一种利用感应加热快速成形金属零件的装置和方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用感应加热快速成形金属零件的装置和方法，该装置包括基板、前置加热单元和感应熔炼单元，基板位于感应熔炼单元的下方，用于作为金属零件成形的平台；前置加热单元位于基板和感应熔炼单元之间，用以形成均匀的温度场；感应熔炼单元包括支架和设置于支架上的熔炼坩埚，熔炼坩埚上设置有感应线圈，其出口端设置有与基板相对的熔炼坩埚喷嘴，其入口端经橡胶塞连接有进气口，用以向熔炼坩埚中提供惰性气体。所述方法采用上述装置进行金属零件的感应加热快速成形。本发明具有加工灵活性高，后续加工量小等优点。
【专利说明】
一种利用感应加热快速成形金属零件的装置和方法
技术领域
[0001]本发明属于金属零件快速成形领域，更具体地，涉及一种利用感应加热快速成形金属零件的装置和方法。
【背景技术】
[0002]金属零件的传统制造方法多为减材制造，如车、铣、刨、磨等，或等材制造，如铸造、锻造、冲压等。但此类方法存在诸如研发周期长、材料浪费严重、难以成形异形件等缺点。
[0003]快速成形(RPM)技术，又称3D打印技术或增材制造技术，是20世纪80年代初出现在美国、90年代在全球迅速发展的一门综合性前沿制造技术，是先进制造技术的重要组成部分。它是一种以数字模型文件为基础，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，其基本原理是离散-堆积原理:即将三维数字模型通过分层软件离散成X-Y方向的薄层，成形系统根据薄层的二维数据，将材料逐层堆积成三维实体。目前，比较成熟的技术有光固化快速成形(SLA)、选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积(FDM)等。快速成形已在某些领域(如航空航天、汽车、船舶)用于金属零件的制造。
[0004]目前，金属零件的快速成形所采用的热源多为激光，如选择性激光烧结、选择性激光熔化或高能粒子束，如等离子烧结、电子束烧结等，然而此类热源成本过高，设备成本在数十万至数百万人民币不等。
[0005]感应加热一般向加热管输入中频或高频交流电，在工件中产生感应电流而达到加热熔化的目的，此种方法设备简单、成本低，利用感应加热快速成形金属零件的装置和方法目前还未见报道。
【发明内容】
[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种利用感应加热快速成形金属零件的装置和方法，其利用金属熔融沉积成形原理，并结合感应加热的方式成形金属零件，具有设备成本低，加工灵活性高，产品质量稳定，热影响区小，工件变形小，后续加工量小等优点。
[0007]为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种利用感应加热快速成形金属零件的装置，该装置包括基板、前置加热单元和感应熔炼单元，其中:
[0008]所述基板位于感应恪炼单元的下方，其用于作为金属零件成形的平台；
[0009]所述前置加热单元位于基板和感应熔炼单元之间，用以形成均匀的温度场；
[0010]所述感应熔炼单元包括支架和设置于支架上的感应线圈及熔炼坩祸，所述感应线圈套装在所述熔炼坩祸的外部，且不与熔炼坩祸接触，该熔炼坩祸用于熔炼金属锭块，其出口端设置有与基板相对的熔炼坩祸喷嘴，其入口端经橡胶塞连接有进气口，用以向熔炼坩祸中提供惰性气体。
[0011]作为进一步优选的，所述基板表面平整，且能持续加热，并能上下移动和水平移动。
[0012]作为进一步优选的，所述进气口前端设置有电磁阀，用于控制熔炼坩祸内的压强。
[0013]作为进一步优选的，所述基板、前置加热单元和感应熔炼单元均处于填充有保护气体的保护罩内，以保证金属零件成形过程在气体保护的环境中进行。
[0014]按照本发明的另一方面，提供了一种利用所述装置成形金属零件的方法，包括如下步骤:
[0015]I)在熔炼坩祸中装入金属锭块，然后打开前置加热单元并使感应线圈通电；
[0016]2)金属锭块在熔炼坩祸中经感应加热成金属合金熔体，并保持在设定温度的± 10
°Co；
[0017]3)在电磁阀控制下经进气口向熔炼坩祸中充入惰性气体，同时使基板按照金属零件的横向截面信息相对于感应熔炼单元作平面运动，金属合金熔体在惰性气体的作用下从熔炼坩祸喷嘴中挤出并沉积在基板上，沉积在基板上的金属熔体冷却后形成金属零件的一层截面；
[0018]4)使基板下降一层金属零件截面的高度，金属合金熔体不断从熔炼坩祸喷嘴处挤出进行下一层金属零件截面的沉积；
[0019]5)重复步骤3)-4)，直至得到完整的金属零件。
[0020]作为进一步优选的，在沉积金属零件的第一层之前，将基板的温度设定为小于金属熔点，保持该温度直至沉积金属零件的最后一层结束。
[0021 ] 作为进一步优选的，通过所述电磁阀经进气口控制熔炼坩祸内的压强，从而控制金属恪体的流量。
[0022]总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点:
[0023]1.本发明充分考虑金属零件快速成形的特点，研究设计一种包括基板、前置加热单元和感应熔炼单元的适用于金属零件的快速成形装置，该装置利用位于基板和感应熔炼单元之间的前置加热单元用以形成均匀的温度场，保证成形时的温度条件，并利用电磁感应加热的方式实现金属的均匀稳定的加热，通过基板和感应熔炼单元的配合，可制备各种形状复杂的金属零件，具有加工灵活性高，产品质量稳定，热影响区小，工件变形小，后续加工量小等优点，并且能够有效提高生产效率，降低制造成本，对金属零件的生产具有重大意义。
[0024]2.本发明将金属锭块加热成熔体，从喷嘴挤出，并按照截面轮廓信息作平面运动，并逐层堆积成形，属于快速成形中的熔融沉积法，能加工复杂形状的金属零件。
[0025]3.本发明中，为防止成形金属零件氧化，在成形过程中将基板、前置加热单元和感应熔炼单元放置在填充有保护气体的保护罩内，以保证金属零件成形过程在气体保护的环境中进行。
[0026]4.本发明采用感应加热作为加热方法，加热速度快、加热效率高，可根据材料不同，调整工作频率和功率，成型材料包括从铝、铜合金等低熔点合金到铁、钛等高熔点合金。
[0027]5.本发明采用感应加热作为加热热源，相比较激光热源等，设备成本低、拆装方便、维护成本低。
[0028]6.本发明的加热原料为金属锭块，与金属丝材或粉材相比，获得成本低，更易保存。
【附图说明】
[0029]图1是本发明利用感应加热快速成形金属零件的装置的结构示意图；
[0030]图2是本发明实施例金属零件结构示意图；
[0031 ]图3是本发明实施例金属零件的横向截面形状示意图；
[0032]图4是本发明实施例基板相对喷嘴的运动轨迹。
【具体实施方式】
[0033]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0034]如图1所示，本发明实施例提供的一种利用感应加热快速成形金属零件的装置，其主要包括基板1、前置加热单元2和感应熔炼单元，其中，基板I用于作为金属零件成形的平台，前置加热单元2用于形成均匀的温度场，使金属在均匀温度场中逐渐凝固成形，感应熔炼单元用于实现金属锭的熔炼，并以一定方式将金属熔体喷射到基本上以制备所需的金属零件。通过上述各个单元与部件的相互配合，可实现金属零件例如散热片、排气管、金银首饰等的成形加工。
[0035]下面将具体对各个单元进行详细的说明和描述。
[0036]基板I，其设于感应熔炼单元的下方，为了保证成形工件的表面质量，基板的表面需平整，并且为了控制金属熔体沉积过程中的冷却速度，其可持续加热，其可根据沉积金属材料的不同选择适合的铜、不锈钢等材料制成。为了便于成形过程中已成形金属层的移动，基板设置成可上下升降移动，如此使得制作完成一层金属层时，该金属层可随着基板向下运动，进而在该金属层上沉积下一层金属层。同时，基板可水平移动，以实现在基板上成形各类形状的金属零件。
[0037]前置加热单元2，其设于基板I和感应熔炼单元之间，以形成均匀的温度场，前置加热单元2的加热热源可采用远红外加热管，也可采用其它热源加热，共设有两个，分设于感应熔炼单元中的熔炼坩祸的两侧，用于保证金属成形时温度场。
[0038]感应熔炼单元，其主要包括支架7和设置于支架7上的熔炼坩祸6，该支架7用于安装熔炼坩祸6，该熔炼坩祸6用于熔炼金属锭块4，金属锭块4既可以是铜、铝等低熔点合金，也可以是铁、钛等高熔点合金，其可以根据实际成形需要进行选择。熔炼坩祸6上设置有感应线圈5，该感应线圈5用于根据加热金属材料的不同产生不同频率和功率的感应电流对坩祸进行加热以熔炼坩祸中的金属锭块;熔炼坩祸6的出口端设置有与基板I相对的熔炼坩祸喷嘴3，熔炼后的金属熔体从该喷嘴中喷出，喷嘴3的内径在毫米至微米级，通过选择不同喷嘴内径的坩祸，获得不同精度要求的成型零件。熔炼坩祸6的入口端设置有进气口 9，该进气口通过橡胶塞8与熔炼坩祸6的入口端相连，该进气口用于向坩祸中通入惰性气体，例如氮气、氩气等，利用惰性气体可将金属熔体以一定的速度从坩祸喷嘴中挤出，所述橡胶塞可有效防止坩祸内气体的泄露。为了控制坩祸内气体的压强，实现气体压强可调，在进气口9的前端设置有用于调节气体压强的电磁阀10。
[0039]为了防止成形金属零件氧化，基板1、前置加热单元2和感应熔炼单元均处于填充有保护气体的保护罩内，以保证金属零件成形过程在气体保护的环境中进行。
[0040]本发明实施例还提供了一种感应加热快速成形金属零件的方法，其主要包括如下步骤:
[0041]I)在熔炼坩祸6中装入金属锭块4，然后打开前置加热单元2，并使感应线圈5通电；
[0042]2)金属锭块4在熔炼坩祸6中经感应加热成金属合金熔体，并保持在设定温度的±10°C；
[0043]3)在电磁阀10控制下经进气口 9向熔炼坩祸6中充入惰性气体，将金属熔体挤出，同时使基板I按照金属零件的横向截面信息相对于感应熔炼单元作平面运动，平面运动过程中使金属熔体在惰性气体的作用下从熔炼坩祸喷嘴3中挤出并沉积在基板I上，沉积在基板I上的金属熔体冷却后形成金属零件的一层截面，成形过程中可根据加热金属或合金的特点，通过电磁阀10经进气口控制熔炼坩祸内的压强，从而控制金属熔体的流量(挤出速度)。
[0044]4)使基板I下降一层金属零件截面的高度，金属合金熔体不断从熔炼坩祸喷嘴3处挤出进行下一层金属零件截面的沉积；
[0045]5)重复步骤3)-4)，直至得到完整的金属零件。
[0046]具体的，在沉积金属零件的第一层之前，将基板I的温度设定为小于金属熔点，保持该温度直至沉积金属零件的最后一层结束，从而防止沉积金属熔体与基板温差过大，造成金属零件与基板融合不完全。根据成形材料与基板材料不同，基板设定温度的范围低于成形材料熔点10-100摄氏度，若成型材料为高熔点合金，可放宽至800摄氏度以上。
[0047]本发明主要以基板相对于感应熔炼单元运动的方式成形各种形状的金属零件，当然，也可以采用感应熔炼单元相对于基板运动的方式成形，即基板不动，感应熔炼单元按照金属零件的横向截面信息相对于基板作平面运动(水平移动)，感应熔炼单元运动的同时，前置加热单元2也随之运动，以保证成形的温度场。
[0048]以下为本发明的具体实施例，本实施例以制备一组10个小型金属环形零件为例，进一步对本发明进行说明，其采用钛合金TC4制成，零件结构如图2所示，每个质量约为0.64g，基板采用不锈钢钢板制成，具体包括如下步骤:
[0049]I)在熔炼坩祸6中装入1g的TC4铸锭，然后打开前置加热单元2将温度升至600 °C-800°C，并使感应线圈5通电，在一分钟内将坩祸内合金铸锭熔化，并使基板的温度保持在800 °C；
[0050]2)合金铸锭在熔炼坩祸6中经感应线圈感应加热成金属合金熔体，并保持在1635°C -1713 °C之间，感应加热的升温时间为Imin;
[0051 ] 3)在喷嘴到达起始位置后，在电磁阀1控制下经进气口 9以IKPa的正压向熔炼坩祸6中充入氩气，同时使基板I按照金属零件的横向截面信息相对于感应熔炼单元作平面运动，具体的，根据图3所示的金属零件的横向截面形状，实现基板的平面运动，基板相对于喷嘴(也即喷嘴相对于基板)的运动轨迹如图4所示，平面运动过程中金属熔体在氩气的作用下以5mm/s的速度从熔炼坩祸喷嘴3中挤出并沉积在基板I上，沉积在基板I上的金属熔体冷却后形成厚度为0.5mm的金属零件的一层截面；
[0052]4)使基板I下降一层金属零件截面的高度即0.5mm，然后以与步骤3)中同样的方式使基板进行平面运动，基板运动的同时金属合金熔体从熔炼坩祸喷嘴处挤出以进行下一层金属零件截面的沉积；
[0053]5)重复步骤3)-4)，直至得到完整的金属零件，关闭电磁阀10，金属熔体停止流出；
[0054]6)重新定位喷嘴，重复步骤3)-5)，成形剩余9个零件。
[0055]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种利用感应加热快速成形金属零件的装置，其特征在于，该装置包括基板(I)、前置加热单元(2)和感应熔炼单元，其中: 所述基板(I)位于感应熔炼单元的下方，其用于作为金属零件成形的平台； 所述前置加热单元(2)位于基板(I)和感应熔炼单元之间，用以形成均匀的温度场； 所述感应熔炼单元包括支架(7)和设置于支架(7)上的感应线圈(5)及熔炼坩祸(6)，所述感应线圈(5)套装在所述熔炼坩祸(6)的外部，且不与熔炼坩祸(6)接触，该熔炼坩祸(6)用于熔炼金属锭块(4)，其出口端设置有与基板(I)相对的熔炼坩祸喷嘴(3)，其入口端经橡胶塞(8)连接有进气口( 9)，用以向熔炼坩祸(6)中提供惰性气体。2.根据权利要求1所述的利用感应加热快速成形金属零件的装置，其特征在于，所述基板(I)表面平整，且能持续加热，并能上下移动和水平移动。3.根据权利要求1所述的利用感应加热快速成形金属零件的装置，其特征在于，所述进气口(9)前端设置有电磁阀(10)，用于控制熔炼坩祸内的压强。4.根据权利要求1所述的利用感应加热快速成形金属零件的装置，其特征在于，所述基板(I)、前置加热单元(2)和感应熔炼单元均处于填充有保护气体的保护罩内，以保证金属零件成形过程在气体保护的环境中进行。5.—种利用如权利要求1-4任一项所述装置成形金属零件的方法，其特征在于，包括如下步骤: 1)在熔炼坩祸(6)中装入金属锭块(4)，然后打开前置加热单元(2)并使感应线圈(5)通电； 2)金属锭块(4)在熔炼坩祸(6)中经感应加热成金属合金熔体，并保持在设定温度的±10C0; 3)在电磁阀(10)控制下经进气口(9)向熔炼坩祸(6)中充入惰性气体，同时使基板(I)按照金属零件的横向截面信息相对于感应熔炼单元作平面运动，金属合金熔体在惰性气体的作用下从熔炼坩祸喷嘴(3)中挤出并沉积在基板(I)上，沉积在基板(I)上的金属熔体冷却后形成金属零件的一层截面； 4)使基板(I)下降一层金属零件截面的高度，金属合金熔体不断从熔炼坩祸喷嘴(3)处挤出进行下一层金属零件截面的沉积； 5)重复步骤3)-4 )，直至得到完整的金属零件。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在沉积金属零件的第一层之前，将基板(I)的温度设定为小于金属熔点，保持该温度直至沉积金属零件的最后一层结束。7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过所述电磁阀(10)经进气口控制熔炼坩祸内的压强，从而控制金属熔体的流量。
【文档编号】B22F3/115GK105903970SQ201610268699
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】周建新, 段伟, 殷亚军, 樊晓薇, 沈旭, 计效园
【申请人】华中科技大学