一种增材制造送丝过程的直接电阻加热装置

1.本发明具体涉及一种增材制造送丝过程的直接电阻加热装置，属于电热部件技术领域。


背景技术：

2.增材制造技术，又称为3d打印技术，是通过cad设计数据将材料逐层堆积的方法直接制造出实体零件的一种先进技术。增材制造技术可以完成许多传统加工难以完成的复杂结构零部件的制造，并且大幅度地减少了加工工序，缩短了工期。目前已被广泛地应用于新品开发以及小批量复杂零件的生产。
3.增材制造技术按照沉积所用材料不同主要分为送粉式增材制造以及送丝式增材制造两种方法。相比于送粉式，送丝式增材制造具有材料利用率高、成型件致密度高的优点，不会造成粉末污染问题，并且成本较低，具有良好的工业发展前景。目前，送丝增材制造技术主要应用于成形尺寸精度高、表面质量好、性能优良以及具有复杂形状的功能部件和一些贵重金属部件的生产。同时，由于送丝式增材制造还存在一些缺点，主要表现为：制件质量缺陷、成本过高、效率太低，这也成为了限制其推广与应用的主要原因。因此，为了送丝式增材制造的进一步的推广和应用，必须开发新的相关工艺。
4.针对小功率激光的金属送丝沉积，单纯依靠小激光功率来熔丝时，会出现丝熔化不稳定的现象，导致沉积效果差，出现粘丝，在拐角及搭接位置处丝材过渡不流畅等问题。在诸多关于送丝式增材制造的优化工艺中，对送丝过程进行加热是一种效果良好、应用广泛的方法。电阻热丝的加入目的是在激光功率一定的条件下，增加其对送丝速度的兼容性，从而增大了丝基激光增材制造的效率。而且随着由于热丝是将额外的热输入加入到了丝材上，对丝材有预热的效果。这种预热的效果会使丝材更容易熔化，从而增加丝材对不同角度和位置送丝的适应性，也有助于减少未熔合缺陷，减少增材部件的残余应力和变形，提高部件的质量和成形的准确度。目前，常用的丝材加热方式有直接电阻加热、高频感应加热和电弧加热。
5.其中，直接电阻加热由于设备简单，可控性强，是对送丝过程进行加热最常采用的方法：将热丝电源的两极分别接在金属丝材和工件上，利用电流流过丝材所产生的电阻热来加热丝材。现设金属丝材的伸出长度为l，丝材的横截面积为s，丝材的材料电阻率为ρ，加热电流为i，则在丝材上产生的电阻热功率为p：
6.p＝(i2ρl)/s
7.从公式可以看出，当丝材的直径很大、材料的电阻率很低的时候，直接电阻加热的功率将达不到丝材加热的预热温度。因此，此方法只适用于大电阻率、较细丝材加热的情形，对铜和铝丝材的加热效率非常低。
8.高频感应加热借助高频交变的磁场，在丝材上形成高密度的涡流，由于电流的集中，产生的集肤效应会产生大量的热量，利用这个原理对送丝过程进行加热。高频感应加热的加热速度快，热丝效率高，低耗环保；通过对高频输出电流的控制可以精确地控制预热温
度；适用于各种金属材质的焊丝，特别是低电阻率焊丝的加热。但是，长时间接触高频对操作者的身体健康不利，高频感应加热的设备也比较昂贵，不利于成本控制。
9.电弧加热根据电弧产生的位置可以分为三种方式：电弧不直接燃烧于焊丝上，仅仅依靠热传导加热焊丝；或者将焊丝作为电弧的一极，不管是焊丝以电弧的阳极还是阴极参与电弧燃烧反应，都会产生更多的热量，加热效率大大增强。这种方法的热丝效率很高，设备简单、成本低，既可以加热低电阻率材料、也可以加热不能产生集肤效应的材料，适用性更广。但是，电弧引弧部分会产生弧光，可对操作者的皮肤造成伤害。
10.综上所述，对送丝过程进行加热所常用的三种方法都可以优化增材制造的成形效果，但也有着适用范围受限、成本较高、对操作者身体健康不利等缺点。为了在保证操作安全性、经济性、适用性的前提下，优化送丝式增材制造过程，亟需研究一种新的对增材制造的送丝过程进行加热的装置。


技术实现要素：

11.本发明的目的在于针对现有增材制造送丝过程的加热存在应用范围受限、加热效率低、成本较高以及对操作者身体健康不利的技术缺陷，考虑到直接电阻加热设备简单，可控性强等优点，提出了一种增材制造送丝过程的直接电阻加热装置。
12.为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
13.所述增材制造送丝过程的直接电阻加热装置，包括：转接固定组件、直接电阻热丝组件、送丝软管接头、转接头以及铜螺母；
14.所述增材制造送丝过程的原料为金属丝；
15.其中，转接固定组件包括转接夹头、主轴、调节环、四氟组件、螺栓螺母紧固组件、固定管支架以及活节螺栓；其中，转接夹头包括左端转接夹头和右端转接夹头；
16.直接电阻热丝组件包括导电管、导电铜端子、高铝管、导电嘴接头和导电嘴；
17.固定管支架为一种可调节被夹持孔径的快速夹具，固定管支架通过螺栓螺母紧固组件夹持固定主轴；主轴通过转接夹头与直接电阻热丝组件连接到一起，转接夹头、调节环和四氟组件通过铜螺母固定在主轴上；
18.固定管支架与螺栓螺母紧固组件相连，螺栓螺母紧固组件与主轴相连；固定管支架与活节螺栓固定连接，活节螺栓固定连接于工作平面上；左右两端转接夹头分别与导电管和导电嘴接头连接在一起，通过铜螺母来定位固定；导电管与转接头固定连接，导电铜端子和导电管固定连接，导电管与高铝管一端固定连接，高铝管的另一端与导电嘴接头固定连接，导电嘴接头与导电嘴固定连接。
19.所述直接电阻加热装置中各部件的安装关系如下：
20.固定管支架通过螺栓螺母紧固组件固定夹持主轴，底部通过活节螺栓与工作平面相连接；主轴上有各个阶梯轴和铜螺母分别固定左端转接夹头、右端转接夹头、调节环和四氟组件；转接固定组件分别通过左端转接夹头和右端转接夹头与直接电阻热丝组件固定连接，导电铜端子和左端转接夹头套在导电管上，用铜螺母定位固定，导电管右端与高铝管固定连接，导电管左端与转接头固定连接，送丝软管接头与转接头固定连接，转接头与导电管固定连接，送丝软管接头与转接头固定连接，送丝软管接头的左端即为入丝端；高铝管的右端与导电嘴接头固定连接，右端转接夹头套在导电嘴接头上，通过阶梯轴和铜螺母来定位
固定，导电嘴接头与导电嘴固定连接，导电嘴的右端即为出丝端。
21.所述直接电阻加热装置中各部件的功能如下：
22.转接固定组件的功能是固定直接电阻热丝组件，并通过活节螺栓调整其送丝方向；直接电阻热丝组件的功能是通过可调直流电源来提供热丝电流，用鳄鱼夹一端连接导电嘴、一端导电铜端子，行进的金属丝材在导电嘴和导电管的狭长通道中摩擦接触导电；高铝管起到隔热绝缘的效果，且表面无法夹持，因此设计了转接固定组件；送丝软管接头的功能是通过紧定螺钉连接并紧固送丝软管；导电嘴接头的功能是固定导电嘴；铜螺母用于固定和定位；调节环的作用是调节导电加热的长度，四氟组件的功能是绝缘的效果；螺栓螺母紧固组件的功能是将转接固定组件固定在工作平面上。
23.所述直接电阻加热装置中各部件的工作过程，包括如下步骤：
24.步骤1、将送丝软管接头和转接头固定连接，将导电嘴接头与导电嘴固定连接；
25.步骤2、将导电铜端子和左端转接夹头置于导电管上，用铜螺母左右固定；
26.步骤3、将导电管的一端与转接头固定连接，另一端与高铝管固定连接；
27.步骤4、将高铝管的另一端与导电嘴接头固定连接；
28.步骤5、将固定管支架放置于主轴上，用螺栓螺母紧固组件固定夹紧；
29.步骤6、将调节环置于主轴的两端圆周面上，右端再加上四氟组件；
30.步骤7、将左端转接夹头放置于主轴左端，用铜螺母进行固定；
31.步骤8、将右端转接夹头上下孔分别放置于主轴和导电嘴接头上，分别用铜螺母固定；
32.步骤9、将送丝软管与送丝软管接头固定连接；并通过活节螺栓将已组装好的部件固定在工作平面上；
33.步骤10、驱动送丝机向前送丝直至导电嘴伸出长丝材；
34.步骤11、通过可调直流电源来提供热丝电流，用鳄鱼夹一端连接导电嘴、一端导电铜端子，对金属丝材进行导电；
35.步骤12、设置红外热像仪的量程，测量送丝嘴送出的一段丝材，打开电路开关，记录加热时间和加热温度；
36.步骤13、设置不同实验的送丝速度和加热温度，测量对应所需的加热时间，列出表格，并与传统热丝方法进行对比；
37.至此，从步骤1到步骤13，完成了依托直接电阻加热装置的增材制造送丝过程。
38.有益效果
39.本发明所述的一种增材制造送丝过程的直接电阻加热装置，与现有电阻加热装置相比，具有如下有益效果：
40.1.所述电阻加热装置不会发生丝材与基板之间的起弧飞溅、不会干扰基板的感应加热；
41.2.所述电阻加热装置中零部件和装配结构简单，成本低，装置中的高铝管大大减少了空气对传导热量的损耗，提高了加热效率；
42.3.所述电阻加热装置操作方便，既实现可靠的加热效果，又充分保障操作者的使用安全。
附图说明
43.图1为本发明一种增材制造送丝过程的直接电阻加热装置的部分剖视结构图；
44.图2为本发明一种增材制造送丝过程的直接电阻加热装置的外观示意图；
45.其中，1
‑
送丝软管接头，2
‑
转接头，3
‑
导电管，4
‑
导电铜端子，5_1
‑
左端转接夹头，5_2
‑
右端转接夹头，6
‑
第1铜螺母，7
‑
高铝管，8
‑
导电嘴接头，9
‑
第2铜螺母，10
‑
导电嘴，11
‑
第3铜螺母，12
‑
主轴，13
‑
第1调节环，14
‑
第2调节环，15
‑
四氟组件，16
‑
第4铜螺母，17
‑
螺栓螺母紧固组件，18
‑
活节螺栓，19
‑
固定管支架。
具体实施方式
46.下面结合附图并举实施例，对本发明所述的一种增材制造送丝过程的直接电阻加热装置进行详细描述。
47.实施例1
48.本实施例阐述了本发明所提出的一种增材制造送丝过程的直接电阻加热装置的具体实施，如附图1及图2所示。
49.所述增材制造的送丝过程的直接电阻加热装置包括：转接固定组件、直接电阻热丝组件、送丝软管接头1、转接头2以及若干铜螺母。
50.其中，转接固定组件包括左端转接夹头5_1、右端转接夹头5_2、主轴12、第1调节环13、第2调节环14、四氟组件15、螺栓螺母紧固组件17、固定管支架19以及活节螺栓18；主轴12通过左右两端转接夹头5_1、5_2与电阻热丝组件连接到一起，左右两端转接夹头5_1、5_2、第1调节环13、第2调节环14和四氟组件15通过第3铜螺母11、第4铜螺母16固定在主轴上；固定管支架19为一种可调节被夹持孔径的快速夹具，通过螺栓螺母紧固组件17夹持固定主轴12，固定管支架9与活节螺栓18固定连接，活节螺栓18固定连接于工作平面上；左右两端转接夹头5_1、5_2分别于导电管3和导电嘴接头8连接在一起，通过第1铜螺母6和第2铜螺母9来定位固定；
51.直接电阻热丝组件包括导电管3、导电铜端子4、高铝管7、导电嘴接头8和导电嘴10。导电管3与转接头2固定连接，导电铜端子4和导电管3固定连接，导电管3与高铝管7一端固定连接，高铝管7的另一端与导电嘴接头8固定连接，导电嘴接头8与导电嘴10固定连接。送丝软管接头1的左端是金属丝材的入口端，导电嘴10的右端是金属丝材的出口端。直接电阻热丝组件具体实施时，选择wanptec生产的gps3010d可调直流电源来输出直流电，输出电压范围0
‑
30v、输出电流0
‑
10a、输出功率300w，通过导电鳄鱼夹一端连接导电嘴、另一端连接导电铜端子，通过狭长的导电通道与行进丝材的摩擦接触导电，利用丝材自身的电流热效应来加热丝材。
52.以激光送丝沉积增材制造过程为例，对增材制造的送丝过程进行直接电阻加热，包括如下步骤：
53.步骤1、将送丝软管接头1和转接头2固定连接，将导电嘴接头8与导电嘴10固定连接；
54.步骤2、将导电铜端子4和左端转接夹头5_1置于导电管上，用第1铜螺母6左右固定；
55.步骤3、将导电管3的一端与转接头2固定连接，另一端与高铝管7固定连接；
56.步骤4、将高铝管7的另一端与导电嘴接头固定连接；
57.步骤5、将固定管支架19放置于主轴上，用螺栓螺母紧固组件17固定夹紧；
58.步骤6、将第1调节环13和第2调节环14分别置于主轴的两端圆周面上，右端再加上四氟组件15；
59.步骤7、将左端转接夹头5_1放置于主轴左端，用第3铜螺母11进行固定；
60.步骤8、将右端转接夹头5_2上下孔分别放置于主轴12和导电嘴接头8上，分别用第2铜螺母9、第4铜螺母16固定；
61.步骤9、将送丝软管与送丝软管接头1固定连接；并通过活节螺栓18将已组装好的部件固定在工作平面上；
62.步骤10、准备直径1.0mm的304不锈钢丝材作为原料，准备推丝式送丝机并根据所选丝材直径安装合适的送丝轮；
63.步骤11、将送丝机的送丝软管与本发明的送丝软管接头固定连接，驱动送丝机向前送丝直至送丝嘴伸出约10mm长丝材；
64.步骤12、通过可调直流电源来提供热丝电流，用鳄鱼夹一端连接导电嘴、一端导电铜端子，对金属丝材进行导电，利用自身的电流热效应来加热丝材；
65.步骤13、设置红外热像仪为100℃
‑
400℃，测量送丝嘴送出的一段丝材，打开电路开关，记录加热时间和加热温度；
66.步骤14、以送丝速度(设置0、0.5mm/s、1.0mm/s)和加热温度(设置100℃、200℃、300℃、400℃)为不同实验组的变量条件，测量对应所需的加热时间，列出表格，与传统热丝方法进行对比。
67.表1直径1.0mm的304不锈钢丝材加热时间表
[0068][0069]
有益效果的具体体现：
[0070]
1.所述电阻加热装置不会发生丝材与基板之间的起弧飞溅、不会干扰基板的感应加热：
[0071]
从直接电阻热丝方式来看，由于热丝电源的两极都在金属丝材上，不同于以往的热丝电源两极分别接在金属丝材和工件上；
[0072]
2.所述电阻加热装置中零部件和装配结构简单，成本低，装置中的高铝管大大减少了空气对传导热量的损耗，提高了加热效率：
[0073]
从示意图1、2中部件介绍来看，采用的部件皆为普通常用件，价格低；主轴的选用可根据实际需要设定，灵活性强；固定方式也是常用的螺栓螺母固定，结构简单，装配精度
方面没有严格精度要求限制，易操作上手；
[0074]
3.所述电阻加热装置操作方便，既能实现可靠的加热效果，又能充分保障操作者的使用安全：
[0075]
对金属丝材的导电加热方式采用鳄鱼夹一端连接导电嘴、一端导电铜端子，对于操作者来说简单易上手，直流电源的输入保证了可靠的加热效果，高铝管的选用大大减少了空气对传导热量的损耗，电源的输出电压范围0
‑
30v、输出电流0
‑
10a，保障了操作者的使用安全。
[0076]
以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。