一种电极感应熔化增材制造设备与方法与流程

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种电极感应熔化增材制造设备与方法。

背景技术：

增材制造相对于传统减材制造工艺(各种机械加工方法)来说，增材制造的材料利用率高，组织均匀性好，适配于复杂零件的加工时间短，成本更低，因而更适合于现代金属制造领域对于复杂零件制造的要求。

目前，各类增材制造针对软件开发的成熟度已经较高，增材制造零件的问题主要来源于成型的物理原理性问题。

目前常用的金属增材制造技术的主要原材料是金属球形粉材和金属丝材，以钛合金为例，每公斤的球形粉末成本约为海绵钛的60倍，而每公斤钛金属丝材成本约为海绵钛的4-5倍。这使得增材制造钛合金零件的成本大约为同质量海绵钛的120-500倍，高昂的成本大大限制了增材制造的进一步广泛运用，上述问题对于其他合金种类也有类似的情况。

目前，各类增材制造技术的材料选择性较低。以主导市场的激光类增材制造为例，由于目前可用激光器的频率有限，不能实现对不同合金元素的电子结构匹配，使激光器的频率不能被完全吸收，大幅度降低了激光熔化的效率；例如频率约为400nm激光器由于光能的强烈反射而难以熔化铝基金属。而电子束类热源增材制造，对于密度较轻的合金粉末难以获得致密结构。

此外，现有增材制造技术还存在成型速度慢，生产周期长，设备制造成本较高的问题。

技术实现要素：

为了解决以上问题，本发明的目的是提供一种电极感应熔化增材制造设备与方法，大幅度降低了金属零件的制造成本，解决了现有增材制造技术合金选择性低的问题；同时，缩短了增材制造的生产周期，并降低增材制造的设备实现难度。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以解决。

本发明提供一种电极感应熔化增材制造设备，包括水平移动单元和竖直移动单元；所述水平移动单元包含自下而上依次设置的底座、导向板和接物板；所述底座的上表面设置有第一导轨，所述导向板的下表面设置有第一滚轮，第一滚轮沿第一导轨左右移动；所述导向板的上表面设置有第二导轨，所述接物板的下表面设置有第二滚轮，第二滚轮沿第二导轨前后移动。

所述竖直移动单元包含支架、进料部件和锥形感应线圈；所述支架的下端设置于所述底座的一侧；所述支架的上端竖直开设有凹槽，所述凹槽内嵌设有竖直导杆，且所述竖直导杆沿所述凹槽上下移动；所述进料部件设置于所述竖直导杆的上端，所述锥形感应线圈设置于所述竖直导杆的下端；所述进料部件下端设置有金属棒材，所述金属棒材下端伸入所述锥形感应线圈内。

优选的，所述锥形感应线圈连接有供电装置，所述供电装置还连接有圆柱感应线圈，所述圆柱感应线圈设置于所述锥形感应线圈的正下方。

优选的，所述进料部件包含推杆和旋转盘，所述推杆通过连接件与所述竖直导杆连接，所述推杆的下端与所述旋转盘的上表面连接，所述旋转盘的底面与所述金属棒材连接。

优选的，所述推杆、所述旋转盘、所述金属棒材、所述锥形感应线圈和所述圆柱感应线圈的中心线分别位于同一竖直面。

优选的，所述连接件的远离竖直导杆的一端竖直设置有套筒，所述推杆嵌设于所述套筒内，且所述推杆可在套筒内上下移动。

优选的，所述金属棒材通过旋转盘底面的夹持件与所述旋转盘固定连接。

优选的，所述凹槽内设置有滑槽，所述竖直导杆上设置有凸起，所述滑槽与所述凸起相匹配。

优选的，所述竖直导杆的下端位于所述接物板的上方。

优选的，所述推杆的两端伸出所述套筒。

优选的，所述推杆和所述竖直导杆分别连接有伺服电机。

优选的，所述第一滚轮和所述第二滚轮连接有伺服电机。

优选的，所述旋转盘连接有电机。

优选的，伺服电机和电机分别连接有自动控制系统。

一种电极感应熔化增材制造方法，基于一种电极感应熔化增材制造设备，包括以下步骤：

步骤1，装料：将金属棒材与旋转盘固定，使金属棒材、旋转盘和锥形感应线圈的中心线重合。

步骤2，熔化进给：转动旋转盘，使旋转盘带动金属棒材自转；利用锥形感应线圈对金属棒材进行加热，使金属棒材熔化成锥形端头金属棒材；推动推杆使锥形端头金属棒材匀速向下移动，得金属液流。

步骤3，凝固成型：利用圆柱线圈对金属液流进行过热处理得过热金属液流，移动导向板、接物板和竖直导杆之间的相对位置，使过热金属液流在接物板上凝固成三维零件。

优选的，步骤2中，所述金属棒材自转的速率为1-30rpm。

优选的，步骤2中，所述锥形感应线圈的加热功率为2-10kw。

优选的，步骤2中，所述圆柱感应线圈的加热功率为0-3kw。

优选的，步骤2中，所述锥形端头金属棒材匀速向下移动的速度为0.3-100mm/min。

优选的，所述锥形感应线圈的锥角为30-60°，所述锥形感应线圈的底部半径为10-100mm。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明设备采用锥形感应线圈作为热源，可用于现有所有合金系列的增材制造，大大提高了增材制造的原材料可选范围；此外，感应加热技术实现难度相对于激光器和电子束较低，从而大幅度降低了设备成本，降低了设备生产、制造和推广的难度。

(2)本发明方法适用于普通圆棒作为原材料，其成本约为激光器所用粉材的1/30，为电子束所用丝材的1/5，因而可大幅度降低本发明方法制备零件的原料成本；将增材制造成本降低为现有技术的1/100-1/200。

(3)本发明方法采用感应加热，实现快速熔化，加快了成型速度，大大缩短了生产时间。

(4)本发明设备设有两个感应加热源，分别用于原料的熔化和提供过热度，使两者可分别控制，以避免合金液体提前凝固造成成型困难的问题，使本设备能够分别适用于低熔点和高熔点金属的增材制造，进一步扩大原材料可选范围。

(5)本发明设备结构简单，可用于制造大尺寸零部件，因此，大大扩展了现有增材制造的金属零件的尺寸。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1是一种电极感应熔化增材制造设备的一种实施例的立体结构图。

图2是图1中a的局部放大图。

以上图中，1、水平移动单元；11、底座；111、第一滑槽；12、导向板；121、第一滚轮；122、第二滑槽；13、接物板；131、第二滚轮；2、竖直移动单元；21、支架；211、竖直导杆；212、连接件；213、套筒；22、进料部件；221、推杆；222、旋转盘；23、锥形感应线圈；24、圆柱感应线圈；25、供电装置；3、金属棒材。

具体实施方式

实施例1

参考图1和图2，本发明的实施例提出一种电极感应熔化增材制造设备，包括水平移动单元1和竖直移动单元2，使设备能够实现水平面和竖直方向上的移动，实现三维位置调整。

水平移动单元1包含自下而上依次设置的底座11、导向板12和接物板13，底座11用于支撑导向板12和接物板13；底座11的上表面设置有第一导轨，导向板12的下表面设置有第一滚轮121，第一滚轮121可沿第一导轨左右移动，使导向板12能够沿x轴方向移动；导向板12的上表面设置有第二导轨，接物板13的下表面设置有第二滚轮131，第二滚轮131可沿第二导轨前后移动，使接物板13能够沿y轴方向移动；最终使接物板13能够同时沿x轴和y轴方向移动。

竖直移动单元2包含支架21、进料部件22和锥形感应线圈23；支架21的下端设置于底座11的一侧，使支架21在水平面上以底座11为支撑，支架21用于支撑整个竖直移动单元2，进料部件22用于原料的供给，锥形感应线圈23用于原料的加热熔化。

支架21上端竖直开设有凹槽，凹槽内嵌设有竖直导杆211，且竖直导杆211沿凹槽上下移动；使竖直导杆211可沿凹槽上下移动；进料部件22设置于竖直导杆211的上端，锥形感应线圈23设置于竖直导杆211的下端，使进料部件22和锥形感应线圈23以竖直导杆211为支撑；进料部件22下端设置有金属棒材3，金属棒材3下端伸入锥形感应线圈23内，便于进料部件22上的金属棒材3在锥形感应线圈23内被熔化，实现金属棒材3的逐渐进给熔化过程，便于金属棒材3随旋转盘222自转的同时，经过锥形感应线圈23熔化，形成锥形熔化端头，熔融液滴沿锥尖形成金属液流，通过进料部件22实现金属棒材3的连续进给和熔化的过程。

金属棒材3通过锥形感应线圈23加热熔化后落到接物板13上凝固，再通过竖直导杆211沿凹槽上下移动实现z轴方向的移动，通过水平移动单元1实现接物板13的x轴和y轴方向移动，进而实现以金属棒材3为原料对零部件进行熔化凝固的三维增材制造过程。

另外，本发明提供的电极感应熔化增材制造设备可以具有如下附加实施例：

参考图1，根据本发明的一个实施例，进料部件22包含推杆221和旋转盘222，推杆221通过连接件212与竖直导杆211连接，推杆221的下端与旋转盘222的上表面连接，旋转盘222的底面与金属棒材3连接。

在以上实施例中，进料部件22包含推杆221和旋转盘222，推杆221通过连接件212与竖直导杆211连接，使推杆221以竖直导杆211为支撑；推杆221的下端与旋转盘222的上表面连接，推杆221与旋转盘222通过焊接等方式固定，用于将旋转盘222向下推动，使金属棒材3向下移动；旋转盘222的底面与金属棒材3连接，金属棒材3随旋转盘222转动而实现自转，便于后续的边熔化边进给过程。

参考图1，根据本发明的一个实施例，锥形感应线圈23连接有供电装置25，供电装置25还连接有圆柱感应线圈24，圆柱感应线圈24设置于锥形感应线圈23的正下方。

在以上实施例中，锥形感应线圈23连接有供电装置25，供电装置25还连接有圆柱感应线圈24，供电装置25包含如供电板等能提供电的装置，用于锥形感应线圈23和圆柱感应线圈24的电量供给，可通过供电装置25功率的设置来控制棒材熔化速度和熔融液体的过热度，圆柱感应线圈24使得合金液体保持过热，以便于堆积凝固成型操作；圆柱感应线圈24设置于锥形感应线圈23的正下方，使金属棒材3被熔化成金属液流后进入圆柱感应线圈24内实现过热处理，便于控制落在接物板13上的金属液流的过热度。

参考图1，根据本发明的一个实施例，推杆221、旋转盘222、金属棒材3、锥形感应线圈23和圆柱感应线圈24的中心线分别位于同一竖直面。

在以上实施例中，推杆221、旋转盘222、金属棒材3、锥形感应线圈23和圆柱感应线圈24的中心线分别位于同一竖直面，使金属棒材3受力均匀，保证整个结构的稳定性，同时保证金属棒材3位于感应线圈中间，使其受热均匀。

参考图1，根据本发明的一个实施例，连接件212的远离竖直导杆211的一端竖直设置有套筒213，推杆221嵌设于套筒213内，且推杆221可在套筒213内上下移动。

在以上实施例中，连接件212的远离竖直导杆211的一端竖直设置有套筒213，推杆221嵌设于套筒213内，且推杆221可在套筒213内上下移动，使推杆221在竖直方向上受力均匀，便于推杆221在竖直方向上移动。

参考图1，根据本发明的一个实施例，凹槽内设置有滑槽，竖直导杆211上设置有凸起，滑槽与凸起相匹配。

在以上实施例中，凹槽内设置有滑槽，竖直导杆211上设置有凸起，滑槽与凸起相匹配，使竖直导杆211卡接于凹槽内，便于其上下移动。

参考图1，根据本发明的一个实施例，竖直导杆211的下端位于接物板13的上方。

在以上实施例中，竖直导杆211的下端位于接物板13的上方，使竖直导杆211不影响水平移动单元1在x和y方向上的移动。

参考图1，根据本发明的一个实施例，金属棒材3通过旋转盘222底面的夹持件与旋转盘222固定连接。

在以上实施例中，金属棒材3通过旋转盘222底面的夹持件与旋转盘222固定连接，便于固定金属棒材3的位置，使其不发生移动。

参考图1，根据本发明的一个实施例，推杆221的两端伸出套筒213。

在以上实施例中，推杆221的两端伸出套筒213，便于推杆221的竖直移动。

参考图1，根据本发明的一个实施例，推杆221和竖直导杆211分别连接有伺服电机。

在以上实施例中，推杆221和竖直导杆211分别连接有伺服电机，为推杆221和竖直导杆211的上下运动提供动力和锁定功能。

参考图1，根据本发明的一个实施例，第一滚轮121和第二滚轮131连接有伺服电机。

在以上实施例中，第一滚轮121和第二滚轮131连接有伺服电机，为第一滚轮121和第二滚轮131的移动提供动力和锁定功能。

参考图1，根据本发明的一个实施例，旋转盘222连接有电机。

在以上实施例中，旋转盘222连接有电机，为旋转盘222的转动提供动力。

参考图1，根据本发明的一个实施例，所有伺服电机和电机分别连接有自动控制系统。

在以上实施例中，伺服电机和电机分别连接有自动控制系统，使整个设备可实现自动化精准控制。具体地，自动控制系统与竖直导杆211连接的伺服电机连接，实现竖直移动单元2在z轴方向的移动和定位，自动控制系统与第一滚轮121连接的伺服电机连接，实现导向板12沿x轴方向移动和定位，自动控制系统与第二滚轮131连接的伺服电机连接，实现接物板13沿y轴方向移动和定位，自动控制系统与推杆221连接的伺服电机连接，控制金属棒材3的进给速度，自动控制系统与旋转盘222连接的电机连接，实现旋转盘222旋转速度的自动化控制。

实施例2

参考图1，基于本发明提出的一种电极感应熔化增材制造设备，本发明的实施例提出一种电极感应熔化增材制造方法，包括以下步骤：

步骤1，装料：将本设备安装于1bar氩气气氛当中；将inconel718(镍基)合金加工成直径50mm，长度200mm的棒材，将棒材与旋转盘固定，使棒材、旋转盘和锥形感应线圈的中心线重合；伺服电机驱动推杆向下移动，使棒材下端伸入锥形感应线圈内，且棒材与锥形感应线圈的水平距离为5mm；

步骤2，熔化进给：将待制备试样的三维建模数据输入到自动控制系统中，电机驱动旋转盘以5rpm速度带动棒材自转；对锥角为30℃，锥底直径为100mm的锥形感应线圈通电，以2kw的功率对棒材进行加热，使棒材熔化成锥形端头棒材；伺服电机驱动推杆以0.3mm/min的速度匀速向下移动，使锥形端头棒材匀速向下移动，得金属液流。

步骤3，凝固成型：调节竖直导杆使圆柱线圈与待制备试样的顶部之间的竖直距离为100mm；开启自动控制系统，使导向板沿x轴方向移动，接物板沿y轴方向移动，同时金属液滴不断落入接物板上后迅速凝固，得到最底层模型的实体，控制竖直导杆沿z轴方向移动，进行次底层模型实体的制备，这样自下而上逐层凝固，每层厚度为0.1mm，最终得到与自动控制系统内的三维数据模型相匹配的inconel718三维零件。

该方法所制备inconel718成型零件的成型速度为0.096kg/min，水平方向尺寸精度误差<0.06mm，样品的致密度>99.9％。

实施例3

参考图1，基于本发明提出的一种电极感应熔化增材制造设备，本发明的实施例提出一种电极感应熔化增材制造方法，包括以下步骤：

步骤1，装料：将本设备安装于真空气氛当中；将ti6al4v合金加工成直径100mm，长度1000mm的棒材，将棒材与旋转盘固定，使棒材、旋转盘和锥形感应线圈的中心线重合；伺服电机驱动推杆向下移动，使棒材下端伸入锥形感应线圈内，且棒材与锥形感应线圈的水平距离为10mm；

步骤2，熔化进给：将待制备试样的三维建模数据输入到自动控制系统中，电机驱动旋转盘以1rpm速度带动棒材自转；对锥角为60℃，锥底直径为100mm的锥形感应线圈通电，以10kw的功率对棒材进行加热，使棒材熔化成锥形端头棒材；伺服电机驱动推杆以2mm/min的速度匀速向下移动，使锥形端头棒材匀速向下移动，得金属液流。

步骤3，凝固成型：调节竖直导杆使圆柱线圈与待制备试样的顶部之间的竖直距离为10mm；对圆柱线圈通电，以3kw的功率对金属液流进行过热处理，得过热金属液流，开启自动控制系统，使导向板沿x轴方向移动，接物板沿y轴方向移动，同时金属液滴不断落入接物板上后迅速凝固，得到最底层模型的实体，控制竖直导杆沿z轴方向移动，进行次底层模型实体的制备，这样自下而上逐层凝固，每层厚度为0.01mm，最终得到与自动控制系统内的三维数据模型相匹配的ti6al4v三维零件。

该方法所制备ti6al4v成型零件的成型速度为0.283kg/min，水平方向尺寸精度误差在<0.1mm，样品的致密度>99.9％。

实施例4

参考图1，基于本发明提出的一种电极感应熔化增材制造设备，本发明的实施例提出一种电极感应熔化增材制造方法，包括以下步骤：

步骤1，装料：将本设备安装于1bar氩气气氛当中；将1060铝合金加工成直径25mm，长度200mm的棒材，将棒材与旋转盘固定，使棒材、旋转盘和锥形感应线圈的中心线重合；伺服电机驱动推杆向下移动，使棒材下端伸入锥形感应线圈内，且棒材与锥形感应线圈的水平距离为2mm；

步骤2，熔化进给：将待制备试样的三维建模数据输入到自动控制系统中，电机驱动旋转盘以30rpm速度带动棒材自转；对锥角为60℃，锥底直径为25mm的锥形感应线圈通电，以2kw的功率对棒材进行加热，使棒材熔化成锥形端头棒材；伺服电机驱动推杆以22mm/min的速度匀速向下移动，使锥形端头棒材匀速向下移动，得金属液流。

步骤3，凝固成型：调节竖直导杆使圆柱线圈与待制备试样的顶部之间的竖直距离为10mm；对圆柱线圈通电，以1kw的功率对金属液流进行过热处理，得过热金属液流，开启自动控制系统，使导向板沿x轴方向移动，接物板沿y轴方向移动，同时金属液滴不断落入接物板上后迅速凝固，得到最底层模型的实体，控制竖直导杆沿z轴方向移动，进行次底层模型实体的制备，这样自下而上逐层凝固，每层厚度为1mm，最终得到与自动控制系统内的三维数据模型相匹配的1060铝合金三维零件。

该方法所制备1060铝合金成型零件的成型速度为0.048kg/min，水平方向尺寸精度误差在<0.6mm，样品的致密度>99.9％。

实施例5

参考图1，基于本发明提出的一种电极感应熔化增材制造设备，本发明的实施例提出一种电极感应熔化增材制造方法，包括以下步骤：

步骤1，装料：将本设备安装于大气气氛当中；将17-4ph铁基合金加工成直径10mm，长度200mm的棒材，将棒材与旋转盘固定，使棒材、旋转盘和锥形感应线圈的中心线重合；伺服电机驱动推杆向下移动，使棒材下端伸入锥形感应线圈内，且棒材与锥形感应线圈的水平距离为2mm。

步骤2，熔化进给：将待制备试样的三维建模数据输入到自动控制系统中，电机驱动旋转盘以10rpm速度带动棒材自转；对锥角为60℃，锥底直径为25mm的锥形感应线圈通电，以2kw的功率对棒材进行加热，使棒材熔化成锥形端头棒材；伺服电机驱动推杆以100mm/min的速度匀速向下移动，使锥形端头棒材匀速向下移动，得金属液流。

步骤3，凝固成型：调节竖直导杆使圆柱线圈与待制备试样的顶部之间的竖直距离为10mm；对圆柱线圈通电，以1kw的功率对金属液流进行过热处理，得过热金属液流，开启自动控制系统，使导向板沿x轴方向移动，接物板沿y轴方向移动，同时金属液滴不断落入接物板上后迅速凝固，得到最底层模型的实体，控制竖直导杆沿z轴方向移动，进行次底层模型实体的制备，这样自下而上逐层凝固，每层厚度为1mm，最终得到与自动控制系统内的三维数据模型相匹配的17-4ph铁基合金三维零件。

该方法所制备17-4ph铁基合金成型零件的成型速度为0.068kg/min，水平方向尺寸精度误差在<1.2mm，样品的致密度>99.2％。

实施例6

参考图1，基于本发明提出的一种电极感应熔化增材制造设备，本发明的实施例提出一种电极感应熔化增材制造方法，包括以下步骤：

步骤1，装料：将本设备安装于1bar氩气气氛当中；将纯铜合金加工成直径25mm，长度200mm的棒材，将棒材与旋转盘固定，使棒材、旋转盘和锥形感应线圈的中心线重合；伺服电机驱动推杆向下移动，使棒材下端伸入锥形感应线圈内，且棒材与锥形感应线圈的水平距离为2mm。

步骤2，熔化进给：将待制备试样的三维建模数据输入到自动控制系统中，电机驱动旋转盘以10rpm速度带动棒材自转；对锥角为60℃，锥底直径为25mm的锥形感应线圈通电，以2kw的功率对棒材进行加热，使棒材熔化成锥形端头棒材；伺服电机驱动推杆以21mm/min的速度匀速向下移动，使锥形端头棒材匀速向下移动，得金属液流。

步骤3，凝固成型：调节竖直导杆使圆柱线圈与待制备试样的顶部之间的竖直距离为10mm；对圆柱线圈通电，以1kw的功率对金属液流进行过热处理，得过热金属液流，开启自动控制系统，使导向板沿x轴方向移动，接物板沿y轴方向移动，同时金属液滴不断落入接物板上后迅速凝固，得到最底层模型的实体，控制竖直导杆沿z轴方向移动，进行次底层模型实体的制备，这样自下而上逐层凝固，每层厚度为0.1mm，最终得到与自动控制系统内的三维数据模型相匹配的纯铜合金三维零件。

该方法所制备纯铜合金成型零件的成型速度为0.08kg/min，水平方向尺寸精度误差在<0.6mm，样品的致密度>99.8％。

从以上实施例可以看出，本发明设备可制备的合金材料多种多样，适用范围广，且成品零件致密度高，完全满足工业需求；本发明制备产品的成型速度远远高于激光增材制造技术，这样就可大大缩短工艺时间，进而降低成型成本；本发明直接采用合金棒材为原料，相较于用粉材作为原料的激光增材制造，可大大降低增材制造成本，为增材制造技术提供了新的方法。

本发明中提到的x轴方向为左右方向，y轴方向为前后方向，z轴方向为上下方向；本发明中原料棒材的规格为直径<100mm，长度<1000mm；本发明的设备可根据待制备样品的性质，将该设置放置于真空气氛或惰性气氛或空气气氛中。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些改动和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。