一种旋转式大型薄壁环件增材制造装置的制作方法

本发明涉及一种旋转式大型薄壁环件增材制造装置，属于具体的生产制造和加工领域。

背景技术：

环件的制造技术广泛应用在机械，汽车，火车，船舶，石油化工，航空航天，原子能等许多工业领域。其中各行业对大型环件的需求量越来越大，如运载火箭过度环，压力容器及核反应堆的加强圈等。传统的制造工艺主要采取环件轧制的方式，国内许多单位已轧制出直径达到5m的整体环件，对于5m以上的环件制作仅有少数单位研制成功，如首都航天机械公司在新一代运载火箭背景下采用多向锻造采用多向锻造和环轧工艺，研制出9m超大直径2219铝合金整体环件。但是轧制工艺也有突出的问题如环件及轧辊强烈自激振荡，轧制件界面轮廓在轧制中回复，环件突然压扁等，任一现象多会破化轧制过程的稳定性并产生轧制废品。因此，需要一种新型的制作技术和设备来制造超大型环形薄壁件。

近年来，增材制造技术发展日益成熟。狭义的是指当前出现的快速原型技术(或称为3d打印技术)，以及基于快速原型的快速模具与金属零件的快速制造技术等。主要的制造工艺有激光粉末烧结，激光融覆成型，电子束熔化等。所能成型的材料有尼龙纤维，合金材料等。其技术具有数字制造，降维制造，堆积制造，直接制造，快速制造等优势。因此，增材制造方式将会是大型薄壁环件制造潜在选择之一，而研究设计相对应的增材制造装置也就成为了一个重要课题。

技术实现要素：

本发明专利主要是针对大型薄壁环件的增材制造技术的空缺，设计的一种旋转式大型薄壁环件增材制造装置，能够通过增材制造方式制造铝合金环件，通过旋转架支撑平台系统在底座电机的带动下实现圆形轨迹。二自由度增材系统中的一体化增材枪头，在滚珠丝杆套装的带动下，在旋转的堆积平台实现金属环件的堆积制造。本发明专利装置结构简单，拆装方便，具备耗损低、精度高的特点，能够实现大型薄壁环件的快速成型。

本发明所采用的技术方案是：提供一种旋转式大型薄壁环件增材制造装置，主要由两个模块组成，一是旋转架支撑平台系统，包括底座电机，减速器，中心旋转圆盘，矩形空心连接杆，外环平台；二是二自由度增材系统，包括一体化专用枪头、z轴滚珠丝杠套装、x轴滚珠丝杠套装、伺服电机、丝材储存桶、送丝机、工作平台、圆柱体支撑柱、底座。其中旋转架支撑平台系统的电机通过减速器降速并输出高转矩，使中心旋转平台在输出轴的直接作用下旋转，通过矩形空心连接杆带动外环平台绕中心旋转，形成环形件的加工路径。二自由度增材系统通过控制x轴与z轴电机可实现竖直二自由度平面上的增材喷头的运动，工作时，丝桶不断送出丝料，抽丝机将丝料进一步送向喷头。氩气保护气气罐通过气管往碰头送入保护气氩气，通入电源，激发电子束，丝料在氩气环境下熔融，从而实现增材。通过旋转架支撑平台的旋转和二自由度增材系统的二自由度送料运动的组合，进而完成金属薄壁环件的堆积成型。

所述旋转架支撑平台系统的底座电机选用三相异步电动机，使用凸缘刚性连轴器实现电机到减速器的降速增矩；减速器的减速比根据所需加工速度进行设计。通过电机旋转运动形成圆形的加工轨迹，增材喷头堆积弧状薄壁。

所述旋转架支撑平台系统的外环平台由12个外环支撑架组成，外环支撑架为30度弧度件，截面为凹形，以加强刚性减少变型。两端为沿着半径方向的矩形截面，上有螺栓孔，以通过螺栓与相邻弧度件连接。弧件中心，装有滚轮，与地面直接接触，以实现运动是支撑作用。

所述旋转架支撑平台系统的矩形连接杆，材料为45钢，为空心结构，两段有螺栓孔，直径均为24mm，所需数量为12件。

所述旋转架支撑平台系统的中心旋转圆盘，上端结构为圆形，有12处沿半径方向外延的矩形突出段，上有螺栓连接孔，均匀分布。下端结构为圆柱形，内有为与减速器输出轴相配合的孔。上下端结构之间有加强筋，以增强整体刚性。为减少质量与转动惯量，可在此基础上可留出减重孔。

所述二自由度增材系统的工作平台上布置有一体化专用枪头、丝材储存桶、送丝机，z轴滚珠丝杠套装、x轴滚珠丝杠套装及相应的伺服电机；x轴滚珠丝杠水平方向布置，z轴滚珠丝杠竖直方向布置，并配有相应电源和氩气保护气。

所述二自由度增材系统的末端一体化碰头由两个部分组成，包括枪头、推丝机，对于保护气的气体流量控制，工作时选择15l/min的气体流量。

所述二自由度增材系统的工作平台下部为圆柱体支撑柱，最下端为回转形嵌套件，与地面的接触面为圆盘，上有8个圆周分布的地钉孔。

本发明的有益效果是:

1.本发明采用金属增材的方式实现大型薄壁环件的制造，避免了传统机械加工减材加工对材料的损耗，具备快速成型的特点；

2.本发明采用二自由度的增材系统，使用滚珠丝杠作为移动的执行机构，能实现复杂结构的加工，并能有效提高加工精度。

附图说明

图1整体示意图

图2旋转架支撑平台系统

图3二自由度增材系统

图中：1.旋转架支撑平台系统；2.二自由度增材系统；3.底座电机；4.减速器；5.中心旋转平台；6.矩形空心连接杆；7.外环平台架；8.圆柱体支撑柱；9.底座；10.工作平台；11.z轴滚珠丝杠；12.x轴滚珠丝杠；13.伺服电机；14.一体化专用枪头；15.送丝机；16.丝材储存桶。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

如图1所示，本发明由旋转架支撑平台系统1和二自由度增材系统2组成。

如图2所示，旋转架支撑平台系统的底座电机3通过联轴器与减速器4相连，从而实现降速增矩。减速器通过内置齿轮布置，将水平指向转矩转为竖直指向转矩输出。中心旋转平台5受减速器输出转矩作用，通过矩形空心连接杆6，将转矩传递至外围的外环平台架7，外环旋转架平台可视为一个刚性件绕减速器输出轴旋转，为金属增材提供堆积平台，形成环形件的加工路径。

如图3所示，二自由度增材系统通过圆柱体支撑柱8、底座9将工作平台10固定在所需要的位置；工作平台10上端固定有z轴滚珠丝杠11和x轴滚珠丝杠12及各自相应的伺服电机13，一体化专用枪头14固定在z轴的滚珠丝杠上，并配有送丝机15和相应的丝材储存桶16提供丝材。二自由度增材系统通过控制x轴与z轴伺服电机13实现竖直二自由度平面上的增材喷头的运动，工作时，丝材储存桶16不断送出丝料，抽丝机15将丝料进一步送向一体化专用枪头14。氩气保护气气罐通过气管往碰头送入保护气氩气，通入电源，激发电子束，丝料在氩气环境下熔融，从而实现增材。

通过旋转架支撑平台系统的旋转和二自由度增材系统的二自由度送料运动的组合，完成环件的堆积成型。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种旋转式大型薄壁环件增材制造装置，属于具体的生产制造和加工领域。该装置具体功能是使用铝合金材料，通过3D打印的方式增材制造大型薄壁环型件；主要包括两个部分，一是旋转架支撑平台系统，用于提供环形件成型的平台，包括底座电机，减速器，中心旋转圆盘，矩形空心连接杆，外环平台等部分；二是二自由度增材系统，用于环形件送料和成型，具有水平与竖直两个自由度，包括一体化专用枪头、Z轴滚珠丝杠套装、X轴滚珠丝杠套装、伺服电机、丝材储存桶、送丝机、工作平台、圆柱体支撑柱、底座等部分。本发明能够通过增材的方式完成结构复杂的大型薄壁环件的制造，能够避免传统机械加工存在的问题，具有耗损低、精度高的特点，可适应于多种结构的薄壁环件的加工制造。

技术研发人员：吴琼;谢东健;张以都;李磊;高瀚君
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2017.08.02
技术公布日：2017.09.29