懸垂復(fù)合絕緣子串及利用3d打印復(fù)合絕緣子串的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一體式懸垂復(fù)合絕緣子串及利用3D打印復(fù)合絕緣子串連接金具的方法，首先在計(jì)算機(jī)中生成零件的三維CAD模型，利用3D熔滴打印機(jī)將零件的三維CAD模型，然后將模型按一定的厚度切片分層，將零件的三維信息轉(zhuǎn)換成一系列二維輪廓信息，用坩堝將金屬融化，從噴嘴流出形成的熔滴，然后在計(jì)算機(jī)的控制下，使其按照二維輪廓信息逐層堆積，得到三維實(shí)體零件或近形件。采用該方法后，球-窩系列金具直接通過熔滴3D打印機(jī)一次成形，連接配合更可靠、穩(wěn)定，無需二次安裝，提高了生產(chǎn)效率，同時提供了現(xiàn)場施工的效率，對高壓架空電力線路的施工產(chǎn)生很大的影響。
【專利說明】懸垂復(fù)合絕緣子串及利用3D打印復(fù)合絕緣子串的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及到電力器材加工領(lǐng)域，尤其涉及到基于熔滴3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)制造 成形的一體化復(fù)合絕緣子串的方法及其懸垂復(fù)合絕緣子串。

【背景技術(shù)】
[0002] 3D打?。?D printing)，又被稱為增材制造技術(shù)，出現(xiàn)在上世紀(jì)90年代中期。其 源可追溯到快速成型技術(shù)（Rapid Prototyping, RP)，從3D計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（3D CAD)發(fā)展 開始，人們就希望方便地將設(shè)計(jì)直接轉(zhuǎn)化為實(shí)物。
[0003] 隨著科技的不斷進(jìn)度，3D打印技術(shù)在越來越成熟，3D打印技術(shù)已成為高新制造業(yè) 的核心技術(shù)。當(dāng)今世界最前沿、最流行的3D打印"金屬熔滴沉積技術(shù)"，無需價格昂貴的激 光系統(tǒng)，運(yùn)行費(fèi)用很低，可靠性高，已廣泛應(yīng)用于航天、醫(yī)藥和模型設(shè)計(jì)領(lǐng)域，是一種前景廣 闊的金屬產(chǎn)品高效制造技術(shù)。
[0004] 目前電力金具的成型方法主要有鑄造和鍛壓兩種。其中鑄造方法有重力或低壓鑄 造、高壓壓鑄和擠壓鑄造等，但由于鋁合金液流的快速注入超越了金屬模型腔內(nèi)氣體的上 升速度，腔內(nèi)空氣來不及排出而裹入鋁合金液內(nèi)，可能出現(xiàn)氣泡和疏松，另一方面，在巨大 成型壓力下，造成溶于鋁合金液體內(nèi)部的氣體來不及排出，氣體以固熔體、化合物和氣孔滯 留在鑄件內(nèi)，使鑄件塑性（延伸率、沖擊韌性等）顯著降低。真空壓鑄法和充氧壓鑄法，這 兩種較為有效的壓鑄輔助工藝，目的是消除或減少壓鑄件內(nèi)部的氣孔。但這種"全無"操作 工藝，在實(shí)施中困難較多，若控制不當(dāng)，效果并不明顯，再加上壓鑄模具密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造 使安裝難度大，又需較高的設(shè)備投資，所以在國內(nèi)應(yīng)用較少，開展有一定困難。電力金具鍛 造工藝按方式可以分為自由鍛造和模鍛，按鍛造溫度分為熱鍛、溫鍛、和冷鍛，常用的方式 為熱鍛。自由鍛造時，鍛造師應(yīng)控制每次鍛造的壓下量，對操作者要求比較高。模鍛需要設(shè) 計(jì)模具，使毛坯變形獲得鍛件，時間周期較長，生產(chǎn)成本很高。
[0005] 特別是，電力器材中的懸垂復(fù)合絕緣子串是通過絕緣子串與球-窩系列金具組裝 而成。球-窩系列連接金具是根據(jù)與絕緣子串的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)出來的并且通過鑄造工藝成 形，在絕緣子串一端固定球頭，另一端固定球窩。為了達(dá)到安裝使用要求，絕緣子串球頭一 端需配合碗頭掛板，球窩一端需配合球頭掛環(huán)，其配合過程中金具的窩均配有鎖緊銷。但是 這種通過球-窩并且加入鎖緊銷組裝的結(jié)構(gòu)，存在連接不牢靠問題，而且很大程度上浪費(fèi) 了時間，降低了施工效率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明目的是提供一種絕緣子串與球-窩系列連接金具能夠直接一體化成形的 方法，該方法無需再開模鑄造，結(jié)構(gòu)連接可靠，提高了生產(chǎn)效率、現(xiàn)場施工效率。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0008] -體式懸垂復(fù)合絕緣子串，包括球頭掛環(huán)、球窩、絕緣子串、球頭和碗頭掛板，所述 球頭掛環(huán)與球窩為一體成型結(jié)構(gòu)，并與絕緣子串一端裝配固定，所述球頭與碗頭掛板為一 體成型結(jié)構(gòu)，并與絕緣子串另一端裝配固定，其中球頭掛環(huán)與球窩鏤空裝配，球頭掛環(huán)在球 窩自由活動且無鎖緊銷；球頭與碗頭掛板鏤空裝配，球頭在碗頭掛板中自由活動且無鎖緊 銷。
[0009] 本發(fā)明還提供了一種利用3D打印復(fù)合絕緣子串連接金具的方法，包括以下步驟：
[0010] 步驟一：，在計(jì)算機(jī)中繪制球頭、球窩、碗頭掛板、球頭掛環(huán)零件三維模型，在計(jì)算 機(jī)中分別將球頭、球窩三維模型裝配，碗頭掛板和球頭掛環(huán)三維模型裝配，三維裝配模型生 成后，然后轉(zhuǎn)換成STL格式的文件分別導(dǎo)入3D熔滴打印機(jī)中。
[0011] 步驟二：利用3D熔滴打印機(jī)將零件的三維CAD模型，然后將模型按一定的厚度切 片分層，將零件的三維信息轉(zhuǎn)換成一系列二維輪廓信息，3D工控機(jī)設(shè)在熔滴沉積設(shè)備一側(cè)， 并與熔滴沉積設(shè)備通過導(dǎo)線連接和控制，在熔滴沉積設(shè)備上設(shè)有進(jìn)出料倉和出料倉，通過 模具所需顏色和材質(zhì)選擇粉料，將銅粉、鐵粉或鋁粉加入至熔滴沉積設(shè)備中的坩堝內(nèi)，坩堝 外端設(shè)有加熱元件，坩堝端口設(shè)有進(jìn)氣裝置，混合后通過加熱元件將金屬融化，所述坩堝頂 端設(shè)有噴嘴，所述噴嘴與坩堝為分體結(jié)構(gòu)，溶液從噴嘴流出在沉積平臺上形成的熔滴，利用 壓力脈沖在腔體內(nèi)產(chǎn)生膨脹、收縮的波動壓力，迫使部分金屬熔液從腔體底部的噴嘴射出， 所述產(chǎn)生的脈沖壓力用來控制微滴的按需噴射，控制工作腔體內(nèi)壓力變化可控制噴射和產(chǎn) 生均勻微滴，然后3D打印機(jī)系統(tǒng)的控制下，使其按照二維輪廓信息經(jīng)過預(yù)熱的3D位移平臺 進(jìn)行逐層堆積，得到球頭掛環(huán)與球窩；球頭與碗頭掛板的三維實(shí)體零件。
[0012] 步驟三：絕緣子串的芯棒為玻璃纖維材質(zhì)，傘套在芯棒上采用硅橡膠注射成型工 藝。
[0013] 步驟四：將3D熔滴打印成型的鏤空的球頭掛環(huán)、球窩與絕緣子串一端裝配固定； 鏤空的球頭、碗頭掛板與絕緣子串另一端裝配固定，使之形成整體的懸垂復(fù)合絕緣子串，應(yīng) 用于高壓架空電力線路上。
[0014] 優(yōu)選地，所述坩堝設(shè)有兩個，使用兩個噴頭同時成形，所述坩堝由石墨材料制成， 所述謝禍為錐形結(jié)構(gòu)，底部噴頭為單一堅(jiān)直噴孔，為0. 3mm-〇. 8_。
[0015] 優(yōu)選地，所述坩堝外部設(shè)有熱敏探頭和溫控裝置，所述溫控裝置用于控制系統(tǒng)的 加熱溫度，并記錄加熱過程的溫度變化。
[0016] 優(yōu)選地，所述坩堝外部加裝隔熱層，加熱元件采用加熱絲加熱，溫度調(diào)控范圍為 100 ?1200。。。
[0017] 優(yōu)選地，金屬微滴產(chǎn)生系統(tǒng)為真空密閉狀態(tài)，金屬微滴產(chǎn)生系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有密封圈，夕卜 部水冷裝置給其密封處降溫。
[0018] 采用如上技術(shù)方案后，其有益效果為：
[0019] 首先在計(jì)算機(jī)中生成零件的三維CAD模型，利用3D熔滴打印機(jī)將零件的三維CAD 模型，然后將模型按一定的厚度切片分層，將零件的三維信息轉(zhuǎn)換成一系列二維輪廓信息， 用坩堝將金屬融化，從噴嘴流出形成的熔滴，然后在計(jì)算機(jī)的控制下，使其按照二維輪廓信 息逐層堆積，得到三維實(shí)體零件或近形件。該技術(shù)具有制造柔性化程度高，省去了設(shè)計(jì)和加 工模具的時間和費(fèi)用，產(chǎn)品研制周期短、加工速度快；全部設(shè)計(jì)在計(jì)算機(jī)中完成，實(shí)際的制 造過程也在計(jì)算機(jī)控制下進(jìn)行，真正實(shí)現(xiàn)制造的數(shù)字化、智能化和無紙化等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)可 直接成形復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，減少了傳統(tǒng)工藝在零件設(shè)計(jì)、制造過程中約束條件，已成為無約束 成形技術(shù)的一個新發(fā)展方向。
[0020] 采用本發(fā)明制造方法后：實(shí)現(xiàn)電力器材"零"庫存，融合傳統(tǒng)制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)即時打 印，快速打印，批量生產(chǎn)，"零"運(yùn)輸，就地供應(yīng)，大幅降低電力器材的儲存、管理、損耗及運(yùn)輸 等成本，經(jīng)濟(jì)效益及社會效益顯著。提高工程施工效率，傳統(tǒng)的制造工藝無法一次成形復(fù)雜 的金屬件，須由多單件組成復(fù)雜件，采用該方法后最大的優(yōu)點(diǎn)是截層增材打印，可創(chuàng)新若干 新產(chǎn)品替代傳統(tǒng)的多部件，同時安件工藝、工序簡單化，工程施工省時省力，降低人力物力。
[0021] 傳統(tǒng)的懸垂復(fù)合絕緣子串的球-窩系列連接金具需開模、生產(chǎn)，再組裝，同時需要 鎖緊銷鎖緊球與窩的配合，這樣設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期長、施工效率低，連接存在不穩(wěn)定性。而3D打 印，球-窩系列金具直接通過熔滴3D打印機(jī)一次成形，連接配合更可靠、穩(wěn)定，無需二次安 裝，提高了生產(chǎn)效率，同時提供了現(xiàn)場施工的效率。對高壓架空電力線路的施工產(chǎn)生很大的 影響。
[0022] 坩堝采用耐高溫進(jìn)口合金材料；設(shè)置為錐形，底部噴頭訂制成單一堅(jiān)直噴孔，孔徑 訂做成〇. 3mm-0. 8_，可滿足不同實(shí)驗(yàn)要求使用；金屬微滴產(chǎn)生系統(tǒng)為真空密閉狀態(tài)，真空 密封圈采用純氟膠密封圈，外部加水冷法蘭給其密封處降溫，以保證密封圈的正常使用，水 冷裝置不影響真空腔體和其他控制的正常使用。
[0023] 加熱控制由熱敏探頭和溫控裝置組成。加熱區(qū)采用加熱絲加熱，外部加裝隔熱層， 溫度可隨意調(diào)控（100?1200°C )，120分鐘從常溫加熱到1200°C。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 圖1為本發(fā)明一體式懸垂復(fù)合絕緣子串的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025] 圖2為本發(fā)明利用3D打印復(fù)合絕緣子串的方法的流程圖。
[0026] 其中，1-球頭掛環(huán)，2-球窩，3-絕緣子串，4-球頭，5-碗頭掛板。

【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，不能理解為是對本發(fā)明的限制；
[0028] 本發(fā)明一體式懸垂復(fù)合絕緣子串，包括球頭掛環(huán)1、球窩2、絕緣子串3、球頭4和碗 頭掛板5,所述球頭掛環(huán)1與球窩2為一體成型結(jié)構(gòu)，并與絕緣子串3 -端裝配固定，所述球 頭4與碗頭掛板5為一體成型結(jié)構(gòu)，并與絕緣子串3另一端裝配固定，其中球頭掛環(huán)1與球 窩2鏤空裝配，球頭掛環(huán)1在球窩2自由活動且無鎖緊銷；球頭4與碗頭掛板5鏤空裝配， 球頭4在碗頭掛板5中自由活動且無鎖緊銷。
[0029] 本發(fā)明【具體實(shí)施方式】如下：
[0030] 步驟一：取出絕緣子串，所述絕緣子串鑄造成型，對電力金具表面進(jìn)行預(yù)熱處理， 利用射線應(yīng)力測定儀對熔覆層顯微組織結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力實(shí)驗(yàn)分析，通過分析得出電力金具的 性能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)，在計(jì)算機(jī)中繪制球頭、球窩、碗頭掛板、球頭掛環(huán)零件三維模型，在計(jì) 算機(jī)中生成球頭、球窩、碗頭掛板和球頭掛環(huán)的三維CAD模型，三維模型生成后，然后轉(zhuǎn)換 成STL格式的文件分別導(dǎo)入3D熔滴打印機(jī)中。
[0031] 步驟二：利用3D熔滴打印機(jī)將零件的三維CAD模型，然后將模型按一定的厚度 切片分層，將零件的三維信息轉(zhuǎn)換成一系列二維輪廓信息，3D工控機(jī)設(shè)在熔滴沉積設(shè)備一 偵牝并與熔滴沉積設(shè)備通過導(dǎo)線連接和控制，在熔滴沉積設(shè)備上設(shè)有進(jìn)出料倉和出料倉，通 過模具所需顏色和材質(zhì)選擇粉料，將硅膠粉、銅粉、鐵粉和鋁粉加入至熔滴沉積設(shè)備中的坩 堝內(nèi)混合，坩堝外端設(shè)有加熱元件，所述坩堝外部設(shè)有熱敏探頭和溫控裝置，溫度控制模塊 用來控制系統(tǒng)的加熱溫度，并且能夠?qū)崟r記錄加熱過程的溫度變化；坩堝端口設(shè)有進(jìn)氣裝 置，混合后通過加熱元件將金屬融化，所述坩堝頂端設(shè)有噴嘴，微滴產(chǎn)生器中用于熔化金屬 材料的坩堝由石墨材料制成，形狀設(shè)計(jì)為錐形，底部噴頭訂制成單一堅(jiān)直噴孔，孔徑訂做成 0. 3mm、0. 5mm、0. 8mm共三種規(guī)格供不同實(shí)驗(yàn)要求使用，所述噴嘴與謝禍為分體結(jié)構(gòu)，溶液從 噴嘴流出在沉積平臺上形成的熔滴，所述脈沖壓力控制模塊由固態(tài)繼電器和電磁閥組成， 通過固態(tài)繼電器的通、斷來控制氣路上電磁閥的開閉狀態(tài)，利用壓力脈沖在腔體內(nèi)產(chǎn)生膨 脹、收縮的波動壓力，迫使部分金屬熔液從腔體底部的噴嘴射出，所述產(chǎn)生的脈沖壓力用來 控制微滴的按需噴射，控制工作腔體內(nèi)壓力變化可控制噴射和產(chǎn)生均勻微滴，溶液從噴嘴 流出在沉積平臺上形成的熔滴，為防止金屬熔化和噴射過程中被氧化，制造必須在低氧密 閉環(huán)境（氧濃度不大于1/100000)中進(jìn)行，為了更快、更好地實(shí)現(xiàn)電力器材成形，所述坩堝 設(shè)有兩個，可使用兩個噴頭同時成形，很好地滿足金具不同材料的要求，其工作系統(tǒng)工作情 況如下：
[0032] 當(dāng)？和？，接通，而F'和？11均閉合時，噴頭I單獨(dú)工作；
[0033] 當(dāng)？和？11接通，而F'和閉合時，噴頭II單獨(dú)工作；
[0034] 當(dāng)F、Fn和F ^勾閉合，F(xiàn)'接通時系統(tǒng)停止加工。
[0035] 氣路采用兩氣路單獨(dú)控制，即當(dāng)噴頭I切換到噴頭II工作時，VI閉合，噴頭I停止 工作，VI'開啟放出壓力氣體，當(dāng)工作臺移動到噴頭II下方開始加工時，V2開啟進(jìn)行加工。 在制作過程中V1、V1'和V2、V2'兩組氣路能夠互不干涉，避免了方案1中氣路切換時材料 溢出的情況；
[0036] 然后3D打印機(jī)系統(tǒng)的控制下，使其按照二維輪廓信息經(jīng)過預(yù)熱的3D位移平臺進(jìn) 行逐層堆積，得到球頭掛環(huán)與球窩，球頭與碗頭掛板的三維實(shí)體零件。
[0037] 步驟三：將3D熔滴打印成型的鏤空的球頭掛環(huán)、球窩與絕緣子串一端裝配固定； 鏤空的球頭、碗頭掛板與絕緣子串另一端裝配固定，使之形成整體的懸垂復(fù)合絕緣子串，應(yīng) 用于高壓架空電力線路上。
【權(quán)利要求】
1. 一體式懸垂復(fù)合絕緣子串，包括球頭掛環(huán)（1)、球窩（2 )、絕緣子串（3 )、球頭（4 )和碗 頭掛板（5)，其特征在于：所述球頭掛環(huán)（1)與球窩（2)為一體成型結(jié)構(gòu)，并與絕緣子串（3) 一端裝配固定，所述球頭（4)與碗頭掛板（5)為一體成型結(jié)構(gòu)，并與絕緣子串（3)另一端裝 配固定，其中球頭掛環(huán)（1)與球窩（2)鏤空裝配，球頭掛環(huán)（1)在球窩（2)自由活動且無鎖 緊銷；球頭（4)與碗頭掛板（5)鏤空裝配，球頭（4)在碗頭掛板（5)中自由活動且無鎖緊銷。
2. -種利用3D打印復(fù)合絕緣子串連接金具的方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一：在計(jì)算機(jī)中繪制球頭、球窩、碗頭掛板、球頭掛環(huán)零件三維模型，在計(jì)算機(jī)中分 別將球頭、球窩三維模型裝配，碗頭掛板和球頭掛環(huán)三維模型裝配，三維裝配模型生成后， 然后轉(zhuǎn)換成STL格式的文件分別導(dǎo)入3D熔滴打印機(jī)中； 步驟二：利用3D熔滴打印機(jī)將零件的三維CAD模型，然后將模型按一定的厚度切片分 層，將零件的三維信息轉(zhuǎn)換成一系列二維輪廓信息，3D工控機(jī)設(shè)在熔滴沉積設(shè)備一側(cè)，并與 熔滴沉積設(shè)備通過導(dǎo)線連接和控制，在熔滴沉積設(shè)備上設(shè)有進(jìn)出料倉和出料倉，通過模具 所需顏色和材質(zhì)選擇粉料，將銅粉、鐵粉或鋁粉加入至熔滴沉積設(shè)備中的坩堝內(nèi)，坩堝外端 設(shè)有加熱元件，坩堝端口設(shè)有進(jìn)氣裝置，混合后通過加熱元件將金屬融化，所述坩堝頂端設(shè) 有噴嘴，所述噴嘴與坩堝為分體結(jié)構(gòu)，溶液從噴嘴流出在沉積平臺上形成的熔滴，利用壓力 脈沖在腔體內(nèi)產(chǎn)生膨脹、收縮的波動壓力，迫使部分金屬熔液從腔體底部的噴嘴射出，所述 產(chǎn)生的脈沖壓力用來控制微滴的按需噴射，控制工作腔體內(nèi)壓力變化可控制噴射和產(chǎn)生均 勻微滴，然后3D打印機(jī)系統(tǒng)的控制下，使其按照二維輪廓信息經(jīng)過預(yù)熱的3D位移平臺進(jìn)行 逐層堆積，得到球頭掛環(huán)與球窩；球頭與碗頭掛板的三維實(shí)體零件； 步驟三：絕緣子串的芯棒為玻璃纖維材質(zhì)，傘套在芯棒上采用硅橡膠注射成型工藝； 步驟四：將3D熔滴打印成型的鏤空的球頭掛環(huán)、球窩與絕緣子串一端裝配固定；鏤空 的球頭、碗頭掛板與絕緣子串另一端裝配固定，使之形成整體的懸垂復(fù)合絕緣子串，應(yīng)用于 商壓架空電力線路上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用3D打印復(fù)合絕緣子串連接金具的方法，其特征在于：所 述坩堝設(shè)有兩個，使用兩個噴頭同時成形。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用3D打印復(fù)合絕緣子串連接金具的方法，其特征在于：所 述相禍由石墨材料制成，所述相·禍為錐形結(jié)構(gòu)，底部噴頭為單一堅(jiān)直噴孔，為〇. 3mm-0. 8_。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用3D打印復(fù)合絕緣子串連接金具的方法，其特征在于：所 述坩堝外部設(shè)有熱敏探頭和溫控裝置，所述溫控裝置用于控制系統(tǒng)的加熱溫度，并記錄加 熱過程的溫度變化。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用3D打印復(fù)合絕緣子串連接金具的方法，其特征在于：所 述坩堝外部加裝隔熱層，加熱元件采用加熱絲加熱，溫度調(diào)控范圍為10(Tl20(rC。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用3D打印復(fù)合絕緣子串連接金具的方法，其特征在于：金 屬微滴產(chǎn)生系統(tǒng)為真空密閉狀態(tài)，金屬微滴產(chǎn)生系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有密封圈，外部水冷裝置給其密 封處降溫。
【文檔編號】H01B17/04GK104103385SQ201410347468
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月21日
【發(fā)明者】徐春社, 許杏桃, 俞孝湖, 沈正彬, 李然, 徐小康, 陳群, 黃文靜, 高崢嶸, 王益明 申請人:國家電網(wǎng)公司, 江蘇省電力公司, 江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院, 江蘇安方電力科技有限公司