CN117961085A - 一种采用3d打印方式的轻量化钢丝绳制作工艺 - Google Patents
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Abstract
一种采用3D打印方式的轻量化钢丝绳制作工艺，通过将纳米材料混合入金属材料中形成基础线材，既能够降低钢丝绳的整体重量，又能够提高钢丝绳的承载强度；另外，通过3D打印的方式能够直接制作出钢丝绳，与传统多股拧合的方式相比，制作成本更低，最终结合热处理和耐腐蚀涂层让钢丝绳本体的结构强度更高且具有耐腐蚀的特性。
Description
技术领域
本发明涉及钢丝绳技术领域，尤其是涉及一种采用3D打印方式的轻量化钢丝绳制作工艺。
背景技术
公知的，钢丝绳是一种具有高强度、高韧性的金属制品，被广泛应用于起重机吊装行业；近年来，随着科学技术的发展，起重机的应用范围越来越广泛，在小范围使用的悬臂吊起重机慢慢得更受用户欢迎，且悬臂吊起重机虽然占地面积小，但是有时也会有重物搬运的工作，因此对钢丝绳性能的要求也更高，高破断、轻量化的钢丝绳逐渐受到关注；
传统钢丝绳一般是通过拧绳机将多股合金绳索拧合成一根构成，其中钢丝绳的承重能力与合金绳索的数量成正比，但是合金绳索的数量增多之后又会让钢丝绳的重量变大，从而增大卷筒处的整体重量，然后就需要起重机的另一端增加更大的配重来维持平衡，进而影响悬臂吊起重机的小型化；另外，由合金绳索拧成的钢丝绳，其柔软度低，承载力差，且在吊装一些柔性物品时的箍紧能力差；
中国专利（BN105887525A）公开了一种碳纤维芯钢丝绳，通过采用碳纤维芯和外层绳股的碳纤维丝束芯，能明显提高钢丝绳的柔软性和韧性，钢丝绳的重量也大幅减轻，钢丝绳使用寿命长；但是碳纤维的造价过高，不适合用在小型起重机上；
因此，综上所述，目前市场上需要一种轻量化，造价低，且承载能力强的钢丝绳。
发明内容
为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种采用3D打印方式的轻量化钢丝绳制作工艺。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种采用3D打印方式的轻量化钢丝绳制作工艺，
具体步骤如下：
步骤1：将5-7%纳米材料、65-68%铁、18-19.5%铬和8.3-9.5%镍混合后，与分散剂一同进行高温熔炼，然后经过挤出机挤出并冷却，最终形成基础线材；
步骤2：将基础线材和铝合金线材作为打印材料放入金属3D打印机中；
步骤3：利用3D打印机的熔融挤出成型技术打印出钢丝绳，其中钢丝绳为两层的圆柱体状结构，内层绳芯为基础线材构成，外层绳皮为铝合金线材构成；
步骤4：对钢丝绳表面进行清理和打磨，然后对钢丝绳进行热处理；
步骤5：在热处理后的钢丝绳表面涂覆一层耐腐蚀涂层。
优选的，所述纳米材料为石墨烯或碳纳米管。
优选的，所述步骤3中使用的3D打印机，包含打印机本体、挤出嘴、过渡管、架体和收线机构，其中打印机本体能够将基础线材和铝合金线材熔化；所述挤出嘴由内嘴和外嘴构成，其中外嘴套设在内嘴外，内嘴用于挤出基础材料，外嘴用于挤出铝合金材料，且内嘴的出料端高于外嘴的出料端；所述过渡管与外嘴的出料端对应配合连接，材料在过渡管内冷却成型，收线机构用于将冷却成型的钢丝绳卷起收集。
优选的，所述收线机构包含隔板、定位轮组、引导部件和收卷筒，其中隔板位于过渡管的下方，且隔板上设有用于钢丝绳穿过的通孔；所述定位轮组由对称的两滚轮组成，两滚轮安装在隔板的顶部面，且两滚轮的外缘面均与过渡管输出的钢丝绳绳身对应抵触；所述隔板的底部面设有引导钢丝绳被收卷筒收卷的引导部件。
优选的，所述引导部件由两个对称的夹持单元构成，夹持单元包含固定杆、弹簧、探杆、压块和滚球，其中固定杆的尾端安装在隔板的底部面，固定杆的头端设有底块，底块上垂直设有探杆，探杆外套设有弹簧；所述压块的尾端设有用于放置弹簧的沉头凹槽，其中沉头凹槽的沉头部与底块对应配合，沉头凹槽的凹槽内用于放置弹簧，所述压块的头端面设有多个滚球。
优选的，所述步骤4中的热处理方法为：
a.将制造好的钢丝绳置于退火炉内，其中退火温度为800-950℃；
b.保持温度80-100min后，关闭退火炉，让钢丝绳自然冷却；
c.当钢丝绳冷却至630-720℃时，将钢丝绳浸入淬火介质中10min；
d.将淬火后的钢丝绳放入回火炉中，且回火温度为280-300℃，回火时间为40-60min；
e.回火结束后关闭回火炉，待钢丝绳冷却至常温即完成钢丝绳的热处理。
优选的，所述退火炉的当前温度随退火炉升温时间t的变化关系如下：
；
其中A为钢丝绳的热效率系数，T为退火炉的当前温度，K为钢丝绳的热传导常数。
优选的，所述步骤5中的涂层设为镀锌涂层，并采用磁控溅射技术完成。
由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明公开的一种采用3D打印方式的轻量化钢丝绳制作工艺，通过将纳米材料混合入金属材料中形成基础线材，既能够降低钢丝绳的整体重量，又能够提高钢丝绳的承载强度；另外，通过3D打印的方式能够直接制作出钢丝绳，与传统多股拧合的方式相比，制作成本更低。
附图说明
图1为本发明3D打印机的结构示意图；
图2为图1中A部结构放大示意图。
图中：1、打印机本体；2、挤出嘴；201、内嘴；202、外嘴；3、过渡管；4、架体；5、收线机构；501、隔板；502、定位轮组；503、引导部件；5031、固定杆；5032、底块；5033、探杆；5034、弹簧；5035、压块；50351、沉头凹槽；5036、滚球；504、收卷筒；6、钢丝绳。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行说明，在描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系，仅是与本发明的附图对应，为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位：
结合附图1-2所述的一种采用3D打印方式的轻量化钢丝绳制作工艺，
具体步骤如下：
步骤1：将5-7%纳米材料、65-68%铁、18-19.5%铬和8.3-9.5%镍混合后，与分散剂一同进行高温熔炼，然后经过挤出机挤出并冷却，最终形成基础线材,通过将纳米材料混合入金属材料中形成基础线材，既能够降低钢丝绳6的整体重量，又能够提高钢丝绳6的承载强度；特别的，所述纳米材料为石墨烯或碳纳米管；
步骤2：将基础线材和铝合金线材作为打印材料放入金属3D打印机中；
步骤3：利用3D打印机的熔融挤出成型技术打印出钢丝绳6，其中钢丝绳6为两层的圆柱体状结构，内层绳芯为基础线材构成，外层绳皮为铝合金线材构成，通过3D打印的方式能够直接制作出钢丝绳6，结合本钢丝绳6的结构，与传统多股拧合的方式相比，制作成本更低；
步骤4：对钢丝绳6表面进行清理和打磨，然后对钢丝绳6进行热处理，能够让钢丝绳6的强度和耐久性；
步骤5：在热处理后的钢丝绳6表面涂覆一层耐腐蚀涂层，能够有效保护钢丝绳6本体；特别的，所述步骤5中的涂层设为镀锌涂层，并采用磁控溅射技术完成。
实施例1为：所述步骤3中使用的3D打印机，包含打印机本体1、挤出嘴2、过渡管3、架体4和收线机构5，其中打印机本体1能够将基础线材和铝合金线材熔化；所述挤出嘴2由内嘴201和外嘴202构成，其中外嘴202套设在内嘴201外，内嘴201用于挤出基础材料，外嘴202用于挤出铝合金材料，且内嘴201的出料端高于外嘴202的出料端，使得基础材料会先从内嘴201中挤出，并位于过渡管3的中空位置，逐渐下移，而外嘴202中挤出的铝合金材料呈环状，且沿外嘴202和内嘴201之间的间隙流入过渡管3内，从而使得铝合金材料将中心的基础材料包覆，由于此时材料并未冷却固化，因此形成了内外两层的圆柱体状结构的钢丝绳6雏形；所述过渡管3与外嘴202的出料端对应配合连接，材料在过渡管3内冷却成型，钢丝绳6雏形受重力影响在过渡管3内移动过程中，会逐步冷却成为钢丝绳6本体，收线机构5用于将冷却成型的钢丝绳6卷起收集；
此外，所述收线机构5包含隔板501、定位轮组502、引导部件503和收卷筒504，其中隔板501位于过渡管3的下方，且隔板501上设有用于钢丝绳6穿过的通孔；所述定位轮组502由对称的两滚轮组成，两滚轮安装在隔板501的顶部面，且两滚轮的外缘面均与过渡管3输出的钢丝绳6绳身对应抵触；所述隔板501的底部面设有引导钢丝绳6被收卷筒504收卷的引导部件503，其中定位轮组502能够初步引导钢丝绳6本体从过渡管3内输出，而引导部件503则是对钢丝绳6进行二次引导，使得钢丝绳6送入收卷机构时更加顺利，并且需要注意的是，由于钢丝绳6在被收卷的过程中是需要逐渐变换收卷处的相对水平的，故设置二次引导用的引导部件503能够让钢丝绳6在收卷过程中不会发生摆动的情况；
根据需要，所述引导部件503由两个对称的夹持单元构成，夹持单元包含固定杆5031、弹簧5034、探杆5033、压块5035和滚球5036，其中固定杆5031的尾端安装在隔板501的底部面，固定杆5031的头端设有底块5032，底块5032上垂直设有探杆5033，探杆5033外套设有弹簧5034；所述压块5035的尾端设有用于放置弹簧5034的沉头凹槽50351，其中沉头凹槽50351的沉头部与底块5032对应配合，沉头凹槽50351的凹槽部用于放置弹簧5034，所述压块5035的头端面设有多个滚球5036，通过弹簧5034的作用力，能够让两压块5035将钢丝绳6对应夹持住，固定钢丝绳6在水平面上的相对位置，而多个滚球5036则又能够让钢丝绳6顺利向收卷机构移动。
实施例2：所述步骤4中的热处理工艺为：
a.将制造好的钢丝绳6置于退火炉内，其中退火温度为800-950℃，且退火炉中热量应是随时间变化缓慢上升，从而让钢丝绳6有充分的预热空间；
b.保持温度80-100min后，使晶体结构发生变化，关闭退火炉，让钢丝绳6自然冷却；
c.当钢丝绳6冷却至630-720℃时，将钢丝绳6浸入淬火介质中10min，其中淬火介质可以是水、油或聚合物盐溶液；
d.将淬火后的钢丝绳6放入回火炉中，且回火温度为280-300℃，回火时间为40-60min；
e.回火结束后关闭回火炉，待钢丝绳6冷却至常温即完成钢丝绳6的热处理。
此外，所述退火炉的当前温度随退火炉升温时间t的变化关系如下：
；
其中A为钢丝绳6的热效率系数，T为退火炉的当前温度，K为钢丝绳6的热传导常数。
实施例3：
钢丝绳制作工艺的一个实施例为：
步骤1：将5%纳米材料、66.5%铁、19%铬和9.5%镍混合后，与分散剂一同进行高温熔炼，然后经过挤出机挤出并冷却，最终形成基础线材；
步骤2：将基础线材和铝合金线材作为打印材料放入金属3D打印机中；
步骤3：利用3D打印机的熔融挤出成型技术打印出钢丝绳6，其中钢丝绳6为两层的圆柱体状结构，内层绳芯为基础线材构成，外层绳皮为铝合金线材构成；
步骤4：对钢丝绳6表面进行清理和打磨，然后对钢丝绳6进行热处理；
步骤5：在热处理后的钢丝绳6表面涂覆一层耐腐蚀涂层。
实施例4：
钢丝绳制作工艺的第二个实施例为：
步骤1：将7%纳米材料、65%铁、19%铬和9%镍混合后，与分散剂一同进行高温熔炼，然后经过挤出机挤出并冷却，最终形成基础线材；
步骤2：将基础线材和铝合金线材作为打印材料放入金属3D打印机中；
步骤3：利用3D打印机的熔融挤出成型技术打印出钢丝绳6，其中钢丝绳6为两层的圆柱体状结构，内层绳芯为基础线材构成，外层绳皮为铝合金线材构成；
步骤4：对钢丝绳6表面进行清理和打磨，然后对钢丝绳6进行热处理；
步骤5：在热处理后的钢丝绳6表面涂覆一层耐腐蚀涂层。
本发明未详述部分为现有技术，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (7)
1.一种采用3D打印方式的轻量化钢丝绳制作工艺，其特征是：
具体步骤如下：
步骤1：将5-7%纳米材料、65-68%铁、18-19.5%铬和8.3-9.5%镍混合后，与分散剂一同进行高温熔炼，然后经过挤出机挤出并冷却，最终形成基础线材；
步骤2：将基础线材和铝合金线材作为打印材料放入金属3D打印机中；
步骤3：利用3D打印机的熔融挤出成型技术打印出钢丝绳（6），其中钢丝绳（6）为两层的圆柱体状结构，内层绳芯为基础线材构成，外层绳皮为铝合金线材构成；
步骤4：对钢丝绳（6）表面进行清理和打磨，然后对钢丝绳（6）进行热处理；
步骤5：在热处理后的钢丝绳（6）表面涂覆一层耐腐蚀涂层。
2.如权利要求1所述的采用3D打印方式的轻量化钢丝绳制作工艺，其特征是：所述纳米材料为石墨烯或碳纳米管。
3.如权利要求1所述的采用3D打印方式的轻量化钢丝绳制作工艺，其特征是：所述步骤3中使用的3D打印机，包含打印机本体（1）、挤出嘴（2）、过渡管（3）、架体（4）和收线机构（5），其中打印机本体（1）能够将基础线材和铝合金线材熔化；所述挤出嘴（2）由内嘴（201）和外嘴（202）构成，其中外嘴（202）套设在内嘴（201）外，内嘴（201）用于挤出基础材料，外嘴（202）用于挤出铝合金材料，且内嘴（201）的出料端高于外嘴（202）的出料端；所述过渡管（3）与外嘴（202）的出料端对应配合连接，材料在过渡管（3）内冷却成型，收线机构（5）用于将冷却成型的钢丝绳（6）卷起收集。
4.如权利要求3所述的采用3D打印方式的轻量化钢丝绳制作工艺，其特征是：所述收线机构（5）包含隔板（501）、定位轮组（502）、引导部件（503）和收卷筒（504），其中隔板（501）位于过渡管（3）的下方，且隔板（501）上设有用于钢丝绳（6）穿过的通孔；所述定位轮组（502）由对称的两滚轮组成，两滚轮安装在隔板（501）的顶部面，且两滚轮的外缘面均与过渡管（3）输出的钢丝绳（6）绳身对应抵触；所述隔板（501）的底部面设有引导钢丝绳（6）被收卷筒（504）收卷的引导部件（503）。
5.如权利要求4所述的采用3D打印方式的轻量化钢丝绳制作工艺，其特征是：所述引导部件（503）由两个对称的夹持单元构成，夹持单元包含固定杆（5031）、探杆（5033）、弹簧（5034）、压块（5035）和滚球（5036），其中固定杆（5031）的尾端安装在隔板（501）的底部面，固定杆（5031）的头端设有底块（5032），底块（5032）上垂直设有探杆（5033），探杆（5033）外套设有弹簧（5034）；所述压块（5035）的尾端设有用于放置弹簧（5034）的沉头凹槽（50351），其中沉头凹槽（50351）的沉头部与底块（5032）对应配合，沉头凹槽（50351）的凹槽部用于放置弹簧（5034），所述压块（5035）的头端面设有多个滚球（5036）。
6.如权利要求1所述的采用3D打印方式的轻量化钢丝绳制作工艺，其特征是：所述步骤4中的热处理方法为：
a.将制造好的钢丝绳（6）置于退火炉内，其中退火温度为800-950℃；
b.保持温度80-100min后，关闭退火炉，让钢丝绳（6）自然冷却；
c.当钢丝绳（6）冷却至630-720℃时，将钢丝绳（6）浸入淬火介质中10min；
d.将淬火后的钢丝绳（6）放入回火炉中，且回火温度为280-300℃，回火时间为40-60min；
e.回火结束后关闭回火炉，待钢丝绳（6）冷却至常温即完成钢丝绳（6）的热处理。
7.如权利要求6所述的采用3D打印方式的轻量化钢丝绳制作工艺，其特征是：所述退火炉的当前温度随退火炉升温时间t的变化关系如下：
；
其中A为钢丝绳（6）的热效率系数，T为退火炉的当前温度，K为钢丝绳（6）的热传导常数。
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| CN202410382654.9A Pending CN117961085A (zh) | 2024-04-01 | 2024-04-01 | 一种采用3d打印方式的轻量化钢丝绳制作工艺 |
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| CN (1) | CN117961085A (zh) |
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2024
- 2024-04-01 CN CN202410382654.9A patent/CN117961085A/zh active Pending
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