CN102304712A - 一种基于激光铣削的激光熔覆快速精密制造方法及装置 - Google Patents

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宋成法
刘秀波
郭开波
傅戈雁
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Abstract

本发明公开了一种基于激光铣削的激光熔覆快速精密制造方法及装置，其特征在于：⑴首先作出零件3D模型，控制计算机进行预处理获取零件各截面几何信息；⑵光束及粉束经光内同轴送粉喷头喷射至基材表面形成熔覆层，进行激光熔覆制造；⑶CCD探测仪采集加工区域数字图像，并传递至控制计算机的零件形貌检测系统，实时测量零件高度和截面尺寸；⑷零件形貌检测系统将采集的信息与预处理的信息进行比较，若熔覆层尺寸超出预期，关闭激光器及送粉器，控制计算机控制激光铣削机构对熔覆层超出部分进行铣削，完成激光熔覆快速制造。本发明加快了激光熔覆制造的速度，缩短了制造流程，并且制造精度较高。

Description

一种基于激光铣削的激光熔覆快速精密制造方法及装置
技术领域
本发明涉及一种激光熔覆制造，具体涉及一种基于激光铣削的激光熔覆快速精密制造方法及装置。
背景技术
激光熔覆制造，是指金属零件的激光加工直接成型，该技术采用中、大功率激光器熔化同步供给的金属粉末，在沉积基板上逐层堆积而形成金属零件。该技术突破了传统加工方法去除成型的概念，采用添加材料的方法成型零件，不存在材料浪费问题；可处理的材料十分广泛，特别适用于传统方法难以成型的材料；成型时工具和工件之间不存在干涉，零件的几何形状几乎不受限制；成型时无需任何模具，可显著缩短零件制造周期，增强产品竞争优势，特别有利于复杂形状、多品种小批量零件的生产；所成型零件致密度高，具有快速凝固组织特征，能满足直接适用要求，在航天器件、飞行发动机零件及武器零件的制备上具有广阔的应用前景；此外还可以通过改变成型材料，很方便的制备功能梯度材料和不同部位由不同材料组成的零件。因此，高质量低成本的制备、成形、加工一体化的短流程激光熔覆精密制造技术已成为先进制造技术的重要发展方向。
现有激光熔覆成型零件一般均采用无支撑成型技术，由于支撑条件缺乏，成型件大都为直壁或小倾角件，大侧斜或悬角的复杂形状零件在成型过程中可能因重力造成流淌甚至坍塌，其次激光熔覆制造作为层叠添加式制造过程，每一个熔覆层的形貌是由激光功率、扫描速度、送粉速度、光束直径、熔道及层间搭接率等多个工艺参数共同决定，任何一个因素的不稳定性或层叠循环过程中可能产生的扰动，都会导致熔覆层出现凹凸不平和挂渣，如果这些凹凸不平和挂渣不及时有效的处理掉，则容易导致制造过程出现不可控情况，导致最后成型困难。
为了保证激光熔覆制造过程能持续进行，并达到工业化应用所需的尺寸和表面精度，一些技术人员利用闭环控制系统，通过在线检测零件高度，调节机构激光功率、扫描速度、送粉速度等工艺参数从而来消除零件成型过程中出现的凹凸不平和挂渣，但是由于控制系统不可避免的存在滞后性，因而并不能完全实现加工目的。还有一部分技术人员通过在成型过程中和成型完成后对零件进行精整加工，然而，直接成型的金属零件因急冷凝固使表面硬度增大，导致后期加工非常困难，形状复杂的零件有时还需要夹具配合多次装夹，致使加工时间较长，甚至要占整个制造周期的60%以上，从而极大的限制了激光熔覆制造零件短流程、快速制造、高精度的发展。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种基于激光铣削的激光熔覆快速精密制造方法及装置，使用该方法及装置，加快了激光熔覆制造的速度，缩短了制造流程，并且制造精度较高。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种基于激光铣削的激光熔覆快速精密制造方法，包括下列步骤：
⑴首先作出待制造零件的3D实体模型，利用控制计算机的分层软件进行预处理获取零件各截面几何信息，构建零件形貌检测系统；
⑵控制计算机控制激光器及送粉器将光束及粉束经光内同轴送粉喷头喷射至工作台上的基材表面形成熔覆层，进行激光熔覆制造；
⑶CCD探测仪采集工作台加工区域的数字图像，并传递至控制计算机的零件形貌检测系统，实时测量零件高度和截面尺寸；
⑷零件形貌检测系统将CCD探测仪采集的零件信息与预处理获取的零件信息进行比较，如果熔覆层高度和截面尺寸超出预期，则控制计算机关闭激光器及送粉器，熔覆层移动至工作台上激光铣削工位，控制计算机控制激光铣削头对熔覆层超出部分进行铣削，从而完成激光熔覆快速制造。
一种基于激光铣削的激光熔覆快速精密制造装置，包括工作台，设置于工作台上方的光内同轴送粉喷头，所述光内同轴送粉喷头的输入端分别经送粉器及激光器与控制计算机连接，所述工作台旁设有一CCD探测仪，所述CCD探测仪信号输出端与控制计算机连接，所述控制计算机输出端连接激光铣削机构，所述激光铣削机构设置于工作台上方。
进一步的技术方案，所述激光铣削机构包括光纤激光器，所述光纤激光器出光口下方设有扩束镜及扫描头，所述光纤激光器、扩束镜及扫描头的控制端分别与所述控制计算机连接。
本发明的工作原理为：所述的激光熔覆制造装置为目前普遍使用的，通过控制计算机控制送粉器及激光器的送粉和送光，粉和光经过光内同轴送粉喷头喷射至工作台上的基材上，形成熔覆层。首先在激光熔覆快速制造开始前要构建零件的3D模型，再用分层软件对其进行处理，获取各截面的信息，构建零件形貌检测系统；再进行激光熔覆制造的过程中，工作台旁的CCD探测仪实时观测制造过程，监测熔覆层的外观成型形貌，并将信息传递至控制计算机，控制计算机将接受的信息与形貌检测系统中预处理得到的信息进行比对，如果熔覆层的高度和截面尺寸超过预期，控制计算机就控制光纤激光器发射光束，同时控制调整扩束镜和扫描头工作对光纤激光器发射的光束进行调节，对熔覆层超出部分进行铣削，从而完成激光熔覆快速精密制造。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1．本发明通过预先构建零件形貌检测系统，在激光熔覆制造过程中利用CCD探测仪实时观测熔覆层信息并将信息传递至控制计算机，控制计算机控制光纤激光器、扩束镜及扫描头对熔覆层超出部分进行铣削，完成激光熔覆快速制造，较之以往的制造过程加快了激光熔覆制造的速度，缩短了制造流程，并且制造精度较高；
2．本发明无需对现有激光熔覆制造装置进行大规模改变，易于实现，适合推广使用。
附图说明
图1为本发明实施例一的结构示意图。
其中：1、工作台；2、光内同轴送粉喷头；3、送粉器；4、激光器；5、控制计算机；6、CCD探测仪；7、光纤激光器；8、扩束镜；9、扫描头。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：参见图1所示，一种基于激光铣削的激光熔覆快速精密制造方法，包括下列步骤：
⑴首先作出待制造零件的3D实体模型，利用控制计算机的分层软件进行预处理获取零件各截面几何信息，构建零件形貌检测系统；
⑵控制计算机控制激光器及送粉器将光束及粉束经光内同轴送粉喷头喷射至工作台上的基材表面形成熔覆层，进行激光熔覆制造；
⑶CCD探测仪采集工作台加工区域的数字图像，并传递至控制计算机的零件形貌检测系统，实时测量零件高度和截面尺寸；
⑷零件形貌检测系统将CCD探测仪采集的零件信息与预处理获取的零件信息进行比较，如果熔覆层高度和截面尺寸超出预期，则控制计算机关闭激光器及送粉器，熔覆层移动至工作台上激光铣削工位，控制计算机控制激光铣削头对熔覆层超出部分进行铣削，从而完成激光熔覆快速精密制造。
一种基于激光铣削的激光熔覆快速精密制造装置，包括工作台1，设置于工作台1上方的光内同轴送粉喷头2，所述光内同轴送粉喷头2的输入端分别经送粉器3及激光器4与控制计算机5连接，所述工作台1旁设有一CCD探测仪6，所述CCD探测仪6信号输出端与控制计算机5连接，所述控制计算机输出端连接光纤激光器7，所述光纤激光器7出光口下方设有扩束镜8及扫描头9，所述扩束镜及扫描头的控制端与所述控制计算机连接。
在开始激光熔覆制造之前，首先构建零件形貌检测系统，制造过程中控制计算机控制送粉器和激光器通过光内同轴送粉喷头向工作台上的基材表面喷射光粉，形成熔覆层，CCD探测仪实时检测基材表面熔覆层的截面信息，并将该信息传递回控制计算机，零件形貌检测系统将测得的信息与预处理的信息进行对比，若熔覆层超出预期，则控制计算机控制光纤激光器发射光束，同时控制扩束镜及扫描头，光束经扩束镜扩束再经扫描头射出，将熔覆层超出部分铣削掉，从而完成激光熔覆快速精密制造。

Claims (3)

1.一种基于激光铣削的激光熔覆快速精密制造方法，其特征在于，包括下列步骤：
⑴首先作出待制造零件的3D实体模型，利用控制计算机的分层软件进行预处理获取零件各截面几何信息，构建零件形貌检测系统；
⑵控制计算机控制激光器及送粉器将光束及粉束经光内同轴送粉喷头喷射至工作台上的基材表面形成熔覆层，进行激光熔覆制造；
⑶CCD探测仪采集工作台加工区域的数字图像，并传递至控制计算机的零件形貌检测系统，实时测量零件高度和截面尺寸；
⑷零件形貌检测系统将CCD探测仪采集的零件信息与预处理获取的零件信息进行比较，如果熔覆层高度和截面尺寸超出预期，则控制计算机关闭激光器及送粉器，熔覆层移动至工作台上激光铣削工位，控制计算机控制激光铣削机构对熔覆层超出部分进行铣削，从而完成激光熔覆快速制造。
2.一种基于激光铣削的激光熔覆快速精密制造装置，包括工作台(1)，设置于工作台(2)上方的光内同轴送粉喷头(2)，所述光内同轴送粉喷头(2)的输入端分别经送粉器(3)及激光器(4)与控制计算机(5)连接，其特征在于：所述工作台(1)旁设有一CCD探测仪(6)，所述CCD探测仪(6)信号输出端与控制计算机(5)连接，所述控制计算机(5)输出端连接激光铣削机构，所述激光铣削机构设置于工作台上方。
3.根据权利要求2所述的一种基于激光铣削的激光熔覆快速精密制造装置，其特征在于：所述激光铣削机构包括光纤激光器(7)，所述光纤激光器(7)出光口下方设有扩束镜(8)及扫描头(9)，所述光纤激光器、扩束镜及扫描头的控制端分别与所述控制计算机连接。
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