[發(fā)明專利]一種旋轉(zhuǎn)式大型薄壁環(huán)件增材制造裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710650142.6
• 申請(qǐng)日: 2017-08-02
• 公開（公告）號(hào): CN107214410A
• 公開（公告）日: 2017-09-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳瓊;謝東健;張以都;李磊;高瀚君
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): B23K15/00
• 分類號(hào): B23K15/00;B23K15/10;B33Y30/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種旋轉(zhuǎn)式大型薄壁環(huán)件增材制造裝置，屬于具體的生產(chǎn)制造和加工領(lǐng)域。

背景技術(shù)

環(huán)件的制造技術(shù)廣泛應(yīng)用在機(jī)械，汽車，火車，船舶，石油化工，航空航天，原子能等許多工業(yè)領(lǐng)域。其中各行業(yè)對(duì)大型環(huán)件的需求量越來越大，如運(yùn)載火箭過度環(huán)，壓力容器及核反應(yīng)堆的加強(qiáng)圈等。傳統(tǒng)的制造工藝主要采取環(huán)件軋制的方式，國內(nèi)許多單位已軋制出直徑達(dá)到5m的整體環(huán)件，對(duì)于5m以上的環(huán)件制作僅有少數(shù)單位研制成功，如首都航天機(jī)械公司在新一代運(yùn)載火箭背景下采用多向鍛造采用多向鍛造和環(huán)軋工藝，研制出9m超大直徑2219鋁合金整體環(huán)件。但是軋制工藝也有突出的問題如環(huán)件及軋輥強(qiáng)烈自激振蕩，軋制件界面輪廓在軋制中回復(fù)，環(huán)件突然壓扁等，任一現(xiàn)象多會(huì)破化軋制過程的穩(wěn)定性并產(chǎn)生軋制廢品。因此，需要一種新型的制作技術(shù)和設(shè)備來制造超大型環(huán)形薄壁件。

近年來，增材制造技術(shù)發(fā)展日益成熟。狹義的是指當(dāng)前出現(xiàn)的快速原型技術(shù)(或稱為3D打印技術(shù))，以及基于快速原型的快速模具與金屬零件的快速制造技術(shù)等。主要的制造工藝有激光粉末燒結(jié)，激光融覆成型，電子束熔化等。所能成型的材料有尼龍纖維，合金材料等。其技術(shù)具有數(shù)字制造，降維制造，堆積制造，直接制造，快速制造等優(yōu)勢。因此，增材制造方式將會(huì)是大型薄壁環(huán)件制造潛在選擇之一，而研究設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的增材制造裝置也就成為了一個(gè)重要課題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明專利主要是針對(duì)大型薄壁環(huán)件的增材制造技術(shù)的空缺，設(shè)計(jì)的一種旋轉(zhuǎn)式大型薄壁環(huán)件增材制造裝置，能夠通過增材制造方式制造鋁合金環(huán)件，通過旋轉(zhuǎn)架支撐平臺(tái)系統(tǒng)在底座電機(jī)的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)圓形軌跡。二自由度增材系統(tǒng)中的一體化增材槍頭，在滾珠絲桿套裝的帶動(dòng)下，在旋轉(zhuǎn)的堆積平臺(tái)實(shí)現(xiàn)金屬環(huán)件的堆積制造。本發(fā)明專利裝置結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便，具備耗損低、精度高的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)大型薄壁環(huán)件的快速成型。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：提供一種旋轉(zhuǎn)式大型薄壁環(huán)件增材制造裝置，主要由兩個(gè)模塊組成，一是旋轉(zhuǎn)架支撐平臺(tái)系統(tǒng)，包括底座電機(jī)，減速器，中心旋轉(zhuǎn)圓盤，矩形空心連接桿，外環(huán)平臺(tái)；二是二自由度增材系統(tǒng)，包括一體化專用槍頭、Z軸滾珠絲杠套裝、X軸滾珠絲杠套裝、伺服電機(jī)、絲材儲(chǔ)存桶、送絲機(jī)、工作平臺(tái)、圓柱體支撐柱、底座。其中旋轉(zhuǎn)架支撐平臺(tái)系統(tǒng)的電機(jī)通過減速器降速并輸出高轉(zhuǎn)矩，使中心旋轉(zhuǎn)平臺(tái)在輸出軸的直接作用下旋轉(zhuǎn)，通過矩形空心連接桿帶動(dòng)外環(huán)平臺(tái)繞中心旋轉(zhuǎn)，形成環(huán)形件的加工路徑。二自由度增材系統(tǒng)通過控制X軸與Z軸電機(jī)可實(shí)現(xiàn)豎直二自由度平面上的增材噴頭的運(yùn)動(dòng)，工作時(shí)，絲桶不斷送出絲料，抽絲機(jī)將絲料進(jìn)一步送向噴頭。氬氣保護(hù)氣氣罐通過氣管往碰頭送入保護(hù)氣氬氣，通入電源，激發(fā)電子束，絲料在氬氣環(huán)境下熔融，從而實(shí)現(xiàn)增材。通過旋轉(zhuǎn)架支撐平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)和二自由度增材系統(tǒng)的二自由度送料運(yùn)動(dòng)的組合，進(jìn)而完成金屬薄壁環(huán)件的堆積成型。

所述旋轉(zhuǎn)架支撐平臺(tái)系統(tǒng)的底座電機(jī)選用三相異步電動(dòng)機(jī)，使用凸緣剛性連軸器實(shí)現(xiàn)電機(jī)到減速器的降速增矩；減速器的減速比根據(jù)所需加工速度進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形成圓形的加工軌跡，增材噴頭堆積弧狀薄壁。

所述旋轉(zhuǎn)架支撐平臺(tái)系統(tǒng)的外環(huán)平臺(tái)由12個(gè)外環(huán)支撐架組成，外環(huán)支撐架為30度弧度件，截面為凹形，以加強(qiáng)剛性減少變型。兩端為沿著半徑方向的矩形截面，上有螺栓孔，以通過螺栓與相鄰弧度件連接。弧件中心，裝有滾輪，與地面直接接觸，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)是支撐作用。

所述旋轉(zhuǎn)架支撐平臺(tái)系統(tǒng)的矩形連接桿，材料為45鋼，為空心結(jié)構(gòu)，兩段有螺栓孔，直徑均為24mm，所需數(shù)量為12件。

所述旋轉(zhuǎn)架支撐平臺(tái)系統(tǒng)的中心旋轉(zhuǎn)圓盤，上端結(jié)構(gòu)為圓形，有12處沿半徑方向外延的矩形突出段，上有螺栓連接孔，均勻分布。下端結(jié)構(gòu)為圓柱形，內(nèi)有為與減速器輸出軸相配合的孔。上下端結(jié)構(gòu)之間有加強(qiáng)筋，以增強(qiáng)整體剛性。為減少質(zhì)量與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可在此基礎(chǔ)上可留出減重孔。

所述二自由度增材系統(tǒng)的工作平臺(tái)上布置有一體化專用槍頭、絲材儲(chǔ)存桶、送絲機(jī)，Z軸滾珠絲杠套裝、X軸滾珠絲杠套裝及相應(yīng)的伺服電機(jī)；X軸滾珠絲杠水平方向布置，Z軸滾珠絲杠豎直方向布置，并配有相應(yīng)電源和氬氣保護(hù)氣。

所述二自由度增材系統(tǒng)的末端一體化碰頭由兩個(gè)部分組成，包括槍頭、推絲機(jī)，對(duì)于保護(hù)氣的氣體流量控制，工作時(shí)選擇15L/min的氣體流量。

所述二自由度增材系統(tǒng)的工作平臺(tái)下部為圓柱體支撐柱，最下端為回轉(zhuǎn)形嵌套件，與地面的接觸面為圓盤，上有8個(gè)圓周分布的地釘孔。

本發(fā)明的有益效果是:

1.本發(fā)明采用金屬增材的方式實(shí)現(xiàn)大型薄壁環(huán)件的制造，避免了傳統(tǒng)機(jī)械加工減材加工對(duì)材料的損耗，具備快速成型的特點(diǎn)；