CN107598162A - 增材减材与超声处理结合的金属零件复合制造系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种增材减材与超声处理相结合的金属零件复合制造系统与工艺，所述系统包括增材打印单元、减材切削单元、超声表面处理单元、系统切换单元、多自由度工作台和控制单元，增材打印单元、减材切削单元和超声表面处理单元安装于系统切换单元上，系统切换单元能够在控制单元的控制下将增材打印单元、减材切削单元或超声表面处理单元切换于多自由度工作台的上方。本发明在金属增材制造中同时耦合在线超声表面强化技术和减材切削加工技术，使增材过程中在线减材切削提高表面平整度和在线超声表面处理改善残余应力分布、细化微观组织同时发挥作用，解决了金属增材制造中材料残余应力大、表面粗糙度高、成型精度差和微观组织不均匀等问题。

Description

增材减材与超声处理结合的金属零件复合制造系统与方法

技术领域

本发明属于金属零部件的加工制造领域，具体涉及一种金属零件复合制造技术，尤其是一种增材减材与超声处理相结合的金属零件复合制造系统与方法。

背景技术

快速发展的航空航天、汽车、能源、电子等制造业对精密复杂零件快速制造的需求变得越来越迫切。传统的减材制造已经无法满足此需求。近年来兴起的增材制造技术由于其快速、灵活、低成本(无模具)等优势能够很好的弥补传统制造工艺的不足。然而增材制造工艺所生产的金属零件往往伴随着表面精度差、应力变形大、微观组织不均匀等等问题，制约了其在高端工业领域的应用。增材制造所生产的零件往往需要在减材加工机床上进行二次成型和额外的热处理、表面处理等等，降低了加工效率并且增加了操作的复杂性。为了提高增材制造效率，提高成型精度，并使得增材制造技术真正应用于实际工业领域，已有报道将增材技术与传统减材工艺结合起来制备金属零件。通过将增材与减材制造结合，所生产的金属零件能够拥有较好的表面精度，零件的内孔和中空等难加工部位也可以在增材制造的过程中进行铣削抛光等操作，从而极大地提高了增材制造技术在生产加工精密零件的适用性。但是高能束金属增材制造过程中熔池尺寸小，冷却速率极快，容易导致材料内部微观组织不均匀，各向异性明显，残余热应力大，因此增材与减材相结合的制造技术无法克服零件制造过程中的应力问题。超声表面冲击作为一种有效表面改性方法能够对材料引入有益残余压应力，降低表面粗糙度。同时，高频率的超声冲击能够引发材料表面强烈的塑性变形，从而使表面晶粒纳米化。现有一些报道将超声表面处理技术用于金属增材制造过程来克服零件制造过程中的残余热应力问题，但是这种超声与增材相结合的技术无法保证金属零件的表面制造精度，从而限制了其在高精密仪器加工制造中的有效应用。目前，在金属增材制造过程中同时耦合在线超声表面处理和减材切削的技术尚无报道，本发明基于此提出。

发明内容

本发明提出一种增材减材与超声处理相结合的金属零件复合制造系统与方法，创新地在金属增材制造过程中同时耦合在线超声表面强化处理技术和减材切削加工技术，通过此两项辅助工艺的互相配合能够使增材过程中的逐层改性更加有效，具体的切削过程能够去除凝固熔池表面的氧化层，极大地提高表面的平整度，超声处理过程能够引入一定的残余压应力，从而实现了增材过程中在线减材切削提高表面平整度和在线超声表面处理改善残余应力分布、细化微观组织同时发挥作用，很好地解决了金属增材制造过程中材料残余应力大、表面粗糙度高、成型精度差和微观组织不均匀等问题，避免了后续的表面处理和精加工，属于一种易操作、高效率、适于生产高性能金属零件的同时结合增材减材和超声波材料改性的全新复合制造工艺。采用此复合制造工艺所生产的金属零件，具有极低的有害残余拉应力，与传统减材切削工艺相当的低粗糙度，并且晶粒得到细化微观组织分布均匀，且所加工零件的机械性能方面也能得到明显提升，包括拉升强度、延展性和疲劳性能，因此可直接应用于各类高端结构零件和精密零件的加工及再制造，应用前景广阔。

本发明解决所述技术问题所采取的技术方案如下：

一种增材减材与超声处理相结合的金属零件复合制造系统，包括：增材打印单元、减材切削单元、超声表面处理单元、系统切换单元、多自由度工作台和控制单元，所述增材打印单元、减材切削单元和超声表面处理单元安装于所述系统切换单元上，所述系统切换单元、增材打印单元、减材切削单元和超声表面处理单元均连接于所述控制单元，所述多自由度工作台用于放置待制造金属零件，所述系统切换单元能够在所述控制单元的控制下将增材打印单元、减材切削单元或超声表面处理单元切换于多自由度工作台的上方。

进一步的根据本发明所述的金属零件复合制造系统，其中所述系统切换单元包括系统主轴4和切换辅轴14，所述系统主轴4连接于所述控制单元10，并能够在所述控制单元10的控制下进行旋转，所述切换辅轴14连接于所述系统主轴4，所述切换辅轴14包括第一辅轴、第二辅轴和第三辅轴，所述第一辅轴上安装有所述增材打印单元，所述第二辅轴上安装有所述减材切削单元，所述第三辅轴上安装有所述超声表面处理单元。

进一步的根据本发明所述的金属零件复合制造系统，其中所述第一辅轴、第二辅轴和第三辅轴在同一平面内垂直连接于所述系统主轴，所述第一辅轴与所述第二辅轴成90°设置，所述第二辅轴与所述第三辅轴成90°设置，所述第三辅轴与所述第一辅轴成180°设置。

进一步的根据本发明所述的金属零件复合制造系统，其中所述增材打印单元包括送料机构1、喷嘴2和热源发生器9，所述送料机构1连接于所述喷嘴2，所述喷嘴2靠近所述热源发生器9设置，并能够将打印原材料送至热源发生器9的热源聚焦处，所述热源发生器9连接于所述控制单元10；所述减材切削单元包括切削刀具6和驱动电机7，所述切削刀具6连接于所述驱动电机7的输出转轴，所述驱动电机7连接于所述控制单元10；所述超声表面处理单元包括超声发生器13和超声作用头8，所述超声作用头8能够在超声发生器13的控制下进行高频振动，所述超声发生器13连接于所述控制单元10。

进一步的根据本发明所述的金属零件复合制造系统，其中所述多自由度工作台包括基底15、三维平移机构16、双轴转动机构11和加工基板3，所述三维平移机构16设置于所述基底15上，并能够相对于所述基底15沿三个维度方向进行平移，所述双轴转动机构11设置于所述三维平移机构16上，并能够相对于所述三维平移机构16沿两个轴向方向进行旋转，所述加工基板3安装于所述双轴转动机构11上，所述加工基板3用于放置待制造金属零件12。

一种基于本发明所述金属零件复合制造系统进行的金属零件复合制造方法，包括以下步骤：

步骤一、向待制造金属零件12所处的制造空间内充入保护气体；

步骤二、控制单元10通过系统切换单元将增材打印单元切换至多自由度工作台的加工基板3上方，启动增材打印单元的热源发生器9，并使增材打印单元的送料机构1将打印原材料送至热源发生器9在加工基板3上的热源聚焦处，通过控制单元10的数控程序控制增材打印单元根据待制造金属零件的截面形状在加工基板3上打印沉积特定层数，形成增材打印层；

步骤三、控制单元10通过系统切换单元将减材切削单元切换至加工基板3的增材打印层的上方，启动减材切削单元的驱动电机7，利用减材切削单元的切削刀具6对增材打印层的表面进行切削加工，切削加工厚度小于增材打印层厚度；

步骤四、控制单元10通过系统切换单元将超声表面处理单元切换至加工基板3的经过切削加工处理的增材打印层的上方，启动超声表面处理单元的超声发生器13，通过超声表面处理单元的超声作用头8按照预定频率对经过切削加工处理的增材打印层的表面进行超声处理；

步骤五、控制单元10通过系统切换单元将增材打印单元再次切换至加工基板3的经过超声处理的增材打印层的上方，重复步骤二至步骤四进行待制造金属零件的逐层打印、切削和超声处理，直至制得完整的金属零件。

进一步的根据本发明所述的金属零件复合制造方法，其中步骤一中的制造空间为将增材打印单元、减材切削单元、超声表面处理单元和放置有待制造金属零件的多自由度工作台罩设在内的惰性气体密封空间；步骤二中打印沉积所形成的特定层数的增材打印层的总厚度在400微米以上；步骤三中对增材打印层的上表面进行切削加工，且切削加工厚度在100-300微米之间；步骤四中，对经过切削加工处理的增材打印层的上表面进行超声处理。

进一步的根据本发明所述的金属零件复合制造方法，其中步骤三具体包括：

步骤3-1：控制单元10通过系统切换单元将减材切削单元切换至加工基板3的增材打印层的上方，启动减材切削单元的驱动电机7，利用减材切削单元的切削刀具6先对增材打印层的上表面进行切削加工，切削加工厚度小于增材打印层厚度；

步骤3-2：接着更换减材切削单元的切削刀具，利用更换后的切削刀具对增材打印层的外表面进行精密铣削，使外表面粗糙度Ra达到3μm。

进一步的根据本发明所述的金属零件复合制造方法，其中：步骤一中向制造空间内充入保护气体的量应使得制造空间内的氧气含量低于0.4％；步骤二中，增材打印单元的热源发生器9为激光功率在400w的激光发生器，增材打印单元的送料机构提供的打印原材料为球形不锈钢粉末，送料机构的送粉速率为每分钟100g，打印过程中增材打印单元的喷嘴与激光发生器保持相对位置不变，并根据金属零件截面形状在加工基板上打印两层形成总层厚为600μm的增材打印层；步骤三中，首先控制减材切削单元的驱动电机7的转速为每分钟600转，切削刀具使用直径为15mm的铣刀，对增材打印层的上表面进行铣削深度为200μm的一次铣削；然后将切削刀具更换为直径3mm的铣刀对增材打印层的外表面进行精密铣削，使外表面粗糙度Ra达到＝3μm、零件成型精度为2μm；步骤四中超声发生器13的超声波工作频率设置为40KHz、振幅设置为30μm，超声作用头8采用钨钢锤头，通过锤头对经过切削加工处理的增材打印层的上表面进行超声处理并维持接触作用力为25N，纳米化表面晶粒。

一种金属零件复合制造方法，所述方法基于同时包括增材打印单元、减材切削单元和超声表面处理单元的金属零件复合制造系统进行，具体包括以下步骤：

步骤一、向金属零件制造工作台面充入保护气体；

步骤二、利用增材打印单元按照金属零件截面形状在制造工作台面上打印形成特定层数的增材打印层；

步骤三、利用减材切削单元对增材打印层的表面进行减材切削加工处理，减材切削加工厚度小于增材打印层厚度；

步骤四、利用超声表面处理单元对经过减材切削加工处理的增材打印层表面进行超声处理；

步骤五、重复步骤二至步骤四对金属零件逐层进行增材打印、减材切削和超声处理，直至制得完整的金属零件。

通过本发明的技术方案至少能够达到以下技术效果：

1)、本发明所述金属零件复合制造系统首创的实现了增材减材与超声处理相结合，从而在零件加工制造中很好地解决了金属增材制造过程中材料残余应力大、表面粗糙度高、成型精度差和微观组织不均匀等问题，避免了后续的表面处理和精加工，属于一种易操作、高效率、适于生产高性能金属零件的同时结合增材减材和超声波材料改性的全新复合制造系统。

2)、采用本发明所述金属零件复合制造工艺所生产的金属零件，具有极低的有害残余拉应力，与传统减材切削工艺相当的低粗糙度，并且晶粒得到细化微观组织分布均匀，且所加工零件的机械性能方面也能得到明显提升，包括拉升强度、延展性和疲劳性能，因此可直接应用于各类高端结构零件和精密零件的加工及再制造，应用前景广阔。

3)、本发明在增材过程中，在线超声表面处理改善残余应力分布、细化微观组织和在线减材切削提高加工精度两项辅助工艺同时发挥作用，极大的提高了增材制造金属零件的质量和可用性。

4)、本发明的复合制造系统首次同时耦合增材打印单元、减材切削单元和超声表面处理单元，减材切削单元集成了刀具库可自动取/放刀具，三个子单元可在零件成型过程视具体要求中随意切换，整个零件加工过程可由数控代码控制也可手动控制，方便操控。

5)、本发明的复合制造工艺在增材过程中逐层或间隔特定层数对零件进行切削和超声处理，所生产零件从性能到精度方面均可满足高精密高性能工业需求，无需额外的后处理工序。

6)、本发明的复合制造工艺使用了5轴自由度(含3平动轴、2旋转轴)的工作台，并与增材打印单元、减材切削单元和超声表面处理单元有效集成，可以加工任何复杂几何形状的高性能金属零件，应用领域宽广。

7)、总之本发明属于金属零件增材制造领域中的一种易操作、高效率、适于生产高性能金属零件的、同时结合增材减材和超声波材料改性的创新制造技术，有效克服了现有金属增材制造过程中有害残余应力大、加工精度低、表面粗糙度高和微观组织不均匀等缺点，使得金属零件的制造和价格精度得到极大提升，避免了后续的二次处理工序，同时零件的机械性能方面也得到明显提升，包括拉升强度、延展性和疲劳性能，可广泛推广应用于各类高端结构零件和精密零件的制造，市场前景广阔。

附图说明

图1为本发明所述增材减材与超声处理相结合的金属零件复合制造系统的整体结构示意图。

图中各附图标记的含义如下：

1-送料机构，2-喷嘴，3-加工基板，4-系统主轴，5-制造空间，6-切削刀具，7-驱动电机，8-超声作用头，9-热源发生器，10-控制单元，11-双轴转动机构，12-待制造金属零件，13-超声发生器，14-切换辅轴，15-基底，16-三维平移机构。

具体实施方式

以下结合附图对本发明所述的技术方案进行详细的描述，以使本领域技术人员能够更加清楚的理解本发明，但并不因此限制本发明的保护范围。

本发明提出了一种全新的制造工艺技术，尤其是针对金属零件的复合制造技术，具体包括金属零件复合制造系统和复合制造工艺，所述复合制造系统与工艺同时集成了增材打印技术、减材切削技术和超声波表面改性处理技术，采用此复合制造系统生产的金属零件，具有极低的有害残余拉应力，与传统减材切削工艺相当的低粗糙度，并且晶粒得到细化微观组织分布均匀，而且所加工零件的机械性能方面也能得到明显提升，包括拉升强度、延展性和疲劳性能，因此可直接应用于各类高端结构零件和精密零件的加工制造。

首先详细描述本发明提出的增材减材与超声处理相结合的金属零件复合制造系统的结构。如附图1所示，所述金属零件复合制造系统包括增材打印单元、减材切削单元、超声表面处理单元、系统切换单元、多自由度工作台和控制单元。所述的增材打印单元、减材切削单元和超声表面处理单元安装于所述系统切换单元上，所述系统切换单元连接于所述控制单元，并在所述控制单元的控制下能够对增材打印单元、减材切削单元和超声表面处理单元进行工作切换，待制造金属零件12放置于所述多自由度工作台，所述系统切换单元在控制单元的控制下选择增材打印单元、减材切削单元或超声表面处理单元对放置于多自由度工作台上的金属零件进行加工制造，优选的金属零件的加工制造在一充有保护气体的制造空间中进行。

具体的结合附图1，所述的系统切换单元包括系统主轴4和切换辅轴14，所述系统主轴4连接于控制单元10，并能够在控制单元10的控制下进行旋转，所述切换辅轴连接于所述系统主轴4上，优选的所述切换辅轴包括第一辅轴、第二辅轴和第三辅轴，所述第一辅轴、第二辅轴和第三辅轴均垂直连接于所述系统主轴上，优选的垂直连接于所述系统主轴的底端，且所述第一辅轴上安装有增材打印单元，所述第二辅轴上安装有减材切削单元，所述第三辅轴上安装有超声表面处理单元，优选的所述第一辅轴、第二辅轴和第三辅轴在同一平面内垂直连接于所述系统主轴，且所述第一辅轴与所述第二辅轴成90°设置，所述第二辅轴与所述第三辅轴成90°设置，所述第三辅轴与所述第一辅轴成180°设置，这样在控制单元的控制下，在零件加工制造过程中，先由第一辅轴上的增材打印单元进行增材制造后，控制单元控制系统主轴旋转90°，由第二辅轴上的减材切削单元对零件进行切削加工，接着控制单元控制系统主轴再旋转90°，由第三主轴上的超声表面处理单元对零件进行超声波表面强化改性处理，最后控制单元控制系统主轴旋转180°再次由第一辅轴上的增材打印单元进行增材制造，如此往复循环实现了同时结合增材打印、减材切削和超声表面处理的金属零件复合制造。

具体的结合附图1，所述增材打印单元包括送料机构1、喷嘴2和热源发生器9，所述送料机构1可为送粉罐或送丝器，连接于所述喷嘴2，所述喷嘴2为送粉喷嘴或送丝喷嘴，所述喷嘴2和热源发生器9配合工作，具体的所述喷嘴2将打印物料送至热源发生器9的热源聚焦处，所述热源发生器9连接于所述控制单元10，并在其控制下进行工作，优选的所述增材打印单元为激光3D打印机，所述热源发生器9为激光发生器。所述减材切削单元包括切削刀具6和驱动电机7，所述切削刀具6连接于所述驱动电机7的输出转轴，并能够在驱动电机7的驱动下进行旋转，所述驱动电机7连接于所述控制单元，并在其控制下进行工作。所述超声表面处理单元包括超声发生器13和超声作用头8，所述超声作用头8能够在超声发生器13的控制下对待加工金属零件表面进行超声高频锤击作用，使零件表层金属产生变形，消除聚焦热源产生的残余热应力，达到改善表面质量的目的，所述超声发生器13连接于所述控制单元10，并在其控制下进行工作。

具体的如附图1所示，所述的多自由度工作台用于放置待制造金属零件12，并能够实现待制造零件位置的多维度调节，优选的所述多自由度工作台为5轴位移/旋转机构，包括基底15、三维平移机构16、双轴转动机构11和加工基板3，所述的基底15固定于水平台面上，所述的三维平移机构16设置于所述基底15上，并能够相对于所述基底15沿x、y、z三个方向维度进行平动，所述双轴转动机构11设置于所述三维平移机构16上，并能够相对于所述三维平移机构16沿两个轴向进行旋转，优选的所述双轴转动机构11能够沿y方向进行轴向旋转，并能够沿z方向进行轴向旋转，所述加工基板3安装于所述双轴转动机构11上，从而所述加工基板3在三维平移机构16和双轴转动机构11的作用下能够同时进行x、y、z三个方向的平移和y、z两个方向的转动，实现五轴加工调整，可生产制造任何复杂形状金属零件。

所述控制系统10为全自动控制系统，能够自动基于所制造零件的分层文件获取相应的加工代码进行全自动加工控制，也可借助手动操作进行半自动加工制造。

本发明所述增材减材与超声处理相结合的金属零件复合制造系统在使用时要将待制造金属零件至于保护气体气氛下，优选的如附图1所示的可将放置待制造金属零件加工基板的置于一充有保护气体的制造空间5内，所述制造空间5优选的为至少将放置待制造金属零件的加工基板3罩设在内的惰性气体密封空间，进一步优选的所述制造空间5为将所述增材打印单元、减材切削单元、超声表面处理单元和放置有待制造金属零件的多自由度工作台罩设在内的惰性气体密封空间。

下面给出基于本发明所述增材减材与超声处理相结合的金属零件复合制造系统进行了金属零件复合制造方法，所述方法包含以下几个基本步骤：

步骤一、进行系统初始化设定，基于待制造金属零件的结构和材质在控制单元中设置好增材打印单元、减材切削单元和超声表面处理单元的工作控制参数，并调节和设置好增材打印单元、减材切削单元和超声表面处理单元，包括送料机构中的打印原材料选择、减材切削单元中的切削刀具选择以及超声表面处理单元中的超声作用头的选择等，系统的初始化设定可基于系统的操作说明进行；

步骤二、将制造空间内充入保护气体，降低氧气含量，所述制造空间为至少包括加工基板的密封操作空间；

步骤三、通过控制单元10控制系统主轴4转动，将增材打印单元切换至加工基板上方，然后启动增材打印单元的热源发生器9，增材打印单元的送料机构将打印原材料送至热源发生器在加工基板3上的热源聚焦处，控制单元的数控程序控制增材打印单元根据待制造零件的截面形状在加工基板上沉积打印特定层数，优选的所述特定层数的总厚度控制在400微米以上，更优选的在400-1000微米之间，进一步优选的在500-800微米之间。

步骤四、通过控制单元控制系统主轴4转动，将减材切削单元切换至加工基板上方，然后启动减材切削单元的驱动电机7，并利用其切削刀具6对步骤三沉积形成的打印工件上表面进行切削加工，以去除打印工件上表面的应力形变，使工件上表面保持水平和较高的平整度，以利于后续超声处理和材料的均匀沉积。优选的对工件上表面的切削深度控制在100-300μm；

步骤五、更换减材切削单元的切削刀具(所述系统集成减材刀具库，取/放刀动作可全自动进行，无需人为干预)，利用更换后的切削刀具对打印形成的工件外表面进行精密铣削，提高零件的表面精度，优选的可使外表面粗糙度达到Ra＝3μm。该步骤亦可与步骤四合并，从而在每次对打印沉积形成的特定层数工件的上表面进行切削加工后同时对特定层数工件的外表面进行精密铣削，使得最终制造得到的金属零件外表面满足制造精度，或者等到打印全部结束、金属零件制造成形后对其整体外表面进行一次精密铣削，保证金属零件的表面加工精度；本领域技术人员可根据实际情况进行选择；

步骤六、通过控制单元控制系统主轴4转动，将超声表面处理单元切换至加工基板上方，然后启动超声表面处理单元的超声发生器13，超声作用头8按照预定的超市频率对经过切削加工的打印工件上表面进行高频率的锤击，以消除聚焦热源在工件上表面产生的残余热应力，并对上表面引入均匀分布的残余压应力，纳米化表面晶粒；

步骤七、通过控制单元控制系统主轴4转动，将增材打印单元再次切换至加工基板上方，重复步骤三至步骤六，进行待制造零件的逐层打印、切削和超声处理，直至制得完整的金属零件。

上述过程中，通过在控制单元10设定好对各加工部件的控制参数可实现完全自动化的控制过程，同时可制造过程中可通过调整多自由度工作台，将加工基板调整到满足要求的加工处理位置，从而可以生产制造任何复杂形状的金属零件。对多自由度工作台的调整可基于预先设定的数控程序自动控制进行，亦可在加工过程中对其进行手动调整。

本发明提出的上述金属零件复合制造方法，在金属增材制造过程中同时加入超声表面改性和减材切削的工艺方法，用以降低有害残余应力和工件形变，提高表面精度和微观组织均匀度，通过控制处理的层数间隔，超声冲击强度和切削参数，能够所加工的金属零件达到期望的残余应力分布、成型精度和表面精度。

下面给出本发明的一个具体应用实施例

实施例1

本实施例以316L不锈钢材料为例制备金属零件，原材料形态和供给方式分别为金属粉末和送粉式，具体包括以下步骤(注：所涉及到的具体参数数值均为典型值，仅为更好表述此发明，并不限制此发明的有效使用范围)：

(1)向制造空间5充入保护气体氩气，至氧气含量低于0.4％。

(2)控制单元10通过系统切换单元将增材打印单元切换至不锈钢加工基板3上方。80μm直径的球形316L不锈钢粉末置于增材打印单元的送粉罐内，并开启搅拌功能。粉末在保护气体氩气的保护下由喷嘴2喷出至加工基板3上，送粉速率设定为每分钟100g，热源发生器9采用ND-YAG型的激光发生器，喷嘴2与激光发生器保持相对位置不变，并调整使得粉末喷向激光聚焦处，设置激光功率400w，数控程序根据所打印零件的截面形状选择性地将喷嘴2喷出的粉末熔覆至加工基板表面，逐层熔覆使得零件朝z轴方向生长，优选的形成双层打印层，总层厚控制为600μm。

(3)打印两层后，控制单元10控制系统主轴4顺时针旋转90°，借助第二切换辅轴将减材切削单元切换至加工基板3的打印层上方，启动驱动电机7，设置电机转速600转每分钟，切削刀具使用15mm直径铣刀，对零件打印层上表面进行一次铣削，铣削深度为200μm，去除热应力引起的材料形变和翘曲。

(4)然后将切削刀具更换为3mm铣刀对零件打印层的外表面进行精密铣削，使外表面粗糙度达到Ra＝3μm；亦可根据成型需求将切削刀具6更换为合适的钻头和扩孔钻对零件钻孔(如有钻孔要求的话)；所述系统集成减材刀具库，取/放刀动作可基于控制单元的控制全自动进行，无需人为干预。

(5)控制单元10控制系统主轴4继续顺时针旋转90°切换，借助第三切换辅轴将超声表面处理单元切换至加工基板3的经过切削减材处理的零件打印层上方，启动超声发生器13，设置超声波工作频率40KHz，振幅30μm，超声作用头8为钨钢材质锤头，通过锤头对经过切削减材处理的零件打印层的整个上表面进行超声处理并维持接触作用力25N，消除材料有害拉伸应力，纳米化表面晶粒。

(6)控制单元10控制系统主轴4逆时针旋转180°，借助第一切换辅轴将增材打印单元再次切换至加工基板3的经过超声表面强化处理的零件打印层上方，启动热源发生器，重复步骤2-5，根据数控程序继续逐层熔覆金属粉末进行增材制造、减材切削及超声处理，直至完成整个零件加工制造。

以上过程可全自动操作，首先获取所制造的零件的STL分层文件并获取相应的G加工代码，输入加工系统的控制系统10，也可手动操作加工制造简单零件。以上过程中视待加工零件的具体形状，可沿x、y、z三方向平移调节加工基板3，并可沿y轴向和z轴向旋转调节加工基板3，以满足复杂形状金属零件的生产制造。

用于上述实施例所述金属零件的复合制造系统和工艺的技术与性能指标为(典型值)：

(1)系统最大功率8KW；

(2)零件最大生产速率60g/分钟；

(3)零件最大尺寸500×500×500mm；

(4)制造过程中残余拉应力基本消除，整体压应力100-200MPa；

(5)零件表面粗糙度Ra＝3μm；

(6)零件整体成型精度为2μm。

本发明所提出的增材减材与超声处理相结合的金属零件复合制造系统和工艺到位地解决了金属增材制造过程中材料残余应力大、表面粗糙度高、成型精度差和微观组织不均匀等问题，避免了后续的表面处理和精加工，属于一种易操作、高效率、适于生产高性能金属零件的同时结合增材减材和超声波材料改性的全新复合制造工艺。采用此复合制造工艺所生产的金属零件，具有极低的有害残余拉应力，与传统减材切削工艺相当的低粗糙度，并且晶粒得到细化微观组织分布均匀，且所加工零件的机械性能方面也能得到明显提升，包括拉升强度、延展性和疲劳性能，因此可直接应用于各类高端结构零件和精密零件的加工及再制造。本发明陈述中所涉及的“增材打印”包括各类基于高能束的金属增材制造过程，如电子束、激光和高温电弧，所适用的金属材料包括各类可用于增材制造的金属材料，包括例如纯金属如铁、铜、铝等、或者合金材料，如铝镁合金、钴铬合金、镍基合金、不锈钢、钛合金等等，金属原材料形态包括粉末，丝材，金属箔片等等。本发明不以实施例为限。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴，本发明具体的保护范围以权利要求书的记载为准。

Claims (10)

1.一种增材减材与超声处理相结合的金属零件复合制造系统，其特征在于，包括：增材打印单元、减材切削单元、超声表面处理单元、系统切换单元、多自由度工作台和控制单元，所述增材打印单元、减材切削单元和超声表面处理单元安装于所述系统切换单元上，所述系统切换单元、增材打印单元、减材切削单元和超声表面处理单元均连接于所述控制单元，所述多自由度工作台用于放置待制造金属零件，所述系统切换单元能够在所述控制单元的控制下将增材打印单元、减材切削单元或超声表面处理单元切换于多自由度工作台的上方。

2.根据权利要求1所述的金属零件复合制造系统，其特征在于，所述系统切换单元包括系统主轴(4)和切换辅轴(14)，所述系统主轴(4)连接于所述控制单元(10)，并能够在所述控制单元(10)的控制下进行旋转，所述切换辅轴(14)连接于所述系统主轴(4)，所述切换辅轴(14)包括第一辅轴、第二辅轴和第三辅轴，所述第一辅轴上安装有所述增材打印单元，所述第二辅轴上安装有所述减材切削单元，所述第三辅轴上安装有所述超声表面处理单元。

3.根据权利要求2所述的金属零件复合制造系统，其特征在于，所述第一辅轴、第二辅轴和第三辅轴在同一平面内垂直连接于所述系统主轴，所述第一辅轴与所述第二辅轴成90°设置，所述第二辅轴与所述第三辅轴成90°设置，所述第三辅轴与所述第一辅轴成180°设置。

4.根据权利要求1-3任一项所述的金属零件复合制造系统，其特征在于，所述增材打印单元包括送料机构(1)、喷嘴(2)和热源发生器(9)，所述送料机构(1)连接于所述喷嘴(2)，所述喷嘴(2)靠近所述热源发生器(9)设置，并能够将打印原材料送至热源发生器(9)的热源聚焦处，所述热源发生器(9)连接于所述控制单元(10)；所述减材切削单元包括切削刀具(6)和驱动电机(7)，所述切削刀具(6)连接于所述驱动电机(7)的输出转轴，所述驱动电机(7)连接于所述控制单元(10)；所述超声表面处理单元包括超声发生器(13)和超声作用头(8)，所述超声作用头(8)能够在超声发生器(13)的控制下进行高频振动，所述超声发生器(13)连接于所述控制单元(10)。

5.根据权利要求1-4任一项所述的金属零件复合制造系统，其特征在于，所述多自由度工作台包括基底(15)、三维平移机构(16)、双轴转动机构(11)和加工基板(3)，所述三维平移机构(16)设置于所述基底(15)上，并能够相对于所述基底(15)沿三个维度方向进行平移，所述双轴转动机构(11)设置于所述三维平移机构(16)上，并能够相对于所述三维平移机构(16)沿两个轴向方向进行旋转，所述加工基板(3)安装于所述双轴转动机构(11)上，所述加工基板(3)用于放置待制造金属零件(12)。

6.一种基于权利要求1-5任一项所述金属零件复合制造系统进行的金属零件复合制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、向待制造金属零件(12)所处的制造空间内充入保护气体；

步骤二、控制单元(10)通过系统切换单元将增材打印单元切换至多自由度工作台的加工基板(3)上方，启动增材打印单元的热源发生器(9)，并使增材打印单元的送料机构(1)将打印原材料送至热源发生器(9)在加工基板(3)上的热源聚焦处，通过控制单元(10)的数控程序控制增材打印单元根据待制造金属零件的截面形状在加工基板(3)上打印沉积特定层数，形成增材打印层；

步骤三、控制单元(10)通过系统切换单元将减材切削单元切换至加工基板(3)的增材打印层的上方，启动减材切削单元的驱动电机(7)，利用减材切削单元的切削刀具(6)对增材打印层的表面进行切削加工，切削加工厚度小于增材打印层厚度；

步骤四、控制单元(10)通过系统切换单元将超声表面处理单元切换至加工基板(3)的经过切削加工处理的增材打印层的上方，启动超声表面处理单元的超声发生器(13)，通过超声表面处理单元的超声作用头(8)按照预定频率对经过切削加工处理的增材打印层的表面进行超声处理；

步骤五、控制单元(10)通过系统切换单元将增材打印单元再次切换至加工基板(3)的经过超声处理的增材打印层的上方，重复步骤二至步骤四进行待制造金属零件的逐层打印、切削和超声处理，直至制得完整的金属零件。

7.根据权利要求6所述的金属零件复合制造方法，其特征在于，其中步骤一中的制造空间为将增材打印单元、减材切削单元、超声表面处理单元和放置有待制造金属零件的多自由度工作台罩设在内的惰性气体密封空间；步骤二中打印沉积所形成的特定层数的增材打印层的总厚度在400微米以上；步骤三中对增材打印层的上表面进行切削加工，且切削加工厚度在100-300微米之间；步骤四中，对经过切削加工处理的增材打印层的上表面进行超声处理。

8.根据权利要求6所述的金属零件复合制造方法，其特征在于，其中步骤三具体包括：

步骤(3-1)：控制单元(10)通过系统切换单元将减材切削单元切换至加工基板(3)的增材打印层的上方，启动减材切削单元的驱动电机(7)，利用减材切削单元的切削刀具(6)先对增材打印层的上表面进行切削加工，切削加工厚度小于增材打印层厚度；

步骤(3-2)：接着更换减材切削单元的切削刀具，利用更换后的切削刀具对增材打印层的外表面进行精密铣削，使外表面粗糙度Ra达到3μm。

9.根据权利要求6-8任一项所述的金属零件复合制造方法，其特征在于，其中：步骤一中向制造空间内充入保护气体的量应使得制造空间内的氧气含量低于0.4％；步骤二中，增材打印单元的热源发生器(9)为激光功率在400w的激光发生器，增材打印单元的送料机构提供的打印原材料为球形不锈钢粉末，送料机构的送粉速率为每分钟100g，打印过程中增材打印单元的喷嘴与激光发生器保持相对位置不变，并根据金属零件截面形状在加工基板上打印两层形成总层厚为600μm的增材打印层；步骤三中，首先控制减材切削单元的驱动电机(7)的转速为每分钟600转，切削刀具使用直径为15mm的铣刀，对增材打印层的上表面进行铣削深度为200μm的一次铣削；然后将切削刀具更换为直径3mm的铣刀对增材打印层的外表面进行精密铣削，使外表面粗糙度Ra达到＝3μm、零件成型精度为2μm；步骤四中超声发生器(13)的超声波工作频率设置为40KHz、振幅设置为30μm，超声作用头(8)采用钨钢锤头，通过锤头对经过切削加工处理的增材打印层的上表面进行超声处理并维持接触作用力为25N，纳米化表面晶粒。

10.一种金属零件复合制造方法，所述方法基于同时包括增材打印单元、减材切削单元和超声表面处理单元的金属零件复合制造系统进行，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一、向金属零件制造工作台面充入保护气体；

步骤二、利用增材打印单元按照金属零件截面形状在制造工作台面上打印形成特定层数的增材打印层；

步骤三、利用减材切削单元对增材打印层的表面进行减材切削加工处理，减材切削加工厚度小于增材打印层厚度；

步骤四、利用超声表面处理单元对经过减材切削加工处理的增材打印层表面进行超声处理；

步骤五、重复步骤二至步骤四对金属零件逐层进行增材打印、减材切削和超声处理，直至制得完整的金属零件。