一种用于增减材复合制造设备的保护气体处理装置的制作方法

[0001]
本发明属于增材制造领域，具体涉及一种用于增减材复合制造设备的保护气体处理装置。


背景技术：

[0002]
增减材复合制造技术是基于增材制造和减材制造工艺而形成的一种快速直接成形技术，该技术兼顾了增材制造技术和减材制造技术两者的共同优点，从而能够快速、直接地获得结构复杂、组织致密、形状精度和表面质量较高的机械零件，对于金属材料的增减材复合制造发展较为成熟，从而满足航空航天、智能制造等工业高精尖领域对精密零件的性能要求。
[0003]
在增减材复合制造工艺过程中，为整体提升零件成形效率并保证零件具备良好的表面质量，通常采用“增减交替”的成形策略。成形过程通常在密封箱体环境中进行，增材过程对该密封环境有关元素有严格要求，譬如基于激光熔融沉积(slm)+铣削的增减材复合制造设备工作不仅需要氩气气氛的保护环境，而且需要对成形室内部的水、氧水平进行严格控制以保证零件成形质量，但传统减材切削工艺中冷却润滑方式通常是以切削液等为主的湿式介质进行冷却润滑，切削液接触到温度较高的切削部位时会快速形成一层蒸汽膜从而阻断后续冷却液直接接触切削区域，极大程度削弱其冷却润滑效果；另外传统冷却润滑方式容易在零件已加工表面形成与冷却介质相关的滞留物，这将会对后续的零件增材过程形成不确定的影响；更重要的是，通常情况下，完成增材成形后，密封箱体内的氩气会被释放于大气中，造成局域空气污染，且造成资源浪费、增加制造成本。基于以上分析，传统切削液类冷却润滑方式难以适应金属增减材复合制造过程的工艺要求。因此，开发基于增减材复合制造装备的氩气等保护气体的回收储存、循环利用装置具有积极的工程应用价值。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的在于针对上述现有技术中增减材加工过程中环境气体处理的问题，提供一种用于增减材复合制造设备的保护气体处理装置，在增减材复合制造过程中，能够有效避免由传统冷却润滑方式自身对密封箱体内的气氛环境造成影响，既能良好地实现减材加工中的冷却润滑效果，又能有助于控制零件在成形过程中不被氧化。
[0005]
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
[0006]
一种用于增减材复合制造设备的保护气体处理装置，包括气-液-气转化模块，气-液-气转化模块包括气体液化系统与液-气转换装置，所述的气体液化系统回收储存密封箱体内部气体，包括依次串接的气体过滤器、气体纯化器及气体液化装置，所述的液-气转换装置包括依次串接的汽化器、气体控制单元及冷风装置，所述汽化器与所述气体液化装置的输出端相接，所述冷风装置输出至密封箱体内部的加工位置。
[0007]
优选的，所述的气体控制单元及冷风装置连接控制显示模块。
[0008]
优选的，所述的密封箱体连接气源与排空模块，气源与排空模块包括气源装置及
排空装置，气源装置及排空装置均与控制显示模块相连，所述的气源装置为密封箱体内填充保护气体，排空装置用于调节密封箱体内部保护气体的压力。
[0009]
优选的，所述的密封箱体内部设置传感器模块，传感器模块包括水传感器、氧传感器、压力传感器及温度传感器，传感器模块与控制显示模块相连，通过传感器模块实时检测并向控制显示模块反馈水、氧含量、压力及温度状态。
[0010]
优选的，所述的密封箱体连接气体净化模块，气体净化模块与控制显示模块相连，气体净化模块回收储存密封箱体的内部气体，并通过干燥、吸附机制，降低回收气体的水、氧水平，并将净化后的气体输入至密封箱体内，完成气体净化。
[0011]
优选的，气-液-气转化模块的装置连接方式均为管道连接，其密封方式为整体密封或管道密封。
[0012]
优选的，气体过滤器对气体进行初过滤、中效过滤及高效过滤，初过滤针对金属粉尘及烟尘中较大颗粒物进行过滤，中效过滤完成对初过滤的补充过滤，高效过滤之后达到h14标准；所述的气体纯化器内部安装有包含多层沸石分子筛的分隔墙。
[0013]
优选的，气体液化装置包括压缩机、换热器、焦耳-汤姆逊节流减压阀以及储液器，所述的压缩机用于给气体加压获得循环所需能量，加压气体在换热器内与反流气体形成热交换获得初冷却降温，焦耳-汤姆逊节流减压阀通过二次冷却将气体转化为液态并输送至储液器，未达到液态的气体重新通入换热器，经换热器吸热后能量增加，作为补充气体重新进入压缩机。
[0014]
优选的，汽化器采用空气浴方式将液态介质转换为气态，空气采用相反流向；气体控制单元对气体进行均布优化控制；冷风装置进行降温，使低温气体以指定流量及温度输出。
[0015]
优选的，气体控制单元安装有用于调节出口气体压力或流量的调压阀，同时调压阀能够控制气体通断。
[0016]
相较于现有技术，本发明具有如下的有益效果：通过气-液-气转化模块的气体液化系统与液-气转换装置，实现在增减材复合制造工艺过程中冷却气完全循环，避免传统切削液冷却方式在增减材复合制造工艺过程产生的原理性副作用，增强工件在加工时的冷却润滑效果，由于循环冷却气源来自密封箱体内部，即可从原理上消除由于加工冷却对密封箱体内水、氧水平产生的影响。本发明的装置既能良好地实现减材加工中的冷却润滑效果，又能有助于控制零件在成形过程中不被氧化，相较于现有类似装置，本发明的装置理论上能够完全实现密封箱体内部保护气体的回收储存以及循环利用，避免保护气体直接排放在空气中而造成的惰性气体污染以及资源浪费等现象，具有显著积极的工程应用价值。
[0017]
进一步的，本发明控制显示模块的显示器用于显示传感器模块检测到的密封箱体内部相关数据、气源与排空模块、气体净化模块及气-液-气转化模块的工作状况以及系统工作时间等信息，操作面板用于对气源与排空模块、气体净化模块及气-液-气转化模块工作状态控制，方便了实时动态的掌握密封箱体内部的工作环境，同时简化了操作过程。
附图说明
[0018]
图1本发明装置的整体结构示意图；
[0019]
图2本发明气体液化系统的结构示意图；
[0020]
图3本发明液-气转换装置的结构示意图；
[0021]
图4本发明气体过滤器的结构示意图；
[0022]
图5本发明气体纯化器的结构示意图；
[0023]
图6本发明气体液化装置的工作原理示意图；
[0024]
图7本发明汽化器的工作原理示意图。
具体实施方式
[0025]
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0026]
参见图1、图2、图3，本发明用于增减材复合制造设备的保护气体处理装置的一种实施例包括控制显示模块1、传感器模块2、气源与排空模块3、气体净化模块4及气-液-气转换模块5。控制显示模块1包括显示器11及操作面板12，显示器11用于显示传感器模块2检测到的密封箱体内部相关数据、气源与排空模块3、气体净化模块4及气-液-气转化模块5的工作状况以及系统工作时间等信息，操作面板12用于对气源与排空模块3、气体净化模块4及气-液-气转化模块5工作状态控制。本发明在工作时，使用者启动控制显示模块1、气源与排空模块3、气体净化模块4及气-液-气转换模块5，此时，气源与排空模块3为密封箱体内部开始换气工作，内部气体压力数值由气源与排空模块3调节并控制，使用者可通过调节排空模块32输出气体流量实现密封箱体内部气体压力调节。气源与排空模块3与控制显示模块1相连接，两者工况数值实时显示于控制显示模块1所搭载的显示器11上，使用者可通过显示器11实时查看该模块工作状态。增减材复合制造工艺过程对于成形环境气氛要求严格，本发明的装置有助于使用者对成形环境气氛压力进行有效的掌握。
[0027]
如图1所示，密封箱体内测安装有传感器模块2，包括水传感器21、氧传感器22、压力传感器23及温度传感器24，水传感器21用于实时监测成形环境中的水含量，氧传感器22用于实时监测成形环境中的氧含量，零件的增减材复合制造工艺过程对于成形环境气氛有严格要求，对于水氧水平要求尤其严格，气源与排空模块3开始工作后，需要水传感器21及氧传感器22将监测数据传送至控制显示模块1并显示于显示器11上，供使用者检查密封箱体内水氧水平是否达到要求，以此为决策是否开始零件成形操作提供依据。压力传感器23用于实时监测成形环境气氛压力，温度传感器24用于实时监测密封箱体内气氛整体温度，两者均与控制显示模块1相连接并将监测数据显示于显示器11上，供使用者掌握成形环境气氛状态。
[0028]
如图1所示，本发明的密封箱体外侧安装有气体净化模块4，使用者启动气源与排空模块3后，基于空气循环流动过程进行吸附、过滤密封箱体内部气氛环境中的水氧成分，以降低密封箱体内气氛水氧水平即达到零件成形条件的要求。气体净化模块4与控制显示模块1相连接并将工况数据显示于显示器11上，供使用者掌握设备工作状态。
[0029]
如图1、图2、图3所示，气-液-气转换模块5包括气体液化模块51及液-气转换模块52，各模块间均为管道连接。使用者启动气-液-气转换模块5，气体液化模块51及液-气转换模块52同时开始工作。气体液化模块51由气体过滤器511、气体纯化器512及气体液化装置513串接组成，气体过滤器511通过管道接收密封箱体内部气体对其进行粉尘等颗粒物过滤，将过滤后气体传送至气体纯化器512，气体经纯化后进入气体液化装置513后转换为液态，此处获得的气体液体状态为低温状态且适宜存储，可将其收集储存作为备用冷却介质。
[0030]
如图4所示，考虑到零件增材成形过程的特性可知，密封箱体内部氩气气氛的主要杂质为金属粉尘与少量的金属烟尘，故气体过滤器511主要针对金属粉尘及烟尘进行过滤，依据回收储存氩气的气流方向，其过滤过程包含三个主要步骤，即初过滤、中效过滤及高效过滤，初过滤主要针对金属粉尘及烟尘中较大颗粒物进行过滤；中效过滤步将进一步提升过滤等级，即对更小的粉、烟尘颗粒物进行过滤，同时完成对初过滤步骤的补充过滤；经初、中效过滤后的氩气进入高效过滤步，高效过滤步过滤效率可达到h14标准。
[0031]
如图2所示，气体纯化器512输入端为经气体过滤器511过滤后的氩气流。考虑到金属的成形过程为通过使用高能量激光束将金属粉末熔化再冷却的过程，在其中即存在物理过程又包含一定的化学反应过程，因而造成密封箱体内部的氩气气氛环境实则为夹杂了少量水蒸气、氧气、氮气、氮氧化合物以及碳氧化合物的一种或者多种的复合气氛环境。在气体纯化器512内部安装有包含多层沸石分子筛的分隔墙，沸石分子筛具有高效的脱水、物理吸附及化学催化等功效，利用其脱水特性有效降低甚至消除氩气流中的水蒸气；其物理吸附过程主要吸附消除氩气流中的氮氧化合物及碳氧化合物的一种或者多种；利用其化学催化功效有效吸收氩气流中的氧气，氮气等。如图5所示，气体纯化器512内部包含两道或两道以上装有沸石分子筛的分隔墙，其功能一致，第一道分隔墙的更换周期较短。第二道分隔墙作为第一道分隔墙的功效补充，以确保经气体纯化器512输出的氩气流获得足够的纯度。
[0032]
如图2所示，气体液化装置513输入端为经气体纯化器512纯化后的氩气流，此处认为经气体过滤器511与气体纯化器512过滤纯化后的氩气流已经达到氩气的使用及存储等级标准。由气体本身的性质所知，气体由气态转化为液态通常有两种方式，即加压、降温。
[0033]
如图6所示，基于简单林德-汉普逊系统的气体循环液化原理，能够有效实现对氩气流的循环液化转换。以下简述氩气流的液化过程，经过滤纯化后的氩气流首先进入压缩机，压缩机以推杆在压缩机密封内腔内活塞运动作为主运动进行工作，加压后的氩气获得循环所需的能量，随即通过换热器并与反流气体形成热交换获得初冷却降温，随后氩气流经过焦耳-汤姆逊节流减压阀(后文以j-t阀表示)以至进一步冷却，降低热量并保持一定势能，转换为液氩进入并储存于储液器，需要指出的是，该储液器为高强度隔热钢瓶。进一步地，经过j-t阀后部分未达到液态状态的氩气流，由于尚具备一定势能，将回到换热器中，经换热器吸热后能量增加，作为补充气体重新进入压缩机，即实现氩气流的循环液化。
[0034]
由于储存液氩的储液器内部通常处于高压状态，故在储液器下方安装有带通断阀及减压阀的管道，此处可通过操作通断阀及减压阀以确保液氩的安全储存与高效利用。
[0035]
如图1、图2、图3所示，低温液态介质经管道传输进入液-气转换模块52，液-气转换装置52由汽化器521、气体控制单元522及冷风装置523串接组成，汽化器521将液态介质转换为气态，经气体控制单元522对其进行均布优化控制，最后由冷风装置523将低温气体以指定流量及温度输出至成熔覆成形位置，即完成循却介质的气-液-气的转换利用过程。
[0036]
本发明的气体控制单元522及冷风装置523均与控制显示模块1相连接，并将工况数据显示于控制显示模块1的显示器11上，供使用者掌握设备工作状态。
[0037]
如图7所示，汽化器521采用空气浴方式将液氩转换为气态。液氩通过汽化器散热片，与空气进行热交换，使得液氩汽化输出，出口处压力表可读取气体汽化后的压力值，安全阀可调控气体汽化后的压力，从而有效避免由于气体汽化后的压力过高而导致的安全问题；进一步地，设置空气与液氩流动方向相反，有利于大幅提升液氩的汽化换热效率。
[0038]
本发明的气体控制单元522安装有调压阀，调压阀用于调节出口气体压力或流量，同时具有控制气体通断的功能，便于支持即用即开的装备需求。
[0039]
冷风装置523对汽化气体进行降温，并通过管道将低温气体输送至加工部位。
[0040]
如图1、图2、图3所示，本发明的气-液-气转换模块5包括气体液化模块51及液-气转换模块52，其密封方式采用整体密封或管道密封。
[0041]
以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求所涵盖的保护范围之内。

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