CN106425501A - 一种无屑激光选区熔化复合铣削保护装置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无屑激光选区熔化复合铣削保护装置及控制方法，用于激光选区熔化成型设备之中，装置包括在激光选区熔化过程中可对成形层面加工的铣削装置和将铣削过程中产生的碎屑及时清除的气体循环系统；所述铣削装置的气体循环系统包括：进气管道、排气管道、气体过滤器、气泵、气体循环装置、保护气瓶、气压阀、以及成型室；所述铣削装置位于成型室内，包括：套筒、铣刀、进气孔、以及排气孔，本发明通过气体循环系统将铣削过程中碎屑及时清除，防止其污染粉床粉末，同时在侧表面铣削时，将侧面粉末清除，防止侧表面粉末对铣削的扰动，从而有效地提高激光选区熔化成型件的质量和性能，降低其内部出现缺陷的概率。

Description

一种无屑激光选区熔化复合铣削保护装置及控制方法
技术领域
本发明涉及激光选区熔化成型的研究领域，特别涉及一种无屑激光选区熔化复合铣削保护装置及控制方法。
背景技术
随着科学技术的发展，用于金属零件表面处理的方法多种多样，其中对金属零件进行铣削加工等是一种常见的金属零件表面处理方式，其加工效率高，能够获得优异的表面质量，但容易产生较多细碎的切屑，目前被广泛应用于金属的加工制造。
激光选区熔化是在激光选区烧结的基础上发展起来的一种目前被广泛应用的快速成型方法。激光选区熔化成型技术在机械加工行业中起到了越来越大的作用，因为能够加工出传统加工方法无法成型的复杂形状零件，从而开始在制造业领域深入应用，成为了如今机械制造业中不可或缺的一部分。在激光选区熔化成型系统中，零件表面处理一般在零件完全成型之后再单独进行并且只能对成型件的最外层进行加工处理。无法在零件成型时进行加工处理，因而成型件内部容易产生裂纹、密度不一、成型表面质量差等缺陷。
因此需要研究一种能够在激光选区熔化成型零件过程中的零件成形层面处理的方法，能够避免铣削加工过程容易产生较多细碎切屑污染激光选区熔化成形粉床中的粉末的缺点，同时也可以避免成形零件侧面铣削过程中，零件侧表面堆积的粉末对铣削刀具的扰动，使激光选区熔化成型零件质量性能更好。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种无屑激光选区熔化复合铣削保护装置，在激光选区熔化过程中可对成形层面加工的铣削装置和将铣削过程中产生的碎屑及时清除的气体循环系统，以此来提高激光选区熔化成型件的质量性能，防止铣削过程产生的碎屑对粉床中的粉末污染，影响工艺的稳定，同时侧表面铣削时，将侧表面的粉末也能及时清除，防止侧表面堆积的粉末对刀具的扰动影响，并尝试利用多种金属加工成型的优点，将各种金属加工工序进行优化整合，开辟新的加工工序流程。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明一种无屑激光选区熔化复合铣削保护装置，用于激光选区熔化成型设备之中，包括铣削装置和铣削装置的气体循环系统；所述铣削装置的气体循环系统包括：进气管道、排气管道、气体过滤器、气泵、气体循环装置、保护气瓶、气压阀、以及成型室；所述铣削装置位于成型室内，包括：套筒、铣刀、进气孔、以及排气孔，所述套筒与铣刀的顶部以挂钩式装夹固定，在铣刀顶部的四个方向分别各有一个挂钩式装夹与套筒对应，所述进气孔、以及排气孔设置在套筒上；所述气体过滤器的入口连接由铣削装置套筒导出的排气管，出口连接气泵；所述气泵上接气体过滤器，下接气体循环装置；所述气体循环装置整合于激光选区熔化成型设备内，气体循环装置入口上端为气泵，出口接保护气回路管道。
作为优选的技术方案，所述铣刀的刀架连接移动导轨来实现铣刀在在X、Y、Z三个方向上的自由移动。
作为优选的技术方案，所述气体过滤器位于成型室外，并安装于激光选区熔化成型设备上。
作为优选的技术方案，所述气体过滤器内置过滤棉，过滤掉由排气管从成型室导出的表面处理过程中产生的细微切屑。
作为优选的技术方案，所述气泵独立安装于激光选区熔化成型设备外，单独放置，对成型室进行抽真空处理。
作为优选的技术方案，所述气体循环装置由电机驱动，吸入入口上端保护气再从出口排出，以此来维持保护气的循环流动。
作为优选的技术方案，所述保护气瓶独立安装于激光选区熔化成型设备外，单独放置，为成型室激光选区熔化成型和成型件表面处理时提供保护气，并且为气体循环系统提供保护气。
作为优选的技术方案，所述成型室底部为成型缸和粉料缸，粉料缸提供激光选区熔化成型的原材料金属粉末，成型件位于成型缸内；成型室顶部左端安装振镜来传导激光至成型件表面进行加工，铺粉刷安装于成型室内，其底部与成型缸、粉料缸表面齐平，初始位置位于粉料缸与成型室侧壁之间，计算机控制铺粉刷移动将粉料缸的金属粉末扫入成型缸基板表面，利用激光进行成型。
作为优选的技术方案，所述套筒上开有三对进气孔、排气孔，所述进气孔、排气孔分别连接气体循环回路的进、排气管；三对进、排气孔相互隔120°分布，进气孔由一个圆柱孔和一个圆弧孔连接组成，圆弧孔底部为矩形，圆弧孔中心线与铣刀中心线成60°夹角，出气孔为圆锥孔，圆锥孔中心线与铣刀中心线成45°夹角，套筒长度小于装夹后铣刀的长度。
本发明无屑激光选区熔化复合铣削保护装置的控制方法，包括下述步骤：
S1、先让气泵工作对成型室抽真空，抽真空完成后气泵停止工作，然后将保护气瓶阀口打开，向气体循环系统管道通气；
S2、保护气经过气压阀进入到进气管道，通过套筒上的进气孔到达铣刀位置，再经由排气管排出，经过气体过滤器，气体循环装置形成循环回路；
S3、通气完成后气体循环系统达到稳定状态，铣刀在计算机控制下移动到成型缸上方对成型件表面加工，加工过程中会产生细微的切屑，产生的细微切屑随保护气通过气体过滤器，切屑不能通过气体过滤器，因此被过滤掉，气体循环装置在保护气瓶通气结束已经开始工作，维持气体循环系统的稳定；
S4、铣刀在移动导轨上进行移动，实现在X、Y、Z三方向上的自由移动，在成型件加工过程中需要换刀时，将铣刀移入刀库，松开装夹取出套筒，再进行换刀，最后再装夹上套筒，铣刀回位继续进行加工。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1.在成型的方法上的创新：以往的激光选区熔化成型设备，只能够实现零件的快速成型，但不能在成型过程中对成型件进行加工，而整合增添了该铣削装置之后，丰富了激光选区熔化成型，使激光选区熔化成型过程更加丰富和深入。
2.对成型件质量的改善：单单由激光选区熔化成型设备成型的零件由于成型过程中铺粉刷、层厚以及金属粉末纯度等的影响，加工出来容易存在一些缺陷，难以商用。将激光选区熔化成型与金属表面加工处理进行整合，缩短激光选区熔化成型零件表面处理步骤，并使零件能够在激光选区熔化成型过程中进行表面处理，能够有效地提高激光选区熔化成型件的质量和性能，降低其内部出现缺陷的概率。
3.开辟激光选区熔化成型的新领域：通过尝试利用多种金属加工成型的优点，将各种金属加工工序进行优化整合，形成新的加工工序，这为激光选区熔化成型的发展开辟了新的方向和领域。
附图说明
图1为铣削装置的气体循环系统原理图；
图2(a)为铣削装置结构的左视图；
图2(b)为铣削装置结构的主视图；
图2(c)为铣削装置结构的俯视图；
图3为铣削装置在激光选区熔化成型设备中的加工示意图；
图4(a)为铣削装置结构第一视角的三维视图；
图4(b)为铣削装置结构第二视角的三维视图。
附图标号说明：1.铣削装置、2.气体过滤器、3.气泵、4.气体循环装置、5.保护气瓶、6.气压阀、7.成型室、8.进气管道、9.排气管道、10.套筒、11.成型件、12.铣刀、13.进气孔、14.排气孔、15.振镜、16.铺粉刷、17.成型缸、18.粉料缸。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，本实施例一种无屑激光选区熔化复合铣削保护装置，用于激光选区熔化成型设备之中，包括铣削装置和铣削装置的气体循环系统；所述铣削装置的气体循环系统包括：进气管道8、排气管道9、气体过滤器2、气泵3、气体循环装置4、保护气瓶5、气压阀6、以及成型室7；所述铣削装置1位于成型室内，包括：套筒10、铣刀12、进气孔13、以及排气孔14。
如图2(a)-图2(c)、图4(a)、图4(b)所示，所述铣削装置1位于成型室内，铣削装置由铣刀和套筒组成，铣刀刀架连接移动导轨来实现铣刀在X、Y、Z三方向上的自由移动，套筒与铣刀顶部以挂钩式装夹固定，在铣刀顶部的四个方向分别各有一个挂钩式装夹与套筒对应，套筒和铣刀均可拆卸以进行换刀，铣刀的大小由加工过程中成型部分的水平截面积决定。没有进行成型件表面处理时，铣削装置位于成型室粉料缸一侧，记为初始位置；进行成型件表面处理时，铣削装置由计算机控制移动到成型件上方对成型件进行加工；成型件表面处理结束后，铣削装置回到初始位置。
所述气体过滤器2位于成型室外，安装于激光选区熔化成型设备上。入口连接由铣削装置1套筒10导出的排气管9，出口连接气泵3。气体过滤器内置过滤棉，过滤由排气管从成型室导出的表面过程中产生的细微切屑。
所述气泵3独立安装于激光选区熔化成型设备外，单独放置。其上接气体过滤器2，下接气体循环装置4。气泵主要功能是对成型室进行抽真空，为之后的通保护气做好准备。因为氧含量过高的成型环境不利于成型出高质量的零件。
所述气体循环装置4整合于激光选区熔化成型设备内，入口上端为气泵3，出口接保护气回路管道。气体循环装置由电机驱动，吸入入口上端保护气再从出口排出，以此来维持保护气的循环流动，使保护气能够有效地带走成型室内表面处理产生的切屑。当气体循环装置4工作时，气泵3不工作。
所述保护气瓶5独立安装于激光选区熔化成型设备外，单独放置。保护气瓶主要为成型室激光选区熔化成型和成型件表面处理时提供保护气，并且为气体循环系统提供保护气，当气压阀6显示气体管路气压不足时，及时打开保护气瓶阀门供气。
所述成型室7为激光选区熔化成型设备的核心部分，如图3。所述成型室底部为成型缸17和粉料缸18，粉料缸18提供激光选区熔化成型的原材料金属粉末，成型件位于成型缸17内；成型室顶部左端安装振镜15来传导激光至成型件表面进行加工，铺粉刷16安装于成型室内，其底部与成型缸17、粉料缸18表面齐平，初始位置位于粉料缸与成型室侧壁之间，计算机控制铺粉刷16移动将粉料缸的金属粉末扫入成型缸基板表面，利用激光进行成型。
所述套筒10与铣刀顶部以挂钩式装夹固定，在铣刀顶部的四个方向分别各有一个挂钩式装夹与套筒对应，套筒可拆卸。套筒上开有三对进排气孔，分别连接气体循环回路的进排气管。三对进排气孔相互隔120°分布，进气孔由一个圆柱孔和一个圆弧孔连接组成，圆弧孔底部为矩形，有利于进气时保护气带走细微切屑，而不是下落到成型件表面从而影响之后的成型。圆弧孔中心线与铣刀中心线成60°夹角，出气孔为圆锥孔，圆锥孔中心线与铣刀中心线成45°夹角，套筒长度小于装夹后铣刀的长度。
如图3所示，在实际的钛合金激光选区熔化成型过程中，利用激光选区熔化成型和铣削加工来获得性能、质量更优的钛合金成型件。首先进行激光选区熔化成型：开启激光选区熔化成型设备，向成型室7的粉料缸18内加入适当的钛合金金属粉末，调节成型缸17放置调节好基板，向设备中计算机内导入成型零件的数据，打开激光器，待所有准备工作完成后，气泵3开始对成型室7抽真空，抽完真空之后保护气瓶阀门打开对成型室充保护气，观察气压阀6待管道气压达到标准之后停止供应保护气，此时气体循环装置4开始工作维持气体循环系统的稳定。
激光选区熔化成型设备开始工作，铺粉刷16启动向右铺粉至成型缸17基板表面，然后回位到左端初始位置结束一次铺粉过程；激光由激光器产生，经振镜15传导，照射到粉末表面进行激光选区熔化成型。每层粉末层厚设定为0.04mm，铺粉刷16每铺粉50次后暂停铺粉，即成型件每成型2mm，激光选区熔化成型暂停一次。开始对钛合金零件已成型的部分进行表面处理，成型室7已经充满保护气，且气体循环系统维持正常，气体循环装置4正常工作。铣刀12在计算机控制下移动到成型缸已成型部分上方准备对钛合金零件已成型部分表面加工，套筒长度小于装夹后铣刀的长度2mm，不影响铣刀工作，铣刀的大小由加工过程中成型部分的表面积决定。
铣刀对钛合金零件已成型部分表面处理时，产生的细微切屑随保护气通过连接在套筒排气孔上的排气管排出，通过气体过滤器2时，切屑被过滤掉。保护气通过后被气体循环装置吸入并排出到气体管道，再重新进入到成型室，构成气体循环系统。
铣刀对钛合金零件已成型部分表面处理结束后，回复到初始位置，再继续进行激光选区熔化成型。循环上述成型和加工步骤直至钛合金零件成型完毕。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的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 (10)

1.一种无屑激光选区熔化复合铣削保护装置，用于激光选区熔化成型设备之中，其特征在于，包括铣削装置和铣削装置的气体循环系统；所述铣削装置的气体循环系统包括：进气管道(8)、排气管道(9)、气体过滤器(2)、气泵(3)、气体循环装置(4)、保护气瓶(5)、气压阀(6)、以及成型室(7)；所述铣削装置(1)位于成型室内，包括：套筒(10)、铣刀(12)、进气孔(13)、以及排气孔(14)，所述套筒(10)与铣刀(12)的顶部以挂钩式装夹固定，在铣刀(12)顶部的四个方向分别各有一个挂钩式装夹与套筒(10)对应，所述进气孔(13)、以及排气孔(14)设置在套筒(10)上；所述气体过滤器(2)的入口连接由铣削装置(1)套筒(10)导出的排气管(9)，出口连接气泵(3)；所述气泵(3)上接气体过滤器(2)，下接气体循环装置(4)；所述气体循环装置(4)整合于激光选区熔化成型设备内，气体循环装置(4)入口上端为气泵(4)，出口接保护气回路管道。
2.根据权利要求1所述的无屑激光选区熔化复合铣削保护装置，其特征在于，所述铣刀(12)的刀架连接移动导轨来实现铣刀在在X、Y、Z三个方向上的自由移动。
3.根据权利要求1所述的无屑激光选区熔化复合铣削保护装置，其特征在于，所述气体过滤器(2)位于成型室(7)外，并安装于激光选区熔化成型设备上。
4.根据权利要求1或3所述的无屑激光选区熔化复合铣削保护装置，其特征在于，所述气体过滤器(2)内置过滤棉，过滤掉由排气管(9)从成型室(7)导出的表面处理过程中产生的细微切屑。
5.根据权利要求1所述的无屑激光选区熔化复合铣削保护装置，其特征在于，所述气泵(3)独立安装于激光选区熔化成型设备外，单独放置，对成型室(7)进行抽真空处理。
6.根据权利要求1所述的无屑激光选区熔化复合铣削保护装置，其特征在于，所述气体循环装置(4)由电机驱动，吸入入口上端保护气再从出口排出，以此来维持保护气的循环流动。
7.根据权利要求1所述的无屑激光选区熔化复合铣削保护装置，其特征在于，所述保护气瓶(5)独立安装于激光选区熔化成型设备外，单独放置，为成型室激光选区熔化成型和成型件表面处理时提供保护气，并且为气体循环系统提供保护气。
8.根据权利要求1所述的无屑激光选区熔化复合铣削保护装置，其特征在于，所述成型室底部为成型缸(17)和粉料缸(18)，粉料缸(18)提供激光选区熔化成型的原材料金属粉末，成型件位于成型缸(17)内；成型室顶部左端安装振镜(15)来传导激光至成型件表面进行加工，铺粉刷(16)安装于成型室内，其底部与成型缸(17)、粉料缸(18)表面齐平，初始位置位于粉料缸与成型室侧壁之间，计算机控制铺粉刷(16)移动将粉料缸的金属粉末扫入成型缸基板表面，利用激光进行成型。
9.根据权利要求1所述的无屑激光选区熔化复合铣削保护装置，其特征在于，所述套筒(10)上开有三对进气孔(13)、排气孔(14)，所述进气孔(13)、排气孔(14)分别连接气体循环回路的进、排气管；三对进、排气孔相互隔120°分布，进气孔(13)由一个圆柱孔和一个圆弧孔连接组成，圆弧孔底部为矩形，圆弧孔中心线与铣刀中心线成60°夹角，出气孔(14)为圆锥孔，圆锥孔中心线与铣刀中心线成45°夹角，套筒长度小于装夹后铣刀的长度。
10.根据权利要求1-9中任一项所述无屑激光选区熔化复合铣削保护装置的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1、先让气泵(3)工作对成型室(7)抽真空，抽真空完成后气泵停止工作，然后将保护气瓶(5)阀口打开，向气体循环系统管道通气；
S2、保护气经过气压阀(6)进入到进气管道(8)，通过套筒(10)上的进气孔(13)到达铣刀(12)位置，再经由排气管(9)排出，经过气体过滤器(2)，气体循环装置(4)形成循环回路；
S3、通气完成后气体循环系统达到稳定状态，铣刀(12)在计算机控制下移动到成型缸(18)上方对成型件(11)表面加工，加工过程中会产生细微的切屑，产生的细微切屑随保护气通过气体过滤器(2)，切屑不能通过气体过滤器(2)，因此被过滤掉，气体循环装置(4)在保护气瓶通气结束已经开始工作，维持气体循环系统的稳定；
S4、铣刀在移动导轨上进行移动，实现在X、Y、Z三方向上的自由移动，在成型件加工过程中需要换刀时，将铣刀移入刀库，松开装夹取出套筒，再进行换刀，最后再装夹上套筒，铣刀回位继续进行加工。
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