时间、不同批次凝固而导致最终成形的金属构件其表层和内部组织无法有效结合的缺陷。其中，在承载板8上3d打印金属构件外壳18时，可使得打印出的金属构件外壳18比计划生产的金属构件外壳18更长，当金属液在金属构件外壳18内部的液面到达或超过预定的金属构件尺寸时，此时金属液的上部仍旧覆盖一层精炼渣，在此时切断电源1，金属构件外壳18内部空腔内的金属液在金属构件外壳18内部空腔内完全冷却凝固，冷却凝固后将实际得到的成形金属构件比计划生产的金属构件外壳18更长的部分切除即可，通过该种方式能够保证金属液在熔化以及凝固的过程中，始终被其上部覆盖的精炼渣进行隔绝以及加热保温处理，最终有效提高实际制备的金属构件的质量。

本实施例的金属构件快速成形装置及其成形方法，其对生产原料和生产组织要求较低，自耗电极13和金属丝3相对金属粉末，成本大幅降低，可单独生产金属构件，生产组织灵活，适合多样化和小批量的大尺寸金属构件生产。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。