CN117300126A - 一种喷射沉积成形用熔滴生成机构 - Google Patents

Abstract

一种喷射沉积成形用熔滴生成机构，包括设置在离心盘中心的熔液筒，在熔液筒的筒壁上设有出液孔，在熔液筒内设置有活塞杆；活塞杆可上下滑动，用于封堵或开启出液孔，使熔液筒内的金属熔液间隔且定量地从出液孔内甩出，形成熔滴。旋转的熔液筒会使金属熔液产生离心力，通过调节活塞杆上下滑动的频率可控制金属熔液从出液孔内甩出的数量和体积，进而得到直径近乎一致的熔滴。直径相近的熔滴具有相近的撞击动能和冷却速度，能够形成晶粒细小、致密度高的组织结构。此外，本发明还揭示了出液孔半径、活塞杆上下运动频率与相关参数的关系，这样可就根据熔滴的球半径，反向求出出液孔的半径和活塞杆上下运动的频率，为控制熔滴的大小提供理论依据。

Description

一种喷射沉积成形用熔滴生成机构

技术领域

本发明涉及喷射沉积成形技术领域，尤其是涉及一种喷射沉积成形用熔滴生成机构。

背景技术

喷射沉积的原理是在惰性气体的保护下，将熔融金属破碎成细小的金属熔滴，然后在高压气体或离心力的作用下连续喷射到金属基底上，沉积成半凝固的沉积层，依靠金属基底的热传导使沉积层凝固成预制坯料，预制坯料经热挤压或热锻后形成高致密度的金属环体。喷射沉积工艺的优势在于，可以制备成分偏析程度小、组织细小均匀、尺寸较大的环形零件。

授权公告号为CN109877299B的发明专利公开了一种甩铸装置和离心喷射成形用离心盘，该专利中的甩铸装置应用喷射沉积原理实现了金属空心锭的制备。但是在应用中发现，制备的金属空心锭还不够理想，其主要表现为晶粒组织还不够细小，致密度也不够高。经分析发现，从离心盘甩出的熔滴，其直径有大有小、并不均匀。直径小于1mm的熔滴，其飞行距离近、撞击动能也小，不足以通过撞击打碎其内部的晶枝。直径大于3mm的熔滴，其冷却速度达不到要求，而且在撞击基底后会四处分散。只有直径在1-3mm的区域内的熔滴，既可以通过撞击打碎其内部的晶枝，又不至于四处分散折射。此后多次改进离心盘的结构及转速，但是效果并不理想。因此，需要从另外的角度上对熔滴的生成方式进行思考。

发明内容

为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种喷射沉积成形用熔滴生成机构，其目的在于：

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种喷射沉积成形用熔滴生成机构，包括设置在离心盘中心的熔液筒，在熔液筒的筒壁上设有出液孔，在熔液筒内设置有活塞杆；活塞杆可上下滑动，用于封堵或开启出液孔，使熔液筒内的金属熔液间隔且定量地从出液孔内甩出，形成熔滴。

实施上述技术方案后，其产生的有益效果是：旋转的熔液筒会使金属熔液产生离心力，通过调节活塞杆上下滑动的频率可控制金属熔液从出液孔内甩出的数量和体积，进而得到直径近乎一致的熔滴。直径相近的熔滴具有相近撞击动能和冷却速度，能够制备晶粒细小、致密度高的喷射沉积零件。

进一步地改进技术方案，设出液孔的半径为r，设活塞杆上下运动的频率为f，则有：

r＝K*Sr，

式中，R为熔液筒的半径，ρ为金属熔液的密度，Sr为熔滴的球半径，ω为离心盘的转速，σ为金属熔液的表面张力系数，C≥1。

实施上述技术方案后，其产生的有益效果是：上述公式揭示了出液孔的半径、活塞杆上下运动频率与相关参数的关系，通过上述公式可根据所要得到的熔滴的球半径，反向求出出液孔的半径和活塞杆上下运动的频率，为控制熔滴的大小提供理论依据。

进一步地改进技术方案，在活塞杆内设置有注液管，注液管用于向熔液筒内注入金属熔液。

实施上述技术方案后，其产生的有益效果是：可保证熔液筒内始终保留有一定量的金属熔液。

由于采用上述技术方案，所述熔滴生成机构还包括曲柄滑块机构，曲柄滑块机构与活塞杆连接，用于驱动活塞杆上下滑动。

实施上述技术方案后，其产生的有益效果是：曲柄滑块机构是常见的往复直线运动机构，可驱动活塞杆上下滑动。

由于采用上述技术方案，在活塞杆的上部设有横向滑槽，在横向滑槽内配合安装有偏心轴，偏心轴与调速电机连接；调速电机转动时，通过偏心轴和滑槽的配合，驱动活塞杆上下滑动。

实施上述技术方案后，其产生的有益效果是：调速电机每转一圈，塞杆上下滑动一次，通过改变调速电机的转速，可调节活塞杆上下运动的频率。

在熔液筒的筒壁上设有通孔，在通孔内可拆卸安装有出液嘴，出液嘴内的内孔为出液孔。

实施上述技术方案后，其产生的有益效果是：通过更换出液嘴，可快速调整出液孔的半径。

附图说明

图1示出的是本熔滴生成机构在实施例1中的立体结构示意图。

图2示出的是图1的剖面结构示意图。

图3示出的是活塞杆上行时的结构示意图。

图4示出的是活塞杆下行时的结构示意图。

图5示出的是熔液进入出液孔时的示意图。

图6示出的是的熔液在甩出出液孔前的示意图。

图7示出的是本熔滴生成机构在实施例2中的立体结构示意图。

图8示出的是图7的剖面结构示意图。

图9示出的是熔液筒在实施例3中的结构示意图。

图中：

1、盘体；

2、熔液筒；21、出液孔；22、出液嘴；

3、活塞杆；

4、注液管；

5、偏心轴；

6、调速电机；

7、熔滴。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述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。还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，或是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

如图1所示，一种喷射沉积成形用熔滴生成机构，其包括设置在离心盘中心的熔液筒，下面具体说明其结构及作用。

参照图2。离心盘包括圆形的盘体1，盘体1能够在水平面内沿其轴线旋转。在盘体1的中心固定有熔液筒2，熔液筒2的材质为耐高温隔热材料，在熔液筒2内盛放有金属熔液。

在熔液筒2的筒壁上，沿周向设有十个出液孔21。在熔液筒2内设置有活塞杆3，活塞杆3的材质为耐高温非金属材料。在外力的驱动下，活塞杆3在熔液筒2内上下滑动，此时活塞杆3的活塞部能够封堵或开启出液孔21。

参照图3。工作时盘体1转动，此时活塞杆3向上运动，出液孔21处于开启状态。在离心力的作用下，熔液筒2内的熔液流向筒壁，且熔液在筒壁部位的液面高度高于出液孔21的高度。这样，部分熔液就能进入出液孔21内。

参照图4。活塞杆3向下运动，封堵出液孔21，此时熔液筒2内的熔液不能进入出液孔21，而进入出液孔21内的熔液向外甩出，形成熔滴。这样，通过调节活塞杆3上下滑动的频率，就可控制熔液从出液孔21内甩出的数量和体积，进而得到直径近乎一致的熔滴。

熔滴的大小与离心盘的转速、出液孔21的孔径、熔液筒2的半径、活塞杆3上下运动的频率等参数有关，其中，出液孔21的孔径和活塞杆3上下运动的频率对熔滴的生成，以及熔滴生成的大小起到至关重要的作用。因此，要想得到直径在1-3mm区域内的熔滴，就必须确定出液孔21的孔径和活塞杆3上下运动的频率。

出液孔的孔径和活塞杆上下运动的频率，其推导过程如下：

设出液孔的半径为r，设活塞杆上下运动的频率为f。已知条件：R为熔液筒的半径，Sr为熔滴的球半径，ω为离心盘的转速。

设出液孔的半径为r与熔滴的球半径的比值为K，则有：

r＝K*Sr (1)

参照图5。将进入出液孔的熔液视为圆柱体，将熔液进入出液孔的过程视为初速为零的匀加速直线运动，则有：

式(2)中，L为出液孔开启期间熔液进入出液孔的长度。

由于圆柱体状的熔液与球状的熔滴在体积上相等，则有：

参照图6。熔滴7在甩出出液孔21的过程中，会在出液孔21的出口部位产生表面张力F_t，则有：

F_r＝C*F_t (4)

式(4)中，F_r为熔滴受到的离心力，C为熔滴脱离出液孔的系数，C≥1。如果F<f，则表明熔滴不能脱离出液孔。

F_t＝2πrσ (5)

式(5)中，σ为金属熔液的表面张力系数。

需要说明的是，如果出液孔的半径远大于熔滴的球半径，则熔滴的质量大，熔滴受到的离心力F_r也远大于表面张力F_t，此时表面张力F_t甚至可以忽略不计。但是出液孔过大，熔滴在甩出出液孔的过程中会形成两个以上的熔滴，不符合设计的初衷。因此，出液孔的半径只能接近熔滴的球半径。

在相同的情况下，出液孔的半径越小，表面张力对熔滴的影响就越大，熔滴也就越不容易从出液孔中甩出。由于熔滴的球半径仅为0.5-1.5mm，因此要充分考虑表面张力对熔滴的影响。

熔滴受到的离心力F_r为：

F_r＝mω²R＝ρπr²Lω²R (6)

式(6)中，m为熔滴的质量，ρ为金属熔液的密度。由于熔液筒的筒壁很薄，出液孔的总长可以忽略不计，因此可将熔液筒的半径作为熔滴到圆心的长度。

联立(1-6)，则有：

上述公式揭示了出液孔的半径、活塞杆上下运动频率与相关参数的关系，通过上述公式可根据所要得到的熔滴的球半径，反向求出出液孔的半径和活塞杆上下运动的频率，为控制熔滴的大小提供理论依据。

例如，所要得到的铝合金熔滴的球半径Sr为1mm，熔液筒的半径R为10mm，离心盘的转速ω为20转/秒，铝合金熔液的密度ρ为2.63g/cm³，铝合金熔液的表面张力系数σ为0.85N/m，取C＝1.2，则可求出K约为0.27，进而得出出液孔的半径r约为0.27mm，活塞杆上下运动的频率f约为33次每秒。

再例如，所要得到的合金钢熔滴的球半径Sr为1mm，熔液筒的半径R为10mm，离心盘的转速ω为10/每秒，合金钢熔液的密度ρ为7.8g/cm³，合金钢熔液的表面张力系数σ为1.25N/m，取C＝1.2，则可求出K约为0.16，进而得出出液孔的半径r约为0.16mm，活塞杆上下运动的频率f约为14次每秒。

实施例2：

参照图7-8。在本实施例中，在活塞杆3内设置有注液管4，注液管4的上方连接有坩埚，注液管4用于向熔液筒2内注入金属熔液，保证熔液筒2内始终保留有一定量的金属熔液。

在注液管4上设有外花键，在活塞杆3的上部设有内花键，活塞杆3可沿注液管4上下滑动。外花键与内花键配合，可防止活塞杆3相对于注液管4转动。

在活塞杆3的上部设有横向滑槽，在横向滑槽内配合安装有偏心轴5，偏心轴5与调速电机6连接。调速电机6转动时，通过偏心轴5和滑槽的配合，驱动活塞杆3上下滑动。活塞杆3上下运动的频率取决于调速电机6的转速，通过改变调速电机6的转速也可对活塞杆3上下运动的频率做出调整。

除了上述结构外，能够驱动活塞杆3作往复直线运动机构很多，比如曲柄滑块机构、凸轮滑块机构、气缸等。

实施例3：

出液孔21的半径很小，容易堵塞。而且熔液的材质不同，出液孔21的孔径也要改变。

参照图9。为了便于更换，在熔液筒2的筒壁上设有通孔，在通孔内可拆卸安装有出液嘴22，出液嘴22内的内孔为出液孔21。这样，可快速更换出液嘴22，也可快速地调整出液孔21的孔径。

未详述部分为现有技术。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种喷射沉积成形用熔滴生成机构，其特征是：包括设置在离心盘中心的熔液筒，在熔液筒的筒壁上设有出液孔，在熔液筒内设置有活塞杆；活塞杆可上下滑动，用于封堵或开启出液孔，使熔液筒内的金属熔液间隔且定量地从出液孔内甩出，形成熔滴。

2.如权利要求1所述的一种喷射沉积成形用熔滴生成机构，其特征是：设出液孔的半径为r，设活塞杆上下运动的频率为f，则有：

r＝K*Sr，

式中，R为熔液筒的半径，ρ为金属熔液的密度，Sr为熔滴的球半径，ω为离心盘的转速，σ为金属熔液的表面张力系数，C≥1。

3.如权利要求1所述的一种喷射沉积成形用熔滴生成机构，其特征是：在活塞杆内设置有注液管，注液管用于向熔液筒内注入金属熔液。

4.如权利要求1所述的一种喷射沉积成形用熔滴生成机构，其特征是：所述熔滴生成机构还包括曲柄滑块机构，曲柄滑块机构与活塞杆连接，用于驱动活塞杆上下滑动。

5.如权利要求1所述的一种喷射沉积成形用熔滴生成机构，其特征是：在活塞杆的上部设有横向滑槽，在横向滑槽内配合安装有偏心轴，偏心轴与调速电机连接；调速电机转动时，通过偏心轴和滑槽的配合，驱动活塞杆上下滑动。

6.如权利要求1所述的一种喷射沉积成形用熔滴生成机构，其特征是：在熔液筒的筒壁上设有通孔，在通孔内可拆卸安装有出液嘴，出液嘴内的通道为出液孔。