本發明涉及增材制造設備領域，尤其涉及一種金屬筒體電熔增材制造系統。

背景技術：

目前，核電、火電、石化、冶金、船舶等現代重型工業裝備正日益向大型化、復雜化、高性能參數和極端條件下高可靠性、長壽命服役方向快速發展，所需低合金高強度鋼、耐熱合金等關鍵金屬筒體構件尺寸也越來越大、質量要求越來越高。現在主要是采用數百噸級大型鋼錠冶煉、鑄造和萬噸水壓機等重型鍛造工業裝備鍛壓成形方式來制造金屬筒體，并輔以最終機加工，該方法基本能夠滿足技術質量要求，但此制造工序繁多、生產周期長、材料利用率低，必然會導致構件成本高昂，另一方面，此制造工藝復雜、化學與力學性能控制難度大，也造成質量穩定性差、廢品率高、價格居高不下等問題，嚴重影響著項目建設進度,制約著我國重型裝備制造業的發展。

為解決上述問題，國家與企業均寄望重型裝備制造業取得重大突破，近年來，熔融沉積快速成形（即電熔增材制造技術）正成為一個重要的發展方向。

其中，金屬筒體電熔增材制造的電熔成形方法是采用電弧熱、電阻熱、電渣熱復合而成的高能熱源，通過電熔頭熔化連續輸送的金屬原料絲材，在基材上逐層凝固堆積成形制造金屬筒體構件，由于電熔增材制造技術具有制造柔性化程度高、成形周期短、材料化學與力學性能優良等優點，已被應用于金屬筒體構件的成形，為了攻克金屬筒體構件大尺寸和復雜形狀成形過程中出現的裂紋和氣孔、化學偏析，以及全截面性能要求等難題，需要在金屬原料絲材經由輸送機構和電熔頭送至基材表面熔化之前，根據工藝要求，工件工作表面溫度根據不同的材料及工作速度，應控制在100-600℃范圍內穩定可調。

可見金屬筒體電熔增材工藝目前面臨的一個關鍵工序是如何確保能夠穩定控制工作時的溫度，并滿足越來越高的力學和化學性能的要求。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題在于，提供一種金屬筒體電熔增材制造系統，通過水和氣實現增材制造的冷卻，提高加工工件的化學與力學性能。

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種金屬筒體電熔增材制造系統，包括水平設置并可繞自身中心軸旋轉的圓筒形的基體、設于基體上方并用于電熔增材的電熔頭組件、以及用于降溫的冷卻裝置，還包括平移驅動裝置，所述冷卻裝置包括設于基體內部的集成部、沿集成部長度方向依次設置的若干個噴嘴、設于集成部一端的進水部以及設于集成部另一端的進氣部；

所述集成部內設有通氣總管、連接通氣總管與噴嘴的通氣支管、以及與噴嘴一一對應連接的若干獨立通水道，所述進水部包括入水總管、用于控制入水總管開關的截止閥、用于將入水總管的水分配至獨立通水道的分配器、以及設于獨立通水道上的水量調節閥，所述進氣部包括與通氣總管連通的進氣管和設于進氣管上的氣量調節閥；

所述電熔頭組件與冷卻裝置固定連接，所述冷卻裝置的噴嘴的開口朝上設置，所述電熔頭組件的電熔頭朝下并可升降設置，所述平移驅動裝置驅動電熔頭組件以及冷卻裝置同步水平往復移動。

作為上述方案的改進，還包括用于檢測基體不同部位溫度的多個溫度傳感器，當溫度傳感器檢測出的溫度值大于設定值時，所述冷卻裝置工作。

作為上述方案的改進，還包括加熱裝置，所述加熱裝置位于基體的下方。

作為上述方案的改進，所述噴嘴的個數等于電熔頭的個數。

作為上述方案的改進，所述噴嘴與電熔頭處于基體的豎向的徑向面。

作為上述方案的改進，所述獨立通水道的直徑范圍為5-20mm。

作為上述方案的改進，所述集成部包括鋁型材，所述鋁型材的中心設有用作通氣總管的中空氣腔，所述鋁型材設有若干個用作獨立通水道的水腔，所述鋁型材的表面設有用于安裝水管的卡位凹槽，所述水管用作獨立通水道。

作為上述方案的改進，所述鋁型材為80*40或者80*80的標準鋁型材。

作為上述方案的改進，還包括用于支撐基體的支撐滾輪，所述基體旋轉設于支撐滾輪上并通過旋轉驅動裝置驅動旋轉。

實施本發明的實施例，具有如下有益效果：

1、本發明通過水和氣作為電熔增材制造的冷卻介質，其中水路通過獨立的通水管以及與獨立通水管一一對應的水量調節閥調節通向噴嘴的水量，氣路通過氣量調節閥調節通向噴嘴的氣量，通向噴嘴的水氣通過精確控制，從而實現電熔增材制造溫度的精確控制，以使金屬筒體電熔增材制造出的工件的物力性能和化學性能得到較好的控制；

2、本發明的噴嘴是設于基體內部的，在進行冷卻降溫的過程中，噴嘴噴出的霧化水氣是直接噴向基體的內側壁，霧化水氣通過與基體內壁進行熱交換帶走大量的熱能，并且采用本發明的冷卻方式不會對基體外表面的電熔增材加工質量產生影響，此時，當加工工件為大尺寸和復雜形狀的金屬筒體構件時，也不會出現裂紋、氣孔以及化學偏析等不良影響，加工出的工件的力學性能和化學性能良好；

3、采用本發明的電熔增材制造系統時，基體不會移動，只是做回旋運動，電熔頭組件在進行某層增材時，只是進行直線往復移動，這樣可以保證增材的均勻性，以使加工工件的力學性能和化學性能良好，另外，本發明的冷卻裝置是通過平移驅動裝置驅動隨著電熔頭組件的移動一同移動的，這樣噴嘴冷卻的部位時刻都是電熔頭加工的部位，由于電熔增材制造是完全靠堆疊形成工件的，此時，噴嘴和電熔頭同時移動顯得尤為重要，可以有效提高冷卻的精度，且由于基體的等速旋轉運動，加上噴嘴是直接對基體內側壁進行噴射的，所以噴射范圍為基體的整個內側壁，其冷卻的范圍較大、冷卻較為均勻；

4、本發明的冷卻裝置不需要任何化學液體作為冷卻介質，僅用清潔便宜的自來水作為冷卻介質，其次，也不需要復雜的耗能機電裝置來進行冷卻工作，僅利用自來水自身的壓力以及噴嘴的霧化功能，水氣化后帶走大量的熱能排到空氣中，達到冷卻降溫的目的，在這個過程中沒有任何污染及能耗，所以本發明的系統具有節能、環保等優點。

附圖說明

圖1是本發明金屬筒體電熔增材制造系統的結構示意圖；

圖2是本發明冷卻裝置的工作原理圖；

圖3是本發明鋁型材的截面圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步地詳細描述。僅此聲明，本發明在文中出現或即將出現的上、下、左、右、前、后、內、外等方位用詞，僅以本發明的附圖為基準，其并不是對本發明的具體限定。

參見附圖1至附圖3，本發明公開了一種金屬筒體電熔增材制造系統，包括水平設置并可繞自身中心軸旋轉的圓筒形的基體1、設于基體1上方并用于電熔增材的電熔頭組件2、以及用于降溫的冷卻裝置3。其中電熔頭組件2通過平移驅動裝置驅動往復移動。為了實現基體1旋轉，本發明還包括用于支撐基體1的支撐滾輪4，所述基體1旋轉設于支撐滾輪4上并通過旋轉驅動裝置5驅動旋轉。

為了實現本發明的目的，所述冷卻裝置3包括設于基體1內部的集成部31、沿集成部31長度方向依次設置的若干個噴嘴32、設于集成部31一端的進水部33以及設于集成部31另一端的進氣部34。

具體的，所述集成部31內設有通氣總管311、連接通氣總管311與噴嘴32的通氣支管312、以及與噴嘴32一一對應連接的若干獨立通水道313，所述進水部33包括入水總管331、用于控制入水總管331開關的截止閥332、用于將入水總管331的水分配至獨立通水道313的分配器333、以及設于獨立通水道313上的水量調節閥334，所述進氣部34包括與通氣總管311連通的進氣管341和設于進氣管341上的氣量調節閥342。所述獨立通水道313的直徑范圍優選為5-20mm。

其中，所述電熔頭組件2與冷卻裝置3固定連接，所述冷卻裝置3的噴嘴32的開口朝上設置，所述電熔頭組件2的電熔頭朝下并可升降設置，所述平移驅動裝置驅動電熔頭組件2以及冷卻裝置3同步水平往復移動。

優選的，所述噴嘴32的個數等于電熔頭的個數，即每個噴嘴32冷卻的區域與電熔頭加工的區域一一對應，能夠達到最佳的冷卻效果。并且所述噴嘴32與電熔頭處于基體1的豎向的徑向面，即冷卻和加工的區域位于基體1的同一部位，冷卻效率得到較大的提高。

工作時，增材制造的工件通過電熔頭將熔化的原料絲材在基體1上堆疊而成。在逐層成形的過程中，原料絲材在下層金屬表面形成熔池，熔滴以射流形態進入熔池后凝固使兩層金屬成為一體，實現分層成形、整體融合，保證了成形金屬構件的整體性能。

為了實現更為精確的控制，本發明所述系統還包括用于檢測基體1不同部位溫度的多個溫度傳感器（附圖中未顯示），當溫度傳感器檢測出的溫度值大于設定值時，所述冷卻裝置3工作。具體的，當溫度傳感器檢測出的溫度值大于設定值（即工藝要求的工作溫度）時，先打開氣路上的氣量調節閥342，然后再打開水路上的截止閥332以及水量調節閥334，當水氣合并后通過噴嘴32對著工作區域噴出，形成漫射水霧帶走熱量，達到迅速降溫的目的。在此過程中，各個調節閥可調節水氣流量，從而使工件冷卻降溫的速度可調節。

進一步地，本發明的系統還包括加熱裝置6，所述加熱裝置6位于基體1的下方，當基體1溫度低于所需溫度時，所述加熱裝置6工作。并且所述加熱裝置6的噴頭與噴嘴32以及電熔頭處于基體1的同一豎直徑向面，此時，可以達到最精確的控制。

需要說明的是，本發明所述集成部31包括鋁型材7，所述鋁型材7的中心設有用作通氣總管的中空氣腔，所述鋁型材設有若干個用作獨立通水道的水腔，所述鋁型材的表面設有用于安裝水管的卡位凹槽，所述水管用作獨立通水道。

現有技術的鋁型材的結構一般都是中間設有一個大型腔，還設有一些較小的圓柱形的小型腔，并且鋁型材的周邊會設置表面會設置凹槽，本發明的集成部可以直接采用現成的鋁型材，將鋁型材的大型腔作為通氣的通氣總管，將小型腔作為獨立通水的獨立通水道，其中小型腔的個數一般少于所需獨立通水道的個數，此時，需要另設一些水管用作剩余的獨立通水道，水管可以直接安裝在鋁型材表面的凹槽內。本發明采用現成的鋁型材，選材方便，并且鋁型材具有很好的散熱效果，更利于電熔增材制造的冷卻。

優選的，所述鋁型材為80*40或者80*80的標準鋁型材。

【實施案例】回轉筒體的制作

本案例描述通過電熔成形方法制作金屬筒體的過程，材料為普通低碳鋼，所使用的設備參見附圖1。

附圖1為本實施例的示意性說明圖，其中冷卻裝置在本示意圖中只畫了9個噴嘴32，實施時可以根據具體需求選擇滿足要求的個數，圖中省略了電源、自動送絲等裝置。

具體的，選用普通低碳鋼作為原料絲材，原料絲材的直徑為4mm，電熔頭組件2包括9個電熔頭，電熔電源為直流電源，采用電熔頭接電源負極，基材接電源正極（直流時，電熔頭接電源負極，基材接電源正極，能夠大大提高加工效率）；其中電熔工藝參數為：電熔電流700a，電熔電壓35v，電熔頭與基體1相對移動速度為500～600mm/min。

采用電熔成形方法制作金屬筒體構件，其實施步驟如下：

1、將圓筒形的基體1的軸線水平配置，并支撐在支撐滾輪4上，將電熔頭以200mm的間距（即相鄰原料絲材中心距）平均橫向布置在基體1的上方，且調整好每個電熔頭與基體1表面（外周面）的距離，并選取電熔的起點；

2、將原料絲材與輔料送至基體1表面，啟動電源，導入高能熱源，熔化原料絲材及輔料，同時轉動基體1，開始每個電熔頭第一層第一道的電熔沉積（每一層由軸向排列的多道構成）；

3、當電熔頭與電熔起點之間形成一段距離后，開始啟動輔料回收裝置將其未熔化的輔料回收，露出渣殼并將其清除，以便于下一道的電熔沉積（堆積）；隨后啟動冷卻裝置3或加熱裝置6對電熔沉積金屬進行冷卻或加熱，將其基體1（第一層時是指基體1，其他層時是指前一層堆積金屬）的溫度控制在200～300℃；

4、當基體1轉動一圈完成第一道電熔沉積時，在控制裝置的控制下，所有電熔頭同時往左直線移動3/4熔道寬度距離，同時調整各電熔頭與基體1表面之間的距離，以保證電熔的穩定性，之后開始第一層第二道的電熔沉積成形，此過程中要保證其左右圈道間搭接良好；

5、當第二道完成后，重復步驟（4）再完成其它的電熔沉積道的成形，當達到最后一道時，其相鄰電熔頭的最后一道結束點與第一道起點要搭接良好，以至完成第一層的電熔沉積；

6、當完成第一層的電熔沉積后，所有電熔頭自動提升一層沉積厚度（即層厚）的高度，開始第二層的第一道電熔沉積，第一層電熔頭的結束點即為第二層第一道的開始點，連續沉積；

7、當第二層第一道電熔沉積完成后，所有電熔頭同時往右直線移動3/4熔道距離，同時各電熔頭自動調整其與第一層之間的距離，以保證電熔的穩定性，開始第二層第二道的電熔沉積，使其左右焊道間搭接良好；

8、當完成第二層第二道電熔沉積完成時，重復步驟（7），再完成其它的電熔沉積道，當達到最后一道時，其相鄰電熔頭的最后一道結束點與第一道起點要搭接良好，以至完成第二層的電熔沉積；

9、重復步驟（6）至步驟（8），再完成其它電熔沉積層，此過程中，相鄰電熔沉積層電熔頭的移動方向相反，最終連續電熔沉積形成整個金屬構件。

在上述過程中，根據現場實測溫度，冷卻裝置3處于工作或待命狀態；當實測溫度大于工藝要求的300℃時，先打開氣路的氣量調節閥342，再打開水路的截止閥332以及水量調節閥334，當水氣合并后通過噴嘴32對著工作區域噴出，形成漫射水霧帶走熱量，達到迅速降溫的目的。

在溫度調節過程中，根據各個測溫點的測量溫度，分別通過各獨立通水管73對應的水量調節閥334調節水的流量，從而可調節工件各部位冷卻降溫的速度并達到均衡，既滿足了工藝要求，又保證了產品質量。材料通過國家法定權威機構的鑒定，各項理化性能及力學性能指標均達到該材料的國家/國際標準要求，說明該冷卻裝置3在這里面起到了關鍵的作用，是金屬筒體電熔增材制造不可缺少的關鍵裝置。

需要說明的是，因為原絲電熔堆疊的過程實際上是個微熔池冶金的過程，在這個過程中，由于通過本系統有嚴格的工藝溫度進行控制，因此不容易產生裂紋等不良現象，就算發現一些不良缺陷，也可通過電熔堆疊修補來進行消除。另外，根據發明人大量的實驗數據以及專業檢驗機構檢驗得出來的結論得出，通過采用本發明的系統加工出的工件的力學性能和化學性能良好。

以上所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發明的保護范圍。