一种并列多加工头脉冲电弧快速制粉装置及方法与流程

本发明涉及金属粉末制备，具体而言，涉及一种并列多加工头脉冲电弧快速制粉装置及方法。

背景技术：

1、金属粉末是3d打印、激光熔覆等增材制造技术的关键原材料。脉冲电弧制粉利用工具电极与导电工件之间的瞬态放电，使工件表层材料局部熔化、汽化，并在工作液冷却和冲刷作用下脱离基体，随后通过回收分离获得金属粉末。该方法不依赖传统机械切削力，对高硬度、高强度及难加工导电材料具有较好的适应性。

2、现有脉冲电弧制粉装置以单加工头结构为主，为提高单位时间制粉能力，通常需要提高单加工头的峰值电流、脉冲频率或占空比；如公开号为cn113070481a的中国专利提供了一种空化射流辅助电弧微爆制备金属粉末的方法，其利用冲液电极与工件之间的电弧等离子体使工件熔融，并通过空化泡溃灭实现断弧细化粉末；但该方案仍基于单一放电间隙，制粉能力受限于单个电极的作用面积，若单头负荷持续提高后放电区容易出现持续电弧、短路比例上升、气泡聚集和排屑不畅等现象，生成颗粒也容易发生粗化、团聚或二次熔化。

3、此外公开号为cn115740471a的中国专利提供了一种超声辅助等离子-电弧复合雾化制粉设备，利用两个送丝起弧装置在金属丝之间起弧，并辅以超声振动和等离子射流细化液滴；由于两个送丝起弧装置共用同一起弧区域，各加工头之间的放电过程相互耦合，难以对每个加工头独立建立和维持放电间隙。若相邻加工头在相近时刻同时进行高能放电，可能造成电源母线冲击、相邻放电间隙电气串扰、局部工作液气化叠加以及碎屑在相邻间隙之间迁移。

技术实现思路

1、本技术解决的问题是现有脉冲电弧制粉单加工头提高产能时放电不稳定、易短路且颗粒易粗化团聚，而多加工头方案又存在相邻放电耦合、间隙难以独立补偿以及工作液冲刷与粉体连续回收困难的问题。

2、为解决上述问题，本发明提供一种并列多加工头脉冲电弧快速制粉装置，包括公共安装梁、n个脉冲电弧加工头、多通道脉冲电源、n套微进给机构、放电状态采集单元、夹持与运动机构、工作液供给与回收系统、粉体分离收集单元以及协调控制器，其中n≥2；

3、所述n个脉冲电弧加工头沿x向依次并列安装于所述公共安装梁上，各脉冲电弧加工头的工具电极轴线相互平行并朝向同一导电原料的工作表面，各脉冲电弧加工头分别对应导电原料横向上的一个条带制粉区域；

4、所述多通道脉冲电源具有n个相互电隔离的输出通道，用于独立向对应的脉冲电弧加工头输出脉冲；

5、所述n套微进给机构分别驱动对应的脉冲电弧加工头沿z向独立进给与回退；

6、所述夹持与运动机构用于实现导电原料与脉冲电弧加工头沿y向的相对扫描运动，使各脉冲电弧加工头在对应的条带制粉区域连续放电蚀除；

7、所述工作液供给与回收系统包括与各脉冲电弧加工头对应的局部供液支路和公共回流通道，所述公共回流通道经所述粉体分离收集单元与储液箱连通，形成工作液循环回路；

8、所述协调控制器被配置为：根据各脉冲电弧加工头的x向中心位置确定各脉冲电弧加工头之间的空间邻接关系，并依据所述空间邻接关系生成脉冲时序，使互为相邻的脉冲电弧加工头的脉冲导通时段在时间上相互错开，所述脉冲导通时段为对应脉冲电弧加工头的放电脉冲电流高于设定阈值的时段；接收所述放电状态采集单元输出的各通道间隙电压和/或电流信号，并通过对应的微进给机构独立调节各脉冲电弧加工头的z向放电间隙。

9、作为一个示例，所述n的取值为2～8，所述设定阈值为1～10a，或单通道峰值电流的10%～50%，优选地，所述设定阈值为3～8a。

10、优选地，还包括密闭加工仓，所述公共安装梁、n个脉冲电弧加工头以及夹持与运动机构设置于所述密闭加工仓内。

11、优选地，所述协调控制器根据阵列标定得到各脉冲电弧加工头的x向中心位置，将中心距小于设定安全间隔阈值的脉冲电弧加工头确定为相邻脉冲电弧加工头，以建立所述空间邻接关系；所述安全间隔阈值通过空载或负载工况标定确定，以相邻通道的短路脉冲比例、电源母线电压波动和工作液气泡聚集程度中的至少一项作为判据，取所述判据满足预设条件时的最小中心距。作为一个示例，所述安全间隔阈值为5～30mm或者8～15mm，如10mm，所述预设条件为短路脉冲比例≤10%～15%，母线电压波动≤5%～10%；气泡聚集不显著；更优的，短路脉冲比例≤10%，母线电压波动≤5%，气泡体积分数≤10%～20%。

12、优选地，所述协调控制器根据所述空间邻接关系将n个脉冲电弧加工头划分为两个及以上时隙组，同一时隙组内任意两个脉冲电弧加工头互为非相邻关系；不同时隙组的脉冲导通时段在同一脉冲周期内相互错开，且相邻脉冲电弧加工头的脉冲导通时段重叠率低于预设重叠阈值。所述预设重叠阈值即相邻加工头脉冲导通时段允许重叠率，取值为0～20%或者≤10%，更优选取值为0，所述时隙组数量即脉冲电弧加工头的分组数，取值为2组以上，如4组或6组或8组。

13、优选地，在电源容量允许时，非相邻的脉冲电弧加工头同步放电；加工头数量为4时，奇数位脉冲电弧加工头划为第一时隙组，偶数位脉冲电弧加工头划为第二时隙组，两组脉冲在一个脉冲周期内错峰触发，使相邻脉冲电弧加工头的脉冲导通时段互不重叠。作为一个示例，所述错峰相位差即相邻组脉冲触发时间差，取值为：脉冲周期的20%～80%或40%～60%，如脉冲周期为200μs，错峰相位差取值为100μs。

14、优选地，所述放电状态采集单元分别采集各脉冲电弧加工头的间隙电压与间隙电流；所述协调控制器在滑动时间窗内分别统计每一通道的正常放电脉冲占比、短路脉冲占比、开路占比以及持续导通时长，并据此判定对应脉冲电弧加工头处于开路、正常放电、短路、异常导通或持续电弧状态之一。所述滑动时间窗即统计放电状态的窗口；作为一个示例，所述滑动时间窗的取值为1～100ms或者5～20ms，如10ms。

15、优选地，所述协调控制器按以下规则独立调节对应脉冲电弧加工头的z向位置：当脉冲期间间隙电压处于正常放电区间且出现有效放电电流时，维持当前间隙；当间隙电压低于第一阈值并持续设定时长以上，或统计窗内短路脉冲比例超过设定比例时，使该脉冲电弧加工头回退；当间隙电压高于第二阈值且连续多个脉冲周期无有效放电电流时，使该脉冲电弧加工头继续低速进给；所述第一阈值低于所述正常放电区间的下限，所述第二阈值高于所述正常放电区间的上限，回退量与进给量为微米级。

16、作为一个示例，所述第一阈值取值为5～15v，即判定间隙偏小/短路的电压下限；所述第二阈值的取值为60～85v，即判定间隙偏大/开路的电压上限；所述设定时长的取值为10～100μs或者20～50μs，代表低于第一阈值持续判定时间，所述设定比例的取值为10%～25%或10%～15%，代表统计窗内短路脉冲比例阈值，所述微米级回退/进给量的取值为1～100μm，代表z向微调量，例如快速回退的取值为20～50μm，正常闭环的取值为2～10μm。

17、优选地，所述协调控制器在某一脉冲电弧加工头出现短路、持续电弧或排屑异常时，仅对该脉冲电弧加工头执行快速回退、降低占空比、跳过若干脉冲周期或暂停中的至少一种处理，待该脉冲电弧加工头间隙恢复后将其重新加入原脉冲时序，其余脉冲电弧加工头保持原时序继续制粉。

18、优选地，当任意一个脉冲电弧加工头发生故障或退出工作时，所述协调控制器在所述空间邻接关系中移除该脉冲电弧加工头对应的节点，并基于剩余脉冲电弧加工头重新生成脉冲时序，继续执行制粉作业。

19、优选地，各局部供液支路配置独立流量调节阀并连通公共供液总管；各局部供液支路的喷嘴为设于工具电极外周的同轴环形喷嘴或设于电极侧方的定向喷嘴，所述喷嘴与对应脉冲电弧加工头的绝缘安装座相对固定并随该脉冲电弧加工头沿z向同步运动；所述喷嘴的喷流方向具有朝向所述公共回流通道的速度分量。

20、作为一个示例，所述喷嘴的喷流方向具有朝向所述公共回流通道的速度分量即喷流偏向公共回流通道，例如喷流轴线与公共回流方向夹角<90°，或者夹角为30°-60°。

21、优选地，所述公共回流通道为贯通全部脉冲电弧加工头区域的回流槽或回液口，回流槽底部朝向回液口设置导流坡度；所述粉体分离收集单元包括预粗过滤组件以及沉降、旋流、精过滤单元中的一种或多种粉体捕集组件；所述粉体分离收集单元的排液口经温控单元、循环泵与公共供液总管连通。

22、优选地，所述公共安装梁及脉冲电弧加工头阵列在x-y平面内保持固定，由所述夹持与运动机构带动导电原料沿y向移动，各脉冲电弧加工头仅沿z向独立进给；或者，导电原料固定而由脉冲电弧加工头阵列沿y向移动，形成相同的相对扫描关系。

23、优选地，所述工具电极为棒状电极，所述工具电极与导电原料采用相同材质。

24、本技术还提供了一种并列多加工头脉冲电弧快速制粉方法，包括：

25、s1、提供n个沿x向并列设置的脉冲电弧加工头，n≥2，各脉冲电弧加工头对应导电原料横向上的条带制粉区域，各脉冲电弧加工头由多通道脉冲电源的相互电隔离输出通道独立供电，并分别由微进给机构沿z向驱动；

26、s2、对各脉冲电弧加工头进行阵列标定，确定各脉冲电弧加工头的x向中心位置及对应条带制粉区域，并根据各脉冲电弧加工头的x向中心位置确定空间邻接关系；

27、s3、各脉冲电弧加工头分别采集本通道开路电压，向导电原料工作表面进给，检测到间隙电压下降并出现周期性放电脉冲电流后转入低速寻隙，在独立z向间隙闭环下建立目标放电间隙；

28、s4、依据所述空间邻接关系生成错相脉冲时序，使相邻脉冲电弧加工头的脉冲导通时段在时间上相互错开；

29、s5、开启工作液供给，使导电原料与脉冲电弧加工头阵列沿y向相对扫描，各脉冲电弧加工头在各自条带制粉区域放电蚀除，同时依据本通道放电状态独立执行z向微进给或回退；

30、s6、含粉工作液经公共回流通道进入粉体分离收集单元完成固液分离与粉体捕集，净化后的工作液返回储液箱并循环供给各脉冲电弧加工头。

31、优选地，所述方法还包括：s6、当某一脉冲电弧加工头出现异常时，仅对该脉冲电弧加工头执行回退、降低占空比、跳过若干脉冲周期或暂停；当该脉冲电弧加工头退出时，自空间邻接关系中删除其对应节点并基于剩余脉冲电弧加工头重新生成脉冲时序，其余脉冲电弧加工头继续制粉；s7、制粉结束后对粉体进行清洗、干燥和筛分，并对缺失条带通过横向步进、改变阵列起始位置或相邻加工头补加工完成覆盖。

32、作为一个示例，所述目标放电间隙的取值为50～120μm或60～100μm，所述低速寻隙速度的取值为0.01～0.10mm/s或0.01～0.05mm/s，所述正常放电脉冲比例的取值为60%～90%或65%～85%，代表稳定制粉正常放电占比，所述短路脉冲比例的取值为≤10%或者≤5%，代表稳定制粉短路占比；所述单通道开路电压的取值为60～120v或80～100v，所述峰值电流的取值为10～30a或15～25a，所述脉冲周期的取值为100～500μs或150～300μs，所述脉冲导通时间取值为20～150μs或40～80μs，所述占空比的取值为10%～50%或20%～40%。

33、优选地，当某一脉冲电弧加工头出现短路、持续电弧或排屑异常时，仅对该脉冲电弧加工头执行回退、降低占空比、跳过若干脉冲周期或暂停；当该脉冲电弧加工头退出时，自所述空间邻接关系中删除其对应节点并基于剩余脉冲电弧加工头重新生成脉冲时序，其余脉冲电弧加工头继续制粉。

34、优选地，制粉结束后对粉体进行清洗、干燥和筛分；对因脉冲电弧加工头退出或异常造成的缺失条带，通过沿x向横向步进、改变阵列起始位置或由相邻脉冲电弧加工头补加工中的至少一种方式完成覆盖。

35、优选地，目标放电间隙控制在80±20μm，低速寻隙速度为0.01～0.05mm/s；稳定制粉时正常放电脉冲比例控制在65%～85%，短路脉冲比例不高于10%。

36、相对于现有技术，本技术实施例所述并列多加工头脉冲电弧快速制粉装置及方法具有如下有益效果：

37、1）n个脉冲电弧加工头沿x向并列设置，分别对应导电原料横向上的条带制粉区域，工件与加工头阵列沿y向相对扫描一次即可形成n条连续制粉带；通过并列分担制粉区域扩大总放电面积，无需单纯提高单头峰值电流、频率或占空比即可提高单位时间制粉能力。

38、2）各加工头分别配置微进给机构，并在独立z向间隙闭环下工作，可根据本通道间隙电压和/或电流独立进给或回退，适应不同条带区域的蚀除差异，减少局部短路、持续电弧和失弧现象。

39、3）协调控制器根据加工头空间邻接关系生成错相脉冲时序，使相邻加工头的脉冲导通时段相互错开，降低电气串扰、母线冲击、气泡叠加和碎屑迁移；非相邻加工头在电源容量允许时可同步放电，兼顾效率与稳定。

40、4）局部供液支路定向冲刷各放电间隙，使粉体快速离开放电区，减少重熔和团聚；含粉工作液经公共回流通道进入粉体分离收集单元，净化后循环使用。某一加工头异常或退出时，可仅对该头降载或剔除，并基于剩余加工头重新生成时序继续制粉，提高粉体回收率和设备连续运行能力。