CN104493491B - 一种单缸式激光选区熔化与铣削复合加工的设备与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单缸式激光选区熔化与铣削复合加工的设备与方法，包括激光选区熔化成型装置和立式铣床装置，中央控制系统，立式铣床装置位于成型室内；立式铣床装置还包括一个链式刀库，链式刀库位于成型室外部的右侧；激光器位于激光选区熔化成型装置成型室的右侧；准直扩束镜、光学透镜、扫描振镜置于成型室的顶部；光学透镜位于成型室上部并内嵌于成型室外壁，与成型室外壁密封结合；本设备提高了成型零件的尺寸精度和表面质量，从而实现了增材制造与高精度铣削加工的有机结合；同时采用通过自动换刀阀门和换刀口的闭合来防止激光加工过程中金属粉末和余热对铣刀的影响，保证了铣刀的质量并延长了其的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及本发明涉及金属零件3D打印技术，尤其涉及一种单缸式激光选区熔化与铣削复合加工的设备与方法。
背景技术
激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术亦称“金属3D打印技术”是增材制造的前沿技术，利用直径30～50微米的聚焦激光束，把金属或合金粉末选区逐层熔化，堆积成一个冶金结合、组织致密的实体，从而获得几乎任意形状、具有完全冶金结合的金属功能零件。
SLM设备主要由激光器、光路系统、密封成形室、机械传动系统、控制系统等几个部分组成。其工艺流程如下：首先将三维CAD模型进行切片离散及扫描路径规划，得到可控制激光束扫描的切片轮廓信息；其次，计算机逐层调入切片轮廓信息，通过扫描振镜，控制激光束选择性地逐线搭接扫描粉层上选定区域，形成面轮廓，未被激光照射区域的粉末仍呈松散状。一层加工完成后，粉料缸上升微米，成形缸降低切片层厚的高度，铺粉刷将粉末从粉料缸刮到成形平台上，激光将新铺的粉末熔化，与上一层融为一体。重复上述过程，直至成形过程完成，得到与三维实体模型相同的三维金属零件。
SLM技术是通过熔化金属粉末后搭接而成实体，金属材料熔化后的金属由于毛细管力的作用，形成近似曲面的熔道。在一定的搭接率下，成型件的最终表面会有很多凹凸不平的条纹状，导致激光选区熔化成型的金属零件表面粗糙度一般为Ra15-50μm，光斑越大，成型精度越差，远不能满足实际要求。小光斑虽然可以稍微提高成型精度，但是采用小光斑会严重降低成型效率。现有的SLM设备很难制作出满足要求的高精度金属零件，这严重制约了SLM技术的应用与发展。因此，人们一直在寻找一种解决复杂金属零部件的高精度、高效率增材制造方法和装备。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种单缸式激光选区熔化与铣削复合加工的设备与方法，在于克服现有SLM技术的缺陷，实现复杂金属零件的高效率、高精度直接成型。
本发明通过下述技术方案实现：
一种单缸式激光选区熔化与铣削复合加工的设备，包括激光选区熔化成型装置和立式铣床装置，中央控制系统，激光选区熔化成型装置包括光学系统、铺粉系统、成型室14和成型缸18，激光选区熔化成型装置与立式铣床装置共用同一个中央控制系统。
所述立式铣床装置位于成型室14内，立式铣床装置还包括一个链式刀库20，链式刀库20位于成型室外部的右侧；
所述光学系统包括依次光路连接的激光器5、准直扩束镜4、光学透镜3、扫描振镜2；
所述激光器5位于激光选区熔化成型装置成型室14的右侧；所述准直扩束镜4、光学透镜3、扫描振镜2置于成型室14的顶部；
所述光学透镜3位于成型室14上部并内嵌于成型室14外壁，与成型室14外壁密封结合；
所述立式铣床装置包括铣削X向导轨8、铣削Z向导轨9、铣削Y向导轨10、铣削主轴11；所述铣削X向导轨8固定在成型室14的后部上方，所述铣削Y向导轨10与铣削X向导轨8连接在一起，由驱动机构控制其沿X方向运动；所述铣削Z向导轨9与铣削Y向导轨10连接在一起，实现Y方向的移动；所述铣削主轴11位于铣削Z向导轨9上，实现其在Z方向的运动；
所述铺粉系统还包括粉料瓶1和一个设置在铺粉导轨16上的铺粉装置15；粉料瓶1置于成型室14上方左侧，粉料瓶1还包括一个给铺粉装置15输送粉末的自动送粉通道7。
所述的成型缸18位于成型室14的下部，并由中央控制系统对其升降进行控制。
所述立式铣床装置具有一个链式刀库20；链式刀库20包括链式刀架22、刀架驱动电机21和铣刀23，铣刀23安装在链式刀架22上，刀架驱动电机21驱动链式刀架22的运动。
所述链式刀库20与成型室14通过自动换刀阀门12和换刀口13相连。
所述换刀口13为圆柱形通道，其打开与关闭通过自动换刀阀门12的闭合来实现；当换刀时，自动换刀阀门12打开，此时换刀口13处于开通状态；当换刀结束后，自动换刀阀门12闭合，此时换刀口13处于关闭状态。
所述设备还包括氧含量检测装置、压力检测装置、抽真空装置、氮气发生装置。
所述铣削主轴11沿着其中心做180°旋转。
自动送粉通道7与粉料瓶1之间设置有一个手动锁扣6。
采用上述设备加工金属零件的方法如下：
(一)、对待加工的零件三维CAD模型进行处理，首先，根据加工要求选择合适的的层厚应用Magics软件进行分层切片；然后以每二十层数据为单位进行片层数据打包，对每一包数据添加刀具信息和铣削轮廓信息；最后对每一包的片层轮廓进行扫描路径规划，完成后导入3D打印机，准备进行加工；
(二)、启动3D打印机，首先，工控机控制自动送粉通道7对铺粉装置15添加粉末，完成后关闭自动送粉通道7；打开氧含量检测装置、压力检测装置和抽真空装置，当成型室14内气体压力降低到-15KPa时关闭抽真空装置并打开氮气发生装置充入保护气体，当气压升至20KPa时停止充入保护气体，然后继续打开抽真空装置，如此循环往复；
当成型室14内氧气含量降低到0.1％以下时开始加工，首先，铺粉装置15在成型面上铺一次粉，金属粉末19从而熔化形成一层实体，每成型一层后铺粉装置15即铺一次粉，如此循环完成二十层粉末加工后，中央控制系统发出信号，扫描阵镜2及激光器5停止工作，铺粉装置15退回到左侧初始位置；
(三)、立式铣床装置开始工作，首先，中央控制系统根据加工数据信息控制铣削主轴11沿着导轨运动到换刀口13位置；铣削主轴11先沿着铣削X向导轨8移动，再沿着铣削Y向导轨10移动，最后沿着铣削Z向导轨9移动，然后链式刀库20内的刀架驱动电机21驱动链式刀架22运动，将对应的铣刀23对准换刀口13，自动换刀阀门12打开，铣削主轴11进行换刀操作；
换刀完成后，铣削主轴11夹带铣刀23退出换刀口13，自动换刀阀门12闭合，对换刀口13关闭；然后铣削主轴11在中央控制系统的控制下开始对已加工的金属零件17进行铣削加工，对金属零件17内部的随形通道进行铣削并铣去成型面凹凸不平的部分；
铣削完成后铣削主轴11带着铣刀23返回初始位置；
(四)、如此循环重复上述步骤(二)、(三)进行激光加工和铣削加工过程，直至整个加工过程完成。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
1、本发明的铺粉装置15为漏斗式滚轮铺粉机构，并采用自动装填粉末的装置，具有无须停机，工作全程可实现随时加粉的优点；
2、本发明激光选区熔化成型装置，采用单缸式，成型室内只有一个成型缸，不仅大大节约了空间，减轻了设备的重量，而且可以大幅度缩短铺粉行程，这比双缸结构提高了大约30％的效率。
3、本发明激光选区熔化成型装置，采用单缸式与立式铣床装置复合加工，一方面可以应用激光选区熔化装置进行自由制造，另一方面又可以用立式铣床装置实现精密铣削加工；对自由制造的零件进行铣削加工，这不仅大大提高了金属零件的精度和表面质量，而且可以省去成型件的后续表面处理，显著提高了工作效率。另外还可以采用较大的光斑进行造型，然后再采用精密切削进行精加工，提高了成型零件的尺寸精度和表面质量，而且可以制造内部复杂通道的零件，这又会显著节约时间成本而又不会降低成型质量。
4、本发明将铣削主轴及其驱动机构置于成型室内，链式刀库置于成型室外并通过换刀口和自动换刀阀门与成型室连接。在进行3D打印过程时，自动换刀阀门关闭换刀口，当铣削主轴通过换刀口进行换刀操作时，自动换刀阀门打开。这样可以避免3D打印过程中产生的粉尘和余热进入刀库，对刀具造成污染，而降低刀具的质量和使用寿命。
附图说明
图1为本发明正视结构示意图。
图2为本发明的立式铣床装置换刀过程示意图。
图3为本发明铣削过程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1-3所示。本发明单缸式激光选区熔化与铣削复合加工的设备，包括激光选区熔化成型装置和立式铣床装置，中央控制系统，激光选区熔化成型装置包括光学系统、铺粉系统、成型室14和成型缸18，激光选区熔化成型装置与立式铣床装置共用同一个中央控制系统。
所述立式铣床装置位于成型室14内，立式铣床装置还包括一个链式刀库20，链式刀库20位于成型室外部的右侧；
所述光学系统包括依次光路连接的激光器5、准直扩束镜4、光学透镜3、扫描振镜2；
所述激光器5位于激光选区熔化成型装置成型室14的右侧；所述准直扩束镜4、光学透镜3、扫描振镜2置于成型室14的顶部；
所述光学透镜3位于成型室14上部并内嵌于成型室14外壁，与成型室14外壁密封结合；
所述立式铣床装置包括铣削X向导轨8、铣削Z向导轨9、铣削Y向导轨10、铣削主轴11；所述铣削X向导轨8固定在成型室14的后部上方，所述铣削Y向导轨10与铣削X向导轨8连接在一起，由驱动机构控制其沿X方向运动；所述铣削Z向导轨9与铣削Y向导轨10连接在一起，实现Y方向的移动；所述铣削主轴11位于铣削Z向导轨9上，实现其在Z方向的运动；
所述铺粉系统还包括粉料瓶1和一个设置在铺粉导轨16上的铺粉装置15；粉料瓶1置于成型室14上方左侧，粉料瓶1还包括一个给铺粉装置15输送粉末的自动送粉通道7。粉料瓶1用于储存金属粉末19。
所述铺粉装置15采用漏斗式滚轮机构，漏斗位于滚轮上部用于储存一定的金属粉末，滚轮用于粉末的铺粉；铺粉导轨16用于驱动铺粉装置15将金属粉末19平铺到成型缸18上部，每当完成二十层粉末的平铺工作后，回位到初始位置，转向铣削加工。
所述成型缸18位于成型室14的下部，并由中央控制系统对其升降进行控制。成型室14既是激光加工的空间也是铣削加工的空间。所述成型缸18位于成型室14的下部，用于支撑金属零件17的成型。该成型缸18可由通用工控机(图中未示出)控制高精度伺服电机进行升降。
所述立式铣床装置具有一个链式刀库20；链式刀库20包括链式刀架22、刀架驱动电机21和铣刀23，铣刀23安装在链式刀架22上，刀架驱动电机21驱动链式刀架22的运动。铣刀23可根据需要选择型号和数量；链式刀架22通过刀架驱动电机21进行循环运动。
所述链式刀库20与成型室14通过自动换刀阀门12和换刀口13相连；自动换刀阀门和换刀口在激光加工和铣削加工时处于关闭状态，只有在铣削主轴进行换刀时才会打开。
所述换刀口13为圆柱形通道，其打开与关闭通过自动换刀阀门12的闭合来实现；当换刀时，自动换刀阀门12打开，此时换刀口13处于开通状态；当换刀结束后，自动换刀阀门12闭合，此时换刀口13处于关闭状态；该目的是为了防止加工过程中产生的金属粉尘和余热对链式刀库中的精密铣刀产生不良影响。
所述设备还包括氧含量检测装置、压力检测装置、抽真空装置、氮气发生装置、气体循环净化装置(图中未示出)。金属零件17开始成型前，进行除氧程序，打开氧含量检测装置(包括其反馈系统)，抽真空装置将成型室14内抽成-15KPa的低气压状态，然后氮气发生装置启动并充入氮气，当气压升至20KPa时，关闭氮气充入，继续启动抽真空装置；如此反复循环，直至成型室14内氧气含量降低到0.1％以下时开启加工程序并启动气体循环净化装置。加工过程中气体循环净化系统一直工作，氧含量监测装置实时监测成型室14内氧含量，随着成型的进行，成型室内的氧含量可能产生波动，超出可靠含量范围时，氧含量检测装置发出反馈信号，启动抽真空装置和氮气发生装置，一方面降低成型室14内气压，另一方面通入保护气，目的都是降低成型室14内氧含量。
所述铣削主轴11沿着其中心做180°旋转。从而不仅可在换刀时进行90°逆时针旋转，还可以对复杂结构的零件表面进行铣削加工。立式铣床装置可采用四轴驱动系统，实现铣刀23的任意方位到达和切削。
自动送粉通道7与粉料瓶1之间设置有一个手动锁扣6，用于将粉料瓶1安装在自动送粉通道7上。
如图2为立式铣床装置换刀过程示意图。铣削主轴11的换刀过程包括卸刀和装刀。卸刀时，首先中央控制系统根据加工文件数据信息控制刀架驱动电机21旋转一定的角度，使对应此铣刀23的空刀位对准换刀口13，然后铣削主轴11沿着铣削X向导轨8、铣削Y向导轨10移动并对准换刀口13，铣削主轴11绕其中心逆时针旋转90°，此时自动换刀阀门12开启，换刀口13打开，铣削主轴1111从换刀口13伸入链式刀库20，完成卸刀动作；装刀时，首先中央控制系统控制根据加工文件的数据信息控制刀架驱动电动机21旋转一定角度，使待装铣刀23对准换刀口13，然后铣削主轴11从换刀口13深入链式刀库20，完成装刀动作。完成换刀动作后，自动换刀阀门12闭合，换刀口13关闭。
如图3为铣削过程示意图。当加工完成二十层厚后，铺粉装置15返回到左侧，激光器5停止出光，铣削主轴11根据加工文件数据信息选择对应的铣刀23，运到到金属成零件17的表面开始根据数据信息进行铣削加工。
采用上述设备加工金属零件的方法具体可通过如下步骤实现：
(一)、对待加工的零件三维CAD模型进行处理，首先，根据加工要求选择合适的的层厚应用Magics软件进行分层切片；然后以每二十层数据为单位(也可以根据加工要求选择其他数目)进行片层数据打包，对每一包数据添加刀具信息和铣削轮廓信息；最后对每一包的片层轮廓进行扫描路径规划，完成后导入3D打印机，准备进行加工；
(二)、启动3D打印机，首先，工控机控制自动送粉通道7对铺粉装置15(漏斗式滚轮)添加粉末，完成后关闭自动送粉通道7；打开氧含量检测装置、压力检测装置和抽真空装置，当成型室14内气体压力降低到-15KPa时关闭抽真空装置并打开氮气发生装置充入保护气体，当气压升至20KPa时停止充入保护气体，然后继续打开抽真空装置，如此循环往复；
当成型室14内氧气含量降低到0.1％以下时开始加工，首先，铺粉装置15在成型面上铺一次粉，金属粉末19从而熔化形成一层实体，每成型一层后铺粉装置15即铺一次粉，如此循环完成二十层粉末加工后，中央控制系统发出信号，扫描阵镜2及激光器5停止工作，铺粉装置15退回到左侧初始位置；
(三)、立式铣床装置开始工作，首先，中央控制系统根据加工数据信息控制铣削主轴11沿着导轨运动到换刀口13位置；铣削主轴11先沿着铣削X向导轨8移动，再沿着铣削Y向导轨10移动，最后沿着铣削Z向导轨9移动(也可采用三轴进给同步进行以提高效率)，然后链式刀库20内的刀架驱动电机21驱动链式刀架22运动，将对应的铣刀23对准换刀口13，自动换刀阀门12打开，铣削主轴11进行换刀操作；
换刀完成后，铣削主轴11夹带铣刀23退出换刀口13，自动换刀阀门12闭合，对换刀口13关闭；然后铣削主轴11在中央控制系统的控制下开始对已加工的金属零件17进行铣削加工，对金属零件17内部的随形通道进行铣削并铣去成型面凹凸不平的部分；
铣削完成后铣削主轴11带着铣刀23返回初始位置；
(四)、如此循环重复上述步骤(二)、(三)进行激光加工和铣削加工过程，直至整个加工过程完成。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种采用单缸式激光选区熔化与铣削复合加工的设备对金属零件进行加工的方法，所述设备包括激光选区熔化成型装置和立式铣床装置，中央控制系统，激光选区熔化成型装置包括光学系统、铺粉系统、成型室(14)和成型缸(18)；所述立式铣床装置位于成型室(14)内；立式铣床装置还包括一个链式刀库(20)，链式刀库(20)位于成型室外部的右侧；
所述光学系统包括依次光路连接的激光器(5)、准直扩束镜(4)、光学透镜(3)、扫描振镜(2)；
所述激光器(5)位于激光选区熔化成型装置成型室(14)的右侧；所述准直扩束镜(4)、光学透镜(3)、扫描振镜(2)置于成型室(14)的顶部；
所述光学透镜(3)位于成型室(14)上部并内嵌于成型室(14)外壁，与成型室(14)外壁密封结合；
所述立式铣床装置包括铣削X向导轨(8)、铣削Z向导轨(9)、铣削Y向导轨(10)、铣削主轴(11)；所述铣削X向导轨(8)固定在成型室(14)的后部上方，所述铣削Y向导轨(10)与铣削X向导轨(8)连接在一起，由驱动机构控制其沿X方向运动；所述铣削Z向导轨(9)与铣削Y向导轨(10)连接在一起，实现Y方向的移动；所述铣削主轴(11)位于铣削Z向导轨(9)上，实现其在Z方向的运动；
所述铺粉系统还包括粉料瓶(1)和一个设置在铺粉导轨(16)上的铺粉装置(15)；粉料瓶(1)置于成型室(14)上方左侧，粉料瓶(1)还包括一个给铺粉装置(15)输送粉末的自动送粉通道(7)；
所述立式铣床装置具有一个链式刀库(20)；链式刀库(20)包括链式刀架(22)、刀架驱动电机(21)和铣刀(23)，铣刀(23)安装在链式刀架(22)上，刀架驱动电机(21)驱动链式刀架(22)的运动；
其特征在于，对金属零件进行加工的方法包括如下步骤：
(一)、对待加工的零件三维CAD模型进行处理，首先，根据加工要求选择合适的的层厚应用Magics软件进行分层切片；然后以每二十层数据为单位进行片层数据打包，对每一包数据添加刀具信息和铣削轮廓信息；最后对每一包的片层轮廓进行扫描路径规划，完成后导入3D打印机，准备进行加工；
(二)、启动3D打印机，首先，工控机控制自动送粉通道(7)对铺粉装置(15)添加粉末，完成后关闭自动送粉通道(7)；打开氧含量检测装置、压力检测装置和抽真空装置，当成型室(14)内气体压力降低到-15KPa时关闭抽真空装置并打开氮气发生装置充入保护气体，当气压升至20KPa时停止充入保护气体，然后继续打开抽真空装置，如此循环往复；
当成型室(14)内氧气含量降低到0.1％以下时开始加工，首先，铺粉装置(15)在成型面上铺一次粉，金属粉末(19)从而熔化形成一层实体，每成型一层后铺粉装置(15)即铺一次粉，如此循环完成二十层粉末加工后，中央控制系统发出信号，扫描阵镜(2)及激光器(5)停止工作，铺粉装置(15)退回到左侧初始位置；
(三)、立式铣床装置开始工作，首先，中央控制系统根据加工数据信息控制铣削主轴(11)沿着导轨运动到换刀口(13)位置；铣削主轴(11)先沿着铣削X向导轨(8)移动，再沿着铣削Y向导轨(10)移动，最后沿着铣削Z向导轨(9)移动，然后链式刀库(20)内的刀架驱动电机(21)驱动链式刀架(22)运动，将对应的铣刀(23)对准换刀口(13)，自动换刀阀门(12)打开，铣削主轴(11)进行换刀操作；
换刀完成后，铣削主轴(11)夹带铣刀(23)退出换刀口(13)，自动换刀阀门(12)闭合，对换刀口(13)关闭；然后铣削主轴(11)在中央控制系统的控制下开始对已加工的金属零件(17)进行铣削加工，对金属零件(17)内部的随形通道进行铣削并铣去成型面凹凸不平的部分；
铣削完成后铣削主轴(11)带着铣刀(23)返回初始位置；
(四)、如此循环重复上述步骤(二)、(三)进行激光加工和铣削加工过程，直至整个加工过程完成。
2.根据权利要求1所述采用单缸式激光选区熔化与铣削复合加工的设备对金属零件进行加工的方法，其特征在于：所述的成型缸(18)位于成型室(14)的下部，并由中央控制系统对其升降进行控制。
3.根据权利要求2所述采用单缸式激光选区熔化与铣削复合加工的设备对金属零件进行加工的方法，其特征在于：所述链式刀库(20)与成型室(14)通过自动换刀阀门(12)和换刀口(13)相连。
4.根据权利要求2所述采用单缸式激光选区熔化与铣削复合加工的设备对金属零件进行加工的方法，其特征在于：
所述换刀口(13)为圆柱形通道，其打开与关闭通过自动换刀阀门(12)的闭合来实现；当换刀时，自动换刀阀门(12)打开，此时换刀口(13)处于开通状态；当换刀结束后，自动换刀阀门(12)闭合，此时换刀口(13)处于关闭状态。
5.根据权利要求2所述采用单缸式激光选区熔化与铣削复合加工的设备对金属零件进行加工的方法，其特征在于：所述设备还包括氧含量检测装置、压力检测装置、抽真空装置、氮气发生装置。
6.根据权利要求2所述采用单缸式激光选区熔化与铣削复合加工的设备对金属零件进行加工的方法，其特征在于：所述铣削主轴(11)沿着其中心做180°旋转。
7.根据权利要求2所述采用单缸式激光选区熔化与铣削复合加工的设备对金属零件进行加工的方法，其特征在于：所述自动送粉通道(7)与粉料瓶(1)之间设置有一个手动锁扣(6)。
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