CN107952958B - 沉积轴、增材制造设备及对沉积轴行程进行调节的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于增材制造的沉积轴，其特征在于，所述沉积轴由两部分或多部分构成并且所述沉积轴的长度是可调节的，其中，所述沉积轴的所述两部分或多部分中的至少一个部分相对于所述沉积轴的所述两部分或多部分中的其他部分是可拆卸的，或者，所述沉积轴的所述两部分或多部分中的至少一个部分相对于所述沉积轴的所述两部分或多部分中的其他部分的位置是可变动的。本发明还提供了一种增材制造设备以及一种对用于增材制造的沉积轴的行程进行调节的方法。

Description

沉积轴、增材制造设备及对沉积轴行程进行调节的方法
技术领域
本发明属于激光增材制造技术领域，具体而言，涉及用于增材制造的沉积轴、增材制造设备及对用于增材制造的沉积轴的行程进行调节的方法。
背景技术
激光增材制造是一种应用广泛的快速成形技术，其基本原理是，首先在计算机中生成零件的三维CAD实体模型，然后将模型按一定的厚度切片分层，即将零件的三维形状信息转换成一系列二维轮廓信息，随后在数控系统的控制下，用同步送粉激光熔覆的方法将金属粉末材料按照一定的填充路径在一定的基材上逐点填满给定的二维形状，重复这一过程逐层堆积形成三维实体零件。
与传统的锻造技术对比，激光增材制造技术具有多方面的优势，其中最显著的有三点：(1)零件生产成本低。激光增材制造可从多方面降低钛合金零件的生产成本，如无需大型锻造工业装备、大型锻造模具等，可大幅度提高材料利用率，大幅度减少零件加工量和加工刀具使用量等。(2)零件生产周期短。激光增材制造可一步制造近净成形零件，生产时间短。同时，后续加工量小，加工时间大幅度缩短。(3)可成形超复杂结构件。钛合金大型整体结构件往往具有复杂形状。在锻造加工过程中，有些超复杂的结构件是无法加工成形的，而激光熔化沉积通过逐层堆积则可实现这些超复杂构件的生产。
在钛合金、铝合金等金属/合金的激光增材制造成形过程中，若在大气环境下(无惰性气体保护)进行，成形件表面易被空气中的离子氧化而产生多种金属氧化物，由于这些氧化物对激光能量的吸收率不同，再加上由于氧化物所造成的涂层表面的起伏不平，导致涂层表面不同部位对激光束的吸收率出现明显变化，并使激光熔池的尺寸大小在激光增材制造过程中无法保持稳定，从而显著影响成形件的外形和表面质量。因此，在进行一些活泼材料的成形时，激光增材制造成形腔是一个必不可少的关键装置，成形腔内充满惰性气体，所需的气氛环境可根据所使用的材料进行调整，保证加工区域的气氛达到一定的要求，避免成形件表面被氧化。
在成形零件过程中，激光增材制造通常是“逐层凝固沉积”，每沉积完一层零件，z轴(即沉积轴)，需要往上上升一层成形零件的高度。如图1中所示，因为激光增材制造是一项工艺性较强的技术，z轴单层行程△z的数值必须与沉积单层厚度保持一致，通过这种方式确保各层的工艺条件完全相同。成形腔内z轴随着成形零件的升高而升高，成形完成之后，气氛保护成形腔的高度通常需要两倍以上的零件高度。如图2中所示，激光增材制造零件的高度为2H，成形腔的高度为零件高度的二倍，即为4H。成形腔的体积较大，要控制成形腔内保持均匀的气氛环境难度相对较大，成形腔充放惰性气体耗时比较长，造成成形腔的造价较高；而在成形较小零件的时候，也必须将惰性气体充满整个成形腔，造成不必要时间以及惰性气体的浪费，整个成形腔的利用率以及成形效率低下。
因此，需要在保证较大的z轴方向成形高度能力前提下，尽可能地降低成形腔内z轴高度，缩小激光增材制造成形腔的体积，从而提高激光增材制造成形效率以及降低成形腔的制造成本。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中增材制造中存在的上述问题，例如解决沉积轴长度过大的问题，解决增材制造成形腔的体积过大、制造成本过高的问题，该目的是通过以下技术方案实现的。
本发明提供了一种用于增材制造的沉积轴，所述沉积轴由两部分或多部分构成并且所述沉积轴的长度是可调节的，其中，所述沉积轴的所述两部分或多部分中的至少一个部分相对于所述沉积轴的所述两部分或多部分中的其他部分是可拆卸的，或者，所述沉积轴的所述两部分或多部分中的至少一个部分相对于所述沉积轴的所述两部分或多部分中的其他部分的位置是可变动的。
根据本发明的另一方面，所述沉积轴的所述两部分或多部分是通过连接装置接合到一起的。
根据本发明的另一方面，所述连接装置为对开式法兰接口。
根据本发明的另一方面，所述沉积轴的所述两部分或多部分是通过套筒移动结构实现彼此的位置可变动的。
根据本发明的另一方面，所述套筒移动结构包括：两个电磁阀，所述两个电磁阀分别用于推动油缸控制梳状螺母的定位和控制主轴套筒的松开与卡紧，当所述梳状螺母插入后带动所述主轴套筒移动；安装在所述内主轴套筒的三个检测开关，所述三个检测开关分别检测所述主轴套筒的上限位行程、下限位行程以及所述梳状螺母的插入；以及两个压力继电器，所述两个压力继电器分别用于检测所述主轴套筒的卡紧压力和所述梳状螺母的定位压力。
本发明还提供了一种增材制造设备，所述增材制造设备至少包括前面描述的用于增材制造的沉积轴。
本发明还提供了一种对前面描述的用于增材制造的沉积轴的行程进行调节的方法，所述方法包括：当增材制造形成的零件达到一定沉积高度时，使所述沉积轴的长度变小；以及使长度变小的所述沉积轴到达所形成的零件表面处，继续完成零件其余部分的增材制造。
根据本发明的另一方面，当增材制造形成的零件达到所述一定沉积高度时，使所述沉积轴的所述两部分或多部分之间的相对位置变动。
根据本发明的另一方面，当增材制造形成的零件达到所述一定沉积高度时，取下所述沉积轴的所述两部分或多部分中的一部分或多个部分。
通过将沉积轴设计为灵活可变动的两部分或者多部分后可以显著降低成形腔的高度。例如，当成形到一定高度时，将沉积轴通过法兰接口取下一部分或者通过缩回一部分，接着，使沉积轴往下降，继续成形。当激光增材制造零件完成后，成形腔的高度为3H，从而实现沉积轴长度的缩短和成形腔高度降低。
通过上述对沉积轴的行程进行调节的方法，可实现如下有益的技术效果：
(1)在保证较大的沉积轴方向成形高度能力前提下，降低了成形腔内沉积轴长度，缩小激光增材制造成形腔的体积；
(2)在缩小了成形腔的体积的基础上，在成形尺寸较小的零件时，与之前成形腔体积较大时相比，极大地缩短了成形腔内充放惰性气体的等待时间，极大地提高了激光增材制造的成形效率；由于成形腔体积的缩小，可以显著降低气氛保护成形腔的制造成本。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是传统激光增材设备制造零件过程中z轴初始位置示意图。
图2是传统激光增材设备制造零件过程中z轴最终位置示意图。
图3是本发明实施方式中的激光增材设备制造零件高度为H时z轴位置示意图。
图4是本发明第一实施方式中的z轴对开式法兰接口及位置示意图。
图5是本发明第二实施方式中的z轴套筒伸缩结构及其位置示意图。
图6是本发明实施方式中的z轴缩短后形状及其位置示意图。
图7是本发明实施方式中的激光增材制造零件z轴缩短后的最终位置示意图。
附图标记说明如下：
1-激光器；2-送粉器；3-z轴；4-z轴腔体；5-送粉系统；6-反射镜；7-密闭装置；8-O2检测装置；9-出气口；10-沉积零件；11-基板；12-工作台；13-桥；14-y轴，15-x轴；16-基座；17-进气口；18-电磁阀SOL1；19-压力继电器PS2；20-梳状螺母；21-检测开关SW3；22-电磁阀SOL2；23-压力继电器PS1；24-检测开关SW2；25-检测开关SW1。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
下面结合具体实施方式和附图对本发明所述的增材制造沉积轴(即z轴)做进一步说明，但是本发明的保护范围并不限于此。
激光增材制造实验中，设定成形零件最大高度为2H，当激光增材制造成形零件高度很高时，如果通过传统激光增材设备制造，零件成形结束后，如图2中所示，要求设备中成形腔的高度达到4H。
本发明的实施方式通过将z轴、即沉积轴设计为灵活可变动的两部分或者多部分后可以显著降低成形腔的高度。例如，当成形到H高度时(如图3中所示)，将z轴通过法兰接口取下一部分(如图4所示，第一实施方式)或者通过套筒伸缩(如图5所示，第二实施方式)缩回一部分，同时，将z轴往下降，继续成形(如图6中所示)。当激光增材制造零件完成后，z轴的位置如图7中所示，成形腔的高度为3H，从而实现z轴行程倍增，不仅能够实现高度很高的零件的成形，而且能够使气氛保护成形腔高度降低。根据以上原理，根据需要，还可以将z轴设计为三部分或者多部分，从而更大幅度地降低成形腔的高度。
第一实施方式
如图4中所示，激光增材制造设备的z轴总长度为2H，由长度相同的两部分通过高度H处的对开式法兰接口连接而成。
在激光增材制造过程中，在成形腔内，当激光增材制造的零件高度达到H时(如图3中所示)，通过法兰接口将0-H高度部分的z轴第一部分取下(如图4中所示)，保留H到2H部分的z轴第二部分，继续进行激光增材制造，完成零件剩余H高度的增材制造(如图6中所示)。当零件成形结束后，所需要的成形腔总高度为3H(如图7中所示)，相对于之前的成形腔高度4H(如图2中所示)，成形腔的高度降低了高度H，从而达到减小成形腔高度的目的。
显然，构成z轴的各部分长度可根据制造要求或实验环境进行灵活设定，即z轴并不一定由相同长度的部分构成，而是可通过两个及以上法兰接口实现三部分及更多部分的z轴部分，从而进一步降低成形腔总高度。
第二实施方式
如图5中所示，激光增材制造设备的沉积轴、即z轴总长度为2H，z轴构造成通过套筒移动结构实现伸缩。该z轴套筒移动结构包括两个电磁阀SOL1、SOL2，一个电磁阀推动油缸控制梳状螺母20的定位，另一个电磁阀控制主轴套筒的松开与卡紧。梳状螺母20插入后，可以带动套筒移动。主轴套筒内安装3个检测开关SW1～SW3，用于分别检测套筒的上下限位行程以及梳状螺母20的插入。该z轴套筒移动结构还包括两个压力继电器PS1、PS2，用于分别检测套筒卡紧压力和梳状螺母20(普通螺母的一部分)定位压力。
激光增材制造z轴的总长度为2H，在激光增材制造成形过程中，成形z轴高度0～H范围内，通过套筒伸缩逐步上升，将0～H高度的z轴伸缩到H到2H高度范围的z轴套筒内。当激光增材制造的零件高度达到H时(如图5中所示)，将z轴降低到成形零件表面处(如图6中所示)，继续进行激光增材制造，完成零件剩余H高度的增材制造。当零件成形结束后，成形腔的总高度为3H(如图7中所示)，相对于之前的成形腔高度4H，需要的成形腔高度降低了H高度，从而达到减小成形腔高度的目的。
显然，构成z轴的各部分长度可根据制造要求或实验环境进行灵活设定，即z轴并不一定由相同长度的部分构成，而是可通过两个及以上套筒移动结构实现三部分及更多部分的z轴部分，从而进一步降低成形腔总高度。
通过上述实施方式可见，通过本发明所披露的对沉积轴的行程进行调节的方法，在保证较大的z轴方向成形高度能力前提下，降低了成形腔内z轴高度，缩小激光增材制造成形腔的体积，同时缩短了成形腔内充放惰性气体的时间，提高了激光增材制造的成形效率；由于成形腔体积的缩小，可以显著降低成型腔内气氛保护所消耗的惰性气体的用量，进一步降低成本。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种对用于增材制造的沉积轴的行程进行调节的方法，其特征在于，所述用于增材制造的沉积轴由两部分或多部分构成并且所述沉积轴的长度是可调节的，其中，所述沉积轴的所述两部分或多部分中的至少一个部分相对于所述沉积轴的所述两部分或多部分中的其他部分是可拆卸的，或者，所述沉积轴的所述两部分或多部分中的至少一个部分相对于所述沉积轴的所述两部分或多部分中的其他部分的位置是可变动的；所述方法包括：
当增材制造形成的零件达到一定沉积高度时，使所述沉积轴的长度变小；以及使长度变小的所述沉积轴到达所形成的零件表面处，继续完成零件其余部分的增材制造。
2.根据权利要求1所述的对用于增材制造的沉积轴的行程进行调节的方法，其特征在于，所述沉积轴的所述两部分或多部分是通过连接装置接合到一起的。
3.根据权利要求2所述的对用于增材制造的沉积轴的行程进行调节的方法，其特征在于，所述连接装置为对开式法兰接口。
4.根据权利要求1所述的对用于增材制造的沉积轴的行程进行调节的方法，其特征在于，所述沉积轴的所述两部分或多部分是通过套筒移动结构实现彼此的位置可变动的。
5.根据权利要求4所述的对用于增材制造的沉积轴的行程进行调节的方法，其特征在于，所述套筒移动结构包括：两个电磁阀，所述两个电磁阀分别用于推动油缸控制梳状螺母的定位和控制主轴套筒的松开与卡紧，当所述梳状螺母插入后带动所述主轴套筒移动；安装在所述内主轴套筒的三个检测开关，所述三个检测开关分别检测所述主轴套筒的上限位行程、下限位行程以及所述梳状螺母的插入；以及两个压力继电器，所述两个压力继电器分别用于检测所述主轴套筒的卡紧压力和所述梳状螺母的定位压力。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的对用于增材制造的沉积轴的行程进行调节的方法，其特征在于，所述沉积轴的各部分的长度是相同或不同的。
7.根据权利要求1所述的对用于增材制造的沉积轴的行程进行调节的方法，其特征在于，当增材制造形成的零件达到所述一定沉积高度时，使所述沉积轴的所述两部分或多部分之间的相对位置变动。
8.根据权利要求1所述的对用于增材制造的沉积轴的行程进行调节的方法，其特征在于，当增材制造形成的零件达到所述一定沉积高度时，取下所述沉积轴的所述两部分或多部分中的一部分或多个部分。
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