CN108380878A - 一种增减材复合成型设备及加工方法 - Google Patents

Abstract

一种增减材复合成型设备及加工方法，包括机箱，机箱内设有工作台，工作台底面设有XY轴移动机构，所述机箱内设有主轴，该主轴与驱动器连接，主轴的左侧装设有减材成型工具库，主轴的右侧装设有增材成型工具库和送粉激光喷头，主轴下端装设有工作头，送粉激光喷头通过激光光纤与激光器连接，送粉激光喷头通过送粉管与送粉器连接，激光送粉器通过管路与保护气供给装置连接，保护气供给装置通过气管与送粉激光喷头连接。本发明提高了快速成型加工和切削加工的效率，提升加工质量。

Description

一种增减材复合成型设备及加工方法

技术领域

本发明涉及一种增减材复合成型设备及加工方法。

背景技术

激光熔融快速成形技术保留了传统 3D 打印可实现柔性设计和制造、减少产品研发制造的成本以及周期、可一次成形复杂结构零件等一系列优势。同时，与其它金属零件3D打印技术相比，激光熔融快速成形技术所成形零件的尺寸更大，成形速度更快，粉末利用率更高。但采用激光熔融成形技术加工时，在零件表面流淌有一层质地致密、坚硬的不规则外层面， 零件表面存在明显的台阶效应， 平整度与光洁度不高，生成的金属制件由于很难再进行后处理，致使所获得的零件产品在精度和表面质量上存在较大的问题，从而严重影响了该 3D 打印技术在精密零件制造产业上的广泛推广和应用。

目前市场上主流的激光喷头多采用的是多路同轴光外送粉，采用了多层粉路环状包围激光束的结构，在激光快速成形中，粉末的入光路线为斜抛运动路线，金属粉末斜抛进入激光熔池，粉斑会聚较大，且不易保持原位，限制了其在零件制造过程中精度的进一步提高。同时，多路同轴粉末不能够完全消除方向性问题，激光扫描轨迹方向的变化时，粉末熔覆量会有所变化，导致所形成的金属零件的厚度和高度波动较大，难以保证均匀一致，这种波动在后续的堆积中不能够被消除，形成误差的积累。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种增减材复合成型设备和方法，提高了快速成型加工和切削加工的效率，提升加工质量。为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：

一种增减材复合成型设备，包括机箱，机箱内设有工作台，工作台底面设有XY轴移动机构，所述机箱内设有主轴，该主轴与驱动器连接，主轴的左侧装设有减材成型工具库，主轴的右侧装设有增材成型工具库和送粉激光喷头，主轴下端装设有工作头，送粉激光喷头通过激光光纤与激光器连接，送粉激光喷头通过送粉管与送粉器连接，激光送粉器通过管路与保护气供给装置连接，保护气供给装置通过气管与送粉激光喷头连接。

所述激光器还通过管路与冷水机连接，冷水机通过冷水管与送粉激光喷头连接。

所述送粉激光喷头是一种反射式中空激光光内送粉激光喷头，该送粉激光喷头内设置喷气管和出粉管，该喷气管、出粉管和送粉激光喷头同轴设置。

所述减材成型工具库通过连接装置与主轴后侧的立柱连接，减材成型工具库可为斗笠式或伞型式；增材成型工具库通过连接装置与主轴后侧的立柱连接，增材成型工具库可为斗笠式或伞型式。

一种增减材复合成型设备的加工方法，包括以下步骤：

S1，先进行增材操作，将送粉激光喷头装配在主轴的工作头上，工作台按照加工指令运动，送粉激光喷头同轴输出金属粉末、激光束和保护气，随着工作台的移动在工作台上进行熔敷；

S2,熔敷完一层后，主轴向上抬升至设定高度，工作台按照加工指令继续运动，重复进行熔敷操作形成叠层，逐层叠加造型使叠层厚度达到切削刀具的有效刃长；

S3,主轴向上抬升至预设安全高度，进行送粉激光喷头与切削刀具的切换，从减材工具库中抓取切削刀具装配到主轴的工作头上，利用切削刀具对叠层侧面进行切削加工；

S4,反复进行熔敷、叠层造型和高速切削加工；

S5,最终形成具有精密加工表面的立体形状造型。

本发明既满足同轴送粉激光熔融快速成形加工也满足高速高精切削加工，可实现增减材制造的同步交互，同时两者互相补充，提升加工质量和效率。将3D打印的叠层造型工艺和传统的高速切削加工工艺融为一体，在快速增材成形过程中同步进行多余材料的切除以保证成型零件的精度和表面质量，同时具备了加工尺寸更大、加工速度更快、粉末率使用的特点，避免了零件表面的台阶效应，平整度与光洁度不高的问题。

附图说明

附图1为本发明立体结构示意图；

附图2为本发明中送粉激光喷头的剖面示意图；

附图3为本发明加工方法的流程示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如附图1和2所示，本发明揭示了一种增减材复合成型设备，包括机箱2，机箱2内设有工作台6，工作台6底面设有XY轴移动机构，所述机箱2内设有主轴5，该主轴5与驱动器连接，驱动器带动主轴Z轴方向的上下移动，主轴5的左侧装设有减材成型工具库1，主轴5的右侧装设有增材成型工具库3和送粉激光喷头4，主轴下端装设有工作头17，送粉激光喷头4通过激光光纤7与激光器8连接，送粉激光喷头4通过送粉管12与送粉器13连接，激光送粉器13通过管路与保护气供给装置14连接，保护气供给装置14通过气管11与送粉激光喷头4连接。XY轴移动机构为X轴方向的电机和Y轴方向的电机及相应的滑动块，带动工作台实现X轴方向和Y轴方向的移动，此为本领域技术人员的公知常识，在此不再详细赘述。

所述激光器8还通过管路与冷水机9连接，冷水机9通过冷水管10与送粉激光喷头4连接。通过冷水机提供冷却水，对送粉激光喷头和激光器进行冷却，确保其在工作过程中不会因为温度过高而发生故障。

所述送粉激光喷头是一种反射式中空激光光内送粉激光喷头，该送粉激光喷头4内设置喷气管15和出粉管16，该喷气管、出粉管和送粉激光喷头同轴设置，实现从出粉管喷出的粉末与激光光束完全同轴，由于此装置中的粉斑没有焦点，不管激光束和基体表面相距多远，其粉末的输送总是通过激光聚焦点，在加工过程中，焦点出现小的变化，不会影响其粉末与激光聚焦的变化。粉末进入送粉激光喷头内部的路径是竖直向下，没有出现斜抛现象，但是考虑到粉末可能在下落过程中会出现轻微发散，因此对粉管周围加了一圈保护气体，将粉末完全包裹在气体所形成的气帘内部，通过对粉管直径的调节，可以完全达到粉末居于激光熔池内部，不会出现传统的光外送粉所形成的三个区域的粉末现象。保护气通常为惰性气体。

所述减材成型工具库通过推送装置与立柱连接且竖直放置，减材成型工具库可为斗笠式或伞型式；增材成型工具库通过推送装置与立柱连接且横向放置，增材成型工具库可为斗笠式或伞型式。

另外，机箱外围可设置机罩，通过控制器实现开启和关闭，能够保护机箱内的各个器件。

另外，如附图3所示，本发明还揭示了一种增减材复合成型设备的加工方法，包括以下步骤：

S1，先进行增材操作，将送粉激光喷头装配在主轴的工作头上，工作台按照加工指令运动，送粉激光喷头同轴输出金属粉末、激光束和保护气，随着工作台的移动在工作台上进行熔敷。激光束将金属粉末熔化形成熔融金属。金属粉末在保护气的保护下避免了下落过程中出现轻微发散的问题。

S2,熔敷完一层后，主轴向上抬升至设定高度，工作台按照加工指令继续运动，重复进行熔敷操作形成叠层，逐层叠加造型使叠层厚度达到切削刀具的有效刃长。即先熔敷完一层后，按照设定厚度，接着主轴抬升一定高度再熔敷一层，从而达到设定厚度。

S3,主轴向上抬升至预设安全高度，进行送粉激光喷头与切削刀具的切换，从减材工具库中抓取切削刀具装配到主轴的工作头上，利用切削刀具对叠层侧面进行切削加工。完成增材加工后，此时需要更换送粉激光喷头，从减材工具库中抓取相应的切削刀具并且装配在主轴的工作头上进行减材加工。

S4,反复进行熔敷、叠层造型和高速切削加工。判定加工是否完成，如果未完成，重新切换，将当前的切削刀具更换为送粉激光喷头，再次进行熔敷操作，重新进行增材，然后再进行切削加工，直到加工完成。

S5,最终形成具有精密加工表面的立体形状造型。

需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种增减材复合成型设备，包括机箱，机箱内设有工作台，工作台底面设有XY轴移动机构，其特征在于，所述机箱内设有主轴，该主轴与驱动器连接，主轴的左侧装设有减材成型工具库，主轴的右侧装设有增材成型工具库和送粉激光喷头，主轴下端装设有工作头，送粉激光喷头通过激光光纤与激光器连接，送粉激光喷头通过送粉管与送粉器连接，激光送粉器通过管路与保护气供给装置连接，保护气供给装置通过气管与送粉激光喷头连接。

2.根据权利要求1所述的增减材复合成型设备，其特征在于，所述激光器还通过管路与冷水机连接，冷水机通过冷水管与送粉激光喷头连接。

3.根据权利要求2所述的增减材复合成型设备，其特征在于，所述送粉激光喷头是一种反射式中空激光光内送粉激光喷头，该送粉激光喷头内设置喷气管和出粉管，该喷气管、出粉管和送粉激光喷头同轴设置。

4.根据权利要求3所述的增减材复合成型设备，其特征在于，所述减材成型工具库通过连接装置与主轴后侧的立柱连接，减材成型工具库可为斗笠式或伞型式；增材成型工具库通过连接装置与主轴后侧的立柱连接，增材成型工具库可为斗笠式或伞型式。

5.一种根据权利要求1-4中任一项所述的增减材复合成型设备的加工方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1，先进行增材操作，将送粉激光喷头装配在主轴的工作头上，工作台按照加工指令运动，送粉激光喷头同轴输出金属粉末、激光束和保护气，随着工作台的移动在工作台上进行熔敷；

S2,熔敷完一层后，主轴向上抬升至设定高度，工作台按照加工指令继续运动，重复进行熔敷操作形成叠层，逐层叠加造型使叠层厚度达到切削刀具的有效刃长；

S3,主轴向上抬升至预设安全高度，进行送粉激光喷头与切削刀具的切换，从减材工具库中抓取切削刀具装配到主轴的工作头上，利用切削刀具对叠层侧面进行切削加工；

S4,反复进行熔敷、叠层造型和高速切削加工；

S5,最终形成具有精密加工表面的立体形状造型。