電子束增材制造成型室熱分析

張鋁鎵

陜西陜煤曹家灘礦業(yè)有限公司，陜西榆林，719000

0 引言

增材制造技術(shù)在近幾年得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，而電子束增材制造技術(shù)主要是用于金屬增材制造。在對(duì)具體的金屬零件利用電子束增材制造技術(shù)進(jìn)行增材制造時(shí)，首先需要得到零件的金屬粉末，然后在處于高真空的成型室中的預(yù)熱好的底板上將金屬粉末逐層均勻鋪開，每鋪一層就需要利用電子束進(jìn)行一次固定工藝的掃描，最后得到成型的金屬零件毛坯。本文主要針對(duì)電子束增材制造設(shè)備在調(diào)試階段只進(jìn)行底板預(yù)熱時(shí)的溫升進(jìn)行分析計(jì)算。

對(duì)于電子束增材制造成型過程的熱分析，陳云霞、朱妙鳳等人通過有限元方法對(duì)電子束增材制造在零件成型過程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬，利用特定技術(shù)模擬了零件每一層的加工過程，并且對(duì)零件的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了實(shí)時(shí)計(jì)算，該分析方法缺少實(shí)驗(yàn)支持，工程指導(dǎo)意義較弱[1]。Steven Price、James Lydon等人通過紅外測(cè)溫儀直接對(duì)電子束增材制造設(shè)備在加工Ti-6Al-4V粉末過程中的溫升進(jìn)行了測(cè)量，分析了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)加工零件時(shí)粉末的熱傳遞損失量進(jìn)行了補(bǔ)償，并且對(duì)Ti-6Al-4V粉末在熔化狀態(tài)下的發(fā)射率進(jìn)行了評(píng)估[2]。而在涉及綜合熱傳遞過程的理論及實(shí)驗(yàn)方研究方面，李帥輝、舒勇華等人對(duì)在真空狀態(tài)下利用輻射換熱對(duì)基片的溫度分布進(jìn)行了研究，其利用自己研制的加熱器對(duì)基片進(jìn)行了真空輻射加熱，通過數(shù)值法進(jìn)行了分析計(jì)算，并利用紅外測(cè)溫儀進(jìn)行了溫升數(shù)據(jù)采集，結(jié)果表明其加熱器具有一定的實(shí)用性[3]。孫硯田、王國林等人通過兩種有限元軟件針對(duì)特定型號(hào)的子午線輪胎進(jìn)行了溫度場(chǎng)的建模以及計(jì)算，在建立溫度場(chǎng)的時(shí)候，綜合考慮熱對(duì)流、熱輻射、熱傳導(dǎo)三種傳熱方式以及實(shí)際情況，對(duì)輪胎內(nèi)外部的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了較合理準(zhǔn)確的模擬[4]。

本研究所分析的電子束增材制造設(shè)備在調(diào)試和加工過程中都是在高真空中進(jìn)行的，所以在底板溫度達(dá)到800℃或者以上時(shí)，底板熱量的傳遞主要是通過輻射換熱傳遞到成型室內(nèi)表面的，本文對(duì)電子束增材制造設(shè)備在底板預(yù)熱過程中底板以及成型室溫升進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，主要通過熱路法對(duì)成型室進(jìn)行了熱傳遞計(jì)算。

1 底板預(yù)熱原理

如圖1所示，其為某公司的電子束增材制造設(shè)備。通過電子槍產(chǎn)生高能電子束，以20m/s的速度在底板上進(jìn)行掃描，直至底板溫度達(dá)到800℃，通過觀察窗口可以看預(yù)熱過程如圖2所示。

圖1 電子束增材制造設(shè)備結(jié)構(gòu)

圖2 預(yù)熱過程

2 成型室熱分析

如圖1所示，本設(shè)備在底板預(yù)熱過程中，通過熱電偶對(duì)底板的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。實(shí)測(cè)可得，在以20mA電子束流、60kV的高壓加熱15分鐘后，底板溫度達(dá)到800℃，趨于穩(wěn)定[5]，其中底板以及成型室的材料都為316L不銹鋼。由于成型室的真空度為0.001Pa，所以對(duì)于底板的熱量傳遞主要考慮熱輻射[6]。此時(shí)通過紅外測(cè)溫儀對(duì)成型室的外表面溫度進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于圖1所示的成型室進(jìn)行簡化可得圖3所示結(jié)構(gòu)，由于底板溫度保持不變，且溫度均勻分布，與左右兩側(cè)鋪粉底板平行，所以只對(duì)成型室隔板以上部分進(jìn)行熱分析且只考慮底板為有效輻射面積，并對(duì)其進(jìn)行簡化可得如圖4所示。由于成型室的四周面外表面溫度相同，所以在建立熱路時(shí)可將其看成一個(gè)表面，所以簡化后的成型室可以看成一個(gè)三面封閉的模型，其中底板表面溫度保持不變且只存在熱輻射換熱，另外兩個(gè)表面內(nèi)表面通過熱輻射進(jìn)行熱傳遞，外表面通過空氣進(jìn)行對(duì)流換熱。

圖3 成型室結(jié)構(gòu)

圖4 成型室簡化模型

通過紅外測(cè)溫儀對(duì)成型室的外表面溫度進(jìn)行測(cè)量，可以得到成型室的外表面的實(shí)時(shí)溫度，當(dāng)成型室內(nèi)外部處于熱平衡時(shí)，成型室壁處的傳熱過程如圖5所示，圖中的相關(guān)參數(shù)意義及大小見表1，公式下標(biāo)n表示第n個(gè)表面，o表示成型室外表面，i表示成型室內(nèi)表面。

表1 計(jì)算參數(shù)

圖5 成型室壁傳熱過程

聯(lián)立方程（1）-（4），帶入表1中數(shù)據(jù)可得：

在此處的計(jì)算中，由于成型室壁的溫度較低，且與空氣溫差較小，所以主要考慮空氣的對(duì)流換熱，而忽略了成型室壁對(duì)空氣的熱輻射，以及空氣對(duì)成型室壁的熱輻射。

對(duì)于本設(shè)備的熱量傳遞，在熱流量處于動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，電子束不斷向底板進(jìn)行能量輸入，底板溫度保持不變，向成型室內(nèi)表面通過熱輻射進(jìn)行熱量傳遞，此時(shí)成型室內(nèi)部的熱量傳遞過程如圖6所示，圖中參數(shù)含義及大小見表2。

圖6 成型室內(nèi)部等效熱路圖

表2 計(jì)算參數(shù)

為了方便計(jì)算和分析，需做如下假設(shè)：

（1）電子束掃描加熱能量轉(zhuǎn)化率70%[7]；

（2）成型室中的真空度可達(dá)3×10-3Pa，不考慮由氣體對(duì)流而產(chǎn)生的散熱作用；

（3）底板熱量分布均勻，且可看作是漫灰體；

面對(duì)現(xiàn)實(shí)的政治治理問題，孟子也僅強(qiáng)調(diào)道德原則而缺乏對(duì)于細(xì)節(jié)與方法的興趣。同樣是祛除暴力，孔子明確指出移風(fēng)易俗是任重道遠(yuǎn)的長久事業(yè)：“善人教民七年，亦可以即戎矣”[4](P148)，“‘善人為邦百年，亦可以勝殘去殺矣?！\哉是言也！”[4](P144)而在孟子那里，一切就簡單明快得多：

（4）底板不考慮熱傳導(dǎo)只考慮上表面熱輻射；

（5）忽略成型室外壁與空氣的輻射傳熱，只考慮對(duì)流換熱。

由文獻(xiàn)[8]可知，角系數(shù)：

利用角系數(shù)的完整性可得：

各個(gè)熱阻值為：

式（15）-（20）所計(jì)算的熱阻值的結(jié)果見表2，和電學(xué)中的基爾霍夫定律相似[9]，在三個(gè)節(jié)點(diǎn)J1、J2、J3處可列出如下方程：

聯(lián)立方程（21）-（23），可計(jì)算出有效輻射量J1、J2、J3的值，見表2。

由Stefan-Boltzmann定律[10]可知：

式中的溫度T為開爾文溫度，C0=5.67W/(m2.K4)，帶入表2中的參數(shù)可得：

同理可以得到Eb2以及Eb3，見表2。由此可得底板的輻射傳熱量：

計(jì)算結(jié)果Φ1i為正值，這表明底板表面向成型室內(nèi)部放出了熱量，而Φ2i、Φ3i為負(fù)值，這表明成型室內(nèi)部吸收了底板散失的熱輻射，并且通過計(jì)算可知：

符合能量守恒原理，驗(yàn)證了計(jì)算的正確性，理論上存在如下關(guān)系：

由于計(jì)算過程中對(duì)模型進(jìn)行了簡化，且忽略了成型室外壁與空氣的輻射傳熱，所以成型室內(nèi)部輻射傳熱量會(huì)略大于成型室表面的對(duì)流換熱量[10-11]，這與實(shí)際情況相符合。

同時(shí)本文還對(duì)輸入不同電子束束流加熱底板溫度穩(wěn)定時(shí)的溫度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，其中高壓和掃描速度以及真空度保持不變，可得束流大小與底板溫度的關(guān)系如圖7所示。

圖7 束流與底板溫度的關(guān)系

在實(shí)際加工零件時(shí)，需要通過不同的預(yù)熱工藝對(duì)底板進(jìn)行預(yù)熱，這樣會(huì)提高零件的質(zhì)量，此實(shí)驗(yàn)曲線可以作為具體工藝的原理，同時(shí)通過本文的計(jì)算方法可以對(duì)成型室熱流量進(jìn)行計(jì)算，從而可以對(duì)成型室內(nèi)部隔熱裝置的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3 結(jié)論

電子束增材制造技術(shù)正在高速發(fā)展，在零件加工過程及設(shè)備設(shè)計(jì)階段，底板溫升過程會(huì)直接影響其制造工藝。本文主要通過熱路法計(jì)算了電子束增材制造設(shè)備成型室底板在預(yù)熱過程中、成型室處于熱平衡時(shí)底板以及成型室各個(gè)壁的熱流量值，并且對(duì)底板以及成型室溫升進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，對(duì)簡化的成型室進(jìn)行了熱計(jì)算，計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果相吻合，并給出了電子束束流與底板溫度的關(guān)系，為設(shè)計(jì)和優(yōu)化成型室結(jié)構(gòu)以及金屬零件加工工藝奠定了基礎(chǔ)。