CN104493492B - 激光选区熔化与铣削复合加工设备及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了激光选区熔化与铣削复合加工设备及加工方法，包括中央控制系统、密封成型室、置于密封成型室下方的成型缸和粉缸、光学支撑平台、光路传输系统、立铣铣削加工装置；立铣铣削加工装置置于密封成型室内侧，用于切削零件的分层轮廓和内部孔洞，并切去成型面的凸起部分；中央控制系统分别与光路传输系统、粉末升降装置、立铣铣削加工装置连接。本设备采用光路传输系统，成型范围分为四工位，系统协同工作，每一光路单元熔化一个工位内的金属粉末，从而提高SLM成型的尺寸范围和效率。本设备扫描若干层金属粉末后，转为铣削，高速精密切削零件的分层轮廓和内部孔洞，并切去成型面的凸起部分，提高下一次激光成型的铺粉的质量。
Description
技术领域
本发明涉及金属零件3D打印技术，尤其涉及激光选区熔化与铣削复合加工设备及加工方法。
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的成型尺寸是制约其大范围推广的一个因素之一。目前市面上的扫描振镜的最大扫描范围为一般都不超过300×300mm，对于大尺寸零件，单激光单振镜SLM设备不能满足其需求，必须开发多激光多振镜的SLM设备。
SLM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，但是对于大尺寸零件，小光斑会降低成型效率。现有的SLM设备很难保证大尺寸零件的高效率、高精度同步进行，成为了制约SLM技术的应用与发展的重要因素。因此，人们一直在寻找一种解决大尺寸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，提供了激光选区熔化与铣削复合加工设备及加工方法。
本发明通过下述技术方案实现：
激光选区熔化与铣削复合加工设备，包括中央控制系统、密封成型室21、置于密封成型室21下方的成型缸23和粉缸25、光学支撑平台9、光路传输系统、立铣铣削加工装置；成型缸23和粉缸25的粉末升降装置；
所述光学支撑平台9置于密封成型室21的上方，光路传输系统置于光学支撑平台9的上方；
所述立铣铣削加工装置置于密封成型室21内侧，用于切削零件的分层轮廓和内部孔洞，并切去成型面的凸起部分。
所述中央控制系统分别与光路传输系统、粉末升降装置、立铣铣削加工装置连接。
所述光路传输系统分为结构相同的四个光路单元，即第一光路单元、第二光路单元、第三光路单元、第四光路单元；每个单元包括依次连接的激光器1、扩束准直镜2、光学镜组3、扫描振镜4。
所述立铣铣削加工装置包括链式刀库、导轨单元。
所述导轨单元包括铣削X导轨15、铣削Y导轨16、铣削Z导轨17、铣削Z导轨17上设置铣削驱动主轴18，铣削驱动主轴18的端部设置刀具11；
所述链式刀库与导轨单元之间设有隔板，隔板上开设有用于更换刀具11的换刀窗口10，换刀窗口10上设有一自动阀门。
四个光路单元在光路支撑平台(9)上陈列分布，并分别对准密封成型室(21)顶部的窗口镜，分别负责熔化一个工位的金属粉末。
所述密封成型室21还包括气体循环净化系统；所述气体循环净化系统包括抽真空装置、氧含量监测及反馈系统、气体循环净化装置。
所述铣削Y导轨16为龙门式，铣削X导轨15为梁式，铣削Z导轨17为悬臂式。
铣削X导轨15在铣削Y导轨16上运动并左右运动，铣削Z导轨17连接在铣削X导轨15上并前后运动，铣削X导轨15沿着铣削Y导轨16左右移动；调整铣削驱动主轴的Y轴位置；铣削X导轨15沿着铣削Y导轨16前后移动，调整铣削驱动主轴18的Y轴位置；铣削驱动主轴18沿着铣削Z导轨17上下运动，实现刀具定位。
链式刀库12内设有链式刀架13，刀具11置于链式刀架13上，链式刀架13由刀架电机14通过中央控制器控制。
采用上述激光选区熔化与铣削复合加工设备对金属零件的激光选区熔化成型加工方法如下：
(1)成型前将密封成型室21抽成真空状态并通入保护气，将成型范围划分为四工位，每个工位对应一个扫描振镜；
(2)首先铺粉臂20在成型面上铺一次粉，四个工位的扫描振镜同时工作，选区扫描金属粉末从而熔化形成一层实体，每成型一层后铺粉臂20即铺一次粉，如此循环十层后，中央控制系统发出信号，光路传输系统的激光扫描停止工作，铺粉臂20退回初始位置；
(3)立铣铣削加工装置开始工作，铣削X导轨15沿着铣削Y导轨16移动到成型范围正上方，同时铣削Z导轨17沿着铣削X导轨15移动到正上方，铣削驱动主轴18沿着铣削Z导轨17移动到成型面对；进行对刀后，铣削驱动主轴18沿着Z轴开始进给，切去分层零件轮廓余量和孔洞，并切去成型面凹凸不平的部分；完成切屑后铣削X导轨15、铣削Z导轨17沿着原方向返回初始位置；
(4)重复上述步骤(2)、步骤(3)，直至零件加工完成。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
与现有的SLM装备相比，本设备实现了在一台装置内交替进行激光增材制造和采用立铣刀的精密切削加工，从而实现了与加工中心相当的尺寸精度和表面粗糙度，并且还可以实现加工中心无法实现的内腔结构和随形通道的制造，成功的将激光增材制造的自由制造和加工中心的高速高精度制造融为一体，实现了具有划时代意义的“单机单工序”制造。
本设备的多激光多振镜激光成型系统在成型零件时将成型范围划分为多个工位，多台激光器和扫描振镜协同工作，提高了激光成型效率4-8倍。
本设备的激光成型设备采用多激光多振镜系统，扩大成型零件尺寸4倍，扩大了SLM技术的应用范围。
本加工的方法，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。
附图说明
图1为本发明设备正视结构示意图。
图2为置于光路支撑平台上方的四个光路单元(俯视)结构示意图。
图3为本发明立铣铣削加工装置换刀过程示意图。
图4为本发明铣削示意图。
图5为本发明实例所制造的具有随形通道零件(激光束55、零件66)示意图A。
图6为本发明实例所制造的具有随形通道零件(随形通道77)示意图B。
图7为本发明实例所制造的具有随形通道零件示意图C。
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。
本发明采用光路传输系统(四激光四振镜的光学系统)，成型范围分为四工位，光学系统协同工作，每一组激光+振镜光路单元熔化一个工位内的金属粉末，从而提高SLM成型的尺寸范围和效率。
本设备扫描若干层金属粉末24后，转为铣削加工，采用立铣刀高速精密切削零件的分层轮廓和内部孔洞，并切去成型面的凸起部分，提高下一次激光成型的铺粉的质量。)两个系统(激光选区熔化与铣削复合加工交替工作，直至完成零件的制造。
实施例
如图1至7所示。本发明激光选区熔化与铣削复合加工设备，包括中央控制系统、密封成型室21、置于密封成型室21下方的成型缸23和粉缸25、光学支撑平台9、光路传输系统、立铣铣削加工装置；成型缸23和粉缸25的粉末升降装置；
所述光学支撑平台9置于密封成型室21的上方，光路传输系统置于光学支撑平台9的上方；光路传输系统可采用四激光四振镜阵列、四激光双振镜阵列、双激光双振镜阵列，相应的成型范围划分为四工位、双工位、双工位，激光器&扫描振镜阵列可以协调工作、也可以依次工作；
所述立铣铣削加工装置置于密封成型室21内侧，用于切削零件的分层轮廓和内部孔洞，并切去成型面的凸起部分。
所述中央控制系统分别与光路传输系统、粉末升降装置、立铣铣削加工装置连接。
所述光路传输系统分为结构相同的四个光路单元，即第一光路单元、第二光路单元、第三光路单元、第四光路单元；每个单元包括依次连接的激光器1、扩束准直镜2、光学镜组3、扫描振镜4。四个光路单元在光路支撑平台9上陈列分布(排列成2×2阵列)，并分别对准密封成型室21顶部的窗口镜，分别负责熔化一个工位的金属粉末。
密封成型室21顶部设置窗口镜阵列，经过扩束准直镜的偏转光束透射过窗口镜，入射到成粉床表面，熔化特定工位的金属粉末。
所述立铣铣削加工装置包括链式刀库12、导轨单元。
所述导轨单元包括铣削X导轨15、铣削Y导轨16、铣削Z导轨17、铣削Z导轨17上设置铣削驱动主轴18，铣削驱动主轴18的端部设置刀具11；
所述链式刀库与导轨单元之间设有隔板，隔板上开设有用于更换刀具11的换刀窗口10，换刀窗口10上设有一自动阀门。
所述密封成型室21还包括气体循环净化系统；所述气体循环净化系统包括抽真空装置、氧含量监测及反馈系统、气体循环净化装置(图中未示出)。开始成型前，抽真空装置将密封成型室21内抽成低压状态，并充入惰性气体，气体循环净化系统一直工作，氧含量监测装置实时监测密封成型室内氧含量，随着成型的进行，密封成型室21内的氧含量可能产生波动，超出可靠含量范围时，监测系统发出反馈信号，启动抽真空装置和保护气装置，一方面降低成型室内气压，另一方面通入保护气，目的都是密封降低成型室内氧含量；升降平台由中央控制系统控制每一层的升、降高度。
本设备的铺粉系统也由中央控制系统控制，每扫描完一层后再已成型面上铺一层粉末，每成型十层后激光成型系统停止工作，转向铣削加工。
立铣铣削加工装置为四轴立铣铣削加工，主要是铣削平面，铣削主轴只需XYZ三方向的移动运动，转动用于换刀过程。
所述铣削Y导轨16为龙门式，铣削X导轨15为梁式，铣削Z导轨17为悬臂式。
铣削X导轨15在铣削Y导轨16上运动并左右运动，铣削Z导轨17连接在铣削X导轨15上并前后运动，铣削X导轨15沿着铣削Y导轨16左右移动；调整铣削驱动主轴的Y轴位置；铣削X导轨15沿着铣削Y导轨16前后移动，调整铣削驱动主轴18的Y轴位置；铣削驱动主轴18沿着铣削Z导轨17上下运动，实现刀具定位。
链式刀库12内设有链式刀架13，刀具11置于链式刀架13上，链式刀架13由刀架电机14通过中央控制器控制。
根据实际需要，刀具11数优选10把。根据加工零件精度和尺寸要求，刀具11直径优选0.5mm。换刀过程包括卸刀和装刀，卸刀时，首先中央控制系统控制刀架电机14旋转一定的角度，使对应此刀具11的空刀位对准换刀口，然后铣削驱动主轴18沿着铣削X导轨15和铣削Y导轨16移动并对准换刀窗口10，铣削驱动主轴18绕Z轴旋转90°，此时换刀窗口10打开，铣削驱动主轴18从换刀窗口10伸入链式刀库12，完成卸刀动作。装刀时，首先中央控制系统控制刀架电机14旋转一定角度，使待装刀具11对准换刀窗口10，然后铣削驱动主轴18从换刀窗口10深入链式刀库12，完成装刀动作。然后换刀窗口10关闭，防止粉尘进入链式刀库12而对链式刀库12、刀具11等造成损害。
采用上述激光选区熔化与铣削复合加工设备对金属零件的激光选区熔化成型加工方法，可通过下述步骤实现：
(1)成型前将密封成型室21抽成真空状态并通入保护气，将成型范围划分为四工位(或者二工位)，每个工位对应一个扫描振镜；
(2)首先铺粉臂20在成型面上铺一次粉，四个工位的扫描振镜同时工作(或者依次工作)，选区扫描金属粉末从而熔化形成一层实体，每成型一层后铺粉臂20即铺一次粉，如此循环十层后，中央控制系统发出信号，光路传输系统的激光扫描停止工作，铺粉臂20退回初始位置；
(3)立铣铣削加工装置开始工作，铣削X导轨15沿着铣削Y导轨16移动到成型范围正上方，同时铣削Z导轨17沿着铣削X导轨15移动到正上方，铣削驱动主轴18沿着铣削Z导轨17移动到成型面对，为了提高效率，三轴进给同步进行。进行对刀后，铣削驱动主轴18沿着Z轴开始进给，切去分层零件轮廓余量和孔洞，并切去成型面凹凸不平的部分；完成切屑后铣削X导轨15、铣削Z导轨17沿着原方向返回初始位置；
(4)重复上述步骤(2)、步骤(3)，直至零件加工完成。
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 (4)
1.激光选区熔化与铣削复合加工设备，包括中央控制系统、密封成型室(21)、置于密封成型室(21)下方的成型缸(23)和粉缸(25)、光学支撑平台(9)、光路传输系统；成型缸(23)和粉缸(25)的粉末升降装置；
所述光学支撑平台(9)置于密封成型室(21)的上方，光路传输系统置于光学支撑平台(9)的上方；
其特征在于：所述激光选区熔化与铣削复合加工设备还包括一个立铣铣削加工装置；
所述立铣铣削加工装置置于密封成型室(21)内侧，用于切削零件的分层轮廓和内部孔洞，并切去成型面的凸起部分；
所述中央控制系统分别与光路传输系统、粉末升降装置、立铣铣削加工装置连接；
所述光路传输系统分为结构相同的四个光路单元，即第一光路单元、第二光路单元、第三光路单元、第四光路单元；每个单元包括依次连接的激光器(1)、扩束准直镜(2)、光学镜组(3)、扫描振镜(4)；
所述立铣铣削加工装置包括链式刀库(12)、导轨单元；
所述导轨单元包括铣削X导轨(15)、铣削Y导轨(16)、铣削Z导轨(17)、铣削Z导轨(17)上设置铣削驱动主轴(18)，铣削驱动主轴(18)的端部设置刀具(11)；
所述链式刀库与导轨单元之间设有隔板，隔板上开设有用于更换刀具(11)的换刀窗口(10)，换刀窗口(10)上设有一自动阀门；
四个光路单元在光路支撑平台(9)上陈列分布，并分别对准密封成型室(21)顶部的窗口镜，分别负责熔化一个工位的金属粉末；
所述铣削Y导轨(16)为龙门式，铣削X导轨(15)为梁式，铣削Z导轨(17)为悬臂式；
铣削X导轨(15)在铣削Y导轨(16)上运动并左右运动，铣削Z导轨 (17)连接在铣削X导轨(15)上并前后运动，铣削X导轨(15)沿着铣削Y导轨(16)左右移动；调整铣削驱动主轴的Y轴位置；铣削X导轨(15)沿着铣削Y导轨(16)前后移动，调整铣削驱动主轴(18)的Y轴位置；铣削驱动主轴(18)沿着铣削Z导轨(17)上下运动，实现刀具定位。
2.根据权利要求1所述的激光选区熔化与铣削复合加工设备，其特征在于：所述密封成型室(21)还包括气体循环净化系统；所述气体循环净化系统包括抽真空装置、氧含量监测及反馈系统、气体循环净化装置。
3.根据权利要求2所述的激光选区熔化与铣削复合加工设备，其特征在于：链式刀库(12)内设有链式刀架(13)，刀具(11)置于链式刀架(13)上，链式刀架(13)由刀架电机(14)通过中央控制器控制。
4.采用权利要求1至3中任一项所述的激光选区熔化与铣削复合加工设备对金属零件的激光选区熔化成型加工方法，其特征在于通过下述步骤实现：
(1)成型前将密封成型室(21)抽成真空状态并通入保护气，将成型范围划分为四工位，每个工位对应一个扫描振镜；
(2)首先铺粉臂(20)在成型面上铺一次粉，四个工位的扫描振镜同时工作，选区扫描金属粉末从而熔化形成一层实体，每成型一层后铺粉臂(20)即铺一次粉，如此循环十层后，中央控制系统发出信号，光路传输系统的激光扫描停止工作，铺粉臂(20)退回初始位置；
(3)立铣铣削加工装置开始工作，铣削X导轨(15)沿着铣削Y导轨(16)移动到成型范围正上方，同时铣削Z导轨(17)沿着铣削X导轨(15)移动到正上方，铣削驱动主轴(18)沿着铣削Z导轨(17)移动到成型面对； 进行对刀后，铣削驱动主轴(18)沿着Z轴开始进给，切去分层零件轮廓余量和孔洞，并切去成型面凹凸不平的部分；完成切屑后铣削X导轨(15)、铣削Z导轨(17)沿着原方向返回初始位置；
(4)重复上述步骤(2)、步骤(3)，直至零件加工完成。
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