一種電子束選區(qū)熔化氣氛調(diào)控系統(tǒng)及調(diào)控方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子束選區(qū)熔化技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種電子束選區(qū)熔化氣氛調(diào)控系統(tǒng)及調(diào)控方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電子束選區(qū)恪化技術(shù)(Selective Electron Beam Melting，英文簡(jiǎn)稱SEBM)是目前新興的一種快速制造工藝。電子束選區(qū)熔化過程如下:在在電子束選區(qū)熔化成形的成形腔室(具體為真空室)內(nèi)，先通過鋪粉裝置在成型區(qū)域上均勻地逐層平鋪粉末，并由計(jì)算機(jī)控制高能電子束，且根據(jù)所要成形零件的橫截面參數(shù)熔化粉末，相應(yīng)達(dá)到逐層制造的目的，并實(shí)現(xiàn)三維零件的快速制造。傳統(tǒng)的電子束選區(qū)熔化技術(shù)中，需要成形腔室內(nèi)為真空環(huán)境，以保證電子束流正常工作。但在真空環(huán)境下，由于高能電子束轟擊粉末表面時(shí)，粉末會(huì)出現(xiàn)潰散，造成吹粉，嚴(yán)重影響成形過程；同時(shí)，合金粉末在受電子束轟擊熔化后內(nèi)部所含的化學(xué)組分在真空中更容易揮發(fā)，從而影響所成形零件的化學(xué)成分；并且在高真空環(huán)境下，幾乎沒有傳導(dǎo)介質(zhì)，溫度傳導(dǎo)主要靠輻射，這樣也會(huì)造成溫度分布不均的現(xiàn)象，對(duì)零件成形造成較大影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種電子束選區(qū)熔化氣氛調(diào)控系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理、投入成本較低且安裝布設(shè)及使用操作方便、使用效果好，能對(duì)電子束選區(qū)熔化成形腔室內(nèi)的氣氛進(jìn)行有效控制。
[0004]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種電子束選區(qū)熔化氣氛調(diào)控系統(tǒng)，其特征在于:包括向電子束選區(qū)熔化成形設(shè)備的成形腔室內(nèi)充入氣氛控制用氣體的氣體充入設(shè)備和對(duì)成形腔室進(jìn)行抽真空的抽真空設(shè)備，以及對(duì)成形腔室內(nèi)的氣體壓強(qiáng)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)的氣體壓強(qiáng)檢測(cè)單元，所述抽真空設(shè)備通過抽真空管道與成形腔室內(nèi)部相通，所述氣氛控制用氣體為氫氣、氮?dú)饣蚨栊詺怏w；所述氣體充入設(shè)備包括內(nèi)部裝有氣氛控制用氣體的儲(chǔ)氣罐和連接于儲(chǔ)氣罐與成形腔室之間的氣體輸送管道，以及安裝在氣體輸送管道上的流量控制閥；所述成形腔室的外側(cè)壁上開有分別供所述抽真空管道和氣體輸送管道安裝的安裝孔；所述流量控制閥為電磁閥且其由控制器進(jìn)行控制，所述氣體壓強(qiáng)檢測(cè)單元和流量控制閥均與控制器電連接，所述控制器與參數(shù)輸入單元電連接。
[0005]上述一種電子束選區(qū)熔化氣氛調(diào)控系統(tǒng)，其特征是:所述氣氛控制用氣體為氦氣。
[0006]上述一種電子束選區(qū)熔化氣氛調(diào)控系統(tǒng)，其特征是:還包括對(duì)所述氣體壓強(qiáng)檢測(cè)單元所檢測(cè)信息進(jìn)行同步顯示的顯示單元，所述顯示單元與控制器電連接；所述流量控制閥為電磁比例閥，所述控制器為PID控制器。
[0007]上述一種電子束選區(qū)熔化氣氛調(diào)控系統(tǒng)，其特征是:所述氣體壓強(qiáng)檢測(cè)單元為真空計(jì)，所述真空計(jì)與控制器電連接。
[0008]上述一種電子束選區(qū)熔化氣氛調(diào)控系統(tǒng)，其特征是:所述抽真空設(shè)備包括機(jī)械泵和分子泵，所述抽真空管道包括連接于機(jī)械泵的進(jìn)氣口與成形腔室之間的第一連接管和連接于分子泵的進(jìn)氣口與成形腔室之間的第二連接管，以及連接于分子泵的出氣口與機(jī)械泵的進(jìn)氣口之間的第三連接管，所述第一連接管和第二連接管上均裝有管道控制閥。
[0009]上述一種電子束選區(qū)熔化氣氛調(diào)控系統(tǒng)，其特征是:還包括安裝在第三連接管上的三通管，所述第三連接管以三通管為界分為第一管段和第二管段，所述三通管的第一連接接口通過所述第一管段與分子泵的出氣口連接且其第二連接接口通過所述第二管段與機(jī)械泵的進(jìn)氣口連接，所述三通管的第三連接接口通過第二連接管與成形腔室連接。
[0010]上述一種電子束選區(qū)熔化氣氛調(diào)控系統(tǒng)，其特征是:所述第一連接管和第二連接管上所裝的管道控制閥均為電磁閥且二者均由控制器進(jìn)行控制，所述機(jī)械泵和分子泵均由控制器進(jìn)行控制。
[0011]同時(shí)，本發(fā)明還公開了一種方法步驟簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理且實(shí)現(xiàn)方便、使用效果好的電子束選區(qū)熔化氣氛調(diào)控方法，包括以下步驟:
[0012]步驟一、設(shè)備安裝:通過所述抽真空管道和氣體輸送管道將成形腔室分別與所述抽真空設(shè)備和儲(chǔ)氣罐連接，并在成形腔室內(nèi)安裝所述氣體壓強(qiáng)檢測(cè)單元，且將所述氣體壓強(qiáng)檢測(cè)單元和氣體輸送管道上所裝的流量控制閥均與控制器電連接；
[0013]步驟二、氣壓控制參數(shù)設(shè)定:通過參數(shù)輸入單元輸入氣體壓強(qiáng)控制參數(shù)，并通過控制器對(duì)所輸入的氣壓控制參數(shù)進(jìn)行同步存儲(chǔ)；
[0014]所輸入的氣壓控制參數(shù)，記作P0;其中P0= 2.0X10 -1Pa?6.0X KT1Pa ；
[0015]步驟三、抽真空:采用所述抽真空設(shè)備對(duì)成形腔室進(jìn)行抽真空，直至成形腔室內(nèi)的氣體壓強(qiáng)下降至5.0X 10_2Pa以下；抽真空過程中，通過所述氣體壓強(qiáng)檢測(cè)單元對(duì)成形腔室內(nèi)的氣體壓強(qiáng)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)；
[0016]步驟四、氣體充入:采用所述氣體輸送管道向成形腔室內(nèi)充入氣氛控制用氣體，直至成形腔室內(nèi)的氣體壓強(qiáng)上升至Ptl;
[0017]步驟五、電子束選區(qū)熔化氣氛調(diào)控:步驟四中待成形腔室內(nèi)的氣體壓強(qiáng)上升至P。后，啟動(dòng)所述電子束選區(qū)熔化成形設(shè)備進(jìn)行電子束選區(qū)熔化成形處理；并且，電子束選區(qū)熔化成形處理過程中，通過所述氣體壓強(qiáng)檢測(cè)單元對(duì)成形腔室內(nèi)的氣體壓強(qiáng)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并將所檢測(cè)的氣體壓強(qiáng)值同步傳送至控制器，控制器根據(jù)所述氣體壓強(qiáng)檢測(cè)單元所檢測(cè)的氣體壓強(qiáng)值對(duì)流量控制閥進(jìn)行控制，使成形腔室內(nèi)的氣體壓強(qiáng)維持在匕。
[0018]上述方法，其特征是:步驟五中控制器根據(jù)所述氣體壓強(qiáng)檢測(cè)單元所檢測(cè)信息對(duì)流量控制閥進(jìn)行控制時(shí)，先調(diào)用差值比較模塊，將此時(shí)所述氣體壓強(qiáng)檢測(cè)單元所檢測(cè)的氣體壓強(qiáng)值P與步驟二中所設(shè)定的氣壓控制參數(shù)進(jìn)行比較:當(dāng)P = Ptl時(shí)，流量控制閥的開度保持不變；當(dāng)P < Ptl時(shí)，通過控制器控制流量控制閥，使流量控制閥的開度增大，以增大氣體輸送管道的氣體流量；當(dāng)P >匕時(shí)，通過控制器控制流量控制閥，使流量控制閥的開度減小，以減小大氣體輸送管道的氣體流量。
[0019]上述方法，其特征是:步驟一中所述抽真空設(shè)備包括機(jī)械泵和分子泵，所述抽真空管道包括連接于機(jī)械泵的進(jìn)氣口與成形腔室之間的第一連接管、連接于分子泵的進(jìn)氣口與成形腔室之間的第二連接管和連接于分子泵的出氣口與機(jī)械泵的進(jìn)氣口之間的第三連接管，所述第一連接管和第二連接管上均裝有管道控制閥；
[0020]步驟三中進(jìn)行抽真空時(shí)，過程如下:
[0021]步驟301、預(yù)抽:打開第一連接管上所裝的管道控制閥，并啟動(dòng)機(jī)械泵，對(duì)成形腔室進(jìn)行抽真空，直至成形腔室內(nèi)的氣體壓強(qiáng)下降至5Pa以下；
[0022]步驟302、抽至高真空狀態(tài):關(guān)閉第一連接管上所裝的管道控制閥，啟動(dòng)分子泵和機(jī)械泵，對(duì)成形腔室進(jìn)行抽真空，直至成形腔室I內(nèi)的氣體壓強(qiáng)下降至5.0X 10_2Pa以下。
[0023]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0024]1、所采用的電子束選區(qū)熔化氣氛調(diào)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理且投入成本較低，安裝布設(shè)方便。
[0025]2、所采用的電子束選區(qū)熔化氣氛調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，由氣體壓強(qiáng)檢測(cè)單元、控制器和流量控制閥組成一個(gè)對(duì)成形腔室內(nèi)的氣體壓強(qiáng)進(jìn)行調(diào)控的閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過該閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)充入成形腔室的氣氛控制用氣體的充入量進(jìn)行準(zhǔn)確控制，并將成形腔室內(nèi)的氣體壓強(qiáng)維持在2.0X KT1Pa?6.0 X KT1Pa之間。
[0026]3、所采用的電子束選區(qū)熔化氣氛調(diào)控系統(tǒng)使用操作簡(jiǎn)便、實(shí)現(xiàn)方便且使用效果好、實(shí)用價(jià)值高，具有精度高、重復(fù)性好、響應(yīng)速度快、軟啟動(dòng)、穩(wěn)定可靠、氣體壓強(qiáng)調(diào)節(jié)范圍寬等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)電子束選區(qū)熔化的惰性氣氛的精準(zhǔn)、高效控制。
[0027]4、對(duì)氣氛控制用氣體的充入量(或稱進(jìn)氣量)進(jìn)行控制的控制器為PID控制器，由于流量控制閥為電磁比例閥，電磁閥比例閥的控制原理是當(dāng)充氣開始時(shí)，成形腔室內(nèi)的真空度與目標(biāo)值(即氣壓控制參數(shù))相差較大，這時(shí)流量控制閥會(huì)加大進(jìn)氣量，使氣氛控制用氣體快速進(jìn)入成形腔室；當(dāng)真空度超過目標(biāo)值時(shí)，則關(guān)閉輸出，因?yàn)樵摫豢貙?duì)象中有滯后性，最后整個(gè)調(diào)控系統(tǒng)會(huì)穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行振蕩。而電磁閥的積分控制是針對(duì)比例控制存在的要不就是有差值要不就是振蕩的這種特點(diǎn)提出的改進(jìn)，它常與比例一塊進(jìn)行控制，積分項(xiàng)是一個(gè)歷史誤差的累積值，在使用了積分項(xiàng)后就可以解決達(dá)不到設(shè)定值的靜態(tài)誤差問題，真空度控制中使用了 PI控制后，如果存在靜態(tài)誤差，輸出始終達(dá)不到設(shè)定值，這時(shí)積分項(xiàng)的誤差累積值會(huì)越來越大，這個(gè)累積值乘上積分放大系數(shù)后會(huì)在輸出的比重中越占越多，使輸出越來越大，最終達(dá)到消除靜態(tài)誤差的目的。因?yàn)镻I系統(tǒng)中的1(即積分項(xiàng))的存在會(huì)使整個(gè)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度受到影響，為解決這個(gè)問題，在控制中增加了 D(即微分項(xiàng))，微分項(xiàng)主要用來解決控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度問題。這樣，通過PID控制器對(duì)電磁比例閥的開度進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)改變氣氛控制用氣體流量的目的。
[0028]4、所充入的氣氛控制用氣體為氫氣、氮?dú)饣蚨栊詺怏w，氫氣具有還原性、氮?dú)獠换顫娗伊畠r(jià)、惰性氣體的化學(xué)性質(zhì)極為穩(wěn)定?？筛鶕?jù)具體成形材料選擇穩(wěn)定且可靠的氣氛控制氣體。其中，氦氣滲透性好、不可燃，氦氣的化學(xué)性質(zhì)極為穩(wěn)定，并且氦氣具有