回轉(zhuǎn)體增材制造實(shí)驗(yàn)裝置研制

張?bào)w明, 趙衛(wèi)民, 蔣 偉, 王永霖, 韓 彬

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院, 山東 青島 266580)

增材制造是采用材料逐漸累加的方法制造或增強(qiáng)實(shí)體零件的技術(shù),相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法,它是一種自下而上、由內(nèi)及外的制造工藝[1-2]。經(jīng)過20余年的發(fā)展,增材制造技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域蓬勃發(fā)展的源泉[3]。因此開展增材制造實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)開拓學(xué)生視野、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力具有重要的意義。

就加工制造的物理概念而言,無論是常用的堆焊修復(fù),還是材料表面噴涂、噴焊,其物理本質(zhì)都是增材制造[4]。高校作為專業(yè)型人才培養(yǎng)的前沿陣地,肩負(fù)著培養(yǎng)科研和技術(shù)人員的重要使命[5]。迫切需要改善金屬增材制造方面的教學(xué)條件。

“表面工程”是中國(guó)石油大學(xué)(華東)“材料成型及控制工程”專業(yè)一門理論與實(shí)踐并重的課程,增材制造也是本科畢業(yè)設(shè)計(jì)以及研究生論文的重要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)既能鞏固學(xué)生對(duì)理論基礎(chǔ)知識(shí)的掌握,又能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力,是理論聯(lián)系實(shí)際的重要紐帶[6-7]。為了豐富教學(xué)設(shè)施和教學(xué)形式,結(jié)合中國(guó)石油大學(xué)(華東)“材料成型及控制工程”專業(yè)培養(yǎng)方向的特色,研制了一套針對(duì)石油石化行業(yè)常用的鉆桿、隔水管、抽油桿、接箍等回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)件的增材制造裝置。

1 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖,整套裝置以鋼架結(jié)構(gòu)為支撐,主要包括旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)和增材制造機(jī)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)體構(gòu)件的表面噴涂、噴焊或堆焊。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)固定在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)底座上,由調(diào)速電機(jī)提供動(dòng)力,調(diào)速電機(jī)通過聯(lián)軸器與減速機(jī)相連,減速機(jī)再通過聯(lián)軸器連接至三爪卡盤,回轉(zhuǎn)體構(gòu)件的一端與三爪卡盤連接,由此實(shí)現(xiàn)由電機(jī)帶動(dòng)回轉(zhuǎn)體構(gòu)件旋轉(zhuǎn)。為了防止增材制造過程中回轉(zhuǎn)體構(gòu)件受熱發(fā)生彎曲變形,回轉(zhuǎn)體的另一端由平尾座上的頂尖頂緊。頂尖的伸出長(zhǎng)度可通過頂尖調(diào)節(jié)旋鈕進(jìn)行微調(diào),以調(diào)整回轉(zhuǎn)體的頂緊程度。除此之外,為了適應(yīng)夾持不同長(zhǎng)度的回轉(zhuǎn)體構(gòu)件,平尾座可沿滑軌滑動(dòng),并通過鎖緊旋鈕鎖緊。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)示意圖

聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)固定在聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)底座上,由步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力,通過聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)滑軌(X方向滑軌)帶動(dòng)X方向滑臺(tái)移動(dòng),X方向滑臺(tái)的移動(dòng)方向與回轉(zhuǎn)體的長(zhǎng)度方向平行。通過調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度,可調(diào)節(jié)X方向滑臺(tái)的移動(dòng)方向和移動(dòng)速度。

增材制造(噴涂/噴焊/堆焊)機(jī)構(gòu)固定在X方向滑臺(tái)上,該機(jī)構(gòu)詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。增材制造機(jī)構(gòu)主要由Y方向滑臺(tái),Z方向滑臺(tái),以及噴涂、噴焊或堆焊裝置組成。噴涂槍、噴焊槍或焊槍固定在Z方向滑臺(tái)上,通過調(diào)節(jié)Z方向滑臺(tái)調(diào)節(jié)旋鈕可使噴涂槍、噴焊槍或焊槍沿Z方向滑臺(tái)導(dǎo)軌移動(dòng),進(jìn)而調(diào)節(jié)槍嘴相對(duì)回轉(zhuǎn)體的高低位置。Z方向滑臺(tái)固定在Y方向滑臺(tái)上,通過調(diào)節(jié)Y方向滑臺(tái)調(diào)節(jié)旋鈕，使Z方向滑臺(tái)沿Y方向滑臺(tái)導(dǎo)軌移動(dòng),進(jìn)而調(diào)節(jié)槍嘴相對(duì)回轉(zhuǎn)體的前后位置。除此之外,通過調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)旋鈕可以調(diào)節(jié)槍嘴與回轉(zhuǎn)體之間的角度,以達(dá)到調(diào)節(jié)噴焊或噴涂角度的目的。

圖2 增材制造機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

2 實(shí)例分析

2.1 電弧噴涂裝置

圍繞中國(guó)石油大學(xué)(華東)的行業(yè)特色以及長(zhǎng)期以來在電弧噴涂領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[8-14],以桿體表面噴涂金屬防腐層為例進(jìn)行教學(xué)裝置的進(jìn)一步闡述。

海洋資源開發(fā)和利用是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要增長(zhǎng)點(diǎn)。隨著海上運(yùn)輸、旅游、油氣開發(fā)、港口碼頭等海洋產(chǎn)業(yè)的興起和發(fā)展,需要建造大量的海洋金屬結(jié)構(gòu)。由于海洋環(huán)境復(fù)雜苛刻,海洋腐蝕一直是困擾海洋資源開發(fā)的重大難題。為此電弧噴涂技術(shù)在海洋防腐領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,因?yàn)樗哂行矢摺⒊杀镜汀娡坎牧戏秶鷱V泛等優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)已成為重要的防腐措施之一[13]，噴涂層大多具有優(yōu)良的耐海水和海洋大氣腐蝕的能力,例如通過實(shí)際應(yīng)用證明,200 μm厚的鋁涂層即可顯著提高防腐性能,可提高壽命15年以上[15]。但現(xiàn)有電弧噴涂裝置大多為手持式,勞動(dòng)強(qiáng)度大,噴涂效率低,且噴焊層的質(zhì)量也不夠穩(wěn)定,因此有必要對(duì)現(xiàn)有噴涂裝置進(jìn)行改進(jìn),以提高其自動(dòng)化程度。

圖3為自己研制的增材制造裝置實(shí)物圖。其中,調(diào)速電機(jī)通過圖中所示調(diào)速電機(jī)控制箱進(jìn)行正反轉(zhuǎn)以及轉(zhuǎn)速控制,輸出轉(zhuǎn)速為20～500 r/min。減速機(jī)的速比為20,所以減速機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速范圍為1～25r/min。三爪卡盤的夾緊范圍為直徑2.5～40 mm的圓柱體,假設(shè)試樣的噴涂區(qū)與夾持區(qū)的直徑相同,則試樣表面的線速度范圍為7.85～301.44 mm/min,完全能滿足常規(guī)的噴涂、噴焊和堆焊速度要求。試樣的一端裝夾在三爪卡盤上,另一端由平尾座上的頂尖頂緊。平尾座固定在滑軌上,并可以沿滑軌方向左右移動(dòng),可實(shí)現(xiàn)10～100 cm長(zhǎng)度試樣的夾持。為防止增材制造過程中滑軌被粉塵污染,在滑軌上方增加了可伸縮的風(fēng)琴式防塵罩。聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力,通過絲杠帶動(dòng)X方向滑臺(tái)移動(dòng),滑臺(tái)的移動(dòng)方向和移動(dòng)速度可通過步進(jìn)電機(jī)控制箱進(jìn)行調(diào)節(jié),滑臺(tái)的移動(dòng)速度為1～200 mm/min,移動(dòng)范圍為100 cm,與夾持試樣的長(zhǎng)度相匹配。

該裝置不僅可以進(jìn)行電弧噴涂,還可以進(jìn)行材料的表面噴焊和堆焊。根據(jù)增材制造方法的需要,Z方向滑臺(tái)上還可以安裝固定噴焊槍或焊槍,以實(shí)現(xiàn)試樣表面的噴焊或堆焊。

圖3 增材制造(噴涂)裝置實(shí)物圖

2.2 噴涂層成型質(zhì)量分析

實(shí)驗(yàn)表明,所研制的噴涂裝置操作方便,成型質(zhì)量較手工噴涂法明顯提高。但若操作不當(dāng),也可能會(huì)產(chǎn)生一些缺陷,影響比較大的主要有噴涂距離和噴涂角度。

從噴涂槍中飛出的顆粒,其飛行速度、溫度以及顆粒的沉積形式均會(huì)受到噴涂距離和噴涂角度的影響。一般而言,顆粒的飛行速度先增加后減小,而溫度隨噴涂距離的增加而降低。當(dāng)噴涂距離較大時(shí),熔融顆粒打擊到基體表面的溫度和動(dòng)能不夠,顆粒不能產(chǎn)生足夠的變形,因而噴涂層會(huì)疏松多孔,結(jié)合強(qiáng)度低；而當(dāng)噴涂距離較小時(shí),飛行顆粒尚未加速到最高值,且由于顆粒的溫度較高,基體和噴涂層會(huì)被嚴(yán)重氧化而導(dǎo)致結(jié)合強(qiáng)度降低,甚至失去結(jié)合能力[16]。對(duì)于噴涂角度而言,當(dāng)噴涂角度過小時(shí),會(huì)因“遮蔽效應(yīng)”[16]形成不規(guī)則的孔隙,導(dǎo)致噴涂層孔隙率較高,降低結(jié)合性能。除此之外,噴涂層厚度不均勻的現(xiàn)象通常發(fā)生在手工操作的情況下,但對(duì)于本裝置而言,如果試樣的旋轉(zhuǎn)速度與噴涂槍的行走速度不匹配時(shí),同樣會(huì)出現(xiàn)試樣表面噴涂層厚薄不均的現(xiàn)象。

圖4為通過參數(shù)調(diào)整后獲得的成型質(zhì)量?jī)?yōu)良的鋁噴涂層宏觀形貌和顯微組織形貌,試樣表面噴涂層完整、致密,孔隙率僅為5%左右。可見,如何合理地選擇試樣的轉(zhuǎn)速和聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)速度,進(jìn)而保證噴涂層的成型質(zhì)量,避免減少氣孔、夾雜等缺陷,提高噴涂層的致密性是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要內(nèi)容，目的在于使學(xué)生理解、掌握。通過參數(shù)計(jì)算、調(diào)整進(jìn)而改善噴涂層成型質(zhì)量,讓學(xué)生掌握電弧噴涂工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)依據(jù)和方法。

圖4 優(yōu)化后的鋁噴涂層形貌

3 結(jié)論

本文研制的適用于回轉(zhuǎn)體構(gòu)件的增材制造的裝置,可實(shí)現(xiàn)材料表面的噴涂、噴焊或堆焊,改善零部件表面的耐蝕、耐磨性能。依托我校在電弧噴涂領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì),以桿件表面噴涂鋁層為例對(duì)該裝置進(jìn)行了詳細(xì)解析。合理控制桿件的轉(zhuǎn)速,并使之與滑臺(tái)上噴涂槍的距離、角度和移動(dòng)速度相匹配,進(jìn)而保證噴涂層的成型質(zhì)量,是實(shí)驗(yàn)教學(xué)傳授的重要知識(shí)點(diǎn)。通過參數(shù)優(yōu)化調(diào)整后確認(rèn)制備的鋁噴涂層成型良好,且通過微觀分析也確定噴涂層整體致密,孔隙率僅為5%左右。與傳統(tǒng)的手工教學(xué)方法相比,采用該裝置制備的噴涂層質(zhì)量更加穩(wěn)定可靠,效率高,并改善了操作環(huán)境,提高了自動(dòng)化程度,更適用于教學(xué)要求。

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