CN105414981B - 一种电弧增材和铣削加工装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电弧增材和铣削加工装置，属于电弧增材技术领域。其包括电弧增材单元和铣削加工单元，所述铣削加工单元包括铣削加工头，所述铣削加工单元和所述电弧增材单元相连接，电弧增材单元包括焊枪、支撑板、滑块、固定槽、固定板、步进电机以及丝杠，焊枪一端与滑块固定，焊枪另一端穿过支撑板的通孔，支撑板与步进电机相固定，固定板也与步进电机相固定，固定槽与固定板相固定，步进电机的输出轴连接有丝杠，丝杠穿过滑块上开设的螺纹通孔。本发明装置能一次性进行增材制造和切削加工，使工件的加工精确满足使用要求。

Description

一种电弧增材和铣削加工装置
技术领域
本发明属于电弧增材技术领域，更具体地，涉及一种电弧增材和铣削加工装置。
背景技术
电弧增材制造技术是采用电弧熔丝工艺进行金属零件3D成形的工艺过程(WireArc Additive Manufacturing，WAAM)，即采用氩弧焊电弧作为热源，将金属丝材熔化逐层沉积从而制造出接近产品设计尺寸要求的三维金属胚件。
与其它金属增材制造技术相比较，电弧增材制造技术具有设备投资少(仅需要焊接电源、运动系统以及控制系统)、制造效率高(可达到数公斤每小时的增材速度)、设备运行稳定、运行成本低(由于电-电弧转换率85％以上，对激光而言，电-光转换率小于10％，运行成本更低)等优点。
然而，电弧增材制造技术普遍存在加工精度不足的问题，若不进行后续机加工，很难保证其加工精度达到预期目标。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种电弧增材和铣削加工装置，其目的在于，将铣削加工单元结合至电弧增材单元上，能对电弧增材制造获得的工件进行精加工，使工件的加工精度满足使用要求。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种电弧增材和铣削加工装置，其特征在于，其包括电弧增材单元和铣削加工单元，其中，
所述铣削加工单元整体设置在机床上，其包括铣削加工头，
所述铣削加工单元和所述电弧增材单元相连接，以能整体移动，
所述电弧增材单元包括焊枪、支撑板、滑块、固定槽、固定板、步进电机以及丝杠，所述焊枪一端与滑块固定，所述焊枪另一端穿过支撑板的通孔，所述支撑板与步进电机相固定，所述固定板也与所述步进电机相固定，所述固定槽与所述固定板相固定，所述步进电机的输出轴连接有丝杠，所述丝杠穿过滑块上开设的螺纹通孔，以能带动所述滑块往复移动，进而带动焊枪上下移动，所述焊枪内设置有与外接阳极相连的焊丝。
以上发明构思中，电弧增材单元和铣削加工单元相连接，可以整体移动，即整体发生上下、左右以及前后的移动，在步进电机的驱动下，丝杠运动，带动焊枪相对铣削加工头上下移动，使铣削加工头和焊枪具有相对距离差，方便进行增材制造或者是切削加工。
进一步的，还包括连接，所述连接板一端固定在铣削加工头，另一端固定在电弧增材单元的固定槽上，以实现所述电弧增材单元和铣削加工单元的连接。
进一步的，所述固定槽呈矩形体状，所述滑块内嵌在所述固定槽内，以在所述固定槽约束下平稳上下滑动。
进一步的，所述电弧增材单元还包括联轴器，所述联轴器用于将所述步进电机的输出轴和所述丝杠固定在一起。
进一步的，所述连接板一端呈筒状，以供铣削加工头穿入并与连接板固定，所述连接板另一端呈板状，以通过紧固件与所述固定槽相固定。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)将电弧增材制造与铣削技术相融合，当进行完金属增材加工之后，直接进行后续的铣削加工，有效的解决了电弧增材制造技术普遍存在加工精度不足的问题，同一定位下完成增材制造和铣削两项工艺，也简化了工艺流程，大幅度提高加工效率。
此外,电弧增材制造过程是以高温液态金属熔滴过渡的方式进行的，随堆积层数的增加，堆积零件热积累严重、散热条件差、熔池过热、难于凝固、堆积层形状难于控制。特别在零件边缘堆积时，由于液态熔池的存在，使得零件的边缘形态与成形尺寸的控制变得更加困难，也会不可避免地产生残余应力、内应力，使零件发生翘曲变形。焊接应力不但可能引起热裂纹、冷裂纹、脆性断裂等工艺缺陷，而且其产生的变形累积会严重影响成形件的几何精度，这种累积误差到了一定程度甚至会使快速成形过程无法进行下去。这些问题都直接影响零件的冶金结合强度、堆积尺寸精度和表面质量。本发明装置能实现堆积完一层或若干层即进行铣削，达到优化加工工艺，保证零件的表面质量和尺寸精度的要求。
(2)电弧增材制造即为采用熔化极气体保护焊进行金属零件3D打印加工，相比于其他金属零件增材制造技术，电弧增材制造具有设备投资少，制造效率高，设备运行稳定，运行成本低，沉积效率高等优点。
(3)通过电机，联轴器，丝杠带动焊枪进行上下移动，有效避免了当完成增材加工和铣削加工时可能产生的结构干涉问题。
附图说明
图1是本发明实施例中电弧增材和铣削加工装置的结构示意图；
图2(a)、图2(b)分别是图1中电弧增材和铣削加工装置的主视图以及侧视图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-电弧增材单元 2-铣削加工单元 3-连接板
11-焊枪 12-支撑板 13-滑块
14-固定槽 15-固定板 16-步进电机
17-丝杠 18-联轴器 21-铣削加工头
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是本发明实施例中电弧增材和铣削加工装置的结构示意图，图2(a)、图2(b)分别是图1中电弧增材和铣削加工装置的主视图以及侧视图。由图可知，本发明的电弧增材和铣削加工装置，包括电弧增材单元1和铣削加工单元2。其中，所述铣削加工单元2整体设置在机床上，其包括铣削加工头21，所述铣削加工单元2和所述电弧增材单元1相连接，以能整体移动，所述电弧增材单元包括焊枪11、支撑板12、滑块13、固定槽14、固定板15、步进电机16以及丝杠17，所述焊枪11一端与滑块13固定，所述焊枪11另一端穿过支撑板12的通孔，所述支撑板12与步进电机16相固定，所述固定板15也与所述步进电机16相固定，所述固定槽14与所述固定板15通过螺钉相固定，所述步进电机16的输出轴通过联轴器18用与所述丝杠17固定在一起。所述丝杠17穿过滑块13上开设的螺纹通孔，以能带动所述滑块13往复移动，进而带动焊枪11上下移动，所述焊枪11内设置有与外接阳极相连的焊丝。
连接板3一端呈筒状，以供铣削加工头21穿入并与连接板3固定，所述连接板3另一端呈板状，以通过紧固件与所述固定槽14相固定。所述电弧增材单元1和铣削加工单元2通过连接板相连接，电弧增材单元1和铣削加工单元2可以整体移动，即整体发生上下、左右以及前后的移动，在步进电机的驱动下，丝杠运动，带动焊枪相对铣削加工头上下移动，使铣削加工头和焊枪具有相对距离差，方便进行增材制造或者是切削加工。
在本发明的一个实施例中，固定槽14呈矩形体状，所述滑块13内嵌在所述固定槽14内，以在所述固定槽14约束下平稳上下滑动。
本发明中，电弧增材单元整体固定在三轴数控机床平台上，铣削加工单元与电弧增材单元固定在一起，由步进电机16通过联轴器18带动丝杠17进行转动，从而丝杠上面的滑块13进行上下运动。焊枪11固定在滑块13上的，从而能自动调节焊枪11的上下位置，形成机床的第四轴，进行增材制造。增材制造结束后，铣削加工单元移动到合适位置进行铣削加工。
在实际工程实践中，整个机械结构的运动由数控机床利用G代码进行控制，此复合加工工艺过程为：
将需要加工的stl格式的模型导入至软件中，进行三维模型的切片及路径规划，生成相应的G代码，然后将G代码导入至数控机床中进行加工；
电弧增材制造：使用自定义的代码控制焊枪的开关，读取并运行导入的G代码，进行电弧增材制造。
铣削加工：当使用焊枪堆积到一定层数时，金属构件高度误差达到阀值时，焊枪通过第四轴抬高，转为铣削过程来消除误差，避免了可能产生的相互干涉。
整个过程的控制使用同一套数控代码，电弧增材制造过程作为加法，铣削加工作为减法，综合两者的优点满足了金属零件制造快速性、成形件表面高精度的要求。
总之，本发明针对目前金属增材制造技术中加工精度不高的问题，开发了电弧增材制造与铣削相结合的工艺装备系统，形成一套集产品设计、材料信息、零件成形和表面处理于一身的工艺设备，充分利用了增材制造技术和铣削加工技术，可一次性生产出高精度的加工产品。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电弧增材和铣削加工装置，其特征在于，其包括电弧增材单元(1)和铣削加工单元(2)，其中，
所述铣削加工单元(2)整体设置在机床上，其包括铣削加工头(21)，
所述铣削加工单元(2)和所述电弧增材单元(1)相连接，以能整体移动，
所述电弧增材单元包括焊枪(11)、支撑板(12)、滑块(13)、固定槽(14)、固定板(15)、步进电机(16)以及丝杠(17)，所述焊枪(11)一端与滑块(13)固定，所述焊枪(11)另一端穿过支撑板(12)的通孔，所述支撑板(12)与步进电机(16)相固定，所述固定板(15)也与所述步进电机(16)相固定，所述固定槽(14)与所述固定板(15)相固定，所述步进电机(16)的输出轴连接有丝杠(17)，所述丝杠(17)穿过滑块(13)上开设的螺纹通孔，以能带动所述滑块(13)往复移动，进而带动焊枪(11)上下移动，所述焊枪(11)内设置有与外接阳极相连的焊丝。
2.如权利要求1所述的一种电弧增材和铣削加工装置，其特征在于，还包括连接板(3)，所述连接板(3)一端固定在铣削加工头(21)，另一端固定在电弧增材单元(1)的固定槽(14)上，以实现所述电弧增材单元(1)和铣削加工单元(2)的连接。
3.如权利要求1或2所述的一种电弧增材和铣削加工装置，其特征在于，所述固定槽(14)呈矩形体状，所述滑块(13)内嵌在所述固定槽(14)内，以在所述固定槽(14)约束下平稳上下滑动。
4.如权利要求3所述的一种电弧增材和铣削加工装置，其特征在于，所述电弧增材单元(1)还包括联轴器(18)，所述联轴器(18)用于将所述步进电机(16)的输出轴和所述丝杠(17)固定在一起。
5.如权利要求2所述的一种电弧增材和铣削加工装置，其特征在于，所述连接板(3)一端呈筒状，以供铣削加工头(21)穿入并与连接板(3)固定，所述连接板(3)另一端呈板状，以通过紧固件与所述固定槽(14)相固定。
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