一種軋輥等離子3d快速成型設備及成型方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于快速成型技術領域，尤其是涉及一種乳輥等離子3D快速成型設備及成型方法。
【背景技術】
[0002]乳輥是乳鋼廠乳鋼機上的重要零件，利用一對或一組乳輥滾動時產(chǎn)生的壓力來乳碾鋼材。它主要承受乳制時的動靜載荷，磨損和溫度變化的影響。乳輥主要包括芯部(也稱輥芯，包括輥軸和輥頸)和同軸布設在芯部外側(cè)的輥身外層(也稱外層或工作層)。復合乳輥的輥身外層和芯部用不同材質(zhì)制作，兩種材質(zhì)之間為冶金結(jié)合，輥身外層為工作層且其外表面為輥面，乳輥既能滿足乳機對輥身耐磨性、抗熱疲勞等性能的要求，同時又保證了芯部和輥頸的強韌性。復合乳輥的輥身外層和芯部材質(zhì)主要根據(jù)乳輥所在機架對其使用性能的具體要求選定。常用的復合乳輥的輥身外層材料有冷硬鑄鐵、無界冷硬鑄鐵、球墨鑄鐵、高絡鑄鐵、合金鋼、半鋼、尚絡鋼、尚速鋼、硬質(zhì)合金等;芯部常用材料為灰鑄鐵、球墨鑄鐵、鑄鋼、鍛鋼。
[0003]目前，國內(nèi)外制造乳輥(尤其是復合乳輥)主要采用的是離心鑄造方法。如1993年3月31日公開的公開號為CN1070433A的發(fā)明專利“乳輥外層材料和離心鑄造的復合乳棍”中公開了一種采用普通鑄鐵或鍛造鐵質(zhì)作為軸芯進行離心鑄造制造復合乳輥的方法，2012年8月I日公開的公開號為CN102615107A的發(fā)明專利“高硫合金離心復合球墨鑄鐵乳輥及其制造方法”中公開了一種復合高硫球墨鑄鐵乳輥的離心鑄造方法，2010年I月13日公開號為CN101623751A的發(fā)明專利“一種含硼低合金高速鋼乳輥的制備方法”中公開了一種采用球墨鑄鐵作為輥芯進行離心鑄造制造含硼低合金高速鋼乳輥的方法。但目前所采用的離心鑄造制備乳輥的方法，主要存在以下三方面問題:
[0004]第一、采用離心鑄造方法制造乳輥時，首先需要進行鋼水冶煉，冶煉過程中鋼包耐火材料的剝落以及鋼水脫氧與扒渣的不充分等問題均可能對鋼水造成污染，導致乳輥性能降低或報廢；
[0005]第二、離心鑄造過程中元素因比重不同易造成偏析，導致乳輥性能降低；
[0006]第三、離心鑄造的乳輥鑄造完成后需要進行熱處理，工藝復雜，而且現(xiàn)有的熱處理制度容易造成乳輥產(chǎn)生微裂紋、開裂甚至報廢。
[0007]目前，國內(nèi)外金屬零件快速成型技術主要是選區(qū)激光熔化快速成型技術(Selective laser melting，SLM)。選區(qū)激光恪化快速成型設備的基本工作原理是:先在計算機上利用Pro/e、UG、CATIA等三維造型軟件設計出零件的三維實體模型(即三維立體模型)，然后通過切片軟件對該三維模型進行分層切片，得到各截面的輪廓數(shù)據(jù)，由輪廓數(shù)據(jù)生成填充掃描路徑，在工作缸內(nèi)平鋪一定厚度的粉末，依照計算機的控制，激光束通過振鏡掃描的方式按照三維零部件圖形的切片處理結(jié)果選擇性地熔化預置粉末層；隨后，工作缸下降一定距離并再次鋪粉，激光束在振鏡的帶動下再次按照零部件的三維圖形完成零部件下一層的制造;如此重復鋪粉、掃描和工作缸下降等工序，從而實現(xiàn)三維零部件的制造?，F(xiàn)如今，選區(qū)激光熔化快速成型技術主要存在以下三方面問題:第一、選區(qū)激光熔化快速成型技術需要保護氣氛或真空環(huán)境，以避免成型過程中金屬零件的氧化。這使選區(qū)激光熔化快速成型設備結(jié)構(gòu)復雜，成型零件尺寸受到限制，能量源激光器系統(tǒng)價格高，成型設備價格昂貴;第二、選區(qū)激光熔化快速成型技術需要鋪粉的成型缸系統(tǒng)。這使選區(qū)激光熔化快速成型設備結(jié)構(gòu)復雜，不但成型零件尺寸受到限制，而且成型效率較低;第三、為了保障零件力學性能，選區(qū)激光熔化快速成型技術需要流動性好的球形金屬粉末。這使選區(qū)激光熔化快速成型設備運行成本很高。
[0008]另外，金屬零件快速成型技術中還有電子束快速成型技術。但目前，選區(qū)電子束快速成型技術主要存在以下三方面問題:第一、電子束快速成型技術需要真空環(huán)境，以形成能量源電子束和避免成型過程中金屬零件的氧化。這使電子束快速成型設備結(jié)構(gòu)復雜，成型零件尺寸受到限制，成型設備價格昂貴;第二、電子束快速成型技術需要鋪粉系統(tǒng)或成型材料供給系統(tǒng)。這使電子束快速成型設備結(jié)構(gòu)復雜，不但成型零件尺寸受到限制，而且成型效率較低；第三、為了保障零件力學性能，電子束快速成型技術需要流動性好的球形金屬粉末。這使選區(qū)激光熔化快速成型設備運行成本很高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明所要解決的技術問題在于針對上述現(xiàn)有技術中的不足，提供一種乳輥等離子3D快速成型設備，其結(jié)構(gòu)簡單、設計合理且使用操作簡便、成型效率高、使用效果好，無需密閉成型室，成型過程直接在大氣環(huán)境下進行，所成型乳輥質(zhì)量好。
[0010]為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是:一種乳輥等離子3D快速成型設備，其特征在于:由監(jiān)控系統(tǒng)、等離子束流加工系統(tǒng)和供待成型乳輥放置的水平打印臺組成，所述待成型乳輥包括輥芯和布設在輥芯中部外側(cè)的輥身外層，輥身外層與輥芯呈同軸布設;所述水平打印臺包括水平支撐機構(gòu)和固定安裝在水平支撐機構(gòu)上且?guī)虞佇纠@其中心軸線進行旋轉(zhuǎn)的水平旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，所述水平旋轉(zhuǎn)機構(gòu)位于水平支撐機構(gòu)上方，所述輥芯呈水平布設且其安裝于水平旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上；
[0011]所述等離子束流加工系統(tǒng)由安裝有噴頭且用于產(chǎn)生等離子束的等離子體發(fā)生器、為所述等離子體發(fā)生器提供工作氣體的供氣裝置、用于連續(xù)送出被加工絲材的送絲裝置和對打印位置進行調(diào)整的打印位置調(diào)整裝置組成，所述等離子體發(fā)生器和所述送絲裝置均位于水平旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上方，所述送絲裝置位于所述等離子體發(fā)生器一側(cè);所述供氣裝置通過供氣管與所述等離子體發(fā)生器上所開的進氣口連接;所述被加工絲材的外端為熔化端，所述熔化端位于所述噴頭的出口下方且其位于所述等離子束的中心軸線上;所述打印位置調(diào)整裝置包括帶動所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在水平面上進行移動的水平移動裝置和帶動所述等離子體發(fā)生器、所述送絲裝置與所述水平移動裝置同步移動并相應對所述噴頭的出口與輥芯之間的距離進行調(diào)節(jié)的打印距離調(diào)節(jié)裝置，所述等離子體發(fā)生器和所述送絲裝置均安裝在所述水平移動裝置上，且所述水平移動裝置安裝在所述打印距離調(diào)節(jié)裝置上；
[0012]所述監(jiān)控系統(tǒng)包括對所述水平移動裝置進行控制的水平移動控制器、對輥身外層的外表面溫度進行實時檢測的溫度檢測單元、對所述噴頭的出口與輥芯之間的距離進行實時檢測的距離檢測單元、對所述打印距離調(diào)節(jié)裝置進行控制的打印距離調(diào)節(jié)控制器、對輥芯的旋轉(zhuǎn)角度進行實時檢測的旋轉(zhuǎn)角度檢測單元和對水平旋轉(zhuǎn)機構(gòu)進行控制的旋轉(zhuǎn)控制器，所述水平移動控制器與所述水平移動裝置連接，所述打印距離調(diào)節(jié)控制器與所述打印距離調(diào)節(jié)裝置連接，所述溫度檢測單元和距離檢測單元均與打印距離調(diào)節(jié)控制器連接;所述溫度檢測單元與打印距離調(diào)節(jié)控制器組成溫度調(diào)控裝置;所述旋轉(zhuǎn)角度檢測單元與旋轉(zhuǎn)控制器連接。
[0013]上述一種乳輥等離子3D快速成型設備，其特征是:所述監(jiān)控系統(tǒng)還包括對所述等離子體發(fā)生器進行控制的等離子發(fā)生控制器、對供氣管的氣體流量進行實時檢測的氣體流量檢測單元和對供氣管上安裝的流量調(diào)節(jié)閥進行控制的氣體流量控制器，所述等離子發(fā)生控制器與所述等離子體發(fā)生器連接，所述氣體流量檢測單元與氣體流量控制器連接。
[0014]上述一種乳輥等離子3D快速成型設備，其特征是:所述等離子體發(fā)生器包括等離子槍，所述噴頭為等離子槍前端的陽極噴嘴;所述等離子槍包括開有所述進氣口的槍體、位于槍體正前方的陽極噴嘴和插裝于槍體內(nèi)的陰極，所述陽極噴嘴位于陰極前側(cè)，所述放電室位于陰極前側(cè)且其位于陽極噴嘴的后部內(nèi)側(cè)，所述陽極噴嘴的前部內(nèi)側(cè)為噴口；所述陽極噴嘴、陰極和放電室均與槍體呈同軸布設;所述進氣口位于槍體后側(cè)，所述噴口與槍體呈同軸布設或與槍體的中心軸線之間的夾角為30°?45°。
[0015]上述一種乳輥等離子3D快速成型設備，其特征是:所述送絲裝置包括上部纏繞有被加工絲材的絲盤、對被加工絲材進行輸送的送絲機構(gòu)和對所述送絲機構(gòu)進行驅(qū)動的送絲驅(qū)動機構(gòu)，所述送絲機構(gòu)位于絲盤內(nèi)側(cè)且與所述送絲機構(gòu)連接;所述絲盤同軸安裝在轉(zhuǎn)軸上且能繞所述轉(zhuǎn)軸進行轉(zhuǎn)動。
[0016]上述一種乳輥等離子3D快速成型設備，其特征是:所述送絲機構(gòu)為送絲滾輪，所述送絲滾輪包括主動滾輪組和從動滾輪組，所述主動滾輪組包括兩個均由送絲驅(qū)動機構(gòu)進行驅(qū)動且轉(zhuǎn)動方向相反的主動滾輪，所述從動滾輪組包括兩個轉(zhuǎn)動方向相反且分別位于被加工絲材兩側(cè)的從動滾輪，所述主動滾輪組位于所述從動滾輪組一側(cè)，兩個所述主動滾輪分別位于被加工絲材兩側(cè)；
[0017]所述監(jiān)控系統(tǒng)還包括對被加工絲材的送絲速度進行實時檢測的速度檢測單元和對送絲驅(qū)動機構(gòu)進行控制的送絲速度控制器，所述速度檢測單元與送絲速度控制器連接。
[0018]上述一種乳輥等離子3D快速成型設備，其特征是:所述等離子體發(fā)生器產(chǎn)生的等離子束的中心軸線與豎直面之間的夾角不大于45°;所述打印距離調(diào)節(jié)裝置為沿所述等離子束的中心軸線對所述噴頭進行上下調(diào)整的上下調(diào)整裝置，所述距離檢測單元為對沿所述等離子束的中心軸線從所述噴頭的出口到輥芯之間的距離進行實時檢測的距離檢測裝置；
[0019]所述水平旋轉(zhuǎn)機構(gòu)包括左右兩個均固定安裝在水平支撐機構(gòu)上的旋轉(zhuǎn)支撐座和帶動輥芯進行旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)，所述輥芯的兩端分別安裝在兩個所述旋轉(zhuǎn)支撐座上且其兩端與兩個所述旋轉(zhuǎn)支撐座之間均通過軸承進行連接;所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)為電動旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)且其與輥芯進行傳動連接，所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)由旋轉(zhuǎn)控制器進行控制且其與水平旋轉(zhuǎn)機構(gòu)連接；
[0020]所述水平支撐機構(gòu)為固定式支撐結(jié)構(gòu)或能上下移動的移動平臺。
[0021]同時，本發(fā)明還公開一種方法步驟簡單、設計合理且實現(xiàn)方便、使用效果好的乳輥等離子3D快速成型方法，其特征在于:該方法包括以下步驟:
[0022]步驟一、三維立體模型獲取及分層切片處理:采用數(shù)據(jù)處理設備且調(diào)用圖像處理模塊獲取待成型乳輥的輥身外層的三維立體模型，再調(diào)用分層切片模塊對輥身外層的三維立體模型進行分層切片，并獲得多個分層截面圖像；
[0023]多個所述分層截面圖像為對輥身外層的三維立體模型進行分層切片后獲得多個分層截面的圖像，多個所述分層截面由內(nèi)至外均勻布設；
[0024]步驟二、掃描路徑填充:采用數(shù)據(jù)處理設備且調(diào)用所述圖像處理模塊，對步驟一中多個所述分層截面圖像分別進行處理，并完成多個所述分層截面的掃描路徑填充過程，獲得多個所述分層截面的掃描路徑；
[0025]步驟三、打印路徑獲取:所述數(shù)據(jù)處理設備根據(jù)步驟二中獲得的多個所述分層截面的掃描路徑，獲得多個所述分層截面的打印路徑;每個所述分層截面的打印路徑均與該分層截面的掃描路徑相同；
[0026]步驟四、由內(nèi)至外逐層打印:先將預先加工成型的待成型乳輥的輥芯安裝于水平旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上，再根據(jù)步驟三中獲得的多個所述分層截面的打印路徑，在輥芯上由內(nèi)至外逐層對輥身外層進行打印，獲得由多個成型層由內(nèi)至外堆疊而成的輥身外層;所述成型層的數(shù)量與步驟一中所述分層截面的數(shù)量相同，多個所述成型層的布設位置分別與多個所述分層截面的布設位置一一對應且其層厚均相同，所述成型層的層厚與相鄰兩個所述分層截面之間的距離相同，步驟三中多個所述分層截面的打印路徑分別為多個所述成型層的打印路徑;對輥身外層進行打印時，過程如下:
[0027]步驟401、底層打印:根據(jù)步驟三中所獲取的當前所打印成型層的打印路徑，通過旋轉(zhuǎn)控制器控制水平旋轉(zhuǎn)機構(gòu)帶動輥芯繞其中心軸線進行旋轉(zhuǎn)，且輥芯旋轉(zhuǎn)過程中，所述水平移動控制器對所述水平移動裝置進行控制并帶動所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在水平面上進行移動;所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在水平面上移動過程中，所述等離子束流加工系統(tǒng)將內(nèi)帶熔融液流的等離子束流連續(xù)噴至輥芯的外表面上；待輥芯旋轉(zhuǎn)一周且所述等離子束流加工系統(tǒng)所噴熔融液滴均凝固后，完成當前所打印成型層的打印過程；
[0028]本步驟中，當前所打印成型層為多個所述成型層中位于最內(nèi)側(cè)的成型層；
[0029]步驟402、下一層打印，包括以下步驟:
[0030]步驟4021、等離子體發(fā)生器上移:通過打印距離調(diào)節(jié)控制器控制所述打印距離調(diào)節(jié)裝置，帶動所述等離子體發(fā)生器在豎直方向上進行一次向上移動且向上移動高度與所述成型層的層厚相同；
[0031]移動到位后，對所述等離子體發(fā)生器的高度進行記錄，此時所述等離子體發(fā)生器的高度為當前所打印成型層的基礎打印高度；
[0032]步驟4022、打印及同步溫控:根據(jù)步驟三中所獲取的當前所打印成型層的打印路徑，通過旋轉(zhuǎn)控制器控制水平旋轉(zhuǎn)機構(gòu)帶動輥芯繞其中心軸線進行旋轉(zhuǎn)，且輥芯旋轉(zhuǎn)過程中，所述水平移動控制器對所述水平移動裝置進行控制并帶動所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在水平面上進行移動;所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在水平面上移動過程中，所述等離子束流加工系統(tǒng)將內(nèi)帶熔融液滴的等離子束流連續(xù)噴至當前已打印好的上一個所述成型層的外表面上;待輥芯旋轉(zhuǎn)一周且所述等離子束流加工系統(tǒng)所噴熔融液滴均凝固后，完成當前所打印成型層的打印過程；
[0033]本步驟中，所述等離子體發(fā)生器與所述送絲裝置同步在水平面上移動過程中，通過溫度檢測單元對當前已打印好的上一個所述成型層的外表面溫度進行實時檢測并將所檢測溫度信息同步傳送至打印距離調(diào)節(jié)控制器，同時通過距離檢測單元對所述噴頭的出口與輥芯之間的距離進行實時檢測并將所檢測的距離信息同步傳送至打印距離調(diào)節(jié)控制器；所述打印距離調(diào)節(jié)控制器根據(jù)溫度檢測單元所檢測的溫度信息且通過控制所述打印距離調(diào)節(jié)裝置對所述噴頭的出口與輥芯之間的距離進行調(diào)節(jié)，使當前已打印好的上一個所述成型層的外表面溫度不高于輥身外層的材質(zhì)熔點的0.6倍；
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