[发明专利]一种轧辊等离子3D快速成型设备及成型方法

说明书

技术领域

本发明属于快速成型技术领域，尤其是涉及一种轧辊等离子3D快速成型设备及成 型方法。

背景技术

轧辊是轧钢厂轧钢机上的重要零件，利用一对或一组轧辊滚动时产生的压力来轧 碾钢材。它主要承受轧制时的动静载荷，磨损和温度变化的影响。轧辊主要包括芯部(也称 辊芯，包括辊轴和辊颈)和同轴布设在芯部外侧的辊身外层(也称外层或工作层)。复合轧辊 的辊身外层和芯部用不同材质制作，两种材质之间为冶金结合，辊身外层为工作层且其外 表面为辊面，轧辊既能满足轧机对辊身耐磨性、抗热疲劳等性能的要求，同时又保证了芯部 和辊颈的强韧性。复合轧辊的辊身外层和芯部材质主要根据轧辊所在机架对其使用性能的 具体要求选定。常用的复合轧辊的辊身外层材料有冷硬铸铁、无界冷硬铸铁、球墨铸铁、高 铬铸铁、合金钢、半钢、高铬钢、高速钢、硬质合金等；芯部常用材料为灰铸铁、球墨铸铁、铸 钢、锻钢。

目前，国内外制造轧辊(尤其是复合轧辊)主要采用的是离心铸造方法。如1993年3 月31日公开的公开号为CN1070433A的发明专利“轧辊外层材料和离心铸造的复合轧辊”中 公开了一种采用普通铸铁或锻造铁质作为轴芯进行离心铸造制造复合轧辊的方法，2012年 8月1日公开的公开号为CN102615107A的发明专利“高硫合金离心复合球墨铸铁轧辊及其制 造方法”中公开了一种复合高硫球墨铸铁轧辊的离心铸造方法，2010年1月13日公开号为 CN101623751A的发明专利“一种含硼低合金高速钢轧辊的制备方法”中公开了一种采用球 墨铸铁作为辊芯进行离心铸造制造含硼低合金高速钢轧辊的方法。但目前所采用的离心铸 造制备轧辊的方法，主要存在以下三方面问题：

第一、采用离心铸造方法制造轧辊时，首先需要进行钢水冶炼，冶炼过程中钢包耐 火材料的剥落以及钢水脱氧与扒渣的不充分等问题均可能对钢水造成污染，导致轧辊性能 降低或报废；

第二、离心铸造过程中元素因比重不同易造成偏析，导致轧辊性能降低；

第三、离心铸造的轧辊铸造完成后需要进行热处理，工艺复杂，而且现有的热处理 制度容易造成轧辊产生微裂纹、开裂甚至报废。

目前，国内外金属零件快速成型技术主要是选区激光熔化快速成型技术 (Selectivelasermelting，SLM)。选区激光熔化快速成型设备的基本工作原理是：先在计 算机上利用Pro/e、UG、CATIA等三维造型软件设计出零件的三维实体模型(即三维立体模 型)，然后通过切片软件对该三维模型进行分层切片，得到各截面的轮廓数据，由轮廓数据 生成填充扫描路径，在工作缸内平铺一定厚度的粉末，依照计算机的控制，激光束通过振镜 扫描的方式按照三维零部件图形的切片处理结果选择性地熔化预置粉末层；随后，工作缸 下降一定距离并再次铺粉，激光束在振镜的带动下再次按照零部件的三维图形完成零部件 下一层的制造；如此重复铺粉、扫描和工作缸下降等工序，从而实现三维零部件的制造。现 如今，选区激光熔化快速成型技术主要存在以下三方面问题：第一、选区激光熔化快速成型 技术需要保护气氛或真空环境，以避免成型过程中金属零件的氧化。这使选区激光熔化快 速成型设备结构复杂，成型零件尺寸受到限制，能量源激光器系统价格高，成型设备价格昂 贵；第二、选区激光熔化快速成型技术需要铺粉的成型缸系统。这使选区激光熔化快速成型 设备结构复杂，不但成型零件尺寸受到限制，而且成型效率较低；第三、为了保障零件力学 性能，选区激光熔化快速成型技术需要流动性好的球形金属粉末。这使选区激光熔化快速 成型设备运行成本很高。

另外，金属零件快速成型技术中还有电子束快速成型技术。但目前，选区电子束快 速成型技术主要存在以下三方面问题：第一、电子束快速成型技术需要真空环境，以形成能 量源电子束和避免成型过程中金属零件的氧化。这使电子束快速成型设备结构复杂，成型 零件尺寸受到限制，成型设备价格昂贵；第二、电子束快速成型技术需要铺粉系统或成型材 料供给系统。这使电子束快速成型设备结构复杂，不但成型零件尺寸受到限制，而且成型效 率较低；第三、为了保障零件力学性能，电子束快速成型技术需要流动性好的球形金属粉 末。这使选区激光熔化快速成型设备运行成本很高。

发明内容