一种轧辊等离子3d快速成型设备及成型方法
【技术领域】
[0001]本发明属于快速成型技术领域，尤其是涉及一种乳辊等离子3D快速成型设备及成型方法。
【背景技术】
[0002]乳辊是乳钢厂乳钢机上的重要零件，利用一对或一组乳辊滚动时产生的压力来乳碾钢材。它主要承受乳制时的动静载荷，磨损和温度变化的影响。乳辊主要包括芯部(也称辊芯，包括辊轴和辊颈)和同轴布设在芯部外侧的辊身外层(也称外层或工作层)。复合乳辊的辊身外层和芯部用不同材质制作，两种材质之间为冶金结合，辊身外层为工作层且其外表面为辊面，乳辊既能满足乳机对辊身耐磨性、抗热疲劳等性能的要求，同时又保证了芯部和辊颈的强韧性。复合乳辊的辊身外层和芯部材质主要根据乳辊所在机架对其使用性能的具体要求选定。常用的复合乳辊的辊身外层材料有冷硬铸铁、无界冷硬铸铁、球墨铸铁、高络铸铁、合金钢、半钢、尚络钢、尚速钢、硬质合金等;芯部常用材料为灰铸铁、球墨铸铁、铸钢、锻钢。
[0003]目前，国内外制造乳辊(尤其是复合乳辊)主要采用的是离心铸造方法。如1993年3月31日公开的公开号为CN1070433A的发明专利“乳辊外层材料和离心铸造的复合乳棍”中公开了一种采用普通铸铁或锻造铁质作为轴芯进行离心铸造制造复合乳辊的方法，2012年8月I日公开的公开号为CN102615107A的发明专利“高硫合金离心复合球墨铸铁乳辊及其制造方法”中公开了一种复合高硫球墨铸铁乳辊的离心铸造方法，2010年I月13日公开号为CN101623751A的发明专利“一种含硼低合金高速钢乳辊的制备方法”中公开了一种采用球墨铸铁作为辊芯进行离心铸造制造含硼低合金高速钢乳辊的方法。但目前所采用的离心铸造制备乳辊的方法，主要存在以下三方面问题:
[0004]第一、采用离心铸造方法制造乳辊时，首先需要进行钢水冶炼，冶炼过程中钢包耐火材料的剥落以及钢水脱氧与扒渣的不充分等问题均可能对钢水造成污染，导致乳辊性能降低或报废；
[0005]第二、离心铸造过程中元素因比重不同易造成偏析，导致乳辊性能降低；
[0006]第三、离心铸造的乳辊铸造完成后需要进行热处理，工艺复杂，而且现有的热处理制度容易造成乳辊产生微裂纹、开裂甚至报废。
[0007]目前，国内外金属零件快速成型技术主要是选区激光熔化快速成型技术(Selective laser melting，SLM)。选区激光恪化快速成型设备的基本工作原理是:先在计算机上利用Pro/e、UG、CATIA等三维造型软件设计出零件的三维实体模型(即三维立体模型)，然后通过切片软件对该三维模型进行分层切片，得到各截面的轮廓数据，由轮廓数据生成填充扫描路径，在工作缸内平铺一定厚度的粉末，依照计算机的控制，激光束通过振镜扫描的方式按照三维零部件图形的切片处理结果选择性地熔化预置粉末层；随后，工作缸下降一定距离并再次铺粉，激光束在振镜的带动下再次按照零部件的三维图形完成零部件下一层的制造;如此重复铺粉、扫描和工作缸下降等工序，从而实现三维零部件的制造。现如今，选区激光熔化快速成型技术主要存在以下三方面问题:第一、选区激光熔化快速成型技术需要保护气氛或真空环境，以避免成型过程中金属零件的氧化。这使选区激光熔化快速成型设备结构复杂，成型零件尺寸受到限制，能量源激光器系统价格高，成型设备价格昂贵;第二、选区激光熔化快速成型技术需要铺粉的成型缸系统。这使选区激光熔化快速成型设备结构复杂，不但成型零件尺寸受到限制，而且成型效率较低;第三、为了保障零件力学性能，选区激光熔化快速成型技术需要流动性好的球形金属粉末。这使选区激光熔化快速成型设备运行成本很高。
[0008]另外，金属零件快速成型技术中还有电子束快速成型技术。但目前，选区电子束快速成型技术主要存在以下三方面问题:第一、电子束快速成型技术需要真空环境，以形成能量源电子束和避免成型过程中金属零件的氧化。这使电子束快速成型设备结构复杂，成型零件尺寸受到限制，成型设备价格昂贵;第二、电子束快速成型技术需要铺粉系统或成型材料供给系统。这使电子束快速成型设备结构复杂，不但成型零件尺寸受到限制，而且成型效率较低；第三、为了保障零件力学性能，电子束快速成型技术需要流动性好的球形金属粉末。这使选区激光熔化快速成型设备运行成本很高。
【发明内容】
[0009]本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种乳辊等离子3D快速成型设备，其结构简单、设计合理且使用操作简便、成型效率高、使用效果好，无需密闭成型室，成型过程直接在大气环境下进行，所成型乳辊质量好。
[0010]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种乳辊等离子3D快速成型设备，其特征在于:由监控系统、等离子束流加工系统和供待成型乳辊放置的水平打印台组成，所述待成型乳辊包括辊芯和布设在辊芯中部外侧的辊身外层，辊身外层与辊芯呈同轴布设;所述水平打印台包括水平支撑机构和固定安装在水平支撑机构上且带动辊芯绕其中心轴线进行旋转的水平旋转机构，所述水平旋转机构位于水平支撑机构上方，所述辊芯呈水平布设且其安装于水平旋转机构上；
[0011]所述等离子束流加工系统由安装有喷头且用于产生等离子束的等离子体发生器、为所述等离子体发生器提供工作气体的供气装置、用于连续送出被加工丝材的送丝装置和对打印位置进行调整的打印位置调整装置组成，所述等离子体发生器和所述送丝装置均位于水平旋转机构上方，所述送丝装置位于所述等离子体发生器一侧;所述供气装置通过供气管与所述等离子体发生器上所开的进气口连接;所述被加工丝材的外端为熔化端，所述熔化端位于所述喷头的出口下方且其位于所述等离子束的中心轴线上;所述打印位置调整装置包括带动所述等离子体发生器与所述送丝装置同步在水平面上进行移动的水平移动装置和带动所述等离子体发生器、所述送丝装置与所述水平移动装置同步移动并相应对所述喷头的出口与辊芯之间的距离进行调节的打印距离调节装置，所述等离子体发生器和所述送丝装置均安装在所述水平移动装置上，且所述水平移动装置安装在所述打印距离调节装置上；
[0012]所述监控系统包括对所述水平移动装置进行控制的水平移动控制器、对辊身外层的外表面温度进行实时检测的温度检测单元、对所述喷头的出口与辊芯之间的距离进行实时检测的距离检测单元、对所述打印距离调节装置进行控制的打印距离调节控制器、对辊芯的旋转角度进行实时检测的旋转角度检测单元和对水平旋转机构进行控制的旋转控制器，所述水平移动控制器与所述水平移动装置连接，所述打印距离调节控制器与所述打印距离调节装置连接，所述温度检测单元和距离检测单元均与打印距离调节控制器连接;所述温度检测单元与打印距离调节控制器组成温度调控装置;所述旋转角度检测单元与旋转控制器连接。
[0013]上述一种乳辊等离子3D快速成型设备，其特征是:所述监控系统还包括对所述等离子体发生器进行控制的等离子发生控制器、对供气管的气体流量进行实时检测的气体流量检测单元和对供气管上安装的流量调节阀进行控制的气体流量控制器，所述等离子发生控制器与所述等离子体发生器连接，所述气体流量检测单元与气体流量控制器连接。
[0014]上述一种乳辊等离子3D快速成型设备，其特征是:所述等离子体发生器包括等离子枪，所述喷头为等离子枪前端的阳极喷嘴;所述等离子枪包括开有所述进气口的枪体、位于枪体正前方的阳极喷嘴和插装于枪体内的阴极，所述阳极喷嘴位于阴极前侧，所述放电室位于阴极前侧且其位于阳极喷嘴的后部内侧，所述阳极喷嘴的前部内侧为喷口；所述阳极喷嘴、阴极和放电室均与枪体呈同轴布设;所述进气口位于枪体后侧，所述喷口与枪体呈同轴布设或与枪体的中心轴线之间的夹角为30°?45°。
[0015]上述一种乳辊等离子3D快速成型设备，其特征是:所述送丝装置包括上部缠绕有被加工丝材的丝盘、对被加工丝材进行输送的送丝机构和对所述送丝机构进行驱动的送丝驱动机构，所述送丝机构位于丝盘内侧且与所述送丝机构连接;所述丝盘同轴安装在转轴上且能绕所述转轴进行转动。
[0016]上述一种乳辊等离子3D快速成型设备，其特征是:所述送丝机构为送丝滚轮，所述送丝滚轮包括主动滚轮组和从动滚轮组，所述主动滚轮组包括两个均由送丝驱动机构进行驱动且转动方向相反的主动滚轮，所述从动滚轮组包括两个转动方向相反且分别位于被加工丝材两侧的从动滚轮，所述主动滚轮组位于所述从动滚轮组一侧，两个所述主动滚轮分别位于被加工丝材两侧；
[0017]所述监控系统还包括对被加工丝材的送丝速度进行实时检测的速度检测单元和对送丝驱动机构进行控制的送丝速度控制器，所述速度检测单元与送丝速度控制器连接。
[0018]上述一种乳辊等离子3D快速成型设备，其特征是:所述等离子体发生器产生的等离子束的中心轴线与竖直面之间的夹角不大于45°;所述打印距离调节装置为沿所述等离子束的中心轴线对所述喷头进行上下调整的上下调整装置，所述距离检测单元为对沿所述等离子束的中心轴线从所述喷头的出口到辊芯之间的距离进行实时检测的距离检测装置；
[0019]所述水平旋转机构包括左右两个均固定安装在水平支撑机构上的旋转支撑座和带动辊芯进行旋转的旋转驱动机构，所述辊芯的两端分别安装在两个所述旋转支撑座上且其两端与两个所述旋转支撑座之间均通过轴承进行连接;所述旋转驱动机构为电动旋转驱动机构且其与辊芯进行传动连接，所述旋转驱动机构由旋转控制器进行控制且其与水平旋转机构连接；
[0020]所述水平支撑机构为固定式支撑结构或能上下移动的移动平台。
[0021]同时，本发明还公开一种方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好的乳辊等离子3D快速成型方法，其特征在于:该方法包括以下步骤:
[0022]步骤一、三维立体模型获取及分层切片处理:采用数据处理设备且调用图像处理模块获取待成型乳辊的辊身外层的三维立体模型，再调用分层切片模块对辊身外层的三维立体模型进行分层切片，并获得多个分层截面图像；
[0023]多个所述分层截面图像为对辊身外层的三维立体模型进行分层切片后获得多个分层截面的图像，多个所述分层截面由内至外均匀布设；
[0024]步骤二、扫描路径填充:采用数据处理设备且调用所述图像处理模块，对步骤一中多个所述分层截面图像分别进行处理，并完成多个所述分层截面的扫描路径填充过程，获得多个所述分层截面的扫描路径；
[0025]步骤三、打印路径获取:所述数据处理设备根据步骤二中获得的多个所述分层截面的扫描路径，获得多个所述分层截面的打印路径;每个所述分层截面的打印路径均与该分层截面的扫描路径相同；
[0026]步骤四、由内至外逐层打印:先将预先加工成型的待成型乳辊的辊芯安装于水平旋转机构上，再根据步骤三中获得的多个所述分层截面的打印路径，在辊芯上由内至外逐层对辊身外层进行打印，获得由多个成型层由内至外堆叠而成的辊身外层;所述成型层的数量与步骤一中所述分层截面的数量相同，多个所述成型层的布设位置分别与多个所述分层截面的布设位置一一对应且其层厚均相同，所述成型层的层厚与相邻两个所述分层截面之间的距离相同，步骤三中多个所述分层截面的打印路径分别为多个所述成型层的打印路径;对辊身外层进行打印时，过程如下:
[0027]步骤401、底层打印:根据步骤三中所获取的当前所打印成型层的打印路径，通过旋转控制器控制水平旋转机构带动辊芯绕其中心轴线进行旋转，且辊芯旋转过程中，所述水平移动控制器对所述水平移动装置进行控制并带动所述等离子体发生器与所述送丝装置同步在水平面上进行移动;所述等离子体发生器与所述送丝装置同步在水平面上移动过程中，所述等离子束流加工系统将内带熔融液流的等离子束流连续喷至辊芯的外表面上；待辊芯旋转一周且所述等离子束流加工系统所喷熔融液滴均凝固后，完成当前所打印成型层的打印过程；
[0028]本步骤中，当前所打印成型层为多个所述成型层中位于最内侧的成型层；
[0029]步骤402、下一层打印，包括以下步骤:
[0030]步骤4021、等离子体发生器上移:通过打印距离调节控制器控制所述打印距离调节装置，带动所述等离子体发生器在竖直方向上进行一次向上移动且向上移动高度与所述成型层的层厚相同；
[0031]移动到位后，对所述等离子体发生器的高度进行记录，此时所述等离子体发生器的高度为当前所打印成型层的基础打印高度；
[0032]步骤4022、打印及同步温控:根据步骤三中所获取的当前所打印成型层的打印路径，通过旋转控制器控制水平旋转机构带动辊芯绕其中心轴线进行旋转，且辊芯旋转过程中，所述水平移动控制器对所述水平移动装置进行控制并带动所述等离子体发生器与所述送丝装置同步在水平面上进行移动;所述等离子体发生器与所述送丝装置同步在水平面上移动过程中，所述等离子束流加工系统将内带熔融液滴的等离子束流连续喷至当前已打印好的上一个所述成型层的外表面上;待辊芯旋转一周且所述等离子束流加工系统所喷熔融液滴均凝固后，完成当前所打印成型层的打印过程；
[0033]本步骤中，所述等离子体发生器与所述送丝装置同步在水平面上移动过程中，通过温度检测单元对当前已打印好的上一个所述成型层的外表面温度进行实时检测并将所检测温度信息同步传送至打印距离调节控制器，同时通过距离检测单元对所述喷头的出口与辊芯之间的距离进行实时检测并将所检测的距离信息同步传送至打印距离调节控制器；所述打印距离调节控制器根据温度检测单元所检测的温度信息且通过控制所述打印距离调节装置对所述喷头的出口与辊芯之间的距离进行调节，使当前已打印好的上一个所述成型层的外表面温度不高于辊身外层的材质熔点的0.6倍；
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