技术领域本发明属于材料技术领域，涉及一种熔体流量控制方法与装置，尤其是一种熔融涂覆增材制造的熔体流量控制方法与装置。
背景技术：
增材制造技术(又称为“3D打印”)正在快速改变着传统的生产和生活方式，其核心思想是将三维零件进行二维离散，形成片层数据，按照零件的三维CAD模型的分层数据，将离散态的成形材料逐步结合在一起，形成一个个分层截面，继而逐层堆积形成实体零件，无需模具，直接制造零件，可以大大降低成本，缩短研制周期。金属构件熔融涂覆是增材制造的一个分类，它无需价格昂贵的激光器，运行成本低，可靠性高，是一种前景广阔的金属产品高效制造技术。金属构件熔融涂覆增材制造通过坩埚熔炼单元使材料熔化，金属熔体通过涂覆头流出，熔体在压力、重力和表面张力作用下在三维运动的基板上逐层累积成三维结构，完成对三维零件的制造。实现金属构件熔融涂覆增材制造的核心问题就是如何确保熔体从涂覆头中均匀稳定的流出。在涂覆过程中，熔体在加热系统中液面的下降会导致液体静压力的变化，温度的浮动会导致熔体表面张力的变化，由此产生的各种因素导致控制金属熔体均匀稳定流出带来种种困难。目前，控制熔体的方法是简单的气压控制方法。由于气体的可压缩性和气压控制的滞后性，用这种方法控制熔体有较大的时间滞后性。要保证金属构件熔融涂覆增材制造能够实现复杂形状的快速成型，必须保证熔体均匀稳定流出，才能使熔融涂覆过程顺利进行。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种熔融涂覆增材制造的熔体流量控制方法与装置。其能够实现对整个金属构件熔融涂覆成形过程的流量大小控制，达到金属材料高效、高质量、低成本零件的增材制造目的。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：这种熔融涂覆增材制造的熔体流量控制装置，包括坩埚熔炼单元、动态间距控制单元、气压控制单元和控制系统；动态间距控制单元通过其控制杆与坩埚熔炼单元连接；气压控制单元通过管道与坩埚熔炼单元密封连接；控制系统与坩埚熔炼单元、动态间距控制单元和气压控制单元进行数据反馈与控制。进一步，上述坩埚熔炼单元包括坩埚，坩埚内设置有第一温度传感器和过滤器；坩埚外部设置有加热器和保温套；坩埚顶部设置有顶部密封盖、坩埚冷却水进水口与坩埚冷却水出水口；所述顶部密封盖上设置有压力进口、控制杆进口与隔热与密封元件；所述顶部密封盖分为坩埚上密封盖和坩埚下密封盖。进一步，上述坩埚冷却水进水口与坩埚冷却水出水口之间设置有冷却单元，所述冷却单元包括水冷机。进一步，上述坩埚下端设置有涂覆头，所述涂覆头内部设置有第二温度传感器；所述涂覆头外部依次设置有涂覆头锁紧套和涂覆头保温套，所述涂覆头底部还可拆卸连接有涂覆头出口。进一步，上述坩埚熔炼单元的熔炼加热方式是电阻加热、感应加热或微波加热，第一温度传感器和第二温度传感器均为热电偶。进一步，上述动态间距控制单元包括伺服电机，所述伺服电机通过滚珠丝杠与丝杠滑块连接，所述丝杠滑块分别与千分表和控制杆夹持机构固定连接，所述控制杆夹持机构与控制杆连接。伺服电机带动控制杆与千分表，从而精确控制控制杆与涂覆头出口处的位置，并及时反馈给控制系统。进一步，上述控制杆夹持机构上设有气压入口和控制杆冷却口；所述控制杆冷却口与冷却单元连接。进一步，上述气压控制单元包括气源，所述气源依次通过减压阀、压力传感器、流量传感器、连接管路与气压入口连接；所述连接管路上还设置有电磁阀和压力表。通过机械泵和电磁阀来控制压力的通断和大小调节，通过压力表控制压力范围。本发明还提出了一种熔融涂覆增材制造的熔体流量控制装置的控制方法，包括以下步骤步骤1：根据待成形材料的属性，选择对应的加热方式，确定坩埚材料和气体保护方式；步骤2：完成坩埚熔炼单元和保护气体的置换之后，根据材料的物性特征，通过控制系统设定熔炼温度曲线，确定坩埚内部与外界气氛环境的压力差，在控制中心设定压力差值与熔炼温度值；步骤3：将待涂覆合金材料进行加热熔炼，加热保温达到要求时，借助测量坩埚和涂覆头温度的热电偶和温控仪，实时监测坩埚熔炼单元内部温度和涂覆头端部温度，从而保存材料在微涂覆成形过程处于熔化状态；步骤4：借助建立的气压控制单元，实时监测坩埚内部的压力变化，控制系统通过动态调整压力和温度的变化，控制电磁阀和控制杆运动，实现对熔体流量大小的控制和对整个金属构件熔融涂覆过程启停的控制。进一步，上述坩埚熔炼单元可以是一个坩埚熔炼单元或多个坩埚熔炼单元。相对于现有技术，本发明的优点及有益效果为：(1)本发明提供的一种金属构件熔融涂覆增材制造的熔体流量控制方法与装置，可以用于不同材料的熔融涂覆增材制造成形，同时可以实现不同种类材料间的熔融涂覆增材制造过程中熔体的流量控制，实现复杂零部件的增材制造成形。(2)本发明提供的一种金属构件熔融涂覆增材制造的熔体流量控制方法与装置，通过伺服电机带动的滚珠丝杠与千分表驱动的控制杆，能实时对涂覆头出口的熔体流量启停进行控制；在此基础上，借助建立的精密气压驱动单元，实时监测坩埚内部的压力变化，通过控制系统动态调整压力和温度的变化，避免因涂覆参数不稳定带来的成形缺陷，依据成形构件的材料和功能要求，快速有效的完成金属构件熔融涂覆成形过程中流量的稳定和控制。附图说明图1为本发明金属构件熔融涂覆增材制造的熔体流量控制方法与装置总体原理示意图；图2为本发明的控制系统结构框架图。其中：1为伺服电机；2为滚珠丝杠；3为热电偶；4为丝杠滑块；5为控制杆夹持机构；6为坩埚上密封盖；7坩埚冷却进水口；8为坩埚下密封盖；9为坩埚；10为加热器；11为保温套；12为控制杆；13为涂覆头锁紧套；14为涂覆头；15为涂覆头出口；16为涂覆头保温套；17为过滤器；18隔热与密封元件；19为坩埚冷却水出口；20为气压入口；21为控制杆冷却口；22为丝杠固定架；23为千分表；24为联轴器。具体实施方式下面结合附图对本发明做进一步详细描述：如图1，图2所示：本发明公开了一种熔融涂覆增材制造的熔体流量控制装置，包括坩埚熔炼单元、动态间距控制单元、气压控制单元和控制系统；动态间距控制单元通过其控制杆12与坩埚熔炼单元连接；气压控制单元通过管道与坩埚熔炼单元密封连接；控制系统与坩埚熔炼单元、动态间距控制单元和气压控制单元进行数据反馈与控制。坩埚熔炼单元包括坩埚9，坩埚9内设置有第一温度传感器和过滤器17；坩埚9外部设置有加热器10和保温套11；坩埚9顶部设置有顶部密封盖，坩埚冷却水进水口7与坩埚冷却水出水口19；所述顶部密封盖上设置有压力进口、控制杆进口与隔热与密封元件18；所述顶部密封盖分为坩埚上密封盖6和坩埚下密封盖8。实时监测坩埚内部压力与熔体温度，控制实际温度与设定温度的差值。其中坩埚冷却水进水口7与坩埚冷却水出水口19之间设置有冷却单元，冷却单元包括水冷机。坩埚9下端设置有涂覆头14，涂覆头14内部设置有第二温度传感器；涂覆头14外部依次设置有涂覆头锁紧套13和涂覆头保温套16；所述涂覆头14底部还设置有涂覆头出口15。其中坩埚熔炼单元的熔炼加热方式是电阻加热、感应加热或微波加热，第一温度传感器和第二温度传感器均为热电偶3。动态间距控制单元包括伺服电机1，伺服电机1通过滚珠丝杠2与丝杠滑块4连接，所述丝杠滑块4分别与千分表23和控制杆夹持机构5固定连接，所述控制杆夹持机构5与控制杆12连接。热电偶3通过控制杆夹持机构浸入到坩埚熔体内部，与热电偶相连接的温控仪实时监测热电偶的温度。控制杆夹持机构5上设有气压入口20和控制杆冷却口21；控制杆冷却口21与冷却单元连接。气压控制单元包括气源，所述气源依次通过减压阀、压力传感器、流量传感器、连接管路与气压入口20连接；所述连接管路上还设置有电磁阀和压力表。上述熔融涂覆增材制造的熔体流量控制装置的控制方法，包括以下步骤步骤1：根据待成形材料的属性，选择对应的加热方式，确定坩埚材料和气体保护方式；步骤2：完成坩埚熔炼单元和保护气体的置换之后，根据材料的物性特征，通过控制系统设定熔炼温度曲线，确定坩埚9内部与外界气氛环境的压力差，在控制中心设定压力差值与熔炼温度值；步骤3：将待涂覆合金材料进行加热熔炼，加热保温达到要求时，借助测量坩埚9和涂覆头14温度的热电偶及温控仪，实时监测坩埚熔炼单元内部温度和涂覆头14端部温度，从而保存材料在微涂覆成形过程处于熔化状态；步骤4：借助建立的气压控制单元，实时监测坩埚内部的压力变化，控制系统通过动态调整压力和温度的变化，控制电磁阀和控制杆运动，实现对熔体流量大小的控制和对整个金属构件熔融涂覆过程启停的控制。对于单一材料的熔体控制采用以上控制方法完成一种材料的熔融涂覆增材制造，对于多材料的增材制造，在采取多元熔炼方式的同时，建立对于的上述熔体流量控制方式，从而实现多材料熔融涂覆增材制造成形。上述动态间距控制单元，包括自上而下的伺服电机1，连接伺服电机与滚珠丝杠2的联轴器24，滚珠丝杠利用丝杠固定22固定在支架上，丝杠滑块4与控制杆夹持机构5相连与滚珠丝杠固定，千分表23与丝杠滑块固定，控制杆12与夹持机构之间固定，在控制杆夹持机构上设有气压入口20，控制杆冷却口21。控制杆可以深入到熔体液面以下靠近涂覆头入口端面1mm处位置。其中控制杆可以是圆柱状、矩形等，与涂覆头内流道入口端面成T形或锥面配合。坩埚熔炼单元，包括上密封盖6，冷却水进口7，坩埚下密封盖8，坩埚9，加热器10，坩埚加热保温套11，涂覆头锁紧套13与涂覆头14之间通过螺纹连接，涂覆头出口15为可拆卸元件，方便更换，为了减少涂覆头端部热量散失，设有涂覆头保温套16，在熔炼过程中为保证材料的纯度，设有熔体过滤器17，通过隔热与密封元件18以及坩埚冷却水出口19确保整个熔炼过程有序进行。坩埚熔炼单元可以熔化金属、非金属、陶瓷，只需要更换对应的坩埚材料，材料可以是完全熔融态或半固态。气压驱动单元，通过气压入口20与坩埚单元相连，在整个连接管路上，设有减压阀，压力表，电磁阀，精密压力传感器和流量传感器；电磁阀可精确控制气体的进出量，由流量和压力传感器进行流量实时监测反馈，使控制系统形成闭环，实现坩埚气压的精确控制，在气压的驱动下实现熔体的连续送出；气体经过减压阀和流量和压力传感器后，确保进入坩埚后的压力在300KPa范围内变化；坩埚和控制杆的冷却单元保证进入坩埚顶盖和控制杆运动部件的温度在承受范围之内，保证整个金属构件熔融涂覆成形。控制系统是基于WindowsXP/7操作系统上自主开发的，其开发环境为Delphi7.0软件，运行于PC机上，可根据既有三维实体模型数据，实现特定的插补运动。具有模型二维图形显示等功能，在熔融涂覆成形过程实时在线检测与轨迹的跟踪，检测结果直观的显示在电脑屏上，实现对整个熔融涂覆增材制造的工艺优化控制。控制系统的硬件模板包括PC机，固高控制卡，串口模块、电源供应模块和辅助设备等。控制系统可以通过伺服电机带动控制杆调整熔炼单元熔化的熔体与涂覆头出口处的间距，结合压力传感器精密控制坩埚与外部环境的压力差，对整个金属构件熔融涂覆成形过程的流量大小控制。利用上述金属构件熔融涂覆增材制造的熔体流量控制装置，可以实现对金属熔体流量的准确控制，在控制系统的作用下，设定熔炼温度曲线和坩埚内外压力差，在此基础上，进行加热熔炼，待加热保温达到要求时，借助测量坩埚和涂覆头的温控仪，通过热电偶3实时监测坩埚熔炼单元内部温度和涂覆头端部温度，从而保存材料在熔融涂覆成形过程处于熔化状态；通过压力控制电磁阀控制熔体的进出流量，结合伺服电机滑块机构带动控制杆运动实现熔体流量大小的控制和整个金属构件熔融涂覆过程的启停。