CN105397089A - 一种用于金属增材制造的垂直力浮动铺粉刮刀装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于金属增材制造的垂直力浮动铺粉刮刀装置，解决了现有技术中刮刀避让选区激光烧结表面缺陷的球化凸点过程中存在的技术问题，其技术方案要点是包括外接有驱动源的刮刀支架以及连接至刮刀支架与粉床之间的刮刀，刮刀支架上靠近刮刀一端设置有浮动刀架，刮刀转动连接于浮动刀架上，当刮刀铺粉方向上遇到烧结缺陷凸点时，浮动刀架带动所述刮刀上端面的中轴线摆动绕过烧结缺陷凸点，达到了刮刀转动避让粉床上的凸点，不发生刮刀与烧结缺陷凸点的直接碰撞、剪切等对结构机能产生破坏性的运动构件，消除了其他刮刀铺粉形式的铺粉不均匀、铺粉床松动、缺陷后移传递的致命缺陷，产品良品率大幅提升，且机构简单占用空间小的技术效果。

Description

一种用于金属增材制造的垂直力浮动铺粉刮刀装置

技术领域

本发明涉及一种激光选区融化成型装置,更具体地说，它涉及一种应用于激光选区烧结设备中的铺粉刮刀装置。

背景技术

金属增材制造，也称为激光选区融化成型技术，是目前新兴的一种快速制造工艺，其工作原理为利用现有的CAD/CAM软件对激光束的路径进行设计，并在充满惰性保护气体的密闭的成型舱内按层铺设金属粉末，控制激光束按照设计路径扫描按层分布的金属粉末得到成型件的单层形状；紧接着，控制成型缸下降一层厚的距离，铺粉装置重新铺粉并重复上述成型过程，如此往复最终堆叠成具有特定几何形状的金属零件。

在金属增材制造过程中，评价成品质量的几个关键指标分别为致密度、精度以及表面粗糙度等，而这些重要指标均受到铺粉质量的影响。当铺粉平整时，金属粉末形成的粉床对激光束的吸收平稳，获得的成型产品的表面平整；当粉床的上表面凹凸不平时，其吸收激光束的能力也不一致，烧结成型的产品表面凹凸不平，产品的致密度、表面质量均难以保证。因此，铺粉的效果需要通过结构合理的铺粉装置保证，常见的铺粉装置包括刮刀式和辊子式两种，其中棍子式铺粉装置多用于石蜡材料等烧结成型，对于金属粉末烧结成型的，刮刀式铺粉装置更为适用。但是，由于金属粉末是在激光的烧结作用下成型的，而激光的烧结能量在理论上来说是不可控的，由于激光烧结过程中的能量的不均匀性，粉床表面难以避免的出现由于局部烧结温度过高导致的刺状、块状的凸点，当铺粉装置经过这些凸点时，会发生撞辊现象，使铺粉用的旋转辊出现头周度偏差，这个偏差会最终造成成型后的粉床上出现波浪形纹的铺粉缺陷，因此，旋转辊子式铺粉装置在激光选区融化成型的实际应用中并不适用是最好的结构形式。而刮刀式铺粉装置中，刮刀对于粉床上的金属粉末的压实作用很小，其主要作用是刮平，也就是说刮刀在粉床上的平移主要是为了将金属粉末铺平而非压实。当采用硬质材料的刮刀时，刮刀与硬质的凸点相撞会导致刮刀与成型表面产生一个剪切力，这个剪切力会造成局部粉层较薄，烧结之后形成薄壁件，当零件本身为精密且强度不高的零件时，这个撞击力会直接劈坏零件导致其报废。为了避免刮刀与成型面上的硬质凸点相撞，最早采用的结构是柔性刮刀，利用刮刀本身的弹性变形避让这个凸点，但是，因为柔性材料的弹性使得整个刮刀的刮平面上承受的正压力的不同，这将直接影响了层叠制造的表面精度，且在层叠制造循环过程产生的刮刀破损，粉床出现贯穿式的波纹粉料痕迹，对成型结构件的内部金相组织影响较大，严重时甚至会出现断层、断裂的现象，因此，这种刮刀形式不利于成型产品的表面质量。在柔性刮刀的基础上发展而来的是利用陶瓷材料制成的高硬度刮刀，硬度的提高后，材料脆性也相应增加，特别是陶瓷刀具，使用寿命极其短暂，而且费用昂贵。

现有技术中较为先进的一种解决形式是利用复合加工形式，即激光成型过程中导入传统的切削加工形式，即在层叠制造的同时，分层工步之间，对已经成型的烧结表面进行切削加工，改变铺粉表面质量。激光选区烧结的制造周期很长，即通常所说效率低下，是整个行业的存在的问题，复合加工的最大缺点是是制造周期更长，效率更低，而且，复杂的机械结构占用成型工作室空间，控制程序的扩充、故障率增多，即设备复杂系数过高。

申请日为2009.12.30、申请号为200920295730.3的实用新型专利（以下称为对比文件1）中公开了一种用于快速成型的金属粉末铺粉装置，该专利内公开的技术方案中，刮刀的上沿设置在移动支架下方的箱体中、下沿伸出箱体，在箱体内设置有若干弹簧，弹簧的两端抵接于箱体的顶部和刮刀的上方，这样，当刮刀过程中碰到凸点时，刮刀向上跳动并挤压弹簧，当凸点消失时弹簧力使得刮刀下落恢复至铺粉状态下。

对比文件1的技术方案中，对于凸点的避让是通过刮刀的上下移动使铺粉刮刀顺利通过凸点，但是，在刮刀在经过凸点下落的过程中，刮刀会产生一个向下的起跳过程，这个过程在接触凸点之后的金属粉末时，直接撞击粉料床，会造成粉床表面产生一个振纹，这个振纹在激光烧结之后，均会降低成型产品的表面质量，即增加了表面缺陷。此外，对比文件1中的弹簧形式为弹簧港片弯折成弧形，并将弧顶抵于刮刀的上表面，而弹簧钢片需要沿刮刀的延伸方向上布满，因此，当刮刀长度较大时，弹簧钢片本身会形成管状，这样的弹簧钢片是不具有弹性变形能力的，这是，刮刀在遇到凸点时，是直接碾平凸点，实际上几乎近似于整体刮刀的作用。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种可以通过自身摆动主动避让粉床上的凸点的一种用于金属增材制造的垂直力浮动铺粉刮刀装置。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种用于金属增材制造的垂直力浮动铺粉刮刀装置，包括外接有驱动源的刮刀支架以及连接至刮刀支架与粉床之间的刮刀，所述刮刀支架上靠近刮刀一端设置有浮动刀架，所述刮刀转动连接于所述浮动刀架上，当所述刮刀铺粉方向上遇到凸点时，所述浮动刀架带动所述刮刀上端面的中轴线摆动绕过凸点。

通过采用上述技术方案，将刮刀与刮刀支架之间设置成转动形式，当刮刀在铺粉过程中遇到粉床上的凸点时，刮刀绕其上端面的中轴线产生一个避让凸点的转动，使得刮刀以转动形式经过凸点，这样，刮刀经过凸点的过程平稳，不会产生起跳的现象，从而保证刮刀在避让凸点过程中不在凸点附件的分床上产生振纹，从而避免了采用柔性刮刀或者高硬度陶瓷刮刀所带来的问题；此外，本发明中的技术方案仅是做凸点避让而不对凸点进行复合加工，因而实现结构极为简单，不会占用选取烧结区域内的过多空间。

本发明进一步设置为：所述浮动刀架与刮刀支架之间设置有浮动轴，所述刮刀与浮动轴固定连接，所述浮动轴转动连接于所述浮动刀架上。

通过采用上述技术方案，通过浮动轴与浮动刀架之间的旋转，带动刮刀的转动以避让粉床上的凸点，使得刮刀的避让动作极为灵敏，有利于提高铺粉过程中刮刀对于粉床上的凸点的敏感程度以及避让速度。

本发明进一步设置为：所述浮动刀架上固定设置有用于复位所述刮刀摆动状态的垂直力组件，所述垂直力组件抵接于所述浮动轴上。

通过采用上述技术方案，当刮刀平稳地经过凸点之后，刮刀的复位速度直接决定了凸点对于成型表面的质量的影响范围，增设的垂直力组件，可以增加刮刀的复位速度，尽量使凸点对成型表面的质量降至最低。

本发明进一步设置为：所述浮动轴上设置有定位平面，所述垂直力组件上设置有抵接板，当所述刮刀处于竖直状态时，所述抵接板与定位平面抵接。

通过采用上述技术方案，由于浮动轴为回转类零件，因而其外圆面很难承受来自垂直力组件中抵接板的复位力，增设的定位平面可以对抵接板进行定位，使得浮动轴与抵接板之间有一个可靠的抵接关系，保证垂直力组件对于刮刀摆动的复位精度。

本发明进一步设置为：所述定位平面为设置在浮动轴的外圆柱面上的水平面，所述抵接板的厚度方向与定位平面的宽度方向一致，所述抵接板的宽度与定位平面在径向方向的尺寸适配。

通过采用上述技术方案，抵接板与定位平面之间的完全接触，才能保证刮刀的竖直状态，从而保证铺粉过程中粉床的平整性，将抵接板的宽度设置成定位平面的径向宽度一致，可以在不削弱浮动轴强度的前提下延长抵接板与浮动轴的接触面积，保证复位的速度与精度。

本发明进一步设置为：所述垂直力组件还包括有弹性压块，所述弹性压块与抵接板之间设置有弹性件，弹性件被压缩于所述弹性压块与抵接板之间。

通过采用上述技术方案，通过弹性件的弹性变形，可以使得刮刀在摆动避让凸点时，挤压弹性件增大其对抵接板的压力，从而给予刮刀一个大于常态下的复位力，使得刮刀的复位速度进一步提高。

本发明进一步设置为：所述弹性块上设置有用于调整其与抵接板之间弹性力的调整装置。

通过采用上述技术方案，不同的铺粉过程，需要的弹性复位力不同，通过调整装置，可以改变弹性块的预压缩量，从而调整其作用在抵接板上的复位力。

本发明进一步设置为：所述浮动轴与所述刀架之间设置有用于支撑所述浮动轴绕其轴线旋转的浮动轴套。

通过采用上述技术方案，在铺粉刮平过程中，凸点的数目不受控制，频繁的使浮动轴转动会造成其与浮动刀架之间的干摩擦，增加的浮动轴套的作用类似于轴承的支撑，可以减少浮动轴与浮动刀架之间的干摩擦，保证刮刀的安装精度。

本发明进一步设置为：所述浮动轴与刮刀之间设置有刮刀卡头，所述刮刀卡头一端固定所述刮刀，另一端固定于浮动轴上

进一步地，所述刮刀卡头用于连接刮刀一端设置有相互连通的调整槽和卡紧槽，所述卡紧槽的宽度与刮刀的厚度适配，所述调整槽的尺寸大于所述卡紧槽尺寸。

通过采用上述技术方案，根据粉床的铺设过程的实际情况以及刮刀的磨损情况，需要调整刮刀与刮刀支架之间的距离，通过刮刀卡头的设置，利用卡紧槽固定刮刀，将调整槽作为备选的调整空间，有利于后期调整刮刀的安装。

附图说明

图1为本发明实施例的三维结构视图；

图2为整体装配结构的爆炸视图；

图3为整体结构的剖视图1

图4为垂直力组件部分的局部视图；

图5为整体结构的剖视图2；

图6初始状态下刮刀、刮刀卡头以及弹性件的受力示意图

图7为遇到凸点之后刮刀、刮刀卡头以及弹性件的受力示意图。

附图标注：1、刮刀支架；2、刮刀；3、浮动刀架；4、浮动轴；5、垂直力组件；6、浮动轴套；7、刮刀卡头；8、凸点；11、安装板；31、支撑回转孔；41、定位平面；51、抵接板；52、弹性件；53、弹性压块；54、调整装置；55、外壳；61、端盖；71、安装孔；72、调整槽；73、卡紧槽。

具体实施方式

参照图1至图7和实施例对本发明做进一步说明。

一种用于金属增材制造的垂直力浮动铺粉刮刀装置，如图1中所示的三维结构视图，包括有刮刀支架1、刮刀2以及浮动刀架3，其中，刮刀支架1外接有驱动其沿粉床上的预定轨迹运动铺粉的动力源，浮动刀架3固定连接在刮刀支架1的下端面上，其下端一刮刀2固定连接。

具体地，如图2中的爆炸视图所示，刮刀支架1的下端设置有一沿刮刀2延伸方向的安装板11，浮动刀架3的一端面靠装在安装板11上并相互固定，浮动刀架3上与其固定平面垂直的两侧面上开有相对设置的一对支撑回转孔31，在支撑回转孔31之间穿射有一根圆柱形的浮动轴4，刮刀2固定安装于浮动轴4上，浮动轴4上用于固定刮刀的的两端部固定设置有一对刮刀卡头7，用于连接刮刀2与浮动轴3，当刮刀2在铺粉过程中遇到粉床上的凸点时，浮动轴4带动刮刀2一起，绕支撑回转孔31转动一个小的角度避让凸点。由于浮动轴4相对于浮动刀架3上的支撑回转孔31转动，因此，为了防止浮动轴4在支撑回转孔31内壁上干摩擦，在两者之间还设置有浮动轴套6，浮动轴套6嵌设在支撑回转孔31内并支撑浮动轴4，其作用类似于轴承对回转轴的支撑作用。为了防止金属粉末进入到浮动轴4与浮动轴套6之间的回转区域，在浮动刀架3上对应于支撑回转孔31的两外侧面上设置有外壳55，用于堵住支撑回转孔31的外侧，其作用类似于轴承端盖。

更具体地，如图3所示，用于固定刮刀2的刮刀卡头7包括有安装孔71、调整槽72以及卡紧槽73，其中，安装孔71与浮动轴4的外圆柱表面配合，为了防止两者之间相对转动，在浮动轴4上安装刮刀卡头7的位置处切削出上下两平面，将浮动轴4的外圆柱面变为异型面，以固定刮刀卡头7防止其转动。卡紧槽73设置在刮刀卡头7的最低端，其槽口宽度与刮刀2的厚度适配，刮刀2通过紧固件固定在卡紧槽73内，调整槽72与卡紧槽73连通设置，其槽口的截面形状为圆孔型，卡紧槽73的两边相对于调整槽72的竖直轴线对称，调整槽72的直径尺寸大于卡紧槽73的槽宽，用于调整刮刀2的安装位置。

进一步地，如图4至5所示，在浮动刀架3上还设置有垂直力组件5，其整体固定于浮动刀架3上，下端自浮动刀架3上的槽口中伸出抵接至浮动轴4上，浮动轴4上对应于垂直力组件5的位置上设置有定位平面41。如图4中所示，垂直力组件5包括有抵接板51、弹性件52、弹性压块53、调整装置54以及外壳55，其中抵接板51呈板状设置，其宽度与定位平面41的径向宽度适配，初始状态下抵接板51与定位平面41保持完全接触。在外壳55内，弹性件52呈压缩状设置，调整装置54自外壳55的顶部伸出，底部与弹性压块53连接，弹性件52压缩设置于抵接板51和弹性压块53之间，其压缩产生的弹性力通过抵接板51作用于浮动轴4上的定位平面41上，用以保持和复位浮动轴4至竖直状态。

参照图6至7，本发明工作原理叙述如下：

初始状态下，刮刀2竖直在粉床上平移进行铺粉，此时，弹性件52的弹性将抵接板51压紧于定位平面41上，此时，浮动轴4受到抵接板51传递的弹性力的压紧作用，保持固定，刮刀2平动；

当刮刀2遇到粉床上的凸点8时，刮刀2与浮动轴4一起，相对于浮动刀架3发生转动，使得刮刀2产生一个小摆角，通过刮刀2的小角度摆动，其最低点逐渐抬高至凸点8的顶点处，此时，外接的驱动源带动刮刀2继续移动，刮刀2的最低点又逐渐滑下凸点8，这个过程中，由于浮动轴4的摆动，使得定位平面41也相应产生一个倾角，最终，这个倾角会挤压弹性件52使之变形，随着刮刀2的进一步动作，弹性件52的压缩量产生的反向弹性力推动抵接板51，使之将弹性力传递至定位平面41上，给予浮动轴4一个弹性复位力，使其恢复至图6所示的初始状态。整个过程中，刮刀2以摆动形式避让凸点8，其最低点沿凸点8的外形滑过凸点8，整个避让过程不产生起跳和振纹，柔性的避让过程可以最大限度的减少凸点8对于铺粉装置的影响。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于金属增材制造的垂直力浮动铺粉刮刀装置，包括外接有驱动源的刮刀支架以及连接至刮刀支架与粉床之间的刮刀，其特征是：所述刮刀支架上靠近刮刀一端设置有浮动刀架，所述刮刀转动连接于所述浮动刀架上，当所述刮刀铺粉方向上遇到凸点时，所述浮动刀架带动所述刮刀上端面的中轴线摆动绕过凸点。

2.根据权利要求1所述的一种用于金属增材制造的垂直力浮动铺粉刮刀装置，其特征是：所述浮动刀架与刮刀支架之间设置有浮动轴，所述刮刀与浮动轴固定连接，所述浮动轴转动连接于所述浮动刀架上。

3.根据权利要求2所述的一种用于金属增材制造的垂直力浮动铺粉刮刀装置，其特征是：所述浮动刀架上固定设置有用于复位所述刮刀摆动状态的垂直力组件，所述垂直力组件抵接于所述浮动轴上。

4.根据权利要求3所述的一种用于金属增材制造的垂直力浮动铺粉刮刀装置，其特征是：所述浮动轴上设置有定位平面，所述垂直力组件上设置有抵接板，当所述刮刀处于竖直状态时，所述抵接板与定位平面抵接。

5.根据权利要求4所述的一种用于金属增材制造的垂直力浮动铺粉刮刀装置，其特征是：所述定位平面为设置在浮动轴的外圆柱面上的水平面，所述抵接板的厚度方向与定位平面的宽度方向一致，所述抵接板的宽度与定位平面在径向方向的尺寸适配。

6.根据权利要求4所述的一种用于金属增材制造的垂直力浮动铺粉刮刀装置，其特征是：所述垂直力组件还包括有弹性压块，所述弹性压块与抵接板之间设置有弹性件，弹性件被压缩于所述弹性压块与抵接板之间。

7.根据权利要求6所述的一种用于金属增材制造的垂直力浮动铺粉刮刀装置，其特征是：所述弹性块上设置有用于调整其与抵接板之间弹性力的调整装置。

8.根据权利要求2所述的一种用于金属增材制造的垂直力浮动铺粉刮刀装置，其特征是：所述浮动轴与所述刀架之间设置有用于支撑所述浮动轴绕其轴线旋转的浮动轴套。

9.根据权利要求2所述的一种用于金属增材制造的垂直力浮动铺粉刮刀装置，其特征是：所述浮动轴与刮刀之间设置有刮刀卡头，所述刮刀卡头一端固定所述刮刀，另一端固定于浮动轴上。

10.根据权利要求9所述的一种用于金属增材制造的垂直力浮动铺粉刮刀装置，其特征是：所述刮刀卡头用于连接刮刀一端设置有相互连通的调整槽和卡紧槽，所述卡紧槽的宽度与刮刀的厚度适配，所述调整槽的尺寸大于所述卡紧槽尺寸。