一种金属结构件制备装置及其制备方法
阅读说明：本技术 一种金属结构件制备装置及其制备方法 (Metal structural part preparation device and preparation method thereof ) 是由 赵冰 李志强 曲海涛 于 2020-11-02 设计创作，主要内容包括：一种金属结构件制备装置及其制备方法,属于增材制造技术领域,包括真空室,容纳在所述真空室中的感应加热线圈,用于给金属块料进行加热；容纳在所述真空室中的送料杆,用于将金属块料推送到电磁线性加速器中；容纳在所述真空室中的金属块材压紧装置,用于将金属块材料斗中的金属块料压紧；容纳在所述真空室中的感应感应加热线圈,用于给金属块料进行加热；本发明在固态条件下进行增材制造,制备的金属结构件具有良好的力学性能,采用该制备方法,零件的制备和成形在真空环境下实现,有利于其发生塑性变形以及与预制坯之间的连接；减少制备过程中所需不同种类的设备数量,制备周期短,效率高,获得零件性能高,材料利用率高,可以实现近净成形。(A metal structure preparation device and a preparation method thereof belong to the technical field of additive manufacturing, and comprise a vacuum chamber, an induction heating coil accommodated in the vacuum chamber and used for heating metal blocks; a feed bar housed in the vacuum chamber for pushing metal blocks into an electromagnetic linear accelerator; a bulk metal compaction device housed in the vacuum chamber for compacting bulk metal in a bulk metal hopper; an induction heating coil housed in the vacuum chamber for heating the metal block; the method is used for additive manufacturing under the solid condition, the prepared metal structural part has good mechanical property, and by adopting the preparation method, the preparation and the forming of the part are realized under the vacuum environment, so that the plastic deformation of the part and the connection between the part and a prefabricated blank are facilitated; the method has the advantages of reducing the number of different types of equipment required in the preparation process, short preparation period, high efficiency, high performance of obtained parts, high utilization rate of materials and capability of realizing near-net forming.)
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，特别涉及一种金属结构件制备装置及其制备方法。
背景技术
增材制造技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除－切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法。增材制造技术是一种零件结构与材料设计、新材料制备、成形、加工一体化的创形创质并行的短流程、数字化制造技术。
传统的锻造工艺路线需要大型专用设备，制造路线长、后续数控加工量大、成本高。增材制造技术在一台设备中实现了熔覆、凝固、成形等工艺过程，直接成形出近终尺寸的结构件，再经少量数控加工，既可获得最终尺寸结构件。具有周期短、无需大型热加工设备和成形模具、柔性制造、近净成形等优点。采用增材制造加工大型整体复杂结构件具有一系列的技术优势，例如，可以制备大尺寸结构件，受设备加工能力的限制较小，只需增加成形平台尺寸即可；可以近净成形出外部形状和内部结构复杂的结构件，例如框梁一体化结构，拓扑三维点阵结构。对于成形框梁结构，只需要增加设备内部的空间；制造周期短、后续去除量小、不需要专用成形模具、材料利用率高、工艺改进自由度高，与传统的大型整体结构件锻造成形相比较，大大降低了制造成本，对于航空航天领域的昂贵金属材料，如金属、铝合金、镍基合金，成本节约尤为可观。以加工1吨重量的金属复杂结构件为例，传统工艺成本大约是2500万元，而激光增材制造的成本仅130万元左右，其成本仅是传统工艺的5％。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属结构件制备装置及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种金属结构件制备装置，包括：
真空室和若干块金属块料；
容纳在所述真空室中的感应加热线圈，用于给金属块料进行加热；
容纳在所述真空室中的送料杆，用于将金属块料推送到线性加速器中；
容纳在所述真空室中的金属块料压紧装置，用于将金属块料料斗中的金属块料压紧；
容纳在所述真空室中的感应感应加热线圈，用于给金属块料进行加热；
容纳在所述真空室中的电磁线性加速器，该电磁线性加速器与所述感应加热线圈接合，用于对加热后的金属块料进行加速；
容纳在所述真空室中的预制坯，用于接收加热加速后的金属块料堆垛成形；
容纳在所述真空室中且用于连接感应加热线圈与所述电磁线性加速器电连接结构，和操作所述感应加热线圈和所述电磁线性加速器使其按轨迹移动的操作机构；
其中，所述操作机构由送料杆、感应感应加热线圈、金属块料、金属块料压紧装置、金属块料料斗、线性加速器组合在一起形成一体化加工头，一体化加工头可以在控制系统的控制下，按照轨迹在预制坯上逐行、逐层行走。
进一步的，所述金属块料料斗的左端是感应感应加热线圈，右侧是金属块料压紧装置，将金属块料料斗中的若干块金属块料压紧，金属块料料斗左端的感应感应加热线圈加热最左侧的金属块料，送料杆将加热后的最左侧的金属块料推送至电磁线性加速器中。
进一步的，所述金属块料料斗位于所述电磁线性加速器的正上方，送料杆位于金属块料料斗的上方，送料杆的轴线与电磁线性加速器的轴线重合。
所述金属块料可以采用钛合金块材、铝合金块材、镁合金块材等。
一种应用该制备装置制备金属结构件的制备方法，包括如下步骤：
S1：将真空室的真空度达到1.0×10-3Pa，然后开启感应加热线圈，对金属块料进行加热至高温状态；
S2：启动送料杆将最左侧金属块料推送至电磁线性加速器中；
S3：开启电磁线性加速器，对加热后的金属块料加速至高速状态；
S4：通过操作机构控制一体化加工头将高温高速状态的金属块料按照轨迹逐行、逐层喷射于预制坯上。
进一步的，所述S1中金属块料的高温状态的温度取值为0.5Tm～0.75Tm。
进一步的，所述S2中对金属块料的高速状态的速度取值为50m/s～500m/s。
进一步的，金属块料可以选用与线性加速器相匹配的各种形状。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)在固态条件下进行增材制造，获得组织状态是变形组织，具有良好的力学性能，缺陷可以得到良好的控制；
(2)零件的制备和成形在真空环境下实现，既不会环境对加热后的块材造成污染，在加速过程中，金属块料的辐射散热较小，当块材与预制坯接触时，仍然保持较高的温度，有利于其发生塑性变形以及与预制坯之间的连接；
(3)减少制备过程中所需不同种类的设备数量，制备周期短，效率高，获得零件性能高，材料利用率高，可以实现近净成形。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图；
图2是本发明工作时整体结构第一状态示意图；
图3是本发明工作时整体结构第二状态示意图；
图4是本发明工作时整体结构第三状态示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚，完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。
实施例：
如图1所示的一种金属结构件制备装置，包括：真空室1、感应加热线圈3、送料杆2、电磁线性加速器7、金属块料压紧装置5、金属块料料斗6、若干块金属块料4和预制坯8。
在本实施例中，容纳在所述真空室1中的感应加热线圈3，用于给金属块料4进行加热；容纳在所述真空室1中的送料杆2，用于将金属块料4推送到电磁线性加速器7中；容纳在所述真空室1中的金属块料压紧装置5，用于将金属块料料斗6中的金属块料4压紧；容纳在所述真空室1中的感应感应加热线圈3，用于给金属块料4进行加热；容纳在所述真空室1中的电磁线性加速器7，该电磁线性加速器7与所述感应加热线圈3接合，用于对加热后的金属块料4进行加速；容纳在所述真空室1中的预制坯8，用于接收加热加速后的金属块料4堆垛成形；容纳在所述真空室1中且用于连接感应加热线圈3与所述电磁线性加速器7电连接结构，和操作所述感应加热线圈3和所述电磁线性加速器7使其按轨迹移动的操作机构；其中，所述操作机构由送料杆2、感应感应加热线圈3、金属块料4、金属块料压紧装置5、金属块料料斗6、线性加速器7组合在一起形成一体化加工头，一体化加工头可以在控制系统的控制下，按照轨迹在预制坯8上逐行、逐层行走。
结合图2可知，所述金属块料料斗6位于所述电磁线性加速器7的正上方，送料杆2位于金属块料料斗6的上方，送料杆2的轴线与电磁线性加速器7的轴线重合。
其次，所述金属块料料斗6的左端是感应加热线圈3，右侧是金属块料压紧装置5，将金属块料料斗6中的若干块金属块料4压紧，
值得一提的是，所述金属块料4可以采用钛合金块材、铝合金块材、镁合金块材等。
参考图3和图4可知，采用上述制备装置的制备金属构件的制备方法，包括如下步骤：
S1：将真空室1的真空度达到1.0×10-3Pa，然后开启感应加热线圈3，对金属块料4进行加热至高温状态，温度范围为0.5Tm～0.75Tm，其中Tm为该金属材料的熔点；
S2：启动送料杆2将最左侧金属块料4推送至电磁线性加速器7中；
S3：开启电磁线性加速器7，对加热后的金属块料4加速至高速状态，所述高速状态的速度取值为50m/s～500m/s；
S4：通过控制一体化加工头将高温高速状态的金属块料4按照轨迹逐行、逐层喷射于预制坯8上。
其次，金属块料4可以选用与线性加速器7相匹配的各种形状。
本发明的工作原理：以TC4钛合金块材为例，首先，将真空室1的真空度处理至1.0×10-3Pa，接着开启感应加热线圈3，将TC4钛合金块材加热到800℃～960℃，采用送料杆2将加热后的金属块料4推送到电磁线性加速器7中，开启电磁线性加速器7，将加热后的TC4钛合金块材加速到50m/s～500m/s，然后，将加热和加速的TC4钛合金块材撞击到预制坯8上，此时，TC4钛合金块材在撞击力的作用下自身发生剧烈塑性变形，与预制坯8连接在一起，随之，通过操作机构控制送料杆2、感应感应加热线圈3、金属块料4、金属块料压紧装置5、金属块料料斗6、线性加速器7形成的一体化加工头按照轨迹逐行、逐层将TC4钛合金块材4堆垛在预制坯8上成形，从而制备出具有一定形状的TC4钛合金结构件。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“若干个”的含义是两个或两个以上。另外，术语“包括”及其任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
本发明按照实施例进行了说明，在不脱离本原理的前提下，本装置还可以作出若干变形和改进。应当指出，凡采用等同替换或等效变换等方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
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