CN108927521B - 改善3d打印不锈钢工件表面粗糙度和强度的后处理设备 - Google Patents

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Abstract

在食品机械中采用3D打印不锈钢工件具有很好的市场需求，改善3D打印不锈钢工件表面粗糙度和强度的后处理设备非常重要。本发明的改善3D打印不锈钢工件表面粗糙度和强度的后处理设备，包括基座、超声电源动力组件、工件固定装置、冲击装置和粗糙度测试装置，所述工件固定装置包括定位装置和紧固装置，被处理工件置于所述工件固定装置上，所述冲击装置包括冲击平台、冲击压头、施力组件和移动机构，所述冲击平台至少包括两个所述冲击压头，每一个所述冲击压头均分别与一个单独的所述施力组件和一个单独的所述超声电源动力组件相连接，所述施力组件中有压力传感器和卡位装置。本发明采用超声冲击的方式对3D打印不锈钢工件进行后处理，进一步增强了3D打印不锈钢工件的增材制造优势，具有显著的技术优势和应用前景。

Description

改善3D打印不锈钢工件表面粗糙度和强度的后处理设备
技术领域
本发明涉及3D打印金属工件的表面处理设备，更具体涉及一种改善3D打印不锈钢工件表面粗糙度和强度的后处理设备。
背景技术
不锈钢因其优异的耐腐蚀性能和对人体极高的安全性等优异性能，在食品机械中广泛应用。3D打印技术独有的一体成型加工特点，减少了机械部件的连接配合问题，有利于食品安全的保障。但是3D打印的不锈钢工件的成型尺寸具有高精度特点，后期机加工的尺寸余量很少，而且机加工往往会对3D打印不锈钢工件表面产生拉应力等不利影响，另一方面对3D打印不锈钢工件进行高温后处理也存在变形的隐患。
表面粗糙度和强度是影响3D打印不锈钢工件在食品机械中能否长时间服役的关键性能，低的粗糙度可以减少细菌的粘附，便于卫生的清洁；而较高的强度可以抵抗3D打印不锈钢工件与对磨食品或对磨工件之间的磨损，从而获得更长的使用寿命。但目前针对3D打印不锈钢工件，有效改善其表面粗糙度和强度的后处理还很少，特别是针对3D打印不锈钢工件表面形状非平面的情况还没有有效解决方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术之不足，提供一种改善3D打印不锈钢工件表面粗糙度和强度的后处理设备，使3D打印不锈钢工件在不同表面形状条件下都可以获得低的表面粗糙度和高的表面强度。
按照本发明提供的改善3D打印不锈钢工件表面粗糙度和强度的后处理设备，其采用的主要技术方案为：包括基座、超声电源动力组件、工件固定装置、冲击装置和粗糙度测试装置，所述工件固定装置包括定位装置和紧固装置，被处理工件置于所述工件固定装置上，所述冲击装置包括冲击平台、冲击压头、施力组件和移动机构，所述冲击平台至少包括两个所述冲击压头，每一个所述冲击压头均分别与一个单独的所述施力组件和一个单独的所述超声电源动力组件相连接，所述施力组件中有压力传感器和卡位装置。以上设计可以确保每一个冲击压头的位置、运动和加载控制都保持独立，实现不同冲击压头之间的相互协同，从而可以实现对被处理工件表面既可以进行同等处理，也可以实现工件表面不同位置进行差异化处理，进一步实现对被加工试样的有效处理。
本发明的技术方案还包括以下技术特征：
所述的改善3D打印不锈钢工件表面粗糙度和强度的后处理设备，其特征在于，所述冲击压头可在所述冲击平台上实现以基座水平面法线为基准的-60度到+60度夹角范围的自由转动，并可在垂直于被处理工件表面方向自由移动，所述冲击压头可以根据所述被处理工件表面的形状进行位置的调整。以上技术方案的设计确保了不管被加工试样表面的形状如何，冲击压头都可以实现接触和自由加载及移动，以基座水平面法线为基准的-60度到+60度夹角范围的设计，在机械设计和控制可以实现的前提下，基本满足被处理工件在绝大多数情况下可能的表面特殊轮廓角度的要求。
所述冲击压头包括传递杆、硬质球和固定套，所述传递杆与所述施力组件相连接，所述硬质球通过所述固定套与所述传递杆相连接。所述硬质球可以是硬质钢球，也可以是陶瓷球，可根据被处理试样的表面形状和接触应力需要来选择不同材质的硬质球或者不同尺寸的硬质球，同样不同冲击压头上可以根据需要选择不同的硬质球。
所述冲击平台可通过所述移动机构带动所述冲击压头在所述被处理工件表面进行前后和左右移动。
所述粗糙度测试装置包括微型压头和光学摄像头，所述微型压头通过接触模式可以获得所述被处理工件表面的轮廓曲线，所述光学摄像头可以获得所述被处理工件表面的光学形貌。
所述被处理工件的最终粗糙度范围Ra为0.05-0.3微米。
所述超声电源动力组件的频率范围为20 kHz、或25 kHz，或40kHz。
本发明改善3D打印不锈钢工件表面粗糙度和强度的后处理设备的处理工艺，包括如下步骤：
（1）将被处理工件安装在本发明的改善3D打印不锈钢工件表面粗糙度和强度的后处理设备上，首先利用所述工件固定装置的所述定位装置将被处理工件进行定位，然后利用所述紧固装置进行牢固固定，并调整被处理工件表面置于所述冲击平台正下方；
（2）根据所述被处理工件表面面积大小和处理时间确定所述冲击压头的数量，将所述冲击压头安装在所述冲击平台上，并根据所述被处理工件表面形状调整所述冲击压头的位置，确保所述冲击压头的所述硬质球均与所述被处理工件的表面相接触；
（3）利用所述施力组件对所述硬质球施加相应的静载荷，通过所述卡位装置来获得恒定的静载荷；
（4）利用所述超声电源动力组件获得相应的超声频率，从而传递给所述硬质球对所述被加工试样表面进行冲击处理，冲击过程中采用冷却液对加工位置进行同步充分冷却；
（5）利用所述移动机构实现所述冲击压头的所述硬质球在所述被加工试样表面进行移动，实现整个被处理工件表面处理面积的全覆盖，从而完成一次表面处理，利用所述移动机构进行往复循环实现被处理工件表面的重复处理；
（6）本处理工艺的参数包括：超声频率25 kHz，静载荷200-800 N，振幅20-40微米，30000-100000 次/平方毫米，硬质球移动速率1-10 毫米/分，所述不同压头之间的材质和处理工艺参数可以相同也可以不同；
（7）对以上处理后的所述被处理工件表面采用所述粗糙度测试装置进行测试，获得其表面轮廓曲线和表面光学形貌，结合粗糙度数据和表面整体形貌进行判定，根据实际情况确定是否进一步进行后处理，直到达到被处理工件的表面粗糙度要求。
按照本发明提供的改善3D打印不锈钢工件表面粗糙度和强度的后处理设备及其处理工艺，具有如下优点：
1、本发明中的3D打印不锈钢工件的表面后处理工艺采用超声冲击的方式处理，进一步增强了3D打印的增材制造优势，具有显著的技术优势。这显著区别于传统的机加工处理的减材处理，通过对工件表面在高频率冲击，使得工件表面一定厚度范围内发生充分的塑性变形，减少3D打印过程中激光熔化粉末可能形成的空隙，获得低的表面粗糙度，并且产生表面数微米到数十微米范围内晶粒不同程度的纳米化效果，在改善表面粗糙度的同时，利用晶粒细化来强化表面强度，实现一种处理工艺兼顾粗糙度和强度两方面的性能。
2、本发明中的3D打印不锈钢工件的表面后处理设备可实现3D打印不锈钢工件的多种表面形状的后处理，使3D打印不锈钢工件在不同表面形状条件下都可以获得低的表面粗糙度和高的表面强度。由于所述冲击压头可以在所述冲击平台表面特定角度范围的旋转，以及在垂直于被处理工件表面方向自由移动，并可以根据所述被处理工件表面的形状进行位置的调整，因此不管被加工表面是简单的平面还是圆弧表面等异形表面，或者局部有凹陷或凸起等特殊形状的表面，被处理工件表面的所有位置均可获得同等的冲击处理，这很好地满足了3D打印不锈钢工件的尺寸高精度的特点，极大的改善了3D打印不锈钢工件的表面处理效果。
3、本发明中的所述冲击平台至少包括两个所述冲击压头，并且由于冲击压头的数量和相互独立性，冲击压头的材料和尺寸都可以根据需要进行选择，并可更具需要增加更多的冲击压头，这极大的提高了3D打印不锈钢工件表面后处理的效率，同时可以实现被处理工件表面的不同位置采用不同工艺参数处理，进而获得相应的表面粗糙度和强度，这很好地满足了3D打印不锈钢工件表面不同位置可能存在的差异化性能需求的特点，将有助于该后处理技术的推广应用。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
具体实施方式
参见图1，按照本发明提供的改善3D打印不锈钢工件表面粗糙度和强度的后处理设备，包括基座1、超声电源动力组件2、工件固定装置3、冲击装置4和粗糙度测试装置5，所述工件固定装置3包括定位装置31和紧固装置32，被处理工件6置于所述工件固定装置3上，所述冲击装置4包括冲击平台41、冲击压头42、施力组件43和移动机构44，所述冲击平台41至少包括两个所述冲击压头42，每一个所述冲击压头42均分别与一个单独的所述施力组件43和一个单独的所述超声电源动力组件2相连接，所述施力组件43中有压力传感器和卡位装置。
所述冲击压头42可在所述冲击平台41上实现以基座1水平面法线为基准的-60度到+60度夹角范围的自由转动，并可在垂直于被处理工件6表面方向自由移动，所述冲击压头42可以根据所述被处理工件6表面的形状进行位置的调整。
所述冲击压头42包括传递杆、硬质球和固定套，所述传递杆与所述施力组件43相连接，所述硬质球通过所述固定套与所述传递杆相连接。
所述冲击平台41可通过所述移动机构44带动所述冲击压头42在所述被处理工件6表面进行前后和左右移动。
所述粗糙度测试装置5包括微型压头和光学摄像头，所述微型压头通过接触模式可以获得所述被处理工件表面的轮廓曲线，所述光学摄像头可以获得所述被处理工件表面的光学形貌。
所述被处理工件6的最终粗糙度范围Ra为0.05-0.3微米。粗糙度的确定需要与冲击压头的材质和处理工艺相统一，特别是对于不同位置不同要求的工件表面尤为重要。
所述超声电源动力组件2的频率范围为20 kHz、或25 kHz，或40kHz。
本发明改善3D打印不锈钢工件表面粗糙度和强度的后处理设备的处理工艺，包括如下步骤：
（1）将被处理工件6安装在本发明的改善3D打印不锈钢工件表面粗糙度和强度的后处理设备上，首先利用所述工件固定装置3的所述定位装置31将被处理工件6进行定位，然后利用所述紧固装置32进行牢固固定，并调整被处理工件6表面置于所述冲击平台41正下方；
（2）根据所述被处理工件6表面面积大小和处理时间确定所述冲击压头42的数量，将所述冲击压头42安装在所述冲击平台41上，并根据所述被处理工件6表面形状调整所述冲击压头41的位置，确保所述冲击压头41的所述硬质球均与所述被处理工件6的表面相接触，然后固定好所述冲击压头42和所述冲击平台41之间的位置；
（3）利用所述施力组件43对所述硬质球施加相应的静载荷，通过所述卡位装置来获得恒定的静载荷；
（4）利用所述超声电源动力组件2获得相应的超声频率，从而传递给所述硬质球对所述被加工试样6表面进行冲击处理，冲击过程中采用冷却液对加工位置进行充分冷却；
（5）利用所述移动机构44实现所述冲击压头的所述硬质球在所述被加工试样表面进行移动，实现整个被处理工件6表面处理面积的全覆盖，从而完成一次表面处理，利用所述移动机构44进行往复循环实现被处理工件表面的多次重复处理；
（6）本处理工艺的参数包括：超声频率25 kHz，静载荷200-800 N，振幅20-40微米，30000-100000 次/平方毫米，硬质球移动速率1-10 毫米/分，所述不同压头之间的材质和处理工艺参数可以相同也可以不同，本处理工艺的优化参数为：超声电源动力组件的频率25 kHz，静载荷400-600 N，振幅20-30微米，60000-80000 次/平方毫米，硬质球移动速率3-5毫米/分；
（7）对以上处理后的所述被处理工件6表面采用所述粗糙度测试装置5进行测试，获得其表面轮廓曲线和表面光学形貌，结合粗糙度数据和表面整体形貌进行判定，根据实际情况确定是否进一步进行后处理，直到达到被处理工件6的表面粗糙度要求。
本发明以3D打印不锈钢作为被处理工件的材料，事实上其它3D打印金属材料工件也可以采用本发明的技术方案提供的后处理设备进行表面粗糙度和强度的改善处理，同样具有显著的技术优势，只需要根据被处理工件的材料和形状，选取相应的冲击压头材料和工艺参数即可。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.改善3D 打印不锈钢工件表面粗糙度和强度的后处理设备，其特征在于，包括基座、超声电源动力组件、工件固定装置、冲击装置和粗糙度测试装置，所述工件固定装置包括定位装置和紧固装置，被处理工件置于所述工件固定装置上，所述冲击装置包括冲击平台、冲击压头、施力组件和移动机构，所述冲击平台至少包括两个所述冲击压头，每一个所述冲击压头均分别与一个单独的所述施力组件和一个单独的所述超声电源动力组件相连接，所述施力组件中有压力传感器和卡位装置；所述冲击压头可在所述冲击平台上实现以基座水平面法线为基准的-60 度到+60 度夹角范围的自由转动，并可在垂直于被处理工件表面方向自由移动，所述冲击压头可以根据所述被处理工件表面的形状进行位置的调整；所述粗糙度测试装置包括微型压头和光学摄像头，所述微型压头通过接触模式可以获得所述被处理工件表面的轮廓曲线，所述光学摄像头可以获得所述被处理工件表面的光学形貌。
2.如权利要求1 所述的改善3D 打印不锈钢工件表面粗糙度和强度的后处理设备，其特征在于，所述冲击压头包括传递杆、硬质球和固定套，所述传递杆与所述施力组件相连接，所述硬质球通过所述固定套与所述传递杆相连接。
3.如权利要求1 所述的改善3D 打印不锈钢工件表面粗糙度和强度的后处理设备，其特征在于，所述冲击平台可通过所述移动机构带动所述冲击压头在所述被处理工件表面进行前后和左右移动。
4.如权利要求1 所述的改善3D 打印不锈钢工件表面粗糙度和强度的后处理设备，其特征在于，所述被处理工件的最终粗糙度范围Ra 为0.05-0.3 微米。
5.如权利要求1 所述的改善3D 打印不锈钢工件表面粗糙度和强度的后处理设备，其特征在于，所述超声电源动力组件的频率为20 kHz、或25 kHz，或40kHz。
6.权利要求1-5 任意一项改善3D 打印不锈钢工件表面粗糙度和强度的后处理设备的处理工艺，包括如下步骤：
（1）将被处理工件安装在改善3D 打印不锈钢工件表面粗糙度和强度的后处理设备上，首先利用所述工件固定装置的所述定位装置将被处理工件进行定位，然后利用所述紧固装置进行牢固固定，并调整被处理工件表面置于所述冲击平台正下方；
（2）根据所述被处理工件表面面积大小和处理时间确定所述冲击压头的数量，将所述冲击压头安装在所述冲击平台上，并根据所述被处理工件表面形状调整所述冲击压头的位置，确保所述冲击压头的所述硬质球均与所述被处理工件的表面相接触；
（3）利用所述施力组件对所述硬质球施加相应的静载荷，通过所述卡位装置来维持恒定的静载荷；
（4）利用所述超声电源动力组件获得相应的超声频率，从而传递给所述硬质球对所述被处理工件表面进行冲击处理，冲击过程中采用冷却液对加工位置进行同步充分冷却；
（5）利用所述移动机构实现所述冲击压头的所述硬质球在所述被处理工件表面进行移动，实现整个被处理工件表面处理面积的全覆盖，从而完成一次表面处理，利用所述移动机构进行往复循环实现被处理工件表面的重复处理；
（6）本处理工艺的参数包括：超声电源动力组件的频率25 kHz，静载荷200-800 N，振幅20-40微米，30000-100000 次/平方毫米，硬质球移动速率1-10 毫米/分，不同的所述冲击压头之间的材质和处理工艺参数可以相同也可以不同；
（7）待处理完成后，对以上处理后的所述被处理工件表面采用所述粗糙度测试装置进行测试，获得其表面轮廓曲线和表面光学形貌，结合粗糙度数据和表面整体形貌进行判定，根据实际情况确定是否进一步进行后处理，直到达到被处理工件的表面粗糙度要求。
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